（无机化学专业论文）壳聚糖配合物的合成及其性质研究.pdf

； r - 、 i ： 摘要 摘要 壳聚糖是从虾、蟹等甲壳纲动物甲壳中提取的一种天然碱性高分子多糖，具 有良好的生物活性和医学性能，对过渡金属及稀土金属离子等具有良好的配位作 用。以壳聚糖及羧甲基壳聚糖为基质，络合金属离子所得到的壳聚糖金属配合物 材料具有许多优良的性能，在保健食品生产与开发、药物载体开发、酶固定化剂 开发、金属分离及含量检测等领域有着十分广泛的应用前景。 本文合成了壳聚糖及羧甲基壳聚糖的系列配合物一壳聚搪亚硒酸复合物、壳 聚糖铁( ) 配合物、壳聚糖镍( ) 配合物、羧甲基壳聚糖铁( 1 i i ) 配合物、羧甲基壳 聚糖镍( ) 配合物等，并采用红外吸收光谱、紫外吸收光谱、元素分析等分析手 段对配体及其配合物结构、组成及性质进行了表征，研究了壳聚糖对亚硒酸、f e ” 和n i 2 + 的静态吸附特性和吸附动力学特性，并导出了其各自的吸附等温方程。全 文主要包括以下几个部分： 1 、综述了壳聚糖及羧甲基壳聚糖的制备、结构、性质尤其是吸附性能的研 究进展及其应用。 2 、研究了壳聚糖对亚硒酸的静态吸附特性和吸附动力学特性，通过优化条件 制备了较为理想的产物一壳聚糖亚硒酸复合物，研究了壳聚糖亚硒酸复合物的理 化性质，并运用紫外光谱、红外光谱、元素分析等对产物进行了表征，初步确定 了其组成。研究结果表明：壳聚糖对亚硒酸的吸附量受p h 值、吸附时间、吸附 温度、亚硒酸浓度和壳聚糖用量等因素的影响，壳聚糖与亚硒酸之间发生了配位 吸附作用，其吸附等温式符合l a n g m u i r 提出的单分子层吸附等温式，壳聚糖对亚 硒酸的吸附等温式也符合f r e u n d l i c h 等温吸附经验式。 3 、研究了壳聚糖对f e 3 + 和n i 2 + 的吸附行为，并对其吸附动力学特性进行了研 究。研究结果表明：壳聚糖对f e 3 + 和n i 2 + 的吸附量受p h 值、吸附时间、吸附温 度、金属离子浓度和壳聚糖用量等因素的影响，壳聚糖与f e ”和n i 2 + 之间发生了 配位作用，其吸附等温式符合l a n g m u i r 提出的单分子层吸附等温式，壳聚糖对 f e 3 + 和n i 2 + 的吸附过程是吸热的。 4 、在均相反应条件下，合成了壳聚糖铁( ) 和壳聚糖镍( h ) 的配合物，研究 了配合物的理化性质，并运用紫外光谱，红外光谱、元素分析等对配合物进行了 壳聚糖配合物的合成及其性质研究 表征，初步确定了配合物的组成。研究结果表明：壳聚糖铁( i i i ) 和壳聚糖镍( i i ) 的配合物不溶于水和大部分有机溶剂，溶于浓度为1 的盐酸稀溶液，微溶于部 分有机酸的稀溶液；壳聚糖对n i 2 + 配位能力大于对f e ”配位能力；以壳聚糖的紫 外光谱作对照，壳聚糖铁( i i i ) 配合物的紫外光谱中出现了新的吸收峰，红外光谱 分析显示，形成配合物后，壳聚糖的部分特征吸收峰也发生了一定的位移，光谱 分析的结果表明壳聚糖与两种金属离子之间确实发生了配位反应；壳聚糖中主要 是一n h 2 和o h 参与了与金属离子的配位，部分乙酰氨基也参与了配位。 5 、在均相反应条件下，合成了羧甲基壳聚糖铁( i i i ) 及羧甲基壳聚糖镍( i i ) 配 合物，并对其理化性质、结构等进行了测定。研究结果表明：羧基的引入使羧甲 基壳聚糖比壳聚糖具有更强的与金属离子配位的能力；羧甲基壳聚糖铁( i i i ) k 羧 甲基壳聚糖镍( i i ) 配合物微溶于稀盐酸，其溶解性明显弱于壳聚糖铁( i i i ) 及壳聚糖 镍( i i ) 配合物，由此表明羧甲基壳聚糖金属配合物在酸性溶液中的稳定性强于壳 聚糖金属配合物；红外光谱分析结果显示羧甲基壳聚糖中的一c o o h 、一n h 2 及一o h 都参与了与金属离子的配位反应。 关键词：壳聚糖，羧甲基壳聚糖，配合物，合成，性质 i i i a b s l l t a b s t r a c t c h i t o s a ni so n es o r to fn a t u r a la l k a l ip o l y s a c c h a r i d ew i t hf a v o r a b l eb i o l o g i c a l a c t i v i t ya n dm e d i c a la c t i v i t yw h i c hi se x t r a c t e df r o mt h es h e l lo ft h ec r u s t a c e aa n i m a l s s u c ha ss h r i m po rc r a be t c i th a sf a v o r a b l ec o o r d i n a t i o nc a p a b i l i t yt om a n yt r a n s i t i o nm e t a l i o n sa n dr a r em e t a li o n s a sak i n do fc o m p l e xm a t e r i a l ，t h ec h i t o s a n - m e t a