TWI740312B

TWI740312B - 幾丁質水溶液及其得到方法

Info

Publication number: TWI740312B
Application number: TW108146333A
Authority: TW
Inventors: 蔡敏郎; 吳瓊
Original assignee: 國立臺灣海洋大學
Priority date: 2019-12-18
Filing date: 2019-12-18
Publication date: 2021-09-21
Also published as: JP2021095551A; CN112979989A; TW202124456A

Abstract

本發明係一種幾丁質水溶液及其得到方法，該得到方法包括以下步驟：提供含有幾丁質之預溶解物；加入該預溶解物於含水溶劑中；以及以高壓處理該預溶解物之水溶液，進而得到處理物的水溶液。本發明能以低毒性、低污染、分子量降解程度低、簡易加工程序和低成本之溶劑及方法而得到相當溶解度的幾丁質水溶液。

Description

幾丁質水溶液及其得到方法

本發明是關於幾丁質溶液之領域，更特定而言是關於幾丁質水溶液及其得到方法。

幾丁質(chitin)為自然界中含量最多的含氮多醣。存在於節肢動物的外骨骼、魷魚軟骨及真菌、酵母菌的細胞壁中。主要以α-和β-幾丁質兩種結晶形式存在，α-幾丁質的分子鏈以反向平行的方式排列，表現出緊密的結構，存在於蝦、蟹、昆蟲等甲殼類的外殼中；而β-幾丁質的分子鏈則以同向平行的方式排列，存在於魷魚軟骨及管蟲(tubeworms)中，兩種異構物皆不溶於水溶液和常見的溶劑。幾丁質經由去乙醯化可得到幾丁聚醣(chitosan)，幾丁聚醣為幾丁質最主要的衍生物。另外，幾丁質及幾丁聚醣可經由羧甲基化、乙醯化、磺酸化等化學反應而製備出許多種類的衍生物，這些物質統稱為幾丁質類物質(chitinous material)。幾丁質類物質由於具有分佈廣、產量大、陽電荷聚電解質、無毒、具有生物相容性、生物可降解性、無毒性和生理惰性(physiologically inert)等，此外，幾丁質還具有生物活性(抗真菌、抗菌、抗腫瘤、抗血栓形成、抗膽固醇)和生物黏附性。因此可以廣泛應用於農業、食品/營養、生物醫藥、材料科學、化妝品、廢水處理、製紙、紡織等領域。然而，目前幾丁質尚未被廣泛使用，主要是因為溶解性不佳，限制了幾丁質的應用。

在先前技術之幾丁質溶解的實行中，由於幾丁質結構中含有強的分子內/間氫鍵，使得幾丁質無法溶解於水和一般常見的溶劑，只可以溶解在少數特殊的溶劑，例如LiCl/二甲基乙醯胺(DMAc)混合溶液、LiCl/DMF、氯代醇/無機酸、高濃度的無機酸(如HCl、H ₂SO ₄)、離子液體(如1-allyl-3-methylimidazolium chloride, AminCl; 1-butyl-3-methylimidazolium chloride, BminCl)和NaOH/尿素溶劑系統，然而這些溶劑具有毒性、污染、分子量降解、加工程序繁複且耗時和高成本的疑慮，尤其是無法使用在生物醫藥、食品、農業和化妝品等領域。

有鑑於此，本發明提出一種幾丁質水溶液及其得到方法，以解決先前技術之幾丁質溶解的實行中種種缺失。

本發明提供一種得到幾丁質水溶液的方法，其包括以下步驟：提供含有幾丁質之預溶解物；加入該預溶解物於含水溶劑中；以及以高壓處理該預溶解物之水溶液，進而得到處理物的水溶液。

本發明之得到幾丁質水溶液的方法，其中，該幾丁質係α-幾丁質、β-幾丁質或其組合。

本發明之得到幾丁質水溶液的方法，其中，該含水溶劑係由去離子水組成、由該去離子水及醋酸組成、由該去離子水及氫氧化鈉組成或由該去離子水及尿素組成，或由該去離子水與該醋酸、該氫氧化鈉‧、該尿素之至少二者組成。

