（环境工程专业论文）壳聚糖及其衍生物的制备研究.pdf

硕士论文壳聚糖及其 亍生物的制各研究 摘要 首先概述了国内外近年来在壳聚糖制备、物理化学性质及应用等方面的研究进 展。系统研究了以虾、蟹壳为原料，经脱钙、脱蛋白质、脱乙酰基后得到壳聚糖的制 备方法。确定了甲壳素及壳聚糖的最佳制备工艺条件，明确了原料粒度对甲壳素和壳 聚糖制备的影响。甲壳素最佳制备工艺为：2 0 目虾、蟹壳以5 的盐酸室温下进行脱 钙，时间为2 小时，以1 0 的氢氧化钠溶液进行脱蛋白处理，温度为6 0 ，时间为 1 5 0 m i n 。通过正交实验确定由2 0 目甲壳素制备壳聚糖的最佳工艺条件为：温度为 8 0 ，保温时间为8 h ，碱液浓度为5 0 。各种反应条件对产物的脱乙酰度的影响大 小为：反应温度 碱液浓度 反应时间。 利用f e n t o n 试剂和铁炭微电解工艺对壳聚糖制备废液进行了处理。通过正交实 验，确定了最佳实验条件为；5 0 m l 壳聚糖制备废液，h 2 0 2 ( 3 0 ) 用量为2 m l 、 f e 2 + ( 1 0 9 f e 2 + l ) 用量为1 5 m l 、反应温度为7 0 c ，p h 值为2 ，并验证在该条件下f e n t o n 试剂处理壳聚糖制备废液的c o d 去除率为7 9 5 。 探索了制备壳聚糖膜的实验条件及工艺流程，并采用流延法制得壳聚糖膜、含海 藻酸钠的壳聚糖膜、含聚丙烯酸钠和丙三醇的壳聚糖膜，还进行了膜吸湿性、保湿性、 吸水率、透光度等性能的表征，讨论了不同添加剂对壳聚糖膜多种性能的影响。 制备了壳聚糖与f e 2 + 、f e 3 + 、c u 2 + 以及i 的配合物，并进行了表征，并对壳聚糖 f e 2 + 配合物的制备工艺进行了详细探讨，通过正交实验确定了其最佳工艺条件为：溶 液p h 值为3 ，反应温度4 0 ，反应时间8 h 。并采用紫外等分析手段对配位方式进行 了分析。 关键词：壳聚糖，制备，废液治理，膜，金属配合物 硕士论交 壳聚糖及其衍生物的制各研究 a b s t r a c t t h es t r u c t u r e ，p r o p e r t ya n dp r e p a r a t i o no f c h i t i na n de h i t o s a nw e r eb r i e f l yi n t r o d u c e d i n t h ep a p e r t h em e t h o d so f p r e p a r i n gt h ec h i t o s a nw i t h t h em a t e r i a l so f t h es h r i m p sa n d c r a b ss h e l la f t e rt h ed e c a l c i f i c a t i o n 、d e p r o t e i n i z a t i o na n dd e a e e t y l a t i o nw e r es y s t e m a t - i c a l l ys t u d i e d t h eb e s tt e c h n i c a lc o n d i t i o no fp r e p a r i n go fc h i t i na n dc h i t o s a nw a s d e t e r m i n e d t h ei n f l u e n c eo ft h eg r a n u l a r i t yo ft h es t u f fo nt h ep r e p a r a t i o no fc h i t i na n d c h i t o s a nw a se x p l o r e d t h eo p t i m a lc o n d i t i o nf o rp r e p a r i n gc h i t i nw a si l l u s t r a t e da s f o l l o w s ：t h eh c lc o n c e n t r a t i o ni s5 ，r o o mt e m p e r a t u r e ，r e a c t i o nt i m ei s2 h ，t h en a o h c o n c e n t r a t i o ni s1 0 ，t h et e m p e r a t u r ei s6 0 c ，a n dr e a c t i o nt i m ei s1 5 0 m i n d u r i n gt h e d e a c e t y l a t i o ns t a g e ，t h eo p t i m a lo p e r a t i n gc o n d i t i o nw a sd e t e r m i n e db yo r t h o g o n a l e x p e r i m e n t t h eo p t i m u mi ss t a t e d 嬲f o l l o w s ：t h et e m p e r a t u r e i s8 0 。