聚乙二醇相转移催化制备壳聚糖

第15卷第2期淮海工学院学报(自然科学版)Vol, 15 No. 22006年6月.Journal of Huaihai Institute of Techntology(Natural Sciences Edition)June 2006文章编号:1672- 6650020048-03聚乙二醇相转移催化制备壳聚糖孙吉佑,李艳辉,余作龙(淮海工学院化学工程系,江苏连云港22005)摘要:以虾壳为主要原料制备天然高分子化合物甲壳素和壳聚糖,其资源丰富，应用范围十分广阔。采用正交实验法研究了以氢氧化钠醇水溶液为反应介质,并加入聚乙二醇相转移催化剂来制备壳聚糖的新方法。讨论了影响壳聚糖脱乙酰度的因素,确定了最佳工艺条件,氢氧化钠质量分数为35%;反应温度90 C;反应时间3 h;相转移催化剂质量分数为5%。并从废水中提取蛋白质和碳酸钙,减少污染,通过对各阶段的废水化学需氧量进行检测,确认取得了较好的效果。关键词:壳聚糖;脱乙酰度;相转移催化中图分类号:O636. 1文献标识码: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甲壳素是地球上最丰富的天然高分子化合物之质和生理功能,在医药、食品、化妆品、农业和环保诸一,它是在自然界中仅次于纤维素的第二大类生物方面具有广阔的应用前景,特别是以此制成的壳聚材料”。由甲壳动物或昆虫的外骨骼经盐酸处理除糖生物保健品具有诸多对人体有益的功效[2。去钙之后,再经氢氧化钠溶液处理除去蛋白质即获传统的方法生产壳聚糖，反应时间长,碱液浓度得甲壳素。壳聚糖是甲壳素的脱乙酰基产物,又称高,酸碱用量大,污染严重”。本文采用相转移催化脱乙酰基甲壳素。表征壳聚糖性能的主要参数有脱工艺,以聚乙二醇作为相转移催化剂,对壳聚糖生产乙酰度和相对分子质量,它们都受甲壳素脱乙酰化工艺进行研究,降低了碱液浓度,并对废水进行提反应控制。由于壳聚糖分子结构中大量游离伯胺基中国煤化工钙，且给污水处理的存在,溶解性能大大改观,具有一些独特的物化性带来MYHCNMHG°收稿日期:2006-02 27;修订日期:2006-05-23作者简介;孙吉佑(1965-),男,山东枣庄人,淮海工学院化学工程系高级工程师,主要从事新领城精细化工产品的开发研究,(E-mail)siy5588123@ 163. com.第2期孙吉佑等;聚乙二醇相转移催化制备壳聚糖491实验2结果和讨论1.1 试剂与仪器2.1正交实验氢氧化钠(天津市富禄化工试剂厂),乙醇(上选取4因素3水平正交表L9(3* )进行正交试海化工高等专科学校实验工厂),聚乙二醇(PEG-验(表1、表2),考察碱液依度、温度、时间和催化剂600)(天津市瑞金特化学品有限公司),高锰酸钾(上用量4个因素对甲壳素脱乙酰度的影响。海化工高等专科学校实验工厂),盐酸(天津市富禄表1正交实验因素与水平化工试剂厂),草酸(上海化工高等专科学校实验工Table 1 Factors and their level designs in orthogonal experiment.厂)。以上试剂均为分析纯。碱液质量催化剂质量78-1型磁力搅拌器(金城镇金华仪器厂),KDM因素分数/%温度/C时间/h型调温电热套(山东鄄城华鲁仪器有限公司),电子水平139水平235称(北京天平仪器厂)。水平3_401101.2 壳聚糖的制备方法将龙虾壳用质量分数4%NaOH溶液浸泡24表2正交实验结果h,再用自来水清洗至中性,用质量分数7%盐酸浸Table 2 Results of orthogonal experiment泡24 h,洗至中性后烘干得到甲壳素。将甲壳素与实验号.碱液质量温度反应时间催化剂质量 脱乙酰NaOH和乙醇在三口烧瓶中混合搅拌,加入聚乙二分数/% /Ch分数/% 度/%166.62醇(PEG-600)相转移催化剂,在一定温度下回流反应一定时间后,过滤、洗涤烘干,得产物壳聚糖。87.461.3 废液处理86. 03将废液取样进行处理，向含蛋白质的提取甲壳72.61素废液650 mL中,慢慢加入1 mol/L盐酸调pH=96. 315~6,沉淀析出蛋白质,过滤,用淡水洗去盐分,干燥90. 50得到蛋白质9.76g;将质量分数20%的碳酸钠溶液K1 226.16 248.96 213.23 246. 99加入到含钙的提取甲壳素300 mL废液中,调节pHK2 248.51 235.95 254.42 240. 98为中性,沉淀出碳酸钙,经过滤,水洗,干燥,即得洁K3 260.81 250.57 273.64 247. 49R 34.65 14. 62 60.416. 51白、颗粒微细的碳酸钙8.83go同时对废液提取前后的COD进行检测。根据结果进行极差分析，可得影响脱乙酰度的1.4脱乙酰度 的测定主次顺序:反应时间、碱液质量分数、温度、催化剂用脱乙酰度按照文献[4]进行测定。