专利名称：：一种壳聚糖季铵盐及其制备方法与应用的制作方法
技术领域：
：本发明涉及海洋化工工程
技术领域：
，具体的说是一种壳聚糖季铵盐及其制备方法与应用。技术背景白天快节奏的工作和心神的劳累，面容易显憔悴、倦怠，加之来自空气中的浮尘、硫化物等有害物质的侵蚀以及皮肤本身所分泌的油脂与汗液的作用，导致皮肤细胞损坏，生理功能衰退。因此涂抹极易被皮肤吸收的有效成分的化妆品是保养和保护皮肤的最佳方案。化妆品用原料崇尚自然的势头不减，而保湿剂是化妆品中不可缺少的重要成分，它在化妆品中起着湿润皮肤的作用。保湿剂种类很多，其中来源于生物体的保湿剂-透明质酸(简称HA)是一种性能极佳的保湿剂。HA对人类皮肤无任何刺激性，应用到化妆品中，对皮肤有滋润作用，可使皮肤富有弹性、光滑、延缓皮肤老化。但其制备工艺复杂，成本较高，这在一定程度上制约了HA的广泛应用。为此，人们不断研究开发与其作用相似的产品。壳聚糖作为一种资源丰富、价格低廉的天然高分子化合物，具有良好的吸湿、保湿性能，近些年来已引起化妆品界的极大重视。但由于甲壳质分子间存在着强烈的氢键作用，不溶于水。除酰胺/氯化氯代醇/无机酸水溶液，六氟丙酮和六氟异丙醇等强溶剂外，几乎不溶于其它有机溶剂和稀酸、稀碱中，这极大地限制了其应用范围。由甲壳质脱乙酰基而得到的壳聚糖，虽具有良好的吸湿、保湿性能，但它仍不溶于水，巿售的所谓可溶性壳聚糖大多数并不是真正意义上的可溶性壳聚糖，它们一般是指能溶于水的壳聚糖盐酸盐、羧甲基壳聚糖、低分子甲壳质以及低分子壳聚糖。而且壳聚糖只能溶于稀酸溶液，使得其产品呈微酸性，不仅对皮肤具有刺激作用，且随时间的延长，会缓慢地降解，使产品的粘度下降。壳聚糖溶液的这种不稳定性在一定程度上也限制了其在化妆品以及食品工业中的应用。
发明内容本发明的目的是提供一种具有强保湿性、抗氧化性的壳聚糖季铵盐及其制备方法与应用。为实现上述目的，本发明的技术方案如下一种壳聚糖季铵盐包括甲壳低聚糖季铵盐和/或壳聚糖季铵盐，其结构式为CH2OHNHCl^CHCW'CH^crOH其中聚合度n=5-30时为淡黄色粉末状分子量在2~8KD的甲壳低聚糖季铵盐；聚合度n=75-500时为白色粉末状分子量在30~160KD的壳聚糖季铵盐；其制备步骤如下1)称取原料壳聚糖或壳低聚糖粉末，备用；其中原料的量可根据需求称取；2)向步骤l)中加入蒸馏水，搅拌温度升温至608(TC;其中蒸馏水的加入量为原料壳聚糖重量体积的10~15倍；3)向步骤2)中加入异丙醇和缩水甘油三甲基氯化铵，反应3-7小时；其中异丙醇与原料壳聚糖的体积重量比为3~5:1,缩水甘油三甲基氯化铵与壳聚糖的摩尔比为3~5:1;4)用HC1调节步骤3)反应液的PH值为5.5,备用；5)步骤4)中的反应液用蒸馏水，通过截留分子量为8000的透析袋透析，透析后浓缩；6)向浓缩液加入丙酮，析出黄色或白色沉淀物，室温沉化30-60分钟；7)将步骤6)中沉化的沉积物抽滤，滤饼在50-7(TC下真空烘干，即为甲壳低聚糖季铵盐和/或壳聚糖季铵盐；其特性为甲壳低聚糖季铵盐和/或壳聚糖季铵盐具有抗氧化活性，主要表现在清除超氧阴离子自由基、清除羟自由基、还原能力和螯合能力；同时还具有强吸湿保湿性能。步骤l)中壳低聚糖由微波作用下制备。所述的壳聚糖季铵盐的制备步骤如下1)称取原料壳聚糖粉末或壳低聚糖，备用；其中原料的量可根据需求称取；2)向步骤l)中加入蒸馏水，搅拌温度升温至60~80°C;其中蒸馏水的加入量为原料壳聚糖重量体积的10~15倍；3)向步骤2)中加入异丙醇和缩水甘油三甲基氯化铵，反应3-7小时；其中异丙醇与原料壳聚糖的体积重量比为3~5:1,缩水甘油三甲基氯化铵与壳聚糖的摩尔比为3:1;4)用HC1调节步骤3)反应液的PH值为5.5,备用；5)步骤4)中的反应液用蒸馏水，通过截留分子量为8000的透析袋透析，透析后浓缩；6)向浓缩液加入丙酮,析出黄色或白色沉淀物，室温沉化30-60分钟；7)将步骤6)中沉化的沉积物抽滤，滤饼在50-7(TC下真空烘干，即为甲壳低聚糖季铵盐和/或壳聚糖季铵盐；步骤l)中壳低聚糖由微波作用下制备。