CN107141370B - 一种制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素冻干粉的方法 - Google Patents

一种制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素冻干粉的方法 Download PDF

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Abstract

一种制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素冻干粉的方法，属于日化用功能添加剂技术领域。本发明以壳寡糖和原花青素为原料，经过制备羟丙基壳寡糖溶液、制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素溶液、制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素脱盐浓缩溶液及制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素冻干粉的步骤，制备出一种既具备抗紫外线、抗辐射、抗衰老、螯合重金属、增白、保湿等活性，又具备抗菌性的多重功能新产品，其收得率以原花青素计为93～99％。本发明操作简便，所用生产设备易购置，充分利用原料资源，生产成本低，便于推广应用，采用本发明方法制备出的产品，可广泛应用于日化领域，如护肤、口红等化妆品及食品和保健品等表面涂膜或抗菌、抗辐射材料中。

Description

一种制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素冻干粉的方法
一、技术领域
本发明属于日化用功能添加剂技术领域，具体涉及一种制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素冻干粉的方法。
二、背景技术
设计、制备具备多重功能、无毒害且可生物降解的新材料对食品日化等行业有重要意义，具有明确的应用价值和巨大的经济效益。原花青素系多酚化合物，广泛存在于各种植物中，溶于水、甲醇和乙醇等小分子有机溶剂。原花青素具备抗紫外线、抗辐射、抗衰老、螯合重金属、增白、保湿等活性，对多种因素造成的皮肤老化都有独特的功效，逐渐应用于功能性日化品和保健品中。虽然原花青素具备上述诸多优良性能，但是其本身可作为能被微生物利用的供氢体，故抗菌性质较差。此外，原花青素聚合度大于5以上时，其水溶性明显下降。因此，若能够对原花青素进行接枝改性，接上既具有抗菌能力、又能打破原花青素母核之间超强氢键作用、增加水溶解性的基团，就可以制备出既保持原花青素主要功能特性、又具有抗菌性的多功能新材料。
壳寡糖又名低聚壳聚糖，是聚合度在2～20之间、分子量≤3200Da的由氨基葡萄糖构成的寡糖产品。壳寡糖分子中的C2伯氨基在生理pH及以下区间主要带正电荷，既可中和微生物细胞表面的负电荷而影响微生物生长，表现出抗菌特性，又可以通过分子之间正电荷相互排斥作用而破坏原花青素母核间的超强氢键，从而可增强其水溶性。因此，若能将原花青素与壳寡糖进行交联，就可以制备出水溶性好，抗菌性优异，可用在食品、日化和饲料等领域的新型多功能材料。
现有关于原花青素接枝交联的技术，如2015年2月《江苏医药》第24卷第4期刊登的论文《改性京尼平交联壳聚糖人工神经导管的柔韧性和机械强度》，该文介绍了用京尼平将壳聚糖和原花青素交联成人工神经导管的方法。由于京尼平系栀子苷水解产物，通过亲核反应与蛋白质或壳聚糖伯氨基形成衍生物，该反应虽然温和，但京尼平价格昂贵，每克高达数百元；而且，在弱碱性条件下壳聚糖早已凝固，因此，交联反应的传递阻力大，效率低；特别是京尼平分子体积大，不溶于水，未交联者可能夹杂在交联物中，产生副反应或副作用。因此，该方法难以用于规模化生产。又如2012年10月《皮革科学与工程杂志》第22卷第5期发刊登的论文《原花青素交联脱细胞猪真皮基质的研究》，该论文介绍了以原花青素直接交联脱细胞猪真皮基质的方法，该法的不足之处是：原花青素作为一种植物单宁，与以蛋白质为主要成分的脱细胞猪真皮基质的交联将形成蛋白质原花青素不溶物。由于蛋白质变性而不溶解，丧失了功能特性，因此，该方法制备的原花青素交联物的应用受到极大限制。
三、发明内容
本发明的目的是针对现有原花青素交联衍生物制备方法的不足，提供一种制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素冻干粉的方法，该法具有操作简单、耗能低、产品纯度高、产品具备抗紫外线抗菌等多重功能、无副产物、生产成本低、易于推广等特点。
