CN107619453A - 一种精氨酸改性淀粉树脂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种精氨酸固载淀粉的方法：以淀粉为研究对象，控制反应体系PH，制备出精氨酸固载淀粉。当精氨酸和淀粉质量比为1∶2时，反应时间为8h，PH＝6.0时，0.1g精氮酸固载淀粉可水解得到精氨酸0.9984mg，含氮量为2.829％，接枝率为8.79％。并通过拉曼光谱，凯氏定氮对产物的结构和性能进行了表征，证明精氨酸成功固载淀粉。

Description

一种精氨酸改性淀粉树脂及其制备方法

技术领域

本发明涉及淀粉改性的技术领域，特别是淀粉接枝丙烯酸甲酯后对精氨酸固载的方法。

背景技术

吸附树脂是由反应物分子间在交联剂作用下聚合而成的具有三维网络结构的功能高分子材料，被广泛的应用于各领域。根据吸水树脂的组成，可将其分为乙烯基类单体合成树脂和天然高分子基树脂。乙烯基类单体合成树脂材料是由乙烯基单体分子如丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、苯乙烯等或共聚而成，具有吸附量大、结构稳定、对酸、碱、盐和微生物稳定性好，便于再生，使用寿命长等优点。但其缺点是可降解性能差，因为组成其骨架的主要成分为聚苯乙烯或聚丙烯酸酯等物质。

天然高分子基树脂不仅具有乙烯类合成树脂良好的吸附性能，而且具有可生物降解性能较好、对环境污染小等优点。天然高分子类树脂主要包括淀粉类、纤维素类、壳聚糖类树脂材料。纤维素类树脂材料机械强度较差，缺乏加工性能，而壳聚糖类树脂材料不仅价格较高，生产过程中要耗费大量的碱，易造成环境污染。相比之下，淀粉具有来源广泛、价格低廉、绿色环保，且加工性能好等优点，因此更具有工业化前景。而通过对淀粉树脂进行化学改性，在其结构单元上引入功能基团，可使此类树脂成为高效的吸附剂、絮凝剂和离子交换剂，可在工业废水的脱色、重金属离子的回收、净化饮用水、硬水软化等方面发挥重大作用。

但如同其它种类天然高分子，淀粉树脂由于是多糖类物质，容易被微生物作用而降解，这严重影响了此类树脂的使用寿命，并限制了其应用领域。

精氨酸是构成蛋白质的基本单位，是组成人体蛋白质的21种氨基酸之一，为α氨基酸。由于胍基的存在精氨酸呈碱性，易与酸反应形成盐，属于碱性氨基酸。细胞培植研究指出当有机体外(试管内)赖氨酸与精氨酸混合时，可以压抑病毒的复制，实验证明精氨酸具有一定能的抗菌性。

去前所述，工业废水中微生物滋生，而淀粉基树脂材料又易降解，不能长期使用。而胍基，是目前自然界发现的正电性最强的生物活性有机碱，强正电性的胍基可以与细菌带负电的表面，及其内部的功能性蛋白、DNA、RNA等作用，从而表现出显著的抑菌性。精氨酸是构成蛋白质的二十余种氨基酸中碱性最强的，也是唯一具有胍基的氨基酸。故可以推断，将精氨酸固载到壳聚糖上，可以依靠胍基强抑菌性，提高材料本身对微生物的稳定性。

然而由于淀粉羟基与氨基酸中羧基与氨基无明显的反应性，因此在淀粉大分子上引入精氨酸十分困难。国内外在淀粉基材料的氨基酸改性方面的研究报道亦十分稀少。国外曾有少量报道指出首先在淀粉分子上引入羧基(羧甲基化)，随后在缩合剂1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺与N-羟基-丁二酰亚胺作用下通过羧基与氨基的缩合反应引入氨基酸。但此反应过程十分复杂，且缩合剂成本过高，不可能用于大量生产。国内尚无此类文献报告。

由于酯基具有较高的反应活性，易于发生水解、醇解、氨解及氰解等各种反应。尤其是酯基可以与氨及脂肪胺在酸催化或碱催化下发生氨解反应。基于以上原理，本发明首次采用酯化-氨解反应两步在淀粉树脂上引入精氨酸，提高树脂的耐微生物降解性能。