c t h er e a c t i o nt i m e i s8 ha n dt h en a o hc o n c e n t r a t i o ni s5 0 t h es e q u e n c eo ft h er e a c t i o nc o n d i t i o nt h a t e f f e c t e dt h ed e a c e t y l a t i o ni s ：r e a c t i o nt e m p e r a t u r e n a o hc o n c e n t r a t i o n r e a c t i o nt i m e t h et r e a t m e n to fc h i t o s a ns o l u t i o nw a s t e w a t e rb yf e n t o nr e a g e n ta n df e r r u m - c a r b o n m i c r o c e l le l e c t r o l y s i sw a ss t u d i e d t h eo p t i m a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n sw e r ed e t e r m i n e db y o r t h o g o n a le x p e r i m e n t sw h i c ha r ea sf o l l o w s ：i n 2 0 2 】( 3 0 呦a n d f e 2 + 】( 1 0 9 f e 2 + 几) a r e 2 m la n d15 m l r e s p e c t i v e l y ，t = 7 0 ca n dp h = 2 t h ec o d r e m o v a le f f i c i e n c yu n d e rt h e o p t i m a lc o n d i t i o ni s7 9 5 t h ee x a m i n a t i o nc o n d i t i o na n dp r o c e s sf l o ww e r ee x p l o r e di nt h ee x p e r i m e n t c h i t o s a nm e m b r a n e st h a ti n c l u d es o d i u ma l g i n a t eo rs o d i u mp o l y a c r y l a t ea n dp r o p a n e t r i o l o rn o t h i n gh a db e e nm a d et h r o u g ht h em e t h o do fd o c t o r - b l a d ec a s t i n gp r o c e s s t h e h y g r o s c o p i c i t y ，w a t e ra b s o r p t i o n 。t r a n s m i t t a n c 七a n ds o m eo t h e rb e h a v i o r so ft h ed i f f e r e n t c h i t o s a nm e m b r a n e sw e r ec h a r a c t e r i z e d t h ec o m p l e x e so fc h i t o s a nw i t hf e 2 + 、f d + 、c u 2 + a n drw e r ep r e p a r e da n dt h e p r e p a r i n gc o n d i t i o n so ft h ec o m p l e xo fc h i t o s a nw i t hf e ”w e r ei n v e s t i g a t e d t h eo p t i m a l o p e r a t i n gc o n d i t i o nw a sd e t e r m i n e db yo r t h o g o n a le x p e r i m e n t sw h i c ha r ea sf o l l o w s ： p h = 3 ，t = 4 0 c ，t = 8 ha n dt h es t r u c t u r e so f t h e mw e r ec h a r a c t e r i z e db yu vs p e c t r a k e y w o r d s ：c h i t o s a n ，p r e p a r a t i o n ，w a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，f i l m ，m e t a lc o m p l e x 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 篮啤油名年石叩日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名驻犟 年r 月订日 | 硕士论文壳聚糖及其衍生物的制备研究 1 绪论 1 1 引言 甲壳素在自然界的存在量仅次于纤维烈1 - 2 1 ，是一种用途广泛、存在量丰富的天 然高分子聚合物【3 1 ，且是存在于自然界中唯一种带阳离子能生物降解高分子材料， 广泛存在于虾壳、蟹壳及真菌 3 - 4 。