CN106810623A - 一种甲壳质及其壳聚糖和应用 - Google Patents

一种甲壳质及其壳聚糖和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种甲壳质及其壳聚糖和应用,制备甲壳质时在常规和/或电磁能源条件下,于常规或加压反应器内与有机酸反应;干燥分离甲壳质;由甲壳质制备的壳聚糖,在常规和/或电磁能源下,甲壳质与有机或无机的酸或碱改性反应形成壳聚糖;利用水和/或有机溶剂使甲壳质中的壳聚糖沉淀析出;过滤和/或干燥分离出壳聚糖,洗涤中性,然后干燥即可。本发明制备的甲壳质和壳聚糖有良好的均一性,低蛋白质和低金属含量,分子量大,由本发明制备的甲壳质和/或壳聚糖制成的生物吸附材料(过滤器,滤膜,滤片和过滤包装材料)在酸性和碱性条件下均稳定,用于净化、除去中草药提取物中的金属杂质有良好的去除效果。

Description

一种甲壳质及其壳聚糖和应用
【技术领域】
本发明涉及一种甲壳质及其壳聚糖和应用,尤其涉及一种由甲壳动物的壳质材料制备的甲壳质及其壳聚糖和应用。
【背景技术】
在传统中药治疗法中,中国药物治疗功能紊乱、机能障碍等疾病需要大量中草药。这种治疗通常利用中草药来调节身体各器官功能的平衡。尽管中草药由于其作用、质量等问题经常遭遇索赔和反索赔事件,但是中国卫生保健系统依然大部分依赖于中药治疗法治疗常见疾病。自然派生的药材和含有传统中药材(TCM)活性成分的提取物得到越来越多的世界各地的关注和认识。但是由于工业部门的管理漏洞,这些药材的质量、功效和安全性经常受到质疑。
这些中草药通常含有多种有机活性成分以及掺杂着多种重金属和有毒金属的无机物。在传统中药材的分析检测中可以发现有毒金属和重金属的重污染。一些传统中药材中含有超过每日耐受摄入量的金属,如砷、铅、汞。有报告对大量传统中药材产品样品进行检测,报告结果显示约5-15%的样品被砷污染,约5%的样品被铅污染,约65%的样品被汞污染。据报道,利用ICP-MS分析传统中药材,发现中药材中的有毒金属含量高达541μg/g砷(As),99.5μg/g铅(Pb)和10.5μg/g镉(Cd),而重金属含量高达19727μg/g铁(Fe),161μg/g铜(Cu)和2.39μg/g铬(Cr)。这意味着摄入这些受污染的传统中药材存在中毒的重大风险,并对公共安全构成了潜在的危险。
甲壳质是一种天然聚合物,主要原料来源是对虾、蟹、昆虫、小虾等各种甲壳动物的外壳,是资源最丰富的、最容易得到的、可再生的天然聚合物之一,是仅次于纤维素的第二大可再生天然有机化合物资源。壳聚糖是甲壳质的水溶性类似物,具有抗菌性能。甲壳质和壳聚糖的名称通常可以互换,因为他们仅仅区别于乙酰化(DA)的程度和脱酰化(DD)的不同程度。甲壳动物外壳通常由蛋白质(30-40%)
、无机盐(30-50%)和壳质多聚物(13-42%)组成,各组成比例主要取决于甲壳原始来源。甲壳质是一种线性多聚糖,由氨基糖单元N-乙酰基氯基葡萄糖通过β糖苷键连接而成。壳质化合物的化学结构式如下:
其中,(n/n+m)×100%代表乙酰化的程度(DA),(m/n+m)×100%代表脱乙酰化的程度(DD)
