CN110423789A - 一种壳聚糖与原花青素的接枝共聚物、制备方法及应用 - Google Patents
一种壳聚糖与原花青素的接枝共聚物、制备方法及应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种制备壳聚糖与原花青素的接枝共聚物的方法、壳聚糖与原花青素的接枝共聚物及其应用，制备壳聚糖与原花青素的接枝共聚物的方法包括如下步骤：将壳聚糖和原花青素分散于溶剂中，以漆酶和壳聚糖酶中的一种或二者的混合物作为催化剂，在pH为3‑6.5的条件下进行接枝共聚反应得到壳聚糖与原花青素的接枝共聚物。该制备壳聚糖与原花青素的接枝共聚物的方法以漆酶和壳聚糖酶为催化剂，大大提高了壳聚糖与花青苷的接枝率，显著提高了壳聚糖与原花青素的接枝共聚物的抑菌性能与抗氧化性能。
Description
技术领域
本发明属于功能材料制备技术领域，具体涉及一种壳聚糖与原花青素的接枝共聚物、制备方法及应用。
背景技术
壳聚糖是一种天然物质，具有原料丰富、再生迅速、环境和生物相容性好、可生物降解、有一定的抑菌效果等优点，越来越受到人们的重视。尤其是随着石油基高分子材料的不断消耗，人类社会面临前所未有的能源与环境危机，发掘可再生的生物质资源制备抑菌材料，对于缓解日益加重的化石资源危机有重要的现实意义，是解决目前困境的有力途径。
壳聚糖作为一种用量仅次于纤维素的天然生物质资源，在工业领域的发展前景十分广阔，可以减少对石油基材料的依赖，壳聚糖属于碱性多糖，氨基基团独特的化学结构使壳聚糖可以破坏细胞膜的稳定性从而产生抑菌效果，对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、白色念珠菌等实验菌株均具有抑制作用。而且已有不少科研工作者对壳聚糖在肉类、龙虾、海鲜以及水果、红酒等食品领域的抑菌性能做了尝试。但是，单纯的壳聚糖虽然具有抑菌性能，抑菌效果却差，要提高壳聚糖的抑菌效果需要对壳聚糖进行适当的抑菌改性，提高其抑菌的稳定性及高效性，拓宽其应用领域。原花青素，其也是一种天然物质，它有许多重要的生理功能，比如：抗氧化清除自由基、改善肝功能损伤、对心血管疾病有抑制作用、抗癌症作用、抗炎抗感染的作用、保护视力等作用，如果将原花青素与壳聚糖合用，可提高壳聚糖的抑菌性能与抗氧化性能。中国专利文献CN1197586C公开了原花青素复合物及其制备方法，将原花青素和壳聚糖混合干燥，制成的复合物中原花青素可以缓慢释放，该复合物同时具有原花青素的生物活性和壳聚糖的生物活性，但该复合物中原花青素与壳聚糖仅为物理上的混合，二者之间没有稳定的相互作用，复合物中二者释放不同步，无法得到很好的协同抑菌性能；中国专利文献CN107602725A公开了一种壳聚糖-原花青素接枝共聚物及其应用，将原花青素接枝到壳聚糖上，提高二者的结合力，提高壳聚糖的保鲜作用，但该制备方法获得的接枝共聚物的接枝率低，仍有大量的原花青素未与壳聚糖形成较强的结合，其抑菌性能与抗氧化性能仍较低。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种壳聚糖与原花青素的接枝共聚物、制备方法及应用，制备方法中以漆酶和壳聚糖酶为催化剂，大大提高了壳聚糖与花青苷的接枝率，提高了壳聚糖与原花青素的接枝共聚物的抑菌性能与抗氧化性能。
为了解决上述问题，本发明提供一种制备壳聚糖与原花青素的接枝共聚物的方法，包括如下步骤：将壳聚糖和原花青素分散于溶剂中，以漆酶和壳聚糖酶中的一种或二者的混合物作为催化剂，在pH为3-6.5的条件下进行接枝共聚反应得到壳聚糖与原花青素的接枝共聚物。
