一种连续制备不同脱乙酰度的甲壳素/壳聚糖溶液的方法与流程

本发明涉及一种连续制备不同脱乙酰度的甲壳素或壳聚糖的方法，属于高分子领域，也属于农业工程领域。

背景技术：

虾壳、蟹壳、鱿鱼顶骨等海洋废弃物中含有大量的甲壳素，甲壳素是海洋和湖泊中产量最多的天然高分子。大量研究表明，甲壳素分子间存在着大量的氢键，结晶度较高，甲壳素不溶于水和常用的有机溶剂，因而大大限制了甲壳素的应用。壳聚糖是甲壳素脱乙酰化的产物，当n-脱乙酰度在55％以上时，甲壳素转变为壳聚糖。壳聚糖不但具有良好的生物相容性和生物可降解性，还具有抗菌性，能够促进伤口的愈合，具有止血作用，在生物医疗领域有着广泛的应用。不同脱乙酰度的甲壳素/壳聚糖具有不同的生物性质，亲疏水性，和降解时间，因此制备不同脱乙酰度的甲壳素/壳聚糖溶液极为必要。

甲壳素在碱液中的脱乙酰化反应是制备不同脱乙酰度的甲壳素和壳聚糖的重要途径，实际上从甲壳素到壳聚糖，就是对甲壳素进行脱乙酰化反应从0到100％。按照一般衍生化天然高分子的研究范式，对于甲壳素和壳聚糖的研究应该从取代度为0～100％，来进行系统性的研究。目前，工业上采用氢氧化钠水溶液对甲壳素原料进行脱乙酰制备具有不同脱乙酰度的甲壳素和壳聚糖，最终产物的脱乙酰度取决于脱乙酰过程的反应温度和反应时间。实际上，甲壳素脱乙酰化反应后得到的是氢氧化钠、水和一定脱乙酰度的甲壳素/壳聚糖的混合物，它并不能直接被利用，需要将甲壳素/壳聚糖从碱液中分离，干燥。并且，只有得到纯的甲壳素或壳聚糖之后，才能用一些溶剂体系去溶解(比如，醋酸水溶液溶解壳聚糖，离子液体溶解甲壳素，等等)，制备出相应的甲壳素/壳聚糖的溶液。所以，制备不同脱乙酰度的甲壳素/壳聚糖溶液是由两个完全独立的步骤组成的：(1)不同脱乙酰度的甲壳素/壳聚糖的制备和纯化；(2)纯的甲壳素/壳聚糖的溶解。因此，其中的分离、纯化和对碱液的处理，不可避免地降低了生产效率，增加了能耗和时间成本。如果能够将脱乙酰和溶解这两个步骤合并，连续地从甲壳素制备出不同脱乙酰度的甲壳素/壳聚糖溶液，能够以最大效率，最节能的方式充分利用这些海洋废弃物资源。

甲壳素和壳聚糖的溶解性能差异极大。从海洋废弃物虾壳、蟹壳、鱿鱼骨等经过酸、碱处理后提取出的甲壳素会发生轻微的脱乙酰化，这种甲壳素的脱乙酰度一般在2～8％，它能够被licl-dmac、cacl2-乙醇、离子液体、碱-尿素水溶液等溶剂体系溶解。当脱乙酰度高于60％之后，脱乙酰化的甲壳素被称为壳聚糖，它能够被酸性水溶液溶解。甲壳素和壳聚糖特殊的溶解条件造成了具有不同脱乙酰度的甲壳素/壳聚糖必须被分离、纯化。

研究表明，不同脱乙酰度的甲壳素/壳聚糖的降解速度有明显区别，在实际应用中，尤其是作为生物材料对降解时间有不同的需求(k.kofujietal.europeanpolymerjournal2005,41,2784–2791)。目前，对于脱乙酰度在10～90％的不同脱乙酰度的甲壳素/壳聚糖的溶剂体系研究处于空白，找到一个横跨甲壳素和壳聚糖的直接溶解体系对于扩大甲壳素壳聚糖的应用范围极为必要。

