CN110615855A - 一种生物多糖溶降解制备水溶寡聚衍生物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明“一种生物多糖溶降解制备水溶寡聚衍生物的方法”，涉及有机高分子降解技术，包括用(1)用非水聚磷酸体系溶解生物多糖，(2)加入分解剂进行水解；其中所述生物多糖与所述非水聚磷酸体系质量比为1:2～5，溶解条件为在55‑90℃下搅拌溶解1‑3小时；所述分解剂包含水和氧化剂，水解条件不高于90℃，优选为80‑90℃搅拌1‑2小时，一次性获得水溶性寡聚衍生物(单糖，寡糖及可溶性纳米线糖)；本发明，工艺简单，无三废排放，生产效率高，产品转化率大于90％，其产品可作为植物免疫刺激素，生物农药，络合载体，化妆品、功能食品、化工中间体等。
Description
技术领域
本发明涉及有机高分子降解技术，尤其涉及一种生物多糖溶降解制备水溶寡聚衍生物的方法。
背景技术
自然界包括水溶性及非水溶性生物多糖，包括纤维素、半纤维素、甲壳素、果胶、胞壁酸，壳聚糖、褐藻酸、黄原胶、透明质酸、琼脂、淀粉、葡聚糖、魔芋多糖等，黄原胶(xanthangum)是一种由野油菜黄单胞菌分泌的胞外水溶性多糖，由D-葡萄糖、D-甘露糖和D-葡萄糖醛酸构成的五糖重复单位组成。其中，两个葡萄糖单元以β-(1,4)-糖苷键相连,构成其高分子主链，而间隔的葡萄糖基上联接由β-D-甘露糖-β-D-葡萄糖醛酸-α-D-甘露糖组成的侧链。黄原胶在冷、热水中均能溶解，且在低浓度下就有较高的黏度，并对热、pH、电解质、酶、氧化剂和亲水性有机溶剂都有较高的稳定性。
近年来，寡糖和低分子量多糖所表现出的独特生物活性逐渐引起人们的重视，但是黄原胶降解及制取寡糖的研究较少，并且目前尚无商品化的黄原胶寡糖。造成这一情况的主要原因是由于黄原胶独特的分子结构和特性，导致通过降解黄原胶来制备黄原胶寡糖的难度很高。黄原胶分子的带电荷侧链反向缠绕纤维素主链，形成类似棒状的一级钢性结构,使主链不易受到酸、碱和酶的攻击；同时，黄原胶分子间靠氢键作用形成双链螺旋的二级立体结构,双链螺旋结构赋予了分子很好的抗性来抑制自由基、酸、酶或反复冻融对分子的降解。
目前降解黄原胶及其他生物多糖的方法主要有化学法和酶法。其中化学法主要是使用酸、碱、氧化剂等物质在水溶液中进行降解，但是这种方法条件剧烈，降解无规则，易生成单糖，并伴有结构变化和大量副产物产生。而酶法虽然条件温和，但是目前尚未有商品化的高效专一性酶，并且对于pH和温度等条件要求较高，难以实现工业化生产。另外需要注意的是，黄原胶水溶液在较低浓度时的粘度就已经很高，导致使用以上方法降解时黄原胶的水溶液浓度一般都不超过1％，极大影响了降解效率和成本。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种生物多糖溶降解制备水溶寡聚衍生物的方法，该方法高效低成本降解生物多糖，并大量制备寡糖及寡糖衍生物，步骤简单，成本低，并且转化率达到了90％以上。
本发明采用以下技术方案：
一种生物多糖溶降解制备水溶寡聚衍生物的方法，其特征在于，包括
(1)用非水聚磷酸体系溶解生物多糖，
(2)加入分解剂进行水解；其中所述生物多糖与所述非水聚磷酸体系质量比为1:2～5，溶解条件为在55-90℃下搅拌溶解1-3小时；所述分解剂包含水和氧化剂，水解条件不高于90℃，优选为80-90℃搅拌1-2小时。
优选地所述非水聚磷酸体系为将磷酸在反应容器中脱水而得，或将质量比为3～5:0.1～1的聚磷酸与无水甲酸按比例混合而成。
优选地其中所述生物多糖指水溶性多糖或非水溶性多糖；
