微波辐射下壳聚糖制备工艺探讨.doc

第二章微波辐射下壳聚糖制备工艺探讨2. 1前言甲壳素是虾壳、蟹壳以及昆虫外壳的主要成分，其化学名为（1,4）—2—乙酰 氨基一2—脱氧一D-葡聚糖由于分子间强大的氢键作用，甲壳素几乎不溶于任 何溶剂，其应用受到很大限制壳聚糖是甲壳素脱乙酰基后的产物，其溶解度大 大提高由于壳聚糖中游离氨基的存在，赋予了它很多潜在的性能；而且由于壳 聚糖分子中活性基团的增加，大大提高了它的反应性能，可发生多利徵性反应， 并广泛用于化妆品、食品、医药、造纸等工业中门前，壳聚糖的制备方法有：酸碱法、微波法、酶催化法等如曹根庭等利 用连续浸酸法获得高粘度、高脱乙酰度壳聚糖时；张亦飞将甲壳粉碎后用酸碱法 制备壳聚糖冏；骆鑫等利用切流碱处理的方法对壳聚糖制备工艺进行了改进四等 这些方法一般都可得到脱乙酰度达80%以上、颜色雪白的壳聚糖但是其处理肘 间往往较长，而且过长时间的碱处理容易引起壳聚糖的降解，使粘度降低微波 具有加热速度快、能耗低、安全清洁等特点本文尝试以微波加热作为加热手段, 并考虑生产成本等因素，以虾壳、蟹壳作为原料，在经过脱蛋白、脱钙、脱色等 一系列前处理之后，用浓碱脱去壳聚糖的乙酰基，即可得到壳聚糖产品。

并且通 过研究所得产品的脱乙酰度、溶解性等性质，以确定微波加热制备壳聚糖的生产 工艺2. 2实验部分2. 2. 1实验试剂和仪器Galanz 17L机械型微波炉（广东格兰仕公司）; 氢氧化钠（化学纯，广东石岐化工厂）； 浓盐酸（分析纯，广州市东红化工厂）； 高镒酸钾（化学纯，广州化学试剂厂）； 草酸（化学纯，广东台山化工厂）； 内酮（分析纯，广州化学试剂厂）； WMZK-01温度指示控制仪； 乌氏粘度计； 超级恒温槽2. 2. 2实验内容2. 2. 2. 1脱蛋白将--定质量食用过并旦洗净的虾壳、蟹壳置于70ml浓度为ImolT】的NaOH 溶液中，然后放入微波炉中，在280W微波功率下加热lOmino冷却，过滤将 滤渣重复以上操作儿次，直至溶液近于无色即可水解除掉大部分蛋白质、脂肪 等2. 2. 2. 2 除钙将除去蛋白的虾壳、蟹壳洗涤干净后，置于70ml浓度为lmol/L的盐酸溶液 中，在室温下浸泡12小时，将其中的碳酸钙溶解必要时可以将旧酸过滤掉， 换上新鲜的酸液继续浸泡，直至无气泡生成为止2. 2. 2. 3 脱色将经过1, 2步处理的原料用2%的KMnO4溶液浸泡lh,然后过滤，将壳洗 涤干净后，再用2%的草酸溶液在50C下还原，即可制得颜色洁白的甲壳素。

洗 涤，干燥，称量所得甲壳素的质量2. 2. 2. 4脱乙酰基将制得的甲壳素置于一定浓度的浓NaOH溶液中，在微波炉中加热脱乙酰 基反应结束后，过滤，洗涤，即可得到壳聚糖产品洗涤，干燥，称重计算 产率2. 2. 2. 5脱乙酰度的测定壳聚糖分子中的游离氨基具有阳离子的性质，与峻可以发生定量反应因此 可通过定量的酸与氨基反应，然后再用碱反滴过量的酸用甲基橙作指示剂，当 溶液颜色由红变橙黄色肘即为终点"七准确称取0.5g干燥的壳聚糖样品，置于250ml锥形瓶中，加入O.3mol/1HC1 标准溶液20ml,振荡使之溶解加入1〜2滴甲基橙指示剂，然后用O.lmol/lNaOH 标准溶液滴定过量的盐酸，直至终点计算壳聚糖的脱乙酰度脱乙酰度计算方法推导如下：所谓壳聚糖的脱乙酰度，即甲壳素经脱乙酰化后，一部分转化为壳聚糖，这 部分被转化的甲壳素的质量占所有甲壳素的质量的百分比设被测壳聚糖的质量为m(g),滴定中-NH2所消耗的标准盐酸的量即为： (ciV1-c2V2)/1000,用则这部分m(g)壳聚糖换算成相应的甲壳素的质量应 为：m =m +42而已脱去乙酰基的壳聚糖换算成相应的甲壳素的质量应为：在,〃中所占的百分数即为壳聚糖的脱乙酰度。

