CN102875696A - 脉冲电场协同臭氧制备低分子量水溶性壳聚糖的装置与方法 - Google Patents
脉冲电场协同臭氧制备低分子量水溶性壳聚糖的装置与方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了脉冲电场协同臭氧制备低分子量水溶性壳聚糖的装置与方法，该方法将分子量大于1.0×105Da的高分子量壳聚糖溶于酸性溶液后置于夹套瓶的空心结构中，将臭氧由气体分散器导入高分子量壳聚糖酸性溶液中，打开恒温循环器，通入臭氧的壳聚糖酸性溶液经脉冲电场处理，得到降解液，经碱液调pH、洗涤和干燥得低分子量水溶性壳聚糖。该装置的臭氧壳聚糖溶液混合装置主要由夹套瓶、气体分散器、空气过滤器、恒温循环器和废气收集瓶组成；夹套瓶为带有夹套的空心结构，气体分散器和空气过滤器设置在夹套瓶的空心结构中；本发明工艺简单、降解速度快、制备的水溶性壳聚糖分子量可控性好、节能环保广。
Description
技术领域
本发明涉及一种可控低分子量壳聚糖的制备方法，特别涉及一种采用高强脉冲电场与臭氧协同作用制备低分子量水溶性壳聚糖的方法。
背景技术
甲壳素又名甲壳质，几丁质，其化学名为：(1，4)-2-乙酰氨基-2-脱氧-β-D-葡聚糖。
壳聚糖是甲壳素部分或全部脱乙酰化的产物，分子链由β-(1-4)-2-乙酰胺基-D-葡糖单元和β-(1-4)-2-氨基-D-葡糖单元组成的共聚物，其结构式如下：
甲壳素、壳聚糖是自然界中唯一的碱性多糖，糖环上又带有活性羟基，这一独特的分子结构，赋予甲壳素、壳聚糖及其衍生物独特的理化性质和生物活性，如抗菌、降胆固醇、降血脂、增强免疫功能、抗肿瘤功能等，广泛用于医药、食品、功能材料、化妆品、农业、环保、日用化学品及生命科学、功能材料等领域。
然而，壳聚糖的分子量通常在几十万到几百万之间，不能溶于水性溶剂中，但现代研究表明壳聚糖的分子量与它的用途有着密不可分的联系。不同分子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，而上述壳聚糖的许多独特功能只有在其分子质量降低到一定程度时才表现出来，并将降解后分子量低于1万的壳聚糖命名为“壳寡糖”。因此，降解制备壳寡糖成为了当今研究的热点。目前，壳聚糖降解的主要方法包括：化学降解法、酶降解法和物理降解法。中国发明专利CN1389477A公开了一种可控分子量水溶性壳聚糖的制备方法。中国发明专利CN1283634A公开了一种水溶性壳聚糖的制备方法。中国发明专利CN1318567A公开了一种高浓度法制备低聚水溶性壳聚糖的方法。中国发明专利CN101643516A公开了一种将壳聚糖制备成水溶性壳寡糖的方法。中国发明专利CN101235101A公开了一种催化氧化降解壳聚糖制备水溶性低分子量的壳聚糖的方法。中国发明专利CN101240305A公开了一种酶法降解壳聚糖生产壳寡糖的方法。中国发明专利CN1563106A公开了一种辐射法制备小分子量或水溶性壳聚糖的方法。这些方法的缺点在于：
(1)化学降解法存在着降解条件难控制、后处理繁琐、成本高、产量低等缺点；
(2)酶降解法也有着诸如降解所用酶成本过高，发酵工艺复杂、无法大批量工业化生产等问题；
(3)辐照降解属间歇操作，不利于连续化生产，对设备要求很高，同时可能产生有毒有害物质。
(4)本发明的目的在于提供一种能够快速降解、反应条件容易控制、分子量可控的水溶性壳聚糖制备方法，具有工艺简单、操作方便、产品纯度高、品质稳定、生产成本低、对环境友好、污染少，适合工业化生产等特点。
发明内容