本发明的主要原理是：壳寡糖溶于水，其游离伯氨基氢原子在酸性条件下可被环氧氯丙烷的氯取代，生成羟丙基壳寡糖；低聚原花青素有游离羟基，在碱性条件下可与环氧基团发生醚化反应，因此，在碱性条件下，用羟丙基壳寡糖与低聚原花青素反应，即生成接枝壳寡糖低聚原花青素；接枝壳寡糖低聚原花青素分子中既保持有大量酚羟基，又新增加了壳寡糖，因此仍保持其抗紫外线、抗辐射、抗衰老、螯合重金属、增白、保湿等活性，又具备了抗菌性，成为具备多重功能的新材料。
本发明目的是这样实现的：一种制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素冻干粉的方法，以壳寡糖和原花青素为原料，经过制备羟丙基壳寡糖溶液、制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素溶液、制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素脱盐浓缩溶液及制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素冻干粉的步骤，就制备出收得率以原花青素计为93～99％的接枝羟丙基壳寡糖原花青素冻干粉产品。其具体工艺步骤如下：
(1)制备羟丙基壳寡糖溶液
首先按照壳寡糖质量与纯净水体积之比为1∶4～19kg/L的比例，将市售平均分子量为500～1500Da的壳寡糖用纯净水溶解，配制成壳寡糖质量百分浓度为5～20％的壳寡糖溶液。再用稀盐酸调节该溶液的pH值为3～4.5，接着在80～120r/min的搅拌速度下将该溶液升温至80～100℃，按照环氧氯丙烷的体积与质量百分浓度为5～20％的壳寡糖溶液的体积之比为1∶25～50L/L的比例加入环氧氯丙烷，在温度为80～100℃、搅拌速度为80～120r/min的条件下进行取代反应60～120min，就制备出羟丙基壳寡糖溶液，用于下步制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素溶液。
(2)制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素溶液
第(1)步完成后，先将第(1)步制备的羟丙基壳寡糖溶液用质量百分浓度为40～50％的氢氧化钠溶液调节pH值为9～11，再按照第(1)步加入环氧氯丙烷的体积与平均分子量为290～1450Da的原花青素质量之比为1∶1～5L/kg的比例，在80～120r/min的搅拌速度下加入原花青素，控制温度为80～100℃、pH值为9～11进行醚化反应2～4h。醚化反应完成后，用稀盐酸调节反应液的pH至4.5～5.5，就制备出接枝羟丙基壳寡糖原花青素溶液，用于下步制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素脱盐浓缩溶液。
(3)制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素脱盐浓缩溶液
第(2)步完成后，将第(2)步制备的接枝羟丙基壳寡糖原花青素溶液泵入纳滤器中，用截留分子量为200～1000Da的纳滤膜，在表压为0.5～0.8MPa下进行第一次纳滤脱盐浓缩，直至第一次纳滤滤过液与截留液的体积之比为7∶3～9∶1L/L时停止第一次纳滤。分别收集第一次纳滤截留液和第一次纳滤滤过液，对收集的第一次纳滤滤过液，泵送至废水处理站进行生化处理，达标后排放；对收集的第一次纳滤截留液，加入该截留液体积7～9倍的纯净水，进行第二次纳滤脱盐浓缩，直至第二次纳滤滤过液与截留液的体积比为7∶3～9∶1L/L时停止第二次纳滤。第二次纳滤脱盐浓缩的纳滤膜截留分子量及纳滤表压，均与第一次纳滤相同。第二次纳滤完成后，分别收集第二次纳滤滤过液和截留液，对收集的第二次纳滤滤过液，泵送至废水处理站进行生化处理，达标后排放；对收集的第二次纳滤截留液，即为接枝羟丙基壳寡糖原花青素脱盐浓缩溶液，用于下步制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素冻干粉。
(4)制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素冻干粉
第(3)步完成后，将第(3)步制备的接枝羟丙基壳寡糖原花青素脱盐浓缩溶液置于-40～-20℃的冰箱中进行预冻6～12h，再转移至真空冷冻干燥机中，在温度为-50～-40℃、真空度为20～50Pa的条件下进行冷冻干燥24～36h，就制备出接枝羟丙基壳寡糖原花青素冻干粉。该冻干粉的收得率以原花青素计为93～99％。
本发明采用上述技术方案后，主要有以下效果：
1、本发明以原花青素和壳寡糖为原料，通过环氧氯丙烷制备一种既具备抗紫外线、抗辐射、抗衰老、螯合重金属、增白、保湿等活性，又具备抗菌性的多重功能新材料。该材料在水溶液中的溶解度为5～20％，有明显的成膜性。
