CN107602726A - 低分子量c6‑羧基甲壳素及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种低分子量C6‑羧基甲壳素及其制备方法，该制备方法包括：(1)使用功能溶剂将原料甲壳素制备成均相溶液，所述功能溶剂包含磷酸、硫酸和盐酸中的一种或多种；(2)直接向步骤(1)所得溶液中加入酸性介质氧化剂、催化剂，进行氧化反应以使C6位羟基氧化为羧基，同时进一步解聚甲壳素；(3)调节步骤(2)所得反应液的pH为5至6，得到粗制产物或经精制得到精制产品。由此制得的C6‑羧基甲壳素分子量范围为500～8000，聚合度n＝2～35。本发明的低分子量C6‑羧基甲壳素具有良好的亲水性、保湿性、生物相容性和植物诱抗活性等，并可以作为配体形成多种功能产品，在医药、食品、农业等领域应用广泛。

Description

低分子量C6-羧基甲壳素及其制备方法

技术领域

本发明涉及生物高分子化学领域，尤其涉及一种低分子量的C6-羧基甲壳素及其制备方法。

背景技术

甲壳素大量存在于甲壳纲生物如虾、海蟹、小龙虾等。甲壳素是自然界中除纤维素以外的第二大类的天然有机物质。甲壳素一般为线性多糖高分子聚合物，不溶于水，在应用上存在局限性。壳聚糖或壳寡糖是甲壳素脱乙酰度达到70％以上的产物，它是自然界中唯一的碱性多糖。壳寡糖具备易吸收、生物活性高、功能多样等突出特点，在医药、食品、农业等领域应用广泛。

壳聚糖多采用浓碱水热法由甲壳素脱除乙酰基而生产，该工艺需要大量强碱、能耗高、还产生大量废水，同时甲壳素利用率也较低。因此需要开发一种无需脱除乙酰基的甲壳素产品，提高利用率，解决环境污染。

C6-羧基甲壳素是一种新颖的甲壳素衍生物。它的优异功能正逐步被人们认识。羧基甲壳素易溶于水、具有更好的亲水性、保湿性，可以用于化妆品；也可作为一种新型生物活性因子用于农业作物：例如用于植物诱抗剂，能激活植物的免疫因子，诱导植物自身抵抗病虫害，增强植物的抗性，部分替代化学农药；又如用于植物生长调节剂，提高农作物的产量和品质。此外其还具有广泛的生物相容性、抑菌性、生物降解性等特点，其酸性羧基官能团还可以结合金属元素、非金属元素、微量元素和氨基酸等，形成一系列功能产品。

现有技术中存在直接以甲壳素为原料，通过氧化工艺来得到C6-羧基甲壳素。这样制备的C6-羧基甲壳素既保留了甲壳素基本结构和功能，又与壳寡糖是官能团不完全相同的物质，可与壳寡糖形成互补的市场应用，但是该制备工艺的产率过低，只有30～40％左右，且反应副产物在精制时难以除去。原因是甲壳素分子内部和分子间的氢键结合，使得其结晶度高，难于在介质中形成均相溶液，造成反应缓慢、反应完全度低，这也是制备C6-羧基甲壳素的技术难点。

其他针对C6-羧基甲壳素及其制备工艺的研究中，为了解决反应过程中的溶解性问题，一般采用碱性脱乙酰基方法得到水溶性的甲壳素，而后再进行氧化以制备C6-羧基甲壳素，较大地破坏了甲壳素原始结构，存在脱乙酰度高、产率低、对环境不友好等问题，另外制备方法采用分步进行，过程中经常需要调整pH值，并对中间产物进行反复清洗，产生大量的废水，不适合工业化生产，成本较高。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种低分子量的C6-羧基甲壳素及其制备方法，以期解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

作为本发明的一方面，提供一种C6-羧基甲壳素的制备方法，包括以下步骤：

(1)使用功能溶剂将原料甲壳素制备成均相溶液，实现甲壳素致密结构向疏松结构的转化、生物高分子的溶解和高分子量向低分子量的解聚，所述功能溶剂包含磷酸、硫酸和盐酸中的一种或多种；