目前用于从虾壳、蟹壳鱿鱼骨中提取出的甲壳素(脱乙酰度＜10％)的碱性水溶剂使用的是氢氧化钠-尿素的组合(carbohydr.polym.,2007,70,451-458.,j.mater.chem.,2012,22,5801-5809.)，氢氧化钾-尿素的组合(adv.funct.mater.,2017,doi:10.1002/adfm.201701100)。用于溶解脱乙酰度大于60％的壳聚糖的碱性水溶剂使用的是氢氧化锂-氢氧化钠-尿素的组合(专利201110099176.3)，氢氧化锂-氢氧化钾-尿素的组合(专利201310405191.5)，氢氧化钠-尿素的组合(j.appl.polym.sci.,2014,131(3):1082-1090.)，氢氧化锂-尿素的组合(carbohydr.polym,2009,78,66–71)。这些组合溶剂在溶解甲壳素和壳聚糖的过程中，都需要经过一次或者多次的冷冻-解冻循环，并且只能针对特定脱乙酰度的甲壳素或壳聚糖(acssustainablechem.eng.2017,5,2725-2733)，溶解能力极为有限。特别的，不使用氢氧化锂，单独使用氢氧化钠-尿素的组合需要经过5次以上的冷冻-解冻循环；使用氢氧化锂对于壳聚糖的溶解效果会有大幅度提升，只需要一次冷冻-解冻就可以完成溶解(macromolecules2015,48,2706-2714)。

目前存在的问题是：一方面，冷冻-解冻会造成大量能源的消耗，难以工业化应用；另一方面，氢氧化锂的锂离子具有生理毒性，且我国锂矿资源稀少，锂价格昂贵；此外缺乏一个涵盖甲壳素脱乙酰和脱乙酰后的溶解的完备体系。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中不能用一个连续的步骤同时将甲壳素脱乙酰化和将脱乙酰化的产物溶解，从而制备出不同脱乙酰度的甲壳素或壳聚糖溶液的问题。提供一种可以不经过分离纯化，以更加绿色，高效，节能的方式制备出不同脱乙酰度的甲壳素/壳聚糖溶液的方法，本方法有助于不同脱乙酰度的甲壳素/壳聚糖被加工成不同形式的产品。另外，本方法不依赖锂盐，绿色，环保，经济。

本发明的技术方案可以通过以下技术措施来实现：

一种连续制备不同脱乙酰度的甲壳素/壳聚糖溶液的方法，包括如下步骤：

(1)配制质量分数为40％以上的氢氧化钾水溶液，按甲壳素与氢氧化钾水溶液的料液比为1：100到1：4将甲壳素分散在氢氧化钾水溶液中，在60℃～170℃下脱乙酰化1分钟以上，得到脱乙酰度为10％～90％的甲壳素或壳聚糖与氢氧化钾、水的混合物；

(2)向步骤(1)所得甲壳素或壳聚糖与氢氧化钾、水的混合物中加水，使氢氧化钾：水的重量之比的范围为1：1到1：50，并加入稳定剂，将溶液温度降低到不超过30℃，持续搅拌使之溶解。

优选地，所述稳定剂为尿素、硫脲、聚乙烯醇中的一种或多种，并且加入的稳定剂的重量低于溶液总重量的20％。

一种连续制备不同脱乙酰度的甲壳素/壳聚糖溶液的方法，包括如下步骤：

(1)配制质量分数为40％以上的氢氧化钾水溶液，按甲壳素与氢氧化钾水溶液的料液比为1：100到1：4将甲壳素分散在氢氧化钾水溶液中，在60℃～170℃下脱乙酰化1分钟以上，得到脱乙酰度为10％～90％的甲壳素或壳聚糖与氢氧化钾、水的混合物；