lc o m p l e x e s c o o r d i n a t e df r o mc h i t o s a no rc a r b o x y m e t h y lc h i t o s a na n dm e t a li o n sh a v eal o to f o u t s t a n d i n gc a p a b i l i t i e sa n dt h e r e f o r ew i l l b ew i d e l yu s e di nm a n ya r e a ss u c ha s d e v e l o p m e n ta n dp r o d u c t i o no fn u t r i t i o u sf o o d ，d e v e l o p m e n to fp h a r m a c e u t i c a lc a r r i e r s ， d e v e l o p m e n to fi m m o b i l i z a t i o no fe n z y m ea n ds e p a r a t i o no rd e t e r m i n a t i o no fm e t a li o n s e r e t h i st h e s i ss t u d i e dt h es y n t h e s i so ft h ec h i t o s a na n dt h ec a r b o x y m e t h y lc h i t o s a n c o m p l e x e s s u c h a sc h i t o s a n - s e l e n i o n sa c i d c o m p l e x ， c h i t o s a n - f e r r i c c o m p l e x , c h i t o s a n - f a l c i a lc o m p l e x ，c a r b o x y m e t h y lc h i t o s a n f e r r i cc o m p l e xa n dc a r b o x y m e t h y l c h i t o s a n - f a l c i a lc o m p l e x t h es t r u c t u r ea n dt h ep r o p e r t yo ft h ec o o r d i n a t i n gc o m p o u n d s w e r ec h a r a c t e r i z e d b yi r ( i n f r a - r e d ) s e p e c t r o m e t r y , u v ( u l t r a v i o l e t ) s e p e c t r o m e t r ya n d e l e m e n t a r ya n a l y s i se t c t h es t a t i ca d s o r p t i v ec h a r a c t e r i s t i c sa n da d s o r p t i o nk i n e t i c s b e t w e e nc h i t o s a n , s e l e n i o u sa c i d ( h 2 s e 0 3 ) a n dt h em e t a li o n s ( f e 3 + ，n i 2 + ) h a v ea l s ob e e n i n v e s t i g a t e da n dt h er e s p e c t i v ei s o t h e r m a la d s o r p t i o ne q u a t i o n sh a v eb e e nd e d u c e d t h e t h e s i si sd i v i d e di n t os e v e r a lp a r t s ： 1 as u m m a r ya b o u tt h es y n t h e s i s ，t h es t r u c t u r e ，t h ep r o p e r t ys p e c i a l l yt h er e s c a r c h a d v a n c e sa n dt h ea p p l i c a t i o n so f c h i t o s a na n dc a r b o x y m e t h y lc h i t o s a ni sg i v e n 2 t h es t a t i ca d s o r p t i v ec h a r a c t e r i s t i ca n da d s o r p t i o nk i n e t i c sb e t w e e nc h i t o s a na n d s e l e n i o u sa c i dh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d t h