CN113024686A - 一种壳聚糖的制备方法 - Google Patents

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姜秋实
赵春莉
杨桂霞
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Abstract

本发明提供的一种壳聚糖的制备方法，首先以甲壳动物外壳制备得到几丁质，再采用氢氧化钠溶液水热法对几丁质进行脱乙酰反应制备得到壳聚糖，所述的壳聚糖为纤维和孔复合的纳米分层多孔网状结构。由于表面形貌是决定壳聚糖及其衍生物能否有效利用的重要性质之一，相较于传统商用壳聚糖的粗糙块状结构，具有医用敷料、污染物吸附、食品保鲜等领域的潜在应用，并且原料取自农牧养殖业或餐厨废料，廉价易得。

Description

一种壳聚糖的制备方法
技术领域
本发明属于壳聚糖制备领域，涉及一种壳聚糖的制备方法，具体涉及以甲壳动物为原料水热法制备壳聚糖，尤其是水热脱乙酰的方法。
技术背景
在虾蟹等海洋节肢动物的甲壳、昆虫的甲壳、菌类和藻类细胞膜、软体动物的壳和骨骼及高等植物的细胞壁中存在大量甲壳素，又称几丁质。壳聚糖是甲壳素N-脱乙酰基的产物，是迄今为止发现的唯一的天然碱性多糖，壳聚糖在酸性溶液中质子化会形成-NH3 +，携带了正电荷的壳聚糖可以对带有负电荷的微生物起到抑制的效果，此外，其生物官能性和相容性、血液相容性、安全性等优良性能被广泛关注。壳聚糖特有的氨基团还可以与某些重金属离子发生耦合，还能够吸附须有有机和无机污染物用于废水处理。此外，壳聚糖还被应用于创伤修复、医药保健、组织工程等领域。
研究表明，壳聚糖的性质对于其功能材料领域的应用影响很大。而脱乙酰程度决定了大分子链上氨基的含量，随着脱乙酰度的增加，在实际稀酸溶液溶解过程中由于氨基质子化使带电基团增多，聚电解质电荷密度增加，其结果必将导致其结构及性能的变化。且由于各地资源分布不同，几丁质来源不稳定，难以满足纳米材料领域对于几丁质脱乙酰产物壳聚糖形貌的要求。
已有大量的研究致力于由甲壳动物获得几丁质过程中的脱色及脱蛋白步骤改进。而对于由广泛存在于甲壳动物外骨骼结构的几丁质向壳聚糖转变的脱乙酰步骤，传统的浓碱水浴或油浴处理方法存在处理方法复杂、产物易损失、溶液难以回收等限制因素，且制备效率仍有提升的空间。此外浓碱及加热的反应条件限制了反应仪器，增加了人工操作风险，影响经济效益。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种壳聚糖的制备方法，扩展了壳聚糖在多领域的应用，是因为制得的壳聚糖产品脱乙酰度高，并具有由纤维和孔复合的纳米分层多孔网状结构。
本发明提供的壳聚糖的制备方法：
首先以甲壳动物外壳制备得到几丁质，再采用氢氧化钠溶液水热法对几丁质进行脱乙酰反应制备得到壳聚糖，所述的壳聚糖为纤维和孔复合的纳米分层多孔网状结构。
作为本发明更优的技术方案，所述的甲壳动物外壳为虾蟹壳、蝇蛆壳及双叉犀金龟外骨骼。
作为本发明更优的技术方案，所述的甲壳动物外壳通过脱脂、脱蛋白、去无机盐得到几丁质；将得到几丁质再进行脱色处理。
作为本发明更优的技术方案，所述的脱脂步骤使用正己烷进行索氏提取脱脂，再用蒸馏水洗涤至中性后烘干备用。