甲壳质有高度有序的晶体结构,目前已经发现三种多晶型构型,α-,β-andγ-甲壳质,三种构型仅仅区别于结晶区内部的碳链排布。α-甲壳质是目前为止含量最丰富的晶型,通常在需要高硬度时用到。β–andγ–甲壳质似乎趋向于提供韧性、灵活性和能动性,并可能提供额外的生理功能。紧密的链堆积和分子间与分子内的羟基(-OH)和乙酰胺基(CH3CONH-)两部分的强烈键合,导致甲壳质在水中的溶解性较低。甲壳质的晶型选择、结构转换和制备方法决定了期望的实际应用。普遍存在的甲壳质多晶型物在卫生保健、新材料和生物医学等科学产品方面有很好的应用潜力。目前已经建立好相应的分离和提取方法,但由于材料缺少均一性,故破坏了工业应用所需的加工性和适应性。大量文献报道了以壳聚糖为基础的生物材料应用于去除金属,这些生物材料通常由壳聚糖与二醛交联合成,或与活性炭及金属复合组成。通过这些制备方法得到的生物吸附剂通常实际应用性不高,效果不理想,而且有化学污染倾向。从甲壳质到壳聚糖的化学转化如下所示:
【发明内容】
本发明目的是为了克服现有技术的不足,提供一种能够规模化生产,可用于金属去除的甲壳质及其壳聚糖。
本发明的另一目的是提供一种甲壳质及其壳聚糖的应用。
本发明是通过以下技术方案实现的:
一种甲壳质,其特征在于通过以下方法制备:
在常规和/或电磁能源条件下,向常规或加压反应器内的甲壳动物外壳材料中加入有机酸反应;
干燥反应器内的反应物分离出甲壳动物外壳中含有的甲壳质;
所述的有机酸具有羧酸官能团,脂肪族官能团和/或芳香族官能团。
进一步地,向所述的甲壳质中加入高锰酸钾、过氧化物类氧化剂,可以得到白色或类白色的进一步纯化的甲壳质。并且,漂白时同时鼓泡氧气,有利于提高甲壳质的纯度。
优选地,本发明中制备甲壳质时,向甲壳动物外壳材料中通入氧气、氮气或二氧化碳气体,使其在氧气、氮气或二氧化碳气体氛围中反应。使反应器内保持正压,这些气体改善反应结果,氮气或二氧化碳气体可以防止反应中的氧化,而氧气可以帮助氧化副产物从而消除反应过程中的副产物,提高甲壳质纯度。
更进一步地,甲壳动物外壳材料反应前可以先进行预处理,有利于后续反应的更好处理。
本发明中干燥分离出甲壳质的方法为常规干燥、离心干燥和冷冻干燥中的一种或几种。
一种由甲壳质制备的壳聚糖,其特征在于通过以下方法制备:
在常规和/或电磁能源下,于反应器内向所得的甲壳质加入有机或无机的酸或碱改性形成壳聚糖;
利用水和/或有机溶剂使甲壳质中的壳聚糖沉淀析出;
通过过滤和/或干燥分离出壳聚糖,洗涤壳聚糖至中性,然后干燥。
电磁能源提供加热或微波辐照能量,或其他形式能量。
制备壳聚糖时用碱优选用碱性水代替氢氧化钠,这样可以减少转化过程中盐的产生。
优选地,制备壳聚糖的过程在氮气或二氧化碳气氛下,对壳聚糖的转化更好,并且壳聚糖的树脂颗粒制备也利,可以防止转化过程中的氧化反应。
优选地,利用矿物质和/或有机酸使壳聚糖成为盐或树脂颗粒。使壳聚糖成为盐形式可以赋予壳聚糖稳定性,成为树脂颗粒使壳聚糖有高表面积的均匀颗粒以用于金属吸收。壳聚糖树脂颗粒用旋转表面技术制备,有利于形成高表面积且均匀的颗粒。
一种壳质材料(即:甲壳质或壳聚糖)的应用,其特征在于所述的甲壳质或壳聚糖及其各自的复合材料分别在金属去除中的应用;优选应用形式为粉末,滤膜,滤片和过滤包装材料。