所述的壳聚糖季铵盐的应用，其可应用在化妆品以及食品工业中作为保湿剂或抗氧化剂。本发明的作用原理为壳聚糖大分子链上同时有氨基和羟基，利用氨基或羟基的反应活性，引入亲水基团与之反应，既可以保持壳聚糖的亲水性，又能通过破坏壳聚糖分子间的氢键相互作用，从而得到水溶性壳聚糖衍生物。本发明通过对壳聚糖进行化学改性，引入亲水性强的羟丙基三甲基氯化铵基团，制备N上取代的羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖，改善水溶性，提高吸湿、保湿性能及其抑菌活性，同时对羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖的抗氧化活性进行了测定。本发明所具有的作用效果1.本发明制备甲壳低聚糖季铵盐或壳聚糖季铵盐的制备工艺简单、成本低。2.釆用本发明制备出的季铵盐具有很强的吸湿性、保湿性、抗氧化性,同时其还具有显著的抑菌活性。3.将本发明制备出的季铵盐应用于化妆品中可具有延缓细胞损坏、对皮肤有滋润作用，可使皮肤富有弹性、光滑、延缓皮肤老化。图1为本发明原料壳聚糖的红外谱图。图2为本发明原料甲壳低聚糖的红外谱图。图3为本发明壳聚糖季铵盐的红外谱图。图4为本发明甲壳低聚糖季铵盐的红外谱图。图5为本发明LHACC和HHACC对超氧自由基的清除作用的示意图。图6为本发明LHACC和HHACC对羟自由基的清除作用的示意图。图7为本发明LHACC和HHACC还原能力测试的示意图。图8为本发明LHACC和HHACC对金属的螯合能力测试的示意图。具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围不仅局限于以下实施例中。实施例1壳聚糖季铵盐(HHACC)、甲壳低聚糖季铵盐(LHACC)的制备方法1)称取5g分子量为5.0x105D的壳聚糖粉末(参见图1)或5g分子量8000D壳低聚糖粉末；其中壳低聚糖(参见图2)采用微波作用法制备,参见微波降解的甲壳低聚糖化合物及其制备方法的专利，专利号为03138817.5。2)向称量的壳聚糖中加入蒸馏水，所述蒸馏水的量为壳聚糖重量体积的IO倍，搅拌下升温至6(TC;3)向步骤2)的溶液中加入4g的异丙醇和壳聚糖粉末摩尔量3倍的缩水甘油三甲基氯化铵，反应3小时后备用，产物为白色，易溶的小颗粒；4)用HC1调节步骤3)中反应液，使其PH值为5.5;5)将步骤4)中PH值为5.5的反应液用蒸僧水，通过截留分子量为8000的透析袋透析，透析后浓缩；6)浓缩后用丙酮沉积浓缩液，析出白色和/或黄色沉淀物，室温沉化30分钟；7)将步骤6)中沉化的沉积物抽滤，将所得滤饼在5(TC下真空烘干，既为壳聚糖季铵盐HHACC8.llg(参见图3)和/或甲壳低聚糖季铵盐(LHACC)6g(参见图4);8)采用乌氏粘度计测定分子，壳聚糖季铵盐HHACC分子量为L46x105、聚合度为480;甲壳低聚糖季铵盐(LHACC)分子量为7413、聚合度为25;壳聚糖季铵盐HHACC和甲壳低聚糖季铵盐(LHACC)作为化妆品、食品中的抗氧化剂或保湿剂。其中抗氧化性测定①LHACC和/或HHACC对超氧自由基的清除作用(参见图5)釆用吩嗪硫酸甲酯-NADH体系发生。反应体系为3.0ml的16腿ol/L,PH8.0的Tris-HCl(三羟甲基氨基甲烷-盐酸)缓冲液，其中含有78|amol/L还原型辅酶I(NADH),SOiamol/L硝基四氮唑蓝(NBT)，1Ojumol/L吩嗪硫酸甲酯(PMS),以及0.025mg/ml、0.05mg/ml、0.lmg/ml、0.2mg/ml、0.4mg/ml、0.8mg/ml不同浓度的样品溶液。超氧阴离子和NBT的显色反应釆用分光光度法在560nm波长下测定反应液的吸光度。在空白对照实验中，用Tris-HC1缓冲液替换NADH。