其中，壳聚糖是由自然界广泛存在的几丁质经过脱乙酰作用得到的，化学名称为聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-B-D葡萄糖，分子式为C56H103N9O39，CAS号为9012-76-4；原花青素是一种有着特殊分子结构的生物类黄酮混合物，分子式为C30H12O6，CAS号为84929-27-1，是目前国际上公认的清除人体内自由基最有效的天然抗氧化剂；漆酶也称对苯二酚氧化酶，CAS号为80498-15-3；壳聚糖酶是催化壳聚糖降解的专一性酶，CAS号为51570-20-8。
在壳聚糖与原花青素的反应中加入漆酶或壳聚糖酶作为催化剂，漆酶或壳聚糖酶可从壳聚糖分子中夺取电子，使壳聚糖分子中产生自由基，自由基与原花青素碰撞后形成共价键，发生接枝聚合反应，漆酶或壳聚糖酶作为催化剂降低了壳聚糖与原花青素的接枝聚合反应所需的活化能，从而大大提高了壳聚糖与原花青素接枝聚合反应的接枝率，由于原花青素具有抗氧化清除自由基、改善肝功能损伤、对心血管疾病有抑制作用、抗癌症作用、抗炎抗感染的作用、保护视力等生理作用，从而大大提高壳聚糖的抑菌性能和抗氧化性能，并拓宽了壳聚糖的应用领域，可用于食品包装材料和化妆品等领域。
技术方案中，优选的，接枝共聚反应以漆酶和壳聚糖酶的混合物为催化剂，漆酶与壳聚糖酶的质量比为(1-3)：(0.5-1)。
单独的漆酶或壳聚糖酶可对壳聚糖与原花青素的接枝共聚反应起催化作用，但催化作用较弱，对接枝共聚反应的接枝率的提高不显著，经实验研究表明，壳聚糖与原花青素的接枝共聚反应中，以漆酶和壳聚糖酶按上述比例混合作为催化剂，接枝共聚反应中原花青素的接枝率可显著提高。
技术方案中，优选的，壳聚糖与原花青素的质量比为1：(0.1-0.5)。
技术方案中，优选的，壳聚糖与漆酶的质量比为1：(0.01-0.03)。
技术方案中，优选的，接枝共聚反应的反应温度为35-60℃。
技术方案中，优选的，接枝共聚反应的反应时间为3-6h。
技术方案中，优选的，接枝共聚反应中使用磷酸缓冲溶液调控反应pH为3-6.5。
技术方案中，优选的，所述磷酸缓冲溶液为磷酸二氢钠与磷酸氢二钠的水溶液。
技术方案中，优选的，溶剂为有机溶剂；进一步优选的，溶剂为醇类溶剂；进一步优选的，溶剂为甲醇。
技术方案中，优选的，具体包括：
第一步、配置所述磷酸缓冲溶液，调节其pH为3-6.5，将所述壳聚糖分散于所述磷酸缓冲溶液中得到壳聚糖分散液；
第二步、将所述原花青素分散于溶剂中，得到原花青素溶液，然后将所述原花青素溶液加入所述壳聚糖分散液中，得到反应物分散液；
第三步、将所述漆酶和所述壳聚糖酶加入所述反应物分散液中，进行接枝共聚反应，得到壳聚糖与原花青素的接枝共聚物。
技术方案中，优选的，还包括在接枝共聚反应结束后分离固体产物并洗涤，得到壳聚糖与原花青素的接枝共聚物。
进一步优选的，分离固体产物的方法为离心分离。
进一步优选的，分离固体产物后使用甲醇、乙醇和去离子水依次洗涤固体产物。
本发明的另一目的是提供使用上述制备壳聚糖与原花青素的接枝共聚物的方法制备得到的壳聚糖与原花青素的接枝共聚物。
