CN104292349A - 一种制备羧甲基化米糠多糖的设备及方法 - Google Patents

Abstract

一种制备羧甲基化米糠多糖的设备及方法，主要针对现有米糠多糖羧甲基化产物取代度较低、反应速度较慢等问题，提供一种制备羧甲基化米糠多糖设备及方法。该设备由反应器，循环泵，超声波发生器，温控装置，超声波控制器，液体进料口，固体进料口，出料口组成；一种制备羧甲基化米糠多糖的方法，具体步骤为：将米糠多糖加入到NaOH溶液中，再加入氯乙酸，在超声条件下反应，减压蒸馏，乙醇沉淀，最后真空干燥。本发明的设备使反应时间缩短，提高羧甲基化效率，和传统水浴条件相比，其产品取代度升高，可以更好的清除自由基，抗氧化活性得以增强；本发明提出的工艺过程简单、科学、合理，所制得的产物可以作为抗癌类药物及保健品进一步开发。

Description

一种制备羧甲基化米糠多糖的设备及方法

技术领域

本发明涉及一种制备羧甲基化米糠多糖的设备及方法，特别涉及一种超声波条件下的米糠多糖羧甲基化反应，属于米糠精深加工的技术领域。

背景技术

米糠是糙米碾白后的副产品，中国年产量超过1亿吨，其含有的多糖存在于稻谷颖果皮层里，是目前尚待深入开发和广泛应用的主要营养成分之一。天然的米糠多糖具有很多生物活性，但是活性较弱，因此需要进一步提高和改善其某些方面的活性才具有应用价值。常用的多糖分子修饰的方法主要有硫酸酯化、羧甲基化、羧乙基化、乙酰化、磷酸酯化、苯甲酰化、羟乙基化、羟丙基化、棕榈酰化、硬脂酰化、双基团衍生化、碘化和氨化、降解修饰等。经验证，许多种类的多糖经羧甲基化修饰后其抗氧化性能够得以有效提升，目前已应用于鸡腿菇多糖、红松松塔多糖等的产品开发中，表现出较为显著的抗氧化性效果。但目前尚未见羧甲基化修饰在米糠多糖中的应用实例。

现有的羧甲基化反应多是在水浴条件下进行，相对耗时较长，平均为2h-5h，且多糖羧甲基化产物取代度较低，针对这些问题的存在，有必要对羧甲基化反应进行改善。超声波是频率高于20000Hz的声波，方向性较好，穿透能力强，传播距离远，易于获得较集中的能量。由于超声波频率很高，因而可以产生空化作用，当液体处于超声波辐射状态下时，液体微粒会剧烈振动，从而在内部产生许多小空洞。这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。鉴于此，合理地应用超声波的空化效应可以加快米糠多糖羧甲基化反应速率，提高相应产品取代率。然而目前的超声波技术一般主要是利用超声波清洗器、超声波反应器等，反应液在超声条件下处于静置状态，汲取能量不均匀，距离超声波发生器的远近会影响局部的反应效果，因此需要开发出一种高效利用超声波能量的设备以达到节约能源，充分反应的目的。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种制备羧甲基化米糠多糖的设备及方法，该设备为外循环式超声波反应装置，使反应液汲取能量均匀，反应时间缩短，提高羧甲基化效率，和传统水浴条件相比，其产品取代度升高，可以更好的清除自由基，抗氧化活性得以增强。该制备方法是一种科学、高效地方法，并能提高并保持多糖衍生物的生物活性。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种制备羧甲基化米糠多糖的设备，由反应器，循环泵，超声波发生器，温控装置，超声波控制器，液体进料口，固体进料口，出料口组成；所述反应器顶端设有液体进料口和固体进料口，底端设有出料口，所述控温装置与反应器相连接，循环泵的进口与反应器的底部相连，循环泵的出口与超声波发生器相连，超声波发生器出口与反应器的顶部相连接，超声波控制器与超声波发生器相连接。

