一种甲壳类原料清洁生产壳聚糖及羧甲基壳聚糖新工艺.pdf

本发明涉及一种甲壳类原料清洁生产壳聚糖及羧甲基壳聚糖新工艺。虾壳、蟹壳等甲壳类原料经粉碎后，不经脱钙、脱蛋白可直接在醇～碱～水混合体系中反应，可以洗涤过滤得到含碳酸钙的壳聚糖粗品直接使用；也可以直接加入氯乙酸进行壳聚糖羧甲基化的“一锅煮”反应，反应完的固体洗涤、过滤、干燥后得到羧甲基壳聚糖和碳酸钙混合物粗品直接使用或加水溶解产物，分离的碳酸钙可作为填料，溶液可直接或浓缩干燥后作为产品，也可用醇析得到纯品羧甲基壳聚糖。系列粗品或纯品在造纸、粘结剂、涂料、缓控释肥料等领域用途广泛。洗涤后的滤液含有氨基酸和小肽，浓缩回收溶剂后可以作为动物氨基酸饲料原料或植物氨基酸肥料或微生物氮源养料。

1.  一种甲壳类原料清洁生产壳聚糖及羧甲基壳聚糖新工艺，主要步骤为：将甲壳类原料粉碎至30～300目，在醇～碱～水混合体系中使甲壳素脱乙酰基成壳聚糖，同时使蛋白降解成氨基酸、小肽，然后可将反应完成后的固体加水洗涤，过滤得到壳聚糖、碳酸钙混合物；也可以在反应完成后直接加入氯乙酸对其中的壳聚糖进行羧甲基化，反应后的固体经洗涤、过滤得到羧甲基壳聚糖、碳酸钙混合物。

2.  如权利要求1所述的方法，其特征在于：甲壳类原料可以为虾、蟹壳等甲壳类动物壳，醇可以选择异丙醇、乙醇、正丁醇等，碱可以选择氢氧化钠、氢氧化钾等强碱。

3.  如权利要求1所述的方法，在醇-碱-水体系中，甲壳素脱乙酰化反应温度为室温～沸腾温度，反应时间为1～12h；羧甲基化反应温度为室温～70℃，反应时间为0.5～12h。

4.  如权利要求1所述的方法，醇与原料的质量比为1～5∶1，水与原料的质量比为0.1～0.5∶1，碱与原料的质量比为0.2～0.5∶1；在羧甲基化反应中，一氯乙酸与原料的质量比为0.1～0.5∶1，一氯乙酸分批加入。