作为本发明更优的技术方案，所述的脱蛋白步骤使用4重量％-16重量％氢氧化钠水溶液，再用蒸馏水洗涤至中性后烘干备用。
作为本发明更优的技术方案，所述的去无机盐步骤使用2重量％-5重量％ HCl，再用蒸馏水洗涤至中性。
作为本发明更优的技术方案，所述的几丁质使用过氧化氢进行脱色处理，并且过氧化氢含量为10重量％-30重量％。
作为本发明更优的技术方案，所述的氢氧化钠溶液水热法步骤为：取脱色后的几丁质与氢氧化钠溶液混合均匀置于聚四氟乙烯反应釜中，得到的产物用蒸馏水洗涤至中性，再干燥至恒重即得到壳聚糖。
作为本发明更优的技术方案，所述的氢氧化钠溶液水热法中的氢氧化钠使用量为40重量％-50重量％，再用蒸馏水洗涤至中性，105℃条件下干燥至恒重。
作为本发明更优的技术方案，所述的氢氧化钠溶液水热法进行4小时至8 小时。
有益效果如下：
由于表面形貌是决定壳聚糖及其衍生物能否有效利用的重要性质之一，本发明通过水热法以甲壳动物为原料制备得到由纤维和孔复合的纳米分层多孔网状结构的壳聚糖，相较于传统商用壳聚糖的粗糙块状结构，具有医用敷料、污染物吸附、食品保鲜等领域的潜在应用，并且原料取自农牧养殖业或餐厨废料，廉价易得。本发明提供的方法在聚四氟乙烯反应釜的高温高压环境下使预处理制备的几丁质易于与氢氧化钠溶液充分接触，减少了脱乙酰步骤所用的时间，并减少了反应过程中溶液易于挥发造成的损失，对氢氧化钠废液进行回收循环利用，降低反应成本的同时减少了环境污染。
附图说明
图1为实施例5以虾蟹壳为原材料水热法制备得到的壳聚糖微观形貌图；
图2为实施例6以蝇蛆壳为原材料水热法制备得到的壳聚糖微观形貌图；
图3为实施例4以双叉犀金龟外骨骼为原材料水热法制备得到的壳聚糖微观形貌图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的技术方案进一步详细说明。在本发明的方法中，所述的干燥步骤可以以本领域常规的方式进行。
以下结合实例进一步说明本发明。应当懂得，这些实施例仅用于说明的目的，它们并不以任何方式对本发明构成限制。
脱乙酰度的测定：
在以下实施例中，壳聚糖产品的脱乙酰度测定通过以下方法测量：
参照中华人民共和国医药行业标准YY/T 0606.7-2008的7.3.2所述双突跃电位滴定法测定壳聚糖产品的脱乙酰度，其步骤如下：
准确称取在105℃下干燥至恒重的样品0.2g-0.5g，加入过量地0.1mol/L 盐酸(HCl)，搅拌至完全溶解。然后在电位滴定装置上用氢氧化钠(NaOH)标准溶液滴定，氢氧化钠(NaOH)溶液首先中和过量盐酸(HCl)，pH出现急剧上升，即第一个突变，然后氢氧化钠(NaOH)标准溶液再中和与壳聚糖-NH2结合的盐酸(HCl)，达到滴定等当点时，pH出现第2个突变，两个突跃点消耗的氢氧化钠(NaOH)摩尔数相当于样品中的-NH2摩尔数，按式S1计算：
Figure BDA0002928963290000041
式中：
D——样品的脱乙酰度，％；
ΔV——两突跃点之间消耗的氢氧化钠(NaOH)标准溶液体积之差，单位为毫升(mL)；
cNaOH——NaOH标准溶液浓度，单位为摩尔每升(mol/L)；
m——样品质量(去除水分)，单位为克(g)；
16——氨基的相对分子质量；