本發明之得到幾丁質水溶液的方法，其中，該含水溶劑之醋酸的濃度之範圍為0.01%至10%，該含水溶劑之氫氧化鈉的濃度之範圍為0.1 N至5 N，該含水溶劑之尿素的濃度之範圍為0.01%至10%。

本發明之得到幾丁質水溶液的方法，其中，該含水溶劑之醋酸的濃度為1%，該含水溶劑之氫氧化鈉的濃度為1 N，該含水溶劑之尿素的濃度為4%。

本發明之得到幾丁質水溶液的方法，其中，該高壓之範圍係大於或等於200 MPa。

本發明之得到幾丁質水溶液的方法，其中，該高壓之範圍係大於或等於600 MPa。

本發明之得到幾丁質水溶液的方法，其中，該高壓係以高靜水壓施加。

本發明之得到幾丁質水溶液的方法，在提供含有幾丁質之預溶解物之前更包括清除不含有該幾丁質之其它材料。

本發明之得到幾丁質水溶液的方法，在加入該預溶解物於含水溶劑之前更包括以氣爆膨發、微小化或其組合處理該預溶解物，以形成經處理預溶解物，且之後加入該經處理預溶解物於含水溶劑中。

本發明另提供一種幾丁質水溶液，其包括：幾丁質，以及由去離子水組成、由該去離子水及醋酸組成、由該去離子水及氫氧化鈉組成或由該去離子水及尿素組成，或由該去離子水與該醋酸、該氫氧化鈉‧、該尿素之至少二者組成之含水溶劑。

本發明之幾丁質水溶液，其中，該幾丁質係α-幾丁質、β-幾丁質或其組合。

本發明之幾丁質水溶液，其中，該含水溶劑之醋酸的濃度之範圍為0.01%至10%，該含水溶劑之氫氧化鈉的濃度之範圍為0.1 N至5 N，該含水溶劑之尿素的濃度之範圍為0.01%至10%。

本發明之幾丁質水溶液，其中，該含水溶劑之醋酸的濃度為1%，該含水溶劑之氫氧化鈉的濃度為1 N，該含水溶劑之尿素的濃度為4%。

相較於習知技術，本發明能以藉由將含有幾丁質之預溶解物經氣爆膨發、微小化或其組合處理後加入去離子水及/或低濃度之醋酸、氫氧化鈉、尿素等，並以高壓處理，從而以低毒性、低污染、分子量不降解、簡易加工程序和低成本之溶劑及方法而得到相當溶解度的幾丁質水溶液。

為充分瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明做一詳細說明，說明如後：

請參考圖1，係本發明得到幾丁質水溶液的方法之流程圖，其步驟包括步驟S10至步驟S30。在步驟S10中，可提供含有幾丁質之預溶解物，該幾丁質可為α-幾丁質、β-幾丁質或其組合。而含有幾丁質之預溶解物可為經氫氧化鈉、酸及/或微生物純化之該幾丁質。

而含有幾丁質之預溶解物的來源可由例如蝦、蟹、昆蟲等甲殼類的外殼或例如魷魚、管蟲等之骨骼，惟本發明不限於此。而在步驟S10之前，可清除不含有該幾丁質之其它材料，即例如洗淨及/或清除內臟、組織液及各種雜質，又及/或浸泡於0.5 N氫氧化鈉水溶液中作用6小時，將殘餘的肉分解，接著用自來水清洗後泡至中性，乾燥之，保存於4℃備用等等，惟本發明不限於此。

在步驟S20中，可加入該預溶解物於含水溶劑中，而該含水溶劑可由去離子水組成、由該去離子水及醋酸組成、由該去離子水及氫氧化鈉組成或由該去離子水及尿素組成，或由該去離子水與該醋酸、該氫氧化鈉‧、該尿素之至少二者組成。特定而言，該含水溶劑之醋酸的濃度之範圍可為0.01%至10%，該含水溶劑之氫氧化鈉的濃度之範圍為0.1 N至5 N，該含水溶劑之尿素的濃度之範圍為0.01%至10%。

