70551460406994208_1-方松添-水溶性水合物抑制剂的制备及性能测试1

天然气水合物是一种类冰状结晶物质，又称“可燃冰”，分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中。地球上，天然气水合物的碳含量大于1013吨，相当于已探明所有化石能源中碳量总和的两倍。天然气水合物中甲烷含量占80%～99.9%，由于它燃烧污染比煤、石油、天然气都小得多，而且储量非常丰富，估计足够人类使用约1000年，所以被视为未来的替代能源。然而在天然气开采和运输过程中，气体水合物的形成会造成严重的安全隐患，为了除去它，往往需要暂停管道的运营，这对油气运输造成了很大的很麻烦。为了避免这一降低生产能力的困境，许多公司都投入了大量的资金和人力去研究如何抑制水合物生成。例如在2010，由于BP公司的钻井平台的漏油事故中， BP公司在收集石油的过程中水合物的破坏性影响使得与水合物形成相关的问题成为当时的头条新闻，这也说明了对这一领域研究的重要性。

目前，抑制水合物生成的方法有机械法、压力法、加热法、脱水法和化学法。前四种方法依次是通过清管作业、降低压力、提高温度、分离减少水量的方式来实现抑制水合物生成，且均属于物理手段。这些手段都存在效果不佳或是耗能耗料过大的不足之处。而化学法是目前应用最广泛、效果最优秀的方法。化学法是通过向管道中加入水合物抑制剂的方式抑制水合物的生成。水合物抑制剂分为热力学抑制剂、动力学抑制剂、阻聚剂和复合型抑制剂。热力学抑制剂包括醇类（如甲醇、乙二醇等）和电解质（如CaCl2等）。热力学抑制剂的效果虽然不错，但是通常需要加入的量比较大，通常为管道水量的20wt%~60wt%，如此高的加入量给工业生产带来了巨大的经济负担；此外，热力学抑制剂如甲醇因其巨大的毒性，给环境造成巨大的污染而被使用。而低剂量水合物抑制剂因其用量少、污染小、高效性的优势取代传统的热力学抑制剂已经成为势不可挡的趋势。低剂量水合物抑制剂主要包括动力学抑制剂（KHIs）、防聚集（AAs）、复合型水合物抑制剂。动力学抑制剂主要通过降低晶核生长速率的方式抑制水合物的形成，而防聚集主要是通过阻止水合物晶体聚集长大让水合物以一种可流动的浆体状存在于管道中。但当体系的含水率超过50wt%时，防聚集就不能发挥应有的效果，而动力学抑制剂却能在百分百的含水率中抑制水合物的生成，故动力学抑制剂的显著地位不可忽视。目前，高效、低廉、环保型动力学抑制剂正成为人们研究的热点。

1.1    气体水合物简介

气体水合物，也称为笼型水合物*，常形成于油气输送的管道中。笼型水合物是结晶的非化学计量的类冰状的结晶物质。典型的气体水合物是各种低沸点烃类分子（如CH4、C2H6、C3H8和CO2等）在低温高压（T≤300K，p≥0.6MPa）的条件下和水分子作用形成的化合物，具有笼型结构。在笼型水合物里面，水分子通过氢键相连，形成一系列的多面体孔穴，这些多面体孔穴再通过彼此的顶点或面相连从而进一步形成较稳定的笼状的水合物晶体*，气体分子在范德华力的作用下被包含由水笼中的空腔之内，一般一个孔穴只会被一个客体分子所占据。由于主客体间不存在强烈的方向性作用力，客体分子具有一定的振动和转动的能力，但平动的能力被住了。由于被包围在孔穴中的气体分子数量不定，水分子数目也不定，所以气体水合物是一种非化学计量型的固态类冰化合物。当所有的孔穴全部被客体分子占据时，典型的水合物中会包含85mol%的水和15mol%的气体。

