CN112480288A - 一种离子化壳聚糖及其制备方法和应用 - Google Patents

一种离子化壳聚糖及其制备方法和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN112480288A
CN112480288A CN202011321385.3A CN202011321385A CN112480288A CN 112480288 A CN112480288 A CN 112480288A CN 202011321385 A CN202011321385 A CN 202011321385A CN 112480288 A CN112480288 A CN 112480288A
Authority
CN
China
Prior art keywords
chitosan
solution
ionized
distilled water
mixed solution
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202011321385.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112480288B (zh
Inventor
韩晓祥
叶青
禹宸
郑哲浩
邱林燕
毛晓锐
汪思田
王彦波
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang Gongshang University
Original Assignee
Zhejiang Gongshang University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang Gongshang University filed Critical Zhejiang Gongshang University
Priority to CN202011321385.3A priority Critical patent/CN112480288B/zh
Publication of CN112480288A publication Critical patent/CN112480288A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112480288B publication Critical patent/CN112480288B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08B—POLYSACCHARIDES; DERIVATIVES THEREOF
    • C08B37/00—Preparation of polysaccharides not provided for in groups C08B1/00 - C08B35/00; Derivatives thereof
    • C08B37/0006—Homoglycans, i.e. polysaccharides having a main chain consisting of one single sugar, e.g. colominic acid
    • C08B37/0024—Homoglycans, i.e. polysaccharides having a main chain consisting of one single sugar, e.g. colominic acid beta-D-Glucans; (beta-1,3)-D-Glucans, e.g. paramylon, coriolan, sclerotan, pachyman, callose, scleroglucan, schizophyllan, laminaran, lentinan or curdlan; (beta-1,6)-D-Glucans, e.g. pustulan; (beta-1,4)-D-Glucans; (beta-1,3)(beta-1,4)-D-Glucans, e.g. lichenan; Derivatives thereof
    • C08B37/0027—2-Acetamido-2-deoxy-beta-glucans; Derivatives thereof
    • C08B37/003—Chitin, i.e. 2-acetamido-2-deoxy-(beta-1,4)-D-glucan or N-acetyl-beta-1,4-D-glucosamine; Chitosan, i.e. deacetylated product of chitin or (beta-1,4)-D-glucosamine; Derivatives thereof
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01N—PRESERVATION OF BODIES OF HUMANS OR ANIMALS OR PLANTS OR PARTS THEREOF; BIOCIDES, e.g. AS DISINFECTANTS, AS PESTICIDES OR AS HERBICIDES; PEST REPELLANTS OR ATTRACTANTS; PLANT GROWTH REGULATORS
    • A01N43/00—Biocides, pest repellants or attractants, or plant growth regulators containing heterocyclic compounds
