CN105131149A

CN105131149A - 超声波/微波联用制备低聚窄分子量分布壳聚糖的方法

Info

Publication number: CN105131149A
Application number: CN201510493810.XA
Authority: CN
Inventors: 张岐; 黄燕; 刘春玲; 贾春满; 朱卫华; 李华明; 华明清
Original assignee: Jiangsu University; Hainan University
Current assignee: Jiangsu University; Hainan University
Priority date: 2015-08-13
Filing date: 2015-08-13
Publication date: 2015-12-09

Abstract

本发明一种超声波/微波联用制备低聚窄分子量分布壳聚糖的方法，属低聚壳聚糖制备技术领域。以高分子量壳聚糖为原料，经稀的无机酸或有机酸溶解得壳聚糖溶液。壳聚糖溶液中加入0.01-1%（体积分数）双氧水，机械搅拌，超声波振荡均匀，控制功率下开启微波于40-90℃降解0.5-720min，然后将降解产物pH值调至6-8、真空浓缩、醇沉，冷冻干燥，得到不同聚合度的分子量分布指数在1.03-1.30之间的低聚窄分子量分布壳聚糖。本发明将单一的超声波降解法和微波法进行优化组合协同降解，提高降解效率，制备的壳寡糖分子量分布窄，分子量均一。

Description

超声波/微波联用制备低聚窄分子量分布壳聚糖的方法

技术领域

本发明属于低聚壳聚糖制备技术与应用领域，具体涉及一种超声波与微波联用，控制过氧化氢原位氧化，降解制备低聚窄分子量分布壳聚糖的方法。

背景技术

壳聚糖是一个天然的线性多糖，由氨基葡萄糖和乙酰氨基葡萄糖通过β-1,4糖苷键连接而成，由甲壳素脱乙酰化得到。甲壳素的年生物产量极为丰富，属于天然可再生资源。壳聚糖安全无毒、具有良好的生物兼容性、在农业，食品医药，材料科学领域具有极大的应用。低分子量壳聚糖和壳寡糖是壳聚糖的降解产物，与壳聚糖相比水溶性大为提高，利于生物体吸收和利用。具有多种生理活性，如抗肿瘤，抗菌，抗炎，抗氧化，调节血糖血脂，增强免疫力，活化肠道菌群等。近年来研究发现不同聚合度的低聚壳聚糖可引起植物/作物/动物细胞的自身免疫应答，提高植物/作物抗旱、抗寒、抗病等能力，还可影响一些动物细胞的信号传递。但这些作用与壳聚糖的聚合度（DP）密切相关，DP过小或过大都是无用的浪费。而现有国内外相关通过降解制备的低聚壳聚糖通常忽略了这些因素，只是降到水能溶解即可（李鹏程，李克成，邢荣娥等.一种降解壳聚糖的方法.申请号：201210197107.0），保证不了分子量分布指数、活性氨基保持率等近期研究确认的重要参数。

目前，国内外壳聚糖降解制备低聚水溶性壳聚糖的方法主要有酶降解法、氧化降解法、酸降解法，其次还有微波法、超声波法、辐射法等。现有的酶降解法主要依赖于壳聚糖酶、脂肪酶、溶菌酶以及其他非专一性水解酶，尽管可专一切断糖苷键，但在对整条高分子链进行均匀切割以得到均一寡糖方面也无能为力。其得到寡糖均一性的机理在于酶分子在壳聚糖溶液中的分布，影响因素很多。据报道这种方法能得到一定收率的六至八糖，产品在食品及医药方面（抗癌药物）用途广泛，但在选择合适的酶种以适合工业化大规模生产和有效祛除降解后产物中混杂酶的工艺上尚存在困难，即缺乏以经济成本进行大规模工业化生产的可能；而现已用于壳聚糖产品的工业化生产的氧化降解法，包括H2O2氧化法、H2O2-NaClO2法、H2O2-HCl法、和其他一些氧化降解法也存在一定的缺陷。氧化法在条件苛刻的条件下也可得到分子量在1000左右的较窄分子量分布的寡糖，但这时伴随降解产生副产物单糖的比例大大增加（1：1或更多）。另外，这种方法对壳聚糖降解存在的最大问题是在降解过程中引入了各种反应试剂，使得对其降解副反应的控制以及在降解产物的分离纯化方面增加了难度；酸降解法，它包括HCl降解法、酸-亚硝酸盐法、过醋酸法、及其他酸解法。其中用HCl降解法得到的低聚水溶性壳聚糖-盐酸盐的分子量分布比较宽，但有报道用酸-亚硝酸盐法可制备相对略高含量的12至19（分子量在2000—3000，分布相对狭窄）低聚水溶性壳聚糖。酸解法和单纯的氧化降解法都是非特异性的降解过程，其降解过程较难控制，虽然已先后用于工业化生产，并且各种分子量范围的壳聚糖产品都能得到，但要想得到特定分子量范围且具有较高收率及能广泛应用的壳聚糖产品则比较困难；其他降解法如微波法、超声波法、辐射法等，也可以得到低聚水溶性壳聚糖，但仍然属于非特异性降解过程，目前尚属基础研究探索阶段。由此可见所有非特异性降解过程降解得到的产物都有同一个无法解决的难题：平均分子量分布宽。