本发明的再一目的是提供上述壳聚糖与原花青素的接枝共聚物在制备抑菌材料中的应用。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.本发明的制备壳聚糖与原花青素的接枝共聚物的方法，在壳聚糖与原花青素的反应中加入漆酶或壳聚糖酶作为催化剂，漆酶或壳聚糖酶可从壳聚糖分子中夺取电子，使壳聚糖分子中产生自由基，自由基与原花青素碰撞后形成共价键，发生接枝聚合反应，漆酶或壳聚糖酶作为催化剂降低了壳聚糖与原花青素的接枝聚合反应所需的活化能，从而大大提高了壳聚糖与原花青素接枝聚合反应的接枝率，由于原花青素具有抗氧化清除自由基、改善肝功能损伤、对心血管疾病有抑制作用、抗癌症作用、抗炎抗感染的作用、保护视力等生理作用，从而大大提高壳聚糖的抑菌性能和抗氧化性能，并拓宽了壳聚糖的应用领域，可用于食品包装材料和化妆品等领域；
2.本发明的制备壳聚糖与原花青素的接枝共聚物的方法，将漆酶和壳聚糖酶同时使用用作反应的催化剂，并选择漆酶与壳聚糖酶的质量比为(1-3)：(0.5-1)的优选比例，接枝共聚反应的接枝率比单独使用漆酶更高，且比不使用催化剂时的接枝率显著提高，得到的壳聚糖与原花青素的接枝共聚物的抑菌性能和抗氧化性能也大大提高。
附图说明
图1是本发明实施例的方法制备得到的壳聚糖与原花青素的接枝共聚物的红外图谱(A代表壳聚糖；B代表原花青素；C代表壳聚糖与原花青素的接枝共聚物)。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下对比例和实施例中所用的壳聚糖购自于北京索莱宝科技有限公司；原花青素购自于Sigma-Aldrich公司；漆酶、壳聚糖酶等原料均购自于市售。
对比例
本对比例所述的制备壳聚糖与原花青素的接枝共聚物的方法具体为：
第一步、配置磷酸缓冲溶液，称取2g磷酸二氢钠二水合物和2.5g磷酸氢二钠十二水合物溶于100ml水中，缓冲溶液的pH为3-6.5，称取1g壳聚糖分散于磷酸缓冲溶液中，搅拌10分钟，升温至35℃，并搅拌20分钟，得到壳聚糖分散液；
第二步、称取0.1g原花青素粉末加入到6ml甲醇中使其完全溶解，得到原花青素溶液，随后将原花青素溶液加入到壳聚糖分散液中，得到反应物分散液，保持35℃下反应3h，得到产物；
第三步、将所得产物放入高速离心机中(3000r/min)离心15min，得到固体产物，将固体产物分别经过甲醇、乙醇、去离子水依次洗涤后干燥，得到壳聚糖与原花青素的接枝共聚物。
实施例一
本实施例所述的制备壳聚糖与原花青素的接枝共聚物的方法具体为：
第一步、配置磷酸缓冲溶液，称取2g磷酸二氢钠二水合物和2.5g磷酸氢二钠十二水合物溶于100ml水中，缓冲溶液的pH为3-6.5，称取1g壳聚糖分散于磷酸缓冲溶液中，搅拌10分钟，升温至35℃，并搅拌20分钟，得到壳聚糖分散液；
第二步、称取0.1g原花青素粉末加入到6ml甲醇中使其完全溶解，得到原花青素溶液，随后将原花青素溶液加入到壳聚糖分散液中，得到反应物分散液；
第三步、称取10μg的漆酶和5μg壳聚糖酶加入反应物分散液中，在35℃下反应3h，得到产物；
第四步、将所得产物放入高速离心机中(3000r/min)离心15min，得到固体产物，将固体产物分别经过甲醇、乙醇、去离子水依次洗涤后干燥，得到壳聚糖与原花青素的接枝共聚物。
实施例二
本实施例所述的制备壳聚糖与原花青素的接枝共聚物的方法具体为：
第一步、配置磷酸缓冲溶液，称取2g磷酸二氢钠二水合物和2.5g磷酸氢二钠十二水合物溶于100ml水中，缓冲溶液的pH为3-6.5，称取1g壳聚糖分散于磷酸缓冲溶液中，搅拌10分钟，升温至45℃，并搅拌20分钟，得到壳聚糖分散液；
第二步、称取0.3g原花青素粉末加入到6ml甲醇中使其完全溶解，得到原花青素溶液，随后将原花青素溶液加入到壳聚糖分散液中，得到反应物分散液；