1.1.1水合物的结构和类型

气体水合物晶体的种类，往往由客体分子的大小决定[6]，这是因为水合物笼的大小必须与作为客体的气体分子相匹配。但事实上，并不是所有的气体分子都可以占据水合物笼形成气体水合物晶体。当气体分子过大（如庚烷以上的烷烃）时，它并不可以进入孔穴，不可能形成水合物晶体；而当气体分子过小（H2、Ne、He等）时，虽然它可以占据孔穴，但是它不能够稳定地支持孔穴，也不能够稳定地形成气体水合物。客体分子在主体水分子所形成的笼形孔穴中的随机分布，且客体分子需达到一定的孔穴占有率，水合物晶格才能稳定存在*6。

图1I型、II型和H型水合物晶体结构示意图

水合物晶体按结构主要可以分为I型、II型和H型三种，其结构如图1所示[3]。I型水合物属于体心立方结构，由2个512晶穴和6个51262晶穴组成；II型水合物属于面心立方结构，由16个512晶穴和8个512晶穴组成；H型水合物为六方结构，由3个512晶穴、2个435663晶穴和1个51268晶穴组成。表1-1中列出了这三种不同类型的水合物的结构性质参数以及其对应的的客体分子。

表1-1I型、II型和H型水合物的结构性质参数

结构类型    结构I    结构II    结构H

笼形大小    小    大    小    大    小    中    大

晶体单元组成    512    51262    512    512    512    435663    51268

晶体单元孔穴数    2    6    16    8    3    2    1

孔穴直径(A)     3.95    4.33    3.91    4.73    3.91    4.06    5.71

孔穴配位数    20    24    20    28    20    20    36

晶体单元中水分子数    46    136    34

客体分子种类    甲烷、乙烷、二氧化碳等    丙烷、异丁烷等    异戊烷和甲烷、新己烷和甲烷等

气体分子的尺寸大小，决定了水合物晶格的类型。由表1可以明显看出，CH4、C2H6和CO2尺寸小，形成结构I型的水合物晶格。这三种气体分子，尺寸在4.2~6Å之间。相应的，在结构II型水合物的晶格中，填充的气体分子一般尺寸在6~7Å或者小于4Å。在H型水合物中，往往填充的是混合型气体，其中较大的气体尺寸在7~9Å之间。

常用的表征研究水合物结构的方法有Raman光谱法，NMR波谱法，X射线多晶衍射法，中子衍射，红外光谱等。应用上述方法不仅仅可以识别水合物晶体的结构类型，还可以识别客体分子所占据的孔穴结构以及其水合数（晶格中水分子数和气体分子数比值），占有率等[4]。需要指出的是，除了甲烷、乙烷、丙烷等低沸点烃类，四氢呋喃（THF）、四氯化碳和环戊烷等液态有机化合物或烃类也可与水形成水合物[7, 8]。四氢呋喃能与水形成结构II型水合物，常被用于模拟油气采运过程中的流体，以获取评价管道流体的流动状态及成分变化方面的数据[9]。四氯化碳以及环戊烷是两种最常用的热力学促进剂，将其作为添加剂加入相平衡压力高和温度低的体系中，可以改善生成水合物的相平衡条件（如压力降低、温度升高）[4]。

1.1.2水合物科学与技术

早在1810年，Davy发现了氯气水合物。很快，一系列的无机物（Br2，CO2等）水合物被科学家们陆续发现。1934年，Hammerschmidt[48]发现天然气水合物的存在会引起油气输送管道堵塞。从那时开始，工业上进行了大量的对水合物的热力学生成条件和抑制方法的研究。1993年，第一届国际水合物会议召开，水合物科学与技术方面的研究方兴未艾。樊栓狮教授对当时水合物科学和技术进行了系统而全面的总结。他水合物科学的研究内容为基础，将水合物科学与技术划分为水合物物性学、水合物热力学和水合物动力学三个方面；从水合物生成及分解存在的环境或场所出发，将水合物技术研究归纳并划分为“三合成、三分解”技术体系。此处“三”指自然界、工业界、实验室三大水合物研究的背景场所，具体划分见图3.