    • A01N43/02—Biocides, pest repellants or attractants, or plant growth regulators containing heterocyclic compounds having rings with one or more oxygen or sulfur atoms as the only ring hetero atoms
    • A01N43/04—Biocides, pest repellants or attractants, or plant growth regulators containing heterocyclic compounds having rings with one or more oxygen or sulfur atoms as the only ring hetero atoms with one hetero atom
    • A01N43/14—Biocides, pest repellants or attractants, or plant growth regulators containing heterocyclic compounds having rings with one or more oxygen or sulfur atoms as the only ring hetero atoms with one hetero atom six-membered rings
    • A01N43/16—Biocides, pest repellants or attractants, or plant growth regulators containing heterocyclic compounds having rings with one or more oxygen or sulfur atoms as the only ring hetero atoms with one hetero atom six-membered rings with oxygen as the ring hetero atom
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
    • C08J5/18—Manufacture of films or sheets
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2300/00—Characterised by the use of unspecified polymers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2405/00—Characterised by the use of polysaccharides or of their derivatives not provided for in groups C08J2401/00 or C08J2403/00
    • C08J2405/08—Chitin; Chondroitin sulfate; Hyaluronic acid; Derivatives thereof

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Pest Control & Pesticides (AREA)
  • Agronomy & Crop Science (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Plant Pathology (AREA)
  • Dentistry (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Environmental Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Polysaccharides And Polysaccharide Derivatives (AREA)

Abstract

本发明公开了一种离子化壳聚糖及其制备方法和应用，包括以下步骤：首先将壳聚糖置于甲酸水溶剂中，搅拌直至壳聚糖完全溶解后加入甲醛溶液反应，然后滴加到无水乙醇溶剂中，得白色絮状沉淀；用乙醇洗涤三次白色沉淀物后，过滤后将其溶解蒸馏水中得到混合液I；之后将将混合液I装入MD55透析带中透析三天后冷冻干燥得二甲基壳聚糖；加入反应溶液和磺化试剂，然后将所得物滴加到丙酮溶液中，得白色絮状沉淀物；用甲醇洗涤三次后，将其完全溶解在蒸馏水中得混合液II；最后将混合液II装入MD55透析带中透析三天冷冻干燥，得到离子化壳聚糖。本发明方法所需设备简单，工艺简便，作用条件温和，重复性好，且抑菌性强。

Description

一种离子化壳聚糖及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及壳聚糖改性技术领域，尤其涉及一种离子化壳聚糖及其制备方法和应用。
背景技术
壳聚糖是几丁质的脱乙酰化衍生物，由N－乙酰氨基葡萄糖和D-葡糖胺两种单糖通过β-(1→4)糖苷键连接而成的线性高分子多糖，化学命名为β-(1,4)-2-乙酰氨基-2-脱氧-D-葡萄糖。且壳聚糖是天然的阳离子碱性多糖，存在于真菌的细胞壁、绿藻、小球藻、酵母和原生动物以及昆虫角质层中，在自然界中含量丰富，仅次于纤维素，开发前景之巨大由此可见一斑。壳聚糖具有无毒、抗菌、抗氧化、化学可修饰性和高反应活性等特点，广泛地被应用于化工、医学、食品、生物技术等多个领域，被视为未来主要的生物资源原料之一。