ec h i t o s a n - s e l e n i o n sa c i dc o m p l e xh a sa l s ob e e n p r e p a r e du n d e r t h eo p t i m u ma d s o r p t i o nc o n d i t i o n s , a n di t sp h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e sw e r e s t u d i e d t h es t r u c t u r eo ft h ec h i t o s a n s e l e n i o n sa c i dc o m p l e xw a sc h a r a c t e r i z e db yi r s e p e e t r o m e t r y , u vs e p e c t r o m e t r y a n d e l e m e n t a r ya n a l y s i s e t c t h e p r e l i m i n a r y c o m p o s i t i o no ft h ee h i t o s a n - s e l e n i o u sa c i dc o m p l e xw a sd e t e r m i n e d t h er e s u l t si n d i c a t e d t h a tt h ea d s o r p t i v ec a p a c i t yo f c h i t o s a nt os e l e n i o n sa c i dw a si n f l u e n c e dd r a m a t i c a l l yb yp h v a l u e ，a d s o r p t i v et i m e ，a d s o r p t i v et e m p e r a t u r e ，c o n c e n t r a t i o no ft h es e l e n i o n sa c i da n dt h e u s el e v e lo ft h ec h i t o s u n c o m p l e xa d s o r p t i v er e a c t i o nw a so c c u r r e db e t w e e nc h i t o s a na n d s e l e n i o u sa c i d t h ea d s o r p t i v eb e h a v i o ro fc h i t o s a nm e t 、析n lt h el a n g m u i rm o n o m o l e c u l a r l a y e ra d s o r p t i v em e c h a n i s ma n dt h ea b s o r p t i o ni s o t h e r me q u a t i o nm e tw i t ht h el a n g m u i r a b s o r p t i o ni s o t h e r me q u a t i o n i nt h em e a n t i m e t h ea b s o r p t i o ni s o t h e r me q u a t i o nm e t 谢m t h ef r e u n d l i c ha b s o r p t i o ni s o 也e r me q u a t i o na sw e l l i i i 、 壳聚糖配台物盼合成及其性质研究 3t h es t a t i ca d s o r p t i v ec h a r a c t e r i s t i ca n da d s o r p t i o nk i n e t i c so fe h i t o s a nt of e r r i ca n d f a l c i a li o n sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ea d s o r p t i v ec a p a c i t i e so f c h i t o s a ut of e r r i ca n df a l c i a li o n sw e r ei n f l u e n c e db yp hv a l u e ，a d s o r p t i v et i m e ，a d s o r p t i v e t e m p e r a t u r e ，c o n c e n t r a t i o n so f t h em e t a li o n sa n dt h eu s el e v e lo ft h ec h i t o s a nc o m p l e x a d s o r p t i v er e a c t i o l mw e r eo c c u r r e db e t w e e nc t f i