0.0994——理论氨基含量。
本发明提供的壳聚糖的制备方法：首先以甲壳动物外壳制备得到几丁质，再采用氢氧化钠溶液水热法对几丁质进行脱乙酰反应制备得到壳聚糖，所述的壳聚糖为由纤维和孔复合的纳米分层多孔网状结构。
在一些实施例中，所述的甲壳动物外壳为虾蟹壳、蝇蛆壳及双叉犀金龟外骨骼。
在一些实施例中，所述的甲壳动物外壳通过脱脂、脱蛋白、去无机盐得到几丁质；将得到几丁质再进行脱色处理。
在一些实施例中，所述的脱脂步骤使用正己烷进行索氏提取脱脂，再用蒸馏水洗涤至中性后烘干备用。
在一些实施例中，所述的脱蛋白步骤使用4重量％-16重量％氢氧化钠水溶液，再用蒸馏水洗涤至中性后烘干备用。
在一些实施例中，所述的去无机盐步骤使用2重量％-5重量％HCl，再用蒸馏水洗涤至中性。
在一些实施例中，所述的几丁质使用过氧化氢进行脱色处理，并且过氧化氢含量为10重量％-30重量％。
在一些实施例中，所述的氢氧化钠溶液水热法步骤为：取脱色后的几丁质与氢氧化钠溶液混合均匀置于聚四氟乙烯反应釜中，得到的产物用蒸馏水洗涤至中性，再干燥至恒重即得到壳聚糖。
在一些实施例中，所述的氢氧化钠溶液水热法中的氢氧化钠使用量为40 重量％-50重量％，再用蒸馏水洗涤至中性，105℃条件下干燥至恒重。
在一些实施例中，所述的氢氧化钠溶液水热法进行4小时至8小时。
实施例1：
一种以虾壳为原料水热法制备壳聚糖的方法，包括以下步骤：
S1按重量份数取虾壳20g，加入100mL正己烷进行2小时的索氏提取脱脂步骤，烘干备用；取脱脂步骤后的产物17g，加入300mL的4重量％氢氧化钠水溶液在80℃下进行6小时的去蛋白步骤，用蒸馏水洗涤至中性，烘干备用；取去蛋白步骤后的产物10g，于40℃下加入300mL 1.5重量％HCl进行 2小时去无机盐步骤，用蒸馏水洗涤至中性，制备得的几丁质烘干备用；
S2取去蛋白步骤后的产物5g，使用150mL的10重量％过氧化氢在40℃下进行1小时的脱色步骤，制备得的产物烘干备用；
S3取脱色步骤产物1g，与30mL 40重量％的氢氧化钠溶液混合均匀置于聚四氟乙烯反应釜中，于100℃下反应4小时，产物用蒸馏水洗涤至中性，105℃干燥至恒重即得到虾壳聚糖，脱乙酰度为89.3％。
实施例2：
一种以蟹壳为原料水热法制备壳聚糖的方法，包括以下步骤：
S1按重量份数取蟹壳20g，加入100mL正己烷进行2小时的索氏提取脱脂步骤，烘干备用；取脱脂步骤后的产物17g，加入300mL的4重量％氢氧化钠水溶液在100℃下进行4小时的去蛋白步骤，用蒸馏水洗涤至中性，烘干备用；取去蛋白步骤后的产物10g，于60℃下加入300mL 2重量％HCl进行2.5小时去无机盐步骤，用蒸馏水洗涤至中性，制备得的几丁质烘干备用；
S2取去蛋白步骤后的产物5g，使用150mL的25重量％过氧化氢在70℃下进行2小时的脱色步骤，制备得的产物烘干备用；
S3取脱色步骤产物1g，与30mL 45重量％的氢氧化钠溶液混合均匀置于聚四氟乙烯反应釜中，于120℃下反应6小时，产物用蒸馏水洗涤至中性，105℃干燥至恒重即得到蟹壳聚糖，脱乙酰度为92.6％。
实施例3：
一种以蝇蛆壳为原料水热法制备壳聚糖的方法，包括以下步骤：