甲壳质或壳聚糖的表达式可以共用,都可以称之为壳质材料,其区别在于乙酰化程度(DA)和脱乙酰度(DD)。
本发明中应用甲壳质复合材料或壳聚糖复合材料去除金属时,复合材料为甲壳质或壳聚糖分别与水、和/或有机酸、和/或有机碱、和/或其他助剂一起制备的吸附剂材料。
本发明应用中,复合材料可以为甲壳质或壳聚糖作为胶体制备的吸附剂材料。
本发明应用中,复合材料可以为甲壳质或壳聚糖作为固体和/或胶体、和/或其他助剂制备的吸附剂材料。
本发明应用中,复合材料可以为甲壳质或壳聚糖作为固体和/或胶体,与纸浆、和/或木质纤维素材料结合而成。
本发明应用中,复合材料可以为甲壳质或壳聚糖作为固体和/或胶体,与木质纤维素材料以及陶瓷类材料结合而成。
上述的木质纤维素包括未加工的和加工的木质纤维素。
本发明相对于现有技术而言,具有以下优点:
本发明制备的甲壳质和壳聚糖有良好的均一性,低蛋白质和低金属含量,分子量大,由本发明制备的甲壳质和/或壳聚糖制成的生物吸附材料(过滤器,滤膜,滤片和过滤包装材料)在酸性和碱性条件下均稳定,用于净化、除去中草药提取物中的金属杂质有良好的去除效果。
【附图说明】
图1是N-乙酰氨基葡萄糖碳编号,用于几丁质固体核磁;
图2是α-甲壳质,β-甲壳质,γ-甲壳质三种晶型构型的固体核磁图;
图3是合成的甲壳质的固体核磁图;
图4是合成的壳聚糖的固体核磁图;
图5(a)是实施例3中甲壳质过滤膜对不同价位的金属离子的吸收率;
图5(b)是实施例3中甲壳质过滤膜对不同价位的金属离子的吸收能力;
图6(a)是实施例3中的壳聚糖过滤膜对不同价位的金属离子的吸收率;
图6(b)是实施例3中的壳聚糖过滤膜对不同价位的金属离子的吸收能力;
图7(a)是实施例3中甲壳质过滤片对不同价位的金属离子的吸收率;
图7(b)是实施例3中甲壳质过滤片对不同价位的金属离子的吸收能力;
图8(a)是实施例3中壳聚糖过滤片对不同价位的金属离子的吸收率;
图8(b)是实施例3中壳聚糖过滤片对不同价位的金属离子的吸收能力;
图9(a)是实施例5中的壳聚糖过滤片在不同pH条件下,对不同价位的金属离子的吸收率;
图9(b)是实施例5中壳聚糖过滤片在不同pH条件下,对不同价位的金属离子的吸收能力。
【具体实施方式】
下面通过具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1:甲壳质的制备
为了后续进一步制备甲壳质和壳聚糖过滤器需要大量的甲壳质,需要扩大甲壳质的生产规模和建立有效的生产工艺。甲壳质的优化生产工艺已经试验过多次,10kg经过预处理的壳质外壳粉末置于50L的加压高压反应器中,加入醋酸后加热至80℃,在80℃、3个大气压下反应4小时;三个连续批次平稳进行,每个批次平均转化5kg相同等级的甲壳质。合并三个批次的甲壳质,进一步精制,过氧化氢漂白得到白色或类白色纯度较高的甲壳质产物。甲壳质产物的金属检测结果显示金属总含量小于20ppm。
具体制备方法如下:
步骤1:研磨干燥甲壳动物外壳得到大小均匀的外壳粉末;