发明内容

本发明的目的是提供一种超声波/微波联用，协同控制过氧化氢催化氧化降解制备低聚窄分子量分布壳聚糖的一种简便方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种超声波/微波联用制备低聚窄分子量分布壳聚糖的方法，包括如下步骤：

（1）以高分子量壳聚糖为原料，经稀酸溶解得壳聚糖溶液；

（2）向步骤（1）得到的壳聚糖溶液中加入双氧水，于40-70℃的温度下机械搅拌6-24h后，利用超声波振荡10-20min，使溶液混合均匀；

（3）开启微波，40-90℃加热控制反应温度降解0.5-720min；

（4）步骤（3）所得的降解产物用碱液调节pH至6-8，真空浓缩、醇沉，离心后收集沉淀，冷冻干燥，得到不同聚合度的分子量分布指数低的低聚窄分子量分布壳聚糖。

步骤（1）中，所述高分子量壳聚糖经稀酸溶解，是将高分子量壳聚糖溶解在稀的无机酸或有机酸中，所得壳聚糖溶液的质量百分浓度为1％-5％，所述的酸为甲酸、乙酸、食用醋酸、盐酸、硫酸或乳酸。

步骤（2）中，所述双氧水的加入量为壳聚糖溶液体积的0.01％-1％；所述双氧水的质量百分浓度为10-20%。

步骤（2）中，所述超声波功率为每升液体的微波功率0.05-1000W，超声波发生源1-10个，含各种形状的超声波发生器。

步骤（3）中，所述微波功率为每升液体的微波功率0.05-1000W，含各种功率和形状的微波发生器。

步骤（4）中，所述分子量分布指数低的低聚窄分子量分布壳聚糖产物的聚合度为4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、16、20，分子量分布指数为1.03-1.30，相应分子量为710-3600。

反应原理：过氧化氢可以解离出活性氧（如羟基自由基和超氧阴离子自由基等），微波照射可加速这一过程。我们的早期研究还发现，在稀酸溶液及还原性有机物质（包括糖类物质）存在时，室温时过氧化氢的氧化能力并不强。但这样的体系在微波照射下、温度为60℃左右时，壳聚糖会加速降解，达到Fenton反应产生自由基的效果。因此，利用这一现象，先把原料稀酸溶液加入定mole量的过氧化氢，室温下先机械搅拌均匀，再经超声波震荡一定时间，使过氧化氢精细均匀的分布在壳聚糖链的周围，即形成超均匀的自由基爆发点。产生的自由基会立即攻击最近的糖苷键，使高分子糖链同时裂解，均匀的分布、同时裂解是得到低聚在分子量分布壳聚糖的前提条件。

本发明的有益效果为：

1.在原理上避开了目前工业生产中采用的以非特异性降解过程为机制的种种弊端和不足，人为的制造了特异性降解的氛围，超声波/微波联用，协同控制过氧化氢催化氧化降解制备低聚窄分子量壳聚糖，反应速率高，反应时间短，操作极为简单。

2.可在较低温度下，通过控制氧化剂的用量、微波功率、降解时间得到所需降解范围的低聚窄分子量分布壳聚糖。操作简便、无污染、所选用试剂廉价易得、所得产品在实际应用中稳定、可靠。

3.与以往发明的金属离子催化过氧化氢、及多种模板法催化过氧化氢降解制备低聚窄分子量分布壳聚糖产品相比，本方法在产品中不会带入任何金属离子。

4.可满足工业化大批量生产。

具体实施方式为了更进一步的说明本发明控制降解原理，现以实施例加以详述。

实施例1：

取壳聚糖0.5克，加入体积比为1:5的HAc和水的混合溶液30mL使其完全溶解后，采用酸碱滴定法测定其游离氨基保持在原加入量的78-86%。加入20%的氧化剂(H2O2)水溶液0.3mL，在40℃的温度下搅拌约20小时，再开启超声波20分钟。启动微波（2.00千瓦）20分钟，温度控制在70℃。然后将降解产物pH值调至6-8，真空浓缩、醇沉，冷冻干燥，得到低聚窄分子量分布壳聚糖（聚合度为4，分子量分布指数为1.03）。

