CN113045688B - 一种羧甲基壳聚糖固相反应制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种羧甲基壳聚糖固相反应制备方法。其具体过程为：将壳聚糖、醇钠和一氯乙酸混均，在加热、低压和超声波处理条件下进行反应，待反应结束后，经分离即可得到羧甲基壳聚糖。本发明所述制备方法属于固相反应，相较于液相制备方法，克服了有机溶剂的大量使用，以及因为有机溶剂的大量使用而导致的成本高和污染大的问题；同时，本发明制备方法属于一步法，不仅制备过程简单，而且便于通过控制反应物料用量比例，控制羧甲基壳聚糖的羧化度，以及杂质的种类，便于后续反应混合物的分离和纯化，同时保证羧甲基壳聚糖的高得率和高纯度。

Description

一种羧甲基壳聚糖固相反应制备方法
技术领域
本发明涉及壳聚糖改性制备领域，更具体地，涉及一种羧甲基壳聚糖固相反应制备方法。
背景技术
羧甲基壳聚糖(CMCS)在医疗卫生、食品和化妆品领域具有极其特殊和广泛的应用价值，但目前受制备技术工艺上的限制，产品制备成本居高不下，限制了其在部分领域的应用。目前的制备工业，普遍利用壳聚糖与氯乙酸在液相中反应制备而得，反应需要用到大量异丙醇作为溶剂，并需要添加高浓度氢氧化钠溶液使壳聚糖溶胀形成碱性中心。该制备路线和方法，一方面需要消耗大量的异丙醇，既增加了生产成本也给环境带来污染；另一方面在异丙醇水溶液的液相中用氢氧化钠对壳聚糖进行的碱化反应处理，由于此碱化是一个脱水的可逆反应过程，体系中的水分会抑制正向反应的进行，使最终获得的羧甲基壳聚糖产率很低。如何提高制备过程的产率，降低生产成本，获得高纯度羧甲基壳聚糖产品成为行业急需解决的重要问题之一。
为解决上述液相制备方法的缺陷，开启了羧甲基壳聚糖的非水溶液反应制备方法的研究，例如专利CN106046200，其中记载了采用固相反应方法制备羧甲基壳聚糖的方法，相较于上述液相制备方法，其采用少量水为反应介质，避免了有机溶剂的大量使用，生产成本低，环境污染小，且合成效率和产率较高，显著改善了传统工艺中使用有机溶剂、消耗大量氢氧化钠和洗涤用乙醇/水等缺点。虽然上述专利中记载的方法克服了液相制备方法中溶剂大量使用、生产成本高、环境污染的问题，但是其制备的羧甲基的得率和纯度相较而言较低，难以达到可以工业化大规模生产的要求，因此无法采用上述方法进行工业大批量生产。因此有必要开发一种制备方法，既能克服液相制备方法中溶剂大量使用的问题，又能保证羧甲基壳聚糖的高得率和高纯度。
发明内容
本发明的目的在于，针对目前羧甲基壳聚糖固相制备方法中存在的得率和纯度较低的缺陷，提供一种新的制备方法，用以制备得到高得率和高纯度的羧甲基壳聚糖。
本发明的上述目的是通过以下方案予以实现的：
一种羧甲基壳聚糖固相反应制备方法，将壳聚糖、醇钠和一氯乙酸混均，在加热、低压和超声波处理条件下进行反应，待反应结束后，经分离即可得到羧甲基壳聚糖。
本申请发明人通过长时间试验证实，利用醇钠，特别是乙醇钠或丙醇钠作为催化剂，在通过50-80℃条件与氯乙酸进行一步反应，催化壳聚糖和一氯乙酸发生脱HCl小分子反应，可获得较高产率和较高取代度的羧甲基壳聚糖产品。此方法在避免异丙醇使用的同时，也能将体系中反应生成的HCL小分子快速蒸发，确保反应不断向正向移动，能够有效提高产率。为此，本申请利用一步固相反应法，对壳聚糖进行羧甲基化改性，获得高得率和高纯度，且具有不同取代度的羧甲基壳聚糖。
相较于专利CN106046200中的制备方法，其采用的是两步法，即先将壳聚糖碱化，然后再进行接枝反应；其中两步反应中，均加入了少量的水进行反应；由于碱化反应属于可逆反应，水分的存在会明显影响反应向正向(即碱化)反应方向进行，从而容易导致反应得率降低。
优选地，所述壳聚糖、醇钠和一氯乙酸的质量比例为100:0.1～1:150～400。
优选地，所述壳聚糖、醇钠和一氯乙酸的量比例为100:0.2～0.5:160～200；更优选地为100:0.3～0.6:160～200。