其产量极其巨大，其生物合成量约为l x l 0 9t d 1 1 0 “t y d 。甲壳类动物是甲壳素的主要来源，而生活在海洋中的甲壳类动物就有2 万 多种，其中经济价值较大的就有1 0 0 多种，全世界每年仅水产加工过程废弃的甲壳素 在1 5 万吨以上【5 l ，因此利用加工虾蟹的废弃物工业化生产甲壳素及其衍生物具有丰 富的原材料来源。以前，壳聚糖主要作为絮凝刺、食品添加剂等低价值的应用上。随 着研究的深入，将逐步应用在医药、日化、保健等高价值领域，这些应用需要有高纯 度的精制壳聚糖，以及具有各种不同分子量的甲壳低聚糖产品，是甲壳糖研究中的热 点。 甲壳素( c h i t i n ) 学名为无水n 乙酰基d 氨基葡聚糖，又名甲壳质、壳多糖、几丁 质、蟹壳素、明角壳蛋白、虫膜质、不溶性甲壳质、聚乙酰氨基葡萄糖等，与纤维素 相似。是一种重要的天然高分子，其结构与纤维素相似，通常分子量为几百万，是多 糖化合物中最重要的一种聚氨基葡萄糖。甲壳素因主要来源于节肢动物如虾、蟹等的 甲壳而得名。它也广泛存在于低等植物如真菌、藻类的细胞壁中。据统计，自然界中 每年甲壳素的生物合成量在1 0 0 0 k t 以上，可见其在自然界储量之丰富【i 】。 图1 1 甲壳景 壳聚糖( c l l i t o s a l l ) 是甲壳素脱乙酰化而得到的一种生物高分子【6 l ，是甲壳素的主要 衍生物，又称脱乙酰几丁质、聚甲壳糖、甲壳胺、聚氨基葡糖、可溶性甲壳素、粘性 甲壳素等。壳聚糖是甲壳素在碱性条件下水解，使其部分脱乙酰基，则在稀酸中的溶 解度随脱乙酰基程度的增加而增加，当脱乙酰基达7 0 以上时，则在稀醋酸或 o 5 m o l l 1 o m o l l 的盐酸中都能很好的溶解成胶体溶液。脱乙度在8 0 9 0 的壳 聚糖呈白色或米黄色结晶性粉末或片状固体。壳聚糖分子中有大量游离氮的存在，其 溶解性大大优于甲壳素，兼具有甲壳素的天然、无毒、生物相容性好与易于降解等优 点，所以壳聚糖有十分良好的经济应用价值。人们对壳聚糖的研究十分活跃，其应用 领域也不断拓宽。 1 硕 论文壳聚糖及其衍生物的制备研究 图1 2 壳聚糖 甲壳素和壳聚糖是含氮的多糖类物质，也是自然界中唯一的天然碱性多糖，因此 具有许多独特的生物活性。近2 0 年来，随着甲壳素和壳聚糖多种生物活性的发现， 全世界对甲壳素类产品的开发应用日益深入，成果累累。从最初生产甲壳素、壳聚糖 作为一般化工医药原材料，到目前研究开发高生物活性的低聚糖产品，其应用范围不 断拓展，现在已在医学、药物学、生物工程、食品、保健品、化妆品和农业等领域中 得到了广泛的应用【卵】。 1 2 甲壳素壳聚糖的物理性质 一般物理性质：甲壳素是白色或灰白色无定型、半透明固体 g l ，相对分子质量因 原料不同而有数十万至数百万。壳聚糖系白色或淡黄色片状固体，或青白色粉粒n 略有珍珠光泽，半透明【9 1 ，干燥条件下可长期保存【1 0 1 。因原料不同和制备方法不同， 相对分子质量也从数十万至数百万不等。 溶解性：甲壳素不溶于水、稀酸、稀碱、浓碱、一般有机溶剂，可溶于浓的盐酸、 硫酸和无水甲酸，但同时主链发生降解。壳聚糖不溶于水和碱溶液，可溶于稀的盐酸、 硝酸等无机酸和大多数有机酸，不溶于稀的硫酸、磷酸。溶于稀酸时呈粘稠状，在稀 酸溶液中，壳聚糖中l 、4 连结的苷键也会缓慢水解，溶液的粘度逐渐降低，所以壳 聚糖溶液一般是随用随配。壳聚糖的溶解度因分子量、脱乙酰度和酸的种类不同而有 些差别，一般说，分子量越小，脱乙酰度越大，溶解度就越大。 溶液性质：壳聚糖完全水合后，其分子主链由于布朗运动可形成球状胶束，其 1 的溶液粘度在o 1 p a s l o p a s 时流动里非牛顿型，但随温度升高，布朗运动加快 使分子链间的氢键减弱使流动呈牛顿型。其溶液因酸的种类、p h 、浓度、温度及溶 液中离子强度不同而表现出不同的粘度。当溶液的p h 增高，球状分子可变成线状分 子，使粘度增加，反之，p h 降低则粘度减小。壳聚糖的溶液性质对于壳聚糖的应用 研究也十分重要的一个方面。李德鹏等人1 1 1 l 的研究表明：壳聚糖溶液的粘度与浓度有 直接关系，随壳聚糖浓度的增加而迅速增加；壳聚糖浓度相同时，其粘度随溶液的酸 性的增强面降低，降解也就相对越快；因壳聚糖溶液中加入低分子物质，可使其粘度 降低；壳聚糖溶液的粘度也随存放时间的延长而逐渐下降，常温下温度对溶液粘度变 化的影响较小，但也会影响其分子量的降解速度。 吸湿、透气性和渗透性：甲壳素、壳聚糖及其衍生物有极强的吸湿性。甲壳素的 衍生物吸湿率可达4 0 0 5 0 0 ，是纤维素的2 倍多，壳聚糖的衍生物吸湿率更高， 2 硕士论文壳聚糖及其衍生物的制备研究 仅次于甘油，高于聚乙二醇、山梨酵等，所以可用于化妆品。