图1-2水合物科学及技术研究系统示意图

目前，水合物科学研究包括水合物的结构、密度、导热性能、声光学、机械等方面的物性研究，水合物热力学模型以及相平衡等方面的水合物热力学研究，以及包括成核动力学、生长动力学以及分解动力学在内的水合物动力学研究。水合物科学研究的成果，为水合物技术的开发和应用提供了坚实的理论基础。气体水合物技术研究则包括了水合物法储运天然气、水合物法气体分离、石油天然气工业流动安全保障中的水合物防治、水合物法捕集与封存温室气体和水合物勘探与开发等。1970年以后，随着油气开采与处理过程中出现的水合物问题突出，科学家开始了流动安全方面的科学研究[52]。在低温环境下的油气采运及深海油气开发过程中，由于特殊的高压低温环境，水合物成为了影响油气流体安全流动最主要的因素[53]。如何在这些过程中防控水合物阻塞管道及设备一直是工业界关注的重要难题。

1.2    气体水合物防控技术

由于油气运输过程的要求，对气体水合物的防控技术也不断进步。经过很多科研人员的努力探究，目前已经形成了一系列防止方法了。其中大致可以分为物理方法和化学方法。物理方法包括了机械法、压力法、加热法、脱水法。化学法主要是添加水合物抑制剂的方法。各种方法各有优劣，但在实际生产应用之中，添加化学试剂来抑制水合物生成的方法取得了广泛的认可，逐渐成为抑制水合物生成的主要方法。

1.2.1 物理方法

物理方法来防止水合物的形成是传统地防止水合物形成的办法。物理方法往往通过脱水或是改变水合物所处的物理状态来实现。然而，随着大规模的工业生产，使用传统的物理方法来防止水合物的生成，显得很是麻烦，需要大量的人力物力，而且效果并不佳。比如在北方，冬天时管道中的天然气就处于的低温高压中，此时不可能通过提高温度、降低压力等方法来实现抑制水合物生成的目的。不过，在一些小管道中，使用物理方法来抑制水合物的生成，仍然是一个很好的方式。

1、脱水法

天然气脱水法包括吸湿溶剂法、固体吸附剂脱水法、冷冻脱水法。通过大幅度降低天然气-水混合物中水的含量，从而大幅度地降低水合物的生成量。吸湿溶剂法，采用乙二醇、二甘醇等为溶剂进行洗气；固体吸附剂脱水法，是以硅胶等强吸水性材料进行吸水，分离两相。此两种方法均需要大量的吸水材料，不利于工业大规模生产。冷冻脱水法先将温度降至略高于水合物的相平衡温度，此时可将一部分的水直接冷凝析出。对于高温高压的天然气而言，冷冻脱水明显比较经济可行。

2、加热法

加热法分为井口加热和管道加热。将形成天然气水合物的部位进行加热，使得此处的温度高于相平衡温度，那么天然气水合物自然分解。在实际操作中，首先必须找到形成天然气水合物的确切位置，再从水合物的两端往中间加热。由于大规模远距离的管道运输，这一种方法的效果并不能够达到工业的需求。

3、其他方法

防止天然气水合物形成，还可以通过压力法、逐级分流法和清洗管道法来实现。逐级分流法普遍用于小油嘴气井测试中；压力法通过降低压力来实现。由于水合物的晶核生长比晶核形成要快很多，假如管道内部存在晶核，很容易使晶核快速长大，这时候可以清洗管道来去除晶核。

1.2.2化学方法

化学法是目前水合物抑制方法中应用最广泛、效果最优秀的方法。它指的是往管道中加入水合物抑制剂。水合物抑制剂分为热力学抑制剂、动力学抑制剂、防聚剂和复合型抑制剂。热力学抑制剂主要包括醇类（如甲醇、乙二醇等）和某些电解质（如CaCl2等）。热力学抑制剂的效果较佳，但是它要求加入大量高浓度的抑制剂，抑制成本过高；而且热力学抑制剂普遍对环境有较大的不良影响，如甲醇现在已经被禁止使用了。