在第一步酯化反应中，采用甲基丙烯酸甲酯单体对原淀粉进行接枝，在淀粉基体上引入甲酯基团，一来提高了淀粉基树脂的耐水性(甲酯基为疏水基团)，改善其物理化学稳定性，解决淀粉基树脂材料在水中易溶解和膨胀，使用性差的问题；二来引入的甲酯基可进一步经氨解反应与精氨酸中的氨基形成酰胺键，从而将碱性氨基酸精氨酸引入淀粉树脂基体中，借精氨酸中胍基的强碱性实现淀粉树脂的抑菌性，提高基微生物稳定性，延长其使用寿命，进一步扩大该淀粉基树脂作为一种潜在污水处理材料在水体修复方面的应用领域。

通过引入含胍氨基酸而使淀粉基材料具有抗菌性，在国内外尚未任何文献报道。故本专利具有较大的创新性以及极大的开发研究价值。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是：提供氨基酸改性玉米淀粉树脂及基制备方法。该淀粉具有低的膨胀性和溶解性，较高的物理化学稳定性，在酸、碱及盐溶液中稳定。同时由于引入碱性氨基酸精氨酸，该淀粉树脂具有极强的抑菌性能和微生物稳定性，可抵御多种微生物的分解作用，从而解决了淀粉基树脂材料不耐菌，稳定性差，不能长期使用的问题。本发明采用酯化-氨解反应两步法在淀粉基体上引入精氨酸，具有反应效率高，反应条件温和，过程易控制，可重复性高，安全性高等特点，且所用精氨酸溶液可反复利用，生产过程污染小，成本低。

本发明解决所述淀粉技术问题的技术方案是，设计一种氨基酸改性玉米淀粉树脂，其特征在于该淀粉的原料质量组成份数为：

在第一步酯化反应中：

玉米原淀粉100份；丙烯酸甲酯52.5份；司班10.885份；吐温39.115份；过硫酸铵1.8份；亚硫酸氢钠0.6份，无离子水1000份。

在第二步氨解反应中：

酯化淀粉100份；精氨酸50份，无离子水1500份。

本发明解决所述制备方法技术问题的技术方案是，设计一种精氨酸改性玉米淀粉树脂的制备方法，该制备方法采用本发明所述精氨酸改性玉米淀粉的原料质量组成和以下工艺步骤：

(1)制备酯化玉米淀粉：把所述份数的玉米原淀粉和无离子水制成淀粉悬浮液，转移至装有电动搅拌及冷凝装置的1000mL三口烧瓶中，在恒温水浴中83～87℃糊化25～35min。随后将温度降至63～67℃，加入所述份数丙烯酸甲酯、吐温与司班，继续搅拌8～12min，随后用恒压滴液漏斗缓慢滴加所述份数的引发剂过硫酸铵与亚硫酸氢钠溶液。在63～67℃反应3～3.5小时。反应结束后，加入过量无水乙醇沉淀产物，过滤，滤饼以50％～55％乙醇溶液洗涤3～4次。将滤饼在60℃下烘干、粉碎、过65目分样筛，再于60℃下烘干至恒重，即得到酯化玉米淀粉树脂。

(2)制备精氨酸改性玉米淀粉树脂：把所述份数的酯化玉米原淀粉和无离子水制成淀粉悬浮液，转移至装有电动搅拌及冷凝装置250mL两口烧瓶中，随后加入所述份数精氨酸，用0.1N盐酸溶液调节pH为5.8-6.2，随后于63～67℃下反应8～8.5小时。反应结束后，加入过量无水乙醇沉淀产物，过滤，滤饼以65％～70％乙醇溶液洗涤3～4次，直至滤液无坂口反应(淀粉树脂中已无未反应的精氨酸残留)将滤饼在60℃下烘干、粉碎、过65目分样筛，再于60℃下烘干至恒重，即得到精氨酸改性玉米淀粉树脂。