最优选地，所述壳聚糖、醇钠和一氯乙酸的用量比例为100:0.5:160。
优选地，所述加热条件，是指温度在50～80℃。更优选地，温度为60℃。
优选地，所述低压条件，是指真空度在-0.01～0.05Mpa。
优选地，所述超声波处理是指将超声波变幅杆插入固体反应物中。所述超声波处理的条件为常规常用的混合or清洗条件。
优选地，所述醇钠为甲醇钠、乙醇钠或丙醇钠中的一种或多种。更优选地，所述醇钠为乙醇钠或丙醇钠中的一种或两种。
优选地，所述分离过程包括如下过程：待反应结束后，将反应混合物加水溶解，然后过滤，除去不溶物，然后将滤液采用透析膜进行透析，透析后的溶液进行干燥处理，即可得到羧甲基壳聚糖。
本发明所述制备方法，反应混合物通过加水制备成为水溶液，然后经过透析过程，即可将反应过程中产生的乙醇钠和氯乙酸等副产物，可获得高纯度的羧甲基壳聚糖。本发明所述制备方法，通过控制反应物料的用量比例，从而控制副产物等杂质的含量较少(钠盐杂质等的含量低于3％)，可采用透析的方式除去，而得到高纯度的羧甲基壳聚糖。
优选地，所述反应混合物加水溶液后，水溶液中反应混合物的比例为5～30％；更优选地，比例为10％。
优选地，所述透析膜为离子单向渗透膜；优选小于800分子量膜孔的离子单向渗透膜；所述干燥处理可以为常规干燥处理的任一一种，优选为喷雾干燥。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明所述制备方法属于固相反应，相较于液相制备方法，克服了有机溶剂的大量使用，以及因为有机溶剂的大量使用而导致的成本高和污染大的问题；同时，本发明制备方法属于一步法，不仅制备过程简单，而且便于通过控制反应物料用量比例，控制羧甲基壳聚糖的羧化度，以及杂质的种类，便于后续反应混合物的分离和纯化，同时保证羧甲基壳聚糖的高得率和高纯度。
附图说明
图1为实施例1中制备流程示意图。
图2为壳聚糖和经过本发明所述方法制备得到不同取代度的羧甲基壳聚糖的实物图。
图3为不同取代度的改性样品对E.coli及S.aureus的抗菌实物图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做出进一步地详细阐述，所述实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。下述实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，为可从商业途径得到的试剂和材料。
实施例1
一种羧甲基壳聚糖固相制备方法，其制备过程如图1所示，具体的过程如下：
取100g壳聚糖粉末，加入0.4g丙醇钠固体和150g一氯乙酸研磨预混均匀，然后置于50℃、真空度为-0.01Mpa的超声波体系中处理40min。
待反应结束后，取出反应混合物用蒸馏水配成10％的水溶液，过滤出少部分水不溶物。然后滤液采用透析膜进行透析除去反应过程产生的氯化钠、氯乙酸钠、氯乙酸等副产物，将透析出杂后的溶液进行喷雾干燥，得到高纯羧甲基壳聚糖产品。
上述方法制备的羧甲基壳聚糖的得率为76.65％，其纯度为93.21％。
实施例2
一种羧甲基壳聚糖固相制备方法，其具体的制备过程同实施例1，不同之处在于具体反应物料的用量和反应条件不同，具体的不同之处请见表1所示。其中，以专利CN106046200中的实施例1-3分比为表1中的对比例1-3，进行比较其产物的得率和纯度。
表1反应的具体情况
Figure BDA0003016581590000031
Figure BDA0003016581590000041
上述不同反应组具体的羧甲基壳聚糖的取代度、得率和纯度如表3所示。
表3不同反应组制备的样品的指标
Figure BDA0003016581590000042
实施例3
上述实施例制备得到的不同取代度的羧甲基壳聚糖的外观图如图2所示。不同取代度的羧甲基壳聚糖的透明度不同，其具体的抗菌作用也不同。
不同取代度的羧甲基壳聚糖对E.coli及S.aureus的抗菌实物图如图3所示。图中红色虚线圆圈内为样品的抑菌范围，可观察培养基上均出现大小不一的抑菌圈，说明改性前后壳聚糖对两种细菌都具有抑制作用。