5.  如权利要求1所述的方法，其特征在于：羧甲基壳聚糖、碳酸钙混合物可加水溶解产品分离出碳酸钙沉淀，水溶液可直接使用或醇析得较纯的羧甲基壳聚糖。

6.  如权利要求1所述的方法，过滤分离得到的蛋白质水解液，经浓缩回收氨基酸、小肽，同时溶剂循环套用。

7.  使用上述的方法所得到的系列壳聚糖或羧甲基壳聚糖粗品或纯品在造纸、粘结剂、缓控释肥料等领域的应用也属于本权利要求范围。

一种甲壳类原料清洁生产壳聚糖及羧甲基壳聚糖新工艺
技术领域
本发明专利涉及一种甲壳类原料清洁生产壳聚糖及羧甲基壳聚糖新工艺，属生物质利用及天然产物改性技术领域。
背景技术
甲壳素(chitin)是地球上仅次于纤维素的第二大可再生资源，广泛存在于节肢动物、软体动物、环节动物、原生动物及真菌和藻类的细胞壁中，其中虾、螃蟹等甲壳类的甲壳富含15％-35％的甲壳素，每年甲壳素生物合成量约为1000多亿吨。甲壳素的基本单元是乙酰葡萄糖胺，它是由1000-3000个乙酰葡萄糖胺残基通过β-(1→4)-糖苷键连接而成的聚合物。壳聚糖(chitosan)是甲壳素N-脱乙酰化的产物，是自然界唯一大量存在的含氮碱性多糖。甲壳素由于分子内和分子间氢键的存在，形成了大分子的二级结构，同时由于分子结构的规整性，使甲壳素分子容易形成结晶，因而使甲壳类生物具有坚硬的外壳，难溶于水和有机溶剂中。通过甲壳素的低成本提取和衍生化，可为丰富的甲壳素资源开发及后石油时代的原材料保障增加新途径。
羧甲基壳聚糖是一种重要的水溶性的甲壳素衍生物，具有增稠、粘结、成膜、吸湿、乳化等作用，可用于化妆品、医药、化工、农业、造纸等领域。例如在纸浆中加入甲壳素衍生物助剂不仅可以获得抗菌、防霉、除臭、吸湿的效果，而且还可以达到抗皱、抗静电、提高强度的功能；特别是用于处理生活用纸，可使纸张具有手感柔软、丰满、舒适的物性。但由于羧甲基壳聚糖至今尚无具备经济技术可行性的工业应用技术和产品销售，因此开发质优价廉、绿色环保的生产羧甲基壳聚糖工艺方法极具价值。
现有的制备羧甲基壳聚糖的方法大多以壳聚糖为原料，在有机溶剂介质中碱化后，再进行羧甲基化反应，或者以甲壳素为原料在碱液和有机溶剂混合溶液中进行脱乙酰再羧甲基化。这些方法的主要缺点在于：
1)原料甲壳素的提取成本高，采用了虾壳蟹壳稀酸脱钙，再经过5％～8％的碱液长时间蒸煮脱蛋白工艺，不仅酸碱和能耗大，而且造成严重环境污染。
2)酸处理过程中易导致甲壳素降解，浪费了宝贵的生物钙资源。
3)壳聚糖是用甲壳素在40～50％的浓碱液中脱乙酰基，需经分离、洗涤得到。而制备羧甲基 壳聚糖时还需低温碱化，不但工艺复杂，而且碱耗、能耗、废水量大。
4)现有甲壳素及其衍生物生产工艺未能实现虾蟹壳等甲壳类资源的全价利用，造成了生物钙，蛋白资源浪费和严重的环境污染，导致生产成本高，产品价格昂贵，制约了丰富的甲壳类资源的开发。
发明内容
甲壳类原料主要成分是碳酸钙、蛋白质和甲壳素，现有的甲壳素提取均是采取用酸溶解碳酸钙，碱脱蛋白的提取方式，导致酸碱消耗量大，蛋白、生物钙难以利用，同时还会造成甲壳素降解。因此提出了在醇～碱～水体系中“一锅法”对甲壳素进行衍生物化制备壳聚糖或者羧甲基壳聚糖，同时利用碳酸钙以及蛋白资源。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：将甲壳类原料粉碎，在醇～碱～水混合体系中使甲壳素脱乙酰基成壳聚糖，同时使蛋白降解成氨基酸、小肽，然后可将反应完成后的固体加水洗涤，过滤得到壳聚糖、碳酸钙混合物；也可以在反应完成后直接加入氯乙酸对其中的壳聚糖进行羧甲基化，得到羧甲基壳聚糖。方案包括如下步骤：