量。最佳工艺条件:反应时间为3 h,碱液质量分数1.5废水 的测定[5]于锥形瓶内加入100mL水样,加5mLH2SO、为35% ,反应温度为90 C ,催化剂质量分数为5%。(酸与水体积比为1 : 3),并准确加入0. 01 mol/L2.2碱液浓 度的影响KMnO,溶液25 mL,加热至沸,准确煮沸10 min, .从化学角度对以上实验结果进行定性分析可取下锥形瓶,立即加入10 mL 0.01 mol/L 草酸溶知,NaOH既是酰胺键水解的反应剂,又是反应介液,并用KMnO,溶液滴定至微红色,记录体积(V)。质,更因为有乙醇的加人,生成碱性更强的乙醇钠，于滴定水样之烧杯中趁势准确加人10 mL 0.01 .随着NaOH浓度的增加,脱乙酰度上升(图1),但碱mol/L草酸溶液,再用KMnO,滴定至微红色，记录液浓席不能无限制提高.原因县碱液质量分数提高，体积(V'),则KMnO、溶液浓度校正系数K=大分中国煤化工液质量分数的提高,RYHCNMHG个水平中2,3水平10. 00/V'.水样的化学耗氧量由下式计算:相差不大的情况下,碱液质量分数取35%为宜。CoDn_[(25. 0+V)K- 10.0]Xx0.01X8.00 xV(水样)2.3反应温度的影响1 00(mgO2/L)温度是影响甲壳素脱乙酰度的重要因素,因此50淮海工学院学报(自然科学版) .2006年6月.实验研究了温度对反应的影响，结果如图2所示。100提高反应温度有利于酰胺键水解反应,随着反应温出80-度的升高，脱乙酰度上升,但温度过高容易造成炭化。影响壳聚糖的外观质量,且大分子降解也加剧，} 70}粘度下降。敞适宜的反应温度为90 C.00r反应时间/h90国80图3反应时间对脱乙酰度的影响出80Pig3 Effeet of reaction time on deacetylate degree曼7060100r3050~ 60碱液质量分数/%圉1碱瀵质量分熬对脱乙酰度的影响Fig.1 Effect of base conceatratiop 册Aeacetylate degree相转移催化剂质量分数/h58图4相转移催化剂用量对脱乙酰度的影响Fig 4 Effect of amount of phase transferK 80-catalyst on deacetylate degree702.6废 液处理通过检测第一次碱浸废液的CODMa=5 68000 110 120mgO2/L,提取蛋白质后废液的CODMa =2 880反应温度/CmgO2/L;盐酸浸过废液的CODmn =7680 mgO2/L,提取碳酸钙后废液的CODMa =3408 mgO2/L,分别圈2反庶濞魔对脱乙酰度的影响Fig.2 Efect of reactlon temperature on deacetylate degree降低了2800mgO2/L和4272mgO2/L,浑浊的废液变得清澈透明。处理效果显著。2.4反应时间的影响如图3所示,延长反应时间,反应能够更加充.3结论分,脱乙酰度上升,但进行到3 h后,时间再延长,脱乙酰度上升的榍度不大,这样延长了反应的周期,增本文采用先碱后酸的处理方法，在碱液浓度不加生产成本，故选择适宜的反应时间为3h。高的情况下达到除去蛋白的目的,降低了甲壳素的2.5相转移催化剂用量的影响降解,减少了酸碱的用量,缩短了生产周期。相转移催化法是现代有机合成中常用的手段之实验采用价廉、无毒,且与人体相容性好的聚乙一0。通常选用季胺盐,但季胺盐不稳定,有一定的二醇(PEG-600)为相转移催化剂(反应后无需分离毒性,反应完成后,需分离除去。本实验选用价廉、除去),在反应条件比较温和的情况下制备壳聚糖，无毒，且与人体相容性好的聚乙二醇(PEG-600)为运用正交实验找到最佳工艺条件为:催化剂用量为相转移催化剂(反应后无需分离除去)。实验表明，甲壳素质量的5%、反应温度90 C .NaOH质量分使用聚乙二醇(PEG 600)相转移催化剂可以使产物中国煤化工的脱乙酰度提高，且产物的脱乙酰度随着相转移催CNMHG废液中有用的蛋化剂用量的增加而提高(图4)。根据实验结果,当.白质和巧益，成可 得到经矿凹报,又能有效降低排放催化剂聚乙二醇(PEG-600)质量为反应物甲壳素质量,减少对环境的污染。量的5%时催化效果最佳。(下转第55页)第2期丁平等:低磷胁迫 下水稻亲本及其后代遗传分析55的模型,两对主基因之间存在着广泛的加性效应、显[4]严小龙 ,张福锁.植物营养遗传学[M].北京:中国农业性效应和_上位性效应,经多基因存在的鉴定表明,也大学出版社,1997:1-301.有多基因修饰。根据Ni等[12]的结论可以推断控制5] 李玉京,李滨,李继云,等.低磷营养胁迫条件下小麦单株有效穗的基因在12染色体上。按照ChooRNA酶与酸性磷酸酶活性的变化[J].