S1按重量份数取蝇蛆壳20g，加入100mL正己烷进行2.5小时的索氏提取脱脂步骤，烘干备用；取脱脂步骤后的产物17g，加入300mL的8重量％氢氧化钠水溶液在95℃下进行5小时的去蛋白步骤，用蒸馏水洗涤至中性，烘干备用；取去蛋白步骤后的产物10g，于65℃下加入300mL 4重量％HCl 进行3小时去无机盐步骤，用蒸馏水洗涤至中性，制备得的几丁质烘干备用；
S2取去蛋白步骤后的产物5g，使用150mL的30重量％过氧化氢在50℃下进行4小时的脱色步骤，制备得的产物烘干备用；
S3取脱色步骤产物1g，与30mL 50重量％的氢氧化钠溶液混合均匀置于聚四氟乙烯反应釜中，于150℃下反应8小时，产物用蒸馏水洗涤至中性，105℃干燥至恒重即得到蝇蛆壳聚糖，脱乙酰度为87.5％。
实施例4：
一种以双叉犀金龟外骨骼为原料水热法制备壳聚糖的方法，包括以下步骤：
S1按重量份数取双叉犀金龟外骨骼20g，加入100mL正己烷进行3小时的索氏提取脱脂步骤，烘干备用；取脱脂步骤后的产物17g，加入300mL的 16重量％氢氧化钠水溶液在100℃下进行6小时的去蛋白步骤，用蒸馏水洗涤至中性，烘干备用；取去蛋白步骤后的产物10g，于70℃下加入300mL 5重量％HCl进行1小时去无机盐步骤，用蒸馏水洗涤至中性，制备得的几丁质烘干备用；
S2取去蛋白步骤后的产物5g，使用150mL的30重量％过氧化氢在70℃下进行5小时的脱色步骤，制备得的产物烘干备用；
S3取脱色步骤产物1g，与30mL 50重量％的氢氧化钠溶液混合均匀置于聚四氟乙烯反应釜中，于150℃下反应4.5小时，产物用蒸馏水洗涤至中性， 105℃干燥至恒重即得到双叉犀金龟壳聚糖，脱乙酰度为94.4％；微观形貌如图3所示。
实施例5：
一种以虾壳为原料水热法制备壳聚糖的方法，包括以下步骤：
S1按重量份数取虾壳20g，加入100mL正己烷进行3小时的索氏提取脱脂步骤，烘干备用；取脱脂步骤后的产物17g，加入300mL的16重量％氢氧化钠水溶液在100℃下进行6小时的去蛋白步骤，用蒸馏水洗涤至中性，烘干备用；取去蛋白步骤后的产物10g，于70℃下加入300mL 5重量％HCl进行 1小时去无机盐步骤，用蒸馏水洗涤至中性，制备得的几丁质烘干备用；
S2取去蛋白步骤后的产物5g，使用150mL的30重量％过氧化氢在70℃下进行5小时的脱色步骤，制备得的产物烘干备用；
S3取脱色步骤产物1g，与30mL 50重量％的氢氧化钠溶液混合均匀置于聚四氟乙烯反应釜中，于150℃下反应4.5小时，产物用蒸馏水洗涤至中性， 105℃干燥至恒重即得到虾蟹壳壳聚糖，微观形貌如图1所示。
实施例6：
一种以蝇蛆壳为原料水热法制备壳聚糖的方法，包括以下步骤：
S1按重量份数取蝇蛆壳20g，加入100mL正己烷进行3小时的索氏提取脱脂步骤，烘干备用；取脱脂步骤后的产物17g，加入300mL的16重量％氢氧化钠水溶液在100℃下进行6小时的去蛋白步骤，用蒸馏水洗涤至中性，烘干备用；取去蛋白步骤后的产物10g，于70℃下加入300mL 5重量％HCl进行1小时去无机盐步骤，用蒸馏水洗涤至中性，制备得的几丁质烘干备用；
S2取去蛋白步骤后的产物5g，使用150mL的30重量％过氧化氢在70℃下进行5小时的脱色步骤，制备得的产物烘干备用；