2、本发明制备的接枝羟丙基壳寡糖原花青素冻干粉具有多种功能性质，其质量百分浓度为0.1％的水溶液，对250～360nm紫外光的平均吸收率超过95％；对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌性超过92％；有显著的螯合重金属(例如铜离子等)效果。
3、在本发明生产过程中仅产生少量含氯化钠的中性废水，并送至废水处理站进行生化处理，达标后排放。充分利用原料资源，降低了成本，而且有利于环境保护。
4、本发明方法简单，操作简便，所用的生产设备易购置，生产成本低，便于推广应用。
5、采用本发明方法制备出的产品，可广泛应用于日化领域，如护肤、口红等化妆品及食品和保健品等表面涂膜或抗菌、抗辐射材料中。
四、具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步说明本发明。
实施例1
一种制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素冻干粉的方法，其具体工艺步骤如下：
(1)制备羟丙基壳寡糖溶液
首先按照壳寡糖质量与纯净水体积之比为1∶4kg/L的比例，将市售平均分子量为500～1500Da的壳寡糖用纯净水溶解，配制成壳寡糖质量百分浓度为20％的壳寡糖溶液。再用稀盐酸调节该溶液的pH值为3，接着在80r/min的搅拌速度下将该溶液升温至80℃，按照环氧氯丙烷的体积与质量百分浓度为20％的壳寡糖溶液的体积之比为1∶25L/L的比例加入环氧氯丙烷，在温度为80℃、搅拌速度为80r/min的条件下进行取代反应60min，就制备出羟丙基壳寡糖溶液，用于下步制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素溶液。
(2)制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素溶液
第(1)步完成后，先将第(1)步制备的羟丙基壳寡糖溶液用质量百分浓度为40％的氢氧化钠溶液调节pH值为9，再按照第(1)步加入环氧氯丙烷的体积与平均分子量为290～1450Da的原花青素质量之比为1∶1L/kg的比例，在80r/min的搅拌速度下加入原花青素，控制温度为80℃、pH值为9进行醚化反应2h。醚化反应完成后，用稀盐酸调节反应液的pH至4.5，就制备出接枝羟丙基壳寡糖原花青素溶液，用于下步制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素脱盐浓缩溶液。
(3)制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素脱盐浓缩溶液
第(2)步完成后，将第(2)步制备的接枝羟丙基壳寡糖原花青素溶液泵入纳滤器中，用截留分子量为200Da的纳滤膜，在表压为0.5MPa下进行第一次纳滤脱盐浓缩，直至第一次纳滤滤过液与截留液的体积之比为7∶3L/L时停止第一次纳滤。分别收集第一次纳滤截留液和第一次纳滤滤过液，对收集的第一次纳滤滤过液，泵送至废水处理站进行生化处理，达标后排放；对收集的第一次纳滤截留液，加入该截留液体积7倍的纯净水，进行第二次纳滤脱盐浓缩，直至第二次纳滤滤过液与截留液的体积比为7∶3L/L时停止第二次纳滤。第二次纳滤脱盐浓缩的纳滤膜截留分子量及纳滤表压，均与第一次纳滤相同。第二次纳滤完成后，分别收集第二次纳滤滤过液和截留液，对收集的第二次纳滤滤过液，泵送至废水处理站进行生化处理，达标后排放；对收集的第二次纳滤截留液，即为接枝羟丙基壳寡糖原花青素脱盐浓缩溶液，用于下步制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素冻干粉。
(4)制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素冻干粉
第(3)步完成后，将第(3)步制备的接枝羟丙基壳寡糖原花青素脱盐浓缩溶液置于-40℃的冰箱中进行预冻6h，再转移至真空冷冻干燥机中，在温度为-50℃、真空度为20Pa的条件下进行冷冻干燥24h，就制备出接枝羟丙基壳寡糖原花青素冻干粉。该冻干粉的收得率以原花青素计为93～99％。
实施例2
一种制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素冻干粉的方法，其具体工艺步骤如下：
(1)制备羟丙基壳寡糖溶液
首先按照壳寡糖质量与纯净水体积之比为1∶9kg/L的比例，将市售平均分子量为500～1500Da的壳寡糖用纯净水溶解，配制成壳寡糖质量百分浓度为10％的壳寡糖溶液。再用稀盐酸调节该溶液的pH值为4，接着在100r/min的搅拌速度下将该溶液升温至90℃，按照环氧氯丙烷的体积与质量百分浓度为10％的壳寡糖溶液的体积之比为1∶35L/L的比例加入环氧氯丙烷，在温度为90℃、搅拌速度为100r/min的条件下进行取代反应90min，就制备出羟丙基壳寡糖溶液，用于下步制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素溶液。
