CN103183742A - 一种含有高分子量聚古罗糖醛酸的褐藻胶及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及褐藻胶领域，具体为一种含有高分子量a-1,4-L-聚古罗糖醛酸的褐藻胶，及其在固定化细胞和微生物中的应用。以成熟巨藻茎叶部为原料，将原料粉碎，经有机溶剂脱脂、热水提取后，收集藻渣；将藻渣经热碱提取，过滤收集上清液，经盐酸沉淀、中和、脱水和干燥后，得到含有高分子量高聚古罗糖醛酸含量的褐藻胶，聚古罗糖醛酸含量≥90mol%，分子量≥70kD。本发明原料来源丰富、安全性好，结构独特、分子量大、凝胶强度高、制备工艺简单。制得的微胶囊粒径在0.5～5.0mm，有利于大规模制备和产品的回收，微胶囊的制备过程在全生理条件下进行，保证了细胞和微生物的生理活性。
Description
技术领域
本发明涉及褐藻胶领域，具体为一种含有高分子量α-1,4-L-聚古罗糖醛酸的褐藻胶，及其在固定化细胞和微生物中的应用。
背景技术
褐藻胶是由不同比例的甘露糖醛酸（M）和古罗糖醛酸（G）组成的，不同褐藻以及同一褐藻不同部位褐藻胶的结构不同，而不同结构的褐藻胶具有不同的理化性质，从而使该类多糖在食品、医药和化工等领域得到广泛应用。从褐藻中制备褐藻胶的方法主要有物理法、化学法和酶法，其中：物理法主要有水提取法，化学法主要是碱提取及酸法沉淀，而酶法则主要是采用各种褐藻胶酶进行提取。大量文献表明，利用目前提取技术，从不同种类褐藻中获得的褐藻胶均含有高含量的甘露糖醛酸（M段），难以得到高纯度和高分子量的聚古罗糖醛酸。虽然采用酸法降解可以获得高纯度的聚古罗糖醛酸（中国专利，CN200610069060.4），但分子量均较低，约10kD左右，难以满足本领域高强度褐藻胶材料所要求的特性。此外，酶法提取褐藻胶（中国专利，CN201010298858.2）一般得到的是低聚合度褐藻胶寡糖混合物，不能满足高分子量古罗糖醛酸及其相关产品开发的需求。
胶囊化是利用天然或合成的高分子材料对固体、液体或微生物进行包封的过程。该技术的主要特点是保护敏感物质免受环境的影响，达到屏蔽气味、颜色和味道或降低毒性或控制释放活性物质等目的。虽然胶囊包封的生物大分子、微生物或细胞被包裹在胶囊内部，但营养物质及小分子物质等可自由通过该包裹层，从而达到保护和缓释作用。生物胶囊化技术已在蛋白和酶的固定化、药物控制释放、微生物及动植物细胞大规模培养等领域得到广泛应用(郝红等,现代化工,2002，22(3):60-62)。在众多的胶囊化技术中，用褐藻胶（海藻酸盐）制备的胶囊具有制备简便、易于放大、细胞活性好等优点，已被广泛应用，然而目前褐藻胶固定化技术还存在一些问题，如褐藻胶中古罗糖醛酸含量不足及分子量低时会造成力学强度小，并且有较高的皱缩缺陷，在大粒径的胶囊中该缺陷尤为明显。文献报道（Marijnissen,WJ.et al.,Biomaterials,2002,23:1511-1517），如果褐藻胶中的古罗糖醛酸含量超过总量的70%，就能使形成的藻酸钙凝胶强度显著提高、皱缩显著降低、孔隙率高以及在一价金属离子溶液中有较高的稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含有高纯度和高分子量聚古罗糖醛酸的褐藻胶及其应用，以满足药物控制释放、蛋白和酶的固定化、微生物及动植物细胞固定化中的需要。