壳聚糖的分子结构中存在大量的-OH、-NH2以及-CH2OH基团，这种化学结构使得壳聚糖分子间能形成大量的氢键，同时分子规整的排布，使得壳聚糖具有较高结晶度，增加了分子刚性，赋予了壳聚糖稳定的理化性质。壳聚糖化学性质稳定，不溶于水、碱性溶液及大多数有机溶剂，只溶于稀的酸性溶液(pH<6.3)。在酸性环境中，壳聚糖分子上的氨基(-NH2)可被质子化成带正电荷具有胶体态的电解质。在合适的浓度下，壳聚糖具有很好的成膜性，且壳聚糖上大量氨基的存在，能有效的抑制微生物的生长繁殖。对于壳聚糖抑菌机理目前还没有很明确的解释，广泛接受的观点是壳聚糖上质子化氨基与微生物表面上负电荷基团存在相互作用，从而影响营养物质运输、破坏膜结构，导致内容物泄露，同时壳聚糖能与微生物生长所必需的金属离子发生螯合，从而抑制微生物生长，起到抑菌保鲜的功效。但正因为壳聚糖分子含有大量化学性质活泼的羟基和氨基基团(C2-NH2、C3-OH、C6-OH)，使得壳聚糖可以发生羧甲基化、酰化、烷基化、希夫碱化、季胺化、磺化等反应，以制备各种功能性质的壳聚糖衍生物。
为改善壳聚糖溶解性及抑菌性能，对其结构单元上的活泼基团进行化学改性引入二甲基及磺酸基团，从而制备离子化壳聚糖，利用FT-IR,1H NMR等技术对制备离子化壳聚糖进行结构表征，并考察其抑菌性能。使其在保留了壳聚糖原有性能的基础上，赋予了壳聚糖新功能，从而扩大壳聚糖的应用范围。
发明内容
本发明目的在于针对壳聚糖改性，提出一种离子化壳聚糖的制备方法，具体涉及二甲基壳聚糖的制备及其磺化改性的方法。该改性方法所需设备简单，工艺简便，作用条件温和，重复性好，抑菌性强，为后续的高值化提供一些鉴解。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种离子化壳聚糖，所述离子化壳聚糖的化学结构式为：
Figure BDA0002793019230000021
其中，m＝20-3000。
一种离子化壳聚糖的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将不同分子量的壳聚糖分别置于甲酸水溶剂中，70℃搅拌直至壳聚糖完全溶解后加入甲醛溶液反应5天，得到溶液，万以上分子量的壳聚糖需进行步骤(2)，万以下分子量的壳聚糖直接进行步骤(3)；
(2)将步骤(1)中的所得物先碱化后得到白色沉淀并用蒸馏水洗涤，然后酸化得到pH为5的液体；
(3)将步骤(1)中得到的溶液或者步骤(2)中得到的液体滴加到无水乙醇溶剂中，得到白色絮状沉淀I；用乙醇洗涤三次白色沉淀I，将其完全溶解蒸馏水中得到混合液I，浓度(mg/mL)为5mg/mL；
(4)将步骤(3)所得混合液I装入MD55透析带中透析三天(每天更换蒸馏水两次)后，最后置于-80℃冰箱冷冻6h，再用冻干机冷冻干燥得二甲基壳聚糖；
(5)在步骤(4)的二甲基壳聚糖中加入反应介质和磺化试剂，60℃搅拌反应6小时，其中步骤(4)的二甲基壳聚糖与反应介质的料液比(g/mL)为1:80，与磺化试剂料液比(g/mL)为1:2；
(6)将步骤(5)中的所得物滴加到丙酮溶液中，得白色絮状沉淀物II；
(7)用甲醇洗涤三次步骤(6)中的白色絮状沉淀物II，将其完全溶解在蒸馏水中得混合液II，浓度(mg/mL)为5mg/mL；
(8)用蒸馏水透析步骤(7)的所得混合液II装入MD55透析带中透析三天(每天更换蒸馏水两次)后，最后置于-80℃冰箱冷冻6h，再用冻干机冷冻干燥得到离子化壳聚糖；
进一步地，步骤(1)中的壳聚糖分子量分别为1000、300、2万、5万。
进一步地，步骤(1)中的壳聚糖与甲酸水溶液的料液比(g/mL)为1:15。
进一步地，步骤(1)中甲酸与蒸馏水的体积比为1:4；甲醛溶液与甲酸水溶液的体积比为4:15。
进一步地，步骤(2)中所述的碱化试剂为1mol/L氢氧化钠溶液，酸化试剂为1mol/LpH为4的盐酸溶液。
进一步地，步骤(5)中所述反应介质为N-甲基吡咯烷酮与水溶液，其体积比为16:5。
进一步地，步骤(5)中所述磺化试剂为1,3-丙磺酸内酯。
进一步地，所述离子化壳聚糖水溶液在-50～-70℃的真空条件下冷冻干燥24h后，可得离子化壳聚糖。
一种离子化壳聚糖的应用，所述离子化壳聚糖用于制备保鲜膜。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明所用的原料是一种极易改性修饰的壳聚糖，其分子量为50KDa、20KDa、3KDa、1KDa，来源广泛，价格低廉，在适当条件下进行化学修饰，引入具有强正电性或抑菌活性的功能性基团，使得活性基团和壳聚糖本身基团协同增效抑菌活性。本发明创造性的选用分子量为50KDa、20KDa、3KDa、1KDa原料壳聚糖进行二甲基化及磺化。与目前常见二甲基壳聚糖相比，离子化壳聚糖中的磺酸基团带负电荷，与菌体生长所必需的金属离子螯合抑制菌体生长；与常见的磺化壳聚糖相比，离子化壳聚糖的正电荷密度增强，强化与微生物膜成分中阴离子组分之间的静电相互作用，中和甚至逆转细菌表面的电负性及引起膜蛋白变形，改变细菌细胞膜的渗透压，细胞膜变形破损，内容物泄出；故离子化壳聚糖不仅有较好的溶解性，更具有较好的抑菌性。
附图说明
图1为本发明的流程框图；
图2为离子化壳聚糖红外表征图，图中，A-磺化壳聚糖(1千)、B-二甲基壳聚糖(1千)、C-壳聚糖(1千)D-磺化壳聚糖(5万)、E-二甲基壳聚糖(5万)、F-壳聚糖(5万)；