由甲壳素、壳聚糖及其 衍生物制成的膜有优良的透气性，如壳聚糖膜的透氧率可达7 x 1 0 。1 ( c m 2 s ) 。这种特性 很适合制成隐形眼镜片。甲壳素、壳聚糖及其衍生物的膜或中空纤维具有良好的渗透 性。壳聚糖膜的渗透性能比纤维素膜好，低分子量( 小于2 9 0 0 ) 化合物都可以通过。用 不同的衍生物，不同的交联方法，或在制膜时用不同的凝胶化介质，可以制成性能不 同的渗透膜，如化合物分离膜、超滤膜、人工肾膜、药物缓释膜等。 成膜、成丝性：甲壳素及其衍生物可以很容易地制成膜、拉成丝。把它们溶解在 溶剂中进行涂布、喷丝很容易加工成需要的形式。壳聚糖易溶于弱酸稀溶液中，使其 加工更加方便。这种膜或丝具有透气性、透湿性、渗透性、有一定的拉伸强度和防静 电作用。壳聚糖浇注成的柔性无色透明薄膜具有良好的粘附性，可粘附在玻璃、纸张、 橡胶上，它有一定的抗拉强度。低分子量壳聚糖制的膜强度比纤维素腊差，而高分子 量壳聚糖或聚乙烯醇混合制的膜强度大大提高，甚至超过纤维素膜。 1 3 甲壳素壳聚糖的化学性质 壳聚糖化学性质的研究内容十分广泛，是认识壳聚糖的本质，开发产品的重要基 础。一般研究壳聚糖的化学性质都是基于两个目的：一是解决它在水中或溶剂中的溶 解性；二是获得性能很好甚至是独特性能的产品。壳聚糖分子中的活性侧基- n h 2 ，可 酸化成盐类，导入羧基官能团，取代合成侧链铵盐、混合醚、聚氧乙烯醚，制备具有 水溶性、醇溶性、有机溶剂溶解性，表面活性以及纤维性等各种衍生物；壳聚糖分子 中- o h 和h n 2 具有配位螯合功能，且均可与交联剂进行交联接枝改性成网状聚合物； 壳聚糖分子中h n 2 先与过渡金属离子形成配合物，再与交联剂进行交联，具有“模 板剂”的“记忆力”和选择吸附性能l 珏1 ；壳聚糖在适当条件下进行酰基化，可制备具 有低碳数水溶性衍生物和高碳数疏水性衍生物。 o 一酰化和n 酰化：甲壳素和壳聚糖可与多种有机酸的衍生物如酸酐、酰卤( 主要 是酰氯) 等反应，导入不同分子量的脂肪或芳香族酰基。这是壳聚糖的化学反应中研 究得最多的一种反应。通过导入不同分子量的脂肪族或芳香族酰基，使所得产物在水 和有机溶剂中的溶解性可大大改善。酰化反应可在羟基( o - 酰基) 或氨基( n 酰化) 上进 行，已见报道的反应实施方法有十余种之多，各种方法的主要差别在于使用不同的溶 剂及催化条件。 含氧无机酸酯化：甲壳素和壳聚糖的羟基，尤其是c 6 o h ，可与一些含氧无机酸 ( 或其酸酐) 发生酯化反应，这类反应类似于纤维素的反应。在壳聚糖的氨基上也可能 发生反应。 醚化：甲壳素和壳聚糖的羟基可与烃基化试剂反应生成醚，如甲基醚、乙基醚、 苄基醚、羟乙基醚、羟丙基醚、氰乙基醚、羧甲基醚等。近几年来对这类反应比较重 3 硕士论文 壳聚锗及其衍生物的制各研究 视，可以开发出一些新型材料。 n 烷基化：壳聚糖的氨基是一级氨基。有一孤对电子。具有很强的亲核性，能发 生许多反应，n 烷基化是除n 酰化以外的另一类重要的反应。甲壳素的乙酰基的n 上只有一个h ，很稳定，但在一些强烈的条件下，也能发生取代反应。壳聚糖的烷基 化反应可得到完全水溶性的衍生物。 氧化：甲壳素和壳聚糖可以被氧化剂氧化，氧化反应的机理很复杂。氧化剂不同， 反应的p h 值不同，氧化机理和氧化产物也不同，既可使c 6 o h 氧化成醛基或羧基， 也可使c 3 - o h 氧化成羰基( 成酮反应) ，还可能发生部分脱氨基或脱乙酰氨基，甚至破 坏毗哺环及糖苷键。 对酸的吸附：壳聚糖是一种碱性多糖，其氨基能结合溶液中的旷。许多无机酸、 有机酸和酸性化合物，甚至两性化合物，都能被壳聚糖吸附结合。壳聚糖的这一特点， 可应用于食品、药物、生物制品的脱酸，避免用碱中和而增加盐分，或从溶液、发酵 液中提取酸性化合物，如氨基酸、核苷酸、青霉素等。 接枝共聚：甲壳素和壳聚糖分子链上的活性基团很多，可以进行接枝共聚反应， 从而改进它们的性能，满足特殊的需要。甲壳素和壳聚糖的接技共聚始自1 9 7 9 年， 但其后的l o 年进展不大，进入2 0 世纪9 0 年代，国内外的研究都多了起来。接枝共 聚反应一般有化学法、辐射法和机械法三种，甲壳素和壳聚糖的接枝芪聚至今只报道 了化学法和辐射法两种。从反应机理来说，又可分为自由基引发接枝和离子引发接枝。 交联：壳聚糖分子中o h 和h n 2 具有配位螫合功能，且均町与交联剂进行交联接 枝改性成网状聚合物，甲壳素和壳聚糖可通过双官能团的醛或酸酐等进行交联。交联 的主要目的是使产物不溶解，甚至溶胀也很小，性质很稳定，这对于它们被用作层析 的载体或作固定化酶载体是十分重要的，尤其是壳聚糖常常需要交联。戊二醛作交联 剂时，反应能在均相条件下，及宽p h 范围内，于室温迅速进行，因而被普遍使用。 由于壳聚糖中存在氨基，可以与过硫酸盐形成氧化还原体系，形成活性种引发自由基 聚合反应，形成壳聚糖的交联共聚物f o 卯。此外，还报道了壳聚糖用三氯乙酸酰化， 成为光敏聚合物后再在紫外光照射下交联的方法。 主链水解反应：甲壳素和壳聚糖主链上发生水解反应时，p ( 1 ，4 ) 糖昔键断裂。主 链水解即使在稀的弱酸溶液中也能缓慢进行。提高酸的强度和浓度及加热能促使反应 快速进行。