CN105669878A - 一种用于水产养殖的改性低聚壳聚糖及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于水产养殖的改性低聚壳聚糖及其制备方法。首先采用哌嗪二酮酸对抑菌较强的低聚壳聚糖上的C2-NH2进行接枝;之后再对用哌嗪二酮酸改性的低聚壳聚糖上C6-OH接枝季铵盐,制备合成改性低聚壳聚糖。该制备方法,操作简单、操作环境安全,所得低聚壳聚衍生物在抗菌性能和溶解方面均得到了明显改善。
Description
技术领域
本发明属于水产养殖领域,更具体地,本发明涉及一种用于水产养殖的改性低聚壳聚糖及其制备方法。
背景技术
壳聚糖是甲壳素脱乙酰基的产物,是碱性多糖,也是少数带电荷的天然产物之一,具有广谱抑菌、增强机体免疫力、提高动物生产性能、改善动物肉质及净化水质的作用,并且来源广泛,无毒无害、无残留、无耐药性,安全又高效,是一种极具开发价值的饲料添加剂。
壳聚糖对大肠杆菌、金色葡萄球菌和绿浓杆菌及白色念球菌等多种细菌均有明显的抑制和杀灭作用,表现出较强的抗菌活性。但与已有的化学合成抗菌剂相比,抗菌活性依然较低且对真菌类基本上没有抑制活性,另外壳聚糖的抑制作用也因分子量的增大而减弱,这与壳聚糖分子量越大,水溶性越差有关,从而导致抑菌性减弱。
因此目前需要对壳聚糖结构上的C2-NH2和C6-OH进行化学改性,来增强制备产物的溶解性并同时增加抑菌活性中心,从而制备一种新型具有多抗菌活性中心的抑菌剂。
发明内容
本发明的第一个方面提供了一种用于水产养殖的改性低聚壳聚糖,所述改性低聚壳聚糖为低聚壳聚糖上至少接枝哌嗪二酮酸和季铵盐。
在一种优选的实施方式中,所述改性低聚壳聚糖的重均分子量为3000~50000。
在一种优选的实施方式中,所述哌嗪二酮酸与低聚壳聚糖的接枝率为1~5%。
在一种优选的实施方式中,所述哌嗪二酮酸选自
A:
B:
中的一种或两种。
在一种优选的实施方式中,所述哌嗪二酮酸A与B摩尔比为(0.3~0.5):1。
在一种优选的实施方式中,所述季铵盐与低聚壳聚糖的接枝率为1~5%。
在一种优选的实施方式中,所述季铵盐选自
C:由与制备得到含卤素的季铵盐、
D:由与制备得到含卤素的季铵盐、
E:由与制备得到含卤素的季铵盐、
F:由与制备得到含卤素的季铵盐中的任意一种或多种,式中,X为Cl、Br、I中的任意一种;n为2~13中的任意一个整数。
在一种优选的实施方式中,所述季铵盐C与D、E、F之间摩尔比为(0.1~0.2):(0.2~0.3):(0.5~0.7):1。
在一种优选的实施方式中,所述季铵盐C与D、E、F之间摩尔比为(0.12~0.18):(0.24~0.28):(0.55~0.66):1。
本发明的第二个方面提供了一种改性低聚壳聚糖的制备方法,所述方法包括下述步骤:
(1)按重量份将重均分子量在3000~50000的低聚壳聚糖浸入2V2vt%醋酸溶液和2V5wt%的过氧化氢溶液中;
(2)将哌嗪二酮酸溶解于10V甲醇中,再加入到所述步骤(1)得到的低聚壳聚糖溶液中,得到反应液;
(3)将所述步骤(2)中得到的反应液用10wt%NaOH水溶液调节pH呈中性后过滤,对截留物经浸泡、洗涤、过滤和干燥;
(4)将分别与 在溶剂乙腈(5V)反应,减压除去溶剂,得到季铵盐;
(5)将所述步骤(3)合成的低聚壳聚糖哌嗪二酮酰胺分散于丙酮(3V)中,加入20wt%NaOH水溶液,进行碱化,然后加入季铵盐,进行季铵化反应,最后出料浆;
(6)将所述步骤(5)制备的料浆调节中性后过滤,对截留物经浸泡、洗涤和干燥后,得到改性低聚壳聚糖。
参考以下详细说明更易于理解本申请的上述以及其他特征、方面和优点。
具体实施方式
参选以下本发明的优选实施方法的详述以及包括的实施例可更容易地理解本公开内容。在以下说明书和权利要求书中会提及大量术语,这些术语被定义为具有以下含义。
单数形式包括复数讨论对象,除非上下文中另外清楚地指明。
“任选的”或者“任选地”是指其后描述的事项或事件可以发生或不发生,而且该描述包括事件发生的情形和事件不发生的情形。
