聚乙二醇相轉移催化制備殼聚糖

第15卷第2期淮海工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)Vol, 15 No. 22006年6月.Journal of Huaihai Institute of Techntology(Natural Sciences Edition)June 2006文章編號:1672- 6650020048-03聚乙二醇相轉移催化制備殼聚糖孫吉佑,李艷輝,余作龍(淮海工學(xué)院化學(xué)工程系,江蘇連云港22005)摘要:以蝦殼為主要原料制備天然高分子化合物甲殼素和殼聚糖,其資源豐富，應用范圍十分廣闊。采用正交實(shí)驗法研究了以氫氧化鈉醇水溶液為反應介質(zhì),并加入聚乙二醇相轉移催化劑來(lái)制備殼聚糖的新方法。討論了影響殼聚糖脫乙酰度的因素,確定了最佳工藝條件,氫氧化鈉質(zhì)量分數為35%;反應溫度90 C;反應時(shí)間3 h;相轉移催化劑質(zhì)量分數為5%。并從廢水中提取蛋白質(zhì)和碳酸鈣,減少污染,通過(guò)對各階段的廢水化學(xué)需氧量進(jìn)行檢測,確認取得了較好的效果。關(guān)鍵詞:殼聚糖;脫乙酰度;相轉移催化中圖分類(lèi)號:O636. 1文獻標識碼:APreparation of Chitosan Using PEG as Phase Transfer CatalystSUN Ji-you, LI Yan-hui, YU Zuo-long(Dept. of Chemical Engineering, Huaihai Institute of Technology, Lianyungang 22005, China)Abstract: Natural polymers, chitin and chitosan, obtained from shells of crab and shrimp, havebeen widely used in various fields. This paper obtains a new method to prepare chitosan by or-thogonal experiments with sodium hydroxide and ethanol solution as the medium of reaction, andpolyethylene glycol as the phase transfer catalyst. Besides, it makes discussions on the factorsthat affect the deacetylate degree of chitosan, and obtains the optimal technical conditions as fol-lows: the density of sodium hydroxide 35%, the reaction temperature 90 C, the reaction time 3h, and the transfer catalyst dosage 5%. Moreover, we succeed in extracting protein and calciumcarbonate from the waste water and preventing from pollution. Examination of the chemical oxy-gen deal at each stage shows that the result is satisfactory.Key words: chitosan; deacetylate degree; phase transfer catalysis甲殼素是地球上最豐富的天然高分子化合物之質(zhì)和生理功能,在醫藥、食品、化妝品、農業(yè)和環(huán)保諸一,它是在自然界中僅次于纖維素的第二大類(lèi)生物方面具有廣闊的應用前景,特別是以此制成的殼聚材料”。由甲殼動(dòng)物或昆蟲(chóng)的外骨骼經(jīng)鹽酸處理除糖生物保健品具有諸多對人體有益的功效[2。去鈣之后,再經(jīng)氫氧化鈉溶液處理除去蛋白質(zhì)即獲傳統的方法生產(chǎn)殼聚糖，反應時(shí)間長(cháng),堿液濃度得甲殼素。殼聚糖是甲殼素的脫乙?；a(chǎn)物,又稱(chēng)高,酸堿用量大,污染嚴重”。本文采用相轉移催化脫乙?；讱に?。表征殼聚糖性能的主要參數有脫工藝,以聚乙二醇作為相轉移催化劑,對殼聚糖生產(chǎn)乙酰度和相對分子質(zhì)量,它們都受甲殼素脫乙?；に囘M(jìn)行研究,降低了堿液濃度,并對廢水進(jìn)行提反應控制。