(2)用压榨的方式将步骤(1)所得甲壳素或壳聚糖与氢氧化钾、水的混合物进行挤压，挤出一部分氢氧化钾和水，以提高混合物中甲壳素或壳聚糖所占的重量比；

(3)向步骤(2)中被挤压过的甲壳素或壳聚糖与氢氧化钾、水的混合物中加入氢氧化钾、水，调整氢氧化钾：水的重量之比为1：1到1：50，并加入稳定剂，将溶液温度降低到不超过30℃，持续搅拌使之溶解。

优选地，所述稳定剂为尿素、硫脲、聚乙烯醇中的一种或多种，并且加入的稳定剂的重量低于溶液总重量的20％。

一种连续制备不同脱乙酰度的甲壳素/壳聚糖溶液的方法，包括如下步骤：

(1)配制质量分数为40％以上的氢氧化钾水溶液，按甲壳素与氢氧化钾水溶液的料液比为1：100到1：4将甲壳素分散在氢氧化钾水溶液中，在60℃～170℃下脱乙酰化1分钟以上，得到脱乙酰度为10％～90％的甲壳素或壳聚糖与氢氧化钾、水的混合物；

(2)将步骤(1)所得甲壳素或壳聚糖水洗、纯化；

(3)向步骤(2)所得纯化后的甲壳素或壳聚糖中加入氢氧化钾、水，使氢氧化钾：水的重量之比为1：1到1：50，并加入稳定剂，将溶液温度降低到不超过30℃，持续搅拌使之溶解。

优选地，所述稳定剂为尿素、硫脲、聚乙烯醇中的一种或多种，并且加入的稳定剂的重量低于溶液总重量的20％。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)，提供一种无需分离、纯化的，连续制备不同脱乙酰度的甲壳素/壳聚糖溶液的方法，在同一反应体系中依次完成甲壳素的脱乙酰化和溶解，反应条件简单，无需冻融循环处理，节约能源，溶解效率高。

(2)，提供一种无需分离、纯化的，连续制备不同脱乙酰度的甲壳素/壳聚糖溶液的方法，溶解过程不需要用到氢氧化锂，更加环保。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制。

图1是本发明实施例1所得的稳定均一壳聚糖溶液。

具体实施方式

为使本发明更加容易理解，下面将进一步阐述本发明的具体实施例。

以下实施例和对比例中所采用的甲壳素都是从天然的虾壳、蟹壳、鱿鱼顶骨中提取出来的，具体提取步骤为用碱液浸泡除去蛋白质，酸液浸泡除去无机盐，水洗后干燥，得到纯化的甲壳素，并测得脱乙酰度＜10％。

连续制备不同脱乙酰度的甲壳素/壳聚糖溶液的方法如下。

实施例1

将5g甲壳素原料和20g质量分数为60％氢氧化钾水溶液混合后，在80℃条件下加热40分钟，得到脱乙酰度为70％左右的壳聚糖，将壳聚糖碱水混合物冷却至30℃。向上述壳聚糖碱水混合物中加入28g水和6g尿素，30℃下搅拌60分钟，壳聚糖溶解，得到均一稳定的壳聚糖溶液。氢氧化钾：水的比例为1:3，稳定剂尿素所占质量分数为10％。

实施例2

将5g甲壳素原料和20g质量分数为60％氢氧化钾水溶液混合后，在80℃条件下加热40分钟，得到脱乙酰度为70％左右的壳聚糖，将壳聚糖碱水混合物冷却至30℃。向上述壳聚糖碱水混合物中加入46g水和6g尿素，30℃下搅拌60分钟，壳聚糖溶解，得到均一稳定的壳聚糖溶液。氢氧化钾：水的比例为1:4.5，稳定剂尿素所占质量分数为8％。

实施例3

将5g甲壳素原料和20g质量分数为60％氢氧化钾水溶液混合后，在80℃条件下加热40分钟，得到脱乙酰度为70％左右的壳聚糖，将壳聚糖碱水混合物冷却至30℃。向上述壳聚糖碱水混合物中加入64g水和6g尿素，30℃下搅拌60分钟，壳聚糖溶解，得到均一稳定的壳聚糖溶液。氢氧化钾：水的比例为1:6，稳定剂尿素所占质量分数为6％。