水解产物可为葡胺糖的衍生物或各种低分子量的我聚糖，但充分水解时只 得到葡胺糖一种产物。 螫合与吸附：甲壳素及壳聚糖分子中有- o h 、- n h 2 ，从构象上来看，它们都是平 伏键，这种特殊结构，使得它们对具有一定离子半径的一些金属离子在一定的p h 值 条件下具有螯合作用，尤其是壳聚糖，与金属离子的螯合更广范一些，更具特色，说 明壳聚糖是一类新的天然高分子螯合剂，而且无毒、无副作用。它们也是良好的阳离 4 硕士论文 壳聚糖及其衍生物的制各研究 子絮凝剂，可以与金属离子形成稳定的螯合物，有效地捕集或吸附溶液中的重金属离 子。也可以凝聚溶液中带负电荷的悬浊物、有机物( 如染料、蛋白质、氨基酸、核酸、 脂肪酸、卤素等。) ( 1 ) 对金属离子的螯合作用 甲壳素，特别是壳聚糖，能通过分子中的- n h 2 、o h 与h 9 2 + 、c d 2 + 、n i 2 + 、c u 2 + 、 a f 、a u + 、m n 2 + 、p b 2 + 等重金属离子形成稳定的螫合物，但一般不能络合天然水中的 k ，、n a + 、c a 2 + 、m 矿、c l 、s 0 4 2 、c 0 3 厶、h c 0 3 等离子。 甲壳素和壳聚糖与金属离予的螯合作用，有以下几个特点：壳聚糖与金属离子螯 合后，本身的结构并没有改变，但产物的性质改变了：因为碱金属和碱土金属不会放 壳聚糖螯合，因此壳聚糖可在存在这些离子的水溶液中螯合分离过渡金属离子；当有 两种或两种以上的过渡金属离子共存于一种溶液中时，将是离子半径合适的离子优先 被壳聚糖螫合聚糖结合；氧化价态不同，结合能力也不同；壳聚糖对过渡金属离子的 结合受到阴离子的影响，c l 。会抑制金属离子的结合量，s 0 4 2 会促进结合。 ( 2 ) 对非金属物质的吸附 甲壳素壳聚糖能通过络和、离子交换等作用对染料、蛋白质、氨基酸、核酸、酚、 卤素等进行吸附。 染料：带有磺酸基团的染料在硫酸水溶液中可通过离子交换作用被甲壳素吸附， 其过程过表示为： + 1 + 1 r n h 2 c o c h s o ：。+ n a d y e 寻圭r n h 2 c o c h 3 d y e + 寺n a 2 s 0 4 ( 1 1 ) 二 研究发现，若干种染料对甲壳素的亲和性随着染料分子中苯核数增加而提高。同 时，由于每个染料分子上只能有一个磺酸基在甲壳素的阳离子位置进行离子交换，其 余的磺酸基团位置的限制依然留在水中，因而染料分子的进一步磺化反而使亲和性下 降。 卤素：甲壳素、壳聚糖用碘碘化钾水溶液处理时，因吸附作用，呈现明亮的紫红 色。壳聚糖不但吸附碘，也能吸附溴，在极性溶济中的吸附量比在非极性溶济中大得 多【l 扪。壳聚糖用苯乙烯接枝后，对碘和溴的吸附量都增加，其中溴的增加更明显。 酶：在甲壳素吸附酶的研究中，报道最多的是对溶菌酶的吸附。通过这种吸附作 用可进行溶菌酶的分离和精制。在吸附过程中甲壳素与溶菌酶形成固定组成的络合 物。 低级醇类：研究表明，壳聚糖对低级醇类的吸附作用包含物理吸附又有化学吸附。 物理吸附实质上是一种范德华引力作用的结果，而化学吸附实质上是一种化学键作 用。在低温时化学吸附的速度较低，因为此时具有足够能量的活化分子少，所以主要 是物理吸附。当温度上升，物理吸附作用减弱，使吸附量减少，越过最低点后，由于 硕士论文壳聚糖及其衍生物的制各研究 温度升高，活化分子数目增多，此时化学吸附逐渐成为主要吸附过程，所以吸附量此 时随着温度上升而增加。另外。饱和吸附量随温度变化并不敏感。 1 4 壳聚糖的应用 由于壳聚塘分子中有大量游离氨的存在，其溶解性大大优于甲壳素，兼具有甲壳 素的天然、无毒、生物相容性好与易于降解等优点，所以壳聚糖有十分良好的经济应 用价值。人们对壳聚糖的研究十分活跃，其应用领域也不断拓宽，平均每两天就有一 篇关于壳聚糖的论文发裂”。壳聚糖可制成膜应用于水果保鲜膜川等方面，还可以作 为絮凝剂、纤维、液晶、催化剂、吸附荆以及应用于医药方面【4 】。仅在食品工业中， 甲壳素和壳聚糖就有抗菌剂、食用膜、食品添加剂、污水处理剂、药物缓释剂、酶固 定化载体等多种应用旧。 甲壳素分子量大，分子内氢键作用强，不溶于水和稀酸、稀碱，壳聚糖大分子链 中尽管有- n h 2 的存在，但也有较强的分子内氢键作用，仅能溶于酸性环境。尽管甲 壳素和壳聚糖的应用范围不断拓展，但是其较差的溶解性严重的制约了其进一步应用 ”w 。因此目前国内外的研究重点已转向了溶解性强的甲壳低聚糖。 壳聚糖的膜应用：近年来膜技术发展得非常迅速，当前对壳聚糖膜的研究研究已 越柬越多，已成为一个研究热点f 2 0 l 。它有以下优点1 2 0 。2 1 1 ：壳聚糖有很好的成膜性， 又能溶于稀乙酸或盐酸中，在制膜过程中不涉及毒性物质，制膜设备和工艺简便；壳 聚糖膜无毒，副作用，可在食品工业和医药工业上应用，这就优于当前用得很广泛的 聚砜膜：壳聚糖分子链上有羟基和氨基，易于化学改性和交联；壳聚糖膜物理化学性 能好，能耐碱、有机溶剂，交联后还耐酸，耐热性也好，均优于醋酸纤维素膜；壳聚 糖膜的亲水性强，透过通量大，特别适合于分离水系物料；壳聚糖膜有生物相容性； 壳聚糖废膜具有生物可降解性，不会造成环境污染，而且其降解产物在土壤中能改善 微生态环境。 