该设备为外循环式超声波反应装置，所述超声波发生器探头为6-10个并且平行排列在管道两端，温控装置内的加热管采取螺旋管形状，循环泵为液体输送泵。

一种制备羧甲基化米糠多糖的方法，具体实现步骤如下：

a、米糠多糖的制备；

b、从固体进料口向反应器内加入步骤a制得的米糠多糖10g，然后从液体进料口加入300mL质量分数为20％的NaOH溶液，制成米糠多糖混合液，并静置混合0.5h；

c、自固体进料口向步骤b制得的米糠多糖混合液中加入60g氯乙酸，充分混合，得混合液；

d、开启循环泵与超声波发生器，将步骤c得到的混合液经外循环超声处理进行羧甲基化反应，超声处理条件为：超声功率100W-200W，超声时间为5min-25min，反应温度为40℃-60℃；

e、反应结束后待反应溶液冷却至室温，从液体进料口加入质量分数为20％的NaOH溶液将反应液调至pH7.0，然后从出料口放出反应液对其进行减压蒸馏，除去氯乙酸和部分水分，残留物用蒸馏水透析10h。

f、加入步骤e透析后溶液三倍体积的无水乙醇，4℃静置10h，离心分离得到沉淀物，真空冻干制得羧甲基化米糠多糖；

所述步骤a米糠多糖的制备具体步骤为：米糠粕粉碎、20目过筛→挤压膨化→烘干、粉碎、40目过筛→纤维素酶、果胶酶复合酶解→离心取上清液→淀粉酶酶解→离心取上清液→Sevag法除蛋白→冷冻离心取上清液→醇沉→离心取沉淀→溶解→透析→冷冻干燥→米糠多糖。

所述制得的羧甲基化米糠多糖的取代度为0.68-1.43。

所述步骤d中超声波辅助制备羧甲基化米糠多糖超声处理条件的优化：在超声波辅助反应的单因素实验的基础上进行正交试验得到最佳条件为超声功率160w，超声时间15min，反应温度60℃，得到的羧甲基化米糠多糖的取代度为1.43。

本发明的有益效果是：

目前的超声设备一般是向容器内部产生高频振荡辐射或者是在溶液中插入超声波发生棒，溶液都是处于静置状态，本发明所提出的设备是让反应液处于循环流动的状态，均匀快速的接受超声辐射，避免了能量分布不均匀的弊端，该设备使反应时间缩短，提高羧甲基化效率，和传统水浴条件相比，其产品取代度升高，可以更好的清除自由基，抗氧化活性得以增强。

国内外现有制备多糖羧甲基化衍生物的方法相关报道，是将多糖与羧甲基化试剂在水浴的条件下反应2h-5h，时间较长，比较浪费资源。因而本发明的优势在于利用超声最大限度地缩短了反应的时间，所提出的工艺过程简单、科学、合理，既可节能又保持米糠多糖羧甲基化衍生物中的诸多活性物质，并具有较高的自由基清除能力，提高了抗氧化活性。

本发明对超声处理条件进行了最佳条件的优化，在超声波辅助反应的单因素实验的基础上，设计正交试验，最后得到了超声处理的最佳反应条件，羧甲基化反应阶段利用超声波辅助更有利于羧酸根和多糖大分子的结合，使得取代度增加，而取代度和羧甲基化米糠多糖衍生物自身的功效也有一定的联系。经比较发现取代度高的分子其自由基清除能力有所提升，利用超声使其取代度升高，同时也提高了其功效。

本发明的另一个有益之处在于，将米糠多糖提取纯化后，再进行羧甲基化改性，使其具有较强的抗氧化活性，对自由基清除率更高，所制得的产物可以作为抗癌类药物及保健品进一步开发。