即：DD(%)(脱乙酰度)=203o/(s+42q)x100其中：a：标准盐峻溶液的浓度；*：标准氢氧化钠溶液的浓度；Vi：标准盐峻溶液的体积；巧：消耗的标准氢氧化钠溶液的体积(以 ml 计)；42为一COCH?的式量；203为甲壳素中结构单元的式量2. 2. 2. 6壳聚糖溶液粘度的测定称取0.2g壳聚糖样品于烧杯中，加入5%乙酸溶液20mlo搅拌使其溶解， 然后移入容量瓶定容在25C下，用乌氏粘度计测定粘度2. 2. 2. 7壳聚糖灰份含量的测定先将洁净干燥的用堪恒重，在给堪中称取0.2克左右的壳聚糖，在普通电炉 中烤至碳化，然后放入高温电炉，在550C20C灼烧3h,取出，在空气中冷却Imin,再在干燥器中冷却30min,称重称重后放入电炉中灼烧Ih,冷却,称重 两次质量之差小于0. 001g为恒重"吼按下式计算灰分：灰分/%二(W2-W0) /(WlW)*100式中：Wo——已恒重的空蛆增质量，g；*——堆堀加样品质量，g;W2——灰化后堆地加灰分质量，g2. 2. 2. 8壳聚糖水份含量的测定称取0.2g壳聚糖样品，在105C下烘干4h至恒重，计算失重，即得水分网水分/%二(W-W2) /(W-W0)*100式中：Wi——105C烘干前样品及称样皿质量，g；W2 105C烘干后样品及称样皿质量，g；Wo——已恒重的称样皿质量，go2. 2. 2. 9壳聚糖溶解性的测定在10ml5%的乙酸溶液中，慢慢地加入壳聚糖，不断搅拌使其溶解，直至液 体完全变成凝胶。

称量所溶解的质量2. 2. 2. 10传统加热方法制备壳聚糖将甲壳素置于45%的NaOH溶液中，使用电炉加热，并且控制加热温度在 100C左右，进行脱乙酰基测定所得产品的脱乙酰度，并同微波加热所得产品 的脱乙酰度进行比较2. 2. 3实验结果与讨论2. 2. 3. 1壳聚糖的红外光谱解析4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500Wavenumber cm-1SL 8 S 誓 阳 a)<->usHUSUBM图2.1微波制备壳聚糖红外光谱图（自制）Fig.2-1 IR spectrum of chitosan under microwave irradiation00 L 06 08 0』 s s 寸 一衣J wueu一ssue』一4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500Wavenumber cm-1图2-2生化试剂级壳聚糖红外光谱图Fig.2-2 IR spectrum of chitosan of biochemical reagentFig.2-1为用微波法自制壳聚糖的红外光谱图其中3380cm-1处为羟基、氨 基的伸缩振动峰；2878cm-1处为C—H伸缩振动峰；1564cm"处为N—H变形振 动峰；1073cm1处为p—D-Htt喃葡萄糖昔的特征峰；1155〜1000cm，处为C—N吸 收带；1658、1318cm-1处为残余乙酰基的吸收峰。