在于提供一种制备时间短，品质稳定，工艺环保的脉冲电场协同臭氧制备低分子量水溶性壳聚糖的装置与方法。
本发明可以通过以下技术方案予以实现：
本发明认识到β-(1，4)糖苷键的断裂是壳聚糖降解的主要的反应，壳聚糖酸溶液中，氨基被质子化，在电场处理下，壳聚糖在溶液中的链状结构更舒展，从而增加了自由基攻击β-(1，4)糖苷键的机会，同时，电场和臭氧协同作用，能增加壳聚糖溶液中的自由基浓度，促进了自由基反应，从而提高壳聚糖的降解效率。
本发明目的通过如下技术方案实现：
脉冲电场协同臭氧制备低分子量水溶性壳聚糖的方法，包括以下步骤：
(1)将分子量大于1.0×105Da，脱乙酰度大于70％的高分子量壳聚糖溶于酸性溶液后置于夹套瓶的空心结构中，所述酸性溶液质量浓度为0.5～10％，壳聚糖在酸性溶液中的浓度为1～100g/L；所述的酸性溶液为盐酸、甲酸、乙酸、柠檬酸和乳酸中的一种或多种；
(2)打开氧气钢瓶的阀门，开启臭氧发生器，将浓度为10～3500mg/L的臭氧以0.1～3L/min的速度由气体分散器导入高分子量壳聚糖酸性溶液中，打开恒温循环器，使壳聚糖酸性溶液保持在25～40℃；
(3)将混有臭氧的壳聚糖酸性溶液泵入到脉冲电场处理器进行循环处理：电场场强为5～70kV/cm，脉冲宽度5～110μs，脉冲频率5～5000Hz，脉冲波形为平方波，壳聚糖酸性溶液的流速为10～120mL/min，脉冲电场处理的时间为30～120min；
(4)向脉冲电场处理后的壳聚糖降解液中加入碱溶液，调节pH至6～8，抽滤并依次用蒸馏水和无水乙醇洗涤，滤液经浓缩后在真空干燥，即得分子量小于1.0×104Da的低分子量水溶性壳聚糖。
进一步地，所述的电场场强优选为15～60kV/cm，脉冲电场处理的时间优选为30～90min。
所述壳聚糖酸性溶液体积优选为100～500mL。
所述真空干燥的温度优选为60℃。
所述依次用蒸馏水和无水乙醇洗涤的次数优选为2～3次。
所述碱溶液为NaOH、NaOH、KOH和NaHCO3中的一种或多种的水溶液。
一种脉冲电场协同臭氧制备低分子量水溶性壳聚糖的装置，主要由臭氧发生装置、臭氧壳聚糖溶液混合装置和脉冲电场装置组成；其中，臭氧发生装置主要由氧气钢瓶、流量计和臭氧发生器通过管道依次连接组成，臭氧壳聚糖溶液混合装置主要由夹套瓶、气体分散器、空气过滤器、恒温循环器和废气收集瓶组成；夹套瓶为带有夹套的空心结构，气体分散器和空气过滤器设置在夹套瓶的空心结构中，气体分散器与臭氧发生器连接；恒温循环器与夹套瓶的夹套连通，废气收集瓶与夹套瓶空心结构上端连通；气体分散器由带有很多微孔不锈钢管或石英管制成，空气过滤器通过蠕动泵与脉冲电场装置连接，脉冲电场装置还通过管道与夹套瓶的空心结构连通。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明利用脉冲电场协同臭氧制备低分子量水溶性壳聚糖，工艺先进，工序简单，制备时间短，远远小于化学法所需要的数小时的化学反应时间(脉冲电场产生的高能量及臭氧协同作用，均能增加壳聚糖溶液中的自由基浓度，增加了自由基攻击β-(1，4)糖苷键的机会，从而增加壳聚糖的降解效率)；
2、(β-(1，4)糖苷键的断裂是壳聚糖降解的主要反应，本发明通过调节脉冲电场处理条件和臭氧浓度，控制壳聚糖溶液中的自由基攻击β-(1，4)糖苷键的速度，得到了分子量可控的水溶性壳聚糖(分子量小于1.0×104Da)，产品纯度高(大于70％)，品质稳定，可广泛用于保健食品、医药、饲料添加剂和生物农药等；
3、在制备过程中产生的副产品是氧气，对环境无污染，属于绿色清洁生产加工。
附图说明