实施例4

将5g甲壳素原料和20g质量分数为60％氢氧化钾水溶液混合后，在80℃条件下加热40分钟，得到脱乙酰度为70％左右的壳聚糖，将壳聚糖碱水混合物冷却至30℃。向上述壳聚糖碱水混合物中加入64g水和22g尿素，30℃下搅拌60分钟，壳聚糖溶解，得到均一稳定的壳聚糖溶液。氢氧化钾：水的比例为1:6，稳定剂尿素所占质量分数为20％。

实施例5

将5g甲壳素原料和20g质量分数为60％氢氧化钾水溶液混合后，在80℃条件下加热40分钟，得到脱乙酰度为70％左右的壳聚糖，将壳聚糖碱水混合物冷却至30℃。向上述壳聚糖碱水混合物中加入64g水，30℃下搅拌60分钟，壳聚糖溶解，得到均一的壳聚糖溶液。氢氧化钾：水的比例为1:6，并且不含稳定剂。

实施例6

将5g甲壳素原料和20g质量分数为60％氢氧化钾水溶液混合后，在80℃条件下加热40分钟，得到脱乙酰度为70％左右的壳聚糖，将壳聚糖碱水混合物冷却至30℃。向上述壳聚糖碱水混合物中加入46g水和6g尿素，10℃下搅拌5分钟，壳聚糖溶解，得到均一稳定的壳聚糖溶液。氢氧化钾：水的比例为1:4.5，稳定剂所尿素占质量分数为8％。

实施例7

将5g甲壳素原料和20g质量分数为60％氢氧化钾水溶液混合后，在80℃条件下加热40分钟，得到脱乙酰度为70％左右的壳聚糖，将壳聚糖碱水混合物冷却至30℃。向上述壳聚糖碱水混合物中加入46g水和6g尿素，-20℃下搅拌5分钟，壳聚糖溶解，得到均一稳定的壳聚糖溶液。氢氧化钾：水的比例为1:4.5，稳定剂尿素所占质量分数为8％。

实施例8

将5g甲壳素原料和20g质量分数为60％氢氧化钾水溶液混合后，在170℃条件下加热1分钟，得到脱乙酰度为90％的壳聚糖，将壳聚糖碱水混合物冷却至0℃。向上述壳聚糖碱水混合物中加入32g水和3g尿素，-25℃下搅拌30分钟，壳聚糖溶解，得到均一稳定的壳聚糖溶液。氢氧化钾：水的比例为1:3.3，稳定剂尿素所占质量分数为5％。

实施例9

将5g甲壳素原料和20g质量分数为60％氢氧化钾水溶液混合后，在170℃条件下加热1分钟，得到脱乙酰度为90％的壳聚糖，将壳聚糖碱水混合物冷却至0℃。向上述壳聚糖碱水混合物中加入32g水和3g硫脲，-25℃下搅拌30分钟，壳聚糖溶解，得到均一稳定的壳聚糖溶液。氢氧化钾：水的比例为1:3.3，稳定剂硫脲所占质量分数为5％。

实施例10

将5g甲壳素原料和20g质量分数为60％氢氧化钾水溶液混合后，在170℃条件下加热1分钟，得到脱乙酰度为90％的壳聚糖，将壳聚糖碱水混合物冷却至0℃。向上述壳聚糖碱水混合物中加入32g水和11.25g硫脲，-25℃下搅拌30分钟，壳聚糖溶解，得到均一稳定的壳聚糖溶液。氢氧化钾：水的比例为1:3.3，稳定剂硫脲所占质量分数为20％。