本发明的技术方案是：
一种含有高分子量聚古罗糖醛酸的褐藻胶，以成熟巨藻茎叶部为原料，将原料粉碎，经有机溶剂脱脂、热水提取后，收集藻渣；将藻渣经热碱提取，过滤收集上清液，经沉淀、中和、脱水和干燥后，得到含有高分子量高聚古罗糖醛酸含量的褐藻胶，聚古罗糖醛酸含量≥85mol%（摩尔百分比），分子量≥70kD。
所述聚古罗糖醛酸含量优选为85～95mol%，分子量优选为70kD～90kD。
所述褐藻胶的具体制备步骤为：
（1）选取成熟产巨藻茎叶部烘干后，于粉碎机中粉碎、过20～60目筛得到藻粉；
（2）有机溶剂脱脂、热水提取
将藻粉与有机溶剂以1:10～1:20g/ml的料液比例混合后，于80～85℃水浴回流搅拌提取2～3小时，弃去上层液，再重复脱脂2～3次，将脱脂藻粉干燥；将干燥脱脂藻粉与水以1:20～1:30g/ml的料液比例混合，于80～85℃搅拌提取2～3小时，弃去上清液，重复提取2～3次，过滤收集藻渣；
（3）热碱提取、沉淀
将热水提取后的藻渣与碱液按1:20～1:30g/ml的料液比例混合，于80～85℃下搅拌提取2～3小时，离心取上清液，重复提取2～3次，合并上清液；上清液加酸调节至体系的pH=1～3，静置离心，收集沉淀；
（4）中和、脱水和干燥
将步骤（3）得到的沉淀用碱液中和至pH=7～8，然后加入有机溶剂进行脱水后，经烘干，得到含有高分子量高聚古罗糖醛酸含量的褐藻胶。
所述步骤（2）中，有机溶剂为乙醇、甲醇或丙酮。
所述步骤（3）中，碱液为碳酸钠水溶液、碳酸钾水溶液或碳酸铵水溶液，浓度为2～10wt%；酸为盐酸、硝酸、甲酸、乙酸或硫酸，浓度为1～3mol/L。
所述步骤（4）中，碱液为氢氧化钠、氢氧化钾或氨水，浓度为1～3mol/L；有机溶剂为乙醇、甲醇、丙酮或异丙醇。
所述含有高分子量聚古罗糖醛酸的褐藻胶的应用，含有高分子量聚古罗糖醛酸的褐藻胶用于制备各种固定化细胞微胶囊，所述细胞为任何动物、植物或微生物的细胞，其中微生物为细菌、真菌或酵母。
本发明中，将褐藻胶用于细胞固定化，首先将含有细胞和氯化钙-明胶水溶液滴入低温固定浴中，形成小球；然后将小球加入到含有高分子量聚古罗糖醛酸的褐藻胶水溶液中搅拌包衣、成膜反应、交联形成胶囊；再将胶囊放置在增强液中，最后置于保存液中保存。
本发明中，褐藻胶水溶液的浓度为0.5wt%～3wt%，交联时间为0.5min～10min。
本发明中，氯化钙-明胶水溶液中，明胶的浓度为3wt%～30wt%，氯化钙的浓度为1.0wt%～20wt%；低温固定浴为10℃以下的硅油浴或植物油浴；增强液为可溶性钙盐，浓度1～5wt%，固化时间5～15分钟；保存液为去离子水、磷酸盐缓冲液、Tris缓冲液或含有可溶性钙盐的缓冲液，保存液温度和pH值视胶囊细胞不同而变化。
本发明的技术特点为：
1）本发明原料的选择上取成熟藻体茎叶部，而传统的工艺采用全部藻体，致使所得褐藻多糖结构混杂不均一，不能获得高纯度、高分子量古罗糖醛酸，本发明有效地避免了上述情况的发生。
2）本发明采用80～85wt%乙醇脱脂工艺，不但可以除去脂溶性杂质，也利于去除其它小分子杂质；传统工艺直接用稀碱提取，造成产品色泽深、杂质多。
3）本发明根据藻体中褐藻胶结构特点不同，运用分步提取工艺进行提取，即先用热水提取工艺去除岩藻糖硫酸酯和高甘露糖醛酸含量的褐藻多糖，再用2～10wt%稀碱加热搅拌提取，获得高分子量、高聚古罗糖醛酸含量的褐藻胶。