图3为离子化壳聚糖核磁共振氢谱图。
具体实施方式
为了更好说明本发明的技术方案，下面结合实施例进一步详细阐述本发明。
如图1所示，本发明提供的一种离子化壳聚糖及其制备方法和应用，以及其抑菌性测定，包括如下步骤：
(1)以原料壳聚糖为材料，加入三倍体积(g/mL)甲酸溶液，12倍体积(g/mL)蒸馏水，至容积为1000mL的三颈瓶中，在70℃下搅拌至原料壳聚糖溶解后加入4倍体积(g/mL)甲醛溶液。反应5d后，将三颈瓶中混合液进行过滤，得滤液。若原料壳聚糖为上万及万以上分子量的壳聚糖，则先进行1mol/L氢氧化钠进行碱化，成糊状液体后，蒸馏水进行洗涤除杂后，再用1mol/L盐酸溶液酸化成pH为4的液体，得混合液I，浓度(mg/mL)为5mg/mL，再滴加到无水乙醇溶液中，析出白色絮状沉淀，离心机9000r/min,4℃，离心8min，得白色沉淀I，蒸馏水溶解得浓度(mg/mL)为5mg/mL后，装入MD55透析带中透析三天(每天更换蒸馏水两次)后，在-80℃冰箱冷冻6h后，在-50～-70℃的条件下采用冷冻干燥仪进行冷冻干燥24h后，可得粉末状的二甲基壳聚糖，温度优选为-60℃。
(2)二甲基壳聚糖，80倍体积(g/mL)反应介质，25倍体积(g/mL)蒸馏水，2倍体积(g/mL)磺化试剂，至250mL的三颈瓶中，在60℃下搅拌反应6h，得混合物II，再滴加到丙酮溶液中，析出白色絮状沉淀，离心机9000r/min,4℃，离心8min，得白色沉淀II，蒸馏水溶解得浓度(mg/mL)为5mg/mL后，装入MD55透析带中透析三天后，在-80℃冰箱冷冻6h后，在-60℃的条件下采用冷冻干燥仪进行冷冻干燥24h后，可得粉末状的离子化壳聚糖。
本发明方法制备的离子化壳聚糖可应用于制备保鲜膜。
图2是不同降解壳聚糖、其二甲基化壳聚糖和离子化壳聚糖的红外光谱图。由图2(C)可知，分子量为1KDa壳聚糖在1620cm-1和1514cm-1处的共振吸收峰分别是壳聚糖典型酰胺谱带(酰胺I带和酰胺II带)振动峰；在1142cm-1处是环反对称伸缩振动峰；在1070cm-1处是糖环上C-O键的伸缩振动吸收峰；在895cm-1处是吡喃环的振动峰；由图2(B)知，1473cm-1、847cm-1是-N(CH3)2的特征吸收峰[150]；由图2(A)可知，1401cm-1、1204cm-1、1042cm-1分别是S＝O和O＝S＝O的伸缩振动峰；由以上分析可知，壳聚糖分子中成功引入了二甲基和丙基磺酸基团。分子量为50KDa壳聚糖的红外表征图中也出现了相关官能团位置的特征峰，表明分子量为50KDa壳聚糖中也引入了二甲基和丙基磺酸基团。
为进一步验证离子化壳聚糖的骨架结构，以分子量为50KDa的离子化壳聚糖为例，对分子量为50KDa的离子化壳聚糖进行1H NMR分析。如图3所示，3.39ppm处的特征峰是-N(CH3)2中H质子的信号峰，在3.46、2.53、1.76和2.91ppm处的特征峰分别是离子化壳聚糖结构中磺丙基的3H、1H、2H和-SO3H中H质子的信号峰。
本发明的实施例具体如下，以下实施例中所用原料均为市售商品。
实施例1
以原料壳聚糖为材料，加入三倍体积(g/mL)甲酸溶液，12倍体积(g/mL)蒸馏水，至容积为1000mL的三颈瓶中，在70℃下搅拌至原料壳聚糖溶解后加入4倍体积(g/mL)甲醛溶液。反应5d后，将三颈瓶中混合液进行过滤，得滤液。若原料壳聚糖为上万及万以上分子量的壳聚糖，则先进行1mol/L氢氧化钠进行碱化，成糊状液体后，蒸馏水进行洗涤除杂后，再用1mol/L盐酸溶液酸化成pH为4的液体，得混合液I，浓度(mg/mL)为5mg/mL，再滴加到无水乙醇溶液中，析出白色絮状沉淀，离心机9000r/min,4℃，离心8min，得白色沉淀I，蒸馏水溶解得浓度(mg/mL)为5mg/mL后，装入MD55透析带中透析三天后，在-80℃冰箱冷冻6h后，在-50～-70℃的条件下采用冷冻干燥仪进行冷冻干燥24h后，可得粉末状的二甲基壳聚糖，温度优选为-60℃。
二甲基壳聚糖，80倍体积(g/mL)反应介质，25倍体积(g/mL)蒸馏水，2倍体积(g/mL)NMP，至250mL的三颈瓶中，在60℃下搅拌反应6h，得混合物II，再滴加到丙酮溶液中，析出白色絮状沉淀，离心机9000r/min,4℃，离心8min，得白色沉淀II，蒸馏水溶解得浓度(mg/mL)为5mg/mL后，装入MD55透析带中透析三天后，在-80℃冰箱冷冻6h后，在-60℃的条件下采用冷冻干燥仪进行冷冻干燥24h后，可得粉末状的离子化壳聚糖。
实施例2
以原料壳聚糖为材料20g，加入三倍体积(g/mL)甲酸溶液，12倍体积(g/mL)蒸馏水，至容积为1000mL的三颈瓶中，在70℃下搅拌至原料壳聚糖溶解后加入4倍体积(g/mL)甲醛溶液。反应5d后，将三颈瓶中混合液进行过滤，得滤液。若原料壳聚糖为上万及万以上分子量的壳聚糖，则先进行1mol/L氢氧化钠进行碱化，成糊状液体后，蒸馏水进行洗涤除杂后，再用1mol/L盐酸溶液酸化成pH为4的液体，得混合液I，浓度(mg/mL)为5mg/mL，再滴加到无水乙醇溶液中，析出白色絮状沉淀，离心机9000r/min,4℃，离心8min，得白色沉淀I，蒸馏水溶解得浓度(mg/mL)为5mg/mL后，装入MD55透析带中透析三天后，在-80℃冰箱冷冻6h后，在-50～-70℃的条件下采用冷冻干燥仪进行冷冻干燥24h后，可得粉末状的二甲基壳聚糖，温度优选为-60℃。计算二甲基壳聚糖产率。
选用实施表1中不同分子量原料壳聚糖进行二甲基化后产率，按上述实例操作，得到二甲基壳聚糖产率结果如表1所示。
表1
Figure BDA0002793019230000051
