CN102153675A - N-对苯羟基甲基壳聚糖季铵盐及其制备方法 - Google Patents

N-对苯羟基甲基壳聚糖季铵盐及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种N-对苯羟基甲基壳聚糖季铵盐，其结构为：

Description

N-对苯羟基甲基壳聚糖季铵盐及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种壳聚糖化学改性的功能衍生物，应用于食品行业，属于高分子化合物技术领域。
背景技术
壳聚糖是甲壳素的脱乙酰化产物，是生物界中大量存在唯一的一种碱性多糖。因分子内和分子间氢键的作用，壳聚糖只溶于酸和酸性水溶液。壳聚糖分子链上含有大量的羟基、氨基等可修饰的基团，可通过化学改性得到各种具有特殊功能的衍生物，因此可以扩大其应用范围。例如，壳聚糖具有优良的生物降解性、相容性、成膜特性和较强的抗菌防腐保鲜能力，在食品工业等领域得到广泛的应用。壳聚糖仅能溶解于酸性介质中，限制了其应用范围。通常人们在壳聚糖分子上引入季铵盐、烷基、无机酸等，改进壳聚糖的溶解性或絮凝性。
发明内容
本发明的目的是要克服壳聚糖不溶于水的缺点，提供一种具有抗菌效果的壳聚糖衍生物——N-对苯羟基甲基壳聚糖季铵盐，可用作食品抗菌防腐添加剂。
本发明的目的是由以下技术方案实现的：N-对苯羟基甲基壳聚糖季铵盐，其特征在于：其结构如下式所示：
Figure 2011100621874100002DEST_PATH_IMAGE001
其中，X在0.65-0.95之间，分子量为45-50KD；其物化指标为：浅黄色粉末状固体，常温下可溶于乙醇，微溶于异丙醇，水和二氯甲烷，不溶于环己烷和丙酮；该化合物对金黄色葡萄球菌和黑曲霉的最低抑菌浓度可达0.25%。
本发明通过壳聚糖与对羟基苯甲醛生成壳聚糖席夫碱，然后加入硼氢化钠还原得到烷基化壳聚糖；再用氢氧化钠调节pH至弱碱性后，将重量比为1：1的碘甲烷试剂和碘化钠加入上述溶液中，搅拌，反应结束后加入丙酮，静置过夜，抽滤，用乙醇与乙醚混合液洗涤，真空恒温干燥得到固体；将固体产物置于索氏提取器中用无水乙醇回流萃取，固体真空干燥至恒重，得到目标产物N-对苯羟基甲基壳聚糖季铵盐。
本发明涉及的主要反应步骤：
Figure 439739DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 2011100621874100002DEST_PATH_IMAGE003
。
所述N-对苯羟基甲基壳聚糖季铵盐的制备方法，其制备步骤如下：
⑴将一定量壳聚糖以每克20ml比例加至一定体积质量百分数3%冰醋酸中溶胀30min，转移至三口烧瓶中，于烧瓶中加入1/2倍溶液体积量的无水乙醇，在30-50℃温度下搅拌；
⑵将与壳聚糖同等重量的对羟基苯甲醛加入恒压滴液漏斗中，以每克20ml的比例加入一定体积无水乙醇并振荡溶解，向上述壳聚糖溶液中缓慢滴加对羟基苯甲醛/无水乙醇溶液，搅拌下反应3h得到壳聚糖席夫碱；
⑶将与壳聚糖同等摩尔量的硼氢化钠加入烧杯中，以每克30ml比例加入一定体积蒸馏水溶解，将硼氢化钠试液以恒压滴液漏斗缓慢滴入步骤⑵中的壳聚糖席夫碱并不断搅拌至出现大量白色絮状物后，继续搅拌2-3h得到烷基化壳聚糖；