(2)制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素溶液
第(1)步完成后，先将第(1)步制备的羟丙基壳寡糖溶液用质量百分浓度为45％的氢氧化钠溶液调节pH值为10，再按照第(1)步加入环氧氯丙烷的体积与平均分子量为290～1450Da的原花青素质量之比为1∶3L/kg的比例，在100r/min的搅拌速度下加入原花青素，控制温度为90℃、pH值为10进行醚化反应3h。醚化反应完成后，用稀盐酸调节反应液的pH至5，就制备出接枝羟丙基壳寡糖原花青素溶液，用于下步制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素脱盐浓缩溶液。
(3)制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素脱盐浓缩溶液
第(2)步完成后，将第(2)步制备的接枝羟丙基壳寡糖原花青素溶液泵入纳滤器中，用截留分子量为600Da的纳滤膜，在表压为0.65MPa下进行第一次纳滤脱盐浓缩，直至第一次纳滤滤过液与截留液的体积之比为4∶1L/L时停止第一次纳滤。分别收集第一次纳滤截留液和第一次纳滤滤过液，对收集的第一次纳滤滤过液，泵送至废水处理站进行生化处理，达标后排放；对收集的第一次纳滤截留液，加入该截留液体积8倍的纯净水，进行第二次纳滤脱盐浓缩，直至第二次纳滤滤过液与截留液的体积比为4∶1L/L时停止第二次纳滤。第二次纳滤脱盐浓缩的纳滤膜截留分子量及纳滤表压，均与第一次纳滤相同。第二次纳滤完成后，分别收集第二次纳滤滤过液和截留液，对收集的第二次纳滤滤过液，泵送至废水处理站进行生化处理，达标后排放；对收集的第二次纳滤截留液，即为接枝羟丙基壳寡糖原花青素脱盐浓缩溶液，用于下步制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素冻干粉。
(4)制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素冻干粉
第(3)步完成后，将第(3)步制备的接枝羟丙基壳寡糖原花青素脱盐浓缩溶液置于-30℃的冰箱中进行预冻9h，再转移至真空冷冻干燥机中，在温度为-45℃、真空度为35Pa的条件下进行冷冻干燥30h，就制备出接枝羟丙基壳寡糖原花青素冻干粉。该冻干粉的收得率以原花青素计为93～99％。
实施例3
一种制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素冻干粉的方法，其具体工艺步骤如下：
(1)制备羟丙基壳寡糖溶液
首先按照壳寡糖质量与纯净水体积之比为1∶19kg/L的比例，将市售平均分子量为500～1500Da的壳寡糖用纯净水溶解，配制成壳寡糖质量百分浓度为5％的壳寡糖溶液。再用稀盐酸调节该溶液的pH值为4.5，接着在120r/min的搅拌速度下将该溶液升温至100℃，按照环氧氯丙烷的体积与质量百分浓度为5％的壳寡糖溶液的体积之比为1∶50L/L的比例加入环氧氯丙烷，在温度为100℃、搅拌速度为120r/min的条件下进行取代反应120min，就制备出羟丙基壳寡糖溶液，用于下步制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素溶液。
(2)制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素溶液
第(1)步完成后，先将第(1)步制备的羟丙基壳寡糖溶液用质量百分浓度为50％的氢氧化钠溶液调节pH值为11，再按照第(1)步加入环氧氯丙烷的体积与平均分子量为290～1450Da的原花青素质量之比为1∶5L/kg的比例，在120r/min的搅拌速度下加入原花青素，控制温度为100℃、pH值为11进行醚化反应4h。醚化反应完成后，用稀盐酸调节反应液的pH至5.5，就制备出接枝羟丙基壳寡糖原花青素溶液，用于下步制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素脱盐浓缩溶液。
(3)制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素脱盐浓缩溶液
