肖 華, 周寧波

(湖南理工學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院, 湖南 岳陽(yáng) 414006)

引言

我國(guó)內(nèi)河湖海眾多, 海域廣闊, 蝦資源非常豐富. 用龍蝦生產(chǎn)1噸蝦仁會(huì)產(chǎn)生5～6噸的下腳料—蝦殼,由此帶來(lái)了大量的廢棄物, 這樣不僅污染環(huán)境, 而且浪費(fèi)資源[1]. 甲殼素是蝦殼的重要成分[2], 它可以用來(lái)合成具有特殊功能的衍生物如: 低聚糖、羧甲基殼聚糖、羧化殼聚糖、氨基葡萄糖等等[3]. 氨基葡萄糖類化合物是一類治療骨關(guān)節(jié)炎的特異性藥物, 其中以GS(D-Glucosamine Sulfate, D?氨基葡萄糖硫酸鹽)治療效果為最佳[4]. 隨著醫(yī)學(xué)、生物化工的發(fā)展, GS的需求正在日益增加, 傳統(tǒng)制備GS的方法在工藝上都有一定的缺陷, 且產(chǎn)率相對(duì)不高; 有的新方法雖然產(chǎn)率較高, 但條件要求也高, 這樣在某些程度上限制了GS及其衍生物的廣泛應(yīng)用[5]. 為此, 本文對(duì)龍蝦殼中GS的提取工藝進(jìn)行了進(jìn)一步的研究, 獲得的方法明顯地改進(jìn)了以往方法中存在的不足.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

1.1.1 試劑

鹽酸(分析純)、氫氧化鈉(分析純)、無(wú)水乙醇(分析純)、硫酸(分析純)、標(biāo)準(zhǔn) GS(分析純)、活性炭(分析純).

1.1.2 儀器

SHZ-BASA型循環(huán)水式真空泵(鞏義市英峪華儀器廠)、DHG-9076A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)、DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司).

1.1.3 原料的收集

直接從市場(chǎng)收集新鮮的龍蝦蝦殼, 洗凈, 自然風(fēng)干.

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1 原料預(yù)處理

干龍蝦殼→壓榨→第一次酸處理(室溫下按殼重的3倍量加入5%鹽酸浸泡16～24h)→水洗至中性→第一次堿處理(按殼重的3倍量加入10～15%的氫氧化鈉溶液煮沸2～3 h)→水洗至中性→第二次酸處理(室溫下按殼重的2.2倍量加入5%鹽酸浸泡16～24 h, 觀察已無(wú)氣泡產(chǎn)生)→水洗至中性→第二次堿處理(將第一次堿處理殘液補(bǔ)加10～15%的氫氧化鈉溶液再次煮沸2～3 h)→水洗至中性→烘干→甲殼素.

1.2.2 GS的制備

(1)GS的粗提取

將反應(yīng)量硫酸加入裝有電動(dòng)攪拌器、溫度計(jì)、回流冷凝管的三口燒瓶中, 用恒溫水浴槽控制溫度, 55℃左右水浴加熱保溫10min, 再分批加入適量甲殼素, 反應(yīng)物在55℃的條件下, 回流水解1h, 再緩慢升溫至預(yù)定溫度, 回流水解一定時(shí)間, 冷卻靜置24h, 抽濾得灰褐色粗產(chǎn)品.

(2)GS的純化

按粗產(chǎn)品: 水=1:2(質(zhì)量比)將粗產(chǎn)品溶解于熱水后, 加入粗產(chǎn)品質(zhì)量 4%左右的活性炭, 溫度低于60℃的條件下, 回流 20 min, 趁熱抽濾, 用少量熱水洗滌濾渣, 合并濾液, 濾液為無(wú)色或淡黃色. 然后濾液真空濃縮至原體積的10～15%, 冷卻, 靜置數(shù)小時(shí), 濾取結(jié)晶, 用95%乙醇洗滌, 干燥得淡黃色晶體. 將前步烘干的結(jié)晶稱重, 按此重的1.3倍量加入水. 并加熱至80～90℃充分溶解, 再趁熱加入95%乙醇, 邊加邊攪拌, 加乙醇量(V)為加水量的5倍. 然后冷卻靜置4～6h進(jìn)行重結(jié)晶. 濾取晶體, 干燥得淡黃色晶體.

以甲殼素制備 GS, 具體生產(chǎn)流程為: 甲殼素→硫酸溶解→冷卻靜置結(jié)晶→抽濾(濾液廢棄)→粗產(chǎn)品→加熱水溶解→活性炭脫色→趁熱抽濾→濾液真空濃縮→冷卻靜置結(jié)晶→乙醇洗滌結(jié)晶→晶體烘干→乙醇重結(jié)晶→抽濾(濾液回收乙醇)→晶體烘干→成品(GS).

