CN102020775B - 一种改性明胶的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种改性明胶的制备方法，包括以下步骤：(a)将大颗粒明胶研磨，使其细化至80目以上；(b) 将酰化试剂溶于四氢呋喃中混合，将研磨细化的明胶颗粒悬浮溶胀于混合液相中，以烟酸、烟酰胺或酰化的组氨酸作为反应的催化剂，聚乙二醇作为助催化剂进行酰化反应，即得改性明胶。本发明的改性明胶与之前未改性的明胶做对比，部分封闭氨基，并接枝上一端还有游离羧基的酰化物，使明胶多方面性质得到改变与提高，改性后明显增加了水溶性和凝胶的溶胀性能，且稳定性也有一定程度的增加。另外，反应过程中溶剂、改性剂、催化剂均无毒，所以扩大了改性后明胶的使用范围，反应条件温和、安全，适合工业化生产，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种改性明胶的制备方法。
背景技术
明胶是胶原在酸、碱、酶或高温作用下的变性产物，它是天然多肽的聚合物。明胶来源于胶原蛋白，它存在于动物(猪、牛等)的结缔组织(包括软组织、动物皮、骨和腱)，明胶蛋白含有18种氨基酸。因此明胶具有非常优秀的生物相容性和较高的营养价值。
明胶具有凝胶化的特性，而且明胶分子量越大，分子链越长，则越有利于形成网状结构；明胶具有很好的稳定性，在室温、干燥的状态下比较稳定，可放置数年。由于明胶具有上述诸多优点，明胶类生物材料的开发已经成为人们研究的一个热点。
明胶蛋白分子链上带有氨基、羧基和羟基等多种活性基团，通常氨基基团易参与反应，如赖氨酸的ε-氨基。通过明胶蛋白的化学改性，可制备出许多具有特定性能的材料，开发了明胶蛋白更多的应用潜力。目前有恶哇烷改性明胶凝胶，改善了明胶的吸水性能；转谷胺酞胺酶改性明胶，提高了低品级明胶的使用性能。
明胶蛋白的凝胶化机理：
胶凝性是蛋白质重要功能特性之一。变性的分子聚集以形成一个有规则蛋白质网，此过程被称为凝胶作用。过程包括蛋白质分子链的展开、聚集及连接等几个历程，充分伸展的蛋白质分子链相互交联形成三维网状结构，能够固定大量的水，形成凝胶。蛋白质凝胶网络的形成可以定义为蛋白质分子的聚集现象，在这种聚集过程中，吸引力和排斥力处于平衡，以至于形成能保持大量水分的高度有序的三维网络结构或基体。蛋白质凝胶网络的形成是蛋白质中相邻肤链及水分子间吸引力与排斥力共同作用的结果。在凝胶态，多肽链以及多肽链与水分子之间通过疏水键、静电力、氢键和二硫键形成的作用力达到平衡。静电力(尤其在远离等电点的pH范围)和疏水键显示出排斥力的作用，能将多肽链保持在分离状态，有助于折叠的多肽链分开，形成均匀凝胶基质。
明胶凝胶属于天然蛋白质凝胶，其网络结构由随机的或螺旋结构的多肽链组成。明胶凝胶化过程的第一阶段出现了类胶原螺旋体的核心区域；第二阶段是类胶原螺旋体结合成聚合体，并形成为微凝胶；第三阶段是建立起凝胶网络，它是由局部的类胶原螺旋体区段联结成尺寸相当大的网络。蛋白质的浓度、改性方法、加热温度和时间，冷却条件等都会影响明胶蛋白凝胶的性能。明胶能形成凝胶的特点，在食品和医学的应用上十分重要，将在新材料的研制开发方面具有特殊的应用。由于明胶蛋白含有18种氨基酸，分子中保留有许多反应活性较大的官能团，通过改性明胶蛋白，可以制备出更多具有更高应用价值的新型材料。
现有的相关改性明胶类型主要有：
(1)Journal of Biomaterials Science：Polymer Edition，13，67，2002中公开了具有两亲性能的聚乳酸疏水改性明胶衍生物；Biomacromolecules，1，31，2000中公开了甲基丙烯酰胺改性明胶衍生物，这些衍生物可以通过相对温和的光引发自由基聚合制备出明胶交联材料；Journal of Biomaterials Science：Polymer Edition，13，167，2002中公开的N-异丙基丙烯酰胺接枝明胶衍生物具有温度响应凝胶化性能；Biomaterials，24，3825，2003公开的巯基化改性明胶衍生物可以通过温和的二硫键方式或亲核加成方式制备原位交联材料。