由于殼聚糖分子結構中大量游離伯胺基中國煤化工鈣，且給污水處理的存在,溶解性能大大改觀(guān),具有一些獨特的物化性帶來(lái)MYHCNMHG°收稿日期:2006-02 27;修訂日期:2006-05-23作者簡(jiǎn)介;孫吉佑(1965-),男,山東棗莊人,淮海工學(xué)院化學(xué)工程系高級工程師,主要從事新領(lǐng)城精細化工產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)研究,(E-mail)siy5588123@ 163. com.第2期孫吉佑等;聚乙二醇相轉移催化制備殼聚糖491實(shí)驗2結果和討論1.1 試劑與儀器2.1正交實(shí)驗氫氧化鈉(天津市富祿化工試劑廠(chǎng)),乙醇(上選取4因素3水平正交表L9(3* )進(jìn)行正交試?；じ叩葘?zhuān)科學(xué)校實(shí)驗工廠(chǎng)),聚乙二醇(PEG-驗(表1、表2),考察堿液依度、溫度、時(shí)間和催化劑600)(天津市瑞金特化學(xué)品有限公司),高錳酸鉀(上用量4個(gè)因素對甲殼素脫乙酰度的影響。?；じ叩葘?zhuān)科學(xué)校實(shí)驗工廠(chǎng)),鹽酸(天津市富祿表1正交實(shí)驗因素與水平化工試劑廠(chǎng)),草酸(上?；じ叩葘?zhuān)科學(xué)校實(shí)驗工Table 1 Factors and their level designs in orthogonal experiment.廠(chǎng))。以上試劑均為分析純。堿液質(zhì)量催化劑質(zhì)量78-1型磁力攪拌器(金城鎮金華儀器廠(chǎng)),KDM因素分數/%溫度/C時(shí)間/h型調溫電熱套(山東鄄城華魯儀器有限公司),電子水平139水平235稱(chēng)(北京天平儀器廠(chǎng))。水平3_401101.2 殼聚糖的制備方法將龍蝦殼用質(zhì)量分數4%NaOH溶液浸泡24表2正交實(shí)驗結果h,再用自來(lái)水清洗至中性,用質(zhì)量分數7%鹽酸浸Table 2 Results of orthogonal experiment泡24 h,洗至中性后烘干得到甲殼素。將甲殼素與實(shí)驗號.堿液質(zhì)量溫度反應時(shí)間催化劑質(zhì)量 脫乙酰NaOH和乙醇在三口燒瓶中混合攪拌,加入聚乙二分數/% /Ch分數/% 度/%166.62醇(PEG-600)相轉移催化劑,在一定溫度下回流反應一定時(shí)間后,過(guò)濾、洗滌烘干,得產(chǎn)物殼聚糖。87.461.3 廢液處理86. 03將廢液取樣進(jìn)行處理，向含蛋白質(zhì)的提取甲殼72.61素廢液650 mL中,慢慢加入1 mol/L鹽酸調pH=96. 315~6,沉淀析出蛋白質(zhì),過(guò)濾,用淡水洗去鹽分,干燥90. 50得到蛋白質(zhì)9.76g;將質(zhì)量分數20%的碳酸鈉溶液K1 226.16 248.96 213.23 246. 99加入到含鈣的提取甲殼素300 mL廢液中,調節pHK2 248.51 235.95 254.42 240. 98為中性,沉淀出碳酸鈣,經(jīng)過(guò)濾,水洗,干燥,即得潔K3 260.81 250.57 273.64 247. 49R 34.65 14. 62 60.416. 51白、顆粒微細的碳酸鈣8.83go同時(shí)對廢液提取前后的COD進(jìn)行檢測。根據結果進(jìn)行極差分析，可得影響脫乙酰度的1.4脫乙酰度 的測定主次順序:反應時(shí)間、堿液質(zhì)量分數、溫度、催化劑用脫乙酰度按照文獻[4]進(jìn)行測定。量。最佳工藝條件:反應時(shí)間為3 h,堿液質(zhì)量分數1.5廢水 的測定[5]于錐形瓶?jì)燃尤?00mL水樣,加5mLH2SO、為35% ,反應溫度為90 C ,催化劑質(zhì)量分數為5%。(酸與水體積比為1 : 3),并準確加入0. 01 mol/L2.2堿液濃 度的影響KMnO,溶液25 mL,加熱至沸,準確煮沸10 min, .從化學(xué)角度對以上實(shí)驗結果進(jìn)行定性分析可取下錐形瓶,立即加入10 mL 0.01 mol/L 草酸溶知,NaOH既是酰胺鍵水解的反應劑,又是反應介液,并用KMnO,溶液滴定至微紅色,記錄體積(V)。質(zhì),更因為有乙醇的加人,生成堿性更強的乙醇鈉，于滴定水樣之燒杯中趁勢準確加人10 mL 0.01 .隨著(zhù)NaOH濃度的增加,脫乙酰度上升(圖1),但堿mol/L草酸溶液,再用KMnO,滴定至微紅色，記錄液濃席不能無(wú)限制提高.原因縣堿液質(zhì)量分數提高，體積(V'),則KMnO、溶液濃度校正系數K=大分中國煤化工液質(zhì)量分數的提高,RYHCNMHG個(gè)水平中2,3水平10. 00/V'.水樣的化學(xué)耗氧量由下式計算:相差不大的情況下,堿液質(zhì)量分數取35%為宜。CoDn_[(25. 