实施例2：

将准备好的壳聚糖原料取出0.5克，加入体积比为1:6的HAc和水混合溶液中35mL，搅拌溶解后采用酸碱滴定法测定以上壳聚糖混合溶液中的游离氨其数保持在78-86%。加入15.0%的氧化剂(H2O2)水溶液0.35mL,于50℃的温度下搅拌约15小时，再开启超声波20分钟。启动微波（1.85千瓦）30分钟，温度控制在60℃。然后将降解产物pH值调至6-8、真空浓缩、醇沉，冷冻干燥，得到低聚窄分子量分布壳聚糖（聚合度为8，分子量分布指数为1.07）。

实施例3：

取壳聚糖原料0.5克，加入体积比为1:4的HAc和水混合溶液30mL，搅拌溶解后采用酸碱滴定法测定以上壳聚糖混合溶液中的游离氨其数保持在78-86%。加入15.0%的氧化剂(H2O2)水溶液0.3mL，在60℃的温度下继续搅拌约10小时，再开启超声波15分钟。启动微波（1.60千瓦）30分钟，温度控制在70℃。然后将降解产物pH值调至6-8、真空浓缩、醇沉，冷冻干燥，得到低聚窄分子量分布壳聚糖（聚合度为10，分子量分布指数为1.12）。

实施例4：

将准备好的壳聚糖原料取出0.5克，加入体积比为1:4的HAc和水混合溶液20mL搅拌溶解后采用酸碱滴定法测定以上壳聚糖混合溶液中的游离氨其数保持在78-86%。加入12.0%的氧化剂(H2O2)水溶液0.2mL，在60℃的温度下搅拌约8小时，再开启超声波12分钟。启动微波（1.45千瓦）35分钟，温度控制在60℃。然后将降解产物pH值调至6-8、真空浓缩、醇沉，冷冻干燥，得到低聚窄分子量分布壳聚糖（聚合度为14，分子量分布指数为1.19）。

实施例5：

取壳聚糖原料0.5克，加入体积比为1:6的HAc和水混合溶液20mL，搅拌溶解后采用酸碱滴定法测定以上壳聚糖混合溶液中的游离氨其数保持在78-86%。加入10.0%的氧化剂(H2O2)水溶液0.2mL，在50℃的温度下搅拌约6小时，再开启超声波10分钟。启动微波（1.30千瓦）25分钟，温度控制在60℃。然后将降解产物pH值调至6-8、真空浓缩、醇沉，冷冻干燥，得到低聚窄分子量分布壳聚糖（聚合度为20，分子量分布指数为1.26）。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims

1.超声波/微波联用制备低聚窄分子量分布壳聚糖的方法，其特征在于，包括下述步骤进行：

（1）以高分子量壳聚糖为原料，经稀酸溶解得壳聚糖溶液；

（3）开启微波，40-90℃加热控制反应温度降解0.5-720min；

2.根据权利要求1所述的超声波/微波联用制备低聚窄分子量壳聚糖的方法，其特征在于，步骤（1）中，所述高分子量壳聚糖经稀酸溶解，是将高分子量壳聚糖溶解在稀的无机酸或有机酸中，所得壳聚糖溶液的质量百分浓度为1％-5％，所述的酸为甲酸、乙酸、食用醋酸、盐酸、硫酸或乳酸。

3.根据权利要求1所述的超声波/微波联用制备低聚窄分子量壳聚糖的方法，其特征在于，步骤（2）中，所述双氧水的加入量为壳聚糖溶液体积的0.01％-1％；所述双氧水的质量百分浓度为10-20%。

4.根据权利要求1所述的超声波/微波联用制备低聚窄分子量壳聚糖的方法，其特征在于，步骤（2）中，所述超声波功率为每升液体的微波功率0.05-1000W，超声波发生源1-10个。

5.根据权利要求1所述的超声波/微波联用制备低聚窄分子量壳聚糖的方法，其特征在于，步骤（3）中，所述微波功率为每升液体的微波功率0.05-1000W。

6.根据权利要求1所述的超声波/微波联用制备低聚窄分子量壳聚糖的方法，其特征在于，步骤（4）中，所述分子量分布指数低的低聚窄分子量分布壳聚糖产物的聚合度为4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、16、20，分子量分布指数为1.03-1.30，相应分子量为710-3600。