(2)中国专利200710036276介绍了几种对明胶进行改性的方法，尤其涉及了明胶多重改性衍生物，同时也涉及到了明胶多重改性衍生物之间相互再进行交联的新材料。通过对明胶侧链氨基的酰氨键疏水化改性、氨基的酰氨键羧基化改性以及羧基的巯基化改性制备了新颖的明胶多重改性衍生物。相比单一的改性衍生物，多重改性相对有一些优越性，如有可调节的侧链分子结构和化学性能等等。《材料报道》2010，第2期24卷发表的《EDTAD-PEG-dial-明胶复合改性凝胶的制备与性能研究》提及了用EDTAD去酰化明胶分子链活泼氨基，制备方法未用到催化剂，且反应需加很大量的水，相比本发明催化剂的创新及在胶体磨中进行固液相反应，EDTAD改性明胶的方法并不适合工业化生产。到目前为止，这些方法在改性明胶的效果和性能的改良方面还很有局限性，因为明胶本身可供化学改性的主要侧链氨基或羧基数量相当有限。因此很有必要进一步开发新型改性明胶，以扩展明胶在食品、化妆品、生物医药等领域的多种应用前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供提供一种操作简单、反应稳定性好、适合工业化生产的有效改进明胶性能的方法。
本发明采用的技术方案是：
一种改性明胶的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(a)将大颗粒明胶研磨，使其细化至80目以上；
(b)将酰化试剂溶于四氢呋喃中混合，将研磨细化的明胶颗粒悬浮溶胀于混合液相中，以烟酸或烟酰胺作为反应的催化剂，聚乙二醇作为助催化剂，在胶体磨中进行酰化反应，即得改性明胶，胶体磨能使固液两相更加充分的接触，加快反应速度；所述反应温度为40～80℃，反应时间为4～10h；所述明胶、酰化试剂、催化剂、助催化剂、四氢呋喃的重量比为0.3～0.4∶0.03～0.05∶0.0001～0.01∶0.0001～0.01∶1，其中所述酰化试剂选自丁二酸酐、马来酸酐、衣康酸酐或丙二酸酐。
优选地，所述酰化试剂为丁二酸酐或马来酸酐。
优选地，所述催化剂为烟酰胺。
优选地，所述改性明胶的制备方法包括以下步骤：
(a)将明胶颗粒300g研磨，使其颗粒粒径细化至80目；
(b)丁二酸酐30g溶于四氢呋喃溶剂中混合，将研磨后的明胶颗粒悬浮溶胀于混合液相中，加入0.1g烟酰胺作为催化剂，0.1g聚乙二醇作为助催化剂进行酰化反应，反应温度控制在50℃，反应在胶体磨中进行，研磨使反应进行4h即得改性明胶。
丁二酸酐、马来酸酐、衣康酸酐、丙二酸酐等酰化试剂能与肽链上的氨基发生反应，如丁二酸酐、马来酸酐与游离氨基反应后，一方面即将明胶中氨基部分封闭，同时也将羧基引入了蛋白分子链，变为一个游离端。被引入的羧基产生分子内静电排斥作用，破坏蛋白分子规整的折叠结构，且羧基是亲水极性基团，因此改性明胶后可增强其亲水性与稳定性。
前人对改性明胶的类型及特性做了一定基础的研究，但是偏重于医药应用方面的应用并不多，反应过程有些试剂是对人体有害的，反应完成后会有一定残留，因此找到能在食品、化妆品、医药领域都能应用的改性明胶，且制作过程中所用试剂也要保证对人体无害，还是需要做出新的尝试与实践。本发明就很好的解决了这一问题，采用固液相反应的形式，且所用试剂不论是溶剂、改性剂-酰化试剂、催化剂等都是对人体无害的，反应也简单易行，因此可扩大到医药领域的应用，前景广阔。
对明胶进行改性的原理用下面的反应方程式直观的体现(以马来酸酐为例)：
马来酸酐改性明胶的反应方程
改性反应结束后，四氢呋喃要过滤并采取抽真空的方式除去，明胶的改性程度用国家标准的甲醛滴定法去测定。甲醛与氨基进行反应，计算滴定后甲醛剩余了多少量，即可知与明胶上氨基反应了多少，便可得知有多少氨基并未接枝成功，即可得到明胶改性的程度。
