CN103319729A

CN103319729A - 一种功能明胶改性的方法

Info

Publication number: CN103319729A
Application number: CN2013102194789A
Authority: CN
Inventors: 刘善堂; 刘闯; 彭必先
Original assignee: Wuhan Institute of Technology
Current assignee: Wuhan Institute of Technology
Priority date: 2013-06-04
Filing date: 2013-06-04
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2033-06-04
Also published as: CN103319729B

Abstract

本发明涉及一种功能明胶改性的方法，它包括以下步骤：1）将3,4-二羟基苯甲酸和溶剂丙酮混合搅拌至溶解，然后加入乙酸酐进行回流反应，分离出溶剂；2）将步骤1）的产物用三氯甲烷搅拌分散，加入氯化亚砜进行回流反应，分离出溶剂，所得产物即为改性剂；3）明胶溶胀后加热待其熔融，用NaOH溶液调节溶液pH为弱碱性，同时均匀加入步骤2）中改性剂搅拌反应；4）将改性后的功能明胶溶液用硫酸溶液沉降、洗涤、熔融，调节pH到6.0-7.0，冷冻干燥得改性后的功能明胶。本发明使用3,4-二羟基苯甲酰氯改性剂改性后的明胶，其等电点下降至pH1.7-2.1，在人工胃液中成沉淀状，不崩解，颜色呈均一乳白色或淡红色。

Description

一种功能明胶改性的方法

技术领域

本发明涉及一种功能明胶改性的方法，属于功能明胶材料领域。

背景技术

明胶作为一种天然的可降解、无毒无污染的高分子生物材料，近年来引起许多学者的关注。明胶是胶原的降解产物，由20种常见氨基酸组成，具有许多优良的物理及化学性质，其亲水性强，具有能成胶冻的能力，溶胶及凝胶的可逆转化，成膜性能好，侧链基团反应活性高，电荷随介质pH值变化而改变的两性电解质性质等。明胶来源丰富，但纯明胶存在干燥后质地脆、延展性差、成型能力差、抗水抗酸性能差等缺点。以明胶分子中氨基酸残基上丰富的功能基团为突破口，通常要对明胶进行改性后应用于实际生产。

明胶的改性研究主要分两大类，一是将人工合成的聚合物例如：聚乙烯乙醇、聚乙二醇、聚丙烯酸树脂等与明胶通过共混或共聚来对材料的物化性质进行改良，但是共混制得的材料相容性差，共聚技术要求高；二是将甲醛、乙二醛、戊二醛、1,6-己二异氰酸酯、丁二烯二环氧化物、顺丁烯二酸酐、硬脂酸等作为交联剂对明胶进行化学交联，以提高材料的机械强度。醛类对明胶的交联作用主要发生在醛基和明胶中的赖氨酸或羟赖氨酸残基上的ε-氨基之间，烷烯及其衍生物对明胶的交联改性主要发生在硬脂酸上的羧基和羟脯氨酸残基的羟基之间，且硬脂酸的长碳链可起到增塑剂的作用。醛类对明胶胶囊交联改性后，由于其醛类的残留等问题，会导致明胶变脆，不利于胶囊的贮存和运输；而脂肪酸类改性剂更多的是起到增塑剂的作用，改性后的明胶多用于制作膜材料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种功能明胶改性的方法，改性制备的功能明胶耐酸，在人工胃液中沉降性能良好。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

功能明胶改性的方法，它包括以下步骤：

1）3,4-二羟基苯甲酸的羟基保护：将3,4-二羟基苯甲酸和溶剂丙酮加入反应容器中，混合搅拌至溶解，然后加入乙酸酐进行回流反应，待反应完全后，蒸馏分离出溶剂丙酮，所得的产物取出干燥待用；

2）3,4-二羟基苯甲酸的酰氯化：将步骤1）的产物加入反应容器中，用三氯甲烷搅拌分散，加入氯化亚砜进行回流反应，反应完全后，蒸馏分离出溶剂三氯甲烷，所得产物即为改性剂，干燥、研磨成粉末待用；

3）明胶溶液的改性：取明胶于蒸馏水中溶胀0.5-1h，然后加热待其熔融，用NaOH溶液调节溶液pH为弱碱性，同时均匀加入步骤2）中改性剂搅拌反应，反应完成后，即得到改性后的功能明胶溶液；