t o s a na n dt h et w oi o n s 1 1 1 ea d s o r p t i v e b e h a v i o rm e tw i t ht h el a n g m u i rm o n o m o l e c u l a rl a y e ra d s o r p t i v em e c h a n i s ma n dt h e a b s o r p t i o ni s o t h e r me q u a t i o nm e tw i t ht h el a n g m u i ra d s o r p t i o ni s o t h e r me q u a t i o n t h e a d s o r p t i v ec a p a c i t i e so fc h i t o s a nt of b r r i ca n df a l c i a li o n se n h a n c e dw i t ht h er i s i n go ft h e t e m p e r a t u r e 4 t h ec h i t o s a n - f e r r i cc o m p l e xa n dc h i t o s a n - f a l c i a lc o m p l e xw e r ep r e p a r e dt h r o u 曲 t h eh o m o g e n e o u sr e a c t i o n sa n dt h e i rp h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r i e sw e r ea l s os t u d i e d t h e s t m c t a r e so f t h ec o m p l e x e sw c t ec h a r a c t e r i z e db yi rs e p e c t r o m e t r y , u vs e p e c t r o m e t r ya n d e l e m e n t a r ya n a l y s i se t c t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ec o m p l e x e sc o u l d n td i s s o l v ei nt h e w a t e ra n dm o s to ft h eo r g a n i cs o l v e n t s ，f a i n t l yd i s s o l v e di np a r t i a lo r g a t l _ i ca c i d sa n d e a s i l y d i s s o l v e di n1 c h l o r h y d r i ca c i dt h ec o o r d i n a t i n ga b i l i t yo fc h i t o s a nt of i a l c i a li o n sw a s s t r o n g e rt h a nt h a tt of e r r i ci o n s t h eu vs e p e c t r o m c t r yo ft h ec h i t o s a n t i ! r r i cc o m p l e x s h o w e dt h a tn e wa b s o r p t i v ep e a k sa p p e a r e da n dt h ei rs e p e c t t o m e t r yo f t h ec h i t o s a n f e r r i c c o m p l e xs h o w e dt h a tp a r to ft h ec h a r a c t e r i s t i ca d s o r p t i v ep e a k so fc h i t o s a nd i s p l a c e dt h e s p e c t r a la n a l y s i si n d i c a t e dt h a tt h ec o m p l e xr e a c t i o n st o o kp l a c em a i n l yb e t w e e nt h ea j x l i n o g m u l n - n h 2 ) , t h eh y d r o x y lg r o u p ( 一o r f ) ，p a r to ft h ea e c t y l a m i n o ( c o n h 2 ) o fc h i t o s a na n d t h em e t a li o n s 5 t h e c a r b o x y m e t h y le h i t o s a n - f c r r i cc o m p l e xa n dc a r b o x y m e t h y lc h i t o s a n - f a l c