说明书和权利要求书中的近似用语用来修饰数量,表示本发明并不限定于该具体数量,还包括与该数量接近的可接受的而不会导致相关基本功能的改变的修正的部分。相应的,用“大约”、“约”等修饰一个数值,意为本发明不限于该精确数值。在某些例子中,近似用语可能对应于测量数值的仪器的精度。在本申请说明书和权利要求书中,范围限定可以组合和/或互换,如果没有另外说明这些范围包括其间所含有的所有子范围。
本申请的第一方面涉及用于水产养殖的改性低聚壳聚糖,所述改性低聚壳聚糖分子结构上至少接枝哌嗪二酮酸和季铵盐。
本发明的改性低聚壳聚糖作为抑菌剂的应用,所述的抑菌剂对革兰氏阳性菌(金黄色葡萄球菌)、革兰氏阴性菌(如大肠杆菌)、弧菌、嗜水气单胞菌及温和气单胞菌等多种细菌及白色念珠菌等真菌具有抑制作用。
本申请使用的术语“低聚壳聚糖”是指包含壳聚糖单体单元的聚合物。在一种实施方式中,壳聚糖单体可以由下式表示
在一种实施方式中,低聚壳聚糖可以由下式表示
其中n约为16~310,在优选的实施方式中,n为16~124。
壳聚糖具有广谱的抗菌活性,对革兰氏阳性菌及革兰氏阴性菌等多种细菌均有明显的抑制和杀灭作用。其抗菌作用机理主要分为两类:对于大分子壳聚糖,主要通过高分子链密集于细菌的表面形成一层高分子膜,影响体外的营养物质向细胞内运输,阻止代谢物的排泄,使细菌菌体的新陈代谢紊乱,从而达到杀菌抑菌的作用;对于小分子壳聚糖,可以通过渗透作用到达细菌内部,吸附细胞体内带有阴离子的细胞质,并使其发生絮凝、变性,扰乱细菌的正常生理活动,起到抗菌灭菌的作用。
壳聚糖可促进虾类蜕壳生长,增强免疫防御能力。此外,还可以改善水质。使用水产用低分子量壳聚糖粉对养殖水体中的氨态氮和亚硝酸盐有明显降低作用,且在改善水质的同时还能抑制水产动物病原菌生长,预防疾病,使罗氏沼虾活力旺盛、体色鲜艳、品质佳。壳聚糖作为罗非鱼饲料添加剂能在饲料表面形成一层保护膜,从而延长饲料的水化时间以保护养分;防止霉变,减少对水源的污染。低分子量壳聚糖还可以保护生物体组织细胞膜免受自由基攻击,间接降低金属硫蛋白在镉胁迫下的应激压力,减轻水生动物受到重金属的危害。
用壳聚糖降解制备的重均分子质量在5000~10000的低分子壳聚糖对细菌和微生物有一定抑制作用,且这种抑制作用随着质量浓度增加而增强.壳聚糖对不同细菌的抑制效果随着分子量的变化而变化,壳聚糖对金黄色葡萄球菌的抗菌作用随分子量减小而逐渐减弱,对大肠杆菌分子量越小,抗菌作用越明显。有研究发现,壳聚糖具有抑制变链菌生长的功效,带正电荷的壳聚糖分子与细菌带负电荷的细胞膜作用,使其胞壁受损,壳聚糖易透过受损的胞壁进入胞核内,与分子结合破坏DNA合成,从而具有抗菌活性。
重均分子量的测定:当入射光电磁波通过介质时,使介质中的小粒子(如高分子)中的电子产生强迫振动,从而产生二次波源向各方向发射与振荡电场(入射光电磁波)同样频率的散射光波。这种散射波的强弱和小粒子(高分子)中的偶极子数量相关,即和该高分子的质量或摩尔质量有关。根据上述原理,使用激光光散射仪对高分子稀溶液测定和入射光呈小角度(2°-7°)散射光强度,从而计算出稀溶液中高分子的绝对重均分子量(MW)值。采用动态光散射的测定可以测定粒子(高分子)的流体力学半径的分布,进而计算得到高分子分子量的分布曲线。
本申请使用的术语“改性低聚壳聚糖”是指用哌嗪二酮酸改性低聚壳聚糖,再用季铵盐对改性的低聚壳聚糖进行改性处理得到。
本发明旨在把壳聚糖作为先导化合物,对壳聚糖分子进行修饰。为了增强壳聚糖的杀菌抑菌活性,本发明采取如下两种途径:
第一,对壳聚糖分子进行修饰,把具有杀菌抑菌活性的活性基团哌嗪二酮酸接入壳聚糖分子,使得接入的活性基团与壳聚糖自身的活性相互增效,达到增强杀菌抑菌活性的目的。
第二,增强壳聚糖杀菌抑菌活性。壳聚糖的生物活性源于其C2位活泼的氨基基团,C3和C6位活泼的羟基基团,其中杀菌抑菌活性主要与氨基基团有关,氨基的聚阳离子也就是氨基的正电性起到关键作用。通过对壳聚糖进行修饰,可以改变氨基的正电性强弱,增强壳聚糖的杀菌抑菌活性,即对改性的低聚壳聚糖接枝季铵盐进一步增强制备产物的溶解性并同时增加抑菌活性中心,从而制备一种新型具有多抗菌活性中心的抑菌剂。
本发明中哌嗪二酮酸具有杀菌抑菌活性。二酮哌嗪类化合物作为一类生物活性很强的化合物,其结构和活性具有稳定性、新颖性和独特性等优点,因此在医药、食品及天然产物开发研究等众多领域中具有广阔的应用前景,因其可作为活性先导化合物,在寻找蛋白作用受点、药物靶点等方面也扮演重要角色。近年来,人们对二酮哌嗪类化合物的结构、功能等都开始有了逐步的了解,且从动植物及海洋微生物,尤其是海绵共栖细菌中提取、分离到的二酮哌嗪类化合物的数量也逐年增加,由于其结构新颖、功能奇特等优点引起众多学者的重视。