实验结果以清除率E。/。标示清除率E%=(A-A,)/(A-A。)x圃A:空白对照值，A1:加入样品后的吸光值，A。参比，值为0。浓度(rag/ml)A，冊A(XLHACC对照0.895±0.0030.0250.465±0.002"0.326±0.003"0.050.458±0.004***0.324±0.002*"0.10.444±0.003'"0.262±0.004**'0.20.379±0.00广0.244±0.002"'0.40,358土O,002'**0.190±0.00广*0.80.347±0.00广0.136±0.003"*清除率(％)0.02550.6567.020.0551.4767.260.153.1274.560.260.7876.680.463.2583.160.864.5589.40②LHACC和/或HHACC对羟自由基的清除作用(参见图6)-0H是由EDTANa广Fe(II)-&02体系产生，由于.OH可特异地使藩红花红色褪色，根据褪色程度用比色法来衡量0H的含量。反应体系中包括O.2mol/l,PH7.4的磷酸缓冲液1.5ml，260wg/ml的藩红花红0.2ml，3%(体积百分比)的HAO.8ml,EDTANa广Fe(II)0.7ml，一定量0.1mg/ml、0.2mg/tnl、0.4mg/ml、0.8mg/ml、1.6tng/ml、3.2mg/ml不同浓度的样品溶液，混合均匀后于37。C水洛保温30min,然后于520mn处测吸光度A值。空白组以重蒸馏水代替供试液，对照组以重蒸馏水代替供试液和EDTANa2-Fe(lI)，反应总体积为4.0ml。实验结果以清除率F%表示清除率Fo/o:(A样品—A空白)/(A对照一A空白)xl00%<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>LHACC和/或HHACC对金属离子螯合能力(参见图8)30Pg/ml、6(mg/ml、120^g/ml、240Pg/ml、480^g/ml、96(mg/ml不同浓度的样品溶液与2mM氯化亚铁和5mMFerrozine混匀，用水调整体积为0.8ml，混合均匀后，室温放置10min，在562nm处测定吸光值；A对照蒸馏水。螯合能力U^(1-A样。。。/A对照)x100浓度(4g/ml)AHHACC服CC对照2.136±0.003302.IIO土O.0022.113±0.003602.138±0.0041.707±0.0021201,107±0,0031.054±0.0042401.003±0.0012.087±0.0024802.087土0.0022.026±0.0019602.046±0.0012.103±0.003清除率(％)301.261.1260020.1212048.2050.6824053.072.344802.345.199604.261.59吸湿、保湿性测定:(A)吸湿性测定在两干燥器中分别用碳酸钾及硫酸铵饱和水溶液制成相对湿度(R.H.)为43%和81%的环境，并将干燥器装置放于2(TC恒温箱中用于吸湿测试。精确称取O.5g干燥试样，放在两个干燥器内，于放置10、22、30、46、56、78h后分别称量试样质量，由下式计算吸湿率放置后试样质量一放置前试样质呈吸湿率(％)=放置前试样质呈时间(h)吸湿率(％)NaC0:i(NH,)SO,HHACCLHACCHHACCLHACC1020.3521.1513.1214.372225.6127.8018.6720.603026.3528.8220.2122.304629.9533.4322.9:〗25.28<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>(B)保湿性能测定在2(TC恒温箱中，用含水量为质量分数10%的样品2份，分别置于2个干燥器内，l个千燥器内放有饱和碳酸钠水溶液(相对湿度RH-43。