i a l c o m p l e xw e r ep r e p a r e dt h r o u g ht h eh o m o g e n e o u sr e a c t i o n sa n dt h e i rp h y s i c o c h e m i e a l p r o p e r t i e sa n ds b u c t u r c sw e r ed e t c r m i n a t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h e c o o r d i n a t i n ga b i l i t yo fc a r b o x y m e t h y lc h i t o s a nw a ss t r o n g e rt h a nt h a t0 fe h i t o s u ab e c a u s e o f t h ei n d m u g h to f t h ec a r b o x y l ( - c o o h ) t h ec a r b o x y m e t h y lc h i t o s a n - f e r r i cc o m p l e xa n d c a r b o x y m e t h y lc h i t o s a n - f a l c i a lc o m p l e xf a i n t l yd i s s o l v e di nd i l u t ec h l o r h y d r i ca c i d ，a n d t h e i rd i s s o l v e a b i l i t i e sw e r e p o o r e r t h a nt h a to ft h ec h j t o s a n - f e r r i c c o m p l e xm a d c h i t o s a i l - f a l c i a lc o m p l e xt h er e s u l t sa l s os h o w e dt h a tt h ec a r b o x y m e t h y le h i t o s a nm e t a l c o m p l e x e sh a v es t r o n gs t a b i l i t y i na c i d i cs o l u t i o n t h ei r s e p e c t r o m e t r yo ft h e c a r b o x y m e t h y lc h i t n s a nm e t a lc o m p l e x e si n d i c a t e dt h a tt h ec o m p l e xr e a c t i o n st o o kp l a c e m a i n l yb e t w e e nt h ec a r h o x y l ( - c o o h ) ，t h ea m i n og r o u p ( - n h 2 ) ，t h eh y r d r o x y lg r o u p ( 一o h ) o f c a r b n x y m e t h y le h i t o s a na n d 吐l em e t a li o n s k e y w o r d s ：e h i t o s a n ，c a r b o x y m e t h y lc h i t o s a n ，c o m p l e x ，s y n t h e s i s ，p r o p e r t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获啡大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：加盗浮签字日期：二年华月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解凌徽蝣 有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权凄绺大旁可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制- - t - 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：劲、岂茸导师签名： 签字日期：加# 年中月纠日 签字日期： 学位论文作者毕业去向： 磁彬乙 嘭年月加日 工作单位：安徽蚌埠学院食品科学- b 工程系电话：l3 9 55 20 7 6 5 5 通讯地址：安徽蚌埠学院食品科学与工程系 邮编：2 33 0 3 0 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 早在1 8 1 1 年法国科学家h 勃朗诺( h b r a c o n n o t ) 从霉菌( a g a r i c u sv o l a c e u s ) 中提取了一种类似纤维素的物质，这种物质就是甲壳素( c h i t i n ) ，但由于甲壳素 分子内外氢键作用很强，形成了有序的大分子结构，故其溶解性能极差。