一种均孔胺基树脂及其制备和应用方法
【技术领域】
本发明涉及新型孔结构的脱色树脂合成及天然植物有效成分分离纯化等技术领域,特别是一类孔径均匀的脱色树脂。
【背景技术】
多糖(polysaccharide)是由多个单糖分子缩合、失水而成,其通式为(C6H12O6)x。近年来的研究发现,植物多糖具有多方面的药理和生理活性,例如龚晓健等人的研究结果表明人工虫草多糖具有增强细胞免疫和体液免疫的作用(龚晓健,人工草多糖对小鼠免疫力的影响,中国药科大学学报[J],2000,31(1):53~55);石学魁等人的研究表明红花多糖具有明显的体内和体外抗肿瘤活性,可增强荷瘤鼠CTL、NK细胞的细胞毒活性(石学魁,红花多糖抗肿瘤活性及对T739肺癌鼠CTL,NK细胞杀伤活性的影响,中国中药杂志[J],2010,35(2):215~218);另外,杨伟丽(杨伟丽,刘青海带多糖对小鼠的抗衰老作用,兰州大学学报[J],2009,35(4):46~48)等人的研究发现,海带多糖可以缓解衰小鼠胸腺和脾脏的萎缩,增强巨噬细胞的吞噬能力,并提高小鼠血清中抗氧化酶的活性,证明海带多糖具有很好的抗衰老、抗氧化和增强免疫力的作用。
到目前为止,从天然植物中提取分离仍是多糖类有效成分的主要制备方法。基于多糖的亲水性结构,传统工艺以水提、醇沉为主,但是由此得到的多糖提取物中仍含有大量植物色素、鞣质等杂质,仍需其他辅助方法进行多糖粗提物的脱色,进一步提高多糖提取物的纯度、改善其色泽。由于活性炭无味、无毒、成本低、脱色容量大的优点,活性炭吸附法在天然植物提取物脱色的传统方法中应用比较广泛,但是植物来源的天然色素大多具有多酚性的阴离子结构,疏水性的活性炭吸附剂脱色效果较差,同时活性炭难以再生使用、多糖的损失严重、产物分离困难、污染较为严重等使用弊端,限制了其应用(宋显洪,粉末活性炭脱色液的微孔过滤,中国医药工业杂志[J],1999,30(6):276-278)。过氧化氢氧化法也是植物提取物脱色的传统方法之一,其脱色机理是过氧化氢将天然植物色素氧化,使得有色的杂质变为无色的成分,从表观上看提取物的颜色变浅、甚至消失,但是并未真正将杂质从提取物中除去而使其纯度有所提高,更为严重的是过氧化氢具有氧化性,有可能破坏多糖的生物活性。
近年来,吸附树脂凭借其操作简便、环境友好、生产成本低、纯化效率高等优势,在天然产物提取纯化中获得了越来越多广泛的应用,特别是在植物多糖的脱色中,吸附树脂表现出了很好的分离选择性,有些已成功用于大规模的工业化生产中([1]夏玮,吕庆,大孔吸附树脂脱色桑叶多糖的研究,食品与发酵工业[J],2007,33(2):141-144;[2]谢红旗,香菇多糖脱色工艺研究,离子交换与吸附[J],2007,23(2):158~165)。但是在实际使用中,树脂法也表现出了不可避免的局限,例如,以大孔吸附树脂为脱色树脂时,由于大孔树脂的疏水性结构,在吸附色素时也无法完全避免活性炭的缺点,例如脱色机理过于简单,对于极性的色素分子去除效率不高,较大的树脂孔径使得部分多糖分子能够扩散进入而被树脂吸附,造成多糖的损失严重。为了提高树脂的分离选择性,针对植物色素酚性结构的特点,选择阴离子交换树脂、依靠离子性作用可高选择性的吸附色素,但是离子交换树脂只依靠其离子性功能基团与色素分子作用,因而脱色容量较低。综合了大孔吸附树脂和离子交换树脂的优点,人们也开发了大孔离子交换树脂进行多糖提取物脱色的工艺(王元凤,金征宇,D315树脂分离茶多糖工艺的研究,农业工程学报[J],2005,(21):10),它兼具了两者的优点,越来越多的用于大规模的工业化生产中。