超声辐射下非均相甲壳素脱乙酰化反应动力学

张翠荣，贾振宇，谢华飞

（仲恺农业工程学院化学化工学院，广东 广州 510225）

研究开发

超声辐射下非均相甲壳素脱乙酰化反应动力学

张翠荣，贾振宇，谢华飞

（仲恺农业工程学院化学化工学院，广东 广州 510225）

在超声辐射条件下进行了甲壳素非均相脱乙酰化反应动力学研究。结果表明，超声辐射条件下，甲壳素的脱乙酰度明显提高，反应过程符合准一级动力学关系，反应控制为扩散控制，其表观活化能为3.45 kJ/mol。

甲壳素；动力学；活化能；超声辐射；非均相

随着石油矿物质资源的日益匮乏，以天然高分子为原料的功能材料的研究在世界范围内愈来愈受到人们的重视。甲壳素是一种聚糖类天然可再生高分子材料，又名几丁质或几丁聚糖（chitin）。化学名称为（1,4）-2-乙酰氨基-2-脱氧-β-D-葡聚糖，是N-乙酰基-D-葡胺糖通过 β-(1,4)糖苷键连接的直链状多糖。地球上甲壳素的生物生成量每年可达数百亿吨，是一种蕴藏量仅次于纤维素的天然可再生基质[1]。以甲壳素为原料经过化学改性可制备多种不同用途的天然高分子衍生物，此类衍生物具有无毒无害、耐腐蚀、良好的生物降解性和生物相容性等优良性能，已广泛地应用于医药、食品、纺织、造纸、农业、印染、化妆品、生物医学、酶制剂、保健品等许多行业[2-3]。因此，近年来，国内许多大专院校和科研院所均投入研究，也相继出现了一批有竞争力的生产企业。以天然高分子为原料的功能材料开发研究已成热潮。有媒体评论认为甲壳素将成为21世纪像合成树脂与塑料一样的支柱产业之一。

甲壳素分子中由于有较强的氢键作用，进行化学改性脱乙酰基需要高浓度的碱液长时间作用，这样所得产品脱乙酰度不高，黏度较低，影响了产品的应用性能。不少人对此进行了一些有益的探讨，如采用溶解沉淀法、醇介质法、微波法等[4-5]，取得了一定的成效。虽然人们对于甲壳素进行了多年的研究，并且其工业应用有很多方面，但至今对壳聚糖（chitosan）的制备没有一个完整的理论，尤其是甲壳素的脱乙酰化基础理论研究更少。利用超声波辐射技术进行脱乙酰化基础理论研究的文章目前还未见报道。因此，本文根据甲壳素的结构和超声波的作用原理，对其进行了脱乙酰反应的研究探索，以期对工业化生产有所指导。

1 实验与测试

1.1 实验材料与仪器

甲壳素（湛江博泰生物化工科技公司提供），乙醇（95%，AR），氢氧化钠（AR），乙酸（AR），超声波发生器（BRANSON2200），乌式黏度计，恒温水浴槽，剪切式高速粉碎机，电子天平。

1.2 甲壳素脱乙酰化反应

经过烘干的甲壳素，由粉碎机粉碎成粉末，分别称取5 g于三口烧瓶中，再加入40%的氢氧化钠溶液或加入氢氧化钠-乙醇混合液。在超声场中（400 W，40 kHz）回流条件下反应，温度控制条件分别为80 ℃、100 ℃、120 ℃，时间控制分别为1 h、3 h、5h、7 h、9 h。反应完毕后取出冷却、过滤、洗涤至中性，烘干。

1.3 脱乙酰度的测定[6]

本实验采用酸碱滴定法进行测定。壳聚糖为电解质，为了使测定的结果准确，在溶解壳聚糖的乙酸溶液中加入 0.5%的氯化钠。以式（1）计算出壳聚糖的脱乙酰度。

1.4 特性黏度及分子量的测定[1]

称取0.5g的壳聚糖于烧杯中，加入一定量乙酸（0.1mol/L）-乙酸钠（0.2 mol/L）混合溶液，搅拌使其充分溶解，在恒温槽中于 25 ℃下，用乌式黏度计测定壳聚糖溶液的特性黏度。按照式（2）计算出壳聚糖的黏均分子量。