Figure BDA0002793019230000061
从表1可以得出原料壳聚糖的分子量越大，二甲基化产率越高。
实施例3
以原料壳聚糖为材料20g，加入三倍体积(g/mL)甲酸溶液，12倍体积(g/mL)蒸馏水，至容积为1000mL的三颈瓶中，在70℃下搅拌至原料壳聚糖溶解后加入4倍体积(g/mL)甲醛溶液。反应5d后，将三颈瓶中混合液进行过滤，得滤液。若原料壳聚糖为上万及万以上分子量的壳聚糖，则先进行1mol/L氢氧化钠进行碱化，成糊状液体后，蒸馏水进行洗涤除杂后，再用1mol/L盐酸溶液酸化成pH为4的液体，得混合液I，浓度(mg/mL)为5mg/mL，再滴加到无水乙醇溶液中，析出白色絮状沉淀，离心机9000r/min,4℃，离心8min，得白色沉淀I，蒸馏水溶解得浓度(mg/mL)为5mg/mL后，装入MD55透析带中透析三天后，在-80℃冰箱冷冻6h后，在-60℃的条件下采用冷冻干燥仪进行冷冻干燥24h后，可得粉末状的二甲基壳聚糖。
二甲基壳聚糖，80倍体积(g/mL)反应介质，25倍体积(g/mL)蒸馏水，2倍体积(g/mL)NMP，至250mL的三颈瓶中，在60℃下搅拌反应6h，得混合物II，再滴加到丙酮溶液中，析出白色絮状沉淀，离心机9000r/min,4℃，离心8min，得白色沉淀II，蒸馏水溶解得浓度(mg/mL)为5mg/mL后，装入MD55透析带中透析三天后，在-80℃冰箱冷冻6h后，在-60℃的条件下采用冷冻干燥仪进行冷冻干燥24h后，可得粉末状的离子化壳聚糖。
选用实施表2中不同分子量二甲基壳聚糖进行离子液体化后产率，按上述实例操作，得到离子化壳聚糖产率结果如表2所示。
表2
Molecular weight of IC(KDa) Yield(％)
1 24.5±0.22
3 30.3±0.58
20 48.6±1.06
50 57.5±0.45
从表2可以得出离子化壳聚糖产率随壳聚糖分子量的增加而增加，且小分子壳聚糖离子化产物颜色较深。可能的原因是壳聚糖在改性过程中，会伴随着分子量的降解，当壳聚糖分子量降到一定程度时，壳聚糖易产生由羰氨反应为主的褐变现象，小分子量壳聚糖溶解性的增加可能是其产率较低的原因之一。
实施例4
以原料壳聚糖为材料20g，加入三倍体积(g/mL)甲酸溶液，12倍体积(g/mL)蒸馏水，至容积为1000mL的三颈瓶中，在70℃下搅拌至原料壳聚糖溶解后加入4倍体积(g/mL)甲醛溶液。反应5d后，将三颈瓶中混合液进行过滤，得滤液。若原料壳聚糖为上万及万以上分子量的壳聚糖，则先进行1mol/L氢氧化钠进行碱化，成糊状液体后，蒸馏水进行洗涤除杂后，再用1mol/L盐酸溶液酸化成pH为4的液体，得混合液I，浓度(mg/mL)为5mg/mL，再滴加到无水乙醇溶液中，析出白色絮状沉淀，离心机9000r/min,4℃，离心8min，得白色沉淀I，蒸馏水溶解得浓度(mg/mL)为5mg/mL后，装入MD55透析带中透析三天后，在-80℃冰箱冷冻6h后，在-60℃的条件下采用冷冻干燥仪进行冷冻干燥24h后，可得粉末状的二甲基壳聚糖。
二甲基壳聚糖，80倍体积(g/mL)反应介质，25倍体积(g/mL)蒸馏水，2倍体积(g/mL)NMP，至250mL的三颈瓶中，在60℃下搅拌反应6h，得混合物II，再滴加到丙酮溶液中，析出白色絮状沉淀，离心机9000r/min,4℃，离心8min，得白色沉淀II，蒸馏水溶解得浓度(mg/mL)为5mg/mL后，装入MD55透析带中透析三天后，在-80℃冰箱冷冻6h后，在-60℃的条件下采用冷冻干燥仪进行冷冻干燥24h后，可得粉末状的离子化壳聚糖。将0.32g离子化壳聚糖溶解于10mL不同pH的水溶液中。
选用实施表3中不同分子量离子化壳聚糖溶解度，按上述实例操作，得到离子化壳聚糖溶解度结果如表3所示。
表3
Figure BDA0002793019230000071
原料壳聚糖仅在酸性条件(pH<6.3)下溶于水，在中性和碱性条件下不溶水，因为在酸性条件下，壳聚糖结构上的氨基会发生质子化成氨盐，从而能溶于酸性溶液中。从表3可知，离子化壳聚糖具有较好的水溶性，且随着分子量的降低，其水溶性越好。结合结合表征分析可以推测其水溶性的改善是因为壳聚糖结构上二甲基及丙基磺酸基团的引入，即铵盐的形成，相关作用削弱了壳聚糖分子间的氢键，影响了分子规整的排布，从而降低了壳聚糖的刚性，进而在较宽的pH范围内，表现出较好水溶性。
实施例5
以原料壳聚糖为材料20g，加入三倍体积(g/mL)甲酸溶液，12倍体积(g/mL)蒸馏水，至容积为1000mL的三颈瓶中，在70℃下搅拌至原料壳聚糖溶解后加入4倍体积(g/mL)甲醛溶液。反应5d后，将三颈瓶中混合液进行过滤，得滤液。若原料壳聚糖为上万及万以上分子量的壳聚糖，则先进行1mol/L氢氧化钠进行碱化，成糊状液体后，蒸馏水进行洗涤除杂后，再用1mol/L盐酸溶液酸化成pH为4的液体，得混合液I，浓度(mg/mL)为5mg/mL，再滴加到无水乙醇溶液中，析出白色絮状沉淀，离心机9000r/min,4℃，离心8min，得白色沉淀I，蒸馏水溶解得浓度(mg/mL)为5mg/mL后，装入MD55透析带中透析三天后，在-80℃冰箱冷冻6h后，在-60℃的条件下采用冷冻干燥仪进行冷冻干燥24h后，可得粉末状的二甲基壳聚糖。
二甲基壳聚糖，80倍体积(g/mL)反应介质，25倍体积(g/mL)蒸馏水，2倍体积(g/mL)NMP，至250mL的三颈瓶中，在60℃下搅拌反应6h，得混合物II，再滴加到丙酮溶液中，析出白色絮状沉淀，离心机9000r/min,4℃，离心8min，得白色沉淀II，蒸馏水溶解得浓度(mg/mL)为5mg/mL后，装入MD55透析带中透析三天后，在-80℃冰箱冷冻6h后，在-60℃的条件下采用冷冻干燥仪进行冷冻干燥24h后，可得粉末状的离子化壳聚糖。