4）本发明所用高分子量古罗糖醛酸、明胶等均为天然高分子，生物相容性好，囊膜厚度适宜，有利于膜内外溶质的扩散与传递。
5）本发明通过脱脂和热水提取等工艺分步提取，可以有效将色素、无机小分子、岩藻聚糖及褐藻淀粉去除。
6）本发明在2wt%～10wt%碱液以及80～85℃温度下搅拌提取，能有效的破坏藻体细胞壁，提高产品的质量和收率。
本发明的有益效果是：
1、采用本发明工艺所得高分子量聚古罗糖醛酸产品与同类产品相比，具有原料来源丰富、安全性好，结构独特、分子量大、凝胶强度高、制备工艺简单等特点。制得的微胶囊粒径在0.5～5.0mm，有利于大规模制备和产品的回收，微胶囊的制备过程在全生理条件下进行，保证了细胞和微生物的生理活性。
2、本发明高纯度和高分子量聚古罗糖醛酸的制备方法，能够满足其在食品、医药、化工材料等领域中应用的需求，具有重要的市场应用前景。
附图说明
图1为本发明巨藻茎叶中高纯度聚古罗糖醛酸的1H-NMR图谱。
图2为本发明巨藻茎叶中高分子量聚古罗糖醛酸分子量分析图。
图3为本发明巨藻茎叶中聚古罗糖醛酸固定酵母细胞微囊图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件中所述的条件进行。除非另行定义，所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明中，所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
实施例1
选取成熟智利产巨藻（Lessonia trabeculata）茎叶部烘干后，于粉碎机中粉碎、过20目筛得到藻粉。取粉碎的藻粉100g，将藻粉与80wt%乙醇以1:10（W/V，g/ml）的比例混合后，于80℃水浴回流搅拌提取2小时，弃去上层液，再重复脱脂2次，将脱脂藻粉干燥。将干燥脱脂藻粉与水以1:20（W/V，g/ml）的比例混合，于80℃搅拌提取2小时，弃去上清液，重复提取2次，过滤收集藻渣。向热水提取后的藻渣中加入料液比为1：30（W/V，g/ml）的2wt%碳酸钠水溶液，于85℃下提取3h，离心取上清液，重复提取3次，合并上清液。上清液经2mol·L-1盐酸中和后调到pH=1，静置离心，收集沉淀。沉淀经2mol·L-1氢氧化钠中和至pH=7.5，加入乙醇脱水后烘干，得高分子量高聚古罗糖醛酸含量的褐藻胶（LTPG），得率30%，分子量78kD，经过1H-NMR分析，聚古罗糖醛酸含量91mol%。
将大肠杆菌在40℃下与明胶-氯化钙水溶液（明胶浓度为20wt%，氯化钙浓度为2wt%）均匀混合，滴入5℃硅油中冷却10min，形成小球，用100目筛网过滤收集小球。再在搅拌下将小球加入1.5wt%由本发明制得的褐藻胶（LTPG）水溶液中搅拌包衣、成膜反应2min，交联形成胶囊。将胶囊在搅拌下于2wt%氯化钙水溶液中固化10min增强膜的强度。筛网过滤，经Tris缓冲液清洗后，于Tris缓冲液中37℃恒温处理，制得含有大肠杆菌的微胶囊。
实施例2
