一种羧甲基壳聚糖的制备方法

技术领域

本发明涉及羧甲基壳聚糖制备领域，尤其是涉及一种羧甲基壳聚糖的制备方法。

背景技术

甲壳质又称甲壳素、几丁质，英文名为chitin，是一种从海洋甲壳类动物的壳中提取出来的多糖物质，化学式为(C

羧甲基壳聚糖是经过羧甲基化改性后的壳聚糖衍生物，其水溶性好，具有通透性、保湿性、抗菌性，能够促进上皮细胞生长、延缓细胞衰老、促进皮肤溃疡创伤愈合。目前已被应用于医药、美容及果蔬保鲜等方面。同时，羧甲基壳聚糖还可以作为水处理中的絮凝剂，金属离子螯合剂等。近年来，羧甲基壳聚糖已成为研究和应用最多的壳聚糖衍生物之一。

现有技术中，羧甲基壳聚糖的制备方法主要为，壳聚糖在碱性环境下与氯乙酸等发生羧甲基取代反应制得的。羧甲基壳聚糖的制备过程在本质上是壳聚糖的2位伯氨基、3、6位羟基全部或部分发生羧甲基取代反应。其取代顺序为6位羟基、3位羟基、2为伯氨基，且取代度随着壳聚糖分子量的降低明显增大。这是由于，随着分子量的上升，壳聚糖作为一种长链高分子化合物，其空间位阻及分子内、分子间很强的氢键作用，其结构从无序结构转变为有序结构，其严重阻碍NaOH及CICH

进一步的，现有技术中通常采用微波辐射的方式，用以提高羧甲基的取代效果。但是，在采用高分子量壳聚糖制备羧甲基壳聚糖的实际操作中，微波辐射可能导致高分子量壳聚糖出现断链、降解等现象，其不仅导致部分壳聚糖分子量下降，高、低分子量的羧甲基壳聚糖共混；也造成制得的羧甲基壳聚糖产品质量不稳定，在后期的应用过程中，无法实现稳定、均一的保湿性能。

发明内容

为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种羧甲基壳聚糖的制备方法，针对于高分子量壳聚糖，能够获得理想的取代效果，在壳聚糖2位伯氨基上能够实现有效取代，有效提高取代度；同时，克服现有技术的羧化过程中，微波辐射所造成的不利影响，避免微波辐射可能导致高分子量壳聚糖出现断链、降解的问题，制得的羧甲基壳聚糖产品质量稳定，在后期应用过程中，实现获得稳定、均一的保湿性能。

为解决以上技术问题，本发明采取的技术方案如下：

一种羧甲基壳聚糖的制备方法，所述制备方法由以下步骤组成：一次碱化、二次碱化、一次羧化、二次羧化、后处理。

所述一次碱化的方法为，在搅拌条件下，将氢氧化钠投入至体积浓度为50-55%的乙醇水溶液中，调整氢氧化钠浓度为15-20wt%，制得碱化液；在搅拌条件下，将壳聚糖投入至碱化液中，调整碱化液中壳聚糖的浓度为5-7wt%，制得壳聚糖分散液；对壳聚糖分散液进行第一超声处理10-30min；然后以0.2-0.5℃/min的降温速率，降温至零下30℃-零下35℃，保温处理3-5h，制得一次碱化物；

所述一次碱化中，壳聚糖的粘均分子量Mη为（35-40）×10

所述一次碱化中，第一超声处理的频率为30-33kHz，超声功率为400-500W。

所述二次碱化的方法为，一次碱化物自然复温至3-8℃时，在搅拌条件下，投入饱和氢氧化钠水溶液，并调整氢氧化钠浓度为35-40wt%，进行二次超声处理10-20min，制得二次碱化物；

所述二次碱化中，第二超声处理的频率为33-35kHz，超声功率400-500W。

所述一次羧化的方法为，向二次碱化物内投入预定量的羧化剂和催化剂，升温至40-50℃后保温，进行一次羧化反应1-2h，制得一次羧化物。在一次羧化反应过程中，采用波长为385-395nm的紫外光进行辐射处理。