(2)直接向步骤(1)所得溶液中加入酸性介质氧化剂、催化剂，进行氧化反应以使C6位羟基氧化为羧基，同时进一步解聚甲壳素；

(3)调节步骤(2)所得反应液的pH为5至6，得到粗制产物或经精制得到精制产品。

作为本发明的另一方面，提供一种如上所述的制备方法制得的C6-羧基甲壳素，具有如下式所示结构，其分子量范围为500～8000，聚合度n＝2～35：

基于上述技术方案，本发明的有益效果在于：

(1)本发明的制备方法使用片状或块状甲壳素作为原料，无需经过脱乙酰基的处理，原料分子量范围不限，直接使用功能溶剂实现甲壳素致密结构向疏松结构的转化、生物高分子的溶解、高分子量向低分子量的解聚，并在形成的酸性均相溶液中，直接加入酸性介质氧化剂进行氧化，生成C6-羧基甲壳素，产率能达到75％以上，根据原料的差异和产物聚合度的差异，羧基化程度在50％～80％之间，且采用的是一体化连续工艺，工艺流程短，利于工业化生产；

(2)本发明的制备方法采用一体化连续工艺，中间无需对反应液进行多次的pH调整，以及对中间产物进行重复清洗，无废水排放，是环保型制备工艺；

(3)本发明的C6-羧基甲壳素的脱乙酰化程度很低，极大程度地保留了甲壳素的原始结构，有利于生物相容性，且制备得到的C6-羧基甲壳素的分子量适中，在本发明的分子量500-8000范围内具备很好的水溶性。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明作进一步的详细说明。

本发明一方面提供了一种一体化连续生产、均相反应、低成本、环境友好型的C6-羧基甲壳素的制备方法，另一方面提供了由所述制备方法制得的脱乙酰化程度低、具有较好水溶性和生物相容性的C6-羧基甲壳素。

作为实施例，本发明提供的C6-羧基甲壳素的制备方法，包括以下步骤：

(1)使用功能溶剂将经粉碎后的原料甲壳素制备成均相溶液，实现甲壳素致密结构向疏松结构的转化、生物高分子的溶解和高分子量向低分子量的解聚，所述功能溶剂包含磷酸、硫酸和盐酸中的一种或多种；

(2)直接向步骤(1)所得溶液中加入酸性介质氧化剂、催化剂，进行氧化反应以使C6位羟基氧化为羧基，同时进一步解聚甲壳素；

(3)调节步骤(2)所得反应液的pH为5至6，得到粗制产物或经精制得到精制产品。

优选地，步骤(1)中功能溶剂的用量为甲壳素质量的2～4倍，其中，使用的磷酸质量浓度不低于80％，硫酸质量浓度不低于60％，盐酸质量浓度不低于30％，功能溶剂的用量远低于常规用量。

优选地，所述功能溶剂具有以下组分和含量：主要由85％磷酸和33％盐酸按体积比10∶11；或者60％硫酸和36％盐酸按体积比为2∶1；或者85％磷酸、61％硫酸和33％盐酸按体积比为20∶20∶33组成，当然，功能溶剂的组成并不限于上述组分和含量，可依据使用情况进行调整。

优选地，所述功能溶剂还包含乙酸，使用的乙酸质量浓度在99％以上，乙酸与其余功能溶剂的体积配比为1∶10，加入乙酸可以降低降解时甲壳素的脱乙酰化程度。

优选地，步骤(2)的所述氧化剂包括硝酸盐或摩尔比为10∶(1～3)的硝酸盐和任选的过氧化氢、过氧乙酸、过一硫酸中的一种，所述催化剂为亚硝酸盐，所述硝酸盐优选为硝酸钠或硝酸钾，所述亚硝酸盐优选为亚硝酸钠或亚硝酸钾。以硝酸盐在酸性条件下形成的高活性氧化性硝酸盐作为主氧化剂，以过氧化氢、过氧乙酸或过一硫酸为副氧化剂，有利于碳6位的羟基的氧化和进一步解聚甲壳素，另一方面，产生的副产物如盐分等对环境友好、无毒害；由此制备的粗产品所含的盐分是农作物生长所需营养成分，无需分离可以直接用于农业诱抗剂等，精制后无盐分的产品可用于食品、化妆品、医药等领域。

优选地，所述氧化剂加入量为甲壳素结构单元摩尔数的1～2倍，所述催化剂加入量为所述氧化剂摩尔数的5～35％，更优选地，所述氧化剂、催化剂分批次加入，以使氧化反应更为完全。