/。)，另一个放有干硅胶，于放置IO、23、30、47、56h后分别称量，计算水分残存率(％)放置后的水分质量水分船率(％)=放置前的水分质量xioo<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>参见图1~4可知，红外光谱中氨基的主要基团峰为1600cm—\651cm—'，而由图34可知，氨基峰1600cm—',651cm—1已基本完全消失，在1482cm—1处出现-CH3的C-H弯曲振动强吸收峰。表明N上引入了羟丙基三甲基氯化铵的季铵盐测链。实施例21)称取5g分子量为5.0xi()5D的壳聚糖粉末或5g分子量8000D低聚糖粉末；2)向称量的壳聚糖中加入蒸馏水，所述蒸馏水的量为壳聚糖重量体积的12倍，搅拌下升温至65°C;3)向步骤2)的溶液中加入壳聚糖粉末体积重量3倍的异丙醇和壳聚糖粉末摩尔量4倍的缩水甘油三甲基氯化铵，反应5小时后备用，产物为白色，难溶的棉絮状；4)用HC1调节步骤3)中反应液，使其PH值为5.5;5)将步骤4)中PH值为5.5的反应液用蒸馏水，通过截留分子量为8000的透析袋透析，透析后浓缩；6)浓缩后用丙酮沉积浓缩液，析出白色和/或黄色沉淀物，室温沉化45分钟；7)将步骤6)中沉化的沉积物抽滤，将所得滤饼在55'C下真空烘干，既为壳聚糖季铵盐HHACC7.65g和/或甲壳低聚糖季铵盐(LHACC)5.5g;8)采用乌氏粘度计测定分子，壳聚糖季铵盐冊ACC分子量为1.40x105、聚合度为467;甲壳低聚糖季铵盐(LHACC)分子量为7320、聚合度为24;实施例31)称取5g分子量为5.Gxl()5D的壳聚糖粉末或5g分子量8000D低聚糖粉末；2)向称量的壳聚糖中加入蒸馏水，所述蒸馏水的量为壳聚糖重量体积的12倍，搅拌下升温至7(TC;3)向步骤2)的溶液中加入壳聚糖粉末体积重量3倍的异丙醇和壳聚糖粉末摩尔量4倍的缩水甘油三甲基氯化铵，反应4小时后备用，产物为白色，难溶的棉絮状；4)用HC1调节步骤3)中反应液，使其PH值为5.5;5)将步骤4)中PH值为5.5的反应液用蒸馏水，通过截留分子量为8000的透析袋透析，透析后浓缩；6)浓缩后用丙酮沉积浓缩液，析出白色和/或黄色沉淀物，室温沉化60分钟；7)将步骤6)中沉化的沉积物抽滤，将所得滤饼在6(TC下真空烘干，既为壳聚糖季铵盐HHACC7.64g和/或甲壳低聚糖季铵盐(LHACC)5.42g;8)釆用乌氏粘度计测定分子，壳聚糖季铵盐HHACC分子量为1.38x105、聚合度为460;甲壳低聚糖季铵盐(LHACC)分子量为7083、聚合度为23;实施例41)称取5g分子量为5.Gx105D的壳聚糖粉末或5g分子量8000D低聚糖粉末；2)向称量的壳聚糖中加入蒸馏水，所述蒸馏水的量为壳聚糖重量体积的13倍，搅拌下升温至75t:;3)向步骤2)的溶液中加入壳聚糖粉末体积重量4倍的异丙醇和壳聚糖粉末摩尔量5倍的缩水甘油三甲基氯化铵，反应7小时后备用，产物为白色，难溶的棉絮状；4)用HC1调节步骤3)中反应液，使其PH值为5.5;5)将步骤4)中PH值为5.5的反应液用蒸馏水，通过截留分子量为8000的透析袋透析，透析后浓缩；6)浓缩后用丙酮沉积浓缩液，析出白色和/或黄色沉淀物，室温沉化45分钟；7)将步骤6)中沉化的沉积物抽滤，将所得滤饼在65X:下真空烘干，既为壳聚糖季铵盐HHACC8.06g和/或甲壳低聚糖季铵盐(LHACC)5.2g;8)采用乌氏粘度计测定分子，壳聚糖季铵盐HHACC分子量为1.39x105、聚合度为463;甲壳低聚糖季铵盐(LHACC)分子量为7043、聚合度为23;实施例51)称取5g分子量为5.0x105D的壳聚糖粉末或5g分子量8000D低聚糖粉末；2)向称量的壳聚糖中加入蒸馏水，所述蒸馏水的量为壳聚糖重量体积的15倍，搅拌下升温至8(TC;3)向步骤2)的溶液中加入壳聚糖粉末体积重量5倍的异丙醇和壳聚糖粉末摩