动力学抑制剂主要通过降低晶核生长速率的方式来抑制水合物的形成，抑制的效果用过冷度表示，目前的动力学抑制剂效果明显有限，但是它使用的浓度较低，成本较热力学抑制剂有明显优势。工业上势必在寻找一种抑制效果好、用量小、环境友好、操作简单、便于储存运输、成本低廉的天然气水合物抑制剂。而很遗憾，目前的天然气水合物抑制剂均不能够完全满足工业应用对抑制剂的要求。而且，目前大规模使用的如甲醇类的水合物抑制剂，存在回收困难、对环境不友好的问题，亟需开发一种新型抑制剂。现在，清洁能源的应用越来越多，社会对天然气的需求也不断的增大。由此，对抑制水合物形成的需求也随之增大。

1、热力学抑制剂

热力学抑制剂可以改变水合物的生成温度，改变天然气-水两相的相平衡温度，从而抑制水合物生成。常用的热力学抑制剂包括醇和离子溶液。通常，热力学使用的方式是往气井等注入大量的试剂，如甲醇、或者某些盐溶液。但是不管是哪一种热力学抑制剂，都存在严重不足。甲醇存在毒性，对环境不友好，存储、运输、回收都很麻烦；盐类抑制剂虽然成本低廉，但是会腐蚀管道、设备，一样带来严重后果。仅2003年，全球用于天然气水合物防治的甲醇耗费就高达2.2亿美元［２］樊。虽然目前工业上使用的有很大一部分仍然是热力学抑制剂，但是随着环保意思和绿色化学概念的深入人心，热力学抑制剂势必逐渐式微，被其他的抑制剂取代。

2、低剂量水合物抑制剂

低剂量水合物抑制剂（Low-dosage hydrate inhibition）是近年发展的一个热点，针对热力学抑制剂的缺点，低剂量水合物抑制剂很重视抑制剂的效率、成本和环境友好性。目前低剂量水合物抑制剂大致可分为动力学抑制剂、防聚剂。低剂量水合物抑制剂通过降低水合物晶体生长速率来抑制水合物的生成，其效率通过过冷度衡量。目前的低剂量水合物抑制剂仍然处于发展阶段，逐步得到社会的认可和推广。复合型抑制剂分为动力学抑制剂-热力学抑制剂复合型水合物抑制剂、防聚剂-热力学抑制剂复合型抑制剂、动力学抑制剂-防聚剂复合型，它的目的是通过两种或者多种类型抑制剂的复配，制成抑制性能好、制备成本低、环境友好型的低剂量水合物抑制剂。

1.3    低剂量水合物抑制剂的研究进展

随着科学界对低剂量水合物抑制剂的重视，低剂量水合物抑制剂的研发速度越来越快，大致可分为动力学抑制剂和防聚剂两种。动力学抑制剂和防聚剂在浊点、过冷度等因素上是有一定的区别的，因此也决定了它们适用的特定领域有所不同。对于油田最重要的是抑制剂需要适合油田的沉积温度，因为如果这一方面不适合，抑制剂从溶液中析出而失效。通常来说，沉积温度比浊点低5~15℃，不过这一温差根据油田内条件而变得更大。通常，动力学抑制剂可以抑制水合物的成核速率和晶体生长速率，它并不改变天然气水合物的相平衡条件，而是延长了天然气水合物的成核时间，从而降低天然气水合物聚集堵塞的风险。樊而防聚剂可以防止小晶体聚合成足以堵塞管道的大晶体。实际操作上，因为防聚剂要求运输的流体含有50wt%~75wt%的液烃相，所以防聚剂的使用受到了很大，而动力学抑制剂可以在百分百含水率体系中发挥抑制作用，其研究显得也极其重要。