第(2)步完成后，将第(2)步制备的接枝羟丙基壳寡糖原花青素溶液泵入纳滤器中，用截留分子量为1000Da的纳滤膜，在表压为0.8MPa下进行第一次纳滤脱盐浓缩，直至第一次纳滤滤过液与截留液的体积之比为9∶1L/L时停止第一次纳滤。分别收集第一次纳滤截留液和第一次纳滤滤过液，对收集的第一次纳滤滤过液，泵送至废水处理站进行生化处理，达标后排放；对收集的第一次纳滤截留液，加入该截留液体积9倍的纯净水，进行第二次纳滤脱盐浓缩，直至第二次纳滤滤过液与截留液的体积比为9∶1L/L时停止第二次纳滤。第二次纳滤脱盐浓缩的纳滤膜截留分子量及纳滤表压，均与第一次纳滤相同。第二次纳滤完成后，分别收集第二次纳滤滤过液和截留液，对收集的第二次纳滤滤过液，泵送至废水处理站进行生化处理，达标后排放；对收集的第二次纳滤截留液，即为接枝羟丙基壳寡糖原花青素脱盐浓缩溶液，用于下步制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素冻干粉。
(4)制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素冻干粉
第(3)步完成后，将第(3)步制备的接枝羟丙基壳寡糖原花青素脱盐浓缩溶液置于-20℃的冰箱中进行预冻12h，再转移至真空冷冻干燥机中，在温度为-40℃、真空度为50Pa的条件下进行冷冻干燥36h，就制备出接枝羟丙基壳寡糖原花青素冻干粉。该冻干粉的收得率以原花青素计为93～99％。

Claims (1)

1.一种制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素冻干粉的方法，其特征在于具体的工艺步骤如下：
(1)制备羟丙基壳寡糖溶液
首先按照壳寡糖质量与纯净水体积之比为1∶4～19kg/L的比例，将市售平均分子量为500～1500Da的壳寡糖用纯净水溶解，配制成壳寡糖质量百分浓度为5～20％的壳寡糖溶液，再用稀盐酸调节该溶液的pH值为3～4.5，接着在80～120r/min的搅拌速度下将该溶液升温至80～100℃，按照环氧氯丙烷的体积与质量百分浓度为5～20％的壳寡糖溶液的体积之比为1∶25～50L/L的比例加入环氧氯丙烷，在温度为80～100℃、搅拌速度为80～120r/min的条件下进行取代反应60～120min，就制备出羟丙基壳寡糖溶液，用于下步制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素溶液；
(2)制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素溶液
第(1)步完成后，先将第(1)步制备的羟丙基壳寡糖溶液用质量百分浓度为40～50％的氢氧化钠溶液调节pH值为9～11，再按照第(1)步加入环氧氯丙烷的体积与平均分子量为290～1450Da的原花青素质量之比为1∶1～5L/kg的比例，在80～120r/min的搅拌速度下加入原花青素，控制温度为80～100℃、pH值为9～11进行醚化反应2～4h，醚化反应完成后，用稀盐酸调节反应液的pH至4.5～5.5，就制备出接枝羟丙基壳寡糖原花青素溶液，用于下步制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素脱盐浓缩溶液；
(3)制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素脱盐浓缩溶液
第(2)步完成后，将第(2)步制备的接枝羟丙基壳寡糖原花青素溶液泵入纳滤器中，用截留分子量为200～1000Da的纳滤膜，在表压为0.5～0.8MPa下进行第一次纳滤脱盐浓缩，直至第一次纳滤滤过液与截留液的体积之比为7∶3～9∶1L/L时停止第一次纳滤，分别收集第一次纳滤截留液和第一次纳滤滤过液，对收集的第一次纳滤滤过液，泵送至废水处理站进行生化处理，达标后排放；对收集的第一次纳滤截留液，加入该截留液体积7～9倍的纯净水，进行第二次纳滤脱盐浓缩，直至第二次纳滤滤过液与截留液的体积比为7∶3～9∶1L/L时停止第二次纳滤，第二次纳滤脱盐浓缩的纳滤膜截留分子量及纳滤表压，均与第一次纳滤相同，第二次纳滤完成后，分别收集第二次纳滤滤过液和截留液，对收集的第二次纳滤滤过液，泵送至废水处理站进行生化处理，达标后排放；对收集的第二次纳滤截留液，即为接枝羟丙基壳寡糖原花青素脱盐浓缩溶液，用于下步制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素冻干粉；
(4)制备接枝羟丙基壳寡糖原花青素冻干粉
第(3)步完成后，将第(3)步制备的接枝羟丙基壳寡糖原花青素脱盐浓缩溶液置于-40～-20℃的冰箱中进行预冻6～12h，再转移至真空冷冻干燥机中，在温度为-50～-40℃、真空度为20～50Pa的条件下进行冷冻干燥24～36h，就制备出接枝羟丙基壳寡糖原花青素冻干粉，该冻干粉的收得率以原花青素计为93～99％。
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