二酮哌嗪类化合物的基本结构是由两个氨基酸缩合而成的环二肽,因其骨架具有稳定的六元环结构,且有两个氢键给体和两个氢键受体,使得DKPs具有较强的生物活性和药理活性,在药物化学中成为一个重要的药效团。近年来从海洋微生物中发现一系列环二肽类化合物,研究表明其功能不局限于抗菌、细胞毒活性等方面,在群体感应调控机制中也充当着信号分子的重要角色,已成为化学生态学的研究热点。
本发明中季铵盐具有杀菌抑菌活性,季铵盐类杀菌剂的杀生机理尚未完全搞清楚,据文献报道有以下几个方面:
(a)季铵盐化合物有一个阳离子基团,很容易吸附在带阴电荷的细菌表面,在细胞表面形成高浓度的离子基团,从而改变细胞膜的性质,直接影响细菌的新陈代谢。
(b)季铵盐的亲油基团能透过细胞壁,损伤细胞壁和原生质膜,改变细胞的渗透性,使菌体破灭。
(c)季铵盐吸附于细胞上改变了其导电性、表面张力、溶解性,并可形成络合物,从而使蛋白质变性;也能透过细胞壁,进入菌体内部与蛋白质或酶反应,使微生物的代谢异常。
(d)季铵盐可以侵害生物细胞质膜中的磷脂类物质,引起细胞自溶而死亡;灭活细菌体的脱氢酶、氧化酶,分解糖类特有的酶系统。
这类杀菌剂的优点是高效、低毒、不易受pH值变化的影响、使用方便、对粘液层有较强的剥离作用、化学性能稳定、分散及缓蚀作用较好。
本发明中季铵盐结构上的杂环化合物类主要靠杂环上的活性部分如:氮、氢、氧与细菌体内的蛋白质中脱氧核糖核酸(DNA)的碱基形成氢键,吸附在细菌的细胞上,破坏细菌的DNA结构,使之失去复制能力而死亡。这类杀菌剂具有杀菌效率高、与其它水处理剂配伍性能好、掺量低等优点,但是单独的咪唑类、苯并咪唑类等杂环通常呈现弱的抗菌活性,然而在药物分子中常起增效作用,将杂环化合物与其他抑菌基团结合得到的新化合物常常具有良好的抗菌活性.
三唑类化合物作为药物广泛应用于临床,是目前药物研究开发的重点领域之一。越来越多的高活性、低毒性、不良反应少、多药耐药性小、生物利用率高、药代动力学性质好、药物靶向性强、给药方式多样化、广谱、高疗效的三唑类化合物作为候选药物或药物用于临床医治多种疾病,如抗真菌、抗细菌、抗结核、抗癌、抗病毒、抗炎镇痛、抗惊厥等,显示出了三唑类化合物在医药领域的巨大开发价值和潜在的宽广应用。
哌嗪环是药物化学研究中常用的一类氮杂环,在药物分子中引入哌嗪环可有效调节化合物的理化性质,改善药物的药代动力学性质,很多含哌嗪环的化合物表现出了强的抗真菌活性,链氨基用哌嗪环修饰的一系列衍生物显示良好的抗真菌作用,表现出宽的抗真菌谱,对绿脓杆菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、枯草芽孢杆菌等细菌具有很好的抑制效果。
在一种实施方式中,可以用于本申请的改性低聚壳聚糖的重均分子量为至少3000,具体地至少3500。在另一实施方式中,可以用于本申请的改性低聚壳聚糖的重均分子量为至多50000,具体地至多为30000。在一种实施方式中,可以用于本申请的改性低聚壳聚糖的重均分子量为3500至30000,具体地为4000至20000。
在一种实施方式中,可以用于本申请的改性低聚壳聚糖的重均分子量为3500至30000,具体地为4000至20000。
在一种实施方式中,所述改性低聚壳聚糖中,所述哌嗪二酮酸与低聚壳聚糖接枝率为1~5%;优选地,所述哌嗪二酮酸与低聚壳聚糖的接枝率为1~4.2%;优选地,所述哌嗪二酮酸与低聚壳聚糖的接枝率为3%。
在一种实施方式中,所述改性低聚壳聚糖中,所述哌嗪二酮酸改性低聚壳聚糖的结构式为
式中a为0~36,b为0~122,c为0~73。
在一种实施方式中,所述改性低聚壳聚糖中,所述哌嗪二酮酸选自
A:B:中的一种或两种。
在一种实施方式中,所述改性低聚壳聚糖中,所述哌嗪二酮酸对水产养殖常见病原菌嗜水气单胞菌、梅氏弧菌、爱德华氏菌及气单胞菌有较好的抑菌效果;所述哌嗪二酮酸中A对病原菌嗜水气单胞菌和气单胞菌有较好的抑菌效果;B对病原菌嗜水气单胞菌、梅氏弧菌及爱德华氏菌有较好的抑菌效果;A与B对嗜水气单胞菌、梅氏弧菌、爱德华氏菌及气单胞菌有较好的抑菌效果;优选地,所述哌嗪二酮酸选择A与B的混合物。
