CN101864001B - 一种低聚壳聚糖的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种低聚壳聚糖的制备方法，通过壳聚糖溶液本身水力空化效应对壳聚糖进行降解来制造低聚壳聚糖，包括：壳聚糖溶解、水力空化降解、向降解完成后的壳聚糖溶液中加入碱溶液调节pH以及沉淀物洗涤和真空干燥等步骤；所述水力空化降解的工艺流程是：将壳聚糖溶液放在贮罐中，并通过循环水箱进行恒温，壳聚糖溶液通过泵输送到空化器进行空化降解，通过阀门V1，V2，V3，V4调节上游进口压力、下游恢复压力和流量，并通过压力表和流量计监控压力和流量，经空化降解后的溶液回流到贮罐中、通过循环水箱将温度控制在25-80℃、在水力空化器中进行循环处理0.5h-20h直至达到所需相对分子质量要求为准，该方法具有简便易行、能耗低、效率高等特点。

Description

一种低聚壳聚糖的制备方法

技术领域

本发明涉及一种低聚壳聚糖的制备方法，特别涉及一种采用物理方法将高分子壳聚糖降解制成低分子壳聚糖的方法。

背景技术

一股由甲壳素脱乙酰化制得的壳聚糖分子量很大，并且有紧密的晶体结构，不溶于普通的溶剂，只能在某些酸性介质中溶解，这使得壳聚糖的应用受到很大的限制。另外，研究表明：不同相对分子质量的壳聚糖性质差异很大，有时甚至表现出截然相反的特性，壳聚糖许多特异的功能只有在相对分子质量降到一定程度时才表现出来。壳聚糖经降解得到的低聚水溶性壳聚糖，有着独特的、优越的生理活性和物化性质，具有广泛的应用领域和开发价值，从而倍受关注。

目前，壳聚糖降解方法主要有化学法、酶法和物理法。

(1)化学法是通过化学的方法对壳聚糖进行降解，主要有：酸降解法、NaNO₂降解法、氧化降解法等。化学降解过程反应不好控制，相对分子质量分布宽，容易对环境造成污染，产品颜色较深。

(2)酶法降解是利用专一性或非专一性酶对壳聚糖进行降解的方法。酶降解法降解过程和降解产物的相对分子质量易于被控制，并且是在较温和的条件下直接进行的，不需要加入其它化学反应试剂，对环境污染少。然而，酶法降解周期长，酶容易失活，生产成本高，目前还难以工业化生产。

(3)物理降解法目前主要是辐射法、微波法和超声波法。辐射降解法利用放射性射线降解壳聚糖，但辐射降解法对设备要求很高，同时可能产生有毒有害物质。微波法是通过微波辐射对壳聚糖进行降解，但微波降解壳聚糖目前还是停留在间歇操作，难以连续化生产。超声波降解主要是通过超声空化效应对壳聚糖进行降解，其降解作用是十分明显，可得到较为均一的低相对分子质量壳聚糖，并且超声波降解法用酸量明显减少，后处理过程大为简化，对环境的污染也大大降低。但是，由于超声空化的总耗能中，只有5％-10％用于空化效应，其余的90％-95％以热能的形式使系统升温。这种升温不仅造成能量的浪费，同时不利于对热敏物质(例如生物、医药等行业)的处理；超声空化的另一个严重问题，是它的方向性和局部性。空化效应只发生在超声发生器附近很小区域内，由于空泡不发生整体迁移运动，空泡的形成、发展和溃灭过程，就被限定在该有限区域内，因而，超声空化存在能量利用率较低，空化效应区域小等问题，由于超声波降解法壳聚糖收率太低，导致生产成本过高，难以工业化应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低聚壳聚糖的制备方法，该方法通过壳聚糖溶液本身水力空化效应对壳聚糖进行降解，具有简便易行、能耗低、效率高等特点；具有大规模工业应用的优势，以解决已有技术存在的上述问题。

为达上述目的采用的技术方案是：一种低聚壳聚糖的制备方法，该方法包括以下步骤：

第一步：壳聚糖溶解：将高分子量壳聚糖加入溶剂中溶解制成壳聚糖溶液，所述的溶剂为无机酸水溶液、有机酸水溶液或偏酸性的缓冲溶液之中的一种，其中，所述的无机酸水溶液或有机酸水溶液的质量浓度为1％-13％，所述的缓冲溶液的pH为2-5.5，所述的壳聚糖溶液的质量浓度为0.5g/L-20g/L，所述的高分子量壳聚糖的相对分子质量大于2×10⁶，脱乙酰度大于60％；