步骤2:在50L陶瓷内衬反应器里,10kg的外壳粉末悬浮分散于25kg水中,温和搅拌下用泵将4kg醋酸缓慢滴加到反应器,悬浮液在室温下继续搅拌1小时,直到转化生成的二氧化碳减弱,将反应器内的混合液转移至离心机,收集滤饼,水洗后干燥得到预处理的外壳粉末;
步骤3:将经过预处理的10kg外壳粉末置于50L陶瓷内衬反应器内,将30kg醋酸缓慢泵入反应器内,加热至80℃,3个大气压下保温反应4小时,反应完成时过滤反应液,水洗滤饼,干燥,得到5kg甲壳质;
步骤4:按照10w/vol%的比例向甲壳质中加入10%过氧化氢溶液,同时鼓泡氧气,漂白甲壳质1小时,然后离心、水洗干燥,得到5kg白色或类白色纯甲壳质。
实施例2:壳聚糖的制备
由甲壳质制备壳聚糖的反应过程如下:
实施例2-1:常规加热
壳聚糖的优化生产工艺已经试验过很多次,5kg甲壳质放置于50L反应器内的20kg50%的氢氧化钾溶液中,在氮气保护下加热回流5小时,反应完成时,冷却至室温,用15kg水稀释后,离心收集粗滤渣,再次加入20kg水搅拌均匀成悬浮液,然后离心,重复洗涤离心步骤直至废弃的洗涤液为中性。
依次进行高速离心干燥、旋转锥干燥和冷冻干燥进一步纯化,得到4kg高纯度的壳聚糖。所有批次的试验进行顺利,平均转化率为80-90%(DD=90%),壳聚糖产物的金属检测结果低于20ppm,残留蛋白质含量无法检测到。
实施例2-2:电磁能源微波辐射
优选地,制备壳聚糖的过程在微波能量条件下:壳聚糖的优化生产工艺使用微波辐射已经试验过很多次,5kg甲壳质放置于微波反应器内的15kg50%的氢氧化钾溶液中,依次进行在250瓦的功率下微波照射15分钟,反应完成时,冷却至室温,用25kg水稀释后,离心收集粗滤渣,再次加入30kg水搅拌均匀成悬浮液,然后离心,重复洗涤离心步骤直至废弃的洗涤液为中性。依次进行高速离心干燥、旋转锥干燥和冷冻干燥进一步纯化,得到4kg高纯度的壳聚糖。所有批次的试验进行顺利,平均转化率为90-100%(DD=95%),壳聚糖产物的金属检测结果低于20ppm,残留蛋白质含量无法检测到。
实施例2-1与实施例2-2制备的壳聚糖品质相同,但显然实施例2-2的反应过程更快,更简单。
试剂说明
金属吸收实验中所用到的1mM金属储备溶液如表1所示:
表1:
实施例3:金属吸收实验
将实施例1和2制备甲壳质与壳聚糖分别与助剂混合均匀,利用制备过滤器的设备,在50-100g/m2的作用力下制成甲壳质过滤膜、甲壳质复合材料过滤片、壳聚糖过滤膜和壳聚糖复合材料过滤片,干燥。
过滤膜仅由甲壳质或壳聚糖组成。
过滤片由甲壳质或壳聚糖与纸浆、陶瓷材料和氧化物填料添加剂组成。
从1mM储备溶液开始配制一系列(1mM到0.001mM)的金属标准溶液,使用电感耦合等离子体分光度法分析金属标准溶液,建立金属浓度与金属发射强度之间的关联。
将上述过滤膜与过滤片先用蒸馏水冲洗3次,然后分别将10ml金属样品溶液通过甲壳质过滤膜、甲壳质复合材料过滤片、壳聚糖过滤膜和壳聚糖复合材料过滤片过滤,分别收集滤液,用ICP-AES进行分析,通过ICP-AES分析结果确定滤液中的各种金属的摩尔量。由于金属标准溶液的初始浓度已知,金属吸收率和过滤膜/过滤片中所含单位生物聚合物的金属吸收能力可以确定。
