CN1752111A - 一种新型壳聚糖季铵盐工业化生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明是在前人研究的基础上，寻求一种壳聚糖季铵盐的工业化生产方法：先对壳聚糖进行预处理，使之成絮状物进入反应，然后通过改变原本的丙酮反应体系，在碱性条件下、水体系中利用壳聚糖和缩水甘油三甲基氯化铵合成壳聚糖季铵盐。同时对该方法的其他反应条件进行了研究，提出了一种壳聚糖季铵盐的可控性生产方法。

Description

一种新型壳聚糖季铵盐工业化生产方法

技术领域  本发明属于化学生产领域，具体地说是一种化学物的制备方法的改进。

背景技术  目前国内外已经有多种生产壳聚糖季铵盐的生产方法，但都能限定在实验室条件，不能进行工业化生产，主要是由于其制备条件苛刻且制备成本昂贵：①这种制备方法需要将壳聚糖磨碎之后才能加入体系反应，且反应速度很慢，12个小时的产率才6％左右；②这种制备方法的反应体系为丙酮，工业化生产时不但成本很高，而且极易发生生产事故；③对该产品的性能未能进行深入探索。

发明内容  1、发明的目的。甲壳素从海鲜垃圾如虾壳蟹壳中提取，脱去部分乙酰基后得到产物为壳聚糖，图1是二者的分子结构图，可见到甲壳素C2位上的乙酰基已经脱去。

壳聚糖季铵化后产物季铵盐由于其特殊性质，使之在很多领域都有很广阔的应用前景，比如在医药、化妆品、水处理等领域的应用。在医药领域：壳聚糖季铵盐可作为药物吸收的增强剂，壳聚糖季铵盐本身具有良好的血液相容性，可作为一种新型的天然生物医用材料是因为它。例如可提高抗凝血性能，可防止血清胆甾醇值上升；另外壳聚糖季铵盐可用来制作各种功能膜以及应用在水处理方面，发展潜力巨大。在化妆品领域：保湿剂是化妆品中不可缺少的重要成分，它在化妆品中起着湿润皮肤的作用。保湿剂种类很多，其中来源于生物体的保湿剂一透明质酸(简称HA)是一种性能极佳的保湿剂。HA对人体皮肤无任何刺激性，应用到化妆品中，对皮肤有滋润作用，可使皮肤富有弹性、光滑、延缓皮肤老化。但其制备工艺复杂，成本较高，这在一定程度上制约了HA的广泛应用。为此，人们不断研究开发与其作用相似的产品。

因此本人在前人研究的基础上，寻求一种反应条件简单，操作更加简便，低成本的生产方法，使得壳聚糖季铵盐能广泛的应用在各个领域。

2、本发明的详细描述。

壳聚糖季铵盐工业化制备方法

先将壳聚糖溶解于乙酸稀溶液中，调节pH值至9，使壳聚糖析出，然后将壳聚糖置于反应容器。加入pH＝9的水溶剂，搅拌，升温。加入一定量的缩水甘油三甲基氯化铵，在一定温度下反应一段时间。产物用乙醇沉淀，过滤，用70％的乙醇/水溶液洗涤，得粗产品。图2是该反应的流程图。

精制少量作样品分析：粗产品用水溶解，过滤，滤液加入丙酮使之沉淀，收集沉淀。反复沉淀一次，产品用水溶解，用分子量1×10⁴的透析膜透析48h，透析液减压浓缩至干，真空干燥。

取代度的测定：

称取纯化后的样品，用AgNO₃标样溶液滴定样品中Cl^-，按下面公式计算壳聚糖季铵盐的取代度DS：

$\mathrm{DS}\%=\frac{\mathrm{VM}}{\mathrm{VM}+(W-\mathrm{VM}\×314)/161}100\%$

其中W为样品重，V为消耗的AgNO₃体积，M为AgNO₃溶液的浓度，314为每单元壳聚糖季铵盐分子量，161为每单元壳聚糖分子量。

分子量的测定：

用TSK-G5000PW为色谱分离柱，用示差折光检测器(RI-150)检测，在TSP高效液相色谱仪(P100泵)上，以0.2M HAc/0.1M NaAc为流动相，流速1.0ml/min，在30℃测定壳聚糖的分子量。

