基于绿色化学理念的壳聚糖制备综合实验教学设计与实践.pdf

第2 5卷 第2期 2 0 2 3年4月滁 州 学 院 学 报J OURNA LO FC HU Z HOUUN I V E R S I T YV o l.2 5N o.2 A p r.2 0 2 3 基于绿色化学理念的壳聚糖制备综合实验教学设计与实践胡 云,祝泽周,张荣莉摘 要:为引导学生运用所学专业知识去分析和解决问题,文章设计了一项适合化学类专业开设的综合性设计实验 壳聚糖制备,在传统酸碱法基础上引入微波技术,用传统酸碱法和微波辅助法两种方法制备壳聚糖,指导学生通过查找资料、交流研讨、设计方案、实验操作和分析实验结果,得到壳聚糖制备更优路径;通过对两种实验方法的比较,帮助学生理解微波技术助推实现化学工业绿色化的前景,培养学生科研思维能力和绿色化学理念。关键词:壳聚糖;微波技术;化学综合设计实验中图分类号:G 6 4 2 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 3-1 7 9 4(2 0 2 3)0 2-0 1 3 1-0 6作者简介:胡云,安徽工程大学化学与环境工程学院讲师,硕士,研究方向:大分子多级组装;祝泽周,张荣莉,安徽工程大学化学与环境工程学院教师(安徽 芜湖2 4 1 0 0 0)。基金项目:安徽工程大学校级科研项目“基于壳聚糖多级组装胶体的温敏性P i c k e r i n g乳液及其在生物催化中的应用”(X j k y 2 0 2 2 1 2 3)收稿日期:2 0 2 2-0 6-0 8 习近平总书记在十九大报告中指出,建设生态文明是中华民族永续发展的千年大计,必须树立和践行绿水青山就是金山银山的理念。当前,绿色环保理念越发深入人心,绿色发展成为高质量发展的重要指标。作为基础学科的化学学科,绿色化学是化学学科发展的方向和目标。化学类专业的学生,将来大多会从事化学工业领域的工作,树立绿色化学理念更是人才培养必备要求。高校具有培养高素质人才的重要使命,必须将绿色化学理念贯穿于学生的整个学习生涯,让其在进入工作岗位前就能认识到可持续发展的重要性,今后才能更好地践行绿色发展理念。化学是一门实验性很强的学科,化学综合实验教学是高校化学类专业人才培养的一项重要内容。教育部 关于进一步加强高等学校本科教学工作的若干意见 中要求“增加综合性与创新性实验”,开设综合性设计实验有利于提高学生查阅文献、设计方案、实验操作和分析结果等方面的能力,进而提升学生的创新意识和科学素养1-2。化学综合实验的教学中,教师习惯于关注学生的实验操作、实验结果、实验报告撰写等情况,而忽略了实验过程中所用试剂对环境造成的污染及对学生绿色环保理念的构建与培养。化学实验中常用的试剂有酸、碱、重金属盐和有机物等,其中大多数都会对环境产生严重的污染,而且实验过程中又会产生废气、废液和废渣等污染物,化学实验注定与“绿色环保”有着密切的联系。因此,绿色化学的理念必须融入到化学实验教学的全过程中,对化学实验进行改进,优化化学实验过程,尽可能减少环境污染或争取无污染,实现化学实验的“绿色化”,这是当下化学实验教学研究的一项重要内容。随着现代科学技术的不断进步,出现了大量的先进仪器,这为化学实验的绿色化提供了技术保障,在实验教学中引入微波、超声波等新的实验技术 是 实 现 化 学 实 验“绿 色 化”的 一 种 重 要 方式3。微波作为一种新型能量形式可用于化学的每个分支领域,例如,用微波促进有机化学反应速度比传统的加热技术快数倍甚至数千倍,具有反应条件温和、操作方便、时间短、能耗低、产率高等优点4。在化学实验教学过程中引入微波技术,不仅可以让学生学习微波技术,还可让其切身体会到新技术对化学实验带来的重大变化。1 设计思路本文设计一个引入微波技术的实验项目 壳聚糖的制备,让学生通过传统方法和微波技术辅助两 种 方 式 制 备 壳 聚 糖。壳 聚 糖(c h i t o s a n,C T S),化学名称为聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-B-D葡萄糖,是甲壳素经脱乙酰化后的产物,具有生物降解性、生物相容性等特征,在环境治理、医药卫生、食品饲料等众多领域有广泛运用5-6。甲壳素广泛存在于自然界,在虾壳、蟹壳中含量较多,故可从虾壳蟹壳中提取。