从图5,图6,图7和图8中可以看出不同生物聚合物材料组成的过滤膜和过滤片对不同价位金属离子的吸收率和吸收能力。
其中,吸收率可以由式(1)计算得出,吸收能力可以由式(2)计算得出。
其中的壳质材料为甲壳质或壳聚糖,式(1)和式(2)中的量均为质量。
从结果来看,壳聚糖的金属吸收明显比甲壳质的要大得多。壳聚糖中的脱乙酰度比较大,因此,增加壳聚糖的胺基可以增加壳聚糖对金属阳离子的吸收。而金属阳离子的化合价对甲壳质或壳聚糖的金属吸收均没有影响。
实施例4:制备壳聚糖的树脂颗粒
将壳聚糖粉末4.6g加入100ml 1%(v/v)的乙酸溶液中低速搅拌至完全溶解,将溶液与10ml氢氧化钠溶液(0.01摩尔/升)在二氧化碳气体保护下同时分别逐滴倒在一个以1000rpm旋转的旋转表面上,保持30分钟后,过滤收集沉淀物,水洗三次后,冷冻干燥得到壳聚糖树脂。
实施例5:有机提取物存在下金属吸收的实验
模拟从草药提取物中除去重金属的试验。将纯有机反式β-胡萝卜素故意加入不同pH值的不同金属溶液中,然后将各金属溶液通过壳聚糖树脂制备的过滤器。金属吸收结果均与中性条件下相似,而反式β-胡萝卜素并不受影响。

Claims (10)

1.一种甲壳质,其特征在于通过以下方法制备:
在常规和/或电磁能源条件下,向反应器内的甲壳动物外壳材料中加入有机酸反应;
干燥反应器内的反应物分离出甲壳动物外壳中含有的甲壳质;
所述的有机酸具有羧酸官能团,脂肪族官能团和/或芳香族官能团。
2.根据权利要求1所述的一种甲壳质,其特征在于向所述的甲壳质中加入高锰酸钾、过氧化物类氧化剂。
3.根据权利要求1所述的一种甲壳质,其特征在于所述的甲壳动物外壳材料在氧气、氮气或二氧化碳气体氛围中反应。
4.根据权利要求1所述的一种甲壳质,其特征在于干燥分离出多糖的方法为常规干燥、离心干燥和冷冻干燥中的一种或几种。
5.一种用权利要求1所述的甲壳质制备的壳聚糖,其特征在于通过以下方法制备:
在常规和/或电磁能源下,于反应器内向所得的甲壳质加入有机或无机的酸或碱形成壳聚糖;
利用水和/或有机溶剂使甲壳质中的壳聚糖沉淀析出;
通过过滤和/或干燥分离出壳聚糖,洗涤壳聚糖至中性,然后干燥。
6.根据权利要求5所述的一种壳聚糖,其特征在于利用矿物质和/或有机酸使壳聚糖成为盐或树脂颗粒。
7.一种权利要求1或5所述的壳质材料的应用,其特征在于所述的甲壳质及其复合材料或壳聚糖及其复合材料在金属去除中的应用形式为粉末,滤膜,滤片和过滤包装材料。
8.根据权利要求7所述的一种壳质材料的应用,其特征在于所述的甲壳质复合材料为甲壳质与水、和/或有机酸、和/或有机碱、和/或其他助剂一起制备的吸附剂材料;所述的壳聚糖复合材料为壳聚糖与水、和/或有机酸、和/或有机碱、和/或其他助剂一起制备的吸附剂材料。
9.根据权利要求7所述的一种壳质材料的应用,其特征在于所述的复合材料为甲壳质或壳聚糖作为固体和/或胶体,与纸浆、和/或木质纤维素材料结合而成。
10.根据权利要求7所述的一种壳质材料的应用,其特征在于所述的复合材料为改性壳质材料作为固体和/或胶体,与木质纤维素材料以及陶瓷类材料结合而成。
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