2 結(jié)果與討論

2.1 硫酸濃度對(duì)GS產(chǎn)率的影響

水解溫度為 80℃, 水解時(shí)間為 4h, 甲殼素的加入量為 10.00g, 甲殼素與硫酸的質(zhì)量比為 1:6, 改變硫酸的濃度, 所得粗產(chǎn)品質(zhì)量見(jiàn)表1.

由表1可知, 當(dāng)硫酸濃度小于4mol·L?1時(shí), GS的生成量極少, 產(chǎn)率極低, 說(shuō)明低酸條件下甲殼素的水解反應(yīng)慢, 難以打開(kāi)糖苷鍵; 隨著濃度增大, 水解速度加快, GS產(chǎn)率不斷增加, 當(dāng)硫酸濃度達(dá)到10～12mol·L?1時(shí), GS粗產(chǎn)品產(chǎn)率達(dá)到最大,且變化很小, 因?yàn)樗庖簼舛仍礁? 甲殼素碳化加重, 本工藝適宜的硫酸水解液濃度為 10mol·L?1.

表1 硫酸濃度對(duì)GS產(chǎn)率的影響

表2 硫酸用量對(duì)GS產(chǎn)率的影響

2.2 硫酸用量對(duì)GS產(chǎn)率的影響

水解溫度為 80℃, 水解時(shí)間為 4h, 硫酸濃度為 10mol·L?1, 甲殼素的加入量為 10.00g, 以各組甲殼素與硫酸的質(zhì)量比為投料比反應(yīng), 所得粗產(chǎn)品質(zhì)量見(jiàn)表2.

由表 2可知: 隨著硫酸用量的不斷提高, 產(chǎn)品產(chǎn)率也隨之提高, 但是當(dāng)甲殼素與硫酸質(zhì)量比達(dá)到 1:6以后, 產(chǎn)品產(chǎn)率變化較小. 硫酸作為催化劑和水解反應(yīng)物, 酸的比例增加, 有利于反應(yīng)的進(jìn)行, 但用量過(guò)多, 就會(huì)給以后的處理帶來(lái)困難, 成本也會(huì)增加, 而且 GS在冷的硫酸中仍有一定的溶解度, 所以酸用量過(guò)多會(huì)降低GS粗結(jié)晶產(chǎn)率, 也會(huì)降低GS成品產(chǎn)率. 硫酸水解液用量過(guò)少使水解不徹底, 且體系粘度大,反應(yīng)物在體系中分布不均勻, 不能充分反應(yīng), 容易造成粘壁現(xiàn)象, 增加副反應(yīng). 綜上所述, 在不影響徹底水解的前提下, 水解液用量越少, 越有利于提高 GS的產(chǎn)率. 本實(shí)驗(yàn)選用甲殼素:硫酸=1:6(質(zhì)量比)為投料比.

2.3 水解溫度對(duì)GS產(chǎn)率的影響

水解時(shí)間為 4h, 甲殼素的加入量為 10.00g,甲殼素與硫酸的質(zhì)量比為 1:6, 硫酸水解液的濃度10mol·L?1, 反應(yīng)在不同溫度下進(jìn)行, 所得粗產(chǎn)品質(zhì)量見(jiàn)表3.

表3 溫度對(duì)GS產(chǎn)率的影響

由表3可知: 隨著水解溫度的升高, GS的粗產(chǎn)品產(chǎn)率也不斷地提高. 但是當(dāng)溫度高于 95℃時(shí), GS的產(chǎn)率有所降低, 這是因?yàn)楫?dāng)溫度大于95℃時(shí), 副反應(yīng)增多, 直接影響了產(chǎn)率, 因此,本工藝適宜的水解溫度為95℃.

表4 水解時(shí)間對(duì)GS產(chǎn)率的影響

2.4 水解時(shí)間對(duì)GS產(chǎn)率的影響

水解溫度 95℃, 甲殼素的加入量為 10.00g,甲殼素與硫酸的質(zhì)量比為 1:6, 硫酸水解液的濃度10mol·L?1, 反應(yīng)持續(xù)不同的時(shí)間, 所得粗產(chǎn)品質(zhì)量見(jiàn)表4.

由表 4可知: 在一定溫度下, 隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng), 甲殼素逐漸被水解, GS的粗產(chǎn)品產(chǎn)率逐漸增大,當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到4h時(shí), GS的產(chǎn)率達(dá)到最大值, 隨后有所下降. 水解時(shí)間過(guò)短, 水解不夠充分, 太長(zhǎng)時(shí)間的高溫水解, 又會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的副反應(yīng), 因此, 本工藝適宜的水解時(shí)間為4h.