将四种菌株二次活化到OD600nm为0.5，用LB肉汤将菌液1:1000稀释，使得悬浮液浓度为105CFU/mL，将菌液按1:100接种到用LB肉汤二倍稀释到不同分子量的磺化壳聚糖溶液中，30℃摇床中培养24h。培养24h后，用肉眼观察每支管的浑浊程度，澄清试管中离子化壳聚糖的最低浓度为离子化壳聚糖对被试菌的MIC值。在澄清试管中，取200uL溶液涂布到LB固体培养基中，30℃培养箱中培养24h，观察菌落生长情况。取平板上没有长菌所对应的最小离子化壳聚糖浓度作为离子化壳聚糖对被试菌的MBC值。pH为5的LB肉汤为对照组。
本研究以荧光假单胞菌、希瓦氏菌、大肠杆菌和金黄色葡萄球菌为试验菌株，对分子量分别为1KDa、3KDa、20KDa和50KDa的离子化壳聚糖进行最小抑菌试验和最小杀菌试验。由表4可知，分子量大小不同的离子化壳聚糖其抑菌性不同。对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌抑菌效果最好的是分子量为1KDa的离子化壳聚糖，且小分子离子化壳聚糖对金黄色葡萄球菌阳性菌的抑菌效果比阴性菌的抑菌效果好；对希瓦氏菌和假单胞菌抑菌效果最好的是分子量为50KDa的离子化壳聚糖。总的来说大分子离子化壳聚糖对荧光假单胞菌、希瓦氏菌和金黄色葡萄球菌的抑菌效果比对大肠杆菌的抑菌效果好。
分子量为50KDa的离子化壳聚糖的抑菌性远比50KDa的壳聚糖的抑菌性好。有一部分的原因可能是由于两者在相同pH溶液中的溶解性不同，分子量为50KDa的壳聚糖的溶解性差，导致其抑菌性效果不明显。故分子量50KDa的离子化壳聚糖的抑菌性和水溶性对于5万壳聚糖而言明显增加，可能是因为壳聚糖结构上二甲基的引入可以增加其氨基上正电荷密度，更好的吸附在微生物表面，阻断营养物质的运输；而壳聚糖结构上丙基磺酸基的进一步引入，不仅可以增加其溶解性又可增强其抑菌性，丙基磺酸基是带负电荷的，可以与菌体生长所必须的金属离子螯合，从而抑制菌体的生长。
壳聚糖及其改性壳聚糖对微生物的抑菌机理仍不明确，但公认的抑菌机理是大分子壳聚糖在酸性环境中，氨基容易发生质子化而显正电性，通过静电作用可以吸附在微生物的表面，与带负电的粒子结合，破坏细胞壁的生理功能，导致内容物泄露，从而影响细菌的新陈代谢，进而导致细菌死亡；小分子壳聚糖会进入细胞体内部，与DNA相互作用，紊乱mRNA转运和复制过程以及蛋白质合成从而抑制细菌的生长繁殖。此外，壳聚糖作为一种螯合剂，可以螯合对微生物生长起关键作用的金属离子，从而起到抑菌作用。离子化壳聚糖抑菌保鲜性能的改变从结构上看倾向于铵盐的形成及与金属离子螯合的共同作用，详细的信息还有待于进一步深入研究。
表4
Figure BDA0002793019230000091
Figure BDA0002793019230000092
Figure BDA0002793019230000093
Figure BDA0002793019230000094
Figure BDA0002793019230000101
Figure BDA0002793019230000102
在重复实验四次后，壳聚糖改性产率浮动均在5％以内。
以上所述仅为本发明专利的具体实施案例，但本发明专利的技术特征并不局限于此，任何相关领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (10)

1.一种离子化壳聚糖，其特征在于，所述离子化壳聚糖的化学结构式为：
Figure FDA0002793019220000011
其中，m＝20-3000。
2.一种离子化壳聚糖的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将不同分子量的壳聚糖分别置于甲酸水溶剂中，70℃搅拌直至壳聚糖完全溶解后加入甲醛溶液反应5天，得到溶液，万以上分子量的壳聚糖需进行步骤(2)，万以下分子量的壳聚糖直接进行步骤(3)；
(2)将步骤(1)中的所得物先碱化后得到白色沉淀并用蒸馏水洗涤，然后酸化得到pH为5的液体；
(3)将步骤(1)中得到的溶液或者步骤(2)中得到的液体滴加到无水乙醇溶剂中，得到白色絮状沉淀I；用乙醇洗涤三次白色沉淀I，将其完全溶解蒸馏水中得到混合液I，浓度(mg/mL)为5mg/mL；
(4)将步骤(3)所得混合液I装入MD55透析带中透析三天(每天更换蒸馏水两次)后，最后置于-80℃冰箱冷冻6h，再用冻干机冷冻干燥得二甲基壳聚糖；
(5)在步骤(4)的二甲基壳聚糖中加入反应介质和磺化试剂，60℃搅拌反应6小时，其中步骤(4)的二甲基壳聚糖与反应介质的料液比(g/mL)为1:80，与磺化试剂料液比(g/mL)为1:2；
(6)将步骤(5)中的所得物滴加到丙酮溶液中，得白色絮状沉淀物II；
(7)用甲醇洗涤三次步骤(6)中的白色絮状沉淀物II，将其完全溶解在蒸馏水中得混合液II，浓度(mg/mL)为5mg/mL；
(8)用蒸馏水透析步骤(7)的所得混合液II装入MD55透析带中透析三天(每天更换蒸馏水两次)后，最后置于-80℃冰箱冷冻6h，再用冻干机冷冻干燥得到离子化壳聚糖。
3.根据权利要求2所述的离子化壳聚糖的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的壳聚糖分子量分别为1000、300、2万、5万。
4.根据权利要求2所述的离子化壳聚糖的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的壳聚糖与甲酸水溶液的料液比(g/mL)为1:15。