在一种实施方式中,所述改性低聚壳聚糖中,所述哌嗪二酮酸A与B的摩尔比为(0.3~0.5):1;优选地,所述哌嗪二酮酸A与B的摩尔比(0.32~0.45):1;优选地,所述哌嗪二酮酸A与B的摩尔比为0.33:1。
在一种实施方式中,所述改性低聚壳聚糖中,所述季铵盐与低聚壳聚糖的接枝率为1~5%;铵盐与低聚壳聚糖的接枝率为1~4.6%;优选地,所述季铵盐与低聚壳聚糖的接枝率为3.6%。
在一种实施方式中,所述改性低聚壳聚糖中,所述季铵盐选自
C:由与制备得到含卤素的季铵盐、
D:由与制备得到含卤素的季铵盐、
E:由与制备得到含卤素的季铵盐、
F:由与制备得到含卤素的季铵盐
中的任意一种或多种,式中,X为Cl、Br、I中的任意一种;n为2~13中的任意一个整数;优选地,X为Br;优选地,n为2~8中任意一个整数;优选地,n为6。
在一种实施方式中,所述改性低聚壳聚糖中,所述C对念珠菌、表浅癣菌、隐球菌等真菌以及气单胞菌具有抑菌作用;D对结核杆菌、链球菌等革兰氏阳性细菌,特别是耐药性金黄色葡萄球菌的作用比较强,对黏细菌、嗜水气单胞菌等也有效;E对绿脓杆菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、嗜水气单胞菌、温和气单胞菌等细菌具有很好的抑制效果;F对白色念珠菌、新型隐球菌、烟曲霉菌等真菌以及气单胞菌、荧光假单胞菌、柱状嗜纤维菌、爱德华菌、弧菌等细菌具有抑制作用;C与D对念珠菌、表浅癣菌、隐球菌等真菌及金黄色葡萄球菌、链球菌、气单胞菌等细菌具有抑制作用;C与E对念珠菌、表浅癣菌、隐球菌等真菌及气单胞菌、荧光假单胞菌、柱状嗜纤维菌、爱德华菌、弧菌等细菌具有抑制作用;E与F对念珠菌、表浅癣菌、隐球菌等真菌及气单胞菌、荧光假单胞菌、柱状嗜纤维菌、爱德华菌、弧菌等细菌具有抑制作用;C与E及F对念珠菌、表浅癣菌、隐球菌等真菌及金黄色葡萄球菌、气单胞菌、荧光假单胞菌、柱状嗜纤维菌、爱德华菌、弧菌等细菌具有抑制作用;C与D、E及F对念珠菌、表浅癣菌、隐球菌、烟曲霉菌等真菌以及绿脓杆菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、嗜水气单胞菌、温和气单胞菌、荧光假单胞菌、柱状嗜纤维菌、爱德华菌、弧菌等具有抑菌作用;优选地,所述季铵盐选自C与E及F的混合物;优选地,选自C与D、E及F的混合物。
一种实施方式中,所述改性壳聚糖中,所述季铵盐
C:由与制备得到含卤素的季铵盐、
D:由与制备得到含卤素的季铵盐、
E:由与制备得到含卤素的季铵盐、
F:由与制备得到含卤素的季铵盐
其中,季铵盐C与D、E、F之间的摩尔比(0.1~0.2):(0.2~0.3):(0.5~0.7):1;优选地,季铵盐C与D、E、F之间摩尔比为(0.12~0.18):(0.24~0.28):(0.55~0.66):1;优选地,季铵盐C与D、E、F之间的摩尔比0.13:0.25:0.62:1。
本发明的另一方面提供一种改性低聚壳聚糖的制备方法,包括以下步骤:
(1)按重量份将重均分子量在3000~50000的低聚壳聚糖浸入2V2vt%醋酸溶液和2V5wt%的过氧化氢溶液中;
(2)将哌嗪二酮酸溶解于10V甲醇中,再加入到所述步骤(1)得到的低聚壳聚糖溶液中,得到反应液;
(3)将所述步骤(2)中得到的反应液用10wt%NaOH水溶液调节pH呈中性后过滤,对截留物经浸泡、洗涤、过滤和干燥;
(4)将分别与 在溶剂乙腈(6V)反应,减压除去溶剂,得到季铵盐;
(5)将所述步骤(3)合成的低聚壳聚糖哌嗪二酮酰胺分散于丙酮中,加入20wt%NaOH水溶液,进行碱化,然后加入季铵盐,进行季铵化反应,最后出料浆;
(6)将所述步骤(5)制备的料浆调节中性后过滤,对截留物经浸泡、洗涤和干燥后,得到改性低聚壳聚糖。
下面通过实施例对本发明进行具体描述,有必要在此指出的是,以下实施例只用于对本发明作进一步说明,不能理解为对本发明保护范围的限制,该领域的专业技术人员根据上述本发明的内容做出的一些非本质的改进和调整,仍属于本发明的保护范围。