2.5 純化條件對(duì)GS產(chǎn)率的影響

實(shí)驗(yàn)證明: 相對(duì)于粗產(chǎn)品質(zhì)量 3～5%的活性炭作為脫色劑適量較為合適, 綜合考慮脫色效果和活性炭回收率, 本工藝選用的活性炭為粗產(chǎn)品質(zhì)量的4%.

經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn), 表明GS在不同溶劑中溶解度的大小順序?yàn)? 水＞乙醇＞丙酮. 本工藝選擇了價(jià)格低、易回收、效果好的乙醇作為洗脫溶劑.

在重結(jié)晶時(shí)為保證乙醇達(dá)到一定濃度, 加水量過(guò)多, 必然需加入更多的高濃度乙醇, 一方面會(huì)增大成本, 另一方面增大了重結(jié)晶時(shí)溶液的總體積, 而 GS在較高濃度的乙醇液中仍有一定的溶解度, 故會(huì)減少GS的結(jié)晶量而降低產(chǎn)率. 通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定加入的水量為粗產(chǎn)品質(zhì)量的1.3倍.

溫度一定時(shí), GS在乙醇溶液中溶解度隨乙醇濃度的增大而減小; 乙醇濃度一定時(shí), 隨溫度升高GS溶解度增大, 溫度降低溶解度減小, 因此低溫及高濃度乙醇條件可有效提高 GS的產(chǎn)率, 實(shí)驗(yàn)確定: 室溫條件下重結(jié)晶, 95%乙醇充當(dāng)析晶劑.

2.6 GS的紅外光譜檢測(cè)圖

標(biāo)準(zhǔn)樣品(純度＞99%)與實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品的紅外光譜圖分別如圖1和圖2所示.

圖1 標(biāo)準(zhǔn)GS紅外光譜圖

圖2 產(chǎn)品GS紅外光譜圖

從圖 2 中可以看出, 產(chǎn)品GS紅外光譜顯示在 3293.52 cm?1、3098.47cm?1、1616.54cm?1、1537.84cm?1、1422.01cm?1、1094.47cm?1、1035.03cm?1和 603.70cm?1處有特征吸收峰, 與圖 1 中標(biāo)準(zhǔn)樣品十分符合. 其中 3293.52cm?1峰是-OH的伸縮振動(dòng), 3098.47cm?1峰是N-H鍵的伸縮振動(dòng), 1616.54cm?1、1537.84cm?1、1422.01cm?1峰是N-H的面內(nèi)彎曲振動(dòng), 1094.47cm?1峰是C-N鍵的伸縮振動(dòng), 1035.03cm?1峰是C-O鍵的伸縮振動(dòng), 603.70cm?1峰是N-H鍵的面外彎曲振動(dòng).

3 結(jié)論

用龍蝦殼作原料, 經(jīng)酸、堿處理以及硫酸體系中水解再純化得到GS, 其最佳工藝條件: 硫酸濃度為10mol·L?1, 甲殼素:硫酸=1:6(質(zhì)量比), 水解溫度為95℃, 水解時(shí)間為4h, 洗脫劑和析晶劑為95%乙醇, 活性炭脫色時(shí)所用量為粗產(chǎn)品質(zhì)量的 4%. 實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化后, 甲殼素經(jīng)硫酸水解, 得到的粗產(chǎn)品GS產(chǎn)率為70.58%; 粗產(chǎn)品經(jīng)脫色、濃縮、乙醇洗滌和重結(jié)晶等步驟后的產(chǎn)率為51.39%. 成品GS為淡黃色粉末狀晶體, 無(wú)嗅, 略帶甜味, 易溶于水, 幾乎不溶于乙醇, 且純度高.

[1]丁春梅, 陶庭先, 吳之傳. 蝦殼的綜合利用[J]. 化學(xué)世界, 1995, (8): 444～455

[2]周立國(guó). 天然色素及其提取應(yīng)用[M]. 濟(jì)南: 山東科學(xué)技術(shù)出版社, 1993: 42～47

[3]嚴(yán) 俊. 甲殼素的化學(xué)和應(yīng)用[J]. 化學(xué)通報(bào), 1984, (11): 26～31

[4]張 斌, 姚浩群, 程世高, 等. 硫酸氨基葡萄糖治療骨關(guān)節(jié)炎的應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 江西醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào), 2004, 44(4): 123～124

[5]許 晨, 許建中, 沈 國(guó). 氨基葡萄糖硫酸鹽的制備方法研究進(jìn)展[J]. 化學(xué)工程與設(shè)備, 2010, (4): 106～109