2 结果与讨论

2.1 扩散控制甲壳素脱乙酰化模型

甲壳素的脱乙酰基反应是液固反应，随着乙酰基的脱出，OH－离子通过反应界面逐渐向甲壳素内部移动。在这个过程中，乙酰基的脱出缓慢。因此，反应过程主要考虑扩散控制，故可认为扩散速率等于反应速率[7-11]。其反应机理见图1。

甲壳素原料经破碎后可视为长、高、厚为A、B、L的片状体，A、B＞＞L，OH－离子扩散通面面积S=AB，则OH－离子在甲壳素中的扩散行为如图2所示。

图1 甲壳素脱乙酰化反应方程式

图2 OH－扩散方向示意图

根据菲克扩散定律知[12-13]，单位时间内通过垂直于扩散方向的单位面积的扩散通量为式（3）。

则OH－在甲壳素物质体中的扩散速率为式（4）。

由于反应由扩散控制，乙酰度脱除速率（反应速率）可认为与扩散速率相等。对式（4）进行积分可得式（5）。

甲壳素在脱乙酰基的反应过程中，内部反应面逐渐内移，移动速率为式（6）。因此，由式（5）和式（6）合并可得式（7）。

解方程式（7）可得式（8）。

片状甲壳素在氢氧化钠溶液中，OH－离子的扩散在如图1所示的两面进行。因此，可假设脱乙酰度为式（9）。

由式（9）可知，在温度恒定的条件下，甲壳素的脱乙酰度与氢氧化钠浓度和反应时间呈正比，其函数关系为D.D=f（D、C0、t、ρ、L）。实验研究可知，实验效果与理论基本吻合。该数学模型的建立对实际生产具有一定的指导意义。

2.2 甲壳素脱乙酰基的反应动力学

甲壳素的分子一般排列在高度结晶的微纤维的晶格之中，根据其晶体结构可分为α、β、γ 3种类型，其中α型结构最稳定，是自然界常见的一种结构。甲壳素分子间存在着—O…H—O—型和—O…H—N—型氢键的强烈作用，大分子间的作用力很强，使甲壳素分子存在着有序的结构，从而造成甲壳素的不熔化及高度难溶解性质，不溶于水及其它绝大多数溶剂[14-18]。甲壳素和脱乙酰化后的壳聚糖结构如图3和图4所示。

酰胺基的碱水解是一个亲核取代反应[18]。甲壳素在浓碱条件下，由于羰基碳带有正电荷，氢氧根离子有极强的亲核性和较小的体积，它就首先进攻羰基碳，使原来的平面三角形的酰胺变成四面体的过渡态，这时部分负电荷在氧上。四面体的过渡态很快变成四面体的中间体，负电荷也在氧上。这是反应的第一步，是氢氧根离子对酰胺的加成，从反应物到中间体之间存在着平衡，是可逆的。第二步是碱性基团的离去。反应历程如图5所示。

图3 甲壳素结构式

图4 壳聚糖结构式

图5 甲壳素在浓碱的作用下脱乙酰化反应示意图

整个反应过程是由第一步来控制的，此反应在初期可以认为是一级反应。一级动力学方程表示为式（10）。

令D.D=x/a，此时x为甲壳素脱乙酰基的转化率，相当于甲壳素的脱乙酰度，由此可得式（12）。

由图6和图7可知，在氢氧化钠浓度和反应温度恒定的条件下，静态反应甲壳素的脱乙酰度远远小于动态条件下的脱乙酰度，说明搅拌提高了OH－离子的扩散强度。在超声波辐射条件下能使甲壳素紧密的结晶体变疏松，有利于OH－离子在甲壳素体内的扩散，促使脱乙酰度提高，进一步证明甲壳素的脱乙酰基反应由扩散控制。

甲壳素的脱乙酰化反应过程中，反应温度的影响极为重要。由图8可知，温度升高，甲壳素的脱乙酰度明显提高，并随反应时间的延长，脱乙酰度提高。由上述假设的甲壳素脱乙酰化反应为一级反应动力学与实验研究相符合，即 ln[1/(1－D.D)]=kt方程成立。