虾壳经脱蛋白、脱盐、脱色等处理后,得到甲壳素,甲壳素经脱乙酰反应可制备壳聚糖7-8。实验中将学生分为两组,一组用传统酸碱法制备壳聚糖,另一组利用微波辅助法制备壳聚糖,让学生自己查阅资料,确定实验方案,最终通过分析各组的实验结果,比较两种方法的差异,让学生认识到引入微波技术可以更环保、更高效的制备壳聚糖。通过这个实验,学生能深切感受到微波技术帮助改进化学工业绿色化的前景,是适合化学类专业的本科生开展的综合性设计实验。此实验的实验原理和实验装置比较简单,实验操作比较简便,适合锻炼本科生的动手能力及创新能力,同时也可潜移默化地向学生渗透绿色化学理念。2 主要材料与仪器氢氧化钠、盐酸、N-乙酰氨基葡萄糖均为分析纯,购于国药集团化学试剂有限公司;鼓风干燥箱(博迅有限公司),微波炉(美的电器有限公司),紫外可见分光光度计(上海美谱达仪器有限公司),乌氏黏度计(上海申谊玻璃制品有限公司)。3 实验内容3.1 虾壳的预处理虾壳洗净后,晾干,放入恒温干燥箱7 0干燥,粉碎后过4 0目筛网,得虾壳粉,密封备用。3.2 甲壳素的提取3.2.1 传统酸碱法实验流程如下:虾壳粉N a OH脱蛋白水洗至中性HC l脱灰分水洗至中性H2O2脱色低温烘干甲壳素称取1 0g的虾壳粉,室温下,用2 0 0m L浓度5%的N a OH溶液浸泡4h,除去虾壳中的蛋白质,倾去碱液,水洗至中性;再用2 0 0m L浓度5%的HC l溶液浸泡4h,除去虾壳中的灰分,倾去酸液,水洗至中性;最后用浓度3 0%H2O2溶液浸泡1h,脱色,水洗至中性,在7 0 干燥后得甲壳素9。3.2.2 微波辅助法实验流程如下:虾壳粉N a OH脱蛋白(微波炉)水洗至中性HC l脱灰分(微波炉)水洗至中性H2O2脱色低温烘干甲壳素称取1 0g的虾壳粉,与1 0 0m L浓度5%的N a OH溶液混合均匀,在微波功率为2 4 0 W条件下,反应时间5m i n,除去虾壳中的蛋白质,倾去碱液,水洗至中性;再与1 0 0m L浓度5%的HC l溶液混合均匀,在微波功率为2 4 0W条件下,反应时间5m i n,除去虾壳中的灰分,倾去酸液,水洗至中性;最后用浓度3 0%H2O2溶液浸泡1h,脱色,水洗至中性,7 0干燥后得甲壳素1 0。3.3 壳聚糖的制备3.3.1 传统碱液法称取2g甲壳素于烧杯中,加入4 0m L浓度5 0%的N a OH溶液混合均匀,置于9 0水浴锅中反应1 0h,反应过程中进行搅拌,反应结束后过滤,水洗至中性,在7 0干燥后得壳聚糖1 1-1 2。3.3.2 微波辅助法称取2g甲壳素于烧杯中,加入2 0m L浓度5 0%的N a OH溶液混合均匀,放入微波炉内,炉内放置半杯水,减少反应过程中反应液水分的蒸发,在微波功率为4 0 0 W条件下,反应2 0m i n,冷却,过滤,水冲洗至中性,在7 0干燥得壳聚糖1 3-1 4。3.4 壳聚糖的检测3.4.1 壳聚糖脱乙酰度的测定采用 紫 外 光 谱 法 测 定 壳 聚 糖 的 脱 乙 酰度1 5-1 6。用0.0 0 1m o l/L标准HC l溶液溶解N-乙酰氨基葡萄糖,测不同浓度溶液的吸光度,绘制标准曲线。称取0.0 2g壳聚糖样品于1 0 0m L的容量瓶中,加入1 0m L的0.0 1m o l/L的HC l溶液搅拌至 样品全部溶 解,用 去 离 子 水 定 容。以0.0 0 1m o l/L的HC l溶液为参比液,测吸光度。根据标准曲线公式,即可得出样品中乙酰基浓度,再计算样品的脱乙酰度:D D%=1 0 0%(1-样品中乙酰基浓度/样品浓度)。3.4.2 壳聚糖相对粘均分子质量的测定以HA c/N a A c缓冲液为溶剂,在2 5水浴中用乌氏粘度计测得壳聚糖的特性粘度。根据公式=KMv 求得粘均相对分子质量(K=1.8 11 0-3,=0.9 3)1 7-1 8。231滁州学院学报 2 0 2 3年第2期4 结果与分析4.1 两种方法提取甲壳素的比较用传统酸碱法去除虾壳中的蛋白质和灰分结果如图1所示。图1(a)可看出经4h的碱液处理后,蛋白质去除率达到5 2.7%,之后变化不大;图1(b)显示在料液比1:2 0时,蛋白质去除率5 0.3%,料液比1:3 0时蛋白去除率达7 1.1%;图1(c)和图1(d)可 看 出,经4h酸 液 处 理,灰 分 去 除 率 达 到6 8.8%,料液比1:3 0时灰分去除率达到8 1.2%。