所述的无机酸为盐酸，有机酸为甲酸、乙酸、乳酸或柠檬酸，所述的缓冲液为乙酸-乙酸钠或柠檬酸-柠檬酸钠；

第二步：水力空化降解：将壳聚糖溶液在水力空化装置中进行水力空化降解处理；

第三步：向降解完成后的壳聚糖溶液中加入碱溶液，调节pH到6-8，沉淀，离心得沉淀物；

第四步：沉淀物用丙酮和乙醚洗涤1-3次，真空干燥即得低聚壳聚糖。

其进一步技术方案是：在第二步：水力空化降解：将壳聚糖溶液在水力空化装置中进行水力空化降解处理中，所述的水力空化装置包括放置在循环水箱内的贮罐，泵，水力空化器，输送壳聚糖溶液的管道以及安装在管道上的压力表，流量计以及阀门V1、V2、V3、V4；

所述壳聚糖溶液在水力空化装置中进行水力空化降解的工艺流程是：将壳聚糖溶液放在贮罐中，并通过循环水箱进行恒温，壳聚糖溶液通过泵输送到水力空化器进行空化降解，通过阀门V1，V2，V3，V4调节上游进口压力、下游恢复压力和流量，并通过压力表和流量计监控压力和流量，经空化降解后的壳聚糖溶液回流到贮罐中；

壳聚糖溶液在水力空化装置中进行空化降解的工艺条件是：

①上游进口压力：0.2-0.5MPa，且满足空化数C＜2；

②下游恢复压力：0-0.2Mpa，且满足空化数C＜2；

③流速：满足空化数C＜2；

④温度：25-80℃；

①-③中，空化数C的计算公式为：

$C=\frac{P_2-P_V}{\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{v}_0^2}$

式中，P₂为下游恢复压强，P_v为溶液蒸汽压，ρ为溶液密度，v₀为限流区平均速度；

⑤降解时间：1～30h，根据对产物平均相对分子质量的不同要求而定。

其更进一步技术方案是：在壳聚糖溶液在水力空化装置中进行水力空化降解的过程中，可以向壳聚糖溶液中添加不超过壳聚糖溶液重量3％的气体，所述的气体为空气、O₂、N₂或CO₂气体之中的一种气体或是其中两种或是两种以上气体的混合气体；

其更进一步技术方案是：当所述的溶剂为无机酸水溶液或有机酸水溶液时，在壳聚糖溶液在水力空化装置中进行水力空化降解的过程中，再同时添加过氧化氢水溶液对壳聚糖进行氧化降解，降解时间为5min-3h，所添加的过氧化氢水溶液质量浓度为1％-25％，过氧化氢水溶液的添加量为无机酸水溶液或有机酸水溶液重量的1/10～1/30。

所述水力空化器包括文丘里管、几何孔板或涡轮，所述几何孔板的孔径1-6mm，孔数为几个至几百个。

本发明一种低聚壳聚糖的制备方法的有益效果是：本发明方法通过将高分子量壳聚糖加入溶剂中溶解制成的壳聚糖溶液本身水力空化效应对高分子量壳聚糖进行降解来制备低聚壳聚糖，具有简便易行、能耗低、效率高等特点；具有大规模工业应用的优势。

其原理如下：水力空化技术是一种强化化学过程的新技术。水力空化的产生是通过使流体流过一个收缩装置(如几何孔板，文丘里管等)时产生压降，当压力降至蒸汽压甚至负压时，溶解在流体中的气体会释放出来，同时流体汽化而产生大量空化泡，空化泡在随流体进一步流动的过程中，遇到周围的压力增大时，体积将急剧缩小直至溃灭，并在其周围的极小空间范围内产生局部高温(高达5000K)和局部高压(可达50MPa)，伴随出现强烈的冲击波和速度高达100m/s微射流，这些物理条件为溶液中壳聚糖降解提供了一个极为有利的理化环境，实现了通过自由基氧化、高温热解和超临界水氧化使壳聚糖分子发生降解作用；可以将相对分子质量大于20万的壳聚糖降解为相对分子质量为3万以下的低聚壳聚糖，而且降解时间大大缩短，因此具有简便易行、能耗低、效率高等特点；具有大规模工业应用的优势。