1.3.1 典型动力学抑制剂

动力学抑制剂可以分为含有内酰胺基的聚合物（如聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯基己内酰胺等）和主链或侧链中含有酰胺基(如聚烷基丙烯酰胺等)的聚合物两种。从上世纪80年代开始，很多大型国际石油公司开始着手研发动力学抑制剂。至今，大致可以将动力学抑制剂的研发进展分为三个阶段。1991-1995年，研究人员发现了一些可以抑制水合物生成速率的化学添加剂，称为第一代动力学抑制剂，其中以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）最具代表性。1995-1999年，研究者在PVP分子的基础上，合成出一些具有更好抑制能力的聚合物，称为第二代动力学抑制剂，其中具有代表性的是聚乙烯基己内酰胺（PVCap）等。1999年至今属于第三个阶段，第三代动力学抑制剂的开发主要是借助计算机分子模拟与分子设计技术，寻找更有效的抑制剂及起主要抑制作用的官能团[66-69]许，这些抑制剂包括烷基氨化合物、内酰胺及其它杂环基、氨氧化物、季铵盐类等。以下介绍含有内酰胺基的典型水合物抑制剂。如表1-1所示。

（1）第一代水合物抑制剂

聚乙烯吡咯烷酮（PVP）是第一代水合物动力学抑制剂的典型代表，其适用的过冷度约为5℃。在聚乙烯吡咯烷酮分子中，含有一个五元杂环。Long[75]最早报道了PVP可以延迟水合物的形成的现象。之后，Hutter[88]等通过中子衍射实验，发现PVP可以吸附在水合物晶面，通过某种聚合物抑制剂可以动态表述水合物的形成。Carver等[]用Monte Carlo对其研究发现，吡咯烷酮主要通过五元环上的氧与水形成两个氢键，进而吸附在水合物晶体表面，成为笼形水合物的一部分。而且，他还发现PVP可以通过环与环之间的共同作用进一步抑制水合物生长。而且，PVP对于气相和水相界面处的天然气水合物晶体的生长有明显的抑制能力，但是却能够促进水相内的水合物晶体的生长。樊由此，PVP在较低的过冷度下才可以抑制水合物的生长，当过冷度较大时，反而会促进水合物晶体的生长[82]。PVP的结构如图1-2a所示。

（2）第二代水合物抑制剂

聚乙烯基己内酰胺（PVCap）是第二代水合物抑制剂的典型代表之一，在过冷度为10℃

时，它可以延迟水合物生成约24h。PVCap的结构如图1-2b所示。相比较PVP，PVCap的杂环上有更多地碳原子，杂环上碳原子数的不同，是其对天然气水合物抑制能力差异的原因。在气液两相的界面处，PVCap对天然气水合物晶体生长的抑制能力较PVP更强；而在水相内，PVCap对水合物晶体的影响与其浓度有明显关系樊：浓度较低时，PVCap可以促进晶体的生长速率；当其质量分数上升到0.05%之后，它可以有效地抑制水合物晶体的生长；随着浓度继续上升，当其质量分数大于0.1%时，它可以进一步阻止水合物晶体成核。PVCap的抑制效果好于PVP，原因是PVCap吸附在水合物晶体表面时形成的吸附膜较致密，PVP的则比较疏松樊。

图1-2a  PVP          图1-2b PVCap

（3）第三代水合物抑制剂

第三代水合物抑制剂是在第二代水合物抑制剂研发基础上进一步发展的。第三代水合物抑制剂种类繁多，抑制效果明显。包括新型的天然型水合物抑制剂和复合型抑制剂等，都属于第三代水合物抑制剂。第三代水合物抑制剂筛选的标准是低成本、低剂量、高效、绿色环保。