尔量4倍的缩水甘油三甲基氯化铵，反应6小时后备用，产物为白色，难溶的棉絮状；4)用HC1调节步骤3)中反应液，使其PH值为5.5;5)将步骤4)中PH值为5.5的反应液用蒸馏水，通过截留分子量为8000的透析袋透析，透析后浓缩；6)浓缩后用丙酮沉积浓缩液，析出白色和/或黄色沉淀物，室温沉化45分钟；7)将步骤6)中沉化的沉积物抽滤，将所得滤饼在7(TC下真空烘干，既为壳聚糖季铵盐HHACC7.12g和/或甲壳低聚糖季铵盐(LHACC)5.17g;8)采用乌氏粘度计测定分子，壳聚糖季铵盐HHACC分子量为1.43x105、聚合度为4M;甲壳低聚糖季铵盐(LHACC)分子量为7056、聚合度为23;权利要求1.一种壳聚糖季铵盐，其特征在于包括甲壳低聚糖季铵盐和/或壳聚糖季铵盐，其结构式为其中聚合度n＝5-30时为淡黄色粉末状分子量在2～8KD的甲壳低聚糖季铵盐；聚合度n＝75-500时为白色粉末状分子量在30～160KD的壳聚糖季铵盐；其制备步骤如下1)称取原料壳聚糖或壳低聚糖粉末，备用；2)向步骤1)中加入蒸馏水，搅拌温度升温至60～80℃；其中蒸馏水的加入量为原料壳聚糖重量体积的10～15倍；3)向步骤2)中加入异丙醇和缩水甘油三甲基氯化铵，反应3-7小时；其中异丙醇与原料壳聚糖的体积重量比为3～5∶1，缩水甘油三甲基氯化铵与壳聚糖的摩尔比为3～5∶1；4)用HCl调节步骤3)反应液的PH值为5.5，备用；5)步骤4)中的反应液用蒸馏水，通过截留分子量为8000的透析袋透析，透析后浓缩；6)向浓缩液加入丙酮，析出黄色或白色沉淀物，室温沉化30-60分钟；7)将步骤6)中沉化的沉积物抽滤，滤饼在50-70℃下真空烘干，即为甲壳低聚糖季铵盐和/或壳聚糖季铵盐；其特性为甲壳低聚糖季铵盐和/或壳聚糖季铵盐具有抗氧化活性，主要表现在清除超氧阴离子自由基、清除羟自由基、还原能力和螯合能力；同时还具有强吸湿保湿性能。2.按权利要求1所述的壳聚糖季铵盐，其特征在于步骤l)中壳低聚糖由微波作用下制备。3.—种按照权利要求1所述的壳聚糖季铵盐的制备，其特征在于制备步骤如下1)称取原料壳聚糖粉末或壳低聚糖，备用；2)向步骤l)中加入蒸馏水，搅拌温度升温至60~8(TC;其中蒸馏水的加入量为原料壳聚糖重量体积的10~15倍；3)向步骤2)中加入异丙醇和缩水甘油三甲基氯化铵，反应3-7小时；其中异丙醇与原料壳聚糖的体积重量比为3~5:1,缩水甘油三甲基氯化铵与壳聚糖的摩尔比为3:1;4)用HC1调节步骤3)反应液的PH值为5.5,备用；5)步骤4)中的反应液用蒸馏水，通过截留分子量为8000的透析袋透析，透析后浓缩；6)向浓缩液加入丙酮，析出黄色或白色沉淀物，室温沉化30-60分钟；7)将步骤6)中沉化的沉积物抽滤，滤饼在50-7(TC下真空烘干，即为甲壳低聚糖季铵盐和/或壳聚糖季铵盐；4.按权利要求3所述的壳聚糖季铵盐的制备，其特征在于步骤l)中壳低聚糖由微波作用下制备。5.—种按权利要求1所述的壳聚糖季铵盐的应用其特征在于所述的壳聚糖季铵盐可应用在化妆品以及食品工业中作为保湿剂或抗氧化剂。全文摘要本发明涉及海洋化工工程
技术领域：
，具体地说是一种壳聚糖季铵盐及其制备方法与应用，具体为用缩水甘油三甲基氯化铵对高、低分子量壳聚糖进行改性，采用不同条件制备了羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖。通过红外光谱对结构进行表征，IR谱图分析证实以N上取代为主。该化合物具有抗氧化和吸湿保湿活性，且甲壳低聚糖季铵盐的抗氧化和吸湿保湿活性强于壳聚糖季铵盐的吸湿保湿活性。本发明提高了壳聚糖的抗氧化和吸湿保湿性，可作为食品、化妆品的抗氧化剂和保湿剂。文档编号A61Q1/00GK101130574SQ200610047518公开日2008年2月27日申请日期2006年8月23日优先权日2006年8月23日发明者松刘,李鹏程,邢荣娥申请人:中国科学院海洋研究所