与现有技术相比，本发明的创新点主要有以下两方面：

1.本发明首次采用酯化-氨解反应两步在淀粉树脂上引入精氨酸，提高树脂的耐微生物降解性能。首先采用甲基丙烯酸甲酯单体对原淀粉进行接枝，在淀粉基体上引入甲酯基团，可提高淀粉基树脂的耐水性，解决淀粉基树脂材料在水中易溶解膨胀进而影响其使用的问题；随后利用引入的甲酯基与精氨酸中α-氨基的成肽反应将碱性氨基酸精氨酸引入淀粉树脂基体中，借精氨酸中胍基的强碱性实现淀粉树脂的抑菌性，提高其微生物稳定性，进一步扩大该淀粉基树脂作为一种潜在污水处理材料在水体修复方面的应用领域。该工艺还具有反应效率高，反应条件温和，过程易控制，可重复性高，安全性高等特点，且所用精氨酸溶液可反复利用，生产过程污染小，成本低。这是本发明的第一个创新。

2.在应用方面，本发明尝试作为水体修复材料时，可长期抵御自然环境中各种微生物的侵蚀，保持其结构稳定性，从而解决了以往包括淀粉在内的多糖基树脂材料不耐菌，易分解，稳定性差的缺陷，极大限度地延长了此类树脂的使用寿命，扩大了其应用领域，并且有望在不久的将来作为合成高分子类树脂(聚苯乙烯树脂、聚丙烯酸酯树脂)的一种潜在替代品。这是本发明的第二个创新点。

附图说明

图1为本发明精氨酸改性淀粉树脂一种实施例与原淀粉的红外光谱对比图；其中，曲线A为原淀粉拉曼谱图；曲线B为本发明精氨酸改性淀粉树脂拉曼谱图。

图2为本发明精氨酸改性淀粉树脂一种实施例与原淀粉对大肠杆菌的抑菌效果对比图；其中，图2(a)为以原淀粉为培养基的大肠杆菌生长菌落；图2(b)为以本发明精氨酸改性淀粉为培养基的大肠杆菌生长菌落；使用菌液浓度均为10^-6的大肠杆菌。

图3为本发明精氨酸改性淀粉树脂一种实施例与原淀粉对金黄色葡萄球菌的抑菌效果对比图；其中，图3(a)为以原淀粉为培养基的金黄色葡萄球菌生长菌落；图3(b)为以本发明精氨酸改性淀粉为培养基的金黄色葡萄球菌生长菌落；使用液浓度均为10^-6的金黄色葡萄球菌菌。

在菌液浓度为10^-6时，接枝精氨酸后的培养基与空白培养基相比，后者菌落生长旺盛，可见接枝精氨酸的淀粉对大肠杆菌以及金黄色葡萄球菌的生长有一定的抑制作用。这是由于接枝精氨酸后的淀粉大分子中精氨酸残基中胍基的具有极强的正电性，其质子化结构可以更好的吸附在负电性的细胞壁表面，形成高分子膜并阻止营养物质的进入和代谢废物的排除，引起细菌的代谢紊乱，并导致细菌死亡。但是接枝精氨酸后，使淀粉溶解度降低，抑菌能力受到一定的削减。

具体实施方式：

下面结合实例及附图来进一步叙述本发明。

本发明解决所述淀粉技术问题的技术方案是，设计一种氨基酸改性玉米淀粉树脂，其特征在于该淀粉的原料质量组成份数为：

在第一步酯化反应中：

玉米原淀粉100份；丙烯酸甲酯52.5份；司班10.885份；吐温39.115份；过硫酸铵1.8份；亚硫酸氢钠0.6份，无离子水1000份。

在第二步氨解反应中：

酯化淀粉100份；精氨酸50份，无离子水1500份。

本发明同时设计了氨基酸改性玉米淀粉树脂的制备方法(以下简称制备方法)，该制备方法采用本发明所述原料质量组成和以下工艺步骤：

(1)制备酯化玉米淀粉：把所述份数的玉米原淀粉和无离子水制成淀粉悬浮液，转移至装有电动搅拌及冷疑装置的1000mL三口烧瓶中，在恒温水浴中83～87℃糊化25～35min。随后将温度降至63～67℃，加入所述份数丙烯酸甲酯、吐温与司班，继续搅拌8～12min，随后用恒压滴液漏斗缓慢滴加所述份数的引发剂过硫酸铵与亚硫酸氢钠溶液。在63～67℃反应3～3.5小时。反应结束后，加入过量无水乙醇沉淀产物，过滤，滤饼以50％～55％乙醇溶液洗涤3～4次。将滤饼在60℃下烘干、粉碎、过65目分样筛，再于60℃下烘干至恒重，即得到酯化玉米淀粉树脂粗产物。此粗产物再于脂肪提取器中以丙酮为溶剂抽提10～12小时(此过程目的为去除均聚物)后得到纯酯化淀粉。

