（制浆造纸工程专业论文）壳聚糖接枝物的制备及其初步应用.pdf

摘要 本文分别以氯乙酸( c i c h 2 c o o h ) 和- - 烯丙基二甲基氯化铵( d m d a a c ) ，2 , 3 环氧丙基三甲基氯化铵( e t a ) 为改性剂，对壳聚糖( c t s ) 进行了单一化学改性和季 铵化羧甲基化改性的研究，制备羧甲基壳聚糖和一系列壳聚糖接枝物，并将自 制系列改性壳聚糖应用于水果保鲜和成纸物理强度增强。 对壳聚糖进行羧甲基化，通过单因素试验的方法优化得到羧甲基壳聚糖 ( c m c t s ) 的合成条件为：氯乙酸壳聚糖( 质量比) = 1 ：1 2 ，碱化时间6 0 m i a ，醚化 温度7 0 ，醚化时间为4 h 。制备的羧甲基壳聚糖为白色纤维状粉末，水溶性 1 5 9 l ，水溶液呈中性，取代度为0 8 0 9 ，表观粘度为2 5 5 m p a s 。红外光谱f t i r 和1 h n m r 核磁分析的结果证实了羧甲基壳聚糖的形成。 分别以d m d 从c 和e t a 对壳聚糖进行季铵化改性，得到的制备 c 3 s d m d a a c 的优化条件为：通入氮气、c t s d m d a a c ( 摩尔比) = 1 ：1 、p h 值为6 、反应温度为9 0 、反应时间为3 h 、引发剂浓度o 5 m m o l l ，此条件下合 成的c t s d m d a a c 的接枝率达到6 6 5 ；制备c t s e t a 的优化条件为：反应 温度为7 5 ，反应时间为6 小时，p h 值为7 ，c t s e t a ( 摩尔比) = 1 ：4 ，此条件 下合成的c r s e t a 的接枝率达到8 9 3 。红外光谱f t i r 和1 h n m r 核磁分析的 结果表明了接枝反应的进行。得到的季铵化壳聚糖p h 值稳定性增大，溶解性提 高，吸湿性、保湿性提高。 分别对c t s e t a 和c t s d m d a a c 进行羧甲基化改性，以制得两性壳聚糖。 制备羧甲基化c t s d m d a a c ( 两性壳聚糖i ) 的适宜合成条件为：氯乙酸 c t s d m d a a c ( 摩尔比) = 0 9 ：1 ，碱化时间为8 0 r a i n ，醚化温度为7 0 ，醚化时 间为4 h ，此条件下合成的两性壳聚糖i 的取代度达到o 5 3 。制备羧甲基化 c r s e t a ( 两性壳聚糖i i ) 的优化条件为：c t s e t a 氯乙酸( 质量比) = 1 5 ：1 ，碱化 时间为1 h ，醚化时间为3 h ，醚化温度为6 0 ，此条件下合成的两性壳聚糖1 i 的 取代度达到了0 6 9 。红外光谱f t i r 和1 h n m r 核磁分析的结果表明了两性壳聚 糖的合成。合成的两性壳聚糖与壳聚糖和季铵化壳聚糖相比p h 值稳定性增大， 溶解性能提高。 将壳聚糖及其衍生物用于草莓的保鲜试验结果表明：改性壳聚糖保鲜草莓 的最佳保鲜浓度为：1 5 c t s ，0 2 c r s d m d a a c ，1 5 c m c r s ，1 c r s - e t a ， 膜抗拉强度由大n 4 , 的顺序为：c t s c t s d m d a a c c m c r s c r s e t a 。膜的 吸湿性、水溶性由好到差顺序为：c m c t s c t s e t a c i s d m d a a c c t s 。在 低温下保鲜效果好于常温；涂膜法保鲜效果略好于制膜法；保鲜草莓保鲜效果由 好到差顺序：c t s e t a c m c t s c r s d m d a a c c r s 。 江南大学硕士学位论文 将壳聚糖衍生物作为造纸增强剂的试验结果表明：c m c t s 、c i s d m d a a c 、 c t s e t a 、两性壳聚糖i 、两性壳聚糖均可用作纸张的增强剂，加入少量 ( 0 2 - 0 3 ) 就能对纸张的物理强度有很大的提高。 关键词： 壳聚糖羧甲基化季铵化两性壳聚糖保鲜纸张增强剂 n ht h i s s t u d y , t h e c h e m i c a lm e d i f i c a t i o no f c a r b o x y m e t h y l a t i o n a n d q u a r t e r n i z a t i o nf o rc h i t o s a n ( c t s ) h a db e e ns t u d i e dw i t hm o n o c h l o r o a c e t i c a c i d ( c 1 c h 2 c o o h ) a n dd i m e t h y l d i a l l y la m m o n i u mc h l o r i d e ，2 , 3 - e p o x y p r o p y l t r i m e t h y l a m m o m u mc h l o r i d e ( e t a ) a sg r a f t i n ga g e n tf o rm o d i f i c a t i o n t h