Fig.2.2为上海源聚生物科技有 限公司生产的生化试剂级壳聚糖的红外光谱图对谱图进行比较可知，这两张谱 图的特征峰位置都是类似的不同的是生化试剂级壳聚糖的氨基伸缩振动峰较为 强烈；自制壳聚糖的残余乙酰基吸收峰较为尖锐，这是由于生化试剂级壳聚糖比 自制壳聚糖的脱乙酰度要高的缘故2. 2. 3. 2壳聚糖的X射线衍射谱图2.3微波制备的壳聚糖（白制）X射线衍射谱图Fig.2-3 XRD of chitosan prepared under microwave irradiation20 b图2-4生化试剂级壳聚糖X射线衍射谱图Fig.2-4 XRD of chitosan of biochemical reagentFig.2-3为微波辐射自制壳聚糖的X射线衍射谱图和Fig.2-4比较，它们在 26=11和20附近均出现尖锐的衍射峰，说明它们都具有很高的结晶度从20=11 附近出现衍射峰判断，所获得的壳聚糖属•型壳聚糖2. 2. 3.3壳聚糖的产率和技术指标分别以洗净的虾壳和蟹壳为原料，在经过一系列的前处理后，用50%的 NaOH溶液于280W微波功率下加热lOmin,得到壳聚糖产品洗净，称量所得 广，品广量和有关质量指标。

有关实验结果如卜去2・1所小•：表2.1壳聚糖的产率和技术指标Table 2-1 The yield percentage and technical indexes of chitosan原料/g 甲壳素壳聚糖 产率 灰份 水分 颜色产量/g 产量/g (%) (%) (%)虾壳为101.140.616.10.163.85白色原料蟹壳为101.570.969.60.878.99褐色原料由上表可知，所制得的壳聚糖产率和文献记载的壳质中甲壳素的组分含量 (10%-25%)相差不大，说明微波加热制备壳聚糖是可行的蟹壳中壳聚糖的含 量稍大于虾壳，但是由蟹壳制得的壳聚糖颜色较差这可能是由于蟹壳较厚，蛋 白质难以处理干净，因此在浓碱处理时，残余的蛋白质发生变性的缘故此外， 由虾壳制备的壳聚糖的其它技术指标均优于由蟹壳制备的壳聚糖且作者在湛江 一带调查得知，虾壳的来源远丰富于蟹壳，价格也低廉的多因此在工业化中， 宜选用虾壳作为原料2. 2. 3. 4碱液浓度对壳聚糖脱乙酰度的影响在实验中，固定使用280W功率进行加热，加热时间为lOmin改变碱液浓 度，研究脱乙酰度的变化，以便确定适宜的碱液浓度结果如图2.5所示：80-70-60-40-20-io ■! 1 1 1 1 20 30 40 50 60 70碱液浓度(%)图2-5碱液浓度对壳聚糖脱乙酰度的影响Fig.2-5 Effects of concentration of NaOH to deacetylation degree of chitosan由上图可知，随着碱液浓度的提高，壳聚糖脱乙酰度也随之提高。

半碱液浓 度达55%时，脱乙酰度己达70%以上酰胺键的断裂需要在浓碱溶液中进行， 但是如果碱液浓度过大，会导致产品变黄，色泽暗淡此外，壳聚糖是-•种天然 高分子多糖，在酸或碱的催化作用下，都容易发生水解因而如果碱液浓度过大, 会引起壳聚糖分子链断裂而降解，从而导致产品粘度指标下降2. 2. 3. 5微波加热时间对脱乙酰度的影响选择碱液浓度为45%,微波加热功率依然为280W,改变微波加热时间研 究了微波加热时间对脱乙酰度的影响4 6 8 10 12 14 16 18 20 22碱液娜时间(min)--------------- 8580757065605550 (汶)空斐熙/图2-6微波加热时间对脱乙酰度的影响Fig.2-6 Effects of heating time by microwave to deacetylation degree of chitosan由图中数据可知，随着加热时间延长，壳聚糖脱乙酰度也随之增大开始时, 反应较为迅速，脱乙酰度提高较快当加热时间达到15min时，脱乙酰度已经接 近80%o继续加热至20min,脱乙酰度也会有缓慢提高但是根据作者实验情况,当加热时间为20min时，产品的粘度下降极大，使产品的质量下降。

这是因为碱 液处理时间过长，也会引起壳聚糖分子链断裂而降解，变成低聚壳聚糖因此, 在本实验条件下，NaOH浓度为。