其具体的抑菌结果如表4和表5所示。
表4不同实例样品对大肠杆菌抑制的性能表
Figure BDA0003016581590000051
表5不同实例样品对金黄色葡萄球菌的抑制性能表
Figure BDA0003016581590000052
由表4、表5可看出，壳聚糖对E.coli及S.aureus都具有的抑制性能，且壳聚糖本身对E.coli的抗性明显强于S.aureus，但改性后样品取代度的变化对S.aureus的抑制性更为显著且相对稳定。随着取代度的提高，羧甲基壳聚糖样品对两种细菌的抑菌圈直径出现先增后减趋势，未改性前壳聚糖对E.coli及S.aureus的抑菌圈平均直径分别为14.54mm、8.66mm，随着取代度的提高，样品对二者的抑制能力加强，当取代度为1.20时，E.coli抑菌圈平均直径为16.77mm，S.aureus抑菌圈平均直径18.10mm，此后提高样品取代度抑菌性能反而降低，且S.aureus对样品取代度的变化更为敏感。可能由于反应中引入的吸电子基团(羧甲基基团)使壳聚糖分子中氨基(给电子基)的电子云发生偏移，同时增强了氨基的质子化，导致改性后样品正电荷加强，因此改性后样品对E.coli及S.aureus的抑制作用有所加强，且由于壳聚糖的羧甲基化反应在-CH2OH上进行比在-NH2进行更容易，当反应进行初期样品绝大部分取代发生在-OH上为O-型取代，此时取代度相对较低，取代度的提高有利于抗菌性能的提升，继续深化反应后，壳聚糖分子中大量的氨基也将参与反应获得N-型取代，使分子中的正电荷减少，此时尽管样品取代度及溶解度均有所提高但其抑菌性能反而降低。因此考虑样品溶解度与抗菌性的综合性能，样品的取代度需控制在合适的范围内，而并非越高越好。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明及思路的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种羧甲基壳聚糖固相反应制备方法，其特征在于，将壳聚糖、醇钠和一氯乙酸研磨混均，在加热、低压和超声波处理条件下进行反应，待反应结束后，经分离即可得到羧甲基壳聚糖；
所述壳聚糖、醇钠和一氯乙酸的质量比例为100:0.1~1:150~400；
所述加热条件，是指温度在50~80℃；
所述低压条件，是指真空度在-0.01~0.05Mpa。
2.根据权利要求1所述羧甲基壳聚糖固相反应制备方法，其特征在于，所述壳聚糖、醇钠和一氯乙酸的质量比例为100:0.2~0.5:160~200。
3.根据权利要求1所述羧甲基壳聚糖固相反应制备方法，其特征在于，所述超声波处理是指将超声波变幅杆插入固体反应物料中。
4.根据权利要求1所述羧甲基壳聚糖固相反应制备方法，其特征在于，所述醇钠为甲醇钠、乙醇钠或丙醇钠中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述羧甲基壳聚糖固相反应制备方法，其特征在于，所述分离过程包括如下过程：待反应结束后，将反应混合物加水溶解，然后过滤，除去不溶物，然后将滤液采用透析膜进行透析，透析后的溶液进行干燥处理，即可得到羧甲基壳聚糖。
6.根据权利要求5所述羧甲基壳聚糖固相反应制备方法，其特征在于，所述反应混合物加水溶解后，水溶液中反应混合物的体积比为5~30%。
7.根据权利要求6所述羧甲基壳聚糖固相反应制备方法，其特征在于，所述反应混合物加水溶解后，水溶液中反应混合物的体积比为10%。
8.根据权利要求5所述羧甲基壳聚糖固相反应制备方法，其特征在于，所述透析膜为离子单向渗透膜；所述干燥处理为常规干燥处理的任一种。
9.根据权利要求8所述羧甲基壳聚糖固相反应制备方法，其特征在于，所述透析膜为小于800分子量膜孔的离子单向渗透膜；所述干燥处理为喷雾干燥。
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