1.3.2 天然型水合物抑制剂

近年来，随着社会对环保问题的关注不断加强，原本大量用来抑制水合物形成的热力学抑制剂对环境有害的问题也受到广泛的关注。工业上对天然可降解、环境友好型水合物抑制剂的需求也越发强烈。此前，科研人员发现许多天然大分子，分子中存在内酰胺基团或者主链、侧链上存在酰胺基，对天然气水合物也具有一定的抑制能力。由于天然大分子具备天然可降解的独特优势，其作为水合物抑制剂的课题越来越受到科学界的重视。这些天然分子有淀粉、壳聚糖、氨基酸和某些蛋白质等，原料均绿色无毒、来源广泛、易于制备、存储。图1-3是一些具备水合物抑制性能的天然分子结构图。

图1-3a 一种木薯淀粉结构          图1-3b 壳聚糖结构图

图1-3c 一种抗冻蛋白的分子结构图          图1-3d  果胶分子结构图

天然分子在环境保护方面独具优势，迅速成为水合物抑制剂研发的一个热点。而且，天然大分子的抑制性能也有独到之处。比如抗冻蛋白抑制天然气水合物二次结晶，改变结晶特性和热滞冻结的特性樊；果胶可以从柑橘属的果皮等提取，原料来源广泛易得、成本低廉、抑制效果突出；木薯淀粉可以消除水合物的“记忆效应”。氨基酸既有热力学抑制剂的特性，也有动力学抑制剂的特性；氨基酸的抑制能力跟其烷基侧链的长度成正相关，可以通过选取一种侧链长度适宜的氨基酸来满足某些试验的特殊要求。

1.3.3复合型水合物抑制剂

不论是哪一种水合物抑制剂，在实际工业应用中都存在明显不足。热力学抑制剂要求用量大、对环境不友好；动力学抑制剂目前适用的过冷度也不高、通用性差；防聚剂要求流体油水比例高（≥50%）。由于这三种水合物抑制剂都无法完全适合工业生产的需要，越来越多的科研人员开始研发复合型水合物抑制剂，以期使各类水合物抑制剂优势互补。常见的组合类型有热力学抑制剂和动力学抑制剂的复配，动力学抑制剂与防聚集的复配，以及一些醚醇类物质与低剂量水合物抑制剂的联用等。许

动力学抑制剂和热力学抑制剂的复配，使两种抑制剂优势互补，可以取得明显的优势。

如甲醇与低剂量水合物抑制剂进行复配。许曹莘[163]在大幅度地降低热力学抑制剂的浓度的同时，可以维持其原有的抑制性能，甚至达到更好的抑制效果；而动力学抑制剂属于水溶性高分子聚合物，在油相中溶解度较低，而加入了甲醇也可以作为溶剂，大幅度地增加了动力学抑制剂的溶解度。假如是使用乙二醇代替甲醇充当热力学抑制剂，还可以稍降低其对环境的毒性。

由于氨基酸具有热力学抑制剂的热性，而且其疏水性可以通过选择一个烷基侧链长度适当的氨基酸来调节翻译，以氨基酸充当热力学抑制剂并与动力学抑制剂进行复配。氨基酸作为热力学抑制剂与动力学抑制剂进行复配，即可以替代对环境有害的醇类或者对设备产生腐蚀的离子溶液，又因为烷基侧链的长度可供选择，也可以促使抑制剂溶解在油相中，充分发挥作用。是一款环境友好、抑制效果较佳的抑制剂。

1.4    水合物抑制剂的性能研究方法

经过长时间发展，已经形成了多种对水合物抑制剂的抑制性能进行评价的方法。这些方法主要包括诱导时间法、定容法、气体消耗法、THF法、壁面效应法、停球时间法、晶体生长抑制法和分子模拟法。各方法测试的原理如图1-4所示。而水合物抑制的诱导时间和耐用过冷度都是常用来评价水合物抑制剂性能的两个重要指标。