ec h i t o s a nd e r i v a t e s w e r eu s e dt ok e e pf i - u i tf r e s ha n di m p r o v ep a p e rp h y s i c a lp r o p e r t i e s w h e nc a r b o x y m e n t h y l a t e d m o d i f i c a t i o nw a sb e i n gd o n e ，t h es y n t h e t i cc o n d i t i o n o fc a r b o x y m e t h y lc h i t o s a n ( c m c t s ) w a so p t i m i z e d t h eo p t i m u mc o n d i t i o nf o r s y n t h e s i z i n gt h ec m c t sw a sa sf o l l o w i n g ：t h em a s sr a t i oo fc h l o r o a c e t i ca c i d t o c h i t o s a nw a s1 ：1 2 b a s i f i c a t i o nt e m p e r a t u r ew a s4 0 ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r ew a s7 0 r e a c t i o nt i m ew a s4 h t h ec m c t sw a sw h i t ep o w d e r , i t sw a t e rs o l u b i l i t yi s1 5 e , l a n di t sd s ( d e g r e eo fs u b s t i t u t i o n ) a p p r o a c h e dt o0 8 0 9 t h ev i s c o s i t yw a sa b o u t 2 5 5 m p a s t h ep m d u c tw a sa l s oc h a r a c t e r i z e db yf 兀ra n d1 h n m rs p e c t r o s c o p y r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t so ff t i ra n d1 h n m ra n a l y s i sh a ds h o w e dt h a t t h e c a r b o x y m e t h y lc h i t o s a nw e r es y n t h e s i z e d t h es y n t h e t i cc o n d i t i o no fq u a t e r n i z e dc h i t o s a n ( c t s - d m d a a ca n dc t s e t a ) w a so p t i m i z e d t h eo p t i m u mc o n d i t i o nf o rs y n t h e s i z i n gt h ec t s - d m d a a cw a sa s f o l l o w i n g ：m o l e r a t i oo fc h i t o s a n d m d a a c = l ：1 ，c o n c e n t r a t i o no fi n i t i a t o r 0 5 m m o l l , 9 0 ，p h = 6 ，r e a c t i o nt i m e3 h r f n ra n d1 h n m rc o n f i r m e dt h eg r a f t c o p o l y m e ro fd i m e t h y l d i a l l y la m m o n i u mc h l o r i d eo n t oc h i t o s a n t h eg r ( g r a f l i n gr a t e ) o fc t s d m d a a cw a sa b o u t6 6 5 a n dt h eo p t i m u mc o n d i t i o nf o rs y n t h e s i z i n gt h e c r s - e t aw a sa sf o l l o w i n g ：m o l er a t i oo fc h i t o s a n e t a = 1 ：4 c o n c e n t r a t i o no f i n i t i a t o r0 5 m m o l l , 7 5 ，p h - 7 ，r e a c t i o nt i m e6 h r t h eg ro fa 隅- d m d a a cw a s a b o u t8 9 3 f r l ra n d1 h n m rc o n f i r m e dt h e g r a