更特定而言，該含水溶劑之醋酸的濃度可為1%，該含水溶劑之氫氧化鈉的濃度可為1 N，該含水溶劑之尿素的濃度可為4%。再特定而言，該含水溶劑之醋酸的濃度可為1wt%，該含水溶劑之尿素的濃度可為4wt%。

可選地，在加入該預溶解物於含水溶劑之前可更包括以氣爆膨發、微小化或其組合處理該預溶解物，以形成經處理預溶解物，且之後加入該經處理預溶解物於含水溶劑中。詳細而言，可使用例如膨發槍以高溫高壓施加於該預溶解物後快速釋壓膨發，或可使用例如將該預溶解物磨碎後取60-120 mesh間的粉末備用，惟本發明不限於此。

在步驟S30中，可以高壓處理該預溶解物之水溶液，進而得到處理物的水溶液。該處理物可為溶解之α-幾丁質、β-幾丁質或其組合。高壓處理可為高靜水壓，高氣壓及/或重物加壓等，惟本發明不限於此。特定而言，該高壓可大於或等於200 MPa，更特定而言，該高壓可大於或等於600 MPa，而其施加時間可為20分鐘或加壓5分鐘後釋壓，再加壓，循環4次，惟本發明不限於此。

藉此，經高壓處理後，幾丁質的結晶指數(CrI020, CrI110)會下降。SEM(掃描式電子顯微鏡)呈現幾丁質纖維束會膨潤、撐開孔洞使孔徑變大，並且有纖維束因膨脹而分裂成幾個較細纖維束，形成幾丁質奈米纖維的情形，如圖2A至圖2D。其中，圖2A係α-幾丁質，圖2B係在去離子水，經600 MPa, 20分鐘處理之微小化α-幾丁質，圖2C係在1%醋酸水溶液，經600 MPa, 20分鐘處理之α-幾丁質，圖2D係在1%醋酸水溶液，經600 MPa下加壓5分鐘後釋壓，再加壓至600 MPa，循環4次之α-幾丁質。然而，幾丁質的官能基團和去乙醯度都沒有發生變化。本發明之幾丁質水溶液濃度可為0.03至0.53 mg/mL，更進一步可為0.1至0.53 mg/mL。其中，圖3為幾丁質經高靜水壓處理後，以0.45 μm濾膜過濾所的濾液，再經真空冷凍乾燥後的照片。

如下表一，其為幾丁質在不同的水系溶劑下，經600 MPa高靜水壓作用後的去乙醯度(DD)、結晶指數(CrI ₀₂₀, CrI ₁₁₀)、溶解度和幾丁質濃度，其中，AC：α-幾丁質；BC：β-幾丁質；W：去離子水； A：1%醋酸； N：1 N氫氧化鈉；NU：氫氧化鈉/尿素；20：600 MPa下加壓20分鐘；5x4：600 MPa加壓5分鐘後釋壓，再加壓至600 MPa，循環4次；r：有溶解，但量太少無法稱重； ^a-c：樣本間的數值經統計有顯著差異，即檢驗「無效假設」成立的機率水平p＜0.05。表一

Sample	DD (%)	CrI ₀₂₀(%)	CrI ₁₁₀(%)	Solubility (%)	Chitin conc. (mg/mL)
AC	25.52±0.88 ^a	72.45±1.18 ^a	85.23±0.89 ^a
ACW20	24.49±0.49 ^a	70.71±2.14 ^a	84.31±0.90 ^a	0	0
ACW5x4	23.65±2.36 ^a	71.63±0.82 ^a	85.66±0.24 ^a	0	0
AC	25.52±0.88 ^a	72.45±1.18 ^a	85.23±0.89 ^a
ACA20	24.17±1.79 ^a	65.13±1.52 ^b	81.36±1.88 ^b	r	r
ACA5x4	25.27±1.61 ^a	64.15±0.58 ^b	80.77±0.49 ^b	r	r
AC	25.52±0.88 ^a	72.45±1.18 ^a	85.23±0.89 ^a
ACN20	24.88±1.00 ^a	67.81±1.15 ^b	83.05±0.23 ^b	0.37	0.11
ACN5x4	24.73±0.27 ^a	66.86±1.70 ^b	82.69±1.27 ^b	0.33	0.10
AC	25.52±0.88 ^a	72.45±1.18 ^a	85.23±0.89 ^a
ACNU20	24.61±0.87 ^a	69.60±0.63 ^b	84.08±0.42 ^ab	0.55	0.17
ACNU5x4	24.23±1.12 ^a	68.96±1.16 ^b	83.84±0.45 ^b	0.51	0.15
BC	29.34±0.99 ^a	68.60±0.59 ^a	76.23±0.98 ^a
BCW20	29.44±0.94 ^a	56.09±1.46 ^b	71.77±0.66 ^b	r	r
BCW5x4	29.03±0.90 ^a	56.26±0.85 ^b	71.76±0.38 ^b	r	r
BC	29.34±0.99 ^a	68.60±0.59 ^a	76.23±0.98 ^a
BCA20	28.81±0.59 ^a	39.51±1.34 ^b	53.32±0.56 ^b	0.63	0.19
BCA5x4	28.38±0.61 ^a	33.18±0.29 ^c	54.42±0.20 ^b	0.68	0.20