1)虾蟹壳固体干燥粉碎成30～300目的粉末备用。
2)将固体碱加入醇水混合体系中，搅拌形成白色糊状液体，然后称一定量的粉末加入到上述混合液中，加热搅拌下，甲壳素充分脱乙酰，蛋白充分水解，反应完成后可以将固体洗涤、过滤得壳聚糖、碳酸钙混合物，滤液回收氨基酸、小肽等物质；也可以直接进行下一步反应。
3)甲壳素充分脱乙酰完成后，在体系中分3～7次加入一氯乙酸，加热下进行壳聚糖的羧甲基化反应。
4)产物用70％乙醇溶液洗涤3次，滤液回收氨基酸、小肽等物质，溶剂循环利用。固体干燥得羧甲基壳聚糖和碳酸钙混合物直接使用，或者混合物可加水溶解产品分离出碳酸钙沉淀，水溶液可直接使用或醇析得较纯的羧甲基壳聚糖。
工艺优化的结果表明：醇选择异丙醇、乙醇、正丁醇等，碱选择氢氧化钠、氢氧化钾等强碱。甲壳素脱乙酰化反应温度为室温～沸腾温度，反应时间为1～12h；羧甲基化反应温度为室温～70℃，反应时间为0.5～12h。醇与原料(含15％甲壳素)的质量比为1～5∶1，水与原料的质量比为0.1～0.5∶1，碱与原料的质量比为0.2～0.5∶1；在羧甲基化反应中，一氯乙酸与原料的质量比为0.1～0.5∶1。
本发明是在醇～碱～水混合体系中反应，由于醇分子带有一个体积较大的疏水基并且只有 一个活泼氢，因此醇体系的氢键及对OH^-的溶剂化作用比水弱得多，OH^-的碱性和亲核性比水体系大，该体系实现对致密甲壳表面结晶区的穿透和进攻，克服“屏蔽”效应，增强对酰基的亲核能力，实现较短时间、较低碱浓度、较低温度下蛋白降解成氨基酸和小肽以及甲壳素脱乙酰制备壳聚糖的反应。同时壳聚糖在有机体系和强碱体中可充分溶胀碱化，为一氯乙酸盐分子渗入和羧甲基化反应创造了条件，可以提高一氯乙酸转化率，实现“一锅煮”反应。
过滤分离得到的蛋白质水解液，经浓缩回收氨基酸、小肽(参见附图2)，同时溶剂循环套用。氨基酸、小肽可用于植物肥料、微生物营养源、海洋生物饲料添加剂等，甲壳类资源中宝贵蛋白资源得到了利用。生物碳酸钙可作为产品成分或原料广泛应用，壳聚糖或羧甲基壳聚糖粗品或纯品在造纸、粘结剂、缓控释肥料等领域的应用。新工艺避免了酸碱的大量消耗和废水的产生，实现了节能降耗和清洁生产。
具体实施步骤
1原料分析及准备
将对虾虾壳中粉碎成30-300目备用，基本成分的含量为：碳酸钙48％、甲壳素15％、脂质及蛋白37％。
2甲壳素脱乙酰
氢氧化钠水溶液加入异丙醇中配置成异丙醇-碱-水体系，搅拌形成白色糊状混合物，然后称一定量的粉末加入到上述混合液中，搅拌下反应3h，使甲壳素充分脱乙酰，蛋白充分降解，相关工艺优化的实验内容如下：
A：氢氧化钠不同用量(m_(虾壳粉)：m_{(氢氧化钠)}=4∶1，3.5∶1，3∶1，2.5∶1)对甲壳素脱乙酰效果的影响
B：体系中含水量(5％，10％，15％，20％)对甲壳素脱乙酰效果的影响
C：不同温度(50℃，55℃，60℃，65℃)对甲壳素脱乙酰效果的影响
3壳聚糖羧甲基化
上述反应完成后，直接在体系中分3～7次加入一氯乙酸，进行羧甲基化反应3h，相关工艺实验内容如下：
A：一氯乙酸不同用量(m_(虾壳粉)：m_(-氯乙酸)=10∶1，8∶1，6∶1，4∶1)对壳聚糖羧甲基化效果的影响
B：不同温度(45℃，50℃，55℃，60℃)对壳聚糖羧甲基化效果的影响
4产品分析
产品的相关检验和分析方法参见表一
表一：产品分析项目及分析方法