图1为脉冲电场协同臭氧制备低分子量水溶性壳聚糖的装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，脉冲电场协同臭氧制备低分子量水溶性壳聚糖装置主要由臭氧发生装置、臭氧壳聚糖溶液混合装置和脉冲电场装置9组成；其中，臭氧发生装置主要由氧气钢瓶1、流量计2和臭氧发生器3通过管道依次接组成，所述的臭氧发生器3为E306型臭氧发生器(佛山顺德依利斯电子厂)。臭氧壳聚糖溶液混合装置主要由夹套瓶4、气体分散器5、空气过滤器6、恒温循环器7和废气收集瓶10组成；夹套瓶4为带有夹套的空心结构，气体分散器5和空气过滤器6设置在夹套瓶4的空心结构中，气体分散器5与臭氧发生器3连接；恒温循环器7与夹套瓶4的夹套连通，废气收集瓶10与夹套瓶4空心结构上端连通；气体分散器5由带有很多微孔不锈钢管或石英管做成，恒温循环器7为HX-1050型恒温循环器(北京博医康实验仪器有限公司)。空气过滤器6通过蠕动泵8与脉冲电场装置9连接，脉冲电场装置9还通过管道与夹套瓶4的空心结构连通。蠕动泵8为HL-4型恒流泵(上海沪西分析仪器厂)；脉冲电场装置9为SY-50型脉冲电场发生器(广州云星科学仪器有限公司)。
使用上述装置时，包括如下步骤：a.将分子量大于1.0×105Da的高分子量壳聚糖溶于酸性溶液后置于夹套瓶4的空心结构中。b.打开氧气钢瓶1的阀门，开启臭氧发生器3，将臭氧浓度控制为10～3500mg/L，臭氧以速度0.1～3L/min由气体分布器5导入高分子量壳聚糖酸性溶液中，同时，打开恒温循环器7，使壳聚糖酸性溶液保持一定的温度。c.用连续恒流泵H L-4B型数显恒流泵，上海沪西分析仪器厂将混有臭氧的壳聚糖溶液经空气过滤器6的聚丙烯滤芯泵入脉冲电场装置进行循环处理。d.夹套瓶4中剩余的尾气通过废气收集瓶10内含KI溶液处理后排入大气中。e.向脉冲电场处理后的壳聚糖降解液中加入碱溶液，调节pH至6～8，抽滤并依次用蒸馏水和无水乙醇洗涤2～3次，滤液经浓缩后在60℃下真空干燥即得可控分子量水溶性壳聚糖分子量小于1.0×104Da。
实施例1
将高分子量壳聚糖分子量为3.0×105Da，脱乙酰度大于85％与含有乙酸的水溶液混合均匀后置于夹套瓶4中，其中壳聚糖酸性溶液体积为100mL，壳聚糖的质量浓度为100g/L，乙酸溶液的质量分数为3％。打开氧气钢瓶1的阀门，开启臭氧发生器3，将臭氧发生器产生的臭氧浓度控制为10mg/L，臭氧以0.1L/min的速度由气体分布器5通入壳聚糖酸性溶液，同时，打开恒温循环器7，使壳聚糖酸性溶液保持在25℃。用蠕动8泵(HL-4型恒流泵)连续将壳聚糖臭氧混合溶液经空气过滤器6以50mL/min的流速泵入脉冲电场装置9进行循环处理，调节电场场强为20kV/cm，脉冲宽度20μs，脉冲频率1000Hz，脉冲波形为平方波，脉冲处理时间为30min。夹套瓶中剩余的尾气通过废气收集瓶10内含KI溶液处理后排入大气中。向脉冲电场处理后的壳聚糖降解液中加入0.5mol/L氢氧化钠溶液，调节pH至6.5，抽滤并依次用蒸馏水和无水乙醇各洗涤2次，滤液经浓缩后在60℃下真空干燥，即得可控分子量水溶性壳聚糖粘均分子量为5000Da，产率60％。