f tc o p o l y m e r o f 2 , 3 一e p o x y p r o p y l t r i m e t h y la m m o n i u mc h l o r i d eo n t oc h i t o s a n t h ep hs t a b i l i t y , w a t e r s o l u b i l i t ya n dm o i s t u r ea b s o r p t i o nc a p a b i l i t yo fq u a r t e r n i z e dc h i t o s a nw e r eb e t t e rt h a n c h i t o s a n t h ea m p h o t e r i cc h i t o s a nw a ss y n t h e s i z e db yc a r b o x y m e n t h y l a t e d - m o d i f i c a t i o n o fq u a r t e m i z e dc h i t o s a n t h eo p t i m u mc o n d i t i o n sf o rt h ec a r b o x y l a t i o no f c t s d m d a a c ( a m p h o t e r i cc h i t o s a ni1 w e r ea sf o i l o w s ：t h em o l er a t i oo f a c h 2 c o o ht oc t s d m d a a cw a s0 9 ：1 ，b a s i f i c a t i o nt i m ew a s8 0 r a i n ，r e a c t i o n t e m p e r a t u r ew a s7 0 ( 3 ，r e a c t i o nt i m e4 h t h ed so fa m p h o t e r i cc h i t o s a nia p p r o a c h e d t o0 5 3 t h eo p t i m u mc o n d i t i o n sf o rt h ec a r b o x y l a t i o no fc t s - e t a ( a m p h o t e r i c m 江南大学硕士学位论文 c h i t o s a n1 i ) w e r ea sf o 1 0 w s ：t h em a s sr a t i oo fc t s e t at oc i c h 2 c o o hw a s1 5 ：l ， b a s i f i c a t i o nt i m ew a s6 0 r a i n , r e a c t i o nt e m p e r a t u r ew a s6 0 r e a c t i o nt i m e3 h t h e d so fa m p h o t e r i cc h i t o s a ni ia p p r o a c h e dt o0 6 9 f n ra n d1 h n m rc o n f i r m e dt h e s t r u c t u r eo fa m p h o t e r i cc h i t o s a n 皿ep hs t a b i l i t y , w a t e rs o l u b i l i t ya n dm o i s t u r e a b s o r p t i o nc a p a b i l i t y o f a m p h o t e r i c c h i t o s a nw e r eb e t t e rt h a n c h i t o s a na n d q u a r t e r a i z e dc h i t o s a n c h i t o s a na n di t sd e r i v a t i o n s 啪b eu s e dt ok e e ps t r a w b e r r yf r e s h t h e e x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h eo p t i m u mc o n c e n t r a t i o nf o rk e e ps t r a w b e r r yf e s h w e r e a s f o l l o w ：1 5 c r s 0 2 c r s d m d a a c , 1 5 c m c r s a n di c i s e 1 1 扎t h e m o i s t u r ea b s o r p t i o nc a p a b i l i t ya n dw a t e rs o l u b i l i t yo fc h i t o s a nd e r i v a t i o n s f i l mw e r e 弱f o l l o w ：c m c r s ( 1 s - e r 【a c i s - d m d a a c ( 1 s 1 卫ee f f e c to fk e e p i n gf r e s hi n c o l dw a sb e t t e rt h a nu n d e rn o r m a lt e m p e r a t u r e 1 f 1 皓e f f e c to fk e e p i n gs t r a w b e r r yw a s c r s e 1 a c m c r s c i s d m d a a c c r s t h ec h i t o s a nd e f i v a t e sc a nb eu s e da sp a p e r ss t r e n g t h e na g e n t s t 1 1 ee x p e r i m e n t s s h o w e dt h a tt h ec m c t s ，c t s d m d a a c ，c t s - e t a , a m p h o t e d ee h i t o s a nia n d a m p h o t e r i cc h i t o s a n1 1 w e r ea l lg o o dp a p e rs t r e n g t h e na g e n t s t h e yc a l li m p r o v et h e p h y s i c a lp r o p e r t i e so fh a n d s h e e t sm a d eo fs o f t w o o dp u l pa n dh a r d w o o dp u l p 1 1 l e i m p r o v e m e n tc 卸b e a c h i e v e db ya d d i n go n l y0 2 一0 3 d o s a g eo ft h ed e r i v a t e s k e y w o r d s ：c h i t o s a n ；e a r b o x y m e n t h y l a t i o n ；q u a t e r i s a t i o n ；a m p h o t e r i cc h i t o s a n ； k e e pf l e s h ；p a p e rs t r e n g t h e na g e n t 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。尽我所知，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 本人为获得江南大学或其它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。 签名：主墼垦日期：砷年专肌日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学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，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、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 王堕董导师签名：拉 日期：词年吾月t 。日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 概述 生物的基本组成物质，可分为有机物和无机物两大类。其中的有机物是地球 生命存在的主要表达形式，也是当今生物科学和技术的基础，它们是由碳水化合 物、蛋白质和核糖三大成分组成。自然界存在的和每年产生最多的有机物，就是 碳水化合物即多糖，多糖中数目最大的是纤维素，其次是甲壳素，再次是淀粉。 千百年来，纤维素和淀粉得到了广泛应用，生活中纤维解决穿、淀粉解决吃，工 业中纤维素用于纺织和造纸等，淀粉用于食品、造纸、纺织及制药等【1 】o 甲壳素( c h i t i n ，简称为c t ) 是由n 乙酰2 氨基2 脱氧d 葡萄糖以1 3 1 ，4 糖 苷键形式连接而成的天然多糖，广泛存在蟹、虾等低等动物以及藻类、真菌等低 等植物中，堆放二三天，就会腐臭，造成环境污染，其实这是一类宝贵的生物资 源，甲壳素用途广泛，大多用于食品和食品添加剂，还可用于生产各种药物和药 品，以及无毒絮凝剂、化妆品、其它一些化学品，它的开发利用将在高科技领域 和人们日常生活中发挥重要作用。 壳聚糖( c h i t o s a n ，简称为c r s ) 是甲壳素n 脱乙酰化的产物，是白色无定型、 半透明、略有珍珠光泽的固体，因原料和制备方法的不同，相对分子质量从数十 万至数百万不等，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1 2 1 。壳聚糖是线性高分子，类似于纤维具有成纤 性，可纺织成丝。由于其具有生物相溶性且无抗原性、生物可降解性以及广谱抗 菌性、防腐性、止血和促进伤口愈合等特殊功能，因而壳聚糖在纤维可吸收外科 手术缝合线、人造皮肤( 无纺布) 、止血材料、伤口包扎材料及抗菌织物等方面的 应用颇具吸引力。