所述非水溶性多糖指纤维素、半纤维素、甲壳素、果胶、胞壁酸、壳聚糖或褐藻酸中的一种多种；
所述水溶性多糖指黄原胶、透明质酸、琼脂、淀粉、葡聚糖或魔芋多糖中的一种多种。
优选地所述分解剂与非水聚磷酸体系质量比为1:1-10，优选1:1～5、1:1。
所述分解剂包含水和氧化剂，质量比为1:0.01～0.1，优选1:0.01～0.05或0.01:0.05。
优选地，所述方法还包括
(3)中和：所述水解结束后，在冰浴条件下，向反应体系加入碱溶液进行中和。
优选地所述碱溶液中的碱选自氢氧化钠，氢氧化钾和氢氧化钙中的一种或多种；所述碱溶液的质量体积比浓度为2～40％。
优选地所述方法还包括
(4)结晶过滤除杂：对中和后的溶液进行结晶过滤，取滤液对滤液再进行离心过滤，微滤或纳滤。
一种制备水溶寡聚衍生物的方法，其特征在于，步骤如下：
(1)用非水聚磷酸体系溶解生物多糖；其中所述生物多糖与所述非水聚磷酸体系质量比为1:2～5，溶解条件为在55-90℃下搅拌溶解1-3小时；
(2)加入分解剂进行水解；所述分解剂包含水和氧化剂，水解条件不高于90℃；
(3)中和：所述水解结束后，在冰浴条件下，向反应体系加入碱溶液进行中和；
(4)结晶过滤除杂：对中和后的溶液进行结晶过滤，去除磷酸盐；取滤液对滤液再进行离心过滤，微滤或纳滤，取滤液；
其中所述生物多糖指水溶性多糖或非水溶性多糖；
所述非水溶性多糖指纤维素、半纤维素、甲壳素、果胶、胞壁酸、壳聚糖或褐藻酸中的一种多种；
所述水溶性多糖指黄原胶、透明质酸、琼脂、淀粉、葡聚糖或魔芋多糖中的一种多种；
所述分解剂包含水和氧化剂，质量比为1:0.01～0.1，优选1:0.01～0.05、0.01:0.05；所述氧化剂选自过氧化氢，高锰酸钾，过氧乙酸和高碘酸中的一种或多种；
所述分解剂与非水聚磷酸体系质量比为1:1-10，优选1:1～5、1:1。
优选地，所述生物多糖为黄原胶；所得水溶寡聚衍生物重均分子量集中在1200～1600D之间，产率为90％以上；步骤如下：
(1)用非水聚磷酸体系溶解黄原胶；其中所述黄原胶与所述非水聚磷酸体系质量比为1:2～5，溶解条件为在55-90℃下搅拌溶解1-3小时；
(2)加入分解剂进行水解；所述分解剂包含水和氧化剂，水解条件为85～90℃，1-2小时；
(3)中和：所述水解结束后，在冰浴条件下，向反应体系加入氢氧化钾碱溶液进行中和；
(4)结晶过滤除杂：对中和后的溶液进行结晶过滤，去除磷酸盐；取滤液对滤液再进行纳滤。
利用本发明公开的非水磷酸体系高浓度溶降解生物大分子不止限于生物多糖，还包括蛋白质及核酸等其他高分子材料。
按照上述生物多糖溶降解制备水溶寡聚衍生物的方法制备的产物为水溶性寡糖，可作为植物生长刺激素，生物农药诱抗剂，金属络合稳定载体，化妆品，功能食品，植物疫苗等原料。
本发明公开的黄原胶寡糖的制备方法具有下述优势：
(1)本发明建立了非水磷酸体系，在温和条件(50-90摄氏度)下高浓度溶解生物大分子物质例如黄原胶，该体系中，生物多糖溶解度高达30％，极大地提高降解效率。(2)采用本申请公开的制备方法制备出的寡糖分子量分布较窄，重均分子量为1200～1900D之间；
(3)采用本申请公开的制备方法制备黄原胶寡糖的产率高，工艺简单，无三废排放，反应时间短，生产效率高，产品转化率大于85％以上；
附图说明
图1黄原胶寡糖衍生物红外吸收光谱；
图2壳寡糖衍生物红外吸收光谱
图3纤维寡糖衍生物红外吸收光谱
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不意味着限制，仅作为示例说明。
原料的购买：黄原胶(货号TX004802)，甲壳素(脱乙酰度50％)、羧甲基纤维素(CMC)、脱脂棉、氢氧化钠，氢氧化钾，氢氧化钙均购自国药集团化学试剂有限公司。