红外光谱和¹³C NMR的测定：

干燥样品用KBr压片制样，用Thermo Nicolet红外光谱仪测定红外谱图；将纯壳聚糖季铵盐溶于D₂O中，用Varian V×300记录¹³C NMR。

壳聚糖季铵盐的结构表征：

图3是壳聚糖(CS)及其壳聚糖季铵盐(HACC)的红外光谱图。在壳聚糖的红外光谱图中，1597cm^-1强吸收峰归属于氨基的伸缩振动。当取代度比较低时，1597cm^-1吸收峰强度减小，同时出现1480cm^-1-CH₃的C-H弯曲振动强吸收峰，见图中CSP1；在取代度较高的CSP3的谱图中，强吸收峰1597cm^-1消失，在1480cm^-1处出现-CH₃的C-H弯曲振动强吸收峰。表明N上引入了羟丙基三甲基氯化铵的季铵盐侧链。

图4是壳聚糖季铵盐的¹³C-NMR图。化学位移δ＝102.6，65.1，73.5，75.1，78.0，60.8ppm吸收峰分别对应氨基葡萄糖吡喃环中的C-1，C-2，C-3，C-4，C-5，C-6；季铵盐支链上的C-1^★，C-2^★，C-3^★对应的吸收峰分别出现在δ＝52.1，69.5，65.6ppmδ＝54.6ppm对应于季铵盐支链上与氮连接的三个甲基C-4^★，证明反应合成了壳聚糖季铵盐。

3、本发明有益效果。

根据以上描述，本制备方法改进了前人研究方法的一些不足之处，并取得了一定的有益效果，具体说明如下：

①：采用先江壳聚糖溶解在弱酸溶剂中(本方法中采用廉价的乙酸)，然后加入碱性物质，在弱碱中溶出，这时的壳聚糖为絮状物质，表面积大大增加，反应速度大大提高，一般在8小时即可达到8％的产率。

②：在弱碱性的水体系中即可以反应，操作简便易行，可实现工业化生产；以前的制备体系为丙酮或其它非极性有机溶剂，制备成本较高且易发生生产事故。

③：对该产品壳聚糖季铵盐在吸湿保湿性能、水处理方面、抗菌方面性能均作了系统的研究，指出了壳聚糖季铵盐结构和这些性能之间的关系，可以根据不同的性能要求靶向生产出不同的壳聚糖季铵盐。

④在温度因素方面，壳聚糖季铵盐的取代度75℃达最大，比以前方法降低了15℃。

⑤在反应时间方面，在9小时后即达到反应平衡，比以前方法缩短了3-5小时。

控制反应温度在30～90℃，反应时间3～10h，投料比为1∶1～1∶4，可以得到取代度15～90％，分子量1万到100万的羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖。因此可以通过控制不同的反应条件制备不同性能的壳聚糖季铵盐。并通过制备不同的结构的壳聚糖季铵盐，应用在各个领域，具体性能在第五部分，实施例中表述。

具体实施方式1、吸湿保湿性能

将壳聚糖季铵盐配成2％(W/V)的溶液，水浴加热到60℃，用超声波降解；加入一定量的H₂O₂，反应一段时间后，滴加Na₂SO₃还原未反应的H₂O₂。溶液用透析膜透析2天，减压干燥。

将试样制成粉末，在以五氧化二磷为干燥剂的真空干燥器中干燥24h，进行吸湿和保湿实验。

吸湿实验：准确称取0.5g干燥试样，放置在广口的称量瓶中，将称量瓶分别放置在控温20℃的干燥器中。用硫酸铵饱和水溶液控制干燥器的相对湿度(R.H.)为81％，碳酸钾饱和水溶液控制干燥器的相对湿度(R.H.)为43％。经过一定时间称重，吸湿率Ra(％)＝100×(Wn-Wo)/Wo，Wo为放置前重量，Wn为放置后重量。

保湿实验：准确称取0.5g含10％水分的试样，放置在广口的称量瓶中，将称量瓶分别放置在控温20℃，装有碳酸钾饱和水溶液(控制干燥器的相对湿度为43％)及硅胶的干燥器中。保水率Rh(％)＝100×Hn/Ho，Ho、Hn为放置前后样品中的水分重量。