优选地，步骤(1)的反应温度为50～90℃，反应时间为30～60分钟；步骤(2)的氧化温度为20～90℃，氧化时间为3～12小时，反应条件温和，利于工业化生产。

优选地，步骤(3)使用氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾或氨水进行pH调节，在选择这些pH调节剂时，同样是考虑了产生的副产物对环境友好，制得的粗产品可直接用于农业诱抗剂等。

优选地，步骤(3)的粗制产物为将反应液直接喷雾干燥以制备的产品；所述精制产品为或者经乙醇沉淀、然后冻干干燥或喷雾干燥以制备的产品；或者将反应液真空抽滤除去颗粒物、经膜组件分离盐分、分级截留不同分子量区间的C6-羧基甲壳素然后冻干干燥或喷雾干燥以制备的产品。其中，“膜组件”在本技术领域中指包含膜及其支撑结构的装置，可依据截留分子量选取不同规格的膜组件，在本发明的一示例性实施例中，选用透析膜、超滤膜或纳米膜膜组件进行盐分分离以及分级截留不同分子量区间的C6-羧基甲壳素。

通过如上所述的制备方法制得的C6-羧基甲壳素，具有如下式所示结构，其分子量范围为500～8000，聚合度n＝2～35，羧基化程度在50％～80％之间：

以下列举具体实施例以对本发明的技术方案作进一步的解释说明。

实施例1

将来自雪蟹的片状甲壳素用粉碎机加工至0.25mm碎料，备用。把质量浓度85％的磷酸溶液和质量浓度33％的盐酸溶液按体积比10：11混合配制成功能溶剂，备用。氧化剂由硝酸钠组成。催化剂为亚硝酸钠。取60克甲壳素碎料加入500mL三口烧瓶，加入145克功能溶剂，加热至85℃，保温30分钟，甲壳素完全溶解，溶液呈均相时，停止加热，自然冷却到60℃。先投入一半量的氧化剂和催化剂，催化反应达到平衡时，再加入另一半氧化剂和催化剂。总计加入34克硝酸钠，7克亚硝酸钠。初始控制温度在60℃，随后使反应温度缓慢上升，可使反应更彻底，氧化效果更好。氧化反应时间总计5～6小时后终止反应，用氢氧化钠调节反应液pH＝5，喷雾干燥可以得到C6-羧基甲壳素粗品，分子量范围为1000～5000，羧基化程度为70％。

实施例2

将来自小龙虾的不规则块状甲壳素用粉碎机加工至0.15mm碎料，备用。把质量浓度85％的磷酸、质量浓度61％硫酸和质量浓度33％的盐酸按体积比20∶20∶33混合配制成功能溶剂，备用。氧化剂由硝酸钠组成。催化剂为亚硝酸钠。取80克甲壳素碎料加入500mL三口烧瓶，加入210克功能溶剂，加热至80℃，保温30分钟，甲壳素完全溶解，降温至65℃。投入氧化剂和一半催化剂，1.5小时后再加入另一半催化剂。总计加入45克硝酸钠，8克亚硝酸钠。氧化反应时间总计4～5小时，用碳酸钠调节反应液pH＝6。真空抽滤除去未反应完全的颗粒物、经膜组件除盐分、截留，用旋转蒸发仪浓缩后冷冻干燥得到C6-羧基甲壳素，产率为82％，分子量范围为1000～4000，羧基化程度为76％。

实施例3

将来自海虾的甲壳素用粉碎机加工至0.25mm碎料，待用。把质量浓度60％的硫酸和质量浓度36％的盐酸按体积比2∶1混合，然后加入10％体积的冰醋酸，制成功能溶剂，备用。氧化剂由硝酸钾和过氧乙酸组成。催化剂为亚硝酸钠。取50克甲壳素碎料加入500mL三口烧瓶，加入155克功能溶剂，加热至70℃，保温60分钟，甲壳素完全溶解。投入氧化剂和一半催化剂，催化反应达到平衡时，再加入另一半催化剂，最后加入过氧乙酸。总计加入33克硝酸钾，2.5克过氧乙酸，4克亚硝酸钠。氧化反应时间总计5～7小时，用氢氧化钾调节反应液pH＝5，喷雾干燥可以得到C6-羧基甲壳素粗品，分子量范围为1500～6000，羧基化程度为58％。