4）将改性后的功能明胶溶液用硫酸溶液沉降完全，并洗涤后，用蒸馏水熔融，加碱液调节pH到6.0-7.0，冷冻干燥得改性后的功能明胶。

按上述方案，所述步骤1）中3,4-二羟基苯甲酸和乙酸酐的摩尔比为：1:2～3，溶剂丙酮以添加到反应容器体积的1/2-2/3为宜。

按上述方案，所述步骤1）中溶液的回流反应温度为60-70℃，反应时间为3～6h，蒸馏温度为60-70℃。

按上述方案，所述步骤2）中3,4-二羟基苯甲酸和氯化亚砜的摩尔比为：1:1～2，溶剂三氯甲烷以添加到反应容器体积的1/2-2/3为宜。

按上述方案，所述步骤2）中溶液的回流反应温度为65-75℃，反应时间为3～6h，蒸馏温度为65-75℃。

按上述方案，所述步骤3）中改性剂粉末、明胶、蒸馏水的质量比为（1～3）:4:（10～30）。

按上述方案，所述步骤3）中明胶改性反应条件为40～50℃，时间30～60min，pH8～9。

本发明的原理是利用对明胶中氨基酸侧脸上碱性基团的屏蔽，使改性后明胶的等电点降低而得到了pH敏感型材料,其改性剂制备和明胶改性的反应方程式如下：

改性剂的制备：

明胶的改性：

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1）本发明使用3,4-二羟基苯甲酰氯改性剂改性后的明胶，其等电点下降至pH1.5-2.0，在人工胃液中成沉淀状，不崩解，经冷冻干燥后的改性明胶含水量下降，颜色呈均一乳白色或淡红色，聚丙烯酰胺凝胶电泳定量分析得出水解副反应程度可控。

2）与传统明胶改性剂相比，本发明采用原儿茶酸作为改性剂，原儿茶酸源于鳞始蕨科植物乌蕨和冬青科植物冬青的叶，绿色、环保、原料来源丰富，其能入药，适量范围内于人体无毒无害，有抗菌作用，有利于功能明胶的长期保存。

3）与传统改性明胶相比，本方法制备的改性明胶产品质量较均一，明胶水解程度可控，水解后的小分子多肽被人体吸收后具有保健功能。

4）与传统明胶改性方法相比，本改性方法中各项反应条件明确，反应参数易控制。

附表说明

表1是本发明实施例1～4中改性明胶的粘度对比数据表；

表2是本发明实施例1、4中改性明胶的元素分析对比数据表；

表3是本发明实施例1～4中改性明胶的人工胃液沉降性能对比表；

表3是本发明实施例1～4中改性明胶的水解程度数据表。

附图说明

图1是本发明实施例1～4中改性明胶的聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）分析对比谱图，从上到下依次为:1—未改性明胶；2—实施例1中改性明胶；3—实施例2中改性明胶；4—实施例3中改性明胶；5—实施例4中改性明胶。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。

下述实施例中所用的明胶从法国ROUSSELOT公司购得，3,4-二羟基苯甲酸为工业级，其他试剂均为分析纯。明胶水解程度分析中聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）实验中丙烯酰胺为进口分装，甲叉丙烯酰胺、四甲基乙二胺均为超纯级（Ultra Pure Grade），过硫酸胺为美国化学学会标准（ACS Grade）。

实施例1

功能明胶改性的方法，它包括以下步骤：

1）3,4-二羟基苯甲酸的羟基保护：取250mL圆底烧瓶一个，加入3,4-二羟基苯甲酸50g、丙酮150mL，放入水浴锅中40℃搅拌至溶解，然后加入乙酸酐60mL，60℃回流反应3h，待反应完全后，65℃蒸馏分离出溶剂丙酮，所得的产物取出干燥待用；

2）3,4-二羟基苯甲酸的酰氯化：取250mL圆底烧瓶一个，加入步骤1）中产物，用180mL三氯甲烷搅拌分散1h，加入氯化亚砜23.5mL，65℃回流反应3h，尾气用适量的NaOH溶液吸收，反应完全后，70℃蒸馏分离出溶剂三氯甲烷，所得产物取出干燥、研磨成粉末待用；

3）明胶溶液的改性：取明胶40g于500mL烧杯中，加蒸馏水100mL，溶胀0.5h，然后置于50℃恒温水浴锅里待其熔融，用10wt%NaOH溶液调节溶液pH到8.5，同时均匀加入步骤2）中改性剂10g，并搅拌反应30min，搅拌反应完成后即得到改性后的功能明胶溶液；

