從海洋生物質中提取甲殼素納米微纖的方法與流程
2023-10-12 00:08:49 1
本發明屬於生物高分子鄰域，涉及一種甲殼素納米微纖的新型製備方法。
背景技術：
甲殼素是一種可再生、可生物降解、價廉易得的環境友好型天然高分子，在自然界中含量豐富。甲殼素有α和β兩種晶型結構，蝦殼14％-25％的α-甲殼素，蟹殼含有15％-20％的α-甲殼素，烏賊骨含有30％的β-甲殼素，從甲殼素中提取的甲殼素納米微纖長度為1-30μm，直徑在5-100nm之間。甲殼素納米微纖以其優異的力學性能(較高的楊氏模量、斷裂強度以及較低的熱膨脹性等)，良好的生物相容性、生物可降解性、可再生性和持續性，不僅廣泛應用於複合材料中的增強填料，也可以作為一種天然生物質納米材料，應用於食品包裝、醫藥、農藥添加劑等領域。日本科學家已有研究報導，利用甲殼素納米微纖的光學透明性，在甲基丙烯酸樹脂基體中加入甲殼素納米微纖，獲得光學透明的納米複合材料。由於甲殼素納米微纖的力學增強效應，樹脂的楊氏模量增加至3.0gpa以上，拉伸強度顯著增至44mpa，可以作為一種新型的生物可降解包裝材料。加拿大科學家報導了甲殼素納米微纖的手性識別性質，在相應的外消旋氨基混合物中，穀氨酸、苯丙氨酸和賴氨酸的右旋體通過甲殼素納米微纖膜的速度要快於其左旋體，這就為醫學、農藥、液晶等方面的手性化合物的拆分提供了一種新的可能，在未來甲殼素納米微纖可能會成為手性拆分膜的新替代物。
儘管甲殼素納米微纖已有廣泛研究基礎和眾多潛在應用前景，傳統的製備甲殼素納米微纖的方法仍然存在諸多缺陷：採用2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基(tempo)氧化法雖然能保證其氧化前後結晶度基本不變，但使用的化學試劑毒性高，對人體有害，產物也會部分降解成水溶性多聚醛糖，導致產率極低。並且在tempo氧化化學製備甲殼素納米微纖的過程中，甲殼素化學結構分子上c6位的羥基被氧化為羧基，部分破壞了甲殼素納米微纖的原始化學結構，不利於其後續應用；而日本和歐美開發出的高壓均質設備(日本sangyomasuko公司、美國microfluidics公司等)，雖然可以製備出化學結構穩定的甲殼素納米微纖，然而設備造價很高，核心技術被國外公司壟斷，難以在國內實驗室、工業應用廣泛推廣使用。因此，研發出一種避免高毒害試劑，簡單易行，不涉及造價高昂處理設備，結構性質穩定的甲殼素納米微纖製備方法，是突破國外技術封鎖、實現該領域核心技術自主化、推動這種生物質納米粒子在眾多領域應用的關鍵。
技術實現要素：
本發明目的在於提供一種基於連續物理機械處理從海洋生物質中提取甲殼素納米微纖的方法，製備出結構性質穩定的甲殼素納米微纖。
從海洋生物質中提取甲殼素納米微纖的方法，包括以下步驟：
1)粗甲殼素的製備：以海洋生物質為原料製得粗甲殼素；
2)溶脹：將所得粗甲殼素與正辛醇或乙二胺室溫下攪拌1～3天，過濾水洗，配成粗甲殼素水基懸浮液；
3)球磨：將所得粗甲殼素水基懸浮液放置行星式球磨機上進行球磨，使用直徑為0.25mm的球磨子進行球磨處理4～48小時，或使用直徑為0.8～1.0mm的球磨子進行球磨處理8～96小時，轉速均控制為100～400轉每分鐘；
4)搗碎：將球磨後的懸浮液放入搗碎機中，室溫下進行搗碎處理10～30分鐘；
5)過濾：將搗碎後的懸浮液用140目的濾布過濾，除去殘存的大顆粒物質，得到濾液即為製備的甲殼素納米微纖懸浮液。
按上述方案，步驟1將蝦、蟹殼粉碎得蟹殼粉，加入鹽酸，室溫攪拌1～2天，過濾水洗；加入氫氧化鉀溶液，在105℃下反應2～8小時，過濾水洗；加入亞氯酸鈉和三水合乙酸鈉水溶液中，80℃下反應1～4小時，過濾水洗；加入氫氧化鉀溶液，室溫攪拌處理1～2天，過濾水洗，乾燥後製得粗甲殼素。