如下表二，其為幾丁質經氣爆膨發、微粒化預處理後，以去離子水為溶劑，經600 MPa高靜水壓作用後的去乙醯度(DD)、結晶指數(CrI ₀₂₀, CrI ₁₁₀)和溶解度和幾丁質濃度，其中，AC：α-幾丁質；BC：β-幾丁質；P：氣爆膨發；S：經磨碎製備；20：600 MPa下加壓20分鐘；5x4：600 MPa加壓5分鐘後釋壓，再加壓至600 MPa，循環4次； ^a-c：樣本間的數值經統計有顯著差異(p＜0.05)，即檢驗「無效假設」成立的機率水平p＜0.05。表二

Sample	DD (%)	CrI ₀₂₀(%)	CrI ₁₁₀(%)	Solubility (%)	Chitin conc. (mg/mL)
PAC	25.20±1.00 ^a	72.87±0.75 ^a	86.22±0.16 ^a
PAC20	24.22±1.12 ^a	71.43±1.04 ^a	85.36±0.62 ^ab	0.85	0.26
PAC5x4	24.55±0.29 ^a	71.74±0.67 ^a	83.94±0.15 ^b	0.88	0.26
SAC	25.20±1.00 ^a	70.35±0.12 ^a	83.71±0.29 ^a
SAC20	24.22±1.12 ^a	68.14±0.63 ^b	82.33±0.16 ^b	1.48	0.44
SAC5x4	24.55±0.29 ^a	65.85±0.99 ^c	80.89±0.33 ^c	1.76	0.53
PBC	28.96±0.71 ^a	53.90±1.03 ^a	71.68±0.97 ^a
PBC20	29.58±1.03 ^a	47.58±0.37 ^b	70.13±0.30 ^a	0.25	0.08
PBC5x4	28.61±2.03 ^a	47.98±1.05 ^b	70.65±1.88 ^a	0.29	0.09
SBC	26.25±0.47 ^a	56.33±0.65 ^a	74.04±0.60 ^a
SBC20	25.73±1.26 ^a	51.44±0.46 ^b	64.73±0.36 ^b	0.12	0.04
SBC5x4	25.12±0.13 ^a	51.13±0.91 ^b	64.61±1.46 ^b	0.09	0.03

本發明另提出一種幾丁質水溶液，其可包括幾丁質以及由去離子水組成、由該去離子水及醋酸組成、由該去離子水及氫氧化鈉組成或由該去離子水及尿素組成，或由該去離子水與該醋酸、該氫氧化鈉、該尿素之至少二者組成之含水溶劑。

如上所述之該幾丁質可為α-幾丁質、β-幾丁質或其組合。該含水溶劑之醋酸的濃度之範圍為0.01%至10%，該含水溶劑之氫氧化鈉的濃度之範圍為0.1 N至5 N，該含水溶劑之尿素的濃度之範圍為0.01%至10%。特定而言，該含水溶劑之醋酸的濃度可為1%，該含水溶劑之氫氧化鈉的濃度可為1 N，該含水溶劑之尿素的濃度可為4%。更特定而言，該含水溶劑之醋酸的濃度可為1wt%，該含水溶劑之尿素的濃度可為4wt%。本發明之幾丁質水溶液濃度可為0.03至0.53 mg/mL，更進一步可為0.1至0.53 mg/mL。