选取成熟智利产巨藻（Lessonia trabeculata）茎叶部烘干后，于粉碎机中粉碎、过60目筛得到藻粉。取粉碎的藻粉100g，将藻粉与85wt%甲醇以1:20（W/V，g/ml）的比例混合后，于85℃水浴回流搅拌提取2小时，弃去上层液，再重复脱脂2次，将脱脂藻粉干燥。将干燥脱脂藻粉与水以1:20（W/V，g/ml）的比例混合，于85℃搅拌提取3小时，弃去上清液，重复提取2次，过滤收集藻渣。向热水提取后的藻渣中加入料液比为1：20（W/V，g/ml）的10wt%碳酸铵水溶液，于85℃下提取2h，离心取上清液，重复提取3次，合并上清液。上清液经2mol·L-1盐酸中和后调pH=3，静置离心，收集沉淀。沉淀经2mol·L-1氢氧化钠中和至pH=8，加入丙酮脱水后烘干，得含有高分子量高聚古罗糖醛酸含量的褐藻胶，得率33%，分子量81kD，经过1H-NMR分析，聚古罗糖醛酸含量92mol%。
将酵母细胞在40℃下与明胶-氯化钙水溶液（明胶浓度为25wt%，氯化钙浓度为1.5wt%）均匀混合，滴入3℃硅油中冷却10min，形成小球，用100目筛网过滤收集小球。再在搅拌下将小球加入2wt%由本发明制得的褐藻胶（LTPG）水溶液中搅拌包衣、成膜反应3min，交联形成胶囊。将胶囊在搅拌下于3wt%氯化钙水溶液中固化8min增强膜的强度。筛网过滤，经Tris缓冲液清洗后，于Tris缓冲液中37℃恒温处理，制得含有酵母细胞微胶囊。
本发明中，所述的乙醇可改用甲醇、丙酮或异丙醇；所述的盐酸可改用硝酸、甲酸、乙酸或硫酸；氢氧化钠可改用氢氧化钾或氨水。
参照Grasdalen等方法（Grasdalen H.et al.，Carbohydr.Res,1979,68:23-31），将聚古罗糖醛酸样品用稀盐酸轻微解聚，经中和，D2O交换3次，在超导核磁共振波谱仪（ECP600MHz）于80℃测定。从图1可知，所得产品聚古罗糖醛酸含量较高（>90mol%）。单体古罗糖醛酸（G）的异头氢质子信号G1为5.01ppm，表明其为α1→4链接；单体G第五位碳上的质子G5为4.40ppm；当G左右两边分别与G和M连接时，其H1化学位移为4.70ppm（记为GGM），当G两边均与M相邻时，其H1化学位移为4.67ppm（记为MGM）。单体M的异头质子当与M相邻时，其M1化学位移为4.62ppm(记为MM)，当与单体G相连时，其M1化学位移为4.65ppm（记为MG）。1H-NMR数据表明，从巨藻茎叶部能得到高分子量聚古罗糖醛酸含量的褐藻胶。
根据Grasdalen的计算公式，结合1H-NMR数据，可以得到单糖(FM和FG)，二糖片段(FMM、FMG、FGM和三聚片段(FGGG,FGGM,FMGM,FMGG)含量，从而反映出多糖的嵌段细微结构，相关数据见表1。由表1可知，采用本发明工艺所得样品的古罗糖醛酸单糖(FG)含量均90mol%以上，古罗糖醛酸二糖（FGG）均85mol%以上，表明该工艺所得样品是以均聚古罗糖醛酸为主的褐藻胶。
表1不同工艺提取的巨藻多糖细微结构比较
如图2所示，由本发明巨藻茎叶中高分子量聚古罗糖醛酸分子量分析图，可以看出，所制备的高古罗糖醛酸含量的褐藻胶多糖峰型对称、纯度高，其绝对分子量经高效凝胶渗透色谱-十八角激光散射仪（DAWN HELEOSⅡ）和示差检测器(RI)联用（HPGPC-MALLS-RI）分析为81kD，是制备高强度生物包衣及胶囊制剂等的优良材料。
如图3所示，由本发明巨藻茎叶中高分子量聚古罗糖醛酸固定酵母细胞微囊图，可以看出，所得微胶囊粒度均匀、外形完整，分散性好、厚度适中，可以进行规模化制备，用于细胞和微生物活体微胶囊制备，极大限度保持其生物活性。
Claims (10)