所述原料壳聚糖购于济南海得贝海洋生物工程有限公司; 哌嗪二酮酸购于国药化学试剂。
实施例1:
(1)在低聚壳聚糖上接枝哌嗪二酮酸
在100ml三颈瓶中,加入5g重均分子量为20000的低聚壳聚糖,10ml2vt%醋酸溶液、10ml质量浓度为5%的过氧化氢溶液,搅拌,完全溶解后在55℃条件下保温5h;反应结束后,加入溶于2ml甲醇中的哌嗪二酮酸A(0.015g);
在室温条件下搅拌反应12h,得到反应液;用10wt%NaOH水溶液调节反应液的pH至中性,过滤,用20ml丙酮浸泡10h,5ml丙酮洗涤,过滤,40℃减压干燥12h。
(2)再用哌嗪酮二酸改性的低聚壳聚糖上接枝季铵盐
在100ml三颈瓶中,加入0.1mol0.1mol以及溶剂50ml乙腈,50℃条件下反应8h后,减压蒸馏除去溶剂得到含溴季铵盐C。
在100ml三颈瓶中,加入合成的低聚壳聚糖哌嗪二酮酰胺、30ml丙酮、20wt%的NaOH水溶液,50℃温度下碱化3h,然后分批加入合成的含溴季铵盐C,在55℃条件下反应10h,反应结束后,降温至室温,最后出料浆;再用10wt%醋酸溶液调节至中性,然后减压蒸馏去除溶剂,得到反应粗产物;将所述粗产物溶解在50ml二甲基亚砜中,然后抽滤,并将滤液再次减压蒸馏去除二甲基亚砜后,得到同时接枝有哌嗪二酮酸和季铵盐的改性低聚壳聚糖。
实施例2:
制备方法同实施例1,区别在于用哌嗪酮二酸改性的低聚壳聚糖上接枝的季铵盐是D。
实施例3:
制备方法同实施例1,区别在于用哌嗪酮二酸改性的低聚壳聚糖上接枝的季铵盐是E。
实施例4:
制备方法同实施例1,区别在于用哌嗪酮二酸改性的低聚壳聚糖上接枝的季铵盐是F。
实施例5:
(1)在低聚壳聚糖上接枝哌嗪二酮酸
在100ml三颈瓶中,加入5g重均分子量为20000的低聚壳聚糖,10ml2vt%醋酸溶液、10ml质量浓度为5%的过氧化氢溶液搅拌,完全溶解后在55℃条件下保温5h;反应结束后,加入溶于2ml甲醇中的哌嗪二酮酸B(0.018g);
在室温条件下搅拌反应12h,得到反应液;用10wt%NaOH水溶液调节反应液的pH至中性,过滤,用20ml丙酮浸泡10h,5ml丙酮洗涤,过滤,40℃减压干燥12h。
(2)再用哌嗪酮二酸改性的低聚壳聚糖上接枝季铵盐
在100ml三颈瓶中,加入0.1mol0.1mol以及溶剂50ml乙腈,50℃条件下反应8h后,减压蒸馏除去溶剂得到含溴季铵盐C。
在100ml三颈瓶中,加入合成的低聚壳聚糖哌嗪二酮酰胺、30ml丙酮、20wt%的NaOH水溶液,50℃温度下碱化3h,然后分批加入合成的含溴季铵盐C,在55℃条件下反应10h,反应结束后,降温至室温,最后出料浆;再用10wt%醋酸溶液调节至中性,然后减压蒸馏去除溶剂,得到反应粗产物;将所述粗产物溶解在50ml二甲基亚砜中,然后抽滤,并将滤液再次减压蒸馏去除二甲基亚砜后,得到同时接枝有哌嗪二酮酸和季铵盐的改性低聚壳聚糖。
实施例6:
制备方法同实施例5,区别在于用哌嗪酮二酸改性的低聚壳聚糖上接枝的季铵盐是D。
实施例7:
制备方法同实施例5,区别在于用哌嗪酮二酸改性的低聚壳聚糖上接枝的季铵盐是E。
实施例8:
制备方法同实施例5,区别在于用哌嗪酮二酸改性的低聚壳聚糖上接枝的季铵盐是F。
实施例9:
(1)在低聚壳聚糖上接枝哌嗪二酮酸
在100ml三颈瓶中,加入5g重均分子量为20000的低聚壳聚糖,10mL2vt%醋酸溶液、10ml质量浓度为5%的过氧化氢溶液,搅拌,完全溶解后在55℃条件下保温5h;反应结束后,加入溶于2ml甲醇中的哌嗪二酮酸A(0.004g)和哌嗪二酮酸B(0.014g),在室温条件下搅拌反应12h,得到反应液;用10wt%NaOH水溶液调节反应液的pH至中性,过滤,用20ml丙酮浸泡10h,5ml丙酮洗涤,过滤,40℃减压干燥12h。
(2)再用哌嗪酮二酸改性的低聚壳聚糖上接枝季铵盐
在100ml三颈瓶中,加入0.1mol0.09mol以及溶剂50ml乙腈,50℃条件下反应8h后,减压蒸馏除去溶剂得到含溴季铵盐C。
在100ml三颈瓶中,加入合成的低聚壳聚糖哌嗪二酮酰胺、30ml丙酮、20wt%的NaOH水溶液,50℃温度下碱化3h,然后分批加入合成的含溴季铵盐C,在55℃条件下反应10h,反应结束后,降温至室温,最后出料浆;再用10wt%醋酸溶液调节至中性,然后减压蒸馏去除溶剂,得到反应粗产物;将所述粗产物溶解在50ml二甲基亚砜中,然后抽滤,并将滤液再次减压蒸馏去除二甲基亚砜后,得到同时接枝有哌嗪二酮酸和季铵盐的改性低聚壳聚糖。