但是在使用过程中,大孔离子交换树脂也表现出了明显的局限性,例如树脂的高交联骨架会导致功能基反应难以进行,功能基含量低于离子交换树脂,从而导致树脂脱色容量降低,更重要的是,大孔树脂由于孔分布的不均匀,造成树脂中部分较大的孔会截留大分子多糖,使其回收率降低,而较小的孔又会使色素的扩散受到阻碍,使脱色效率降低,并且色素难于洗脱,树脂再生困难。
【发明内容】
本发明的目地是提供一种兼具高功能基含量和高交联度的均孔胺基脱色树脂,并将其用于多糖粗提物的脱色,只经“吸附”一步工艺操作即可达到去除色素、提高多糖纯度的目的。
本发明的均孔胺基树脂,其外观特征和孔结构参数为:树脂为球形,淡黄色半透明状,粒径0.3-0.7mm,含水量为50-60%;结构如(I)所示
所述的均孔胺基树脂的制备方法,其具体步骤如下:
1).常温下将聚乙烯醇PVA或明胶溶于水中,配成水相;
2).以二乙烯苯、氯甲基化苯乙烯为聚合的单体相,以甲苯为反应溶剂,以过氧化二苯甲酰BPO为聚合反应的引发剂,将单体相、反应溶剂和引发剂混合均匀,得到聚合反应的有机相,也称油相;
3).将水相加入圆底三口瓶中,加热,将油相加入到三口瓶中;搅拌升温,停止反应,静止至室温后,将三口瓶中反应混合物过滤,得到固体球形颗粒,用大量去离子水清洗、真空干燥后,即得氯甲基化聚苯乙烯树脂,树脂结构如(II)所示:
4).在圆底三口瓶中将上述氯甲基化聚苯乙烯树脂在二氯乙烷或N,N-二甲基甲酰胺等溶剂中充分溶胀,加入二胺,开动搅拌,并加热升温后停止加热,静置至室温,将树脂滤出,大量去离子水清洗至水洗液pH值在7-8之间,将树脂离心甩干,即得到本发明的均孔胺基脱色树脂。合成过程如图1所示,树脂编号为Pn(n指功能试剂二胺中烷基数)。
步骤1)所述的聚乙烯醇PVA或明胶溶于水中,配成的水相质量浓度为0.5-2.0%。
步骤2)所述的以二乙烯苯、氯甲基化苯乙烯为聚合的单体相,其中氯甲基化苯乙烯占单体相总质量的30-80%,余量为二乙烯苯。
步骤2)所述的以过氧化二苯甲酰BPO为聚合反应的引发剂,用量为单体相总质量的0.5-2.0%。
步骤3)所述的水相在圆底三口瓶中加热至40-45℃;油相加入到三口瓶中,水相和油相的质量比为3∶1~4∶1;开动搅拌使油相在水相中分散成小油滴,调节搅拌速度至油滴尺寸在0.3-1.0mm时维持搅拌速度恒定,并以0.5℃/min的速率升温至74-78℃,保温2-5小时后,继续升温至85-90℃,保温6-10个小时。
步骤4)所述的氯甲基化聚苯乙烯树脂在二氯乙烷或N,N-二甲基甲酰胺等溶剂中充分溶胀,溶剂用量为树脂质量的5-10倍,加入二胺,用量为树脂质量的30-80%,开动搅拌,并加热升温至40-50℃反应5-10小时。
所述的均孔胺基树脂的应用方法,应用于多糖粗提物中色素的去除,其具体操作步骤如下:
1).将上述脱色树脂在水中充分溶胀后装于交换柱中;
2).取一定质量的多糖粗提物,溶于去离子水中,配成溶液,即为上柱吸附的吸附溶液;
3).室温下,将吸附溶液通过树脂柱,接收流出液,吸附完成后,用去离子水清洗树脂柱,并将水洗液与吸附流出液合并,经旋转蒸发、真空干燥后,得到固体产品,即为脱色后的多糖提取物;其外观为白色粉末,经紫外分光光度计测定,多糖收率高于90%,脱色率应高于95%。