S3取脱色步骤产物1g，与30mL 50重量％的氢氧化钠溶液混合均匀置于聚四氟乙烯反应釜中，于150℃下反应4.5小时，产物用蒸馏水洗涤至中性， 105℃干燥至恒重即得到蝇蛆壳壳聚糖，微观形貌如图2所示。
本发明的实施例中将壳聚糖产品的脱乙酰度提高至94.4％，这一指标显著高于食品级及药用敷料级壳聚糖的要求，大大扩展了壳聚糖在多领域的广泛应用。参照中华人民共和国食品安全国家标准GB 29941—2013，食品添加剂壳聚糖脱乙酰度应≥85％；参照中华人名共和国药典2015版四部，药用辅料壳聚糖脱乙酰度应≥70％。在实际壳聚糖制备方法过程中，脱乙酰度不同的原因不限于原材料的来源和水热步骤中氢氧化钠溶液的浓度、温度和时间。
如图1至3所示，分别实施例5以虾壳、实施例6以蝇蛆壳、实施例7以双叉犀金龟外骨骼为原料制备得的壳聚糖的微观形貌。所制备的虾蟹壳壳聚糖为具有由直径为1.5-5.5μm的纤维及直径为约2μm的孔复合形貌的多孔网状结构；所制备的蝇蛆壳壳聚糖为具有由直径为1.5-5.5μm的纤维及直径为约2μm 的孔洞复合形貌的网状分层结构；所制备的双叉犀金龟壳聚糖为具有由直径为 3μm的纤维及直径为3-4μm的孔洞复合、取向均匀的网状片层结构。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多种实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种壳聚糖的制备方法，其特征在于：首先以甲壳动物外壳制备得到几丁质，再采用氢氧化钠溶液水热法对几丁质进行脱乙酰反应制备得到壳聚糖，所述的壳聚糖为纤维和孔复合的纳米分层多孔网状结构。
2.如权利要求1所述的一种壳聚糖的制备方法，其特征在于：所述的甲壳动物外壳为虾蟹壳、蝇蛆壳及双叉犀金龟外骨骼。
3.如权利要求1所述的一种壳聚糖的制备方法，其特征在于：所述的甲壳动物外壳通过脱脂、脱蛋白、去无机盐得到几丁质；将得到几丁质再进行脱色处理。
4.如权利要求1所述的一种壳聚糖的制备方法，其特征在于：所述的脱脂步骤使用正己烷进行索氏提取脱脂，再用蒸馏水洗涤至中性后烘干备用。
5.如权利要求1所述的一种壳聚糖的制备方法，其特征在于：所述的脱蛋白步骤使用4重量％-16重量％氢氧化钠水溶液，再用蒸馏水洗涤至中性后烘干备用。
6.如权利要求1所述的一种壳聚糖的制备方法，其特征在于：所述的去无机盐步骤使用2重量％-5重量％HCl，再用蒸馏水洗涤至中性。
7.如权利要求1所述的一种壳聚糖的制备方法，其特征在于：所述的几丁质使用过氧化氢进行脱色处理，并且过氧化氢含量为10重量％-30重量％。
8.如权利要求1所述的一种壳聚糖的制备方法，其特征在于：所述的氢氧化钠溶液水热法步骤为：取脱色后的几丁质与氢氧化钠溶液混合均匀置于聚四氟乙烯反应釜中，得到的产物用蒸馏水洗涤至中性，再干燥至恒重即得到壳聚糖。
9.如权利要求1所述的一种壳聚糖的制备方法，其特征在于：所述的氢氧化钠溶液水热法中的氢氧化钠使用量为40重量％-50重量％，再用蒸馏水洗涤至中性，105℃条件下干燥至恒重。
10.如权利要求1所述的一种壳聚糖的制备方法，其特征在于：所述的氢氧化钠溶液水热法进行4小时至8小时。
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