实施例11

将5g甲壳素原料和20g质量分数为40％氢氧化钾水溶液混合后，在80℃条件下加热60分钟，得到脱乙酰度为10％的甲壳素，将甲壳素碱水混合物冷却至0℃。向上述甲壳素碱水混合物中加入32g水和3g聚乙烯醇，-25℃下搅拌30分钟，甲壳素溶解，得到均一稳定的甲壳素溶液。氢氧化钾：水的比例为1:5.5，稳定剂聚乙烯醇所占质量分数为5％。

实施例12

将5g甲壳素原料和20g质量分数为40％氢氧化钾水溶液混合后，在80℃条件下加热60分钟，得到脱乙酰度为10％的甲壳素，将甲壳素碱水混合物冷却至0℃。向上述甲壳素碱水混合物中加入32g水和11.25g聚乙烯醇，-25℃下搅拌30分钟，甲壳素溶解，得到均一稳定的甲壳素溶液。氢氧化钾：水的比例为1:5.5，稳定剂聚乙烯醇所占质量分数为20％。

实施例13

将5g甲壳素原料和20g质量分数为50％氢氧化钾水溶液混合后，在80℃条件下加热60分钟，得到脱乙酰度为30％的甲壳素，将甲壳素碱水混合物冷却至0℃。向上述甲壳素碱水混合物中加入32g水和3g聚乙烯醇，-25℃下搅拌30分钟，甲壳素溶解，得到均一稳定的甲壳素溶液。氢氧化钾：水的比例为1:5.5，稳定剂聚乙烯醇所占质量分数为5％。

实施例14

将5g甲壳素原料和20g质量分数为50％氢氧化钾水溶液混合后，在80℃条件下加热60分钟，得到脱乙酰度为30％的甲壳素，将甲壳素碱水混合物冷却至0℃。向上述甲壳素碱水混合物中加入32g水和11.25g聚乙烯醇，-25℃下搅拌30分钟，甲壳素溶解，得到均一稳定的甲壳素溶液。氢氧化钾：水的比例为1:5.5，稳定剂聚乙烯醇所占质量分数为20％。

实施例15

将5g甲壳素原料和20g质量分数为60％氢氧化钾水溶液混合后，在60℃条件下加热40分钟，得到脱乙酰度为40％的甲壳素，将甲壳素碱水混合物冷却至0℃。向上述甲壳素碱水混合物中加入32g水和3g尿素，-25℃下搅拌30分钟，甲壳素溶解，得到均一稳定的甲壳素溶液。氢氧化钾：水的比例为1:5.5，稳定剂尿素所占质量分数为5％。

实施例16

将5g甲壳素原料和20g质量分数为60％氢氧化钾水溶液混合后，在60℃条件下加热60分钟，得到脱乙酰度为50％的甲壳素，将甲壳素碱水混合物冷却至0℃。向上述甲壳素碱水混合物中加入32g水和11.25g尿素，-25℃下搅拌30分钟，甲壳素溶解，得到均一稳定的甲壳素溶液。氢氧化钾：水的比例为1:5.5，稳定剂尿素所占质量分数为20％。

实施例17

将0.5g甲壳素原料和50g质量分数为60％氢氧化钾水溶液混合后，在60℃条件下加热40分钟，得到脱乙酰度为40％的甲壳素，将甲壳素碱水混合物冷却至0℃。向上述甲壳素碱水混合物中加入70g水，-25℃下搅拌30分钟，甲壳素溶解，得到均一的甲壳素溶液。氢氧化钾：水的比例为1:3。

实施例18

将5g甲壳素原料和20g质量分数为60％氢氧化钾水溶液混合后，在80℃条件下加热60分钟，得到脱乙酰度为80％的壳聚糖，将壳聚糖从碱水混合物中过滤分离，水洗，干燥。

取上述氢氧化钾脱乙酰制备的壳聚糖3g，加入36g水和8g氢氧化钾，4g尿素，-25℃下搅拌30分钟，壳聚糖溶解。氢氧化钾：水的比例为1:4.5，稳定剂尿素所占质量分数为8％。