4).将上述脱色后的树脂用盐酸、乙醇、去离子水的混合溶液清洗,用大量去离子水将树脂柱洗至中性即可。
应用方法的步骤1)所述的交换柱径、长比为1∶10-1∶30;步骤2)所述的多糖粗提物为香菇多糖、黄芪多糖或甘草多糖,溶于去离子水中,配成浓度为5-10mg/ml的溶液,即为上柱吸附的吸附溶液。步骤3)所述的3-5BV的吸附溶液以0.5-2.0BV/hr的流速通过树脂柱,接收流出液,吸附完成后,用2-5BV的去离子水清洗树脂柱;步骤4)所述的脱色后的树脂用盐酸、乙醇、去离子水的混合溶液清洗,盐酸、乙醇、去离子水的体积比为5∶30∶65;混合溶液用量为3BV。
本发明的优点和积极效果:改变了传统的以非良溶剂致孔合成大孔树脂的方法,在没有致孔剂存在下,利用功能试剂与低交联树脂骨架的二次交联反应,得到了树脂的多孔性结构,并同时实现了树脂高交联度和高功能基含量的结构要求,更为重要的是由于树脂的孔是通过功能试剂在树脂骨架上支撑形成的拟均相网孔结构,其尺寸大小受到功能试剂分子尺寸的影响,因而树脂的孔径均匀,且通过改变功能试剂的分子尺寸,我们可以对孔径进行调控,从而实现不同多糖提取物中色素高效去除的同时,多糖类有效成分得以高回收率保留。只经“吸附”一步操作,即可达到多种植物多糖粗提物中色素的脱色率高于95%,多糖回收率高于90%。该工艺环境友好、生产成本低、操作简便、脱色效率高,适于大规模工业化应用。
【附图说明】
图1是本发明的均孔胺基脱色树脂的合成路线图。
【具体实施方式】
实施例1:
新型均孔胺基树脂的合成方法:
常温下,在1000ml三口瓶中将5.0g聚乙烯醇(PVA)溶于500g水中,加热至40℃。将50g二乙烯苯、25g氯甲基化苯乙烯、75g甲苯、0.75gBPO混合均匀,配成油相。将油相加入水相中,开动搅拌并以0.5℃/min的速率升温至76℃,保温3小时,再继续升温至85℃反应10小时,停止反应,过滤,得到透明的球形固体颗粒,将其用大量去离子水清洗、真空干燥后,即得氯甲基化聚苯乙烯树脂。
在1000ml三口瓶中将71.4g干燥的氯甲基化聚苯乙烯树脂以500g二氯乙烷充分溶胀,加入1,2-乙二胺30g,开动搅拌,混合均匀后,升温至45℃,保温6小时后停止反应,将树脂滤出,用大量去离子水清洗至水洗液pH值在7-8之间即可,将树脂离心甩干,即得到本发明所需的新型均孔胺基脱色树脂,编号为P2。其外观特征和结构参数为:树脂为球形,淡黄色半透明状,粒径0.3-0.7mm,含水率为54.2%。
实施例2:
新型均孔胺基树脂的合成方法:
常温下,在1000ml三口瓶中将3.0g聚乙烯醇(PVA)溶于450g水中,加热至42℃。将40g二乙烯苯、35g氯甲基化苯乙烯、100g甲苯、1.0g BPO混合均匀,配成油相。将油相加入水相中,开动搅拌并以0.5℃/min的速率升温至75℃,保温2小时,再继续升温至87℃反应8小时,停止反应,过滤,得到透明的球形固体颗粒,将其用大量去离子水清洗、真空干燥后,即得氯甲基化聚苯乙烯树脂。
在1000ml三口瓶中将72.8g干燥的氯甲基化聚苯乙烯树脂以400g二氯乙烷充分溶胀,加入1,3-丙二胺40g,开动搅拌,混合均匀后,升温至48℃,保温8小时后停止反应,将树脂滤出,用大量去离子水清洗至水洗液pH值在7-8之间即可,将树脂离心甩干,即得到本发明所需的新型均孔胺基脱色树脂,编号为P3。其外观特征和结构参数为:树脂为球形,淡黄色半透明状,粒径0.3-0.7mm,含水率为55.7%。
实施例3:
新型均孔胺基树脂的合成方法:
常温下,在2000ml三口瓶中将15g聚乙烯醇(PVA)溶于1000g水中,加热至45℃。将100g二乙烯苯、50g氯甲基化苯乙烯、100g甲苯、2.0gBPO混合均匀,配成油相。将油相加入水相中,开动搅拌并以0.5℃/min的速率升温至78℃,保温2小时,再继续升温至89℃反应6小时,停止反应,过滤,得到透明的球形固体颗粒,将其用大量去离子水清洗、真空干燥后,即得氯甲基化聚苯乙烯树脂。
在2000ml三口瓶中将142.7g干燥的氯甲基化聚苯乙烯树脂以800g二氯乙烷充分溶胀,加入1,4-丁二胺100g,开动搅拌,混合均匀后,升温至48℃,保温10小时后停止反应,将树脂滤出,用大量去离子水清洗至水洗液pH值在7-8之间即可,将树脂离心甩干,即得到本发明所需的新型均孔胺基脱色树脂,编号为P4。其外观特征和结构参数为:树脂为球形,淡黄色半透明状,粒径0.3-0.7mm,含水率为54.6%。
实施例4:
新型均孔胺基树脂的合成方法:
常温下,在5000ml三口瓶中将40g聚乙烯醇(PVA)溶于2500g水中,加热至45℃。将140g二乙烯苯、60g氯甲基化苯乙烯、400g甲苯、4.0g BPO混合均匀,配成油相。将油相加入水相中,开动搅拌并以0.5℃/min的速率升温至75℃,保温4小时,再继续升温至90℃反应6小时,停止反应,过滤,得到透明的球形固体颗粒,将其用大量去离子水清洗、真空干燥后,即得氯甲基化聚苯乙烯树脂。
在5000ml三口瓶中将192.4g干燥的氯甲基化聚苯乙烯树脂以1500g二氯乙烷充分溶胀,加入1,5-戊二胺150g,开动搅拌,混合均匀后,升温至47℃,保温8小时后停止反应,将树脂滤出,用大量去离子水清洗至水洗液pH值在7-8之间即可,将树脂离心甩干,即得到本发明所需的新型均孔胺基脱色树脂,编号为P5。其外观特征和结构参数为:树脂为球形,淡黄色半透明状,粒径0.3-0.7mm,含水率为55.2%。
实施例5:
新型均孔胺基树脂的合成方法:
常温下,在1000ml三口瓶中将4.0g聚乙烯醇(PVA)溶于400g水中,加热至41℃。将30g二乙烯苯、20g氯甲基化苯乙烯、60g甲苯、1.0gBPO混合均匀,配成油相。将油相加入水相中,开动搅拌并以0.5℃/min的速率升温至78℃,保温5小时,再继续升温至90℃反应6小时,停止反应,过滤,得到透明的球形固体颗粒,将其用大量去离子水清洗、真空干燥后,即得氯甲基化聚苯乙烯树脂。
在1000ml三口瓶中将48.1g干燥的氯甲基化聚苯乙烯树脂以400g二氯乙烷充分溶胀,加入1,6-己二胺35g,开动搅拌,混合均匀后,升温至42℃,保温10小时后停止反应,将树脂滤出,用大量去离子水清洗至水洗液pH值在7-8之间即可,将树脂离心甩干,即得到本发明所需的新型均孔胺基脱色树脂,编号为P6。其外观特征和结构参数为:树脂为球形,淡黄色半透明状,粒径0.3-0.7mm,含水率为53.9%。
实施例6:
新型均孔胺基树脂对多糖提取物的脱色工艺:
将P2树脂在去离子水中充分溶胀后,将其装入内径12mm的玻璃交换柱中,装柱体积为30ml。取0.5g的黄芪多糖粗提物,溶于100ml去离子水中,配成5mg/ml的吸附溶液。以60ml/hr的流速将吸附溶液通过树脂柱,同时接收流出液,吸附完成后,用60ml的去离子水清洗树脂柱,并将水洗液与吸附流出液合并,经旋转蒸发、真空干燥后,得到固体产品,即为脱色后的多糖提取物,其外观为白色粉末,经紫外分光光度计测定,多糖收率为92.3%,脱色率为95.7%。