图6 时间和反应方式对脱乙酰度的影响对比

图7 不同反应条件下的脱乙酰度对比

在超声辐射条件下，氢氧化钠的浓度为40%，反应温度分别为60 ℃、80 ℃、100 ℃、120 ℃，以ln[1/(1－D.D)]对反应时间t作图，如图9所示，均呈现良好的线性关系，相关系数均大于0.995。结果表明，甲壳素的脱乙酰化反应动力学为一级反应。

图 10为不同温度条件下一级反应方程 ln[1/ (1－D.D)]=kt的斜率lnk与时间倒数1/t的关系，由图可知两者为线性关系，直线的相关系数为0.9964。由此可计算甲壳素在超声辐射条件下其脱乙酰化的表观活化能为E=23.45 kJ/mol。此数据明显小于Sanna[8]所报道的在均相条件下反应的活化能E=92.05 kJ/mol。说明两者反应机理有明显不同，甲壳素的非均相脱乙酰化反应为扩散控制。陈炳念[19]在搅拌条件下对甲壳素的脱乙酰动力学研究表明，其表观活化能为 35.63 kJ/mol。在超声辐射条件下，其表观活化能较小，说明超声辐射能强化OH－离子的扩散，强力振荡甲壳素上的乙酰基团，有利于碱的水解亲核取代反应。

图8 温度对甲壳素脱乙酰度的影响

图9 ln[1/(1－D.D)]与时间t的关系

图10 ln k与1/t的关系

图 11为甲壳素脱乙酰度与时间关系的拟合曲线。拟合方程为D.D=－1.15t2+20.17t+3.04，R2=0.992。实验值与拟合方程计算值基本相符。在超声辐射条件下，氢氧化钠浓度为40%，随着时间的推移，脱乙酰度不断提高，当脱乙酰度达到80%时，脱除缓慢，超过 90%时基本趋于平行，扩散阻力较大。要提高脱乙酰度，必须将甲壳素进一步粉碎。

图 12表示在超声辐射、静态、搅拌条件下制备的同等脱乙酰度的壳聚糖黏均分子量的对比，说明超声辐射不会对壳聚糖造成降解。

3 结 论

（1）甲壳素在超声辐射条件下脱乙酰度明显提高，脱乙酰化为准一级反应动力学关系，其脱乙酰化的表观活化能为E=23.45 kJ/mol，其值小于以均相反应为假设的活化能92.05 kJ/mol，说明两者反应机理有明显的不同，甲壳素的非均相脱乙酰化反应为扩散控制。

图11 脱乙酰度与时间关系的拟合曲线

图12 不同反应条件下的壳聚糖黏均分子量对比

（2）甲壳素的脱乙酰化反应过程中，反应温度的影响极为重要。温度升高，甲壳素的脱乙酰度明显提高。超声辐射对甲壳素的脱乙酰化反应影响也较大，同等条件下脱乙酰度明显提高，说明在超声波辐射条件下能使甲壳素紧密的结晶体疏松，有利于OH－离子在甲壳素体内的扩散，促使乙酰基的脱除。

符 号 说 明

a——乙酰氨基的起始质量分数，%

C0——氢氧化钠溶液的浓度，g/mL

C1——盐酸标准溶液浓度，mol/L

C2——氢氧化钠标准溶液浓度，mol/L

dc/dx——沿扩散方向的浓度梯度

D——扩散系数

D.D——脱乙酰度，%

G——试样质量，g

K——反应表观速率常数

K，α——分别为Mark-Houwink方程参数，K=1.81×10－3，α=0.93

L——甲壳素厚度，cm

Ρ——甲壳素密度，g/cm3

S——扩散方向的通透面积，m3

t——反应时间，h

V1——盐酸标准溶液量用，mL

V2——滴定消耗氢氧化钠标准溶液量，mL

W——试样水分含量，%

x——水解t时间后形成的氨基质量分数，%

X——OH－离子扩散前进距离，cm

0.016——与1mL 1 mol/L盐酸溶液相当的胺量，g

0.0994——壳聚糖中理论胺基含量（16/161）

[1]蒋挺大. 壳聚糖（第2版）[M]. 北京：化学工业出版社，2006：1-13.