1.一种含有高分子量聚古罗糖醛酸的褐藻胶，其特征在于，以成熟巨藻茎叶部为原料，将原料粉碎，经有机溶剂脱脂、热水提取后，收集藻渣；将藻渣经热碱提取，过滤收集上清液，经沉淀、中和、脱水和干燥后，得到含有高分子量高聚古罗糖醛酸含量的褐藻胶，聚古罗糖醛酸含量≥85mol%，分子量≥70kD。
2.根据权利要求1所述的含有高分子量聚古罗糖醛酸的褐藻胶，其特征在于，聚古罗糖醛酸含量为85～95mol%，分子量为70kD～90 kD。
3.根据权利要求1所述的含有高分子量聚古罗糖醛酸的褐藻胶，其特征在于， 褐藻胶的具体制备步骤为：
（1）选取成熟产巨藻茎叶部烘干后，于粉碎机中粉碎、过20～60目筛得到藻粉；
（2）有机溶剂脱脂、热水提取
将藻粉与有机溶剂以1: 10～1: 20g/ml的料液比例混合后，于80～85℃水浴回流搅拌提取2～3小时，弃去上层液，再重复脱脂2～3次，将脱脂藻粉干燥；将干燥脱脂藻粉与水以1:20～1: 30g/ml的料液比例混合，于80～85℃搅拌提取2～3小时，弃去上清液，重复提取2～3次，过滤收集藻渣；
（3）热碱提取、沉淀
将热水提取后的藻渣与碱液按1:20～1: 30g/ml的料液比例混合，于80～85℃下搅拌提取2～3小时，离心取上清液，重复提取2～3次，合并上清液；上清液加酸调节至体系的pH=1～3，静置离心，收集沉淀；
（4）中和、脱水和干燥
将步骤（3）得到的沉淀用碱液中和至pH=7～8，然后加入有机溶剂进行脱水后，经烘干，得到含有高分子量高聚古罗糖醛酸含量的褐藻胶。
4.根据权利要求1所述的含有高分子量聚古罗糖醛酸的褐藻胶，其特征在于，步骤（2）中，有机溶剂为乙醇、甲醇或丙酮。
5.根据权利要求1所述的含有高分子量聚古罗糖醛酸的褐藻胶，其特征在于，步骤（3）中，碱液为碳酸钠水溶液、碳酸钾水溶液或碳酸铵水溶液，浓度为2～10wt%；酸为盐酸、硝酸、甲酸、乙酸或硫酸，浓度为1～3 mol/L。
6.根据权利要求1所述的含有高分子量聚古罗糖醛酸的褐藻胶，其特征在于，步骤（4）中，碱液为氢氧化钠、氢氧化钾或氨水，浓度为1～3 mol/L；有机溶剂为乙醇、甲醇、丙酮或异丙醇。
7.按照权利要求1所述的含有高分子量聚古罗糖醛酸的褐藻胶的应用，其特征在于，含有高分子量聚古罗糖醛酸的褐藻胶用于制备各种固定化细胞微胶囊，所述细胞为任何动物、植物或微生物的细胞。
8.按照权利要求7所述的含有高分子量聚古罗糖醛酸的褐藻胶的应用，其特征在于，将褐藻胶用于细胞固定化，首先将含有细胞和氯化钙-明胶水溶液滴入低温固定浴中，形成小球；然后将小球加入到含有高分子量聚古罗糖醛酸的褐藻胶水溶液中搅拌包衣、成膜反应、交联形成胶囊；再将胶囊放置在增强液中，最后置于保存液中保存。
9.按照权利要求8所述的含有高分子量聚古罗糖醛酸的褐藻胶的应用，其特征在于，褐藻胶水溶液的浓度为0.5wt%～3wt%，交联时间为0.5 min～10 min。
10.按照权利要求8所述的含有高分子量聚古罗糖醛酸的褐藻胶的应用，其特征在于，氯化钙-明胶水溶液中，明胶的浓度为3wt%～30wt%，氯化钙的浓度为1.0wt%～20wt%；低温固定浴为10℃以下的硅油浴或植物油浴；增强液为可溶性钙盐，浓度1～5wt%，固化时间5～15分钟；保存液为去离子水、磷酸盐缓冲液、Tris缓冲液或含有可溶性钙盐的缓冲液，保存液温度和pH值视胶囊细胞不同而变化。
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