实施例4

将来自海蟹的甲壳素用粉碎机加工至0.15mm碎料，待用。配制质量浓度80％的磷酸作为功能溶剂，备用。氧化剂为硝酸钾和过氧化氢组成。催化剂为亚硝酸钾。取70克甲壳素碎料加入500mL三口烧瓶，加入240克功能溶剂，加热至70℃，保温60分钟，甲壳素完全溶解，降温至室温(以20℃为平均室温)。投入氧化剂硝酸钾46克、催化剂亚硝酸钾6克，室温下反应12小时，然后加入30％过氧化氢12mL，加热至50℃反应2小时。用氢氧化钾调节反应液pH＝6，经乙醇沉淀、冷冻干燥可以得到C6-羧基甲壳素，产率为77％，分子量范围为1500～8000，羧基化程度为65％。

对比例1

将来自海虾的甲壳素用粉碎机加工至0.15mm碎料，待用。配置有效氯10％的次氯酸钠溶液100mL，0.5M的氢氧化钠溶液98mL；取10克干燥甲壳素碎料置于200mL去离子水中并调节pH＝5.3～6.0，在50℃热水浴中加热4小时进行软化，将150mg的2，2，6，6-四甲基哌啶氮氧化物(TEMPO)和4克溴化钠配置成溶液10mL，加入到甲壳素悬浮液中，并用氢氧化钠溶液调至pH＝10.8，首先加入1/3体积次氯酸钠溶液，然后在30℃下缓慢滴加剩余的次氯酸钠溶液和氢氧化钠溶液，共计45～60分钟；滴加完成后继续反应2～3小时。得到的溶液经过透析，冷冻干燥得到C6-羧基甲壳素，产率为31％，分子量范围为3000～6000，羧基化程度为40％。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低分子量C6-羧基甲壳素的制备方法，所述低分子量C6-羧基甲壳素的分子量范围为500～8000，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

(1)使用功能溶剂将原料甲壳素制备成均相溶液，实现甲壳素致密结构向疏松结构的转化、生物高分子的溶解和高分子量向低分子量的解聚，所述功能溶剂包含磷酸、硫酸和盐酸中的一种或多种；

(2)直接向步骤(1)所得溶液中加入酸性介质氧化剂、催化剂，进行氧化反应以使C6位羟基氧化为羧基，同时进一步解聚甲壳素；

(3)调节步骤(2)所得反应液的pH为5至6，得到粗制产物或经精制得到精制产品。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中功能溶剂的用量为甲壳素质量的2～4倍，其中，使用的磷酸质量浓度不低于80％，硫酸质量浓度不低于60％，盐酸质量浓度不低于30％。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述功能溶剂具有以下组分和含量：主要由85％磷酸和33％盐酸按体积比10∶11；或者60％硫酸和36％盐酸按体积比为2∶1；或者85％磷酸、61％硫酸和33％盐酸按体积比为20∶20∶33组成。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述功能溶剂还包含乙酸，使用的乙酸质量浓度在99％以上，乙酸与其余组分的体积配比为1∶10。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)的所述氧化剂包括硝酸盐、或摩尔比为10∶(1～3)的硝酸盐和任选的过氧化氢、过氧乙酸、过一硫酸中的一种，所述催化剂为亚硝酸盐，所述硝酸盐优选为硝酸钠或硝酸钾，所述亚硝酸盐优选为亚硝酸钠或亚硝酸钾。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氧化剂加入量为甲壳素结构单元摩尔数的1～2倍，所述催化剂加入量为氧化剂摩尔数的5～35％。

7.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤(1)的反应温度为50～90℃，反应时间为30～60分钟；步骤(2)的氧化温度为20～90℃，氧化时间为3～12小时。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)使用氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾或氨水进行pH调节。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)的粗制产物为将反应液直接喷雾干燥而制备的产品；所述精制产品为或者经乙醇沉淀、然后冻干干燥或喷雾干燥而制备的产品；或者将反应液真空抽滤除去颗粒物、经膜组件分离盐份、分级截留不同分子量区间的C6-羧基甲壳素后冻干干燥或喷雾干燥而制备的产品。

10.如权利要求1-9中任意一项所述的制备方法制得的C6-羧基甲壳素，具有如下式所示结构，其分子量范围为500～8000，聚合度n＝2～35：