甲酸與乙酸溶解殼聚糖的溶液性質比較

陳玄墨，寧晚娥，彭澤冶，黃繼偉，*，林海濤

（1.廣西科技大學生物與化學工程學院，廣西柳州545006；2.廣西糖資源綠色加工重點試驗室，廣西柳州545006；3.廣西高校糖資源加工重點試驗室，廣西柳州545006）

殼聚糖是一種來源十分廣泛的生物質高分子資源，具有安全、無毒、生物相容性好、微生物可降解等特點[1-2]，被廣泛應用于食品、藥品和精細化學品等的加工與制造[3-5]，在環境污染治理、重金屬提取與回收及生物醫學工程等領域也被廣泛的關注[6-8]。殼聚糖的加工與應用有賴于其溶解行為及適宜的溶液性質。眾所周知，殼聚糖是自然界唯一的堿性多糖[9]，難溶于水而易溶于酸。大量的研究關注了殼聚糖在酸溶液中的溶解行為及溶液性質特點，特別是以乙酸為溶劑的殼聚糖溶解研究較多，包括乙酸的濃度、溶解過程的溫度以及殼聚糖本身的分子量等對殼聚糖溶解行為和溶液性質影響的研究[10-12]。甲酸也是一種有機酸，與乙酸一樣可以溶解殼聚糖[13]，且其具有更大的酸度，更高的電導率，更強的溶解能力，但其作為殼聚糖溶劑的研究與應用較少，特別是其對殼聚糖溶液性質的影響鮮有報道。因此，通過對比分析的方式，以甲酸與乙酸為殼聚糖的溶劑，在不同溫度和時間的條件下，研究不同酸濃度對溶解不同質量分數的殼聚糖及其溶液性質的影響，以期進一步拓展對殼聚糖在不同酸溶液中溶解及溶液性質的認識，使殼聚糖基材料的制備有更多的溶劑選擇。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

殼聚糖（脫乙酰度為80%～95%）：國藥集團化學試劑有限公司；甲酸（濃度為98%）：西隴化工股份有限公司；乙酸（濃度為99.5%）：廣東光華科技股份有限公司；上述試劑均為分析純。

DDS-307A電導率儀：上海儀電科學儀器股份有限公司；NDJ-8S數顯黏度計：邦西儀器科技有限公司；PH值S-25 pH值計：上海班特儀器制造有限公司；PR124ZH/E電子天平：奧豪斯儀器有限公司；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器：鞏義市予華儀器有限責任公司；DK-98-電熱恒溫水浴鍋：泰斯特儀器有限公司；HH-6六孔同溫異步磁力攪拌水浴鍋：常州市金壇區金城富威試驗儀器廠。

1.2 試驗方法

1.2.1 酸濃度的配置

分別針對甲酸和乙酸，選取1%、2%、3%、4%、5%5個酸濃度（即酸在溶液中的質量分數）開展試驗研究，指定酸濃度的溶劑均采用高濃度酸加水的方式進行配置。

1.2.2 殼聚糖溶液的制備

分別稱取 0.5、1、1.5、2、2.5、3 g殼聚糖加入到指定酸濃度的溶劑中進行溶解，配置成殼聚糖濃度為0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%的甲酸或乙酸溶液。溶解過程在恒溫水浴鍋中進行，持續2 h，溶解過程中由磁力攪拌轉子緩慢攪拌，各溶液的攪拌速度相同，約為100 r/min。所制備的殼聚糖溶液共60份，即上述6種殼聚糖濃度，每個殼聚糖濃度10份，分2種酸，每種酸又有5個不同的酸濃度。