所述一次羧化中，羧化剂为氯乙酸和三氯乙酸的混合物，所述氯乙酸和三氯乙酸的重量份比值为1:3-4；

所述一次羧化中，羧化剂的添加量为一次碱化中壳聚糖重量的3-6倍。

所述一次羧化中，催化剂为月桂基二甲基氧化胺和十二烷基三甲基氯化铵的混合物，所述月桂基二甲基氧化胺和十二烷基三甲基氯化铵的重量份比值为2-3:1；

所述一次羧化中，催化剂的添加量为一次碱化中壳聚糖重量的0.2-0.5%。

所述二次羧化的方法为，一次羧化物继续升温至50-60℃后保温，进行二次羧化反应30-60min，制得二次羧化物。在二次羧化过程中，采用波长为390-400nm的紫外光进行辐射处理。

所述后处理的方法为，二次羧化物自然冷却至常温，投入至3-5倍体积的无水乙醇中，然后采用浓度为30-40wt%的乙酸调节pH值为6.8-7.2，静置至无固体物析出；然后采用12000-15000rpm的离心转速，离心分离出固体物，采用足量的浓度为70-80%的乙醇溶液洗涤固体物至无氯离子，然后再采用2-3倍体积的无水乙醇淋洗一次后，置于真空环境下，60-70℃干燥至重量无变化，制得羧甲基壳聚糖。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

（1）本发明的羧甲基壳聚糖的制备方法，通过在特定乙醇溶液中进行二级碱化的方式，对壳聚糖进行碱化及溶胀处理；并在二级碱化过程中，设置特定工艺参数（如超声频率等）的超声处理，在促进壳聚糖碱化及溶胀进行的同时，避免超声对高分子量壳聚糖的不利影响；实现良好的碱化、溶胀效果，降低OH

（2）本发明的羧甲基壳聚糖的制备方法，通过特定羧化剂、催化剂与二次碱化物进行二级羧化，并在二级羧化过程中，设置特定波长的紫外光进行辐射处理，在促进碱化后壳聚糖进行羧化反应的同时，避免紫外光对高分子量壳聚糖的不利影响，避免可能出现的断链、降解问题，进一步提高取代度，特别是提高羧甲基在2位伯氨基上的取代度。制得的羧甲基壳聚糖粘均分子量（Mη）为（23.8-26.9）×10

（3）本发明的羧甲基壳聚糖的制备方法，制得的羧甲基壳聚糖产品质量稳定，经检测，在RH=43%条件下，24h吸湿率为36.8-37.3%，48h吸湿率为40.7-41.6%；在RH=81%条件下，24h吸湿率为50.5-51.4%，48h吸湿率为55.8-57.5%；在RH=43%条件下，24h保湿率为356.1-357.2%，48h保湿率为411.9-412.8%；在RH=81%条件下，24h保湿率为434.0-435.5%，48h保湿率为471.1-472.3%。

（4）本发明的羧甲基壳聚糖的制备方法，工艺方法简洁，制备过程易于控制，能够适用于大规模工业化生产。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明的具体实施方式。

实施例1

一种羧甲基壳聚糖的制备方法，所述制备方法由以下步骤组成：一次碱化、二次碱化、一次羧化、二次羧化、后处理。具体如下：

1、一次碱化

在搅拌条件下，将氢氧化钠投入至体积浓度为50%的乙醇水溶液中，调整氢氧化钠浓度为15wt%，制得碱化液；在搅拌条件下，将壳聚糖投入至碱化液中，调整碱化液中壳聚糖的浓度为5wt%，制得壳聚糖分散液；对壳聚糖分散液进行第一超声处理10min；然后以0.2℃/min的降温速率，降温至零下30℃，保温处理3h，制得一次碱化物。

一次碱化中，壳聚糖的粘均分子量（Mη）为35×10

一次碱化中，第一超声处理的频率为30kHz，超声功率为400W。

2、二次碱化

一次碱化物自然复温至3℃时，在搅拌条件下，投入饱和氢氧化钠水溶液，调整氢氧化钠浓度为35wt%，进行二次超声处理10min，制得二次碱化物。

二次碱化中，第二超声处理的频率为33kHz，超声功率400W。

3、一次羧化

向二次碱化物内投入预定量的羧化剂和催化剂，升温至40℃后保温，进行一次羧化反应1h，制得一次羧化物。在一次羧化反应过程中，采用波长为385nm的紫外光进行辐射处理。