本发明的改性明胶与之前未改性的明胶做对比，部分封闭氨基，并接枝上一端还有游离羧基的酰化物，使明胶多方面性质得到改变与提高，改性后明显增加了水溶性和凝胶的溶胀性能，且稳定性也有一定程度的增加。另外，反应过程中溶剂、改性剂、催化剂均无毒，所以扩大了改性后明胶的使用范围，反应条件温和、安全，适合工业化生产，具有良好的应用前景。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1
四氢呋喃溶剂1L，明胶颗粒(300g)，明胶研磨使其颗粒粒径更加细化至80目，以满足固液相反应条件。丁二酸酐3％(30g)溶于四氢呋喃溶剂中，将研磨好的明胶颗粒悬浮溶胀于已混合好的液相中，加入0.01％(0.1g)烟酰胺作为催化剂，0.01％(0.1g)聚乙二醇作为助催化剂，反应温度控制在50℃，反应在胶体磨中进行，研磨使反应进行4h即得改性明胶。反应结束后，经过过滤除去大部分四氢呋喃溶剂，对于少许残留，由于四氢呋喃沸点较低，采取抽真空的方法彻底去除残留溶剂。用甲醛滴定法测定明胶的改性程度，得到改性程度大于90％且无溶剂残留的改性明胶。
实施例2
四氢呋喃溶剂1L，明胶颗粒(300g)，明胶研磨使其颗粒粒径更加细化至80目，以满足固液相反应条件。马来酸酐3％(30g)溶于四氢呋喃溶剂中，将研磨好的明胶颗粒悬浮溶胀于已混合好的液相中，加入0.01％(0.1g)烟酰胺作为催化剂，0.01％(0.1g)聚乙二醇作为助催化剂，反应温度控制在50℃，反应在胶体磨中进行，研磨使反应进行4h即得改性明胶。反应结束后，经过过滤除去大部分四氢呋喃溶剂，对于少许残留，由于四氢呋喃沸点较低，采取抽真空的方法彻底去除残留溶剂。用甲醛滴定法测定明胶的改性程度，得到改性程度大于90％且无溶剂残留的改性明胶。
效果例
改性明胶水溶性测试：明胶与本发明改性明胶各10g，分别溶于100ml水中，温度控制在恒温的25℃，经同样时间，观察到改性后的明胶比未改性的明胶在溶解程度和溶解时间上都有提高。1h之后，将未溶解的明胶风干除去多余水分，称重，改性明胶有5g未溶，未改性的有8g未溶。水溶性有较大程度的增加。
改性明胶稳定性测试：明胶与本发明改性明胶各10g，分别放入称有100ml水的烧杯中，将烧杯在水浴锅中加热，1h后取出。未改性的明胶在外观形态、色泽、水溶性上都有较大的改变，而经改性后的本产品则保持了良好的稳定性，各方面都与原始状态相当。
Claims (4)
1.一种改性明胶的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(a)将大颗粒明胶研磨，使其细化至80目以上；
(b) 将酰化试剂溶于四氢呋喃中混合，将研磨细化的明胶颗粒悬浮溶胀于混合液相中，以烟酸或烟酰胺作为反应的催化剂，聚乙二醇作为助催化剂，在胶体磨中进行酰化反应，即得改性明胶；所述反应温度为40～80℃，反应时间为4～10h；所述明胶、酰化试剂、催化剂、助催化剂、四氢呋喃的重量比为0.3～0.4：0.03～0.05：0.0001～0.01：0.0001～0.01：1，其中所述酰化试剂选自丁二酸酐、马来酸酐、衣康酸酐或丙二酸酐。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述酰化试剂为丁二酸酐或马来酸酐。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述催化剂为烟酰胺。
4.根据权利要求1所述改性明胶的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(a)将明胶颗粒300g研磨，使其颗粒粒径细化至80目；
(b)丁二酸酐30g溶于四氢呋喃溶剂中混合，将研磨后的明胶颗粒悬浮溶胀于混合液相中，加入0.1g烟酰胺作为催化剂， 0.1g聚乙二醇作为助催化剂进行酰化反应，反应温度控制在50℃，反应在胶体磨中进行，研磨使反应进行4h即得改性明胶。
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