1.2.3 pH值、電導率和黏度的測定

分別采用pH值計、電導率儀和黏度計測量每份完全溶解后殼聚糖溶液的pH值、電導率和黏度，其中對于不同溫度條件的指標測量，采用水浴鍋逐步加熱至指定溫度，在該溫度下穩定1 h后進行測量。本文研究的溫度包括 30、40、50、60、70 ℃ 5個設置。對于放置時間影響的研究，殼聚糖溶液封口放置在恒溫（30℃）、避光的環境處，前6 h每隔1 h測量一次，之后每隔24 h測量一次。記錄并整理測量數據，通過繪制不同酸濃度與殼聚糖濃度下的pH值、電導率和黏度變化曲線圖以及參數值變化，分析3種參數的變化規律。

2 結果與分析

2.1 殼聚糖濃度對其溶液性質的影響

分別以1%～5%的甲酸或乙酸為溶劑，在30℃下溶解殼聚糖，獲得濃度為0.5%～3%殼聚糖溶液，并對其完全溶解后的溶液pH值、電導率和黏度進行測量，其結果見圖1。

圖1 殼聚糖濃度對其溶液的pH值、電導率和黏度的影響Fig.1 The effect of chitosan concentration on pH值，conductivity and viscosity

由圖1A可知，在酸濃度相同的情況下，以甲酸為溶劑的殼聚糖溶液pH值更大；兩種酸的殼聚糖溶液pH值隨著酸濃度的增大而下降，其中甲酸的殼聚糖溶液pH值下降幅度更大，這說明甲酸pH值與其酸濃度之間的關系較乙酸敏銳。上述結果與兩種酸自身的性質基本一致；而就溶液pH值與殼聚糖濃度的關系而言，對所有酸濃度的甲酸和乙酸，均呈現出pH值隨殼聚糖濃度的增加而逐漸增加的趨勢。分析認為：溶液的pH值取決于溶液中游離H+和OH-的濃度，而殼聚糖的溶解機理是由于殼聚糖上的氨基發生質子化，使之成為水溶性陽離子聚電解質[14]，換言之，殼聚糖溶液pH值的變化可以表示出溶液中游離H+的量，從而間接表示殼聚糖氨基的質子化程度，即殼聚糖的溶解程度。而從圖1A可以看出，由于殼聚糖的質子化，在酸濃度恒定比例的條件下，殼聚糖濃度的增加導致更高的溶液pH值，而在恒定的殼聚糖濃度比例下，酸濃度的增加則導致更低溶液pH值，這與Hamdine等[15]的試驗結果是一致的。由于相同溶液環境下甲酸擁有更高的電離常數，能釋放出更多的H+，因此甲酸的pH值值更低，且隨著濃度的提升，溶液pH值下降更為明顯，從而更有利于殼聚糖的溶解。

由圖1B可知，無論是何種酸濃度的殼聚糖溶液，其電導率都隨殼聚糖濃度的增加而增加。分析認為：在甲酸和乙酸溶液中，存在著解離的羧酸根離子、氫離子和未解離的羧酸分子，當殼聚糖溶解于這兩種有機酸時，氨基首先結合游離的氫離子質子化，這時，由于靜電作用攜帶運轉電荷的自由離子與攜帶正電荷的殼聚糖鏈相互排斥，使得殼聚糖大分子趨于舒張。當游離的氫離子完全結合后，隨著殼聚糖濃度的增加，更多的殼聚糖與未解離的羧酸分子相互作用，使羧酸分子解離，從而提高了殼聚糖溶液的電導率[15]。同時，從圖1B可以看出，在殼聚糖濃度相同的條件下，以甲酸為溶劑的殼聚糖溶液電導率隨酸濃度的增加而增加，而乙酸組電導率則隨酸濃度增加基本保持不變。分析認為：甲酸的電離常數比乙酸大，使得在恒定的殼聚糖濃度比例下乙酸的電導率隨酸濃度的變化并沒有甲酸的明顯。