诱导时间法，通常在一定的实验温度（一般在30℃）下向耐高压反应釜内注入一定的高压气体，待反应釜内压力稳定后，快速降温到一定实验温度，并在该温度下维持一段时间（通常为48h），从降温开始到设定温度下第一次压力下降现象或温度突然上升时所经历的时间段即为此次实验的诱导时间，也称水合抑制时间。樊

过冷度是水合物生成的主要驱动力, 采用过冷度法评价水合物的抑制性能通常是通过恒定速率降温法来实现。恒定速率降温法通常是以每小时1度的降温速率（也可以0.5温速率）逐步给整个系统降温，在降温过程中一旦有水合物的生成，因放热效应反应釜内的温度会出现上升，压力也因气体消耗随之出现明显下降，将降温过程中第一次生成水合物时的温度记为水合温度。过冷度是指气体水合的相平衡温度与第一次生成水合物的水合温度之差。

图1-4 水合物抑制性能研究方法

1.5    本文研究意义和内容

在油气开采、加工和运输过程中，由于温度、压力、流速等因素的变化，油气中的气体分子容易与水分子发生相互作用形成似冰状的固体水合物堵塞管道、阀门和处理设备等，水合物堵塞不仅影响正常的工业生产，造成气井停运和巨大的经济损失，还有可能引发安全事故造成人员伤亡。因此，在油气工业中，水合物的防治是必要且十分重要的。

目前，传统热力学抑制（THIs）方法因其注入量大（通常为管道中水量的20~60wt%），环保型差而逐渐被低剂量水合物抑制剂取代。而以聚N-乙烯吡咯烷酮、聚甲基丙烯酰胺为代表的商用动力学抑制剂也因其生物降解性差、通用性不高，生成成本高而受到。故开发高效、环保、低廉的水合物抑制剂迫在眉睫。

本课题立足于此，首先从新鲜的柚子皮中采用酸提取法提取天然产物果胶、通过傅里叶红外光谱对其主要官能团进行了表征，并测试了其分子量。然后采用诱导时间法评价了天然产物果胶对甲烷水合物的抑制效果。最后从诱导时间和耐用过冷度两个角度研究了复配型水合物抑制剂（PVCap-甘氨酸）对甲烷水合物的抑制效果。为低廉高效环保型水合物抑制的工业化打下了坚实的基础，具有重要的现实意义。

第二章 天然果胶的提取及表征

天然果胶果胶（pectin）类物质是一种多糖类高分子化合物，它具有水溶性,其分子量约5~30万；其结合单元为α-D-吡喃半乳糖醛酸，以α-1,4糖苷键连接成长链状，通常以部分甲酯化状态存在。果胶广泛存在于芸香科、蔷薇科、西番莲科、海桑科、仙人掌科、薯蓣科等多种植物中，优选富含于柑橘（皮），柚子（皮）、脐橙皮、苹果（渣）、向日葵盘、马铃薯渣等廉价易得的植物中，特别是柑橘属柚皮中含有高达30wt%的果胶是提取果胶的优秀原材料。

2.1 天然果胶的提取

从柚子皮中提取果胶，可以将原本归为垃圾处理的柚子皮获得利用价值，也可以提取果胶用作水合物抑制剂，是一举两得的举措。目前提取果胶的工艺已经比较成熟了。通过选择合适的提取工艺提取果胶，最大限度的提取柚子皮中含有的果胶。

2.1.1天然果胶的提取工艺

果胶作为一种凝胶剂、乳化剂，其提取工艺已经比较成熟。大致上讲，可以分为离子交换法、酸提取法、微生物法和微波萃取法四种。其中酸提取法操作简便，仪器要求简单、方法成熟可靠。图2-1大致总结了果胶的提取方法。