⑷向步骤⑶的烷基化壳聚糖中缓慢加入适量氢氧化钠调节pH=8-9, 分别将2倍壳聚糖摩尔量的碘甲烷试剂及碘化钠固体置于烧杯中，并以每克碘化钠10ml比例加入一定体积无水乙醇搅拌溶解，混合液以恒压滴液漏斗缓慢滴至上述烷基化壳聚糖溶液中并不断搅拌下反应3h；
⑸向步骤⑷所得反应液中加入3倍体积丙酮，静置过夜，抽滤，以1/5倍滤液体积量的乙醇与乙醚混合液洗涤，真空恒温干燥得到固体；
⑹将步骤⑸中的固体置于索氏提取器中用无水乙醇回流萃取，固体真空干燥至恒重，得到产物N-对苯羟基甲基壳聚糖季铵盐。
根据权利要求2所述N-对苯羟基甲基壳聚糖季铵盐的制备方法，其特征在于：所述的⑴，⑵，⑶和⑷步中搅拌的工艺条件是：用恒温搅拌器，调节至反应温度，并调至较高转速，使磁子在三口烧瓶底部匀速转动；
⑸步中抽滤的工艺条件是：用滤瓶和布氏漏斗在50-65℃烘箱中烘1-3小时，再在室温下用水泵抽滤反应液，抽滤结束后，洗涤并收集布氏漏斗中所得固体。
所述的壳聚糖：对羟基苯甲醛：碘甲烷的投料重量比为1：（1-2）：（2-3）。
所述⑷步中碘甲烷：碘化钠的投料重量比为1：1。
所述⑸步中无水乙醇和无水乙醚的体积比为1∶（1-10）。
所述⑹步中索氏提取的工艺条件为： 65-75℃水浴加热，提取24-30小时。
所述⑸和⑹步中真空干燥的工艺条件为：30-50℃下，真空度为8×104Pa，干燥12-24小时。
所述N-对苯羟基甲基壳聚糖季铵盐作为制备食品防腐添加剂的应用。
本发明利用壳聚糖席夫碱中间体法合成了一种新型壳聚糖季铵盐，该壳聚糖季铵盐对金黄色葡萄球菌和黑曲霉具有良好的抗菌活性，扩大了壳聚糖的抑菌范围，可用作食品防腐添加剂。
附图说明
图1为壳聚糖的红外光谱图。
图2为所制备的N-对苯羟基甲基壳聚糖季铵盐的红外光谱图。
图3为壳聚糖的1H NMR谱图。
图4为N-对苯羟基甲基壳聚糖季铵盐的1H NMR谱图。
图5为不同浓度壳聚糖和N-对苯羟基甲基壳聚糖季铵盐对金黄色葡萄球菌的抑制率。
图6为不同浓度壳聚糖和N-对苯羟基甲基壳聚糖季铵盐对黑曲霉菌的抑制率。
分析图1和图2两红外谱图可见，壳聚糖红外谱图中1649 cm-1处为酰胺Ι谱带，由于脱乙酰度较高，峰较小，1597 cm-1处为强氨基-NH2吸收带。1373 cm-1为O-H弯曲振动，1159 cm-1和893 cm-1为壳聚糖糖基吸收带。季铵盐红外谱图中1597cm-1处氨基变形振动吸收带明显减弱，证明取代反应发生在-NH2上，1511-1573 cm-1处新峰的出现是季铵盐的特征吸收带，1415 cm-1处的尖锐峰是新引入-CH3和-CH2-中C-H弯曲振动，835 cm-1处新峰的出现是对取代苯环中=C-H的面外弯曲振动，3443 cm-1处O-H伸缩振动吸收峰变宽和1261 cm-1处O-H面内弯曲振动吸收峰更强表明引入了新的-OH基团。
图3和图4中将壳聚糖溶解于CD3COOD和D2O的混合物，N-对苯甲氧基甲基壳聚糖季铵盐溶于D2O中进行测定。图3中2.02ppm处的小峰是由于壳聚糖乙酰胺基中-CH3的存在所引起的，由于脱乙酰度较高，峰较小；而2.96ppm处的独立峰归因于H2的存在；从3.50-3.72ppm各样的峰与壳聚糖中H3，H4，H5，H6是完全一致的；在4.67ppm处的峰则是H1的作用。图4中，1.82ppm处峰为乙酰胺基中-CH3的特征峰，2.70ppm左右的微弱峰代表-N+（CH3）2I-中质子的共振吸收峰，4.66ppm是H1的吸收峰，3.45-4.08ppm的信号为H3，H4，H5，H6的质子吸收峰，2.93ppm处为H2信号峰，6.63-7.62 ppm处的多重峰是对位二取代苯环的质子吸收峰，4.29ppm处的微弱峰是取代基中-CH2-的质子吸收峰。谱图结果表明取代基团被成功接枝到壳聚糖分子链上生成了壳聚糖季铵盐。