图1 传统酸碱法去除虾壳中的蛋白质和灰分图2 微波辅助法去除虾壳中的蛋白质和灰分 图2显示用微波辅助法去除虾壳中的蛋白质和灰分的情况。由图2(a)可知,在微波作用下,4m i n时蛋白质去除率达到6 4.5%,随后变化不大;图2(b)显示在料液比1:1 0时,蛋白 质去除率331胡 云,等:基于绿色化学理念的壳聚糖制备综合实验教学设计与实践7 1.5%,料液比1:1 5时,蛋白质去除率7 1.6%,随后逐渐减少。图2(c)和图2(d)分别显示在微波作用下灰分去除情况,4 m i n时灰分去除率达到9 1.2%,在料液比1:1 0时,灰分去除率达9 0.4%,料液比1:1 5时,灰分去除率达9 0.6%。两种方法提取甲壳素的差异如表1所示,与传统方法相比,微波法辅助法提取甲壳素不仅可以极大减少反应时间,而且酸液和碱液的用量可以减少一半,且 微波辅助法 提取甲壳素 的产率更高。4.2 两种方法制备壳聚糖的比较图3显示的是甲壳素经传统碱液法和微波辅助法脱乙酰制备壳聚糖的情况,由图3(a)和3(b)可知,传统酸碱法反应1 0h时,甲壳素脱乙酰度达到8 0.2%,料液比越大脱乙酰度越高;图3(c)和3(d)显示在微波作用下,反应1 0m i n时甲壳素的脱乙酰度达到7 8.9%,料液比1:1 0时,甲壳素脱乙酰度达到7 9.6%。表1 传统酸碱法和微博辅助法提取甲壳素的比较方法反应时间(m i n)N a OH溶液用量(m L)HC l溶液用量(m L)产率(%)传统酸碱法4 8 02 0 02 0 01 2.6微波辅助法1 01 0 01 0 01 8.4图3 传统碱液法和微波辅助法脱乙酰度比较表2 传统酸碱法和微博辅助法脱乙酰度的比较方法时间(m i n)N a OH溶液用量(mL)产率(%)脱乙酰度相对粘均分子量传统碱液法4 8 04 01 7.66 6.73.31 05微波辅助法2 02 02 1.48 2.61.0 61 06 两种方法对甲壳素脱乙酰情况如表2所示,微波辅助法脱乙酰用时少,碱液用量少,产率较高,所得产物壳聚糖的相对粘均分子量较大,脱乙酰度比较高,壳聚糖品质更好。综上所述,传统酸碱法制备壳聚糖用时长,反应试剂用量大,对环境造成的污染大;而微波辅助法制备壳聚糖,可极大的缩短反应时间,减少碱液和酸液的用量,壳聚糖的产出率较高,且壳聚糖有较高的脱乙酰度。引入微波技术制备壳聚糖是一种绿色环保、高效节能的制备方法。5 教学思考5.1 开设综合性设计实验有利于培养和提高学生思维能力实验教学的主要特点是验证性、综合性和探究性,传统实验教学多以验证性实验为主,学生只是照着课本步骤一步步做,学生很少对实验过程认真思考,制约了对学生探究精神和创新思维的培养。综合设计性实验需要学生自己查阅文献、设计实验方案和实施步骤,学生要考虑包括反应431滁州学院学报 2 0 2 3年第2期的原理,实验仪器和试剂选择,实验操作步骤和实验时间安排等内容,因此是训练学生思维能力的较好途径。实验方案设计好后,学生会迫切想验证实验方案的可行性,会竭尽全力把实验做成功,学习的积极性和主动性得到提高。在综合设计性实验中融入比较教学法,将新旧知识联系起来,使概念明晰、理论深化,学生在对两种方法的优劣进行分析过程中,加深了对知识的理解和掌握,同时思维能力得到提升。5.2 在实验教学中引入现代实验技术有利于学生了解学科发展前沿传统的实验教学受到课本理论的束缚,实验都是起着验证课本理论的作用,随着现代科学技术的快速发展和知识的不断更新,部分实验内容已经陈旧过时,实验技术方法落后,并与实际应用脱节,严重阻碍了实验教学质量的提高,影响了高素质应用型人才的培养。在实验教学中,将现代新技术、交叉技术运用到实验项目中,如离子液体、微波合成、电化学合成等融入到教学实验项目中,有助于学生及时了解学科发展前沿和行业发展方向。例如,在综合化学实验中开设“离子液体萃取分离甲醇-乙腈共沸物机理”“微波合成肉桂酸”和“电化学沉积制备聚苯胺纳米阵列”等实验项目都取得了良好的教学效果1 9-2 1。其中,微波辐射促进化学反应的研究已成为化学领域研究的一个热点,大量的实验结果表明,在微波作用下化学反应速度较传统方法提高数十倍、数百倍甚至上千倍,从而缩短反应时间,节约大量能源4。