綜上所述，本發明藉由將含有幾丁質之預溶解物經氣爆膨發、微小化或其組合處理後加入去離子水及/或低濃度之醋酸、氫氧化鈉、尿素等，並以高壓處理，從而避免使用具有毒性、污染、分子量明顯降解、加工程序麻煩和高成本的疑慮之溶劑及方法而得到相當溶解度的幾丁質水溶液，進而輕易使用在生物醫藥和食品領域。

本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以申請專利範圍所界定者為準。

S10、S20、S30 步驟

圖1係本發明之得到幾丁質水溶液的方法之流程圖。圖2A係α-幾丁質，圖2B係在去離子水，經600 MPa, 20分鐘處理之微小化α-幾丁質，圖2C係在1%醋酸水溶液，經600 MPa, 20分鐘處理之α-幾丁質，圖2D係在1%醋酸水溶液，經600 MPa, 5分鐘4次處理之α-幾丁質。圖3係本發明之幾丁質經高靜水壓處理後，以0.45 μm濾膜過濾所得的濾液，再經真空冷凍乾燥後的照片。

S10、S20、S30 步驟

Claims

一種得到幾丁質水溶液的方法，係包括以下步驟：提供含有幾丁質之預溶解物；該預溶解物加入於含水溶劑中；以及以高壓處理該預溶解物之水溶液，其中，該高壓之範圍係大於或等於200MPa，進而得到處理物的水溶液。
如申請專利範圍第1項所述之得到幾丁質水溶液的方法，其中，該幾丁質係α-幾丁質、β-幾丁質或其組合。
如申請專利範圍第1項所述之得到幾丁質水溶液的方法，其中，該含水溶劑係由去離子水組成、由該去離子水及醋酸組成、由該去離子水及氫氧化鈉組成或由該去離子水及尿素組成，或由該去離子水與該醋酸、該氫氧化鈉、該尿素之至少二者組成。
如申請專利範圍第3項所述之得到幾丁質水溶液的方法，其中，該含水溶劑之醋酸的濃度之範圍為0.01%至10wt%，該含水溶劑之氫氧化鈉的濃度之範圍為0.1N至5N，該含水溶劑之尿素的濃度之範圍為0.01%至10wt%。
如申請專利範圍第4項所述之得到幾丁質水溶液的方法，其中，該含水溶劑之醋酸的濃度為1wt%，該含水溶劑之氫氧化鈉的濃度為1N，該含水溶劑之尿素的濃度為4wt%。
如申請專利範圍第1項所述之得到幾丁質水溶液的方法，其中，該高壓係以高靜水壓施加。
如申請專利範圍第1項所述之得到幾丁質水溶液的方法，其中，在提供含有幾丁質之預溶解物之前更包括清除不含有該幾丁質之其它材料。
如申請專利範圍第1項所述之得到幾丁質水溶液的方法，在加入該預溶解物於含水溶劑之前更包括以氣爆膨發、微小化或其組合處理該預溶解物，以形成經處理預溶解物，且之後加入該經處理預溶解物於含水溶劑中。
一種幾丁質水溶液，係包括：幾丁質；以及由去離子水及尿素組成，或由該去離子水與醋酸、氫氧化鈉、該尿素組成之含水溶劑。
如申請專利範圍第9項所述之幾丁質水溶液，其中，該幾丁質係α-幾丁質、β-幾丁質或其組合。
如申請專利範圍第9項所述之幾丁質水溶液，其中，該含水溶劑之醋酸的濃度之範圍為0.01%至10wt%，該含水溶劑之氫氧化鈉的濃度之範圍為0.1N至5N，該含水溶劑之尿素的濃度之範圍為0.01%至10wt%。
如申請專利範圍第11項所述之幾丁質水溶液，其中，該含水溶劑之醋酸的濃度為1wt%，該含水溶劑之氫氧化鈉的濃度為1N，該含水溶劑之尿素的濃度為4wt%。