实施例1：黄原胶寡糖衍生物的制备方法1
1.非水聚磷酸体系的制备：将磷酸在反应容器中120℃脱水至水不在蒸发出为止，得到聚磷酸。
2.制备黄原胶寡糖衍生物：取500mL圆底烧瓶，加入50g黄原胶粉末，搅拌条件下缓慢加入200ml聚磷酸，在70℃条件下加热2h；再加入200g的分解剂，包含质量比为1:0.05的水和过氧化氢，在85℃搅拌水解1.5小时。反应结束后，体系形成黄棕色粘稠溶液。在冰水浴条件下，向反应体系中加入质量浓度为20％的氢氧化钾溶液将体系调至中性。之后，在冰水浴中冷却静置，析出磷酸钾晶体。
反复结晶过滤两次后，将滤液使用纳滤设备除去剩余磷酸钾。
最终得到白色黄原胶寡糖粉末，产率为91.23％。所得寡糖粉末溶于水，得透明水溶液。
3.黄原胶寡糖衍生物分子量
使用乌氏粘度仪测定黄原胶寡糖衍生物的重均分子量为1423D。
使用红外光谱仪测试寡糖分子结构，如图1所示。
实施例2:黄原胶寡糖衍生物的制备方法2
1.非水聚磷酸体系的制备：将磷酸在反应容器中120℃脱水至水不在蒸发出为止，得到聚磷酸。
2.制备黄原胶寡糖衍生物：取500mL圆底烧瓶，加入50g黄原胶粉末，搅拌条件下缓慢加入100ml聚磷酸，在90℃条件下加热1h；再加入100g的分解剂，包含质量比为1:0.01的水和过氧化氢，在80℃搅拌水解2小时。反应结束后，体系形成黄棕色粘稠溶液。在冰水浴条件下，向反应体系中加入质量浓度为2％的氢氧化钾溶液将体系调至中性。之后，在冰水浴中冷却静置，析出磷酸钾晶体。反复结晶过滤两次后，将滤液使用纳滤设备除去剩余磷酸钾。最终得到白色黄原胶寡糖粉末，产率为93.11％。所得寡糖粉末溶于水，得透明水溶液。
3.黄原胶寡糖衍生物分子量
使用凝胶渗透色谱测试寡糖分子量，测试结果显示，寡糖的平均分子量为1250D。
实施例3:黄原胶寡糖衍生物的制备方法3
1.非水聚磷酸体系的制备：将磷酸在反应容器中120℃脱水至水不在蒸发出为止，得到聚磷酸。
2.制备黄原胶寡糖衍生物：取500mL圆底烧瓶，加入50g黄原胶粉末，搅拌条件下缓慢加入250ml聚磷酸，在55℃条件下加热3h；再加入250g的分解剂，包含质量比为1:0.1的水和过氧化氢，在90℃搅拌水解1小时。反应结束后，体系形成黄棕色粘稠溶液。在冰水浴条件下，向反应体系中加入质量浓度为10％的氢氧化钾溶液将体系调至中性。之后，在冰水浴中冷却静置，析出磷酸钾晶体。反复结晶过滤两次后，将滤液使用纳滤设备除去剩余磷酸钾。最终得到白色黄原胶寡糖粉末，产率为93.09％。所得寡糖粉末溶于水，得透明水溶液。
3.黄原胶寡糖分子量衍生物
使用凝胶渗透色谱测试寡糖分子量，测试结果显示，寡糖的平均分子量为1561D。
实施例4：壳寡糖衍生物的制备方法
1.非水聚磷酸体系的制备：将磷酸在反应容器中120℃脱水至水不在蒸发出为止，得到聚磷酸。
2.制备壳寡糖衍生物：取500mL圆底烧瓶，加入40g甲壳素(脱乙酰度50％)，搅拌条件下缓慢加入200ml聚磷酸，在90℃条件下加热2h；再加入200g的分解剂，包含质量比为1:0.05的水和过氧化氢，在90℃搅拌水解1小时。反应结束后，体系形成黄棕色粘稠溶液。在冰水浴条件下，向反应体系中加入质量浓度为20％的氢氧化钾溶液将体系调至中性。之后，在冰水浴中冷却静置，析出磷酸钾晶体。反复结晶过滤两次后，将滤液使用纳滤设备除去剩余磷酸钾。最终得到淡黄色壳寡糖粉末，产率为93.43％。所得寡糖粉末溶于水，得透明水溶液。3.壳寡糖衍生物分子量：
使用乌氏粘度仪测定壳寡糖衍生物的重均分子量，测试结果显示，其平均分子量为1806D。