(2)制备精氨酸改性玉米淀粉树脂：把所述份数的酯化玉米原淀粉和无离子水制成淀粉悬浮液，转移至装有电动搅拌及冷凝装置250mL两口烧瓶中，随后加入所述份数精氨酸，用0.1N盐酸溶液调节pH为5.8-6.2，随后于63～67℃下反应8～8.5小时。反应结束后，加入过量无水乙醇沉淀产物，过滤，滤饼以65％～70％乙醇溶液洗涤3～4次，直至滤液无坂口反应(淀粉树脂中已无末反应的精氨酸残留)。将滤饼在60℃下烘干、粉碎、过65目分样筛，再于60℃下烘干至恒重，即得到精氨酸改性玉米淀粉树脂。

本发明酯化淀粉中精氨酸改性淀粉树脂中精氨酸含量的测定方法如下：

采用凯氏定氮法(Kjeldahl method)测定CA氮元素含量，计算公式如下：

其中，V-减去空白后，样品所消耗盐酸标准溶液的体积(mL)；

C-盐酸标准溶液的摩尔浓度；

W-样品的重量(mg)。

经凯氏定氮测定本实验淀粉的氮含量为0％，经接枝精氨酸后氮含量为2.829％，由于精氨酸单体为2-氨基-5-胍基戊酸，每分子精氨酸含有两个氨基与两个亚氨基，氮含量为32.15％，远高于淀粉，因此淀粉接枝精氨酸后导致产物氮含量增加，而取代度越高，则氮含量越高。因此，经过测定接枝产物的氮含量结果表明，本实验已经在淀粉大分子链上成功引入了一定数量的精氨酸。

本发明氨基酸改性制备淀粉树脂的实验仪器设备包括：DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器，SHB-Ш循环水式多用真空泵，鼓风电热干燥箱，HHS电热超级恒温水浴锅，FA2004N电子分析天平，D-8401WZ型多功能电动搅拌器，粗脂肪提取器。本发明制备方法所用的仪器设备为常规仪器设备，成本低，操作方便，技术成熟，适用于工业化推广应用。

本发明精氨酸改性淀粉树脂的结构表征如下：

图1为原淀粉及精氨酸改性淀粉树脂的拉曼谱图。曲线a中拉曼位移为3400～3200cm^-1处的中等强度散射峰为原淀粉羟基O-H的伸缩振动所致，曲线b中此峰消失是由于经过第一步酯化反应后羟基数量减少(由聚丙烯酸甲酯基团取代)。2890附近为亚甲基C-H对称伸缩振动造成的极强散射峰，此峰在原淀粉及精氨酸改性淀粉中均显示强拉曼活性(由于精氨酸残基中亦存在大量亚甲基)。在图b中拉曼位移为1690cm^-1～1650cm^-1出现的新的散射峰为C＝O(酰胺I带)的伸缩振动与N-H(酰胺II带)的剪式振动所致，而在曲线a中并无此峰。酰胺散射峰的出现是酯化淀粉中的甲酯基经与精氨酸a-氨基的氨解反应形成酰胺健的有力证明。曲线b在拉曼位移为1050cm^-1附近还出现了C-N伸缩振动散射峰(酰胺III带)，此峰亦不存与曲线a中。以上结构变化充分表明精氨酸残基已经由酯化-氨解两步反应被引入到了淀粉大分子上。

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅是为了进一步详细说明本发明，不限制本发明申请的权利要求。