实施例19

将5g甲壳素原料和20g质量分数为60％氢氧化钾水溶液混合后，在80℃条件下加热60分钟，得到脱乙酰度为70％的壳聚糖，将壳聚糖从碱水混合物中过滤分离，水洗。称量水洗后的壳聚糖质量为10g(干燥测试得出壳聚糖含水量为50％)，并加入12g氢氧化钾，43g水和6g尿素，在20℃搅拌5分钟，壳聚糖溶解，得到稳定均一的溶液。氢氧化钾：水的比例为1:4，尿素所占的质量分数为8.7％。

实施例20

将5g甲壳素原料和20g质量分数为60％氢氧化钾水溶液混合后，在80℃条件下加热60分钟，得到脱乙酰度为70％的壳聚糖，将壳聚糖碱水混合物压榨，提高壳聚糖所占的重量比到33％。向压榨后的壳聚糖碱、水混合物中加入19.5g水、3g尿素，在20℃搅拌5分钟，壳聚糖溶解，得到稳定均一的溶液。氢氧化钾：水的比例为1:3.9，尿素所占的质量分数为8％。

对比例1

将5g甲壳素原料和20g质量分数为60％氢氧化钠水溶液混合后，在100℃条件下加热40分钟，得到脱乙酰度为70％左右的壳聚糖，将壳聚糖碱水混合物冷却至30℃。向上述壳聚糖碱水混合物中加入28g水和6g尿素，30℃下搅拌60分钟，壳聚糖不能溶解。氢氧化钠：水的比例为1:3，稳定剂尿素所占质量分数为10％。

对比例2

将5g甲壳素原料和20g质量分数为60％氢氧化钠水溶液混合后，在100℃条件下加热40分钟，得到脱乙酰度为70％左右的壳聚糖，将壳聚糖碱水混合物冷却至30℃。向上述壳聚糖碱水混合物中加入46g水和6g尿素，0℃下搅拌60分钟，壳聚糖不能溶解。氢氧化钠：水的比例为1:4.5，稳定剂尿素所占质量分数为10％。

对比例3

将5g甲壳素原料和20g质量分数为60％氢氧化钠水溶液混合后，在100℃条件下加热40分钟，得到脱乙酰度为70％左右的壳聚糖，将壳聚糖碱水混合物冷却至30℃。向上述壳聚糖碱水混合物中加入46g水和6g尿素，-20℃下搅拌60分钟，壳聚糖不能溶解。氢氧化钠：水的比例为1:6，稳定剂尿素所占质量分数为10％。

对比例4

将5g甲壳素原料和20g质量分数为50％氢氧化钠水溶液混合后，在60℃条件下加热40分钟，得到脱乙酰度为30％左右的甲壳素，将甲壳素碱水混合物冷却至30℃。向上述甲壳素碱水混合物中加入35g水和6g尿素，-20℃下搅拌60分钟，甲壳素不能溶解。氢氧化钠：水的比例为1:4.5，稳定剂尿素所占质量分数为9.1％。

对比例5

将5g甲壳素原料和20g质量分数为60％氢氧化钠水溶液混合后，在100℃条件下加热60分钟，得到脱乙酰度为70％的壳聚糖，将壳聚糖从碱水混合物中过滤分离，水洗，干燥。

取上述氢氧化钠脱乙酰制备的壳聚糖3g，加入36g水和8g氢氧化钾，4g尿素，-25℃下搅拌30分钟，壳聚糖不能溶解。氢氧化钾：水的比例为1:4.5，稳定剂尿素所占质量分数为8％。

对比例6

将5g甲壳素原料和20g质量分数为60％氢氧化钾水溶液混合后，在80℃条件下加热60分钟，得到脱乙酰度为80％的壳聚糖，将壳聚糖从碱水混合物中过滤分离，水洗，干燥。

取上述氢氧化钾脱乙酰制备的壳聚糖3g，加入36g水和8g氢氧化钠，4g尿素，-25℃下搅拌30分钟，壳聚糖不能溶解。氢氧化钠：水的比例为1:4.5，稳定剂尿素所占质量分数为8％。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。