实施例10:
制备方法同实施例9,区别在于用哌嗪酮二酸改性的低聚壳聚糖上接枝的季铵盐是D。
实施例11:
制备方法同实施例9,区别在于用哌嗪酮二酸改性的低聚壳聚糖上接枝的季铵盐是E。
实施例12:
制备方法同实施例9,区别在于用哌嗪酮二酸改性的低聚壳聚糖上接枝的季铵盐是F。
实施例13:
(1)在低聚壳聚糖上接枝哌嗪二酮酸
在100ml三颈瓶中,加入5g重均分子量为20000的低聚壳聚糖,10mL2vt%醋酸溶液、10ml质量浓度为5%的过氧化氢溶液,搅拌,完全溶解后在55℃条件下保温5h;反应结束后,加入溶于2ml甲醇中的哌嗪二酮酸A(0.004g)和哌嗪二酮酸B(0.014g),在室温条件下搅拌反应12h,得到反应液;用10wt%NaOH水溶液调节反应液的pH至中性,过滤,用20ml丙酮浸泡10h,5ml丙酮洗涤,过滤,40℃减压干燥12h。
(2)再用哌嗪酮二酸改性的低聚壳聚糖上接枝季铵盐
在100mL三颈瓶中,加入0.1mol0.033mol0.067mol以及溶剂50ml乙腈,50℃条件下反应8h后,减压蒸馏除去溶剂得到含溴季铵盐D和E的混合物。
在100ml三颈瓶中,加入合成的低聚壳聚糖哌嗪二酮酰胺、30ml丙酮、20wt%的NaOH水溶液,50℃温度下碱化3h,然后分批加入合成的季铵盐D和E的混合物,在55℃条件下反应10h,反应结束后,降温至室温,最后出料浆;再用10wt%醋酸溶液调节至中性,然后减压蒸馏去除溶剂,得到反应粗产物;将所述粗产物溶解在50ml二甲基亚砜中,然后抽滤,并将滤液再次减压蒸馏去除二甲基亚砜后,得到同时接枝有哌嗪二酮酸和季铵盐的改性低聚壳聚糖。
实施例14:
(1)在低聚壳聚糖上接枝哌嗪二酮酸
在100ml三颈瓶中,加入5g重均分子量为20000的低聚壳聚糖,10mL2vt%醋酸溶液、10ml质量浓度为5%的过氧化氢溶液,搅拌,完全溶解后在55℃条件下保温5h;反应结束后,加入溶于2ml甲醇中的哌嗪二酮酸A(0.004g)和哌嗪二酮酸B(0.014g),在室温条件下搅拌反应12h,得到反应液;用10wt%NaOH水溶液调节反应液的pH至中性,过滤,用20ml丙酮浸泡10h,5ml丙酮洗涤,过滤,40℃减压干燥12h。
(2)再用哌嗪酮二酸改性的低聚壳聚糖上接枝季铵盐
在100ml三颈瓶中,加入0.1mol0.0067mol0.035mol0.058mol以及溶剂50ml乙腈,50℃条件下反应8h后,减压蒸馏除去溶剂得到含溴季铵盐C、E和F的混合物。
在100ml三颈瓶中,加入合成的低聚壳聚糖哌嗪二酮酰胺、30ml丙酮、20wt%的NaOH水溶液,50℃温度下碱化3h,然后分批加入合成的含溴季铵盐C、E和F的混合物,在55℃条件下反应10h,反应结束后,降温至室温,最后出料浆;再用10wt%醋酸溶液调节至中性,然后减压蒸馏去除溶剂,得到反应粗产物;将所述粗产物溶解在50ml二甲基亚砜中,然后抽滤,并将滤液再次减压蒸馏去除二甲基亚砜后,得到同时接枝有哌嗪二酮酸和季铵盐的改性低聚壳聚糖。
实施例15:
(1)在低聚壳聚糖上接枝哌嗪二酮酸
在100ml三颈瓶中,加入5g重均分子量为20000的低聚壳聚糖,10ml2vt%醋酸溶液、10ml质量浓度为5%的过氧化氢溶液,搅拌,完全溶解后在55℃条件下保温5h;反应结束后,加入溶于2ml甲醇中的哌嗪二酮酸A(0.004g)和哌嗪二酮酸B(0.014g),在室温条件下搅拌反应12h,得到反应液;用10wt%NaOH水溶液调节反应液的pH至中性,过滤,用20ml丙酮浸泡10h,5ml丙酮洗涤,过滤,40℃减压干燥12h。
(2)再用哌嗪酮二酸改性的低聚壳聚糖上接枝季铵盐
在100ml三颈瓶中,加入0.1mol0.013mol0.033mol0.054mol以及溶剂50ml乙腈,50℃条件下反应8h后,减压蒸馏除去溶剂得到含溴季铵盐D、E和F的混合物。