按上述方案，步驟1將烏賊骨經粉碎機粉碎，直接加入氫氧化鈉溶液進行純化處理，90℃下反應1～4小時，過濾水洗；加入鹽酸，室溫攪拌4～20小時，過濾水洗，乾燥後製得粗甲殼素。
按上述方案，步驟2中粗甲殼素與正辛醇質量比為1：(10～80)；配成粗甲殼素水基懸浮液固含量為0.5～5wt％。
按上述方案，步驟2中粗甲殼素與乙二胺質量比為1：(10～80)；配成粗甲殼素水基懸浮液固含量為0.5～5wt％。
按上述方案，步驟3中甲殼素與球磨子的質量比為1：(10～60)。
本發明涉及到的溶脹處理，技術目的在於通過選擇合適的溶脹溶劑對甲殼素粗纖維產生有效「剝離」效應，降低後續球磨處理所需能耗和時間；其技術效果和機理主要包括：基於溶劑分子和甲殼素纖維化學結構上活性基團的螯合作用，插入纖維晶區分子內部，實現削弱分子間氫鍵，分離甲殼素纖維的作用。
本發明涉及到的球磨處理，技術目的在於通過匹配合適的球磨條件(包括球磨子尺寸、球磨時間、轉速)，實現甲殼素纖維的有效分離和「剪切」效應，製備直徑100納米以下的甲殼素納米微纖；其技術效果和機理主要包括：通過球磨過程中不同球磨子和接觸的甲殼素纖維相向旋轉產生的摩擦剝離效應，達到對纖維間的分離和纖維內部無定型區(不如結晶區結構穩定)的「剪切」作用。
本發明相對於現有技術的有益效果在於：
避免了傳統化學反應方法製備甲殼素納米微纖所需要的有毒有害試劑(如四甲基哌啶氮氧化物tempo等)，突破了現有物理方法製備甲殼素納米微纖需要造價高昂且高壓均質處理條件下的大型精密設備(如歐美開發的microfluidics設備、日本開發的masuko設備)，實現了通過溶脹、球磨、搗碎物理化學集成處理方法，製備出高產率、尺寸均一、在水中分散穩定的甲殼素納米微纖產品。
和現有技術相比，本發明的製備工藝相對簡便，具有常溫常壓、製備過程環保無毒害、能耗相對較低、無需大型昂貴設備(主要涉及工業中常用的價格低廉的球磨機等)、產率高(80-90％)、產品質量穩定的優勢，是一種突破國外技術封鎖、實現該領域核心技術自主化、推動甲殼素納米微纖的規模製備和工業化應用的重要技術。
附圖說明
附圖1：本發明製備的甲殼素納米微纖透射電鏡形貌圖；
附圖2：本發明製備的甲殼素納米微纖傅立葉紅外光譜圖；
附圖3：本發明對甲殼素粗纖維不進行溶脹、水溶脹、正辛醇溶脹後的x射線衍射圖。
具體實施方式
以下實施例進一步闡釋本發明的技術方案，但不作為對本方買那個保護範圍的限制。
實施例1
將蝦殼經粉碎機粉碎製得蝦殼粉，稱取30g蝦殼粉緩慢加入300g的2mol/l的鹽酸，室溫攪拌2天。反應結束後水洗5次，加入600g質量分數5％的koh溶液，105℃下反應6h。反應結束後水洗5次，將10.625g亞氯酸鈉和20.4g的三水合乙酸鈉溶於500g水中加入其中，80℃下反應2h。反應結束後水洗5次，加入300g質量分數5％的koh溶液，室溫攪拌2天，反應結束後水洗5次冷凍乾燥後即製得粗甲殼素。將質量比為1：60的粗甲殼素與正辛醇室溫下攪拌2天，反應結束後水洗5次，配成固含量為0.5％(質量分數)的水基懸浮液。甲殼素與球磨子的質量比為1：50，將上述固含量為0.5％(質量分數)的粗甲殼素懸浮液放置到行星式球磨機上進行球磨，用直徑為0.25mm的球磨子球磨48h，轉速均為250rpm。將球磨後的懸浮液放入搗碎機中每次搗碎5min，共搗碎6次，每次搗碎後冰水浴降溫。將搗碎後的樣液用140目的濾布過濾，除去仍存在的大顆粒物質，得到的濾液為含有α-甲殼素納米微纖懸浮液。
對比例1
重複實施例1，但不進行溶脹處理，其餘不變。
對比例2
重複實施例1，將正辛醇替換為水，其餘不變。
本實施例所得α-甲殼素納米微纖懸浮液透射電鏡形貌圖如圖1所示。表明採用本發明製備出的甲殼素納米微纖直徑小於100納米，長徑比高於50，尺寸均一，符合優質甲殼素納米微纖產品的標準。