[2]Marguerite Rinaudo. Chitin and chitosan：Properties and applications [J].Progress in Polymer Science，2006，31（7）：603-632.

[3]Li Lei，Hsieh You Lo. Chitosan bicomponent nanofibers and nanoporous fibers[J].Carbohydrate Research，2006，341（3）：374-381.

[4]曹健，代养勇，等. 甲壳素微波法脱乙酰制备壳聚糖的研究[J]. 食品科技，2005，26（11）：120-124.

[5]代养勇，曹健，王中太. 甲壳素传统法与微波法制备壳聚糖的比较[J].食品工业科技，2006，27（6）：54-55.

[6]宋巍，陈元维，史国齐，等. 不同脱乙酰度壳聚糖的制备及结构性能的研究[J]. 功能材料，2007，38（10）：1705-1708.

[7]张子涛，陈东辉.甲壳素脱乙酰化动力学模型研究[J]. 化学世界，2004（10）：511-514.

[8]Sanna Takanori. Studies on chitin.v.kinetics of deactylation reaction [J].Polymer Journal，1977，9（6）：649-651.

[9]Chebotok E N，Novikov V Yu，Konovalova I N. Kinetics of base deacetylation of chitin and chitosan as influenced by their crystallinity[J].Russian Journal of Applied Chemistry，2007，80（10）：1753-1758.

[10]Jiang Cheng Jun，Xu Mao Qian. Kinetics of heterogeneous deacetyation of β-chitin[J].Chem. Eng. Technol.，2006，29（4）：511-516.

[11]Yaghobi N，Hormozi F. Multistage deacetylation of chitin：Kinetics study[J].Carbohydrate Polymers，2010（81）：892-896.

[12]Novikov V Yu，Oriova T A，Voronia I E. Kineties of chitin and chitosan deactylation[J].Izvestiya Vysshikh Vchebnykh Zavedeni Pishchevaya Tekhnologiya，1990（5）：64-67.

[13]张子涛，陈东辉，等. 甲壳素脱乙酰化及动力学[J]. 青岛大学学报，2000，15（4）：23-26.

[14]Majeti N V，Ravi Kumar. A review of chitin and chitosan applications[J].Reactive ＆ Functional Polymers，2000（46）：1-27.

[15]Pillai C K S，Willi Paul，Chandra P Sharma. Chitin and chitosan polymers：Chemistry，solubility and fiber formation[J].Progress in Polymer Science，2009（34）：641-678.

[16]Prashanth K V Harish，Tharanathan R N. Chitin/chitosan：modifications and their unlimited application potential-an overview[J].Trends in Food Science ＆ Technology，2007，18：117-131.

[17]刘长霞. 甲壳素脱乙酰化反应动力学规律评述[J]. 沧州师范学院学报，2002，18（3）：31-34.

[18]刘延国，李斌，刘晶，等. 甲壳素非均相脱乙酰的低温反应动力学研究[J]. 食品工业科技，2009，30（10）：80-84.

[19]陈炳念. 甲壳素碱介质非均相脱乙酰动力学研究[J]. 高等学校化学学报，1992，13（7）：1008-1010.

Heterogeneous deacetylation reaction kinetics of chitin under ultrasonic irradiation

ZHANG Cuirong，JIA Zhenyu，XIE Huafei
（Department of Chemistry and Chemical Engineering，Zhongkai University of Agriculture and Engineering，Guangzhou 510225，Guangdong，China）

The heterogeneous deacetylation reaction kinetics of chitin was studied under ultrasonic irradiation. The results indicated that under ultrasonic irradiation，the degree of deacetylation of chitin was improved dramatically，and the reaction process of deacetylation reaction followed a pseudo-first order kinetic model. The reaction was diffusion controlled，and its apparent activation energy wasE=23.45 kJ/mol.

chitin；kinetics；activation energy；ultrasonic radiation；heterogeneous

O 636.1

A

1000-6613（2011）09-2021-05

2011-04-03；修改稿日期2011-05-03。

国家自然科学基金（20776164）及广东省科技攻关（2010B011000007）项目。

张翠荣（1966—），女，硕士，副教授，研究方向为高分子材料。联系人：贾振宇，教授，研究方向为高分子材料及精细化工。E-mail gdjiazhenyu@163.com。