0+V)K- 10.0]Xx0.01X8.00 xV(水樣)2.3反應溫度的影響1 00(mgO2/L)溫度是影響甲殼素脫乙酰度的重要因素,因此50淮海工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版) .2006年6月.實(shí)驗研究了溫度對反應的影響，結果如圖2所示。100提高反應溫度有利于酰胺鍵水解反應,隨著(zhù)反應溫出80-度的升高，脫乙酰度上升,但溫度過(guò)高容易造成炭化。影響殼聚糖的外觀(guān)質(zhì)量,且大分子降解也加劇，} 70}粘度下降。敞適宜的反應溫度為90 C.00r反應時(shí)間/h90國80圖3反應時(shí)間對脫乙酰度的影響出80Pig3 Effeet of reaction time on deacetylate degree曼7060100r3050~ 60堿液質(zhì)量分數/%圉1堿瀵質(zhì)量分熬對脫乙酰度的影響Fig.1 Effect of base conceatratiop 冊Aeacetylate degree相轉移催化劑質(zhì)量分數/h58圖4相轉移催化劑用量對脫乙酰度的影響Fig 4 Effect of amount of phase transferK 80-catalyst on deacetylate degree702.6廢 液處理通過(guò)檢測第一次堿浸廢液的CODMa=5 68000 110 120mgO2/L,提取蛋白質(zhì)后廢液的CODMa =2 880反應溫度/CmgO2/L;鹽酸浸過(guò)廢液的CODmn =7680 mgO2/L,提取碳酸鈣后廢液的CODMa =3408 mgO2/L,分別圈2反庶濞魔對脫乙酰度的影響Fig.2 Efect of reactlon temperature on deacetylate degree降低了2800mgO2/L和4272mgO2/L,渾濁的廢液變得清澈透明。處理效果顯著(zhù)。2.4反應時(shí)間的影響如圖3所示,延長(cháng)反應時(shí)間,反應能夠更加充.3結論分,脫乙酰度上升,但進(jìn)行到3 h后,時(shí)間再延長(cháng),脫乙酰度上升的榍度不大,這樣延長(cháng)了反應的周期,增本文采用先堿后酸的處理方法，在堿液濃度不加生產(chǎn)成本，故選擇適宜的反應時(shí)間為3h。高的情況下達到除去蛋白的目的,降低了甲殼素的2.5相轉移催化劑用量的影響降解,減少了酸堿的用量,縮短了生產(chǎn)周期。相轉移催化法是現代有機合成中常用的手段之實(shí)驗采用價(jià)廉、無(wú)毒,且與人體相容性好的聚乙一0。通常選用季胺鹽,但季胺鹽不穩定,有一定的二醇(PEG-600)為相轉移催化劑(反應后無(wú)需分離毒性,反應完成后,需分離除去。本實(shí)驗選用價(jià)廉、除去),在反應條件比較溫和的情況下制備殼聚糖，無(wú)毒，且與人體相容性好的聚乙二醇(PEG-600)為運用正交實(shí)驗找到最佳工藝條件為:催化劑用量為相轉移催化劑(反應后無(wú)需分離除去)。實(shí)驗表明，甲殼素質(zhì)量的5%、反應溫度90 C .NaOH質(zhì)量分使用聚乙二醇(PEG 600)相轉移催化劑可以使產(chǎn)物中國煤化工的脫乙酰度提高，且產(chǎn)物的脫乙酰度隨著(zhù)相轉移催CNMHG廢液中有用的蛋化劑用量的增加而提高(圖4)。根據實(shí)驗結果,當.白質(zhì)和巧益，成可 得到經(jīng)礦凹報,又能有效降低排放催化劑聚乙二醇(PEG-600)質(zhì)量為反應物甲殼素質(zhì)量,減少對環(huán)境的污染。量的5%時(shí)催化效果最佳。(下轉第55頁(yè))第2期丁平等:低磷脅迫 下水稻親本及其后代遺傳分析55的模型,兩對主基因之間存在著(zhù)廣泛的加性效應、顯[4]嚴小龍 ,張福鎖.植物營(yíng)養遺傳學(xué)[M].北京:中國農業(yè)性效應和_上位性效應,經(jīng)多基因存在的鑒定表明,也大學(xué)出版社,1997:1-301.有多基因修飾。根據Ni等[12]的結論可以推斷控制5] 李玉京,李濱,李繼云,等.低磷營(yíng)養脅迫條件下小麥單株有效穗的基因在12染色體上。按照ChooRNA酶與酸性磷酸酶活性的變化[J].西北植物學(xué)報.1997 .17(4):417-425.等[14]的觀(guān)點(diǎn),如果基因間存在互作,為了使互作基6] 劉建中.利用植物自身潛率提高土壤中磷的生物有效因間有更多重組的機會(huì ),在育種選擇的早期不宜太性[J].生態(tài)農業(yè)研究,1994 ,20(2):16-23.