本實施例所得α-甲殼素納米微纖粉末傅立葉紅外光譜圖如附圖2所示。從圖中可以觀測到歸屬於甲殼素納米微纖的羥基和醯胺基特徵譜帶，證明了製備出高純度的甲殼素納米微纖。
本實施例和對比例1、對比例2所得產品進行x射線衍射圖表徵如圖3所示。從圖中可以觀測到未經溶脹處理的粗甲殼素纖維在9.58°處表現出歸屬於020平面的結晶特徵峰。作為對比實施例，經過水溶劑溶脹處理48小時，020平面的結晶特徵峰位置沒有太大變化(9.55°)，表明如果選擇的溶脹溶劑不合適，將不能起到預期的插入剝離效應。而實施例1中採用正辛醇對甲殼素纖維進行溶脹，020平面的結晶特徵峰出現寬化現象，且向低度數遷移到7.97～9.31°。這種現象的出現證明正辛醇作為溶劑對甲殼素進行有效溶脹，且通過螯合作用插入到甲殼素纖維結晶區之間，有效剝離纖維，有利於後續球磨處理製備甲殼素納米微纖。
實施例2
將蝦殼經粉碎機粉碎得蝦殼粉，稱取30g蝦殼粉緩慢加入300g的2mol/l的鹽酸，室溫攪拌2天。反應結束後水洗5次，加入600g質量分數5％的koh溶液，105℃下反應6h。反應結束後水洗5次，將10.625g亞氯酸鈉和20.4g的三水合乙酸鈉溶於500g水中加入其中，80℃下反應2h。反應結束後水洗5次，加入300g質量分數5％的koh溶液，室溫攪拌2天，反應結束後水洗5次冷凍乾燥後即製得粗甲殼素。將質量比為1：60的粗甲殼素與乙二胺室溫下攪拌2天，反應結束後水洗5次，配成固含量為0.5wt％的水基懸浮液。甲殼素與球磨子的質量比為1：50，將上述固含量為0.5wt％的粗甲殼素懸浮液放置到行星式球磨機上進行球磨，用直徑為0.8-1.0mm的球磨子球磨96h，轉速均為250rpm。將球磨後的懸浮液放入搗碎機中每次搗碎5min，共搗碎6次，每次搗碎後冰水浴降溫。將搗碎後的樣液用140目的濾布過濾，除去仍存在的大顆粒物質，得到的濾液為含有α-甲殼素納米微纖懸浮液。
實施例3
將蟹殼經粉碎機粉碎得蟹殼粉，稱取30g蟹殼粉緩慢加入300g的2mol/l的鹽酸，室溫攪拌2天。反應結束後水洗5次，加入600g質量分數5％的koh溶液，105℃下反應6h。反應結束後水洗5次，將10.625g亞氯酸鈉和20.4g的三水合乙酸鈉溶於500g水中加入其中，80℃下反應2h。反應結束後水洗5次，加入300g質量分數5％的koh溶液，室溫攪拌2天，反應結束後水洗5次冷凍乾燥後即製得粗甲殼素。將質量比為1：60的粗甲殼素與正辛醇室溫下攪拌2天，反應結束後水洗5次，配成固含量為質量分數5％的水基懸浮液。甲殼素與球磨子的質量比為1：50，將上述固含量為質量分數5％的粗甲殼素懸浮液放置到行星式球磨機上進行球磨，用直徑為0.25mm的球磨子球磨48h，轉速均為250rpm。將球磨後的懸浮液放入:搗碎機中每次搗碎5min，共搗碎6次，每次搗碎後冰水浴降溫。將搗碎後的樣液用140目的濾布過濾，除去仍存在的大顆粒物質，得到的濾液為含有α-甲殼素納米微纖懸浮液。
實施例4
將烏賊骨經粉碎機粉碎製得烏賊骨粉，稱取20g烏賊骨粉緩慢加入100ml的1mol/l的氫氧化鈉溶液，90℃下反應2h，重複一次。反應結束後水洗5次，再加入0.1mol/l的鹽酸，室溫攪拌16h，反應結束後水洗5次冷凍乾燥後即製得粗甲殼素。將質量比為1:60的粗甲殼素與乙二胺室溫下攪拌2天，反應結束後水洗5次，配成固含量為質量分數5％的水基懸浮液。甲殼素與球磨子的質量比為1:50，將上述固含量為質量分數5％的粗甲殼素懸浮液放置到行星式球磨機上進行球磨，用直徑為0.25mm的球磨子球磨48h，轉速均為250rpm。將球磨後的懸浮液放入搗碎機中每次搗碎5min，共搗碎6次，每次搗碎後冰水浴降溫。將搗碎後的樣液用140目的濾布過濾，除去仍存在的大顆粒物質，得到的濾液為含有β-甲殼素納米微纖懸浮液。