由圖1C可知，初始溫下（30℃）無論是何種酸濃度的溶液，其黏度都隨殼聚糖濃度的增加而增加。分析認為：隨著殼聚糖濃度的提升，當溶液中的酸足以使殼聚糖溶解，而溶液中殘余的酸不多時，殼聚糖分子內-HN3+基團產生的靜電作用，使得大分子趨于舒張，從而得到較高的黏度值[16]。而當溶液中殼聚糖濃度恒定時，溶液黏度隨著酸的濃度的增加略提升。這是由于酸濃度的增加，使得溶液中的離子強度增大，-HN3+離子周圍聚集的酸負離子增多，降低了大分子內-HN3+的靜電作用，從而使帶電大分子趨于卷曲，降低溶液的黏度[17]。其中乙酸濃度為1%的溶液黏度突出，這可能是由于低濃度的乙酸并未使高濃度的殼聚糖完全溶解造成的[18]。

2.2 殼聚糖溶解溫度對其溶液性質的影響

分別以1%～5%的甲酸或乙酸為溶劑，在試驗設計的溫度下溶解殼聚糖，獲得濃度為0.5%～3%殼聚糖溶液，并對其完全溶解后的溶液pH值、電導率和黏度進行測量。殼聚糖溶液pH值隨溶解溫度的變化情況結果見圖2。

圖2 殼聚糖溶液pH值隨溶解溫度的變化情況Fig.2 The pH value curves along with dissolving temperature

由圖2可知，當殼聚糖溶液中的酸濃度相同時，隨著溫度的升高，以乙酸為溶劑的殼聚糖溶液pH值隨乙酸濃度的增加略有下降；而以甲酸為溶劑的殼聚糖溶液pH值隨溫度并沒有明顯的變化；同時，由圖2（A）和（B）可以看出，在低濃度的甲酸溶液中，pH值會先下降，后保持在一定的數值范圍內。而由圖2（A）和（C）可知，高濃度的甲酸溶液中，pH值會先上升后下降。分析認為：溫度的升高有利于殼聚糖分子的舒展[19]，并促進弱酸的電離平衡向電離方向移動，從而釋放出氫離子，降低溶液的pH值。而隨著溫度和酸濃度的進一步提升，溫度對甲酸、乙酸的電離常數和殼聚糖分子的舒展程度皆存在不同程度的影響，使得pH值變化存在差異。

殼聚糖溶液電導率隨溶解溫度的變化情況見圖3。

圖3 殼聚糖溶液電導率隨溶解溫度的變化情況Fig.3 The conductivity curves along with dissolving temperature

由圖3可知，在當殼聚糖濃度比例相同的條件下，不同乙酸濃度的殼聚糖溶液電導率變化相對穩定，且隨溫度的增加略有上升。圖3（A）～（C）可以看出，當溫度逐漸增加時，在低濃度殼聚糖溶液中，甲酸濃度越高，電導率越低，這是由于弱酸的電離常數隨溫度的升高而下降，電離的氫離子減少，且滿足低濃度殼聚糖的溶解需求，使得電導率隨著甲酸濃度的升高而下降[15]。而圖 3（D）～（F）可知，隨著溫度的增加，以甲酸為溶劑的殼聚糖溶液電導率隨著甲酸濃度的下降略有增加?？梢钥闯?，此時溶液的電導率仍取決于殼聚糖的濃度，殼聚糖分子的舒展與有機酸的電離平衡移動導致電導率逐漸上升。通過上述分析可以得知，溫度對兩種酸為溶劑的殼聚糖溶液可能起到了相似的作用。