下面，结合附图和实施例对本发明之一种低聚壳聚糖的制备方法的技术特征作进一步的说明。

附图说明

图1是本发明一种低聚壳聚糖的制备方法的工艺路线示意图；

图2是本发明一种低聚壳聚糖的制备方法中，壳聚糖降解所用水力空化装置连接关系及反应流程示意图。

图中：1-壳聚糖溶液贮罐；2-泵；3、5-压力表；4-水力空化器(包括文丘里管、几何孔板、涡轮)；6-流量计；7-循环水箱；V1，V2，V3，V4-阀门。

具体实施方式

一种低聚壳聚糖的制备方法，包括以下步骤：

第一步：壳聚糖溶解：将高分子量壳聚糖加入溶剂中溶解制成壳聚糖溶液，所述的溶剂为无机酸水溶液、有机酸水溶液或偏酸性的缓冲溶液之中的一种，其中，所述的无机酸水溶液或有机酸水溶液的质量浓度为1％-13％，所述的缓冲溶液的pH为2-5.5，所述的壳聚糖溶液的质量浓度为0.5g/L-20g/L，所述的高分子量壳聚糖的相对分子质量大于2×10⁶，脱乙酰度大于60％；

所述的无机酸为盐酸，有机酸为甲酸、乙酸、乳酸或柠檬酸，所述的缓冲液为乙酸-乙酸钠或柠檬酸-柠檬酸钠；

第二步：水力空化降解：将壳聚糖溶液在水力空化装置中进行水力空化降解处理；

第三步：向降解完成后的壳聚糖溶液中加入碱溶液，调节pH到6-8，沉淀，离心得沉淀物；

第四步：沉淀物用丙酮和乙醚洗涤1-3次，真空干燥即得低聚壳聚糖。

在第二步：水力空化降解：将壳聚糖溶液在水力空化装置中进行水力空化降解处理中，所述的水力空化装置包括放置在循环水箱内的贮罐，泵，水力空化器，输送壳聚糖溶液的管道以及安装在管道上的压力表，流量计以及阀门V1、V2、V3、V4(参见图2)，将壳聚糖溶液在水力空化装置中进行水力空化降解处理的工艺流程是：将壳聚糖溶液放在贮罐1中，并通过循环水箱7进行恒温，壳聚糖溶液通过泵2输送到水力空化器4进行空化降解，通过阀门V1，V2，V3，V4调节上游进口压力、下游恢复压力和流量，并通过压力表3、5和流量计6监控压力和流量，经水力空化降解后的溶液回流到贮罐中；

壳聚糖溶液在水力空化器中进行空化降解的工艺条件是：

①上游进口压力：0.2-0.5MPa，且满足空化数C＜2；

②下游恢复压力：0-0.2Mpa，且满足空化数C＜2；

③流速：满足空化数C＜2；

④温度：25-80℃；

①-③中，空化数C的计算公式为：

$C=\frac{P_2-P_V}{\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{v}_0^2}$

式中：P₂为下游恢复压强，单位为：Pa；P_v为溶液蒸汽压，单位为：Pa；

      ρ为溶液密度，单位为：kg/m³； v₀为限流区平均速度，单位为：m/s；

⑤降解时间：1～30h，根据对产物平均相对分子质量的不同要求而定，在①-④项条件相同情况下，要求产物平均相对分子质量越小，降解时间越长，例如，当相对分子质量要求为2万时，降解时间为10-30h，当相对分子质量要求为10万时，降解时间为1-3h。

作为本发明实施例的一种变换，在壳聚糖溶液在水力空化装置中进行水力空化降解的过程中，可以向壳聚糖溶液中添加不超过壳聚糖溶液重量3％的气体，所述的气体为空气、O₂、N₂或CO₂气体之中的一种气体或是其中两种或是两种以上气体的混合气体。

作为本发明实施例的又一种变换，当所述的溶剂为无机酸水溶液或有机酸水溶液时，在壳聚糖溶液在水力空化装置中进行水力空化降解的过程中，为了增强降解效果，可以再同时添加过氧化氢水溶液对壳聚糖进行氧化降解，降解时间为5min-3h，比没有添加过氧化氢的情况大大缩短；所添加的过氧化氢水溶液质量浓度为1％-25％，过氧化氢水溶液的添加量为无机酸水溶液或有机酸水溶液重量的1/10～1/30。本发明采用的水力空化器4包括文丘里管、几何孔板或涡轮；几何孔板的孔径为1-6mm，孔数为几个至几百个，根据水力空化作用需要而定，这是本领域技术人员不花费创造性劳动就可以选定的公知技术，此处不再赘述。