所以将微波技术等为代表的新技术引入本科实验教学,可培养学生的创新思维,提升他们解决实际问题的工程创新能力。5.3 对教学实验进行绿色化改革有利于培养学生绿色化学理念绿色化学是当今化学科学研究的前沿,工业生产要用环境友好产品代替污染环境的产品,要从节能减排和减少污染角度来改进传统化学。化学实验实现绿色化是化学实验教学发展的必然趋势,化学教师更应该具有绿色化学的思想,开展绿色化学教育的探索和实践,加强实验教学研究,改革实验教学内容,对污染较重的实验项目进行改进,实现实验内容绿色化,使学生的绿色化学理念得以培养与加强2 2。化学实验绿色化,主要包括实验试剂的绿色化、实验过程的绿色化、反应产物的绿色化。如在不影响实验效果的前提下,尽量选用对环境相对友好的试剂代替污染大、毒性大的试剂,从源头上最大限度减少污染。本实验项目设计中还可引导学生尝试用其他脱钙剂替代盐酸对虾壳进行脱钙处理,如柠檬酸、乳酸和E D T A等,同时辅以微波、超声波等技术,找到更高效、清洁的虾壳钙脱除方式。绿色化学教育是培养高素质化学人才的需要,在教学实验中融入绿色化学教育理念,有利于培养具有安全意识、环保意识的高素质创新型人才。6 结语该综合性设计实验项目涉及有机化学、分析化学、物理化学等几门课的理论和实验基础,教学实践表明,学生从查找文献、设计方案再到分析结果、撰写报告,充分锻炼了学生对理论知识的综合运用能力,提高了学生分析解决问题的能力。教学中可鼓励学生设计单因素实验方案,从溶液的浓度、反应时间、反应温度、微波功率大小等方面进行考察,分析各种因素的影响规律。通过对实验结果分析讨论,培养学生科研思维能力,掌握科学研究的基本方法。该教学实验项目设计思路可以总结为三点,一是将比较教学法融入到综合实验设计中,通过学生实际操作后,对结果进行分析比较,深切感受到实验方案的优劣;二是在实验中融入现代实验技术,帮助学生了解了学科前沿发展,拓宽了学生知识结构,让其深切体会到现代实验技术对发展绿色化学的促进作用;三是在实验项目中融入绿色化学理念,引导学生思考从绿色化学角度,用环境友好的试剂取代污染严重的试剂,用更先进的实验手段取代传统的实验方式,设计出更高效、更清洁的实验方案,将可持续发展等生态文明理念和绿色化学理念渗透到实验教学之中,培养学生的科学发展意识。这一实验设计思路对于其他化学教学实验项目的设计有一定的参考价值。参 考 文 献1 叶领云,陈洪伟,陈灵晶,等.基于高素质人才培养的分析化学综合设计性实验教学改革探索J.东莞理工学院学报,2 0 2 2,2 9(3):1 2 6-1 3 0.2 郝伟举,张怡然.应用化学专业本科生科研能力的培养在教学中的研究与分析J.广州化工,2 0 2 2,5 0(5):1 9 4-1 9 5+2 1 2.3 周先波,王永红,毛红雷,等.大学化学实验教学绿色化思考与设计J.实验室科学,2 0 1 3,1 6(2):1 9 4-1 9 6.4 刘欣悦.微波化学的应用与发展现状J.科技与企业,2 0 1 4(6):3 2 0.531胡 云,等:基于绿色化学理念的壳聚糖制备综合实验教学设计与实践5 姜山,史源,朱启忠.壳聚糖文献分析J.大学化学,2 0 1 1,2 6(4):4 5-4 8.6 徐然,左华江,唐春怡,等.壳聚糖类吸附材料的制备及应用研究进展J.现代化工,2 0 2 0,4 0(9):2 5-2 8.7 李婷,胡小喜,周幸芝,等.从虾蟹壳中提取甲壳素的研究进展J.食品工业,2 0 1 4,3 5(6):2 0 9-2 1 2.8 张立英.壳聚糖的制备方法及研究进展J.山东工业技术,2 0 1 8(2):2 2.9 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,2 0 0 6(6):5 4-5 5.1 0 E LKN I D R IH,E LKHA L F AOUY R,L AA J E B A,e ta l.E c o-f r i e n d l ye x t r a c t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o no fc h i t i na n dc h i t o s a n f r o mt h e s h r i m ps h e l lw a s t ev i am i c r o w a v e i r r a d i a-t i o nJ.P r o c e s sS a f e t ya n d E n v i r o n m e n t a lP r o t e c t i o n,2 0 1 6,1 0 4:3 9 5-4 0 5.1 1 纪蕾,刘天红,王颖,等.