其中，羧化剂为氯乙酸和三氯乙酸的混合物，所述氯乙酸和三氯乙酸的重量份比值为1:3。

所述羧化剂的添加量为壳聚糖重量的3倍。

催化剂为月桂基二甲基氧化胺和十二烷基三甲基氯化铵的混合物，所述月桂基二甲基氧化胺和十二烷基三甲基氯化铵的重量份比值为2:1。

所述催化剂的添加量为壳聚糖重量的0.2%。

4、二次羧化

一次羧化物继续升温至50℃后保温，进行二次羧化反应30min，制得二次羧化物。在二次羧化过程中，采用波长为390nm的紫外光进行辐射处理。

5、后处理

二次羧化物自然冷却至常温，投入至3倍体积的无水乙醇中，然后采用浓度为30wt%的乙酸调节pH值为6.8，静置至无固体物析出；然后采用12000rpm的离心转速，离心分离出固体物，采用足量的浓度为70%的乙醇溶液洗涤固体物至无氯离子，然后再采用2倍体积的无水乙醇淋洗一次后，置于真空环境下，60℃干燥至重量无变化，制得羧甲基壳聚糖。

实施例2

一种羧甲基壳聚糖的制备方法，所述制备方法由以下步骤组成：一次碱化、二次碱化、一次羧化、二次羧化、后处理。具体如下：

1、一次碱化

在搅拌条件下，将氢氧化钠投入至体积浓度为52%的乙醇水溶液中，调整氢氧化钠浓度为18wt%，制得碱化液；在搅拌条件下，将壳聚糖投入至碱化液中，调整碱化液中壳聚糖的浓度为6wt%，制得壳聚糖分散液；对壳聚糖分散液进行第一超声处理20min；然后以0.3℃/min的降温速率，降温至零下32℃，保温处理4h，制得一次碱化物。

一次碱化中，壳聚糖的粘均分子量（Mη）为38×10

一次碱化中，第一超声处理的频率为31kHz，超声功率为450W。

2、二次碱化

一次碱化物自然复温至5℃时，在搅拌条件下，投入饱和氢氧化钠水溶液，调整氢氧化钠浓度为38wt%，进行二次超声处理15min，制得二次碱化物。

二次碱化中，第二超声处理的频率为34kHz，超声功率450W。

3、一次羧化

向二次碱化物内投入预定量的羧化剂和催化剂，升温至45℃后保温，进行一次羧化反应1.5h，制得一次羧化物。在一次羧化反应过程中，采用波长为390nm的紫外光进行辐射处理。

其中，羧化剂为氯乙酸和三氯乙酸的混合物，所述氯乙酸和三氯乙酸的重量份比值为1:3.5。

所述羧化剂的添加量为壳聚糖重量的5倍。

催化剂为月桂基二甲基氧化胺和十二烷基三甲基氯化铵的混合物，所述月桂基二甲基氧化胺和十二烷基三甲基氯化铵的重量份比值为2.5:1。

所述催化剂的添加量为壳聚糖重量的0.3%。

4、二次羧化

一次羧化物继续升温至55℃后保温，进行二次羧化反应40min，制得二次羧化物。在二次羧化过程中，采用波长为395nm的紫外光进行辐射处理。

5、后处理

二次羧化物自然冷却至常温，投入至4倍体积的无水乙醇中，然后采用浓度为35wt%的乙酸调节pH值为7.0，静置至无固体物析出；然后采用14000rpm的离心转速，离心分离出固体物，采用足量的浓度为75%的乙醇溶液洗涤固体物至无氯离子，然后再采用2.5倍体积的无水乙醇淋洗一次后，置于真空环境下，65℃干燥至重量无变化，制得羧甲基壳聚糖。

