一种高脱乙酰度和高分子量的壳聚糖及其制备方法与流程

本发明属于壳聚糖制备技术领域，涉及一种高脱乙酰度和高分子量的壳聚糖及其制备方法。

背景技术：

壳聚糖又称脱乙酰甲壳素，是由自然界广泛存在的几丁质(chitin)经过脱乙酰作用得到的。自1859年法国人rouget首先发现壳聚糖以来，由于壳聚糖的的生物官能性和相容性、血液相容性、安全性、微生物降解性等优良性能，这种天然高分子越来越受到了各行各业广泛关注，现已广泛应用于医药、食品、化工、化妆品、水处理、金属提取及回收、生化和生物医学工程等诸多领域。

目前壳聚糖主要是甲壳素在浓naoh、高温下脱除乙酰基制得的，甲壳素的脱乙酰反应本质上为酰胺键在碱性条件下的水解反应，但甲壳素的分子内与分子间氢键相互作用使甲壳素形成微纤维网状的高度结晶有序结构，由排列有序的结晶区和排列无序的无定形区交错排列，从而使甲壳素结晶区在三维空间上是规则的、伸直的、紧密的有序排列，无定形区则是由疏松的分子链无规则卷曲和相互缠结而成的，在脱乙酰化过程中，由于甲壳素的这种半结晶结构，严重阻碍了oh^-对乙酰氨基的进攻，这极大地影响了脱乙酰效果。为提高脱乙酰效果需要增加naoh浓度来促进oh^-克服空间位阻，升高反应温度促进了乙酰氨基水解成氨基实现甲壳素的脱乙酰化。然而，甲壳素粉末直接在高浓碱且高温条件下反应，由于碱浓度过高及反应温度过高，虽然其促进了甲壳素的脱乙酰化，也促进了破坏壳聚糖的碳链骨架造成分子链断裂，这导致壳聚糖的分子量降低，其难以找到分子量较高的壳聚糖，无法同时兼顾壳聚糖的高脱乙酰度和高分子量。如专利cn200710168573.5公开了一种利用虾壳制备高脱乙酰度及高黏度壳聚糖的方法，其是在非均相、碱浓度为40～50wt％且温度为100℃的条件下进行微波脱乙酰反应，反应后将得到的壳聚糖与naoh的乙醇溶液继续进行脱乙酰反应，虽然其能够制得高脱乙酰度的壳聚糖，但其操作繁琐，且碱浓度和反应温度高，制得壳聚糖分子量低；专利cn201310676454.6公开了一种以南极磷虾为原料的超高脱乙酰度壳聚糖的制备方法，其是在除矿物质蛋白及脂类后，在质量分数为50％的氢氧化钠溶液中110℃回流脱乙酰，虽然其能够制得高脱乙酰度的壳聚糖，但高温和高碱浓度会严重影响壳聚糖的分子量。

而壳聚糖的分子量又将直接影响其力学性能，当前壳聚糖较低的分子量已经严重影响了壳聚糖在各领域的应用。

因此，开发一种能够兼顾壳聚糖的高脱乙酰度和高分子量的制备方法极具现实意义。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的难以兼顾壳聚糖的高脱乙酰度和高分子量的缺陷，提供一种能够兼顾壳聚糖的高脱乙酰度和高分子量的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高脱乙酰度和高分子量的壳聚糖的制备方法，将甲壳素在低浓度强碱溶液中溶解后得到甲壳素-强碱溶液，再通过在温度为0～10℃的条件下补加高浓度强碱溶液的方式将甲壳素-强碱溶液中的强碱含量提升至35～45wt％后，在温度为70～100℃的条件下进行脱乙酰反应制得高脱乙酰度和高分子量的壳聚糖。

本发明是通过补加强碱溶液来提升甲壳素-强碱溶液中的强碱含量的，如直接在甲壳素-强碱溶液加入强碱固体，强碱固体溶解放热，会使得甲壳素-强碱溶液快速凝胶化，快速凝胶化会使甲壳素-强碱溶液变为固体，不具有流动性，不利于脱乙酰反应，此外本发明特意控制了补加强碱溶液的温度为0～10℃，目的是为了避免体系凝胶化，流动性减弱，进而对脱乙酰反应产生不良的影响。

本发明将甲壳素溶于低浓度强碱溶液中，此时体系为均相体系(溶液状态)，微纤状结构和晶区被破坏，分子链排列变得混乱，间距变大，oh^-更容易渗透和乙酰氨基接触，此时提高溶液的碱含量能够提高脱乙酰浓度，最终进行脱乙酰反应制得壳聚糖，由于此时体系为均相体系，无需过高的碱浓度及反应温度，反应条件更为温和，避免了过高温度使得壳聚糖糖苷键断裂进而影响壳聚糖的粘均分子量，此外在均相脱乙酰化后氨基沿壳聚糖链随机分布，相比于非均相脱乙酰化导致乙酰基的嵌段分布，本发明制得的壳聚糖的水溶性更好。

本发明中强碱溶液是分两步加入的，第一步加入的强碱溶液浓度较低，目的是为了在冷冻条件下使甲壳素溶解，变成均相状态，第二步加入的强碱溶液浓度较高，补加高浓度强碱溶液是为了达到脱乙酰反应效率最佳的浓度，因为强碱溶液浓度与形成碱化中心的数量有关，浓度越高，越易形成碱化中心，反应程度越高，而35～45wt％这个范围是有利于脱乙酰反应进行的适宜强碱溶液范围，分两步加入相对于一步加入能够有效防止溶液温度较高，甲壳素-强碱溶液快速凝胶化，不具有流动性，不利于脱乙酰反应。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种高脱乙酰度和高分子量的壳聚糖的制备方法，所述溶解的过程为：将甲壳素粉末加入到强碱含量为15～25wt％的强碱溶液a中得到分散液后，在-t℃的温度条件下冷冻6～8h，t小于35，过滤或离心出未溶解部分得到甲壳素-强碱溶液，本发明通过降低冰冻温度提高甲壳素的溶解量，低温条件下溶剂分子团簇可破坏甲壳素分子间氢键，同时与分子链形成新的氢键，致使甲壳素溶解，而且溶解是放热过程，低温条件可促进甲壳素溶解。提高强碱溶液a中的强碱含量，将降低其冰点，能够进一步削弱或打断甲壳素分子链间的链接，进而破坏其结晶性能，影响甲壳素的溶解，因此需综合考虑强碱含量及冰冻温度。本发明通过低温处理，破坏甲壳素内的微纤状结构和晶区，使得分子链排列变混乱，使得分子链间距变大，进而降低oh^-渗透进入甲壳素内部与乙酰氨基接触的难度。

如上所述的一种高脱乙酰度和高分子量的壳聚糖的制备方法，所述甲壳素粉末的平均粒度为50～80目，脱乙酰度为5～15％，结晶度为45～55％。本发明的甲壳素粉末并不仅限于此，此处仅以此为例。

如上所述的一种高脱乙酰度和高分子量的壳聚糖的制备方法，所述分散液中甲壳素粉末的含量为3～6wt％。甲壳素粉末含量过大，溶解后甲壳素质量分数过高，冻融液粘度过大，会阻碍与高浓强碱溶液的混合均匀；甲壳素粉末含量过小，即制得的壳聚糖较少，造成了成本的浪费。

如上所述的一种高脱乙酰度和高分子量的壳聚糖的制备方法，所述将甲壳素-强碱溶液中的强碱含量提升至35～45wt％采用的方法为：向甲壳素-强碱溶液中补加强碱溶液b，强碱溶液a和强碱溶液b对应的强碱相同或不同。

如上所述的一种高脱乙酰度和高分子量的壳聚糖的制备方法，强碱溶液a或强碱溶液b为naoh溶液或koh溶液，更优选地，强碱溶液a和强碱溶液b对应的强碱相同，都为koh，相同浓度时，koh溶液溶解甲壳素粉体的能力强于naoh溶液。