第三步、称取20μg的漆酶和8μg壳聚糖酶加入反应物分散液中，在45℃下反应5h，得到产物；
第四步、将所得产物放入高速离心机中(3000r/min)离心15min，得到固体产物，将固体产物分别经过甲醇、乙醇、去离子水依次洗涤后干燥，得到壳聚糖与原花青素的接枝共聚物。
实施例三
本实施例所述的制备壳聚糖与原花青素的接枝共聚物的方法具体为：
第一步、配置磷酸缓冲溶液，称取2g磷酸二氢钠二水合物和2.5g磷酸氢二钠十二水合物溶于100ml水中，缓冲溶液的pH为3-6.5，称取1g壳聚糖分散于磷酸缓冲溶液中，搅拌10分钟，升温至60℃，并搅拌20分钟，得到壳聚糖分散液；
第二步、称取0.5g原花青素粉末加入到6ml甲醇中使其完全溶解，得到原花青素溶液，随后将原花青素溶液加入到壳聚糖分散液中，得到反应物分散液；
第三步、称取30μg的漆酶和10μg壳聚糖酶加入反应物分散液中，在60℃下反应6h，得到产物；
第四步、将所得产物放入高速离心机中(3000r/min)离心15min，得到固体产物，将固体产物分别经过甲醇、乙醇、去离子水依次洗涤后干燥，得到壳聚糖与原花青素的接枝共聚物。
实施例四
本实施例所述的制备壳聚糖与原花青素的接枝共聚物的方法，其他步骤与实施例一中均相同，不同之处是本实施例中催化剂为10μg的漆酶与10μg的壳聚糖酶。
实施例五
本实施例所述的制备壳聚糖与原花青素的接枝共聚物的方法，其他步骤与实施例一中均相同，不同之处是本实施例中催化剂为30μg的漆酶与5μg的壳聚糖酶。
实施例六
本实施例所述的制备壳聚糖与原花青素的接枝共聚物的方法，其他步骤与实施例一中均相同，不同之处是本实施例中催化剂为5μg的漆酶与10μg的壳聚糖酶。
实施例七
本实施例所述的制备壳聚糖与原花青素的接枝共聚物的方法，其他步骤与实施例一中均相同，不同之处是本实施例中催化剂为14μg的漆酶与2μg的壳聚糖酶。
实施例八
本实施例所述的制备壳聚糖与原花青素的接枝共聚物的方法，其他步骤与实施例一中均相同，不同之处是本实施例中催化剂仅为15μg的漆酶。
利用红外光谱法对各实施例中得到的产物的结构进行鉴定，各实施例中产物的红外光谱图相似，如图1所示，由红外光谱图可以看出，在1660cm-1处吸收峰消失，表明葡萄糖末尾上的羰基消失，而在1635cm-1处出现新的吸收峰，代表存在碳氮双键伸缩振动峰，表明葡萄糖氨基与原花青素被氧化得到的醌结构发生了席夫式碱反应而形成，证明原花青素成功的接枝到壳聚糖上。
计算各实施例和对比例的制备方法的壳聚糖与原花青素的接枝共聚物的接枝率，由以下方法得到。首先测定产品壳聚糖与原花青素的接枝共聚物中原花青素的量，原花青素的量的检测方法使用福林酚法，将壳聚糖与原花青素的接枝共聚物溶于乙酸中，然后加入福林酚试剂，混合后避光反应5min，加入碳酸钠溶液，摇匀后避光反应2h，在波长760nm下测定其吸光度，根据原花青素标准曲线得出原花青素的含量。接枝共聚反应的接枝率计算方法为：接枝率＝原花青素总量/投料的原花青素的总量，各实施例的接枝共聚反应的接枝率如下表1。
使用智能型抑菌圈自动测定仪对各实施例得到的壳聚糖与原花青素的接枝共聚物的抑菌性能进行测试，测试结果如下表1。
使用ABTS自由基清除法对各实施例的壳聚糖与原花青素的接枝共聚物的抗氧化性能(自由基清除率)进行测定，具体方法如下：