附图说明

图1为本发明制备羧甲基化米糠多糖的设备的结构示意图；

图2为本发明制备羧甲基化米糠多糖的方法的流程图；

图3为超声功率对多糖衍生物取代度的影响的曲线图；

图4为超声时间对多糖衍生物取代度的影响的曲线图；

图5为温度对多糖衍生物取代度的影响的曲线图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

实施例1

参照图1，一种制备羧甲基化米糠多糖的设备，由反应器1，循环泵2，超声波发生器3，温控装置4，超声波控制器5，液体进料口6，固定进料口7，出料口8组成；所述反应器1顶端设有液体进料口6和固体进料口7，底端设有出料口8，所述温控装置4与反应器1相连接，循环泵2的进口与反应器1的底部相连，循环泵2的出口与超声波发生器3相连，超声波发生器3出口与反应器1的顶部相连接，超声波控制器5与超声波发生器3相连接。

该设备为外循环式超声波反应装置，所述超声波发生器3的探头为6-10个并且平行排列在管道两端，所述循环泵2为液体输送泵，温控装置4内的加热管采取螺旋管形状。

参照图2，一种制备羧甲基化米糠多糖的方法，按下述步骤实现：

a、米糠多糖的制备；

b、从固体进料口7加入步骤a制得的米糠多糖10g，然后从液体进料口6加入300mL质量分数为20％的NaOH溶液，制成米糠多糖混合液，并静置混合0.5h；

c、自固体进料口7向步骤b制得的米糠多糖混合液中加入60g氯乙酸，充分混合，得混合液；

d、开启循环泵2与超声波发生器3，将步骤c得到的混合液经外循环超声处理进行羧甲基化反应，超声处理条件为：超声功率100W-200W，超声时间为5min-25min，反应温度为40℃-60℃；

e、反应结束后待反应溶液冷却至室温，从液体进料口6加入质量分数为20％的NaOH溶液将反应液调至pH7.0，然后从出料口8放出反应液对其进行减压蒸馏，除去氯乙酸和部分水分，残留物用蒸馏水透析10h；

f、加入步骤e透析后溶液三倍体积的无水乙醇，4℃静置10h，离心分离得到沉淀物，真空冻干制得羧甲基化米糠多糖。

所述步骤a米糠多糖的制备具体步骤为：米糠粕粉碎、20目过筛→挤压膨化→烘干、粉碎、40目过筛→纤维素酶、果胶酶复合酶解→离心取上清液→淀粉酶酶解→离心取上清液→Sevag法除蛋白→冷冻离心取上清液→醇沉→离心取沉淀→溶解→透析→冷冻干燥→米糠多糖。

所述制得的羧甲基化米糠多糖的取代度为0.68-1.43。

实施例2

与实施例1的不同之处在于：

步骤d中的超声处理条件为：超声功率140W，超声时间为10min，反应温度为40℃；

步骤f中加入步骤e透析后溶液三倍体积的无水乙醇，4℃静置10h，离心分离得到沉淀物，真空冻干制得羧甲基化米糠多糖，其取代度为0.68。

实施例3

与实施例1的不同之处在于：

步骤d中的超声处理条件为：超声功率180W，超声时间为15min，反应温度为40℃；

步骤f中加入步骤e透析后溶液三倍体积的无水乙醇，4℃静置10h，离心分离得到沉淀物，真空冻干制得羧甲基化米糠多糖，其取代度为1.39。

对实施例1中所述步骤d中超声处理最佳条件的优化：

(1)对超声波辅助反应的单因素实验

不同功率对取代度的影响：反应温度为60℃，反应时间为20min的条件下，改变超声波的功率，分别选取功率为100W、120W、140W、160W、180W、200W，通过对取代度的测定，如图3所示，得出超声功率选取160W较好；

不同反应时间对取代度的影响：选取超声功率140W，反应温度为60℃，改变反应时间，分别选取时间为5min、10min、15min、20min、25min，通过对取代度的测定，如图4所示，得出当时间选择15min时结果最佳，取代程度最好；

不同温度对取代度的影响：选取超声功率140W，反应时间为20min的条件下，改变反应环境的温度，分别选取温度为20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃，反应一段时间后，通过对取代度的测定，如图5所示，得出当温度为50℃时，取代度最好；