图5中不同浓度壳聚糖及N-对苯羟基甲基壳聚糖季铵盐对金黄色葡萄球菌均产生抑制作用，且N-对苯羟基甲基壳聚糖季铵盐的抑菌能力明显大于壳聚糖，其最低抑菌浓度为0.25%。
图6为不同浓度壳聚糖和N-对苯羟基甲基壳聚糖季铵盐对黑曲霉的抑制作用曲线。壳聚糖浓度低于0.5%时对黑曲霉不仅没有抑制作用，反而有助于其生长。原因可能是黑曲霉属于真菌类，真菌的细胞壁含有壳聚糖，而黑曲霉中就有较高的壳聚糖含量，使得黑曲霉对壳聚糖的抗菌性能有一定的抗性，决定了壳聚糖对黑曲霉没有抑制能力，反而可能用于促进细胞的生长和繁殖。添加N-对苯羟基甲基壳聚糖季铵盐后，黑曲霉的菌体干重较小，说明产物对黑曲霉的抑制能力较强，最低抑菌浓度为0.25%。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明。
实施例1：
1g壳聚糖加至20ml质量百分数3%冰醋酸中溶胀30min，转移至250ml三口烧瓶中，加入10ml无水乙醇，搅拌，于恒压滴液漏斗中缓慢加入1g已溶在20ml无水乙醇中的对羟基苯甲醛，搅拌3h，于恒压滴液漏斗中缓慢加入0.3g溶于10ml蒸馏水的硼氢化钠溶液搅拌至出现大量白色絮状物，继续搅拌2h，于反应液中加入氢氧化钠调节pH=8-9，将0.4ml碘甲烷和2g碘化钠溶于20ml乙醇溶液中搅拌均匀，并将混合液缓慢滴入至上述反应液中，控制反应温度为50℃继续搅拌反应3h，停止反应，反应液中加入250ml丙酮，静置过夜，抽滤，用50ml体积比1：1的乙醇和乙醚洗涤，恒温干燥得到固体，将固体放入索氏提取器中用无水乙醇回流萃取24h，产物干燥至恒重，得到目的产物N-对苯羟基甲基壳聚糖季铵盐。
实施例2：
本发明N-对苯羟基甲基壳聚糖季铵盐和壳聚糖对金黄色葡萄球菌的抑菌率（%）
Figure 2011100621874100002DEST_PATH_IMAGE005
。
实施例3：
本发明N-对苯羟基甲基壳聚糖季铵盐和壳聚糖对黑曲霉的抑菌率（%）
Figure 2011100621874100002DEST_PATH_IMAGE007
。
上述抑菌率的测定：配制不同质量分数的壳聚糖溶液和壳聚糖季铵盐溶液（以0.5%的醋酸溶液为溶剂）。分别将0.1 mL菌悬液和0.1 mL不同浓度的样品溶液均匀涂布在培养基平板上，空白为不加样品溶液的菌悬液。所有平板在37 ℃恒温培养箱中培养24 h，取出观察各个平板上的细菌生长情况，计算抑菌率：
I = (n1-n2)/ n1×100%
其中，n1和n2分别为空白和涂有样品的平板上的菌落数。
对于黑曲霉采用干重法测定壳聚糖和衍生物的抑菌效率。配制不同质量分数的壳聚糖溶液和壳聚糖季铵盐溶液（以0.5%的醋酸溶液为溶剂）。分别将1 mL黑曲霉菌悬液和2 mL不同浓度的样品溶液添加到沙氏培养基中，空白为不加样品溶液的菌悬液，在28 ℃恒温振荡培养箱中培养48 h，抽滤，干燥并称菌体干重，计算抑菌率：
I = (m1-m2)/ m 1×100%
其中，m1和m2分别为不加样品培养液中和添加样品培养液中的菌丝干重。