使用红外光谱仪测试寡糖分子结构，如图2所示。
实施例5：壳寡糖衍生物的制备方法
1.非水聚磷酸体系的制备：将磷酸在反应容器中120℃脱水至水不在蒸发出为止，得到聚磷酸。
2.制备壳寡糖衍生物：取500mL圆底烧瓶，加入40g甲壳素(脱乙酰度50％)，搅拌条件下缓慢加入200ml聚磷酸，在80℃条件下加热3h；再加入200g的分解剂，包含质量比为1:0.05的水和过氧化氢，在92℃搅拌水解1小时。反应结束后，体系形成黄棕色粘稠溶液。在冰水浴条件下，向反应体系中加入质量浓度为20％的氢氧化钾溶液将体系调至中性。之后，在冰水浴中冷却静置，析出磷酸钾晶体。反复结晶过滤两次后，将滤液使用纳滤设备除去剩余磷酸钾。
最终得到淡黄色壳寡糖衍生物粉末，产率为90.19％。所得寡糖粉末溶于水，得透明水溶液。
3.壳寡糖衍生物分子量：
使用乌氏粘度仪测定壳寡糖衍生物的重均分子量，测试结果显示，其平均分子量为1629D。
实施例6：纤维寡糖衍生物的制备方法
1.非水聚磷酸体系的制备：将磷酸在反应容器中120℃脱水至水不在蒸发出为止，得到聚磷酸。
2.制备纤维寡糖衍生物：取500mL圆底烧瓶，加入50g羧甲基纤维素(脱乙酰度50％)，搅拌条件下缓慢加入200ml聚磷酸，在60℃条件下加热3.5h；再加入200g的分解剂，包含质量比为1:0.05的水和过氧化氢，在80℃搅拌水解2小时。反应结束后，体系形成黄棕色粘稠溶液。在冰水浴条件下，向反应体系中加入质量浓度为20％的氢氧化钾溶液将体系调至中性。之后，在冰水浴中冷却静置，析出磷酸钾晶体。反复结晶过滤两次后，将滤液使用纳滤设备除去剩余磷酸钾。最终得到淡黄色纤维寡糖衍生物粉末，产率为92.41％。所得寡糖粉末溶于水，得透明水溶液。
3.纤维寡糖衍生物分子量：
使用乌氏粘度仪测定壳寡糖衍生物的重均分子量，测试结果显示，其平均分子量为1872D。
使用红外光谱仪测试寡糖分子结构，如图3所示。
实施例7：纤维寡糖衍生物的制备方法
1.非水聚磷酸体系的制备：将磷酸在反应容器中120℃脱水至水不在蒸发出为止，得到聚磷酸。
2.制备纤维寡糖衍生物：取500mL圆底烧瓶，加入40g脱脂棉，搅拌条件下缓慢加入200ml聚磷酸，在80℃条件下加热2h；再加入200g的分解剂，包含质量比为1:0.05的水和过氧化氢，在90℃搅拌水解1.5小时。反应结束后，体系形成黄棕色粘稠溶液。在冰水浴条件下，向反应体系中加入质量浓度为20％的氢氧化钾溶液将体系调至中性。之后，在冰水浴中冷却静置，析出磷酸钾晶体。反复结晶过滤两次后，将滤液使用纳滤设备除去剩余磷酸钾。最终得到淡黄色纤维糖粉末，产率为89.99％。所得淡黄色纤维糖粉末溶于水，得透明水溶液。
3.纤维寡糖衍生物分子量：
使用乌氏粘度仪测定壳寡糖衍生物的重均分子量，测试结果显示，其平均分子量为1571D。
在实施例1-7中，非水聚磷酸体系的制备采用3～5:0.1～1的聚磷酸与无水甲酸按比例混合也获得了相似的结果。
在实施例1-7中，分解剂中的氧化剂若替换为过氧化氢，高锰酸钾，过氧乙酸和高碘酸中的一个或多个的组合，也获得了相似的结果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种生物多糖溶降解制备水溶寡聚衍生物的方法，其特征在于，包括
(1)用非水聚磷酸体系溶解生物多糖，
(2)加入分解剂进行水解；其中所述生物多糖与所述非水聚磷酸体系质量比为1:2～5，溶解条件为在55-90℃下搅拌溶解1-3小时；
所述分解剂包含水和氧化剂，水解条件不高于90℃，优选为80-90℃搅拌1-2小时。
2.根据权利要求1所述的生物多糖非水酯化溶降解制备水溶寡聚衍生物的方法，其特征在于，所述非水聚磷酸体系为将磷酸在反应容器中脱水而得，或将质量比为3～5:0.1～1的聚磷酸与无水甲酸按比例混合而成。
3.根据权利要求1所述的生物多糖非水酯化溶降解制备水溶寡聚衍生物的方法，其特征在于，其中所述生物多糖指水溶性多糖或非水溶性多糖；
所述非水溶性多糖指纤维素、半纤维素、甲壳素、果胶、胞壁酸、壳聚糖或褐藻酸中的一种多种；
所述水溶性多糖指黄原胶、透明质酸、琼脂、淀粉、葡聚糖或魔芋多糖中的一种多种。
4.根据权利要求1所述的生物多糖非水酯化溶降解制备水溶寡聚衍生物的方法，其特征在于，所述分解剂与非水聚磷酸体系质量比为1:1-10，优选1:1～5或1:1；
所述分解剂包含水和氧化剂，质量比为1:0.01～0.1，优选1:0.01～0.05或0.01:0.05；所述氧化剂选自过氧化氢，高锰酸钾，过氧乙酸和高碘酸中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的生物多糖非水酯化溶降解制备水溶寡聚衍生物的方法，其特征在于，还包括(3)中和：所述水解结束后，在冰浴条件下，向反应体系加入碱溶液进行中和。
6.根据权利要求5所述的生物多糖非水酯化溶降解制备水溶寡聚衍生物的方法，其特征在于，所述碱溶液中的碱选自氢氧化钠，氢氧化钾或氢氧化钙中的一种或多种；所述碱溶液的质量体积比浓度为2～40％。
7.根据权利要求5所述的生物多糖非水酯化溶降解制备水溶寡聚衍生物的方法，其特征在于，还包括(4)结晶过滤除杂：对中和后的溶液进行结晶过滤，取滤液对滤液再进行离心过滤，微滤或纳滤。
8.一种制备水溶寡聚衍生物的方法，其特征在于，步骤如下：
(1)用非水聚磷酸体系溶解生物多糖；其中所述生物多糖与所述非水聚磷酸体系质量比为1:2～5，溶解条件为在55-90℃下搅拌溶解1-3小时；
(2)加入分解剂进行水解；所述分解剂包含水和氧化剂，水解条件不高于90℃；
(3)中和：所述水解结束后，在冰浴条件下，向反应体系加入碱溶液进行中和；
(4)结晶过滤除杂：对中和后的溶液进行结晶过滤，去除磷酸盐；取滤液对滤液再进行离心过滤，微滤或纳滤，取滤液；
其中所述生物多糖指水溶性多糖或非水溶性多糖；
所述非水溶性多糖指纤维素、半纤维素、甲壳素、果胶、胞壁酸、壳聚糖或褐藻酸中的一种多种；
所述水溶性多糖指黄原胶、透明质酸、琼脂、淀粉、葡聚糖或魔芋多糖中的一种多种；
所述分解剂包含水和氧化剂，质量比为1:0.01～0.1，优选1:0.01～0.05或0.01:0.05；所述氧化剂选自过氧化氢，高锰酸钾，过氧乙酸和高碘酸中的一种或多种；
所述分解剂与非水聚磷酸体系质量比为1:1-10，优选1:1～5、1:1。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述生物多糖为黄原胶；所得水溶寡聚衍生物重均分子量集中在1200～1600D之间，产率为90％以上；步骤如下：
(1)用非水聚磷酸体系溶解黄原胶；其中所述黄原胶与所述非水聚磷酸体系质量比为1:2～5，溶解条件为在55-90℃下搅拌溶解1-3小时；
(2)加入分解剂进行水解；所述分解剂包含水和氧化剂，水解条件为85～90℃，1-2小时；
(3)中和：所述水解结束后，在冰浴条件下，向反应体系加入氢氧化钾碱溶液进行中和；
(4)结晶过滤除杂：对中和后的溶液进行结晶过滤，去除磷酸盐；取滤液对滤液再进行纳滤，取滤液。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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