粘均分子量的测定：以0.2mol/L CH3COOH/0.1mol/L，CH3COONa的缓冲溶液为溶剂，于(30±0.05)℃下用乌式粘度计按稀释法测定特性粘度[η]，根据Mark-Houwink方程计算粘均分子质量，式中Mv为粘均分子量，k＝1.64×10-30DD14，DD＝脱乙酰度，α＝-1.02×10-2DD+1.82。特性粘度[η]采用文献(Wang W.，Bo SQ.，Li SQ.，et al.Determination of the Mark-Houwinkequation for chitosans with different degree of deacetylation[J].Internationaljournal of biological macromolecules，1991，13：281-285)报道的粘度法测定。
产率＝水溶性壳聚糖质量/壳聚糖质量。
实施例2
将高分子量壳聚糖分子量为5.0×105Da，脱乙酰度大于95％与含有甲酸和盐酸的水溶液混合均匀后置于夹套中，其中壳聚糖酸性溶液体积为200mL，壳聚糖的质量浓度为20g/L，甲酸溶液的质量分数为0.5％，盐酸的质量分数为5.0％。打开氧气钢瓶阀门，开启臭氧发生器，将臭氧发生器产生的臭氧1000mg/L以1.0L/min的速度由气体分布器通入壳聚糖酸性溶液，同时，打开恒温循环器，使壳聚糖酸性溶液保持在30℃。用连续恒流泵将壳聚糖臭氧混合溶液经空气过滤器以10mL/min的流速泵入脉冲电场装置进行循环处理，调节电场场强为40kV/cm，脉冲宽度5μs，脉冲频率5000Hz，脉冲波形为平方波，脉冲处理时间为120min。夹套瓶中剩余的尾气通过废气收集瓶内含KI溶液处理后排入大气中。向脉冲电场处理后的壳聚糖降解液中加入1.0mol/L氢氧化钾溶液，调节pH至7.0，抽滤并依次用蒸馏水和无水乙醇各洗涤3次，滤液经浓缩后在60℃下真空干燥即得可控分子量水溶性壳聚糖粘均分子量为3000Da，产率70％(测量方法同实施例1)。
实施例3
将高分子量壳聚糖分子量为6.0×105Da，脱乙酰度大于90％与含有柠檬酸的水溶液混合均匀后置于夹套中，其中壳聚糖酸性溶液体积为400mL，壳聚糖的质量浓度为1.0g/L，柠檬酸溶液的质量分数为10％。打开氧气钢瓶阀门，开启臭氧发生器，将臭氧发生器产生的臭氧3500mg/L以3.0L/min的速度由气体分布器通入壳聚糖酸性溶液，同时，打开恒温循环器，使壳聚糖酸性溶液保持在35℃。用连续恒流泵将壳聚糖臭氧混合溶液经空气过滤器以120mL/min的流速泵入脉冲电场装置进行循环处理，调节电场场强为5kV/cm，脉冲宽度110μs，脉冲频率1500Hz，脉冲波形为平方波，脉冲处理时间为100min。夹套瓶中剩余的尾气通过废气收集瓶内含KI溶液处理后排入大气中。向脉冲电场处理后的壳聚糖降解液中加入1.2mol/L氢氧化钾溶液和0.5mol/L碳酸氢钠，调节pH至7.5，抽滤并依次用蒸馏水和无水乙醇各洗涤2次，滤液经浓缩后在60℃下真空干燥即得可控分子量水溶性壳聚糖粘均分子量为8000Da，产率80％(测量方法同实施例1)。
实施例4
将高分子量壳聚糖分子量为10.0×105Da，脱乙酰度大于70％与含有乳酸的水溶液混合均匀后置于夹套中，其中壳聚糖酸性溶液体积为500mL，壳聚糖的质量浓度为3.0g/L，乳酸溶液的质量分数为2％。打开氧气钢瓶阀门，开启臭氧发生器，将臭氧发生器产生的臭氧500mg/L以0.1L/min的速度由气体分布器通入壳聚糖酸性溶液，同时，打开恒温循环器，使壳聚糖酸性溶液保持在40℃。用连续恒流泵将壳聚糖臭氧混合溶液经空气过滤器以70mL/min的流速泵入脉冲电场装置进行循环处理，同时调节电场场强为70kV/cm，脉冲宽度110μs，脉冲频率2000Hz，脉冲波形为平方波，脉冲处理时间为60min。夹套瓶中剩余的尾气通过废气收集瓶内含KI溶液处理后排入大气中。向脉冲电场处理后的壳聚糖降解液中加入0.8mol/L氢氧化钠溶液，调节pH至8.0，抽滤并依次用蒸馏水和无水乙醇各洗涤3次，滤液经浓缩后在60℃下真空干燥即得可控分子量水溶性壳聚糖粘均分子量为4200Da，产率85％(测量方法同实施例1)。