因为壳聚糖的这些特点，可将其制作成超滤膜、反渗透膜、渗透蒸发和渗透汽化 膜、渗析膜、气体分离膜、固定化酶膜、离子交换膜、医学用膜等，而且得到了广泛 应用1 2 。在医学上还得到广泛应用，如用作固定酶载体、细胞培养用微载体、植物生 理剂；用于制作药用胶囊，隐形眼镜、人造皮肤、人造血管、人工肾的分离膜等医用 材料；作为抗血凝血剂、止血荆、抑制肿瘤生长及转移助荆等药品的成份【捌。壳聚糖 在农业上可以制成农用地膜，它不但不会破坏土壤的透气性能，而且还能被土壤吸收 不污染环境。最重要的是它还能提高种子的出芽率，提高作物的产量，而且还能阻止 昆虫蜕皮从而达到间接消灭害虫的目的1 2 1 壳聚糖的絮凝应用：壳聚糖由于其无毒副作用，天然安全性能好而在絮凝方面得 到了广泛应用田琊1 壳聚糖可作为阳离子型和阴离子型絮凝剂，对无机化合物、极性 6 硕士论文壳聚糖及其衍生物的制各研究 有机化合物、蛋白质等产生絮凝作用。壳聚糖无毒，对动物、植物无害，用其作为絮 凝剂产生的污泥可作肥料，在环境保护方面具有广阔的应用前景 2 6 五7 1 。壳聚糖在印染 废水处理中的应用主要通过两种方式：一种是制成颗粒或粉末直接作为吸附絮凝剂用 于废水处理；另一种是对壳聚糖进行化学改性或交联后再使用【2 s l 。袁毅桦1 2 9 1 等人直 接用壳聚糖对印染废水进行了絮凝脱色处理，试验表明，用脱乙酰度较高的壳聚糖的 处理效果较好，并以质量分数为1 的壳聚糖醋酸溶液效果最佳，脱色率可达9 0 ， 但沉降时日j 稍长，配以无机高分子聚合物( 如聚合氯化铝) 混合使用，可明显加快沉降 速度。 壳聚糖的水果保鲜应用 3 2 - 3 3 ：甲壳素和壳聚糖及它们的衍生物对果蔬具有明显的 保鲜、防腐作用，这种作用来源于它们很好的成膜性和抑菌作用，甚至能激发一些有 益酶的作用及抑制一些有害酶的作用。壳聚糖有很好的成膜性，将壳聚塘溶液喷涂到 果蔬表面。或把果蔬在壳聚糖溶液里浸蘸一下，干燥后即在果蔬表面形成一层无色透 明的可食用薄膜，由于壳聚糖膜的独特物理和生物学作用，可起到有效的保鲜、防腐 效果。在壳聚糖溶液中可以添加增塑剂、表面活性剂、防腐剂改善其膜性能，增强防 腐效果。从2 0 世纪8 0 年代以来，国内外已对番茄、黄瓜、青椒、草莓、猕猴桃、苹 果、桃、梨、柑橘、柚、芒果以及鸡蛋进行了较多的研究，美国、日本、英国、加拿 大、瑞典、荷兰和我国等已将这项技术用到了实际生产上，而且，我国非但进行了如 上所述的鲜肉保鲜、防腐的研究，近年来还进行了鸡蛋保鲜的研究。 壳聚糖对果蔬的作用表现出以下一些特点【1 7 - 3 5 1 ：在果蔬的表面形成一层很薄的 半透膜，阻碍果蔬的蒸腾作用，从而减少水分的损失和果蔬的失重；壳聚糖膜具有选 择通透性的特点，能阻止0 2 进入膜内，而限制c 0 2 排出膜外，同时允许水果在储存 期间乙烯从膜内逸出，使膜内保持较高浓度的c 0 2 ，抑制其呼吸作用，较好地保持水 果鲜艳的颜色和硬度：能阻止一些果蔬在储存期间糖分和含量的下降，甚至能提高维 生素c 的含量：壳聚糖能降低储存期间果实的脂氧合酶( l o x ) 的活力，从而抑制丙二 醛( m d a ) 的产生，提高了细胞膜的稳定性，防止细胞的脂膜过氧化及内容物的渗漏； 壳聚糖能显著提高果蔬中超氧化物歧化酶( s o d ) 的活力，减少自由基对细胞膜的损 伤，从而延缓细胞的衰老，即延长了储存期；由于壳聚糖膜限制了果蔬的呼吸作用， 减少了储存期问果蔬的“发汗”现象，减少了果蔬表面的水珠，使病原菌不易侵染果 蔬；壳聚糖能诱导果蔬产生一系列防御反应机制，如堵塞皮孔，产生植保素，果实细 胞壁加厚，阻碍病原菌侵袭；壳聚糖如上所述的那样具有抑菌作用。 赵玉清【l 等人制备了系列壳聚糖复合物( c t s ) ( ) ，并用涂膜法对荔枝进行了保鲜 研究，在系列c t s x 中筛选了最佳膜保鲜剂，其保鲜效果良好，它能有效的阻止荔 枝水分的散失，减慢果皮褐变速度，防止v c 损失保持果实中酸的含量，减慢淀粉 等物质转化为葡萄糖的速度，延缓果实采后的自熟速度。彭锦雯【3 0 l 吴青f 3 ”等人也分 7 硕士论文壳聚糖及其衍生物的制各研究 别用壳聚糖膜对荔枝进行了保鲜研究均得到了很好的保鲜效果。赵玉清口2 1 等人同样制 备了系列壳聚糖一金属离子复合物( c t s n ，并用涂膜法对草莓进行了保鲜研究， 在系列c t s m n + 中筛选了最佳膜保鲜剂。在延长草莓保鲜期，保质期方面收到良好 效果。它能有效的阻止草莓水分的散失，减慢果皮色变速度和白斑生长，防止v c 损 失。保持果实中酸的含量，使酸，糖比在1 0 1 1 之间，口感较好。草莓常温下只能放 两天【3 3 彤l ，而用了c t s m n + 延缓了果实采后的自熟速度，使货架期延长三天，可带 来相应的经济效益。周守勇【3 6 1 等人也用醋酸降解壳聚糖，得到不同降解度的样品，研 究不同相对分子质量的壳聚糖对草莓涂膜保鲜效果的影响。结果表明，相对分子质量 为3 6 6 x 1 0 4 和1 3 7 x 1 0 4 的两种壳聚糖膜，以及按1 ：1 配比所制得保鲜剂对草莓有较好 的保鲜效果，能使果实的腐烂率和发霉率显著降低，常温下，可延长保鲜期两天以上。 