甲壳素 因其在无机和有机溶剂中的难溶性而长期被冷落，直到1 8 5 9 年r o u g e t 将甲壳素 与浓氢氧化钾共煮，发现了甲壳胺，即壳聚糖( c h i t o s a n ) ，才使此领域的研究有 所发展。壳聚糖的制备是甲壳素发展史上的一个里程碑，由甲壳素经脱乙酰化得 到的产物壳聚糖，不但溶解性能有所改观，化学性质也活泼很多。 壳聚糖是一种广泛存在于自然界中的，可再生，无毒副作用、生物相容性和 降解性良好的天然氨基多糖，其自身及衍生物具有许多独特的生理、药理功能特 性，被广泛地应用于医药、食品、农业、日化、环保等多种行业领域中。由于壳 聚糖及其衍生物结构的特殊性如含有活泼的o h 、- n h 2 以及一c o o h 等，在n 或o 上可引入金属离子或其他活性基团，可改变其结构、溶解性、生理功能特性及生 物活性，甚至产生新的活性功能。为进一步拓展壳聚糖及其衍生物的应用领域， 深入进行壳聚糖的吸附和配位化学研究，开展壳聚糖及其衍生物配合物的制备、 结构、理化性质和功能活性等方面的研究是重要的研究方向之一。 1 2 甲壳素壳聚糖的结构、制备和性质 1 2 i 甲壳素，壳聚糖的结构 甲壳素( c h i t i n ) 的化学名称为( 1 ，4 ) 2 乙酰氨基2 脱氧一卢d 葡聚糖，英文名 称为p o l y - n a c e t y l d g l u c o s a m i n e ，分子式为( c s h l 3 0 5 n ) 。甲壳素又称甲壳质、几 丁质、壳蛋白、壳多糖、明角壳蛋白、聚乙酰氨基葡萄糖，俗称蟹壳素，是一种 氨基多糖聚合物，在生物学上是仅次于蛋白质骨胶的最重要的动物结构原料，也 是自然界中唯一大量存在的天然的碱性多糖【l 】。它广泛存在于低等动物如虾、蟹 等甲壳，蟋蟀等昆虫的甲皮，丽文蛤、牡蛎的贝壳中以及一些低等植物如真菌、 壳聚糖配合物的合成及其性质研究 藻类的细胞壁中，另外也可源于有机酸类、抗生素和酶的发酵产物中。它是世界 上数量仅次于纤维素的第二大类天然高分子化合物，自然界每年生物合成的甲壳 素可达数十亿吨，是一种十分丰富的自然资源 2 - 6 1 。甲壳素是由许多n 乙酰氨基d 葡萄糖单元通过一( 1 ，4 ) 一糖苷键连接在一起的直链状多糖，其结构类似于纤维素 【1 1 。甲壳素分子结构式如图1 1 所示。 图1 - 1 甲壳素的结构式 f i g 1 - 1s t r u c t u r eo fc h i t i n 壳聚糖( c h i t o s a n ，简写为c t s ) 又名脱乙酰甲壳素、脱乙酰甲壳质、壳多 糖、甲壳胺、甲壳糖、儿丁聚糖。化学名称为( 1 ，4 ) 2 氨基2 脱氧卢d 葡聚糖， 分子式为( c 6 h l l 0 4 n ) 。它可由甲壳素脱乙酰化得到，脱乙酰度为5 5 - 7 0 的是低 脱乙酰度壳聚糖，7 0 0 0 1 8 5 的是中脱乙酰度壳聚糖，8 5 9 5 的是高脱乙酰度壳 聚糖，9 5 1 0 0 的是超高脱乙酰度壳聚糖。壳聚糖因其结构的不同而有三种结 晶体，第一种是口壳聚糖，由两条反向平行的糖链组成，第二种是口壳聚糖，由 两条同向平行的糖链组成，第三种是y 壳聚糖，由三条糖链组成，两条同向，一 条反向【1 1 。壳聚糖分子结构式如图1 2 所示。 图1 - 2 壳聚糖的结构式 f i g 1 - 2s t r u c t u r eo fc h i t o s a n - j l i 第一章绪论 1 2 2 甲壳素，壳聚糖的性质 甲壳素由于分子结构中氢键的强烈相互作用，大分子结构非常有序，呈紧密 晶体结构，溶解性能很差，其化学性质也非常稳定，因而应用受到极大限制。 壳聚糖分子问亦存在一0 h o 型及一o h n 型氢键的作用，其大分子问也存 在着有序结构，故也不溶于水，碱溶液及一般的有机溶剂( 如醇、醚、酮、氯仿 等) ，但能溶于稀有机酸和部分无机酸( 如醋酸、苯甲酸、环烷酸、盐酸等) ，易 与酸形成盐而溶于水中。脱乙酰度在8 0 1 0 0 的壳聚糖呈白色或米黄色结晶性 粉末或片状固体，略有珍珠光犀，表观密度为0 1 5 k g l 1 7j 。壳聚糖作为溶液在存 放和使用时需处于酸性环境中，但由于其缩醛结构的存在，会使其在酸性溶液中 发生降解，并导致溶液粘性降低，水解产物为氨基葡萄糖，壳二糖、壳三糖等低 分子的氨基糖，如果加入乙醇、甲醇、丙酮等可延缓壳聚糖溶液粘度的降低，以 乙醇的作用最为明显。由于壳聚糖分子中含有羟基、氨基和酰氨基官能团，因而 具有较高的反应活性，可通过酰化、氨基化、羧甲基化、氰化、醚化、醛亚胺化、 叠氮化、成盐、螯合、水解、氧化、卤化、接枝与交联等反应生成各种不同结构 和不同性能的衍生物 8 - 1 1 】。 1 2 3 壳聚糖的制备 近几十年来，壳聚糖制备方法的研究已引起各国学者的关注，他们提出了许 多行之有效的生产制备方法，其中最有代表性的是降解法。目前，国内外学者提 出的降解方法主要有化学降解法和酶降解法【1 2 j 。 化学降解法：利用化学降解法，从虾、蟹等动物的甲壳中提取壳聚糖是目前 最经济的生产工艺 1 3 a 4 。 