尤其是抗菌纤维，越来越被人们所关注，许多国家都对抗菌织 物大力开展研究和开发。因为抗菌织物可广泛用来生产内衣、内裤、妇女卫生巾、 婴儿和老人尿布、外衣、袜子、鞋垫，医院、宾馆和家庭的床上用品、毛巾、浴 巾、卫生用品、地毯、及军事用品等，具有重要的经济效益和社会效益。由抗菌 纤维制成的织物较抗菌剂整理的织物具有可长期维持抗菌特性和不影响纤维手 感等无法比拟的长处，因而甲壳素和壳聚糖纤维成为当前研究和开发的热点。 1 2 壳聚糖改性研究进展 甲壳素1 8 1 1 年由法国一位研究自然科学史的h b r a c o n n o t 发现，近三十年 来，甲壳素及衍生物壳聚糖已成为日本、美国等发达国家研究的热点。美国从 1 9 世纪9 0 年代就开始研究甲壳素和壳聚糖，直到2 0 世纪9 0 年代才出现蓬勃发 展的局面。日本从7 0 年代始，大批大学和科研单位从事甲壳素和壳聚糖的研究 及开发新产品的工作1 2 1 。我国是甲壳素资源最丰富的国家之一，近年来也是甲壳 江南大学硕士学位论文 素和壳聚糖的生产和出口大国，美国和日本每年分别从我国进口上千吨甲壳素和 壳聚糖，因而我国如何形成自己的甲壳素和壳聚糖生产的新兴产业群，提高下游 产品的附加值，成为我们从事甲壳素和壳聚糖研究工作的燃眉之急。 甲壳素和壳聚糖分子内、分子间有较强的氢键作用，形成了有序的大分子结 构结晶体，使得甲壳素呈紧密的晶态结构，不溶于普通溶剂，造成加工困难，限 制了其推广应用。因此，对甲壳素及其衍生物进行化学改性，改善其溶解性和加 工性能，成为近年来最为活跃的研究课题之一。 刘峥【3 】以壳聚糖缩水杨醛产品为原料，环氧氯丙烷为交联剂，加入相转移催 化剂，合成了交联壳聚糖缩水杨醛螯合树脂。安胜姬【4 】则研究了二异氰酸酯与壳 聚糖的交联反应，通过加入二氧六环，二异氰酸酯，甲苯和少量的有机锡，在电 磁搅拌下合成交联产物。曲荣军1 5 - 7 等人以c u 2 + 和n i 2 + 金属离子作为“模板剂”， 将壳聚糖和过渡金属离子混合形成配合物，然后在稀碱条件下用交联剂进行交 联，最后用稀酸去除金属离子的方法合成了交联壳聚糖树脂。黄晓佳【8 j 则采用 z n 2 + 作为模板，合成了戊二醛交联壳聚糖树脂。以上交联壳聚糖在废水处理方面 多用作吸附剂，主要用于处理含重金属离子的废水、含染料废水，以及在分析污 染物在溶液中的存在形态过程中，富集分离痕量金属。完莉莉i 9 j 采用苯甲醛和壳 聚糖的氨基反应制得s c h i f f 碱壳聚糖，最后再脱去保护基团，得到冠醚交联壳聚 糖，是一种用含有双活性基团的冠醚作为交联剂合成的高选择性吸附富集剂。 甲壳素和壳聚糖的接枝共聚始自1 9 7 9 年，但其后的1 0 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。壳聚糖可以与丙烯酸类，苯乙烯， 季铵盐等物质发生接枝共聚反应。 杨靖先1 1 0 l 在非均相水溶液中以硝酸铈铵为引发剂，分别研究了壳聚糖与甲基 丙烯酸甲酯、丙烯腈的接枝共聚反应规律，由此得出：反应时间对总转化率、 接枝率和接枝效率有很大影响，5 h 后趋向稳定；引发剂要有一定的量，引发剂 低于一定的量，几乎不能反应，因为甲壳素和壳聚糖的还原性端基要消耗一定量 的引发剂( 氧化剂) ；烯类单体浓度对于增加接枝率只能增加到一定程度，因为 单体浓度过高时均聚物的竞聚率会增大；加入一定量甲醇有利于反应的进行。 1 9 9 3 年i j l l l 】结合动力学研究结果和对高聚物链结构的分析，提出了比较完整的机 理，即铈离子先与糖残基的c 2 - n h 2 和c 3 o h 反应，形成一种复合物，再歧化形成 c h = n h ( i ) 和c h ( o h ) ( i i ) 自由基，当反应温度高于4 0 。c ，( i i ) 被铈离子氧化成 羰基自由基而引发接枝反应；当反应温度高于9 0 c 时，除了这个反应继续进行外， ( i ) 被水解成醛和铵离子，醛又会进一步被氧化成羰基自由基，也去引发接枝反 应。 2 第一章绪论 州h o + c e 。+ c o m p l 似。虬+ 一k + c 矿+ 卜r ( 1 ) 当反应温度 4 0 c 时， o h i c h c e 4 + o 一胆h c e 4 + o i im c o l y m e r ( 2 ) 当反应温度 9 0 时，在有上述反应的同时还有以下反应： n ho o 一虬 im + 一虬殳出j l 跳m e ， h 。 棚为烯燮荦体) 张光华【1 2 j 等人利用m a n n i c h 反应，以甲醛为交联剂，将合成好的一定相对分 子质量的阴离子聚丙烯酰胺交联到壳聚糖分子的氨基上。壳聚糖在酸性溶液中有 较高的阳离子电荷密度，经过交联接上阴离子聚丙烯酰胺后，成为具有强阳离子 弱阴离子的两性高分子，是一种优良的造纸助剂。张光华等【b 1 4 i 还在硝酸铈铵 ( 1 硝酸水溶液中) 引发得到c t s a m ( 丙烯酰胺) 共聚物，得到了具有强阳离子、 弱阴离子特性的两性分子，具有助留效果好、成纸强度降低少、贮存稳定等特点， 降低了c t s 在酸性条件下的强正电荷含量，又增大了分子链长和支链数量，从而 增强了其分子的架桥絮凝能力。陶劲松i ”l 还研究了改性壳聚糖对甘芒浆和桉木浆 成纸强度的影响，并对其增强作用机理进行了初步的探讨。结果表明此改性壳聚 糖对提高纸张的撕裂度和耐折度有较好的效果。 曹丽云等i “加j 对n 2 保护下硝酸铈铵引发c t s 与a m 的接枝共聚反应详细的研 究，并将之作为造纸增强、助留剂应用于麦草、针叶木混合浆料中。且探讨了其 增强机理，反应方程式如下： 纤维c o o h + n h 2 助剂一纤维c o o n h 3 + 助剂 纤维o h + n h 2 助剂一纤维0 h n h 2 助剂 纤维o h + h o 纤维( 或助剂) 一纤维o h h o 纤维( 或助剂) 马永生以硝酸铈铵( c a n ) 为引发剂，对c t s 和a m 及二甲基二烯丙基氯化 铵( d m d a a c ) 的三元接枝共聚反应进行了研究，当合成产物用量为0 6 时，可 使纸张的裂断长增) 3 f 1 1 4 6 0 m ，撕裂指数提高1 5 5 。与c t s a m - 元接枝共聚物 相比，具有用量小、效果好的优点。有美国专利1 2 2 - 2 3 1 报道，在壳聚糖上接枝丙烯 酰类或二烯丙基单体后作造纸助剂，成纸的干强度有明显的提高。马永生1 2 卅还对 壳聚搪与阳离子淀粉的接枝共聚进行了研究，发现壳聚糖与阳离子淀粉共聚的纸 张增强效果要优于未改性的壳聚糖，合成的助剂能有效降低壳聚糖的使用量，是 对壳聚糖进行改性的有效方法。 3 h 一 lbi 江南大学硕士学位论文 在迄今所报道的壳聚糖衍生物中，羧甲基壳聚糖( c m c r s ) 是研究最多的一 种，高脱乙酰度的壳聚糖先经过有机溶剂的溶胀，再用一定浓度的碱液将其碱化， 然后加入氯乙酸进行羧甲基化，可形成o c m c r s 【嬲】和n ，o c m c t s z 7 ，最后再 进行提纯。钟超田】利用两步加碱法制备羧甲基壳聚糖，并采用等电点沉降法对其 精制，在适宜的条件下可以制得比传统方法较高取代度的产物。羧甲基壳聚糖吸 湿和保湿能力均高于透明质酸 2 9 1 ，0 羧甲基壳聚糖是一种既含有氨基又含有羧 基的两性离解性分子，类似于氨基酸 m l ，可在较宽的p h 范围内溶解，它的大分 子链节上含有两个质子移变基团氨基和羧基，所以它既能像酸一样解离，也能像 碱一样解离，能处理印染废水1 3 l 】。n 羧基化壳聚糖衍生物具有很强的抑菌作用， 这是透明质酸所不具备的，它可有效地抑制皮肤、牙齿中的致病菌，其效果与抗 生素相近。王娟i 豫】研究了壳聚糖和一氯乙酸制备羧甲基壳聚糖的反应，并且通过 应用实验表明：当其加入量为0 1 0 时，羧甲基壳聚糖就显示出良好的增强效果， 是一种很好的纸张增强剂。 x i c 等1 3 3 】在水溶液中以( n h 4 ) 2 s 2 0 8 引发羟基丙基壳聚糖和马来酸钠接枝，接 枝率高且在不同p h 条件下有很好的水溶性，因为有强的相容性和两亲结构而能 发挥很好的灭菌作用，其抗氧化性和抗癌活性有着潜在的应用前景。 王鹏【m j 将甲氧基聚乙二醇改性的醛端基与c t s 的氨基反应生成亚胺，再还原 得到接枝物c t s g p e g ，其水溶性取决于p e g 的分子量及配比，高分子量的c i s 更能保持住内部主骨架，将其乙酰化还可得到水溶性的c t g - p e g ，是具有生物 相容性的医用材料。 k w e o n l 3 5 j 厶成t c t s g - p v a ( 聚乙烯醇) ，研究了不同条件含氢化泼尼松接枝 物的药物释放体系，发现药物释放量与时间的方根成正比，且为p v a 接枝率或热、 交联情况所决定，但比纯c i s 更少受p h 影响，更适于在d d s 中作药物载体。 y s h i g e m a s a 3 6 1 ，h i t o s h is a s h i w a 3 7 】通过碱性条件下环状酸酐的开环反应合成 了n 酰化，n 烷基化的壳聚糖衍生物，有很好的水溶性。a h e 瑚i 驯则在均相条 件通过一步反应合成了带磷酸基团的水溶性的壳聚糖衍生物，而且该衍生物具有 很好的成膜性能。h i t o s h is a s h i w a 3 9 l 研究了壳聚糖与丙烯酸乙酯的迈克尔反应。 虽然与壳聚糖的反应很慢，但是经过重复的反应可以提高乙酯的取代度。水溶性 的壳聚糖衍生物可通过羟烷基和二胺类取代得到。k e i s u k ek u r i t a 加j 研究了壳聚 糖的三甲硅烷基化并研究了产物的水溶性以及反应活性等性能。a b d u e l l 4 1 等以过 硫酸钾为引发剂，在均相条件下成功的将2 一丙烯酰胺2 甲基丙烷磺酸( a m p s ) 接枝到壳聚糖上。 壳聚糖及其衍生物在果蔬保鲜方面也有很多的研究，是效果很好的保鲜剂。 冯波【4 2 1 研究了在常温下壳聚糖对葡萄的抑菌保鲜作用，表明壳聚糖能抑制灰霉菌 和交链孢菌的生长。1 壳聚糖涂膜处理葡萄可减缓果肉组织的腐败，减少葡萄 4 第一章绪论 在贮存期间的重量损失及单宁、v c 、可滴定酸等营养成分的损失。田春莲【叫还 研究了壳聚糖、魔芋和大蒜三种天然保鲜剂对巨峰葡萄果实采后品质及生理活性 的影响规律，表明1 壳聚糖涂膜在2 条件下贮藏3 0 ( i 后贮藏效果最佳。许金蓉i 卅 通过壳聚糖膜和海藻酸钠膜对银杏种核的保鲜研究，得出了用壳聚糖制成涂膜液 的保鲜效果较好的结论。 马国军【4 5 l 研究了3 种壳聚糖保鲜剂对常温贮藏芒果的保鲜效果，结果表明果 实保青指数升高，腐烂指数下降，有机酸与v c 等含量显著增加且优于化学保鲜 剂施保克。薛菲i 拍】还以壳聚糖为主要原料，配制不同的保鲜液，对白果进行保鲜 处理，结果表明2 壳聚糖+ o 5 山梨酸钾+ o 2 柠檬酸组合配方的保鲜效果最 佳，正常储藏条件下，该处理的失重比其他处理有一定程度的降低。谢冬娣1 4 7 】 研究了壳聚糖涂膜对富川脐橙的保鲜效果和保鲜机理，表明3 壳聚糖浓度涂膜 可明显延缓富川脐橙酸含量、总糖含量、v c 含量的降低，延长贮藏寿命。 易国斌【耜j 采用丙酮酸改性壳聚糖得到具有良好的溶解性与抗菌性的丙酮酸 壳聚糖席夫碱( p c m ) ，进而制备了p c h i 保鲜膜，通过蕃茄的保鲜实验，得到p c h i 对果蔬具有良好的保鲜效果。易国斌【4 9 】还利用半胱氨酸对壳聚塘( c t s ) 进行改性， 得到巯基化壳聚糖( c t s s h ) 。迸一步制备出不同c t s s h 浓度的保鲜膜通过研 究表明c t s s h 浓度为0 0 5 0 5 之间时，西红柿的褐变指数较低、失水率较 低，并可有效地保持西红柿中的v c 含量。 通过壳聚糖的交联，接枝，羧甲基化等改性，可以引入新的功能性高分子链， 赋予壳聚糖材料以某些新的优异性能，而同时又可以保持壳聚糖所固有的优异性 能，从而大大扩大了其应用范围，具有重要的意义。 壳聚糖的改性产物大多用作离子交换树脂、絮凝剂、纸张增强剂、生物医药 材料、果蔬保鲜等方面。由于壳聚糖具有独特的分子结构，研究其结构和功能， 即构效关系仍将继续成为研究的重点和热点，随着研究的不断深入，相信将会在 保持其原有分子优良特性且同时弥补其不足( 如：膜脆性、不耐水性等) 的基础上 合成出性能更优的特殊应用材料。 1 3 本课题的研究任务及内容 由于壳聚糖的不溶性制约了其应用范围的扩展，因此将壳聚糖进行改性，制 备一系列的壳聚糖衍生物，将水溶性的羧甲基基团和带正电荷的季铵盐基团引入 壳聚糖，改善壳聚糖的溶解性及功能，拓展其应用前景，是当前研究和开发甲壳 素的重要课题。 本课题研究的主要内容是以脱乙酰度高于9 0 的壳聚糖作为原材料，通过化 学反应将羧甲基和季铵盐基团接枝到壳聚糖分子链上，合成羧甲基壳聚糖，阳离 子壳聚糖和两性壳聚糖，分析原料用量、反应温度、反应时间等对产物接枝率的 影响规律，优化合成壳聚糖衍生物的条件。研究壳聚糖及其衍生物对草莓的保鲜 5 江南大学硕士学位论文 性能，讨论壳聚糖衍生物在造纸过程中的增强剂的效果。 本课题为无锡市自然科学基金一一绿色再生材料的改性及应用研究 ( c k 0 4 0 0 1 0 ) 部分研究内容 6 第二章羧甲基壳聚糖合成条件的优化及其结构表征 第二章羧甲基壳聚糖合成条件的优化及其结构表征 2 1 概述 由于壳聚糖不溶于水和碱溶液，只能溶于一些酸和酸性溶液中，限制了它的 应用范围。在壳聚糖的分子结构中氨基葡萄糖单元环的q 位上存在的氨基和c 3 及c 6 位的羟基上都存在活泼h 原子，使得这两种基团都具有较强的反应性，因 而可以通过化学方法对这两种基团进行化学改性以增强其水溶性，而对壳聚糖进 行的以增强其水溶性为目的的改性方法中，羧甲基化就是一种研究的较早而且效 果也相对比较好的方法。羧甲基化改性的方法有三种基本方法：乙醛酸为羧甲基 化试剂的乙醛酸法：用形成s h i f t 碱的方法对氨基进行保护的s h i f t 碱法：卤乙酸 作为羧甲基化试剂的卤乙酸法。 从热力学角度分析，壳聚糖经羧甲基化后产生各种异构体，且均可能稳定存 在。但一般来讲，壳聚糖的6 羟基和2 氨基均较活泼，同时3 位上也含有羟基， 故反应的最终产物往往是各种羧甲基壳聚糖的混合物。理论上，三者均可引入羧 甲基，但三个基团所处的位置及电负性大小不同，因而反应活性有差别。氧的电 负性大于氮的电负性，因而o h 基的亲核反应大于n i t 2 基，易生成0 羧甲基壳 聚糖；如果反应介质中碱的浓度过高，反应条件适当，则可能在壳聚糖的2 位n 上发生取代，生成n 羧甲基壳聚糖，但羧甲基在壳聚糖单体2 位氨基上的取代 产物较6 位的羟基产物稳定。在3 位上，因6 位伯羟基的反应速度大于3 位仲羟 基，而且3 位仲羟基上的氢原子可能与n h 2 基上的未共用电子对形成氢键，使3 位c 3 o h 上的氢不易离去，所以3 位一般不发生取代。 因此，羧甲基化反应首先在壳聚糖的6 位上，其次2 位上取代i 删，并且产物 可能是各种羧甲基壳聚糖的混合物：o 羧甲基壳聚糖，n 羧甲基壳聚糖和n ，o 羧甲基壳聚糖。 在本章中主要介绍和研究在碱性条件下以氯乙酸为羧甲基化试剂，通过在非 均相的物系中对壳聚糖直接进行羧甲基化改性以提高它在水溶液中的溶解性的 方法，并根据在不同条件下得到的羧甲基壳聚糖的取代度为标准来进行合成条件 的优化，同时又利用f i i r 5 1 j 和1 h n m r t 珏5 5 1 对得到的羧甲基壳聚糖进行了表征。 壳聚糖的羧甲基化反应如下： 7 江南大学硕士学位论文 c i c h2 c 0 2 h 盯酾丁可矿 ( m - = h o r n a ) 2 2 实验部分 2 2 1 实验仪器和试剂 电热恒温水浴锅，杭州蓝天化验仪器厂；无级调速搅拌器，郑州长城科工贸 有限公司；l v 旋转粘度计，上海群旭科技仪器有限公司；电热恒温烘箱，常州 纺织仪器厂；循环水式多用真空泵，郑州长城科工贸有限公司；索氏萃取器；分 析用研磨机；氮气由无锡太湖气体厂提供；傅立叶变换红外光谱仪，江南大学分 析检测中心；美国瓦里安n m rs y s t e m 核磁共振仪( 3 0 0 mh z ) ，苏州大学分析 检测中心。 壳聚糖( 脱乙酰度9 2 5 ) ，青岛盛洋化工有限公司；氯乙酸( 分析纯) ，上海 化学试剂站中心化工厂：氢氧化钠，氯化钠，异丙醇，无水乙醇，甲醇，丙酮， 盐酸，乙酸均为分析纯，由国药集团化学试剂有限公司提供。 2 2 2 羧甲基壳聚糖的制备 在水浴中，将一定量的精制的粉状壳聚糖装入带有搅拌的- - d 烧瓶中，加 入反应介质，开动搅拌器搅拌2 0 分钟，将称取的n a o h 固体用蒸馏水溶解成一 定的浓度，滴加入烧瓶中使之混合，1 0 分钟使之均匀，并在一定温度下碱化一 定时间。碱化结束后，分5 次( 每次间隔5 分钟) 缓慢滴加定量的氯乙酸( 提前1 5 3 0 分钟称取氯乙酸溶于2 5 m l 反应介质中) 。用1 0 - 2 0 m l 反应介质将烧杯壁上残余的 氯乙酸全部转移到三口烧瓶中，继续升温醚化保温一段时间。反应结束后，冷却 至4 0 ，抽滤出料。将醚化后的产物分散在舳乙醇中。用1 0 的盐酸中和游 离碱，使产品变为中性( p h = 6 5 7 5 ) ；用布氏漏斗抽滤。再用7 5 乙醇水溶液洗 涤两次。每次洗涤完毕，进行抽滤。最后放入托盘，分散，固体于烘箱8 0 1 2 烘 干，得白色羧甲基壳聚糖。用分析用研磨器粉碎后筛分。 b 第二章羧甲基壳聚糖合成条件的优化及其结构表征 2 2 3 取代度的测定 取代度是指每个乙酰氨基葡萄糖残基上羧甲基取代的平均基团数，用d s 表 示。它是表征分子结构的一项重要指标，也是影响产品性能的主要因素。取代的 羧甲基c h 2 c o o h 为弱酸性物质，因此可通过滴定法对羧基定量。 本实验采用酸碱滴定法，主要通过酸碱反滴定来确定弱酸的含量。据文献报 道，壳聚糖中n i l 2 质子的p k a 值为6 2 ，乙醇酸的p k a 为3 8 ，因此滴定曲线应 依次出现过量h c i ，- c o o h ，以及n h 3 + 滴定的拐点，其中过量盐酸的拐点在 p h = 2 1 附近，c o o h 的拐点在p h = 4 3 附近。通过p h = 4 3 和p h = 2 1 之间的差 值可计算出c o o h 的含量，由此确定羧基的总取代度【5 6 】。 精确称取o 5 9 干燥至恒重的羧甲基壳聚糖于2 5 0 m l 容量瓶中，精密移取5 0 m l o 1 mh c i 标准溶液( 含0 1 m o l l 氯化钠) 于其中，振摇，使完全溶解。用0 1 m o l l 氢氧化钠标准溶液( 含o 1 m o l l 氯化钠) 滴定，同时用酸度计测量p h 值。用下式 计算取代度( d s l 【5 7 1 ： d s = 0 2 0 3 a ( 1 0 0 5 8 a ) a = ( v 2 - v o m w 式中：a 一每克样品中羧甲基的毫摩尔数 0 2 0 3 a - - 每个乙酰氨基葡萄糖残基的毫摩尔数 o 0 5 8 一每毫克当量的羧甲基质量 v l - - p h 为2 1 时滴定所消耗的氢氧化钠标准溶液的体积，m l v 2 - - p h 为4 3 时滴定所消耗的氢氧化钠标准溶液的体积m l w 一样品净重旭 m 一氢氧化钠标准溶液摩尔浓度r n o i l 2 2 4 水溶性的测定 一般取代度大于0 6 的羧甲基壳聚糖易溶于水，取代度越高，水溶性越好， 其溶液的透明度也越好。按照测定水溶性的方法测取代度最高的产物，测得羧甲 基壳聚糖的水溶性为每1 0 0 m l 水中溶解1 5 9 产物，即1 5 e , l 。水溶性较好，透明 度也很好。 2 2 5 表观粘度的测定 将制得的羧甲基壳聚糖产物，配置成1 的水溶液，用旋转粘度计测得其表 观粘度为2 5 5m p a s ，壳聚糖的表观粘度为2 4 3m p a s 。由两者的表观粘度前 后比较可看出，壳聚糖经羧甲基化后粘度有很明显的增大，原因为壳聚糖改性后 带有水溶性基团，水溶性增强，溶胀度也增加，表观粘度随之增大。 2 2 6 产品的表征 9 江南大学硕士学位论文 将用氯乙酸进行羧甲基化改性后得到的产物分别用f f i r 和1 h n m r 核磁共 振的方法进行光谱分析和表征以确定其结构；作为对照，同样也用f f i r 和 1 h n m r 核磁共振的方法对原料壳聚糖进行结构分析以说明在羧甲基化改性前后 产物在结构方面的变化。 2 3 结果和讨论 2 3 1 氯乙酸与壳聚糖的用量对取代度的影响 o o 7 a o o o , s 倒0 4 玉a 0 2 o 图2 - 1 氯乙酸用量对取代度的影响图2 - 2 碱化时同对取代厦的影响 氯乙酸