将上述脱色后的树脂用盐酸、乙醇、去离子水(体积比为5∶30∶65)的混合溶液90ml清洗后,以大量去离子水将树脂柱洗至中性,即可进行下一个周期的脱色试验。
实施例7:
新型均孔胺基树脂对多糖提取物的脱色工艺:
将P3树脂在去离子水中充分溶胀后,将其装入内径14mm的玻璃交换柱中,装柱体积为50ml。取1.0g的香菇多糖粗提物,溶于200ml去离子水中,配成5mg/ml的吸附溶液。以80ml/hr的流速将吸附溶液通过树脂柱,同时接收流出液,吸附完成后,用120ml的去离子水清洗树脂柱,并将水洗液与吸附流出液合并,经旋转蒸发、真空干燥后,得到固体产品,即为脱色后的多糖提取物,其外观为白色粉末,经紫外分光光度计测定,多糖收率为91.9%,脱色率为96.2%。
将上述脱色后的树脂用盐酸、乙醇、去离子水(体积比为5∶30∶65)的混合溶液200ml清洗后,以大量去离子水将树脂柱洗至中性,即可进行下一个周期的脱色试验。
实施例8:
新型均孔胺基树脂对多糖提取物的脱色工艺:
将P4树脂在去离子水中充分溶胀后,将其装入内径18mm的玻璃交换柱中,装柱体积为100ml。取4.0g的香菇多糖粗提物,溶于400ml去离子水中,配成10mg/ml的吸附溶液。以100ml/hr的流速将吸附溶液通过树脂柱,同时接收流出液,吸附完成后,用300ml的去离子水清洗树脂柱,并将水洗液与吸附流出液合并,经旋转蒸发、真空干燥后,得到固体产品,即为脱色后的多糖提取物,其外观为白色粉末,经紫外分光光度计测定,多糖收率为90.8%,脱色率为95.4%。
将上述脱色后的树脂用盐酸、乙醇、去离子水(体积比为5∶30∶65)的混合溶液400ml清洗后,以大量去离子水将树脂柱洗至中性,即可进行下一个周期的脱色试验。
实施例9:
新型均孔胺基树脂对多糖提取物的脱色工艺:
将P5树脂在去离子水中充分溶胀后,将其装入内径30mm的玻璃交换柱中,装柱体积为500ml。取12g的甘草多糖粗提物,溶于2000ml去离子水中,配成6mg/ml的吸附溶液。以300ml/hr的流速将吸附溶液通过树脂柱,同时接收流出液,吸附完成后,用1000ml的去离子水清洗树脂柱,并将水洗液与吸附流出液合并,经旋转蒸发、真空干燥后,得到固体产品,即为脱色后的多糖提取物,其外观为白色粉末,经紫外分光光度计测定,多糖收率为91.4%,脱色率为95.8%。
将上述脱色后的树脂用盐酸、乙醇、去离子水(体积比为5∶30∶65)的混合溶液1000ml清洗后,以大量去离子水将树脂柱洗至中性,即可进行下一个周期的脱色试验。
实施例10:
新型均孔胺基树脂对多糖提取物的脱色工艺:
将P6树脂在去离子水中充分溶胀后,将其装入内径50mm的玻璃交换柱中,装柱体积为1000ml。取15g的甘草多糖粗提物,溶于3000ml去离子水中,配成5mg/ml的吸附溶液。以500ml/hr的流速将吸附溶液通过树脂柱,同时接收流出液,吸附完成后,用2000ml的去离子水清洗树脂柱,并将水洗液与吸附流出液合并,经旋转蒸发、真空干燥后,得到固体产品,即为脱色后的多糖提取物,其外观为白色粉末,经紫外分光光度计测定,多糖收率为91.2%,脱色率为95.4%。
将上述脱色后的树脂用盐酸、乙醇、去离子水(体积比为5∶30∶65)的混合溶液2500ml清洗后,以大量去离子水将树脂柱洗至中性,即可进行下一个周期的脱色试验。