5.根据权利要求2所述的离子化壳聚糖的制备方法，其特征在于，步骤(1)中甲酸与蒸馏水的体积比为1:4；甲醛溶液与甲酸水溶液的体积比为4:15。
6.根据权利要求2所述的离子化壳聚糖的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的碱化试剂为1mol/L氢氧化钠溶液，酸化试剂为1mol/L pH为4的盐酸溶液。
7.根据权利要求2所述的离子化壳聚糖的制备方法，其特征在于，步骤(5)中所述反应介质为N-甲基吡咯烷酮与水溶液，其体积比为16:5。
8.根据权利要求2所述的离子化壳聚糖的制备方法，其特征在于，步骤(5)中所述磺化试剂为1,3-丙磺酸内酯。
9.根据权利要求2所述的离子化壳聚糖的制备方法，其特征在于，所述离子化壳聚糖水溶液在-50～-70℃的真空条件下冷冻干燥24h后，可得离子化壳聚糖。
10.一种权利要求1所述的离子化壳聚糖的应用，其特征在于，所述离子化壳聚糖用于制备保鲜膜。
CN202011321385.3A 2020-11-23 2020-11-23 一种离子化壳聚糖及其制备方法和应用 Active CN112480288B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011321385.3A CN112480288B (zh) 2020-11-23 2020-11-23 一种离子化壳聚糖及其制备方法和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011321385.3A CN112480288B (zh) 2020-11-23 2020-11-23 一种离子化壳聚糖及其制备方法和应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112480288A true CN112480288A (zh) 2021-03-12
CN112480288B CN112480288B (zh) 2022-11-08

Family

ID=74933668

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011321385.3A Active CN112480288B (zh) 2020-11-23 2020-11-23 一种离子化壳聚糖及其制备方法和应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112480288B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114685695A (zh) * 2022-05-09 2022-07-01 河北科技师范学院 一种改性壳聚糖及其制备方法
CN116041567A (zh) * 2022-12-22 2023-05-02 浙江工商大学 一种金属离子液体化壳聚糖及其制备方法和应用
CN116396414A (zh) * 2023-04-10 2023-07-07 华侨大学 一种壳聚糖基农药增溶剂的制备方法及其增溶方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101157735A (zh) * 2007-11-27 2008-04-09 江南大学 一种n,n,n-三甲基壳聚糖硫酸甲酯铵的合成方法
CN103012619A (zh) * 2013-01-11 2013-04-03 河北工业大学 一种水溶性磺化-季铵化壳聚糖及其制备方法
CN105367687A (zh) * 2015-12-09 2016-03-02 上海大学 壳聚糖两性高分子表面活性剂及其合成方法
CN105727761A (zh) * 2016-03-10 2016-07-06 上海工程技术大学 一种抗蛋白质污染两性离子超滤膜及其制备方法
CN106167532A (zh) * 2016-09-27 2016-11-30 江南大学 一种壳聚糖季铵盐的制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101157735A (zh) * 2007-11-27 2008-04-09 江南大学 一种n,n,n-三甲基壳聚糖硫酸甲酯铵的合成方法
CN103012619A (zh) * 2013-01-11 2013-04-03 河北工业大学 一种水溶性磺化-季铵化壳聚糖及其制备方法
CN105367687A (zh) * 2015-12-09 2016-03-02 上海大学 壳聚糖两性高分子表面活性剂及其合成方法
CN105727761A (zh) * 2016-03-10 2016-07-06 上海工程技术大学 一种抗蛋白质污染两性离子超滤膜及其制备方法
CN106167532A (zh) * 2016-09-27 2016-11-30 江南大学 一种壳聚糖季铵盐的制备方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ZHIMIN SUN等: ""Synthesis, characterization, and antimicrobial activities of sulfonated chitosan"", 《CARBOHYDRATE POLYMERS》 *
刘杭等: ""壳聚糖改性的高分子表面活性剂的合成与性能"", 《化学研究》 *