如上所述的一种高脱乙酰度和高分子量的壳聚糖的制备方法，所述脱乙酰反应采用微波加热，具体是在微波反应器中进行的，微波反应器在脱乙酰反应时的功率为450～810w，功率过大，会加剧反应，造成分子链的降解，降低分子量；功率过小，能量不够，将会延长反应时间，降低反应效率，或者所述脱乙酰反应采用油浴加热，具体是在油浴加热器中进行的。脱乙酰反应的加热方式并不仅限于此，此处仅列举两种可行的加热方式，其他可行的加热方式也可适用于本发明。

如上所述的一种高脱乙酰度和高分子量的壳聚糖的制备方法，所述脱乙酰反应的时间为2～6h。脱乙酰反应的时间并不仅限于此，本领域技术人员可根据实际应用场景选择反应时间。

如上所述的一种高脱乙酰度和高分子量的壳聚糖的制备方法，随着反应的进行，壳聚糖会析出，壳聚糖不溶于水和强碱溶液，所述脱乙酰反应结束后，还进行清洗和烘干。

本发明还提供一种采用如上所述的一种高脱乙酰度和高分子量的壳聚糖的制备方法制得的高脱乙酰度和高分子量的壳聚糖，脱乙酰度为80～95％，粘均分子量为7.9×10⁵～9.0×10⁵g/mol，本发明最终制得的产品分子量高取决于两方面，一方面原料的分子量相对较高，另一方面制备过程中原料的分子量降低较小，在原料相同的前提下，本发明的方法比通用方法制得壳聚糖的脱乙酰度高出0.1～0.3倍(即为现有技术的1.1～1.3倍)，分子量高出2.1～2.6倍(即为现有技术的3.1～3.6倍)。

发明机理：

现有技术制备壳聚糖的过程为：直接将甲壳素加入到适量高浓度强碱溶液(浓度一般为30～50wt％)后在高温(温度一般为60～100℃)下进行脱乙酰反应，反应体系是非均相体系即甲壳素的高浓碱分散液，由于甲壳素中晶区的存在，脱乙酰反应先发生在无定形区，晶区部分需要在很高的碱浓度和高温下才能有效脱乙酰，晶区和无定形区反应的难易程度会导致氨基的嵌段分布，造成脱乙酰后的壳聚糖分子链上的乙酰基分布不均一，高碱浓度也会伤害甲壳素的碳链骨架，从而使分子链断裂，分子量急剧降低。

本发明将甲壳素采用冻融操作溶于强碱溶液中，此时体系为均相体系(溶液状态)，微纤状结构和晶区被破坏，分子链排列变得混乱，间距变大，oh^-更容易渗透和乙酰氨基接触，此时提高溶液的碱含量能够提高脱乙酰浓度，此外，强碱溶液的补入会提升碱液的浓度，但是由于控制了补入是在较低温度条件下进行的，因而不会发生凝胶化，体系仍为均相体系，最终进行脱乙酰反应制得壳聚糖，由于此时体系为均相体系(溶液状态)，无需过高的碱浓度及反应温度，反应条件更为温和，此时氨基沿壳聚糖链随机分布，因此壳聚糖的分子量较高。

有益效果：

(1)本发明的一种高脱乙酰度和高分子量的壳聚糖的制备方法，工艺简单，条件温和；

(2)本发明的高脱乙酰度和高分子量的壳聚糖，脱乙酰度高，分子量高，由其制得的材料力学性能好。

附图说明

图1为本发明的制备高脱乙酰度和高分子量的壳聚糖的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

一种高脱乙酰度和高分子量的壳聚糖的制备方法，步骤如下：

(1)将甲壳素粉末加入到koh含量为18wt％的koh溶液中得到分散液后，在-30℃的温度条件下冷冻6.5h，过滤出未溶解部分得到甲壳素-强碱溶液，其中甲壳素粉末的平均粒度为80目，脱乙酰度为15％，结晶度为45％，分散液中甲壳素粉末的含量为4wt％；

(2)在温度为0℃的条件下，向甲壳素-强碱溶液中补加koh溶液，使得甲壳素-强碱溶液中的koh含量提升至41wt％；

(3)在温度为100℃的条件下进行脱乙酰反应，制得高脱乙酰度和高分子量的壳聚糖，其中脱乙酰反应在微波反应器中进行，微波反应器在脱乙酰反应时的功率为630w，脱乙酰反应的时间为3h，脱乙酰反应结束后，还进行清洗和烘干。