西北植物学报.1997 .17(4):417-425.等[14]的观点,如果基因间存在互作,为了使互作基6] 刘建中.利用植物自身潜率提高土壤中磷的生物有效因间有更多重组的机会,在育种选择的早期不宜太性[J].生态农业研究,1994 ,20(2):16-23.严格;而相对单株生物产量与相对单株经济产量两[7] GUO Y C.LIN W X.SHI Q M. Study on screening个指标符合两对加性-显性-上位性主基因+多基因methodology for the genotypes of rice (Oryza sativea的模型，相对单株生物产量主基因遗传率达到L.) with high phosphorus eficincy in the seedling60. 08%,而多基因遗传率为32. 15%,由此可见,相stage[J]. Chin J Appl Ecol, 2003, 14(2):1578-1591.对单株生物产量主基因遗传率比较高,而多基因遗8] MING F,LIANG B, YE M M.et al. Isolation and clone传率相对较低,同时多基因间互作效应非常小，因此of the gene encoding phosphate transport protein in可以作为遗传育种的重要参考指标;相对单株经济common wild rice of Yunann [J].J Fudan Univ. 2002.41(5):588-591.产量的主基因遗传率为37. 70%,主基因遺传率不9] 章元明.盖钧镒,张孟臣.利用P、P2、FI和Fz或Fr,3高,而多基因遗传率达到58. 90%。说明相对单株.世代联合的数量性状分离分析[J].西南农业大学学经济产量这一性状表现受环境条件的影响较大,所报,2000 .22(1):6-9.以,育种选择中应加强栽培条件的控制,尽量降低影[10] 章元明.盖钧镒数量性状主基因+多基因混合遗传.响经济产量的相关因素。分析中鉴定多基因存在的IECM算法[J].生物数学单株有效穗和单株生物产量的主基因遗传率均学报1999,14(4) :429-434.较高,可以作为水稻耐低磷的遗传育种研究的重要[11] 章元明,盖钧镒.王建康.利用回交B,和B.及Fz群参考指标;而单株经济产量的主基因遗传率相对较体鉴定数量性状两对主基因+多基因混合遗传模型低,如果选择其作为水稻耐低磷遗传育种参考指标[].生物数学学报2000,15(3) :358-368时,要尽量减少环境对其影响及控制好栽培条件。[12] NIJJ,WU P,SENADHIRA D.et al. Mapping QTLsfor phosphorus deficiency tolerance in rice (Oryza sa-参考文献:tiva L.. )[J]. Theor Appl Genet, 1998.97 :1361-1369.[1]王艳,李晓林,张福锁.不同基因型植物低磷胁迫适应机[13] FURLSNI A M C,CLARK R B, MARANVILLE JW ,et al. Sorghum genotype differences in phosphorus理的研究进展[J].生态农学报.000.8(2) :101-103.uptake rate distribution in plant parts[J]. Plant Nat,[2]严小龙.热带土壤中菜豆种质耐低磷特性的评价[J]..1984 ,3(8) :1086-1093.植株营养与肥料学报,1995,1(1) :30-37[3] 李玉京,刘建中,李滨,等.长穗偃麦草基因组中与耐低[14] CH0O T M,REINBERGE E Analyses of skew ness andkurtosis for detecting gene interaction in a doubled hap-磷营养胁迫有关的基因的染色体定位[J].遗传学报，loid population[J]. Crop Sci, 1982.22:231-235.1999,26<5) :529-538.(责任编辑:秦海明)(上接第50页)[4]孙吉佑，曲富军,陈小静.壳聚糖脱乙酰度的实验研究[1]蒋挺大.壳聚糖[M].北京;化学工业出版社,2001:12,[].辽宁化工,2004.33(4) :210-212.21 ,68,69 ,93, 107-108.[5]陈佳荣.水化学指导书[M].北京:中国农业出版社，[2]邵建华. 甲壳素及其衍生物的开发前景[J].江苏化工，中国煤化工2002 ,30<5):6-10.6]CNMH C机理及应用[J].兰州[3]蒋挺大.甲壳素[M].北京:化学工业出版社.2003:铁道学阮学报,2002,21(4) ;89-91.227-258.