壳聚糖在农业方面的应用：在农业方面，甲壳素和壳聚糖的应用研究开展得并不 多，主要作为饲料的添加剂和种子处理剂 8 , 3 7 1 受到人们的重视。 壳聚糖在轻纺工业中的应用：壳聚糖在纺织印染工业中的应用却是由来己久，我 国在2 0 世纪5 0 年代就开始使用，目前是使用壳聚糖最多的行业之一。在造纸工业中， 壳聚糖也得到了应用，国内少数造纸厂已开始使用，用量已与纺织印染业差不多。而 壳聚糖在轻纺工业中应用得最多的就是在档次较高的化妆品中，而这方面的研究也越 来越频繁。我国己在档次较高的化妆品中使用壳聚糖，近年来已有不少产品使用壳聚 糖，同时，提供适合于化妆品使用的壳聚糖衍生物产品也越来越多，正日益引起日化 行业的兴趣。日化行业消耗的壳聚糖数量不如印染和造纸行业，但用于化妆品的壳聚 糖产品附加值高，对提高化妆品的质量也较显著。 在医药卫生方面的应用：在医药卫生方面，甲壳素和壳聚糖的应用研究更是由来 已久，有些研究成果已付诸实际应用，甚至已工业化生产。壳聚糖在抗心率失常、防 治动脉粥样硬化、凝血作用和抗凝血作用、抗肿瘤作用以及抗感染作用等方面都有报 道【3 引。现在研究的范围越来越宽，有不直接与人体接触的，有与人体组织接触的做成 药使用，也能做药物的载体【3 9 1 ；既能治病，也能保健。尤其是举世瞩目的人造皮肤和 外科手术缝合线，展现了诱人的前景。 1 5 本课题研究的背景、目的及意义 1 5 1 本课题的研究背景和意义 1 8 1 1 年，法国人发现了甲壳素，它的结构与纤维素非常相似，只是在其链节结 构中相差了一个基团。1 8 5 9 年，又发现了甲壳素的脱乙酰基产物壳聚糖，这是唯一 的碱性天然多糖。到1 9 4 9 年，甲壳素和壳聚糖的研究取得了长足的进展，出现了多 种制备方法，提出了一些化学分析方法，它们的物理性质和化学性质已大都研究清楚， 8 硕十论文壳聚糖及其衍生物的制各研究 对它们的结构也有所了解，美国等已开始少量生产甲壳素和壳聚糖，1 9 3 4 年在美国 首次出现了关于制备壳聚糖的专利，并在1 9 4 1 年制备出了壳聚糖人造皮肤和手术缝 合线。1 0 0 多年来，特别是近3 0 年来，甲壳素和壳聚糖已成为日本、美国等国家的 热门研究领域，据统计，近1 0 年来日本平均每3 天就申请1 项有关甲壳素或壳聚糖 的专利删。 我国在2 0 世纪5 0 年代初就开展了有关研究和产品开发，而且很快就成为壳聚糖 生产的主要国家，现在，我国已有越来越多的大专院校和科研单位投入这方面的研究 和产品开发，到1 9 9 7 年，全国已有2 0 0 多个壳聚糖生产厂。成为壳聚糖的生产大国 和出口大国，加上甲壳素和壳聚糖的下游产品的生产，实际上已在我国形成了一个甲 壳素和壳聚糖生产的新兴产业群。 甲壳素和壳聚糖无毒、无害、可食用、安全可靠、易于生物降解，不污染环境， 具有广泛的用途。首先在食品工业中壳聚糖应该占有重要的位置，国内外研究表明， 甲壳素和壳聚糖是无毒的，比起其它许多合成高分子化合物，更适合于食品工业使用， 它即可以作为液体处理剂以及食品添加剂，还可抑菌保鲜剂等功能材料。在环境保护 方面，甲壳素和壳聚糖可以作为水处理絮凝剂以及污泥脱水剂、分离树脂，还可以制 成膜、催化剂、液晶、吸附剂等功能材料。它还在医药卫生、农业、轻纺工业中有所 应用。因此对壳聚糖的制备和应用研究有着十分重要的理论和现实意义。 1 5 2 本课题研究的内容 ( 1 ) 壳聚糖制备工艺的研究：该部分主要针对文献中脱钙、脱蛋白、脱乙酰过程 处理时间太长的缺点，探讨原料粒度对壳聚糖制备的影响：同时用二氧化氯进行脱色 处理，并与传统的高锰酸钾法对比其脱色效果；对脱乙酰过程进行详细探讨，探索其 最佳制备工艺条件。 ( 2 ) 壳聚糖制备废液的处理及副产物的利用：该部分主要探讨壳聚糖制备过程中 产生废液的处理。由于壳聚糖制备过程中产生大量废液，且c o d 值较高，高达 1 0 ，0 0 0 m g l 以上，如果不处理将会对环境造成极大的危害本课题利用f e n t o n 试剂 和铁炭微电解工艺对此废水进行处理，并探索其影响因素和最佳处理工艺条件。 ( 3 ) 壳聚糖膜制备工艺的研究：该部分主要进行壳聚糖膜的制备研究，采用流延 成膜法制备含有不同添加剂的壳聚糖膜，并探讨不同添加剂对壳聚糖膜性能的影响。 ( 4 ) 壳聚糖金属配合物的制备研究：该部分主要进行壳聚糖与铁、铜及碘的配合 物的制备研究，并着重探讨了壳聚糖与亚铁的制备工艺，并对各种配合物进行表征， 比较壳聚糖对各离子的吸附率和配位能力。 9 硕士论文壳聚糖及其衍生物的制备研究 2 甲壳素及壳聚糖的制备 2 1 引言 2 1 1 甲壳素的制备方法 甲壳素是一种天然高分子化合物，在自然界的分布十分广泛，所以凡是含有甲壳 素的生物都可以用作制备甲壳素的原料。然而从生产成本考虑，当前大规模工业化生 产甲壳素还是取虾和蟹的外壳为原料。而且这两种原料数量很大，其来源又可以与水 产加工厂配合，收集成本较低。 虾、蟹壳的主要成份有碳酸钙、蛋白质和甲壳素( 2 0 左右) 【2 1 ，这几种物质紧密 缔合在一起，成为一种络合体，共同形成表皮及生物体的支撑组织。