(2)超声波辅助羧甲基化反应的正交实验

在超声波辅助反应的单因素实验的基础上，设计正交试验进一步加以验证，得利用超声波辅助制备米糠多糖羧甲基化衍生物最佳工艺为：A2B2C3，即超声功率160w，超声时间15min，反应温度60℃，在此条件下得到产品的取代度为1.43；

实验因素水平见表1，具体实验中各因素水平配比见表2，方差分析见表3：

表1 因素水平表

表2 正交实验结果

表3 正交实验方差分析表

对比米糠多糖的传统水浴羧甲基化反应与超声波辅助羧甲基化处理制得的羧甲基化米糠：传统水浴温度为60℃，超声处理条件为功率160w，超声时间15min，反应温度60℃，结果如表4所示：在酯化反应阶段利用超声波辅助羧甲基化处理，在羧甲基取代度(DS)方面有明显提高，在超氧阴离子的自由基清除率、羟自由基的清除率、DPPH自由基的清除率、总抗氧化能力方面也相对较强。

表4 羧甲基化米糠多糖活性对比

Claims (6)

1.一种制备羧甲基化米糠多糖的设备，其特征在于，它是由反应器，循环泵，超声波发生器，温控装置，超声波控制器，液体进料口，固体进料口，出料口组成；所述反应器顶端设有液体进料口和固体进料口，底端设有出料口，所述控温装置与反应器相连接，循环泵的进口与反应器的底部相连，循环泵的出口与超声波发生器相连，超声波发生器出口与反应器的顶部相连接，超声波控制器与超声波发生器相连接。

2.如权利要求1所述的一种制备羧甲基化米糠多糖的设备，其特征在于，该设备为外循环式超声波反应装置，所述超声波发生器探头为6-10个并且平行排列在管道两端，温控装置内的加热管采取螺旋管形状，循环泵为液体输送泵。

3.一种制备羧甲基化米糠多糖的方法，按下述步骤实现：

a、米糠多糖的制备；

b、从固体进料口向反应器内加入步骤a制得的米糠多糖10g，然后从液体进料口加入300mL质量分数为20％的NaOH溶液，制成米糠多糖混合液，并静置混合0.5h；

c、自固体进料口向步骤b制得的米糠多糖混合液中加入60g氯乙酸，充分混合，得混合液；

d、开启循环泵与超声波发生器，将步骤c得到的混合液经外循环超声处理进行羧甲基化反应，超声处理条件为：超声功率100W-200W，超声时间为5min-25min，反应温度为40℃-60℃；

e、反应结束后待反应溶液冷却至室温，从液体进料口加入质量分数为20％的NaOH溶液将反应液调至pH7.0，然后从出料口放出反应液对其进行减压蒸馏，除去氯乙酸和部分水分，残留物用蒸馏水透析10h。

f、加入步骤e透析后溶液三倍体积的无水乙醇，4℃静置10h，离心分离得到沉淀物，真空冻干制得羧甲基化米糠多糖。

4.如权利要求3所述的一种制备羧甲基化米糠多糖的方法，其特征在于，所述步骤a米糠多糖的制备具体步骤为：米糠粕粉碎、20目过筛→挤压膨化→烘干、粉碎、40目过筛→纤维素酶、果胶酶复合酶解→离心取上清液→淀粉酶酶解→离心取上清液→Sevag法除蛋白→冷冻离心取上清液→醇沉→离心取沉淀→溶解→透析→冷冻干燥→米糠多糖。

5.如权利要求3所述的一种制备羧甲基化米糠多糖的方法，其特征在于，所述制得的羧甲基化米糠多糖的取代度为0.68-1.43。

6.如权利要求4所述的一种制备羧甲基化米糠多糖的方法，其特征在于，所述步骤d中超声波辅助制备羧甲基化米糠多糖超声处理条件的优化：在超声波辅助反应的单因素实验的基础上进行正交试验得到最佳条件为超声功率160w，超声时间15min，反应温度60℃，得到的羧甲基化米糠多糖的取代度为1.43。