虾、蟹壳的主要成分为：碳酸钙和磷酸盐约占4 5 ，粗蛋白和脂肪占2 7 ， 甲壳质约占2 0 左右。各类甲壳中甲壳质的含量为蟹壳中1 7 1 1 8 - 2 、龙虾壳 中2 2 5 、虾壳中2 0 , - - 2 5 。利用虾、蟹壳废料加工制取壳聚糖的过程一般有脱 除无机盐( 碳酸钙) 、脱除蛋白质和脱除乙酰基3 个步骤，其工艺流程具体如下： 将剔除肉质的虾蟹壳加水煮沸抽提得到净甲壳，将净甲壳加入4 0 o - 一6 盐酸浸泡除 去钙盐等，将除盐后的甲壳质加入质量百分比为1 0 的氢氧化钠溶液煮沸，脱除 蛋白质，得到粗品甲壳素。将粗品甲壳素先用l 高锰酸钾脱色漂白，再用2 亚 硫酸氢钠溶液还原，并洗净沥干，得到不溶性的甲壳素，将不溶性的甲壳素加入 壳聚糖配合物的合成及其性质研究 到脱乙酰基反应釜中，用4 0 氢氧化钠溶液在8 0 c 1 0 0 c 进行脱乙酰基反应。反 应终结后经洗净、脱水、烘干即得壳聚糖产品。 ， 陈明智”1 等人将传统工艺进行了如下改进：等当量盐酸浸渍脱钙，分两次并 搅拌3 h 完成；稀碱和低于1 0 0 下脱蛋白两次，并与脱钙穿插进行；将化学漂白 改为阳光催化漂白；脱乙酰反应2 h 3 h ，可达脱乙酰度8 5 以上。按此工艺制取 的壳聚糖粘度1 0 0 p a 8 以上( 0 5 壳聚糖，o 5 h a c ) 。郭国瑞【m i 等人用二次干法 制取得到了脱乙酰度大于7 5 的壳聚糖，降低了原料消耗和能耗。陈昌康【 1 则采 用7 0 c 7 5 的温度，以4 0 5 0 的氢氧化钠溶液进行脱乙酰基化反应，保温 1 2 h 一1 3 h ，制得粘度高、色泽纯白的壳聚糖。齐云【”】等人的壳聚糖工业化生产方 法是用交替法提取甲壳素和壳聚糖，此法交替生产，可缩短生产时间，提高生产 效率和产品质量。齐欣【1 9 1 等人通过先制取甲壳素来制取壳聚糖，其方法是利用盐 酸溶液对虾壳脱盐，再利用n a o h 溶液脱去蛋白质、脂类物质以制备甲壳素，分 析各处理条件对甲壳素制备的影响。汤亚杰 2 0 l 等人用虾壳制取壳聚糖的方法如 下：虾壳用水洗净，晾干，依次采用1 0 盐酸浸泡和1 5 k o h 溶液煮沸处理，以 除去虾壳中的无机钙盐和蛋白质，水洗，干燥后得到微量黄色片状甲壳质，将甲 壳质投入k o h 溶液中煮沸2 h ，脱去虾红素及分子中的乙酰基，水洗，干燥得到 透明片状壳聚糖，得率为1 2 5 ，水分1 2 o ，脱乙酰度为6 7 7 。 酶降解法：酶降解法通常优于化学降解法，这是由于酶法降解可特异性地、 选择性地切断壳聚糖的卢( 1 ，4 ) 。糖苷键，降解过程和降解产物的分子量易于控制， 因而可以方便地对降解过程进行监控，得到所需分子量范围的低聚壳聚糖，而且 酶法降解是在较温和的条件下直接进行的，相对于其他方法，酶降解法不需要加 入大量的反应试剂，对环境污染较少。 目前已发现3 0 多种专一或非专一性酶可用于壳聚糖的降解反应，这些酶包括 专一性水解酶如壳聚糖酶；非专一性酶如脂肪酶、溶菌酶、蛋白酶、元酶、聚糖 酶等【l 甜。然而，目前的研究大多注重于各种酶催化活性及其影响因素的探讨，而 对其作用机理研究尚少，对工业化的工艺开发研究也未见有报道。 1 3 羧甲基壳聚糖的结构、制备和性质 1 3 1 羧甲基壳聚糖的结构 蔷 ； ： 喜 ，幢 第一章绪论 羧甲基壳聚糖( c a r b o x y m e t h y lc h i t o s a n ，简写为c m c t s ) 是壳聚糖经羧甲基 化反应后的一类衍生物。由于壳聚糖分子链节上含有一o h 和已裸露的- n h 2 ，反应 时取代基团可取代o h 或n h 2 上的h ，相应产物有o 一羧甲基壳聚糖( o c m c t s ) ， n 羧甲基壳聚糖( n c m c t s ) 和n ，o 一羧甲基壳聚糖( n ，o c m c t s ) “。 1 3 2 羧甲基壳聚糖的制备 羧甲基壳聚糖是壳聚糖衍生物中研究最多的一种，它的研究活动可追溯到 1 9 3 7 年k i g b y 将氢氧化钠加入到壳聚糖的氯乙酸溶液中，得到一种水溶性产物一羧 甲基壳聚糖：1 9 4 0 年t h o r $ 4 备出碱性甲壳素，从此开创了甲壳素羧甲基化的途径。 早期所做的大部分研究工作是希望制备一种水溶性壳聚糖，以此作为溶菌酶和基 丁质酶的底物；上个世纪8 0 年代初，由于制备高取代度羧甲基纤维素的研究取得 很大进展，因此促进了羧甲基壳聚糖的制备研究【2 2 1 。 文献报道壳聚糖在低温下碱化，与氯乙酸进行羧甲基化反应，则产物为o 一羧 甲基壳聚糖：若加热到6 0 c ，可得到n ，0 羧甲基壳聚糖；要得到n - 羧甲基壳聚糖， 可使反应在酸性介质中进行，采用乙醛酸作为羧甲基化试剂，经还原得到产品， 利用该反应将o 羧甲基壳聚糖再与乙醛酸缩合还原后也可得到n - 羧甲基壳聚糖， 该反应的特点是取代有选择性，不需要加热，可在水溶液中进行，且为均相体系 t 2 3 1 。林友文f 2 卅等应用超声波辐射方法制备水溶性的羧甲基壳聚糖，利用胶体滴定 法测定产物中羧基含量，探讨超声波作用下，反应时间、反应温度及反应物投料 比对羧甲基化程度的影响，研究结果表明，在其它反应条件相同时，使用超声波 辐射比使用机械搅拌更能提高羧甲基取代程度，反应时间也可相应缩短5 h 。 