透明质酸钠(HA)，乳酸钠(LAC)进行同步比较实验。

2、抗菌性能研究

培养基的配制：琼脂17g，牛肉浸膏5g，蛋白胨10.0g，NaCl 5.0g，加水1000ml，调pH值至7.0-7.2，消毒后备用。

细菌接种与培养：0.2％的壳聚糖季铵盐溶液，消毒后备用。选用金黄色葡萄球菌为革兰氏阳性菌代表，大肠杆菌为革兰氏阴性菌代表。将大肠杆菌和金黄色葡萄球菌接种于培养基中，然后在培养基表面皿中滴入半滴不同取代度和不同分子量的壳聚糖季铵盐溶液，在37℃培养24h，观察抑菌圈，用游标卡尺测抑菌圈直径的大小。每个样品平行3个样，取平均值。

3、水处理性能研究

配制高浊度(1000mg/L)、中浊度(300mg/L)、低浊度(50mg/L)的高岭土废水，取一定量试验废水于锥形瓶中，调节废水pH值，准确加壳聚糖季铵盐，用磁力搅拌器先快速搅拌5min，后慢速搅拌10min，再将处理废水静置10min，取上层清液用紫外分光光度计于680nm测定其吸光度，按标准曲线换成溶度，按下式计算浊度去除率。

Co代表处理前的高岭土溶度；Cn代表处理后的高岭土溶度

4、壳聚糖季铵盐的各项性能如下表述：

壳聚糖季铵盐的抗菌性能可用下表来说明：

	水	CHITOSAN	壳聚糖季铵盐
				分子量大肠杆菌金黄色葡萄球菌	00	0.19×10410.8	7.08×1041.71.6

上表中的数据为各自的抑菌圈大小，抑菌圈越大说明抗菌性能越好。

图5是壳聚糖季铵盐的吸湿保湿性能图。图中数字意义如下：

1：RH＝43％时保湿率；2：RH＝81％时吸湿率；3：RH＝43％时吸湿率；4：硅胶中的保湿率

可以看出在取代度为45％和75％的时候，季铵盐的吸湿保湿性能最好。

壳聚糖季铵盐的水处理性能如下：

不论在酸性或碱性条件下，絮凝性能随取代度升高而先升高后降低，取代度约为75％时的絮凝效果最好，投药量小，浊度去除率高。絮凝性能随分子量增大而上升，当分子量增大至18万以上，絮凝性能随分子量变化不大。用取代度为72％、分子量为20万的壳聚糖季铵盐絮凝剂，对长江水，味精厂废水，造纸厂废水进行处理，均取得了较好的絮凝效果，说明壳聚糖季铵盐在水处理中具有很好的应用前景。

                               高浊度体系中不同取代度的壳聚糖季铵盐的絮凝效果

DS/％	PH＝4		pH＝7		pH＝9
							031.342.961.275.590.3	最佳投药量(mg/L)1508080808080	浊度去除率(％)9095.892.698.492.285.7	最佳投药量(mg/L)1007070707070	浊度去除率(％)78.780.090.097.590.175.0	最佳投药量(mg/L)-5050505050	浊度去除率(％)-89.094.599.691.278.4

                                 不同分子量壳聚糖季铵盐的絮凝结果

Mw/104	pH＝4		pH＝7		PH＝9
								最佳投药量(mg/L)	浊度去除率(％)	最佳投药量(mg/L)	浊度去除率(％)	最佳投药量(mg/L)	浊度去除率(％)
7.289.7318.820.728.368.1	808080808080	81.281.887.187.487.488.3	707070707070	82.384.488.689.190.090.3	505050505050	83.787.991.292.392.894.0

由上述可知，利用这种改进的生产方法，可以降低反应难度，加快反应速度，且能降低生产成本，使得壳聚糖季铵盐的生产能够实现工业化、大批量的生产，壳聚糖季铵盐也能够大量应用在水处理、吸湿保湿、抗菌等各个领域。

Claims (8)

1、一种利用经过特殊预处理的壳聚糖和缩水甘油三甲基氯化铵在水体系中反应，工业化生产壳聚糖季铵盐的方法。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征是反应物壳聚糖的脱乙酰度大于60％，分子量可以任意大小。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征是壳聚糖反应前经过了乙酸溶解，然后加碱呈絮状物溶出处理。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征是反应体系为水体系，或者其它极性溶剂体系。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征是反应体系为碱性，pH值在8-10在之间。

6、根据权利要求2-5所述的条件，其特征是产品的结构是可控性的。

7、根据权利要求3所述的方法，其特征是酸可以是乙酸、草酸或者其它弱酸；碱可以是NaOH或者其它强碱性化合物。

8、根据权利要求6所述的方法，其特征是可以根据不同的实用要求，靶向制备出不同取代度和分子量的壳聚糖季铵盐。

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