Claims (10)
1.一种脉冲电场协同臭氧制备低分子量水溶性壳聚糖的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将分子量大于1.0×105Da，脱乙酰度大于70％的高分子量壳聚糖溶于酸性溶液后置于夹套瓶的空心结构中，所述酸性溶液质量浓度为0.5～10％，壳聚糖在酸性溶液中的浓度为1～100g/L；所述的酸性溶液为盐酸、甲酸、乙酸、柠檬酸和乳酸中的一种或多种；
(2)打开氧气钢瓶的阀门，开启臭氧发生器，将浓度为10～3500mg/L的臭氧以0.1～3L/min的速度由气体分散器导入高分子量壳聚糖酸性溶液中，打开恒温循环器，使壳聚糖酸性溶液保持在25～40℃；
(3)将混有臭氧的壳聚糖酸性溶液泵入到脉冲电场处理器进行循环处理：电场场强为5～70kV/cm，脉冲宽度5～110μs，脉冲频率5～5000Hz，脉冲波形为平方波，壳聚糖酸性溶液的流速为10～120mL/min，脉冲电场处理的时间为30～120min；
(4)向脉冲电场处理后的壳聚糖降解液中加入碱溶液，调节pH至6～8，抽滤并依次用蒸馏水和无水乙醇洗涤，滤液经浓缩后在真空干燥，即得分子量小于1.0×104Da的低分子量水溶性壳聚糖。
2.根据权利要求1所述的脉冲电场协同臭氧制备低分子量水溶性壳聚糖的方法，其特征在于：所述的电场场强为15～60kV/cm，脉冲电场处理的时间为30～90min。
3.根据权利要求1所述的脉冲电场协同臭氧制备低分子量水溶性壳聚糖的方法，其特征在于：所述壳聚糖酸性溶液体积为100～500mL。
4.根据权利要求1所述的脉冲电场协同臭氧制备低分子量水溶性壳聚糖的方法，其特征在于：所述真空干燥的温度为60℃。
5.根据权利要求1所述的脉冲电场协同臭氧制备低分子量水溶性壳聚糖的方法，其特征在于：所述依次用蒸馏水和无水乙醇洗涤的次数为2～3次。
6.根据权利要求1所述的脉冲电场协同臭氧制备低分子量水溶性壳聚糖的方法，其特征在于：所述碱溶液为NaOH、NaOH、KOH和NaHCO3中的一种或多种的水溶液。
7.一种脉冲电场协同臭氧制备低分子量水溶性壳聚糖的装置，其特征在于主要由臭氧发生装置、臭氧壳聚糖溶液混合装置和脉冲电场装置组成；其中，臭氧发生装置主要由氧气钢瓶、流量计和臭氧发生器通过管道依次连接组成，臭氧壳聚糖溶液混合装置主要由夹套瓶、气体分散器、空气过滤器、恒温循环器和废气收集瓶组成；夹套瓶为带有夹套的空心结构，气体分散器和空气过滤器设置在夹套瓶的空心结构中，气体分散器与臭氧发生器连接；恒温循环器与夹套瓶的夹套连通，废气收集瓶与夹套瓶空心结构上端连通；气体分散器由带有很多微孔不锈钢管或石英管制成，空气过滤器通过蠕动泵与脉冲电场装置连接，脉冲电场装置还通过管道与夹套瓶的空心结构连通。
8.根据权利要求7所述的脉冲电场协同臭氧制备低分子量水溶性壳聚糖的装置，其特征在于：所述的臭氧发生器为E306型臭氧发生器。
9.根据权利要求7所述的脉冲电场协同臭氧制备低分子量水溶性壳聚糖的装置，其特征在于：所述的蠕动泵为HL-4型恒流泵；所述的恒温循环器为HX-1050型恒温循环器。
10.根据权利要求7所述的脉冲电场协同臭氧制备低分子量水溶性壳聚糖的装置，其特征在于：所述的脉冲电场装置为SY-50型脉冲电场发生器。
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