制得的高脱乙酰度和高分子量的壳聚糖，其脱乙酰度为83％，粘均分子量为8.2×10⁵g/mol。

制备过程的示意图如图1所示，在步骤(1)未过滤甲壳素粉末前，体系如图1左侧所示，为非均相体系，如该体系在高浓碱、高温条件下脱乙酰反应，由于甲壳素的半结晶结构，oh^-优先在无定形区进行脱乙酰反应，oh^-很难渗入晶区；在过滤甲壳素粉末后，体系如图1右侧所示，为均相体系，甲壳素已经溶解，晶区消失，oh^-能够和甲壳素分子链上乙酰氨基充分接触，因此可以高效脱乙酰。

对比例1

一种壳聚糖的制备方法，过程为：将甲壳素粉末加入强碱含量为41wt％的koh溶液中得到分散液，其中甲壳素粉末的平均粒度为80目，脱乙酰度为15％，结晶度为45％，分散液中甲壳素粉末的含量为4wt％，在温度为100℃的条件下进行脱乙酰反应制得壳聚糖，脱乙酰反应在微波反应器中进行，微波反应器在脱乙酰反应时的功率为630w，脱乙酰反应的时间为3h，脱乙酰反应结束后，还进行清洗和烘干。

制得的壳聚糖的脱乙酰度为37％，由于其不溶于乙酸，无法测得分子量。

对比例2

一种壳聚糖的制备方法，与对比例1基本相同，不同在于其koh溶液的koh含量为60wt％。

其制得的壳聚糖的脱乙酰度为78％，粘均分子量为5.0×10⁵g/mol。

对比实施例1和对比例1～2可以发现，本发明在均相体系中进行脱乙酰反应，无需过高的碱浓度及反应温度，反应条件更为温和，能够很好地兼顾脱乙酰度和分子量。

实施例2

一种高脱乙酰度和高分子量的壳聚糖的制备方法，步骤如下：

(1)将甲壳素粉末加入到koh含量为15wt％的koh溶液中得到分散液后，在-33℃的温度条件下冷冻8h，过滤出未溶解部分得到甲壳素-强碱溶液，其中甲壳素粉末的平均粒度为60目，脱乙酰度为5％，结晶度为50％，分散液中甲壳素粉末的含量为3wt％；

(2)在温度为5℃的条件下，向甲壳素-强碱溶液中补加koh溶液，使得甲壳素-强碱溶液中的koh含量提升至35wt％；

(3)在温度为70℃的条件下进行脱乙酰反应，制得高脱乙酰度和高分子量的壳聚糖，其中脱乙酰反应在微波反应器中进行，微波反应器在脱乙酰反应时的功率为720w，脱乙酰反应的时间为2h，脱乙酰反应结束后，还进行清洗和烘干。

制得的高脱乙酰度和高分子量的壳聚糖，其脱乙酰度为90％，粘均分子量为9.0×10⁵g/mol，在原料相同的前提下，本发明的方法比通用方法制得壳聚糖的脱乙酰度高出0.2倍，分子量高出2.6倍。

实施例3

一种高脱乙酰度和高分子量的壳聚糖的制备方法，步骤如下：

(1)将甲壳素粉末加入到koh含量为22wt％的koh溶液中得到分散液后，在-34℃的温度条件下冷冻7h，离心出未溶解部分得到甲壳素-强碱溶液，其中甲壳素粉末的平均粒度为50目，脱乙酰度为10％，结晶度为45％，分散液中甲壳素粉末的含量为6wt％；

(2)在温度为10℃的条件下，向甲壳素-强碱溶液中补加koh溶液，使得甲壳素-强碱溶液中的koh含量提升至45wt％；

(3)在温度为90℃的条件下进行脱乙酰反应，制得高脱乙酰度和高分子量的壳聚糖，其中脱乙酰反应在微波反应器中进行，微波反应器在脱乙酰反应时的功率为810w，脱乙酰反应的时间为5h，脱乙酰反应结束后，还进行清洗和烘干。