本领域的普通技术人员都会理解，在本发明的保护范围内，对于上述实施例进行修改，添加和替换都是可能的，其都没有超出本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种N-对苯羟基甲基壳聚糖季铵盐，其特征在于其具有如下式所示结构：
Figure 2011100621874100001DEST_PATH_IMAGE002
其中，X在0.65-0.95之间，分子量为45-50KD。
2.一种如权利要求1所述N-对苯羟基甲基壳聚糖季铵盐的制备方法，其特征在于：所述的制备步骤如下：
⑴将一定量壳聚糖以每克20ml比例加至一定体积质量百分数3%冰醋酸中溶胀30min，转移至三口烧瓶中，于烧瓶中加入1/2倍溶液体积量的无水乙醇，在30-50℃温度下搅拌；
⑵将与壳聚糖同等重量的对羟基苯甲醛加入恒压滴液漏斗中，以每克20ml的比例加入一定体积无水乙醇并振荡溶解，向上述壳聚糖溶液中缓慢滴加对羟基苯甲醛/无水乙醇溶液，搅拌下反应3h得到壳聚糖席夫碱；
⑶将与壳聚糖同等摩尔量的硼氢化钠加入烧杯中，以每克30ml比例加入一定体积蒸馏水溶解，将硼氢化钠试液以恒压滴液漏斗缓慢滴入步骤⑵中的壳聚糖席夫碱并不断搅拌至出现大量白色絮状物后，继续搅拌2-3h得到烷基化壳聚糖；
⑷向步骤⑶的烷基化壳聚糖中缓慢加入适量氢氧化钠调节pH=8-9, 分别将2倍壳聚糖摩尔量的碘甲烷试剂及碘化钠固体置于烧杯中，并以每克碘化钠10ml比例加入一定体积无水乙醇搅拌溶解，混合液以恒压滴液漏斗缓慢滴至上述烷基化壳聚糖溶液中并不断搅拌下反应3h；
⑸向步骤⑷所得反应液中加入3倍体积丙酮，静置过夜，抽滤，以1/5倍滤液体积量的乙醇与乙醚混合液洗涤，真空恒温干燥得到固体；
⑹将步骤⑸中的固体置于索氏提取器中用无水乙醇回流萃取，固体真空干燥至恒重，得到产物N-对苯羟基甲基壳聚糖季铵盐。
3.根据权利要求2所述N-对苯羟基甲基壳聚糖季铵盐的制备方法，其特征在于：所述的⑴，⑵，⑶和⑷步中搅拌的工艺条件是：用恒温搅拌器，调节至反应温度，并调至较高转速，使磁子在三口烧瓶底部匀速转动；
⑸步中抽滤的工艺条件是：用滤瓶和布氏漏斗在50-65℃烘箱中烘1-3小时，再在室温下用水泵抽滤反应液，抽滤结束后，洗涤并收集布氏漏斗中所得固体。
4.根据权利要求2所述N-对苯羟基甲基壳聚糖季铵盐的制备方法，其特征在于：所述的壳聚糖：对羟基苯甲醛：碘甲烷的投料重量比为1：（1-2）：（2-3）。
5.根据权利要求2所述N-对苯羟基甲基壳聚糖季铵盐的制备方法，其特征在于：所述⑷步中碘甲烷：碘化钠的投料重量比为1：1。
6.根据权利要求2所述N-对苯羟基甲基壳聚糖季铵盐的制备方法，其特征在于：所述的⑸步的无水乙醇和无水乙醚的混合体积比为1∶（1-10）。
7.根据权利要求2所述N-对苯羟基甲基壳聚糖季铵盐的制备方法，其特征在于：所述的⑹步的索氏提取的工艺条件为： 65-75℃水浴加热，提取24-30小时。
8.根据权利要求2所述N-对苯羟基甲基壳聚糖季铵盐的制备方法，其特征在于：所述的⑸和⑹步的真空干燥的工艺条件为：30-50℃下，真空度为8×104Pa，干燥12-24小时。
9.根据权利要求1所述N-对苯羟基甲基壳聚糖季铵盐作为制备食品防腐添加剂的应用。
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