（4）将改性后的功能明胶溶液用5wt%硫酸溶液沉降完全，此时改性明胶溶液的pH为2.04，即改性明胶的等电点的pH为2.04，反复洗涤除去改性明胶中杂质，然后加蒸馏水将改性明胶浸没润湿，置于水浴锅中熔融后用NaOH溶液调节其pH值到6.8，放入冷冻干燥机中干燥得改性后的功能明胶样品，颜色呈均一乳白色，质量较均一。

实施例2

功能明胶改性的方法，它包括以下步骤：

1）3,4-二羟基苯甲酸的羟基保护：取250mL圆底烧瓶一个，加入3,4-二羟基苯甲酸50g、丙酮180mL，放入水浴锅中40℃搅拌至溶解，然后加入乙酸酐90mL，65℃回流反应6h，待回流反应完成后，70℃蒸馏分离出溶剂丙酮，所得的产物取出干燥待用；

2）3,4-二羟基苯甲酸的酰氯化：取250mL圆底烧瓶一个，加入步骤1）中产物，用150mL三氯甲烷搅拌分散2h，加入氯化亚砜35mL，70℃回流反应6h，尾气用适量的NaOH溶液吸收，待回流反应完成后，75℃蒸馏分离出溶剂三氯甲烷，所得产物取出干燥、研磨成粉末待用；

3）明胶溶液的改性：取明胶40g于500mL烧杯中，加蒸馏水300mL，溶胀1h，然后置于45℃恒温水浴锅里待其熔融，用10wt%NaOH溶液调节溶液pH到9，同时均匀加入步骤2）中改性剂30g，并搅拌反应45min，搅拌反应完成后，即得到改性后的功能明胶溶液；

（4）将改性后的功能明胶溶液用5wt%硫酸溶液沉降完全，此时改性明胶溶液的pH为1.93，即改性明胶的等电点的pH为1.93，反复洗涤除去改性明胶中杂质，然后加蒸馏水将改性明胶浸没润湿，置于水浴锅中熔融后用NaOH溶液调节其pH值到7.0，放入冷冻干燥机中干燥得改性后的功能明胶样品，颜色呈均一乳白色，质量较均一。

实施例3

功能明胶改性的方法，它包括以下步骤：

1）3,4-二羟基苯甲酸的羟基保护：取250mL圆底烧瓶一个，加入3,4-二羟基苯甲酸50g、丙酮160mL，放入水浴锅中40℃搅拌至溶解，然后加入乙酸酐75mL，70℃回流反应4h，待回流反应完成后，60℃蒸馏分离出溶剂丙酮，所得的产物取出干燥待用；

2）3,4-二羟基苯甲酸的酰氯化：取250mL圆底烧瓶一个，加入步骤1）中产物，用150mL三氯甲烷搅拌分散1.5h，加入氯化亚砜30mL，75℃回流反应5h，尾气用适量的NaOH溶液吸收，待回流反应完成后，65℃蒸馏分离出溶剂三氯甲烷，所得产物取出干燥、研磨成粉末待用；

3）明胶溶液的改性：取明胶40g于500mL烧杯中，加蒸馏水200mL，溶胀1h，然后置于40℃恒温水浴锅里待其熔融，用10wt%NaOH溶液调节溶液pH到8，同时均匀加入步骤2）中改性剂20g，并搅拌反应60min，搅拌反应完成后，即得到改性后的功能明胶溶液；

（4）将改性后的功能明胶溶液用5wt%硫酸溶液沉降完全，此时改性明胶溶液的pH为1.75，即改性明胶的等电点的pH为1.75，反复洗涤除去改性明胶中杂质，然后加蒸馏水将改性明胶浸没润湿，置于水浴锅中熔融后用NaOH溶液调节其pH值到6.5，放入冷冻干燥机中干燥得改性后的功能明胶样品，颜色呈均一浅红色，质量较均一。

实施例4

功能明胶改性的方法，它包括以下步骤：

1）3,4-二羟基苯甲酸的羟基保护：取250mL圆底烧瓶一个，加入3,4-二羟基苯甲酸50g、丙酮170mL，放入水浴锅中40℃搅拌至溶解，然后加入乙酸酐70mL，65℃回流反应4h，待回流反应完成后，60℃蒸馏分离出溶剂丙酮，所得的产物取出干燥待用；