图2-1 果胶的提取方法

结合本实验室的设备条件，本实验选取了酸提取法作为此次从柚子皮中提取果胶的方法。酸提取法提取果胶，首先是利用酸将柚皮中的果胶溶解到溶液中，再将溶液中的果胶分离沉淀出来。根据将溶液中果胶分离方式的不同，酸提取法又可以分为醇沉淀法和盐析法。醇沉淀法是利用果胶不溶于醇的特别向溶液中加入大量的醇将果胶沉淀分离出来的方法。盐析法则是通过向溶液中加入高价盐沉淀出果胶的方法。

2.1.2 酸法提取天然果胶

酸法提取果胶是提取果胶常用的方法，它要求的设备简单，操作不复杂，适合在实验室中进行。在提取果胶前，首先需要对柚子皮进行预处理，具体操作是：①将柚子皮白色絮状部分保留，去除大量含有其他成分的黄色表皮；②将白色絮状的柚子皮进行切割，尽量将它切成小块，再清洗一下；③将切好的小块放在水中加热至95℃，保持10min，破坏果胶酶等，再用50℃的温水漂洗到柚皮无异味、水澄清。

通过预处理之后，基本上会影响果胶提纯的杂质就被去除了。之后，将柚子皮浸泡在pH=2稀硫酸溶液中，料液比为1:4，在95℃下提取45~60分钟。这一步是通过酸液高温浸泡，破坏果皮植物细胞，使果皮中大果胶溶解到溶液中。

经过第二步的操作，果胶基本上已经溶解到了酸液中。此时，可以直接加入体积比大约1:1的乙醇，从而将溶液中的果胶析出。但是这将消耗很大量的乙醇，所以，我们选择在0.09MPa的真空度，42℃下在旋转蒸发仪中旋蒸，使水分量大大减少。之后再加入体积比1:1的无水乙醇，经过减压抽滤即可得湿果胶。再在真空干燥箱中真空干燥，即得到干果胶。

果胶需要磨成粉末状，才可以做红外表征、测分子量和方便地在接下来的实验中使用。图2-2即为提取果胶的完整过程。此次提取，以果皮中含有30%果胶的量估算，提取率是33.3%。

图2-2柚子皮中提取果胶的实验步骤

2.2果胶的表征

将果胶提取出来之后，我们测试了它的红外光谱和分子量。通过这一表征，我们首先可以确定提取的产品的确是果胶，而不是柚子皮中的别的物质；其次，测量其分子量可以判断果胶的聚合度，因为聚合度对其抑制能力可能存在影响。

2.2.1 果胶的红外表征

将提取出的果胶进行红外测试，测试仪器是NEXUS FT-IR/Thermo Nicolet红外光谱仪，仪器如图2-3所示。结果与文献中果胶的红外谱图进行相互比较，确定提取的产物确是果胶无疑。选用的仪器是德国产的傅里叶红外光谱仪，运行可靠，结果的科学性得到广泛认可。图2-4表明，提取产物3454.3cm-1处有-OH的伸缩振动峰，2933.5cm-1处有C-H的伸缩振动峰，1745.4cm-1、1636.3cm-1两处均有C-O的伸缩振动峰，1267.4cm-1处有C-O-C峰。这些峰都与果胶的典型峰相符，与文献相比，实验的红外光谱虽然比较崎岖，但是大体吻合的。上文的图1-3d是果胶的结构式，对比结构式与红外光谱的结果，也是很吻合的。

图2-3 傅里叶红外光谱仪图2-4果胶的红外光谱

2.2.2 果胶分子量

测试完果胶的红外之后，我们使用GPC测试的果胶的分子量。对聚合物而言，除了少数几种蛋白质之外，是不存在均一分子量的大分子的。我们测试果胶的分子量也是这样，测出的结果并不是一个分子量，而是一系列的分子量。测量的结果选取了重均分子量作为测试结果。果胶分子量测定选择C18柱，以磷酸二氢钾为流动相,流动相的浓度为0.02mL/L，流速0.6mL/min，测试温度为35℃。测试结果是，柚皮中提取的果胶的重均分子量为2624g/mol，多分散系数为2.91。