壳聚糖制备方法比较及其性能研究J.食品安全质量检测学报,2 0 2 1,1 2(2):9 5 1-9 5 9.1 2 C HE NX,YANG H,Z HON GZ,e t a l.B a s e-c a t a l y s e d,o n e-s t e p m e c h a n o c h e m i c a lc o n v e r s i o n o fc h i t i n a n d s h r i m ps h e l l s i n t o l o wm o l e c u l a rw e i g h t c h i t o s a nJ.G r e e nC h e m-i s t r y,2 0 1 7,1 9(1 2):2 7 8 3-2 7 9 2.1 3 黄微,李维维,郑媛.介绍一个与材料相关的研究型综合化学实验:壳聚糖的制备与表征J.大学化学,2 0 1 5,3 0(6):5 7-6 2.1 4 陈伟,柏正武.超高脱乙酰度壳聚糖制备与表征综合实验设计J.实验技术与管理,2 0 1 8,3 5(8):4 2-4 5.1 5 张琳,温燕梅,黄淑娟.壳聚糖脱乙酰度的测定方法比较J.广东化工,2 0 1 0,3 7(7):9 6-9 7.1 6 MAHA R D I KAR G,J UMNAHD IM,W I D YAN I N G RUMY.C h i t i n d e a c e t y l a t i o ns h e l l so fp o r t u n u sp e l a g i c u s L.u s i n g m i c r o w a v ei r r a d i a t i o nJ.I O P C o n f e r e n c eS e r i e s:E a r t ha n dE n v i r o n m e n t a lS c i e n c e,2 0 1 9,3 5 3(1):0 1 2 0 3 7.1 7 唐秉华.壳聚糖脱乙酰度测定方法的比较J.广东化工,2 0 1 2,3 9(1 8):4 1-4 2.1 8 KN I D R IHE,D AHMAN I J,A D D AOUA,e t a l.R a p i da n de f f i c i e n t e x t r a c t i o no fc h i t i na n dc h i t o s a nf o rs c a l e-u pp r o-d u c t i o n:E f f e c to fp r o c e s sp a r a m e t e r so nd e a c e t y l a t i o nd e-g r e ea n dm o l e c u l a rw e i g h tJ.I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o fB i o-l o g i c a lM a c r o m o l e c u l e s,2 0 1 9,1 3 9:1 0 9 2-1 1 0 2.1 9 朱久娟,范寒寒,梁树平,等.基于离子液体萃取分离甲醇-乙腈共沸物机理的综合实验教学设计J.实验技术与管理,2 0 2 1,3 8(3):5 7-6 0.2 0 杨彩玲,饶红红,张鸣,等.有机化学实验中植入研究性实验内容的教学实践 以肉桂酸的微波合成教学为例J.教育教学论坛,2 0 1 5,4 8(1 2):2 7 2-2 7 3.2 1 陈韶云,刘奔,张行颖,等.电化学沉积制备聚苯胺纳米阵列及性能研究的综合化学实验J.化学教育(中英文),2 0 1 9,4 0(2):5 1-5 5.2 2 陆泉芳,俞洁.化学实验绿色化研究J.实验室研究与探索,2 0 0 4,2 3(1 2):6 2-6 4.责任编辑:陈星宇631滁州学院学报 2 0 2 3年第2期