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况 伟 范恩鑫 李 鹏
摘 要 壳聚糖在碱性条件下，以异丙醇为介质与氯乙酸进行反应，合成了有良好水溶性的羧甲基壳聚糖。通过电位滴定测定羧甲基壳聚糖的取代度，优化反应条件为：壳聚糖、氢氧化钠、氯乙酸3者质量之比为1：4：4.5，温度控制在60℃，反应时间为5h时,所得羧甲基壳聚糖的的取代度达到1.18，得率为145%。
关键词 壳聚糖；取代度；水溶性；产率
中图分类号 S816.34
甲壳素（chitin），学名β-（1，4）-2-乙酰氨基-2-脱氧－D-葡萄糖，是地球上存在的含量仅次于纤维素的天然有机化合物，估计每年生物合成的甲壳素将近100亿吨[1]。壳聚糖（chitosan）是甲壳素脱乙酰基后的产物，与甲壳素相比，其溶解性能有所改善，但也只能溶于一些稀酸中，不能直接溶于水中，这在很大程度上限制了它的应用[2]。羧甲基壳聚糖，是甲壳素的高级衍生物，与甲壳素相比，其物理、化学性质均得到优化，具有100%水溶性、成膜性及极强的重金属螯合作用。这种中性、纯天然和完全无毒的产物在医学保健、工农业等领域均显示出更加优越的特点。取代抗生素的饲料添加剂：利用甲壳素及其衍生物的抗菌和调节免疫的特性，将其制成替代抗生素成分的饲料添加剂，可以彻底改变目前农业中滥用抗生素的状况。同时，该饲料添加剂还可以降低动物体内胆固醇的含量，使市场上出现低胆固醇的食用肉类。本文利用壳聚糖与氯乙酸在碱性条件下，以异丙醇为介质，生成N,O-羧甲基壳聚糖[3]。
1 材料与仪器
1.1 试剂
壳聚糖（脱乙酰度91.5%,粘度85mPa·s,水分5.42%）、一氯乙酸（广东汕头市西陇化工厂）、异丙醇（天津市大茂化学试剂厂）、95%乙醇、无水乙醇、冰醋酸。除壳聚糖外，其它试剂均为分析纯。
1.2 仪器
NDJ-旋转式粘度计（上海跃华医疗器械厂）；79-3型恒温磁力搅拌器（上海司乐仪器厂）；876-1A型真空干燥箱（上海绵屏仪器仪表有限公司）；自动电位滴定仪ZD系列（上海康仪仪器有限公司）。
2 实验方法与结果
2.1 羧甲基壳聚糖的制备
称取10g壳聚糖于1 000ml烧杯中，加入100ml异丙醇，室温搅拌0.5h，分批加入80g50%氢氧化钠（w/w）溶液，1h内加完，边加边搅拌。将45g氯乙酸溶于100ml异丙醇中，边滴边加入上述溶液边搅拌,2h内滴加完，滴加过程中温度一直控制在60℃，继续反应3h。冷却后过滤，滤渣干燥至恒重称重，质量为m（碱性不溶物，以此判断反应进行情况）；滤液用冰醋酸调节pH至中性，用95%的乙醇沉淀，用无水乙醇反复冲洗至无氯离子（用硝酸银检验），60℃真空干燥所得沉淀，即得到白色羧甲基壳聚糖，再使其溶于水中，无水乙醇沉淀，反复洗涤，60℃真空干燥，即得精制羧甲基壳聚糖。
为了了解取代反应是否进行，对精制后的羧甲基壳聚糖进行了元素分析，其结果如表1所示，结果表明壳聚糖发生反应所得产物的氧元素含量明显高于壳聚糖的样品实际值，由于壳聚糖的羧甲基化是引入CH3COO—基团，说明壳聚糖的确发生了取代发应，这一点将通过“2.3 取代度的测定”来进一步验证。
2.2 影响羧甲基壳聚糖制备的因素
2.2.1 碱浓度及用量的影响
碱的浓度及用量对产品的质量和产量影响很大。由于制得的是水溶性的壳聚糖，如果碱的浓度过低，反应缓慢；浓度过高，不能保证碱有效地渗入到内嵌聚合物链中。根据试验，我们选择50%（w/w）的氢氧化钠溶液，分批加入，边加边搅拌；壳聚糖易溶于氯乙酸溶液中，控制反应过程始终保持碱性，依据试验，选择酸碱质量比为1：0.9较合适。
2.2.2 壳聚糖与氯乙酸比的影响（见表2）
2.2.3 反应温度、时间对产品质量的影响
壳聚糖、氢氧化钠、氯乙酸3者质量之比为1.0：4.0：4.5时，于不同温度下反应5h，从表3可以看出：保持其它条件不变，随温度的升高，羧甲基壳聚糖的取代度增大，得率增加，粘度有所降低。温度高于70℃时，产品颜色略黄。当其它条件不变，随着反应时间的延长，粘度有所下降。
2.3 取代度的测定（电位滴定法）[4，5]
称取0.2g产品，用20ml 0.1mol/l的盐酸溶解，加入10ml去离子水后，用0.1mol/l的氢氧化钠滴定，同时测得溶液pH的变化，作出电位滴定曲线图。
图1为羧甲基壳聚糖样品的电位滴定曲线图，其中pH=2.21所对应的横坐标V1为过剩HCl的滴定终点，pH＝3.87所对应的横坐标V2为过剩-COOH的滴定终点，pH=7.64所对应的横坐标V3为过剩-NH3+的滴定终点。
2.4 产品的理化性质
2.4.1 外观
为白色粉末。
2.4.1.1 水分 将CMC（羧甲基壳聚糖）于105℃，恒重，测得其水分8.75%。
2.4.1.2 灰分 将CMC于600℃马福炉中灼烧， 其灰分0.89%。
2.4.2 粘度测定及分子量的计算[6]
2.0g CMC溶入200ml蒸馏水中，测得其pH为7.21；20℃用NDJ-1旋转式粘度计测得其粘度为5mPa·s，并用下式计算其分子量，η＝KMα。其中K=1.81×10-3cm3/g，α=0.93，分子量为5 016Da。壳聚糖的分子量与粘度是其重要指标，一般说粘度越大，分子量越大。
3 结论
壳聚糖分子成链状，并无规则地卷曲内嵌，把氨基和羟基包裹起来而阻碍其它基团的进入。试验采用异丙醇作为膨化剂，能使碱有效地渗入到壳聚糖大分子中。壳聚糖是一种碱性高分子多糖，在水中和稀碱中均不溶解；但羧甲基壳聚糖是两性电解质，除了在其pI时的溶液中外，在酸碱溶液中均溶解。因此，壳聚糖在羧甲基化反应过程中，随着逐渐生成羧甲基壳聚糖，反应液中壳聚糖悬浮颗粒随逐渐生成羧甲基壳聚糖而溶解，羧甲基化程度越高，产物溶解度越大。在碱性条件下壳聚糖：氢氧化钠：氯乙酸质量比为1：4：4.5，温度控制在60℃，反应时间5h,所得羧甲基壳聚糖的取代度达到1.18，得率为145%。羧甲基壳聚糖是一种安全无毒的壳聚糖类衍生物，具有良好的溶解性能，在偏离其pI的溶液中均可形成具有乳光的胶体溶液。
况伟，嘉应学院生物系，讲师，514015，广东省梅州市。
范恩鑫，辽宁省动物防疫监督检验所。
李鹏，沈阳农业大学畜牧兽医学院。
收稿日期：2005-04-07
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