ABTS·自由基溶液的配置:配制7mmol/L的ABTS溶液以及2.45mmol/L的过硫酸钾溶液，然后将二者等体积混合，于避光处存放12个小时得到的溶液既为ABTS·自由基溶液。在测定之前用pH＝7.4的磷酸缓冲液对ABTS·自由基溶液进行稀释，保证其在波长734nm处的吸光度在0.700±0.025之间。然后取出2ml于离心管中，将四个不同梯度的样品-醋酸溶液加入到离心管中混匀后放在避光处反应10min，10min后取出，在波长734nm处进行吸光度测量，自由基清除率的计算方法如下式，Acontrol为不加产品，加入ABTS的样品吸光度，Asample为加入产品，加入ABTS的样品的吸光度。各实施例的壳聚糖与原花青素接枝共聚物的抗氧化性能(自由基清除率)如下表1。
ABTS·自由基清除率(％)＝(Acontrol-Asample)/Acontrol*100
由下表数据可以看出，壳聚糖与原花青素的接枝共聚反应中，加入漆酶可催化接枝共聚反应，使接枝共聚反应的接枝率提高，获得的壳聚糖的接枝共聚物的抗菌性能和抗氧化性能提高；而同时使用漆酶和壳聚糖酶作催化剂，接枝共聚反应接枝率比单独使用漆酶更高，获得的接枝共聚物的抑菌性能和抗氧化性能更高；而同时使用漆酶和壳聚糖酶，且在本申请的优选比例范围时，接枝共聚反应的接枝率最高，与不使用催化剂相比显著提高，而获得的接枝共聚物的抑菌性能和抗氧化性能最高，为本申请的最优选方案。
表1
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种制备壳聚糖与原花青素的接枝共聚物的方法，其特征在于，包括如下步骤：将壳聚糖和原花青素分散于溶剂中，以漆酶和壳聚糖酶中的一种或二者的混合物作为催化剂，在pH为3-6.5的条件下进行接枝共聚反应得到壳聚糖与原花青素的接枝共聚物。
2.根据权利要求1所述的制备壳聚糖与原花青素的接枝共聚物的方法，其特征在于：接枝共聚反应以漆酶和壳聚糖酶的混合物为催化剂，漆酶与壳聚糖酶的质量比为(1-3)：(0.5-1)。
3.根据权利要求1所述的制备壳聚糖与原花青素的接枝共聚物的方法，其特征在于：壳聚糖与原花青素的质量比为1：(0.1-0.5)。
4.根据权利要求3所述的制备壳聚糖与原花青素的接枝共聚物的方法，其特征在于：壳聚糖与漆酶的质量比为1：(0.01-0.03)。
5.根据权利要求1所述的制备壳聚糖与原花青素的接枝共聚物的方法，其特征在于：接枝共聚反应的反应温度为35-60℃。
6.根据权利要求1所述的制备壳聚糖与原花青素的接枝共聚物的方法，其特征在于：接枝共聚反应的反应时间为3-6h。
7.根据权利要求1所述的制备壳聚糖与原花青素的接枝共聚物的方法，其特征在于：接枝共聚反应中使用磷酸缓冲溶液调控反应pH为3-6.5。
8.根据权利要求7所述的制备壳聚糖与原花青素的接枝共聚物的方法，其特征在于，具体包括：
第一步、配置所述磷酸缓冲溶液，调节其pH为3-6.5，将所述壳聚糖分散于所述磷酸缓冲溶液中得到壳聚糖分散液；
第二步、将所述原花青素分散于溶剂中，得到原花青素溶液，然后将所述原花青素溶液加入所述壳聚糖分散液中，得到反应物分散液；
第三步、将所述漆酶和所述壳聚糖酶加入所述反应物分散液中，进行接枝共聚反应，得到壳聚糖与原花青素的接枝共聚物。
9.使用权利要求1-8任一所述的制备壳聚糖与原花青素的接枝共聚物的方法制备得到的壳聚糖与原花青素的接枝共聚物。
10.如权利要求9所述的壳聚糖与原花青素的接枝共聚物在制备抑菌材料中的应用。
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