殼聚糖溶液黏度隨溶解溫度的變化情況見圖4。

圖4 殼聚糖溶液黏度隨溶解溫度的變化情況Fig.4 The viscosity curves along with dissolving temperature

由圖4可知，在酸濃度相同的條件下，兩種酸的殼聚糖溶液黏度變化趨勢是一致的，都隨著溫度升高而降低。這是由于溫度升高，殼聚糖分子的運動加劇，分子間相互作用減弱，分子流動阻力降低，因而黏度下降[20]。從圖 4（B）～（E）可以看出，當酸濃度為 1%時，初始溫度下（30℃），以乙酸為溶劑的殼聚糖溶液黏度更高，且隨著殼聚糖濃度的提升，兩者的黏度差距逐漸增大。當溫度逐漸增加時，二者的黏度呈現下降趨勢且差距逐漸減小，當溫度大于50℃后，黏度差異不明顯，證明溫度對兩種酸為溶劑的殼聚糖溶液具有相同的作用效果，使黏度隨著溫度的升高而降低。值得注意的是，在圖4（A）中，初始溫度下，以乙酸為溶劑的高濃度殼聚糖溶液（＞3%）相較與甲酸組其黏度尤為突出，這也證實了在乙酸濃度為1%的殼聚糖溶液中，低濃度的乙酸并未使高濃度的殼聚糖完全溶解的事實。

2.3 殼聚糖溶液放置時間對黏度的影響

為進一步表征殼聚糖溶液的穩定性，分別以1%～5%的甲酸或乙酸為溶劑溶解殼聚糖，獲得濃度為0.5%～3%殼聚糖溶液。按照試驗預定的間隔時間對溶液的黏度進行測量，其結果見圖5，圖中每條曲線代表一種溶液的黏度隨時間變化的情況。

圖5 殼聚糖溶液黏度隨放置時間的變化Fig.5 The viscosity curves along with preserve time

由圖5可知，不同酸濃度的殼聚糖溶液黏度隨著存放時間的增加具有相似的變化。在起初的6 h內，殼聚糖溶液黏度有所上升，這是由于溶液溫度和溶液狀態未穩定引起的變化。在之后的6 d黏度檢測中，殼聚糖溶液黏度均有所下降，隨著時間的延長，最終趨于平緩。分析認為：殼聚糖分子中縮醛結構的存在，在酸性溶液中會緩慢降解，分子量降低，溶液的黏度隨之降低[13，20]，直至保持在相對穩定的狀態。進一步地，圖5（B）～（E）可知，當酸的濃度大于1%時，以甲酸為溶劑的殼聚糖溶液黏度比乙酸大，且隨著時間的延長，下降幅度較小，且這種黏度上的差距隨殼聚糖濃度的增加而增加。分析認為：隨著殼聚糖分子在兩種酸溶液中的降解反應，甲酸和乙酸進一步電離以維持電離平衡，但過多的酸根離子會屏蔽聚電解質分子間的靜電斥力，因而造成分子鏈收縮，鏈與鏈之間的纏結減弱，最終使得殼聚糖在乙酸中的黏度低于甲酸[12]，隨著酸濃度的增加，相同濃度下的乙酸溶液電離出更多的酸根離子，使得兩種殼聚糖溶液的黏度差距逐漸增大。

3 結論

通過改變甲酸與乙酸在殼聚糖溶液中的濃度，對不同質量分數、溶解溫度和存放時間條件下殼聚糖溶液的pH值、電導率和黏度進行對比分析，結果表明：以甲酸為溶劑的殼聚糖溶液體系中含有更多的H+，提高了殼聚糖氨基的質子化速度，從而加快了殼聚糖的溶解。溶解溫度的升高有利于殼聚糖分子的舒展和有機酸的電離，從而使殼聚糖溶液的黏度下降，而當溶解溫度大于50℃時，殼聚糖濃度下降速率相同。在存放時間方面，當溶液中酸濃度大于1%時，以甲酸為溶劑的殼聚糖溶液具有更高的黏度，且保持在相對穩定的范圍內，而以乙酸為溶劑的殼聚糖溶液黏度則隨存放時間的增加有所下降，且隨著殼聚糖濃度的增加，甲酸組的溶液黏度較乙酸組有更為明顯的提升。綜上所述，通過分析、比較兩種酸為溶劑的殼聚糖溶液性質，甲酸更適合用于殼聚糖溶液制備。