段久芳: "《天然高分子材料》", 30 September 2016, 华中科技大学出版社 *
辛梅华等: ""N,N-双烷基-3,6-O-磺丙基壳聚糖的合成及其自组装行为"", 《功能材料》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114685695A (zh) * 2022-05-09 2022-07-01 河北科技师范学院 一种改性壳聚糖及其制备方法
CN116041567A (zh) * 2022-12-22 2023-05-02 浙江工商大学 一种金属离子液体化壳聚糖及其制备方法和应用
CN116396414A (zh) * 2023-04-10 2023-07-07 华侨大学 一种壳聚糖基农药增溶剂的制备方法及其增溶方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN112480288B (zh) 2022-11-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112480288B (zh) 一种离子化壳聚糖及其制备方法和应用
Sun et al. Synthesis, characterization, and antimicrobial activities of sulfonated chitosan
Sajomsang et al. Antibacterial activity of quaternary ammonium chitosan containing mono or disaccharide moieties: Preparation and characterization
Xie et al. Synthesis and characterization of water-soluble chitosan derivate and its antibacterial activity
Xiao et al. Preparation and characterization of antimicrobial chitosan-N-arginine with different degrees of substitution
Cai et al. Preparation, characterization and antibacterial activity of O-acetyl-chitosan-N-2-hydroxypropyl trimethyl ammonium chloride
CN104672348B (zh) 具有良好水溶性和抗菌活性的壳聚糖季铵盐衍生物及其制备方法
CN102321195B (zh) 一种壳聚糖氨乙基季铵盐衍生物及其制备方法
Mohamed et al. Novel terephthaloyl thiourea cross-linked chitosan hydrogels as antibacterial and antifungal agents
CN110256607B (zh) 一种阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖及制备方法和应用
Teng From chitin to chitosan
Kamala et al. Extraction and characterization of water soluble chitosan from parapeneopsis stylifera shrimp shell waste and its antibacterial activity
WO2022165940A1 (zh) 一种壳聚糖衍生物及其制备方法和应用
CN102153674B (zh) 对氨基苯甲酸壳聚糖酯及其制备方法
CN107043432A (zh) 一种两性羧甲基壳聚糖胍盐衍生物及其制备方法
CN107344971A (zh) 一种聚-ε-赖氨酸改性壳聚糖及其制备方法
CN106995502A (zh) 双功能基团改性壳聚糖衍生物及其制备方法
Jou Antibacterial activity and cytocompatibility of chitosan-N-hydroxy-2, 3-propyl-N methyl-N, N-diallylammonium methyl sulfate
CN113278093A (zh) 一种壳聚糖季铵盐季鏻盐衍生物及其制备方法与应用
CN102726395A (zh) 戊二醛交联壳聚糖在抑制洋葱伯克氏菌群生长中的应用
CN102153675A (zh) N-对苯羟基甲基壳聚糖季铵盐及其制备方法
CN103467623A (zh) 一种含有季铵氮原子和胍基的壳聚糖衍生物及其制备方法和应用
CN102718888A (zh) 一种壳聚糖二硫代氨基甲酸盐衍生物及其制备方法
Sun et al. Synthesis, characterization, and antioxidant activity of carboxymethyl chitosan derivatives containing sulfonium salt
Cai et al. Preparation and characterization of ortho-biguanidinyl benzoyl chitosan hydrochloride and its antibacterial activities

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant