一種殼聚糖交聯醇溶蛋白的製備方法與流程
2023-09-12 05:09:45 1
本發明屬於新材料技術領域，具體涉及一種殼聚糖交聯醇溶蛋白的製備方法。
二、
背景技術：
新材料產業是國家重點發展的戰略性新興產業，是所有戰略性新興產業發展的基礎和先導。而合成可替代石化資源的新型天然高分子複合材料則成為研發重點和熱點，是高分子材料領域未來發展的主流方向之一，因而具有非常重要的緊迫性、科學性和應用潛力。
殼聚糖系甲殼素N-脫乙醯基產物，其結構為2-乙醯氨基-2-脫氧-D-吡喃葡萄糖和2-氨基-2-脫氧-D-吡喃葡萄糖通過β-(1，4)糖苷鍵連接的線性聚合物。甲殼素和殼聚糖具有眾多獨特的物理化學性質和生物活性，如陽離子聚電解質性、多功能基反應活性、抗菌性、成膜性、生物相容性以及生物可降解性等，其分子結構中含有氨基、羥基、乙醯氨基、氧橋以及富含電子的吡喃環等活性基團，在特定條件下，能發生水解、烷基化、醯基化、羧甲基化、磺化、硝化、滷化、氧化、還原、縮合和絡合等化學反應。目前殼聚糖及其衍生物在醫藥、食品、功能材料、化妝品、農業、環保、日用化學品基生物技術等諸多領域顯示出廣闊的應用前景。但是，殼聚糖及其衍生物也存在著脆性大、刺激性強的缺點，需對其進行改性修飾，方可用於更加廣泛的領域或場所。
醇溶蛋白主要存在於植物的種子，因溶於50～90％的乙醇溶液而得其名。由於富含穀氨醯胺殘基，不溶於水，醇溶蛋白目前僅用於做藥片的包膜材料或用於製作日化用原料或飼料原料，用途及其有限，附加值極低。
殼聚糖和醇溶蛋白均富含游離伯胺基，戊二醛是一種常用的雙官能團試劑，其含有兩個醛基，醛基有利於親核試劑的攻擊，從理論上講，在適宜條件下，戊二醛上的醛基可與醇溶蛋白的穀氨醯胺基以及殼聚糖的游離伯氨基形成席夫鹼結構，形成新型聚合物，該新型聚合物不僅結合殼聚糖和醇溶蛋白的優良性質，特別是抗菌性和成膜性，而且具備熱加工成型和可降解的新型功能，可用於製備紡織纖維等更廣泛的領域。因此，合成殼聚糖修飾的醇溶蛋白基新型複合材料很有必要。
現有製備殼聚糖衍生物的方法，例如2006年公開的重慶大學碩士論文「殼聚糖-明膠共聚物的MTGase催化合成及表徵」，該論文公開的方法是採用市售粗微生物轉穀氨醯胺酶粉(MTGase)為原料，先對市售粗MTGase進行純化，然後通過純化的MTGase催化殼聚糖的伯氨基與明膠穀氨醯胺基發生轉穀氨醯胺反應而交聯，該方法的缺點是：①由於MTGase是蛋白質，所以其催化作用條件有一定限制，特別是當催化體系中含有抑制劑(或失活劑)時，將大大減弱酶的催化活力，因而其交聯效率差；②酶的價格較高，通過採用市售粗酶進行純化提取，但其純化過程工作量大，過程繁瑣，不利於實現工業化。
又例如，申請號為CN200610034875.9、名稱為「酶解小麥麵筋蛋白與多糖交聯聚合的方法」的發明專利，該專利公開了一種酶解小麥麵筋蛋白與多糖交聯聚合的方法，包括：(1)小麥麵筋蛋白酶解；(2)酶解小麥麵筋蛋白與多糖交聯共聚，得到共聚物；(3)分離共聚物，離心除去不溶解部分，得到可溶部分，將可溶部分濃縮至濃度為25～30％，噴霧乾燥。該方法的缺點是：①利用超聲波輔助法交聯，其反應不容易控制、有副反應發生，而且微波反應器價格昂貴，只能限制在實驗室小規模合成上，難於大規模工業化生產；②小麥麵筋中蛋白質含量為70％左右，尚含有大量澱粉，酶解小麥麵筋蛋白後，還有大量澱粉尚沒有利用，浪費了大量資源；③利用磷酸緩衝溶液來酶解小麥麵筋蛋白，磷酸緩衝溶液的處理會增加成本，而且對環境造成汙染。
三、
技術實現要素：
本發明的目的是針對現有製備糖類交聯蛋白質衍生物方法的不足之處，提供一種殼聚糖交聯醇溶蛋白的製備方法，用本發明製備殼聚糖交聯醇溶蛋白不僅保持了醇溶蛋白良好的親和性，而且還增加了良好的抗菌性，製備出的殼聚糖交聯醇溶蛋白具有抗菌、親膚等特性，可應用於紡織、服裝、食品等領域。
本發明的主要原理是：利用殼聚糖含有大量親水羥基和氨基，醇溶蛋白分子鏈中也含有大量的游離氨基，這些氨基有一孤對電子，具有很強的親核性，而戊二醛是一種常用的雙官能團試劑，其含有兩個醛基，醛基有利於親核試劑的攻擊，而殼聚糖與醇溶蛋白上的氨基具有很強親核性，因此二醛物質上的醛基可以與殼聚糖和醇溶蛋白的氨基形成席夫鹼結構，從而將殼聚糖和醇溶蛋白成功交聯，交聯主要是分子間發生。
本發明的目的是這樣實現的：一種殼聚糖交聯醇溶蛋白的製備方法，以乾燥大米渣或麥朊粉或玉米蛋白粉以及殼聚糖為原料，經過製備醇溶蛋白溶液、配製殼聚糖溶液、製備殼聚糖交聯醇溶蛋白反應液和製備殼聚糖交聯醇溶蛋白共聚物的步驟，製備出交聯率達55～65％的黃褐色殼聚糖交聯醇溶蛋白共聚物。其具體的工藝步驟如下：
(1)製備醇溶蛋白溶液
將乾燥大米渣或麥朊粉或玉米蛋白粉分散於體積濃度為70～85％的乙醇溶液中，在100～120r/min的轉速下攪拌處理30～40min，其中乾燥大米渣或麥朊粉或玉米蛋白粉的質量與體積濃度為70～85％的乙醇溶液的體積之比為1∶8～10(kg/L)。處理完成後進行抽濾，分別收集濾液和濾渣，對收集的濾渣，用於製備飼料添加劑；對收集的濾液，在溫度為50～60℃、真空度為0.09～0.1MPa的條件下進行真空濃縮，直至濃縮液無乙醇味時止，然後加入乙二醇進行處理，處理時間為20～30min，其中濃縮液與乙二醇的體積比為1∶2～4(L/L)。處理完成後，即製備出醇溶蛋白溶液，用於製備殼聚糖交聯醇溶蛋白反應液。
(2)配製殼聚糖溶液
按照殼聚糖質量與質量分數為0.5～1.5％的HCL水溶液體積之比為1∶20～40(kg/L)的比例，將分子量為30～50KDa的殼聚糖在攪拌下溶解於該HCL水溶液中，再按照殼聚糖質量與乙二醇體積之比為1∶5～15(kg/L)的比例，加入乙二醇，混合均勻後，即製備出殼聚糖溶液，用於下步製備殼聚糖交聯醇溶蛋白反應液。
(3)製備殼聚糖交聯醇溶蛋白反應液
第(1)和(2)步完成後，先按照殼聚糖溶液與醇溶蛋白溶液的體積之比為1∶1～3(L/L)的比例，將第(1)和(2)步製備出的兩種溶液混合均勻，再按照戊二醛與殼聚糖溶液體積之比為1∶100～200(L/L)的比例，加入戊二醛溶液，其中戊二醛溶液中戊二醛的質量百分濃度為25％～50％。接著升溫到40～50℃，反應1～2h，就製備出殼聚糖交聯醇溶蛋白反應液，用於下步製備殼聚糖交聯醇溶蛋白共聚物。
(4)製備殼聚糖交聯醇溶蛋白共聚物
第(3)步完成後，將第(3)步製備的殼聚糖交聯醇溶蛋白反應液泵入真空過濾器中進行抽濾，分別收集濾液和濾渣。對收集的濾液，用於回收乙二醇；對收集的濾渣，用體積百分濃度為80～95％的乙醇洗滌，其中濾渣質量與體積百分濃度為80～95％的乙醇體積之比為1∶6～8(kg/L)。洗滌完成後再次泵入真空過濾器中進行抽濾，分別收集濾液和濾渣。對收集的濾液，含未反應的醇溶蛋白，回收乙醇後可用於下批次製備醇溶蛋白溶液；對收集的濾渣，送入真空乾燥箱中，在溫度為50～60℃、真空度為40～50Pa的條件下進行真空乾燥24～30h，即製備出黃褐色的殼聚糖交聯醇溶蛋白共聚物，其總收得率達到56.3％～64.8％。
本發明採用上述技術方案後，主要有以下效果：
1、本發明使殼聚糖與醇溶蛋白通過戊二醛形成席夫鹼而連接，交聯率高、交聯穩定性好，交聯產物具有良好的親膚性；
2、採用醇溶蛋白乙二醇溶液和殼聚糖HCl水溶液，乙二醇與水互溶，在液-液反應條件下，傳質阻力較低，殼聚糖容易與醇溶蛋白進行反應，交聯率達55～65％；
3、由於殼聚糖具有抗菌性，交聯率高，抗菌位點多，因此抗菌性強。例如該殼聚糖交聯醇溶蛋白共聚物對大腸桿菌的抗菌性達到41.7％；
4、該交聯反應條件溫和，操作簡便，所用原料易得，生產成本低廉，綠色環保，製備出的殼聚糖交聯醇溶蛋白可廣泛應用於紡織、服裝、食品等領域，具有巨大的社會與經濟價值；
5、該殼聚糖交聯醇溶蛋白共聚物熔程為162～163℃，具備熱加工成型的特點，可用於製備紡織纖維等更廣泛的領域。
四、具體實施方式
下面結合具體實施方式，進一步說明本發明。
實施例1
一種殼聚糖交聯醇溶蛋白的製備方法，其具體的工藝步驟如下：
(1)製備醇溶蛋白溶液
將乾燥大米渣分散於體積濃度為70％的乙醇溶液中，在100r/min的轉速下攪拌處理30min，其中乾燥大米渣的質量與體積濃度為70％的乙醇溶液的體積之比為1∶8(kg/L)。處理完成後進行抽濾，分別收集濾液和濾渣，對收集的濾渣，用於製備飼料添加劑；對收集的濾液，在溫度為50℃、真空度為0.09MPa的條件下進行真空濃縮，直至濃縮液無乙醇味時止，然後加入乙二醇進行處理，處理時間為20min，其中濃縮液與乙二醇的體積比為1∶2(L/L)。處理完成後，即製備出醇溶蛋白溶液，用於製備殼聚糖交聯醇溶蛋白反應液。
(2)配製殼聚糖溶液
按照殼聚糖質量與質量分數為0.5％的HCL水溶液體積之比為1∶20(kg/L)的比例，將分子量為30～50KDa的殼聚糖在攪拌下溶解於該HCL水溶液中，再按照殼聚糖質量與乙二醇體積之比為1∶5(kg/L)的比例，加入乙二醇，混合均勻後，即製備出殼聚糖溶液，用於下步製備殼聚糖交聯醇溶蛋白反應液。
(3)製備殼聚糖交聯醇溶蛋白反應液
第(1)和(2)步完成後，先按照殼聚糖溶液與醇溶蛋白溶液的體積之比為1∶1(L/L)的比例，將第(1)和(2)步製備出的兩種溶液混合均勻，再按照戊二醛與殼聚糖溶液體積之比為1∶100(L/L)的比例，加入戊二醛溶液，其中戊二醛溶液中戊二醛的質量百分濃度為25％。接著升溫到40℃，反應1h，就製備出殼聚糖交聯醇溶蛋白反應液，用於下步製備殼聚糖交聯醇溶蛋白共聚物。
(4)製備殼聚糖交聯醇溶蛋白共聚物
第(3)步完成後，將第(3)步製備的殼聚糖交聯醇溶蛋白反應液泵入真空過濾器中進行抽濾，分別收集濾液和濾渣。對收集的濾液，用於回收乙二醇；對收集的濾渣，用體積百分濃度為80％的乙醇洗滌，其中濾渣質量與體積百分濃度為80％的乙醇體積之比為1∶6(kg/L)。洗滌完成後再次泵入真空過濾器中進行抽濾，分別收集濾液和濾渣。對收集的濾液，含未反應的醇溶蛋白，回收乙醇後可用於下批次製備醇溶蛋白溶液；對收集的濾渣，送入真空乾燥箱中，在溫度為50℃、真空度為40Pa的條件下進行真空乾燥24h，即製備出黃褐色的殼聚糖交聯醇溶蛋白共聚物，其總收得率達到56.3％。
實施例2
一種殼聚糖交聯醇溶蛋白的製備方法，其具體的工藝步驟如下：
(1)製備醇溶蛋白溶液
將麥朊粉分散於體積濃度為80％的乙醇溶液中，在110r/min的轉速下攪拌處理35min，其中麥朊粉的質量與體積濃度為80％的乙醇溶液的體積之比為1∶9(kg/L)。處理完成後進行抽濾，分別收集濾液和濾渣，對收集的濾渣，用於製備飼料添加劑；對收集的濾液，在溫度為55℃、真空度為0.095MPa的條件下進行真空濃縮，直至濃縮液無乙醇味時止，然後加入乙二醇進行處理，處理時間為25min，其中濃縮液與乙二醇的體積比為1∶3(L/L)。處理完成後，即製備出醇溶蛋白溶液，用於製備殼聚糖交聯醇溶蛋白反應液。
(2)配製殼聚糖溶液
按照殼聚糖質量與質量分數為1％的HCL水溶液體積之比為1∶30(kg/L)的比例，將分子量為30～50KDa的殼聚糖在攪拌下溶解於該HCL水溶液中，再按照殼聚糖質量與乙二醇體積之比為1∶10(kg/L)的比例，加入乙二醇，混合均勻後，即製備出殼聚糖溶液，用於下步製備殼聚糖交聯醇溶蛋白反應液。
(3)製備殼聚糖交聯醇溶蛋白反應液
第(1)和(2)步完成後，先按照殼聚糖溶液與醇溶蛋白溶液的體積之比為1∶2(L/L)的比例，將第(1)和(2)步製備出的兩種溶液混合均勻，再按照戊二醛與殼聚糖溶液體積之比為1∶150(L/L)的比例，加入戊二醛溶液，其中戊二醛溶液中戊二醛的質量百分濃度為50％。接著升溫到45℃，反應1.5h，就製備出殼聚糖交聯醇溶蛋白反應液，用於下步製備殼聚糖交聯醇溶蛋白共聚物。
(4)製備殼聚糖交聯醇溶蛋白共聚物
第(3)步完成後，將第(3)步製備的殼聚糖交聯醇溶蛋白反應液泵入真空過濾器中進行抽濾，分別收集濾液和濾渣。對收集的濾液，用於回收乙二醇；對收集的濾渣，用體積百分濃度為90％的乙醇洗滌，其中濾渣質量與體積百分濃度為90％的乙醇體積之比為1∶7(kg/L)。洗滌完成後再次泵入真空過濾器中進行抽濾，分別收集濾液和濾渣。對收集的濾液，含未反應的醇溶蛋白，回收乙醇後可用於下批次製備醇溶蛋白溶液；對收集的濾渣，送入真空乾燥箱中，在溫度為55℃、真空度為45Pa的條件下進行真空乾燥27h，即製備出黃褐色的殼聚糖交聯醇溶蛋白共聚物，其總收得率達到61.6％。
實施例3
一種殼聚糖交聯醇溶蛋白的製備方法，其具體的工藝步驟如下：
(1)製備醇溶蛋白溶液
將玉米蛋白粉分散於體積濃度為85％的乙醇溶液中，在120r/min的轉速下攪拌處理40min，其中玉米蛋白粉的質量與體積濃度為85％的乙醇溶液的體積之比為1∶10(kg/L)。處理完成後進行抽濾，分別收集濾液和濾渣，對收集的濾渣，用於製備飼料添加劑；對收集的濾液，在溫度為60℃、真空度為0.1MPa的條件下進行真空濃縮，直至濃縮液無乙醇味時止，然後加入乙二醇進行處理，處理時間為30min，其中濃縮液與乙二醇的體積比為1∶4(L/L)。處理完成後，即製備出醇溶蛋白溶液，用於製備殼聚糖交聯醇溶蛋白反應液。
(2)配製殼聚糖溶液
按照殼聚糖質量與質量分數為1.5％的HCL水溶液體積之比為1∶40(kg/L)的比例，將分子量為30～50KDa的殼聚糖在攪拌下溶解於該HCL水溶液中，再按照殼聚糖質量與乙二醇體積之比為1∶15(kg/L)的比例，加入乙二醇，混合均勻後，即製備出殼聚糖溶液，用於下步製備殼聚糖交聯醇溶蛋白反應液。
(3)製備殼聚糖交聯醇溶蛋白反應液
第(1)和(2)步完成後，先按照殼聚糖溶液與醇溶蛋白溶液的體積之比為1∶3(L/L)的比例，將第(1)和(2)步製備出的兩種溶液混合均勻，再按照戊二醛與殼聚糖溶液體積之比為1∶200(L/L)的比例，加入戊二醛溶液，其中戊二醛溶液中戊二醛的質量百分濃度為25％。接著升溫到50℃，反應2h，就製備出殼聚糖交聯醇溶蛋白反應液，用於下步製備殼聚糖交聯醇溶蛋白共聚物。
(4)製備殼聚糖交聯醇溶蛋白共聚物
第(3)步完成後，將第(3)步製備的殼聚糖交聯醇溶蛋白反應液泵入真空過濾器中進行抽濾，分別收集濾液和濾渣。對收集的濾液，用於回收乙二醇；對收集的濾渣，用體積百分濃度為95％的乙醇洗滌，其中濾渣質量與體積百分濃度為95％的乙醇體積之比為1∶8(kg/L)。洗滌完成後再次泵入真空過濾器中進行抽濾，分別收集濾液和濾渣。對收集的濾液，含未反應的醇溶蛋白，回收乙醇後可用於下批次製備醇溶蛋白溶液；對收集的濾渣，送入真空乾燥箱中，在溫度為60℃、真空度為50Pa的條件下進行真空乾燥30h，即製備出黃褐色的殼聚糖交聯醇溶蛋白共聚物，其總收得率達到64.8％。