附图说明：
附图1甲壳素、壳聚糖、羧甲基壳聚糖的FT-IR谱图
附图2制备羧甲基壳聚糖废液物质的13C-NMR图谱
具体实施方式
本发明可用下文中的实施例作进一步的说明。以下的实施例反映了不同氢氧化钠、一氯乙酸、温度、水含量条件下的实施效果及产品在造纸中的应用实施效果等。
实施例1
在异丙醇水混合体系中加入氢氧化钠固体，60℃下搅拌一段时间形成糊状液体，然后分别称虾壳粉末加入到上述混合液中，电动搅拌3h，甲壳素充分脱乙酰基，固体加水洗涤得壳聚糖、碳酸钙混合物，然后盐酸溶解壳聚糖和碳酸钙，乙醇反沉淀出壳聚糖，用70％醇水溶液反复洗涤除去氯化钙得纯品壳聚糖。通过酸碱滴定测定脱乙酰度。不同m(虾壳粉)：m(氢氧化钠)、含水量、温度下的相关实验结果参见表二、表三、表四。
表二氢氧化钠的量对甲壳素脱乙酰度的影响

表三含水量对甲壳素脱乙酰度的影响


表四温度对甲壳素脱乙酰度的影响

实施例2
在含10％水的100ml异丙醇水混合体系中分别加入15g氢氧化钠固体，60℃下搅拌一段时间形成糊状液体，然后分别称45g脱钙虾壳粉末加入到上述混合液中，60℃下电动搅拌3h，甲壳素充分脱乙酰基后。再分3～7次分别加入一氯乙酸，对壳聚糖进行羧甲基化3h。过滤分离得到的固体用70％乙醇溶液洗涤得羧甲基壳聚糖、碳酸钙混合物。混合物加水溶解，离心得到的上清液加入5倍体积量乙醇沉淀，然后再用80％乙醇洗涤沉淀三次，干燥得纯品羧甲基壳聚糖，电位滴定法测定产品的羧化度。不同m_(虾壳粉)：m_(-氯乙酸)、温度下的相关实验结果参见表五、表六。
表五一氯乙酸的量对壳聚糖羧化度的影响

表六温度对壳聚糖羧化度的影响

实施例3
在含10％水的100ml乙醇水混合体系中加入30g氢氧化钠固体搅拌均匀，然后称45g脱钙虾壳粉末加入到上述混合液中，80℃下电动搅拌回流3h，甲壳素充分脱乙酰基。再分3～7 次加入一氯乙酸，对壳聚糖进行羧甲基化3h。产品用醇水溶液洗涤干燥得28g混合物。加水溶解沉淀出碳酸钙21g，溶液用乙醇反沉淀得羧甲基壳聚糖6.8.g。羧甲基壳聚糖产品的脱乙酰度为0.72，羧化度0.69。
实施例4
在含10％水的100ml异丙醇水混合体系中分别加入15g氢氧化钠固体，60℃下搅拌一段时间形成糊状液体，然后称45g脱钙虾壳粉末加入到上述混合液中，60℃下电动搅拌3h，甲壳素充分脱乙酰基后。再分3～7次加入7.5g一氯乙酸，对壳聚糖进行羧甲基化3h。产品用醇水溶液洗涤三次，干燥得羧甲基壳聚糖、碳酸钙混合物28.5g，得率(按虾壳重量算)63.3％。滤液旋转蒸发除去醇水溶液，剩余含氨基酸、小肽等物质的固体真空干燥得33.2g，经元素分析得含氮量为4％。碳酸钙、羧甲基壳聚糖混合物加水溶解沉淀出碳酸钙21g，碳酸钙得率为97％。溶液用乙醇反沉淀，干燥得羧甲基壳聚糖7.5g，得率为(按甲壳素重量算)115％。
实施例5
在纸浆中加入羧甲基壳聚糖(脱乙酰度为0.82，羧化度为0.89，2％粘度为453mPa.s)然后进行抄纸，测定纸张的各项性能，相关结果汇总如表七。
表七羧甲基壳聚糖添加量对纸张各项性能的影响