下表列举了本发明各实施例的有关参数，但本发明一种低聚壳聚糖的制备方法的有关参数并不仅仅限于下表中所列数据。例如：通过循环水箱控制壳聚糖溶液的温度可以是在0-90℃之间的任意温度，壳聚糖溶液在水力空化装置中进行降解时间在1～30h之间，根据对产物平均相对分子质量的不同要求而定。在其他条件相同情况下，要求产物平均相对分子质量越小，降解时间越长。

附表：本发明一种低聚壳聚糖的制备方法的有关参数一览表

Claims (4)

1.一种低聚壳聚糖的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

第一步：壳聚糖溶解：将高分子量壳聚糖加入溶剂中溶解制成壳聚糖溶液，所述的溶剂为无机酸水溶液、有机酸水溶液或偏酸性的缓冲溶液之中的一种，其中：所述的无机酸水溶液或有机酸水溶液的质量浓度为1%-13%，所述的缓冲溶液的pH为2-5.5，所述的壳聚糖溶液的质量浓度为0.5g/L-20g/L，所述的高分子量壳聚糖的相对分子质量大于2×10⁶，脱乙酰度大于60%；所述的无机酸为盐酸，有机酸为甲酸、乙酸、乳酸或柠檬酸，所述的缓冲溶液为乙酸-乙酸钠或柠檬酸-柠檬酸钠；

第二步：水力空化降解：将壳聚糖溶液在水力空化装置中进行水力空化降解处理；

第三步：向降解完成后的壳聚糖溶液中加入碱溶液，调节pH到6-8，沉淀，离心得沉淀物；

第四步：沉淀物用丙酮和乙醚洗涤1-3次，真空干燥即得低聚壳聚糖；

在第二步：水力空化降解：将壳聚糖溶液在水力空化装置中进行水力空化降解处理中，所述的水力空化装置包括放置在循环水箱内的贮罐，泵，水力空化器，输送壳聚糖溶液的管道以及安装在管道上的压力表，流量计以及阀门V1、V2、V3、V4；

所述壳聚糖溶液在水力空化装置中进行水力空化降解的工艺流程是：将壳聚糖溶液放在贮罐中，并通过循环水箱进行恒温，壳聚糖溶液通过泵输送到水力空化器进行空化降解，通过阀门V1，V2，V3，V4调节上游进口压力、下游恢复压力和流量，并通过压力表和流量计监控压力和流量，经空化降解后的溶液回流到贮罐中；

壳聚糖溶液在水力空化装置中进行空化降解的工艺条件是：

①上游进口压强：0.2-0.5MPa，且满足空化数C< 2；

②下游恢复压强：0-0.2MPa，且满足空化数C< 2；

③流速：满足空化数C< 2；

④温度：25-80℃；

①-③中，空化数C的计算公式为：

   

 式中，P ₂为下游恢复压强，P _v 为溶液蒸汽压，ρ为溶液密度，v ₀为限流区平均速度；

⑤降解时间：1～30h，根据对产物平均相对分子质量的不同要求而定。

2.根据权利要求1所述的一种低聚壳聚糖的制备方法，其特征在于：在壳聚糖溶液在水力空化装置中进行水力空化降解处理过程中，向壳聚糖溶液中添加不超过壳聚糖溶液重量3%的气体，所述的气体为空气、O₂、N₂或CO₂气体之中的一种气体或是其中两种或是两种以上气体的混合气体。

3.根据权利要求1所述的一种低聚壳聚糖的制备方法，其特征在于：当所述的溶剂为无机酸水溶液或有机酸水溶液时，在壳聚糖溶液在水力空化装置中进行水力空化降解的过程中，再同时添加过氧化氢水溶液对壳聚糖进行氧化降解，降解时间为5min-3h，所添加的过氧化氢水溶液质量浓度为1%-25%，过氧化氢水溶液的添加量为无机酸水溶液或有机酸水溶液重量的1/10～1/30。

4.根据权利要求1、2 或3所述的一种低聚壳聚糖的制备方法，其特征在于：所述水力空化器包括文丘里管、几何孔板或涡轮，所述几何孔板的孔径1-6mm，孔数为几个至几百个。

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