制得的高脱乙酰度和高分子量的壳聚糖，其脱乙酰度为86％，粘均分子量为8.6×10⁵g/mol，在原料相同的前提下，本发明的方法比通用方法制得壳聚糖的脱乙酰度高出0.16倍，分子量高出2.4倍。

实施例4

一种高脱乙酰度和高分子量的壳聚糖的制备方法，步骤如下：

(1)将甲壳素粉末加入到naoh含量为19wt％的koh溶液中得到分散液后，在-30℃的温度条件下冷冻7.5h，离心出未溶解部分得到甲壳素-强碱溶液，其中甲壳素粉末的平均粒度为70目，脱乙酰度为12％，结晶度为52％，分散液中甲壳素粉末的含量为5.2wt％；

(2)在温度为8℃的条件下，向甲壳素-强碱溶液中补加naoh溶液，使得甲壳素-强碱溶液中的naoh与koh的含量之和提升至40wt％；

(3)在温度为85℃的条件下进行脱乙酰反应，制得高脱乙酰度和高分子量的壳聚糖，其中脱乙酰反应在微波反应器中进行，微波反应器在脱乙酰反应时的功率为450w，脱乙酰反应的时间为2h，脱乙酰反应结束后，还进行清洗和烘干。

制得的高脱乙酰度和高分子量的壳聚糖，其脱乙酰度为88％，粘均分子量为7.9×10⁵g/mol，在原料相同的前提下，本发明的方法比通用方法制得壳聚糖的脱乙酰度高出0.18倍，分子量高出2.2倍。

实施例5

一种高脱乙酰度和高分子量的壳聚糖的制备方法，步骤如下：

(1)将甲壳素粉末加入到naoh含量为25wt％的naoh溶液中得到分散液后，在-33℃的温度条件下冷冻6h，离心出未溶解部分得到甲壳素-强碱溶液，其中甲壳素粉末的平均粒度为50目，脱乙酰度为15％，结晶度为55％，分散液中甲壳素粉末的含量为6wt％；

(2)在温度为4℃的条件下，向甲壳素-强碱溶液中补加koh溶液，使得甲壳素-强碱溶液中的naoh与koh的含量之和提升至38wt％；

(3)在温度为100℃的条件下进行脱乙酰反应，制得高脱乙酰度和高分子量的壳聚糖，其中脱乙酰反应在油浴加热器中进行，脱乙酰反应的时间为4h，脱乙酰反应结束后，还进行清洗和烘干。

制得的高脱乙酰度和高分子量的壳聚糖，其脱乙酰度为80％，粘均分子量为8.4×10⁵g/mol，在原料相同的前提下，本发明的方法比通用方法制得壳聚糖的脱乙酰度高出0.1倍，分子量高出2.4倍。

实施例6

一种高脱乙酰度和高分子量的壳聚糖的制备方法，步骤如下：

(1)将甲壳素粉末加入到naoh含量为17wt％的naoh溶液中得到分散液后，在-31℃的温度条件下冷冻8h，过滤出未溶解部分得到甲壳素-强碱溶液，其中甲壳素粉末的平均粒度为60目，脱乙酰度为11％，结晶度为50％，分散液中甲壳素粉末的含量为4.5wt％；

(2)在温度为5℃的条件下，向甲壳素-强碱溶液中补加naoh溶液，使得甲壳素-强碱溶液中的naoh含量提升至35wt％；

(3)在温度为88℃的条件下进行脱乙酰反应，制得高脱乙酰度和高分子量的壳聚糖，其中脱乙酰反应在油浴加热器中进行，脱乙酰反应的时间为6h，脱乙酰反应结束后，还进行清洗和烘干。

制得的高脱乙酰度和高分子量的壳聚糖，其脱乙酰度为90％，粘均分子量为7.9×10⁵g/mol，在原料相同的前提下，本发明的方法比通用方法制得壳聚糖的脱乙酰度高出0.2倍，分子量高出2.2倍。