在100ml三颈瓶中,加入合成的低聚壳聚糖哌嗪二酮酰胺、30ml丙酮、20wt%的NaOH水溶液,50℃温度下碱化3h,然后分批加入合成的含溴季铵盐D、E和F的混合物,在55℃条件下反应10h,反应结束后,降温至室温,最后出料浆;再用10wt%醋酸溶液调节至中性,然后减压蒸馏去除溶剂,得到反应粗产物;将所述粗产物溶解在50ml二甲基亚砜中,然后抽滤,并将滤液再次减压蒸馏去除二甲基亚砜后,得到同时接枝有哌嗪二酮酸和季铵盐的改性低聚壳聚糖。
实施例16:
(1)在低聚壳聚糖上接枝哌嗪二酮酸
在100ml三颈瓶中,加入5g重均分子量为20000的低聚壳聚糖,10ml2vt%醋酸溶液、10ml质量浓度为5%的过氧化氢溶液,搅拌,完全溶解后在55℃条件下保温5h;反应结束后,加入溶于2ml甲醇中的哌嗪二酮酸A(0.004g)和哌嗪二酮酸B(0.014g),在室温条件下搅拌反应12h,得到反应液;用10wt%NaOH溶液调节反应液的pH至中性,过滤,用20ml丙酮浸泡10h,5ml丙酮洗涤,过滤,40℃减压干燥12h。
(2)再用哌嗪酮二酸改性的低聚壳聚糖上接枝季铵盐
在100ml三颈瓶中,加入0.1mol0.007mol0.012mol0.031mol0.05mol以及溶剂50ml乙腈,50℃条件下反应8h后,减压蒸馏除去溶剂得到含溴季铵盐C、D、E和F的混合物。
在100ml三颈瓶中,加入合成的低聚壳聚糖哌嗪二酮酰胺、30ml丙酮、20wt%的NaOH水溶液,50℃温度下碱化3h,然后分批加入合成的含溴季铵盐C、D、E和F的混合物,在55℃条件下反应10h,反应结束后,降温至室温,最后出料浆;再用10wt%醋酸溶液调节至中性,然后减压蒸馏去除溶剂,得到反应粗产物;将所述粗产物溶解在50ml二甲基亚砜中,然后抽滤,并将滤液再次减压蒸馏去除二甲基亚砜后,得到同时接枝有哌嗪二酮酸和季铵盐的改性低聚壳聚糖。
对比例1
制备低聚壳聚糖
在100ml三颈瓶中,加入5g重均分子量为20000的低聚壳聚糖,10ml2vt%醋酸溶液、10ml质量浓度为5%的过氧化氢溶液,搅拌,完全溶解后在55℃条件下保温5h,反应结束后,用10wt%NaOH溶液调节反应液的pH至中性,过滤,用20ml丙酮浸泡10h,5ml丙酮洗涤,过滤,40℃减压干燥12h,得到未改性的低聚壳聚糖。
对比例2
(1)在低聚壳聚糖上接枝哌嗪二酮酸
在100ml三颈瓶中,加入5g重均分子量为60000的低聚壳聚糖,10ml2vt%醋酸溶液、10ml质量浓度为5%的过氧化氢溶液,搅拌,完全溶解后在55℃条件下保温5h;反应结束后,加入溶于2ml甲醇中的哌嗪二酮酸A(0.004g)和哌嗪二酮酸B(0.014g),在室温条件下搅拌反应12h,得到反应液;用10wt%NaOH水溶液调节反应液的pH至中性,过滤,用20ml丙酮浸泡10h,5ml丙酮洗涤,过滤,40℃减压干燥12h。
(2)再用哌嗪酮二酸改性的低聚壳聚糖上接枝季铵盐
在100ml三颈瓶中,加入0.1mol0.007mol0.012mol0.031mol0.05mol以及溶剂50ml乙腈,50℃条件下反应8h后,减压蒸馏除去溶剂得到含溴季铵盐C、D、E和F的混合物。
在100ml三颈瓶中,加入合成的低聚壳聚糖哌嗪二酮酰胺、30ml丙酮、20wt%的NaOH水溶液,50℃温度下碱化3h,然后分批加入合成的含溴季铵盐C、D、E和F的混合物,在55℃条件下反应10h,反应结束后,降温至室温,最后出料浆;再用10wt%醋酸溶液调节至中性,然后减压蒸馏去除溶剂,得到反应粗产物;将所述粗产物溶解在50ml二甲基亚砜中,然后抽滤,并将滤液再次减压蒸馏去除二甲基亚砜后,得到同时接枝有哌嗪二酮酸和季铵盐的改性低聚壳聚糖。
对比例3
(1)在低聚壳聚糖上接枝哌嗪二酮酸
在100ml三颈瓶中,加入5g重均分子量为20000的低聚壳聚糖,10ml2vt%醋酸溶液、10ml质量浓度为5%的过氧化氢溶液,搅拌,完全溶解后在55℃条件下保温5h;反应结束后,加入溶于2ml甲醇中的(0.015g),在室温条件下搅拌反应12h,得到反应液;用10wt%NaOH水溶液调节反应液的pH至中性,过滤,用20ml丙酮浸泡10h,5ml丙酮洗涤,过滤,40℃减压干燥12h。
(2)再用哌嗪酮二酸改性的低聚壳聚糖上接枝季铵盐