其薄的最外层一 般不含甲壳素，其内侧后层分布有甲壳素蛋白质复合体，通过多酚架桥聚合或通过 碳酸钙沉着形成硬的物质【4 1 1 。由虾、蟹壳制备甲壳素的过程，实际上就是脱钙、去蛋 白质、脱色的过程。 虾、蟹壳中含有大量的无机盐，其中主要是碳酸钙，还有少量碳酸镁，以及半微 量和微量的铅、汞、砷、锰、铁等。这些金属的盐酸盐都能溶于水，因此，用稀盐酸 浸泡虾、蟹壳时，壳中的碳酸钙等无机盐转化成它们的盐酸盐溶解于水中，通过洗涤、 分离，即可除去壳里的无机盐。在盐酸浸泡时，水不溶的碳酸钙转变成水溶性的氯化 钙，同时产生碳酸，碳酸不稳定，立即分解为二氧化碳和水： ： c a c 0 3 + 2 h c i _ c a c l 2 + c 0 2 + h 2 0 ( 2 1 ) 壳中蛋白质含量也很大。蛋白质是一类两性化合物，既能溶于碱，也能溶于酸， 一般而言，在碱液中溶解的快一点，也溶解得完全一些；同时，蛋白质在碱液中水解 稍微慢一点。在用稀酸浸泡虾、蟹壳时，会有一部分蛋白质溶解出来；用稀碱液浸泡， 可将壳中的蛋白质全部溶解萃取出来。当然，也可用蛋白酶水解除去壳中的蛋白质。 这样，剩余下来的就是甲壳素 目前，国内外制备甲壳素的方法主要是化学加工法，包括酸碱法和酶法。 酸碱法又可分为三步法、五步法及酸碱交替法，但基本原理是相同的，利用稀盐 酸将难溶的碳酸钙转化为可溶性的氯化钙而随溶液分出，用稀碱( n a o h 水溶液1 将蛋 白质溶出，即酸浸、碱煮的过程，再经过脱色及水洗、干燥等过程即可得到甲壳素。 酶法则是利用乙二胺脱钙、用酶去蛋白质的过程。 甲壳素分子内和分子间都存在着强烈的氢键，因而它的溶解性能较差，只能溶于 浓无机酸且同时发生降解，而不溶于水、稀酸、稀碱及一般有机溶剂，从而限制了甲 1 0 硕士论文壳聚糖及其衙生物的制备研究 壳素的应用。通过脱乙酰化反应，可以使甲壳素脱去分子中的乙酰基，转变为壳聚糖， 脱乙酰化反应通常在1 0 0 c 1 8 0 c 的氢氧化钠( 4 0 6 0 ) 非均相进行，壳聚糖产品 脱乙酰度一般在7 0 9 0 。由于甲壳素分子结构的规整性受到破坏，壳聚糖的溶 解性能较甲壳素有了很大的改善，化学性质也较活泼，壳聚糖虽然不溶于水和碱溶液， 但可溶于大多数稀酸或酸性水溶液，故也称为可溶性甲壳素，其应用范围比甲壳素大 得多。 2 1 2 壳聚糖的制各方法 近年来，人们对甲壳素、壳聚糖的制备工艺的研究十分活跃【4 2 4 q 并取得了可喜成 绩。甲壳素通过脱乙酰基来制备壳聚糖是甲壳素研究的核心，因而壳聚糖脱乙酰反应 的研究引起了国内外学者的重视。人们提出了许多制备方法，一般有以下几种： 2 1 2 1 碱液法 目前国内外大多研究及生产单位制备壳聚糖的方法就是碱液法，用质量分数为 4 0 6 0 的浓碱液，在1 0 0 1 8 0 下进行脱乙酰处理几小时，得到可溶于稀酸的、 脱乙酰度一般在8 0 左右的壳聚糖【4 9 1 。碱液法设备简单而且制备成本较低，人们对 于甲壳素脱乙酰化的研究也主要集中于碱液法，并且获得了一些脱乙酰基速率与碱液 浓度、温度的规律。 陈型5 0 l 等人研究指出脱乙酰的碱液浓度、温度和反应时间是主要影响因素，他还 进一步指出，采用间歇碱处理方法可以制得高脱乙酰度( 大于9 0 煳的壳聚糖，间歇碱 处理即分段反应。但是根据w u 和b o u g h 的研究结果1 5 1 1 ：用5 0 的n a o h 溶液，在 1 0 0 下处理甲壳素l h ，脱乙酰度约在7 0 ，而持续处理5 h ，脱乙酰度仅逐渐增加到 8 0 。持续的碱处理不能有效地脱乙酰基，而仅仅是引起壳聚糖分子链的降解。而且 作用时间长，能耗高，长时间造成分子链的降解，制备的壳聚糖脱乙酰度不高，粘度 低。 2 1 2 2 碱熔法 碱熔法【5 2 慨是将甲壳素和固体氢氧化钾在氮气保护下，在镍坩埚中共熔。在1 8 0 c 加热搅拌3 0 m i n 熔融物，然后小心地倒入乙醇中。生成的胶状沉淀用水洗至中性，这 样就得到了粗的壳聚糖。将这些粗壳聚糖洗涤溶于5 甲酸中，再用稀的n a o h 溶液 使之沉淀析出，重复三次。最后得到的沉淀物洗净后被溶于5 0 c 左右的0 i m o l l h c l 中，接着再慢慢加入浓盐酸，直至出现沉淀，这是壳聚糖的盐酸盐。这样的产物，主 链遭到降解，经透析几天，离心分离，用乙醇洗涤，再用乙醚洗涤，这种产品大概具 1 1 硕士论文壳聚糖及其衍生物的制各研究 有2 0 个糖单元，分子量较低，这种产品不适宜于做色谱和絮凝剂用，使得壳聚糖的 使用范围受到了限制。 2 1 2 3 甲壳素酶法 甲壳素酶法1 5 3 1 ，可以节约大量的烧碱。这种方法能在常温下脱乙酰基，用此脱乙 酰度酶与甲壳素在缓冲溶液( p h 为5 5 ) 中3 0 c 培养4 8 h 即可获得壳聚糖。但这基本上 还处于实验室探索阶段。 2 1 2 4 微波制备方法 微波辐射能技术取代传统的加热方法而应用于有机合成 5 4 - 5 7 ，是8 0 年代后期兴 起的一项有机合成新技术。 居红芳【5 8 1 用微波法制备壳聚糖：将甲壳素烘干后加入5 0 n a o h 溶液，放入微波 炉内，于4 5 0 w 下加热2 0 m i n 进行脱乙酰化处理。将处理体系移出微波炉，静置至室