嚴格;而相對單株生物產(chǎn)量與相對單株經(jīng)濟產(chǎn)量?jì)蒣7] GUO Y C.LIN W X.SHI Q M. Study on screening個(gè)指標符合兩對加性-顯性-上位性主基因+多基因methodology for the genotypes of rice (Oryza sativea的模型，相對單株生物產(chǎn)量主基因遺傳率達到L.) with high phosphorus eficincy in the seedling60. 08%,而多基因遺傳率為32. 15%,由此可見(jiàn),相stage[J]. Chin J Appl Ecol, 2003, 14(2):1578-1591.對單株生物產(chǎn)量主基因遺傳率比較高,而多基因遺8] MING F,LIANG B, YE M M.et al. Isolation and clone傳率相對較低,同時(shí)多基因間互作效應非常小，因此of the gene encoding phosphate transport protein in可以作為遺傳育種的重要參考指標;相對單株經(jīng)濟common wild rice of Yunann [J].J Fudan Univ. 2002.41(5):588-591.產(chǎn)量的主基因遺傳率為37. 70%,主基因遺傳率不9] 章元明.蓋鈞鎰,張孟臣.利用P、P2、FI和Fz或Fr,3高,而多基因遺傳率達到58. 90%。說(shuō)明相對單株.世代聯(lián)合的數量性狀分離分析[J].西南農業(yè)大學(xué)學(xué)經(jīng)濟產(chǎn)量這一性狀表現受環(huán)境條件的影響較大,所報,2000 .22(1):6-9.以,育種選擇中應加強栽培條件的控制,盡量降低影[10] 章元明.蓋鈞鎰數量性狀主基因+多基因混合遺傳.響經(jīng)濟產(chǎn)量的相關(guān)因素。分析中鑒定多基因存在的IECM算法[J].生物數學(xué)單株有效穗和單株生物產(chǎn)量的主基因遺傳率均學(xué)報1999,14(4) :429-434.較高,可以作為水稻耐低磷的遺傳育種研究的重要[11] 章元明,蓋鈞鎰.王建康.利用回交B,和B.及Fz群參考指標;而單株經(jīng)濟產(chǎn)量的主基因遺傳率相對較體鑒定數量性狀兩對主基因+多基因混合遺傳模型低,如果選擇其作為水稻耐低磷遺傳育種參考指標[].生物數學(xué)學(xué)報2000,15(3) :358-368時(shí),要盡量減少環(huán)境對其影響及控制好栽培條件。[12] NIJJ,WU P,SENADHIRA D.et al. Mapping QTLsfor phosphorus deficiency tolerance in rice (Oryza sa-參考文獻:tiva L.. )[J]. Theor Appl Genet, 1998.97 :1361-1369.[1]王艷,李曉林,張福鎖.不同基因型植物低磷脅迫適應機[13] FURLSNI A M C,CLARK R B, MARANVILLE JW ,et al. Sorghum genotype differences in phosphorus理的研究進(jìn)展[J].生態(tài)農學(xué)報.000.8(2) :101-103.uptake rate distribution in plant parts[J]. Plant Nat,[2]嚴小龍.熱帶土壤中菜豆種質(zhì)耐低磷特性的評價(jià)[J]..1984 ,3(8) :1086-1093.植株營(yíng)養與肥料學(xué)報,1995,1(1) :30-37[3] 李玉京,劉建中,李濱,等.長(cháng)穗偃麥草基因組中與耐低[14] CH0O T M,REINBERGE E Analyses of skew ness andkurtosis for detecting gene interaction in a doubled hap-磷營(yíng)養脅迫有關(guān)的基因的染色體定位[J].遺傳學(xué)報，loid population[J]. Crop Sci, 1982.22:231-235.1999,26<5) :529-538.(責任編輯:秦海明)(上接第50頁(yè))[4]孫吉佑，曲富軍,陳小靜.殼聚糖脫乙酰度的實(shí)驗研究[1]蔣挺大.殼聚糖[M].北京;化學(xué)工業(yè)出版社,2001:12,[].遼寧化工,2004.33(4) :210-212.21 ,68,69 ,93, 107-108.[5]陳佳榮.水化學(xué)指導書(shū)[M].北京:中國農業(yè)出版社，[2]邵建華. 甲殼素及其衍生物的開(kāi)發(fā)前景[J].江蘇化工，中國煤化工2002 ,30<5):6-10.6]CNMH C機理及應用[J].蘭州[3]蔣挺大.甲殼素[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2003:鐵道學(xué)阮學(xué)報,2002,21(4) ;89-91.227-258.