在100ml三颈瓶中,加入合成的低聚壳聚糖哌嗪二酮酰胺、30ml丙酮、20wt%的NaOH水溶液,50℃温度下碱化3h,然后加入0.1mol3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵,在55℃条件下反应10h,反应结束后,降温至室温,最后出料浆;再用10wt%醋酸溶液调节至中性,然后减压蒸馏去除溶剂,得到反应粗产物;将所述粗产物溶解在50ml二甲基亚砜中,然后抽滤,并将滤液再次减压蒸馏去除二甲基亚砜后,得到同时接枝有哌嗪二酮酸和季铵盐的改性低聚壳聚糖。
测试方法:
对上述实施例1~16以及对比例1~3得到的改性壳聚糖进行抗菌性能测试,测试方法如下:
抗菌性能:按照SC/T3403-2004甲壳质与壳聚糖抑菌标准进行测定。
抑菌率=(测试前细菌量-测试后细菌量)/测试前细菌量。
表1
以上数据可以看出,与不接枝哌嗪二酮酸和季铵盐的低聚壳聚糖、对重均分子量为60000的壳聚糖进行降解再接枝哌嗪酮酸和季铵盐的改性低聚壳聚糖以及接枝和3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵的改性低聚壳聚糖的产品相比,本发明制备的改性低聚壳聚糖在具有较好水溶性的同时,还兼具高抗菌性性能,因此提供了本发明的有益技术效果。
前述的实例仅是说明性的,用于解释本公开的特征的一些特征。所附的权利要求旨在要求可以设想的尽可能广的范围,且本文所呈现的实施例仅是根据所有可能的实施例的组合的选择的实施方式的说明。因此,申请人的用意是所附的权利要求不被说明本发明的特征的示例的选择限制。而且在科技上的进步将形成由于语言表达的不准确的原因而未被目前考虑的可能的等同物或子替换,且这些变化也应在可能的情况下被解释为被所附的权利要求覆盖。
Claims (10)
1.一种用于水产养殖的改性低聚壳聚糖,其特征在于,所述改性低聚壳聚糖为低聚壳聚糖上至少接枝哌嗪二酮酸和季铵盐。
2.权利要求1所述的改性低聚壳聚糖,其特征在于,所述改性低聚壳聚糖的重均分子量为3000~50000。
3.权利要求1所述的改性低聚壳聚糖,其特征在于,所述哌嗪二酮酸与低聚壳聚糖的接枝率为1~5%。
4.权利要求1所述的改性低聚壳聚糖,其特征在于,所述哌嗪二酮酸选自
A:
B:
中的一种或两种。
5.权利要求4所述的改性低聚壳聚糖,其特征在于,所述哌嗪二酮酸A与B摩尔比为(0.3~0.5):1。
6.权利要求1所述的改性低聚壳聚糖,其特征在于,所述季铵盐与低聚壳聚糖的接枝率为1~5%。
7.权利要求1所述的改性低聚壳聚糖,其特征在于,所述季铵盐选自
C:由与制备得到含卤素的季铵盐、
D:由与制备得到含卤素的季铵盐、
E:由与制备得到含卤素的季铵盐、
F:由与制备得到含卤素的季铵盐中的任意一种或多种,式中,X为Cl、Br、I中的任意一种;n为2~13中的任意一个整数。
8.权利要求7所述的改性低聚壳聚糖,其特征在于,所述季铵盐C与D、E、F之间摩尔比为(0.1~0.2):(0.2~0.3):(0.5~0.7):1。
9.权利要求8所述的改性低聚壳聚糖,其特征在于,所述季铵盐C与D、E、F之间摩尔比为(0.12~0.18):(0.24~0.28):(0.55~0.66):1。
10.一种改性低聚壳聚糖的制备方法,其特征在于,所述方法包括下述步骤:
(1)按重量份将重均分子量在3000~50000的低聚壳聚糖浸入2V2vt%醋酸溶液和2V5wt%的过氧化氢溶液中;
(2)将哌嗪二酮酸溶解于10V甲醇中,再加入到所述步骤(1)得到的低聚壳聚糖溶液中,得到反应液;
(3)将所述步骤(2)中得到的反应液用10wt%NaOH水溶液调节pH呈中性后过滤,对截留物经浸泡、洗涤、过滤和干燥;
(4)将分别与 在溶剂乙腈(5V)反应,减压除去溶剂,得到季铵盐;
(5)将所述步骤(3)合成的低聚壳聚糖哌嗪二酮酰胺分散于丙酮(3V)中,加入20wt%NaOH水溶液,进行碱化,然后加入季铵盐,进行季铵化反应,最后出料浆;
(6)将所述步骤(5)制备的料浆调节中性后减压蒸馏去除溶剂,得到反应粗产物,将所述粗产物溶解在二甲基亚砜中,然后抽滤,并将滤液再次减压蒸馏去除二甲基亚砜(5V)后,得到同时接枝有哌嗪二酮酸和季铵盐的改性低聚壳聚糖。
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