目前，羧甲基壳聚糖的制备工艺主要如下： 以壳聚糖为原料的羧甲基化工艺：2 0 9 壳聚糖加2 0 0 m l 异丙醇在2 5 c 下搅拌 2 0 m i n ，加入1 0 m o l 1 的氢氧化钠溶液5 0 4 m l ，分6 次加入，每次间隔4 m i n ，继续 搅拌4 5 m i n ，然后加入固体氯乙酸2 4 9 ，分5 次加入，每次间隔5 m i a ，加完后加 热到6 0 ( 2 并保温反应3 h ，加入1 7 m l 的冷蒸馏水，用冰醋酸调节p h 值到7 0 ，过 滤将固体产物在7 0 甲醇水溶液中搅拌洗涤，过滤，然后用3 0 0 m l 无水甲醇搅拌 洗涤固体产物，过滤，6 0 c 下干燥过夜，得羧甲基壳聚糖产品【2 5 】。 甲壳素脱乙酰化一羧甲基化连续反应工艺：2 0 9 甲壳素加入2 0 0 m l 异丙醇在 2 5 1 2 下搅拌2 0 m i n ，然后加入1 6 m o l 1 的氢氧化钠溶液5 6 m l ，加热至8 0 2 保温搅 壳聚糖配合物的合成及其性质研究 拌反应3 h ，待脱乙酰化反应结束后，静置3 0 m i n ，将固体氯乙酸4 0 4 9 分5 等份 加入，2 0 m i n 加完。将物料加热至6 0 * ( 2 后保温搅拌反应3 h ，用冰醋酸调节p h 值 到7 0 ，过滤将滤出物用5 0 0 m 1 7 0 的甲醇水溶液洗涤两次，再用5 0 0 m l 无水甲醇 洗涤，然后在6 0 c 下烘干过夜，所得n ，o 羧甲基壳聚糖产量为2 7 9 。该连续化工 艺的优点是碱用量、脱乙酰化温度均可降低，有利于制备高分子量的羧甲基化产 品【2 6 1 。 以乙醛酸为原料的n - 羧甲基化工艺：将适量的壳聚糖溶解在1 0 的乙醛酸水 溶液中，在6 0 1 2 左右搅拌4 h 得s c h i f f 碱，用2 m o l l 氢氧化钠将p h 值调整到6 0 ， 再加入适量的氰基硼氢化钠( n a c n b h 3 ) ，在室温下搅拌处理4 h ，使s e h i f f 碱还 原，将反应液倒入到乙醇中，将会析出白色沉淀物，过滤，取滤出物用无水乙醇 及丙酮洗涤后，在五氧化二磷存在下真空干燥得到白色粉末状的n 羧甲基壳聚糖 产品【2 7 1 。 1 3 3 羧甲基壳聚糖的性质 羧甲基壳聚糖是白色或淡黄色纤维状、片状或粉末状固体，分子量从几千到 几万不等，是一种两性离子化合物，可溶于水、酸及碱溶液中。羧甲基壳聚糖因 其分子结构中含有o h 、- n h 2 及c o o h 等活性基团而具有较强的螯合性，另外羧 甲基壳聚糖还具有良好的抗菌性、乳化性、成膜性及一些其他的生物学特性2 ”。 1 4 壳聚糖羧甲基壳聚糖吸附性能的研究 1 4 i 壳聚糖对金属离子的配位吸附研究 1 4 1 1 配位吸附机理的研究 壳聚糖是甲壳素脱乙酰基的产物，由于壳聚糖分子中含有大量游离的o h 和 游离的一n h 2 ，可通过氢键也可通过盐键形成具有类似网状结构的笼形分子，从而 对金属离子有着稳定的配位作用。 m u z z a r e l l i l 2 8 1 曾指出壳聚糖与金属离子通过离子交换、物理吸附和化学吸附发 生作用，且化学吸附中的配位吸附结合力最强。m u z z a r e l u t 2 8 1 最早研究了壳聚糖对 c u 2 + 的配位能力，并推测壳聚糖与金属离子通过三种形式结合：离子交换、吸附 和螫合。这个推测被以后的许多研究者所接受和证实。例如钙以离子交换占优势， 而其他金属离子则是以吸附或螯合为主。目前有关壳聚糖金属配合物结构的研究 墓 j t 苍 ， 嚣 4 茗 毫 二 协 第一章绪论 多以壳聚糖一c u 2 + 配合物为对象，通过x p s 、i r 、u v 及元素分析等检测手段研究 表明，壳聚糖的过渡金属配合物的配位数多为4 ，且在低p h 值时，参与配位作用 的主要是- n h 2 ，随p h 值升高，壳聚糖的仲o h 甚至碱性介质的一o h 也将参与成 键，所得配合物多为平面正方形构型。适当条件下，壳聚糖) 丕可与碱土金属形成 配合物。例如，在p h 1 1 0 ，c 0 3 2 - 存在的情况下，壳聚糖与s r c 0 3 形成三元配合 物：此外，壳聚糖、供电子配体( 如水杨醛、氨基酸等) 可共同与金属离子形成 二配体三元配合物，如壳聚糖、水杨醛缩乙二胺与钴形成五配位的金属配合物构 型 2 9 】。王爱勤3 0 1 等将壳聚糖溶解于酸性溶液中，与z n 2 + 配位后，用溶剂沉淀法制 备了壳聚糖与z n 2 + 的高分子配合物，并进行了i r 分析，认为壳聚糖一z n 2 + 螯合物 的配位原子为- n h 2 中的n 及c 3 o h 中的o 。陈盛 3 1 1 等将壳聚糖氧化降解成水溶 性低聚物后作为配体与z n 2 + 形成配合物，经i r 分析得出z n 2 + 与壳聚糖中的- n h 2 ( 极少量n h c o c h 3 ) 发生键合。季君晖【3 2 l 通过x p s 研究发现，吸附前后壳聚糖 分子中c 、o 元素的结合能谱图没有明显变化，说明吸附过程中c 、o