2）3,4-二羟基苯甲酸的酰氯化：取250mL圆底烧瓶一个，加入步骤1）中产物，用150-180mL三氯甲烷搅拌分散1.5h，加入氯化亚砜25mL，70℃回流反应4h，尾气用适量的NaOH溶液吸收，待回流反应完成后，70℃蒸馏分离出溶剂三氯甲烷，所得产物取出干燥、研磨成粉末待用；

（4）将改性后的功能明胶溶液用5wt%硫酸溶液沉降完全，此时改性明胶溶液的pH为1.79，即改性明胶的等电点的pH为1.79，反复洗涤除去改性明胶中杂质，然后加蒸馏水将改性明胶浸没润湿，置于水浴锅中熔融后用NaOH溶液调节其pH值到6.0，放入冷冻干燥机中干燥得改性后的功能明胶样品，颜色呈均一乳白色，质量较均一。

表1是本发明实施例1～4中改性明胶浓度为6.67wt%时的粘度数据表，采用勃氏粘度计测定，表中数据可以看出改性后明胶的粘度比改性前显著下降，说明改性过程中明胶大分子组分有一定程度的降解，另外粘度的降低也会影响改性明胶的成膜性能。

表2是本发明实施例1、4中冷冻干燥后的改性明胶的元素分析数据表，表中数据可以看出氮元素含量大幅下降，而碳元素和氢元素的含量却几乎没变，这是由于改性剂3,4-二羟基苯甲酸主要由碳和氢元素组成，改性剂的加入导致氮元素的下降，说明明胶确实发生了改性反应。

表3是本发明实施例1～4中改性明胶的人工胃液沉降性能表，由表可以看出改性明胶的沉降性能良好，在人工胃液中稳定，实施例2中改性明胶在人工胃液中沉降性能最好，而未改性明胶在人工胃液中却不能沉降。

结合表2和表3中数据，可以看出本发明中所用改性剂确实与明胶发生了改性反应，使得明胶的等电点的pH降低到为1.7-2.1，在人工胃液中性质稳定。

图1是本发明实施例1～4中改性明胶的SDS-PAGE分析谱图，图中横坐标轴代表迁移距离，纵坐标轴代表峰的强度，其与组分的浓度成正比关系。由于明胶中主要成分为α、β两组分，明胶中α、β两组分的水解情况基本上可以代表明胶的水解情况。对各组分峰面积积分比较后可以得出改性明胶的水解程度大小，具体数据见表4。

表4是本发明实施例1～4中改性明胶的水解程度数据表，从数据可以看出，不同改性条件下的改性明胶的水解程度不同。明胶中组分（α₁和α₂组分）既是明胶的最主要构成部分，也对明胶的粘度和凝胶强度等性能有决定性的影响，因此以α组分（α₁和α₂组分）的降解率来评价改性明胶的水解程度是更具说服力的。其中实施例1中改性明胶的水解程度最小，为22.82%；实施例4为41.43%，改性反应中明胶水解情况比较严重，相对于实施例1不利于其生产应用。

表1

表2

表3

表4

Claims

1.一种功能明胶改性的方法，其特征在于它包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种功能明胶改性的方法，其特征在于所述步骤1）中3,4-二羟基苯甲酸和乙酸酐的摩尔比为：1:2～3。

3.根据权利要求1所述的一种功能明胶改性的方法，其特征在于所述步骤1）中溶液的回流反应温度为60-70℃，反应时间为3～6h，蒸馏温度为60-70℃。

4.根据权利要求1所述的一种功能明胶改性的方法，其特征在于所述步骤2）中3,4-二羟基苯甲酸和氯化亚砜的摩尔比为：1:1～2。

5.根据权利要求1所述的一种功能明胶改性的方法，其特征在于所述步骤2）中溶液的回流反应温度为65-75℃，反应时间为3～6h，蒸馏温度为65-75℃。

6.根据权利要求1所述的一种功能明胶改性的方法，其特征在于所述步骤3）中改性剂粉末、明胶、蒸馏水的质量比为（1～3）:4:（10～30）。

7.根据权利要求1所述的一种功能明胶改性的方法，其特征在于所述步骤3）中明胶改性反应条件为40～50℃，时间30～60min，pH8～9。