实施例1

称取2克酯化淀粉，和30mL无离子水制成淀粉悬浮液，转移至装有电动搅拌及冷凝装置50mL两口烧瓶中，随后加入所述份数精氨酸，用0.1N盐酸溶液调节pH为5.5，随后于50℃下反应8小时。反应结束后，加入过量无水乙醇沉淀产物，过滤，滤饼以65％～70％乙醇溶液洗涤3～4次，直至滤液无坂口反应(淀粉树脂中已无未反应的精氨酸残留)。将滤饼在50℃下烘干、粉碎、过65目分样筛，再于50℃下烘干至恒重，即得到精氨酸改性玉米淀粉树脂。

接枝效果检验：参照前述精氨酸改性淀粉树脂中精氨酸残基含量的测定方法测定相关含量(固载率)。本实施例经计算的固载率参数列于表1。结构表征参见图1。

实施例2

称取2克酯化淀粉，和30mL无离子水制成淀粉悬浮液，转移至装有电动搅拌及冷凝装置50mL两口烧瓶中，随后加入所述份数精氨酸，用0.1N盐酸溶液调节pH为6.0，随后于50℃下反应8小时。反应结束后，加入过量无水乙醇沉淀产物，过滤，滤饼以65％～70％乙醇溶液洗涤3～4次，直至滤液无坂口反应(淀粉树脂中已无未反应的精氨酸残留)。将滤饼在50℃下烘干、粉碎、过65目分样筛，再于50℃下烘干至恒重，即得到精氨酸改性玉米淀粉树脂。

接枝效果检验：参照前述精氨酸改性淀粉树脂中精氨酸残基含量的测定方法测定相关含量(固载率)。本实施例经计算的固载率参数列于表1。结构表征参见图1。

实施例3

称取2克酯化淀粉，和30mL无离子水制成淀粉悬浮液，转移至装有电动搅拌及冷凝装置50mL两口烧瓶中，随后加入所述份数精氨酸，用0.1N盐酸溶液调节pH为6.5，随后于50℃下反应8小时。反应结束后，加入过量无水乙醇沉淀产物，过滤，滤饼以65％～70％乙醇溶液洗涤3～4次，直至滤液无坂口反应(淀粉树脂中已无未反应的精氨酸残留)。将滤饼在50℃下烘干、粉碎、过65目分样筛，再于50℃下烘干至恒重，即得到精氨酸改性玉米淀粉树脂。

接枝效果检验：参照前述精氨酸改性淀粉树脂中精氨酸残基含量的测定方法测定相关含量(固载率)。本实施例经计算的固载率参数列于表1。结构表征参见图1。

实施例4

称取2克酯化淀粉，和30mL无离子水制成淀粉悬浮液，转移至装有电动搅拌及冷凝装置50mL两口烧瓶中，随后加入所述份数精氨酸，用0.1N盐酸溶液调节pH为7，随后于40℃下反应8小时。反应结束后，加入过量无水乙醇沉淀产物，过滤，滤饼以65％～70％乙醇溶液洗涤3～4次，直至滤液无坂口反应(淀粉树脂中已无未反应的精氨酸残留)。将滤饼在40℃下烘干、粉碎、过65目分样筛，再于40℃下烘干至恒重，即得到精氨酸改性玉米淀粉树脂。

接枝效果检验：参照前述精氨酸改性淀粉树脂中精氨酸残基含量的测定方法测定相关含量(固载率)。本实施例经计算的固载率参数列于表1。结构表征参见图1。

表1实施例1与实施2～4的精氨酸固载率参数比较表

Claims (5)

1.一种精氨酸固载淀粉的方法其特征在于以淀粉为研究对象，利用精氨酸固载淀粉。

2.根据权利要求书1所述，精氨酸接枝淀粉的特征在于，精氨酸与淀粉的质量比为1∶2，PH＝6.0进行反应。

3.根据权利要求书2所述，精氨酸与壳聚糖反应的特征在于，反应体系溶剂为30ml，反应温度为50℃，反应时间8h，并不断搅拌，反应结束后结晶取出产物。

4.根据权利要求书3所述，结晶产物除杂的特征在于用乙醇溶液与反应后的溶液混合，使产物充分结晶。

5.根据权利要求书4所述，产物在烘箱干燥2天，取出研碎，得到最终产物精氨酸接枝淀粉。