实施例3

一种羧甲基壳聚糖的制备方法，所述制备方法由以下步骤组成：一次碱化、二次碱化、一次羧化、二次羧化、后处理。具体如下：

1、一次碱化

在搅拌条件下，将氢氧化钠投入至体积浓度为55%的乙醇水溶液中，调整氢氧化钠浓度为20wt%，制得碱化液；在搅拌条件下，将壳聚糖投入至碱化液中，调整碱化液中壳聚糖的浓度为7wt%，制得壳聚糖分散液；对壳聚糖分散液进行第一超声处理30min；然后以0.5℃/min的降温速率，降温至零下35℃，保温处理5h，制得一次碱化物。

一次碱化中，壳聚糖的粘均分子量（Mη）为40×10

一次碱化中，第一超声处理的频率为33kHz，超声功率为500W。

2、二次碱化

一次碱化物自然复温至8℃时，在搅拌条件下，投入饱和氢氧化钠水溶液，调整氢氧化钠浓度为40wt%，进行二次超声处理20min，制得二次碱化物。

二次碱化中，第二超声处理的频率为35kHz，超声功率500W。

3、一次羧化

向二次碱化物内投入预定量的羧化剂和催化剂，升温至50℃后保温，进行一次羧化反应2h，制得一次羧化物。在一次羧化反应过程中，采用波长为395nm的紫外光进行辐射处理。

其中，羧化剂为氯乙酸和三氯乙酸的混合物，所述氯乙酸和三氯乙酸的重量份比值为1:4。

所述羧化剂的添加量为壳聚糖重量的6倍。

催化剂为月桂基二甲基氧化胺和十二烷基三甲基氯化铵的混合物，所述月桂基二甲基氧化胺和十二烷基三甲基氯化铵的重量份比值为3:1。

所述催化剂的添加量为壳聚糖重量的0.5%。

4、二次羧化

一次羧化物继续升温至60℃后保温，进行二次羧化反应60min，制得二次羧化物。在二次羧化过程中，采用波长为400nm的紫外光进行辐射处理。

5、后处理

二次羧化物自然冷却至常温，投入至5倍体积的无水乙醇中，然后采用浓度为40wt%的乙酸调节pH值为7.2，静置至无固体物析出；然后采用15000rpm的离心转速，离心分离出固体物，采用足量的浓度为80%的乙醇溶液洗涤固体物至无氯离子，然后再采用3倍体积的无水乙醇淋洗一次后，置于真空环境下，70℃干燥至重量无变化，制得羧甲基壳聚糖。

对比例1

采用实施例2的技术方案，其不同之处在于：1）在一次碱化和二次碱化步骤中，省略第一超声处理、第二超声处理。2）一次碱化步骤中，采用去离子水替代浓度为52%的乙醇水溶液。

对比例2

采用实施例2的技术方案，其不同之处在于：1）一次羧化步骤中，采用微波辐射进行升温、保温，以辅助羧化反应的进行；其中，微波辐射的频率为3000MHz，微波功率为600W。2）省略二次羧化步骤。

对实施例1-3、对比例1-2制得的羧甲基壳聚糖的粘均分子量、总取代度、O位取代度、N位取代度的相关指标进行检测，具体结果见表1：

表1——羧甲基壳聚糖分子量及取代度检测结果汇总表

进一步的，对实施例1-3、对比例1-2制得的羧甲基壳聚糖的吸湿、保湿性能进行检测。具体的，在相对湿度（RH）为43%和81%的湿度条件下，分别检测其吸湿性能；在相对湿度（RH）为43%和81%及干燥条件下，分别检测其保湿性能。

其中，羧甲基壳聚糖吸湿性的检测方法为：分别称取W

所述吸湿率的计算方法为：吸湿率（%）=[（W

羧甲基壳聚糖保湿性的检测方法为：分别调整实施例1-3、对比例1-2制得的羧甲基壳聚糖的含水量为H

所述水分残留率的计算方法为：水分残留率（%）=（H

具体试验结果见表2：

表2——羧甲基壳聚糖吸湿率及保湿率检测结果汇总表

除非另有说明，本发明中所采用的百分数均为质量百分数。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。