专利名称：一种水解壳聚糖和甲壳素的方法
技术领域：
本发明涉及壳聚糖和甲壳素的水解，具体地说是一种以离子液体为溶剂，以酸为
催化剂，水解壳聚糖和甲壳素，获取可溶性单糖和寡糖的方法。
背景技术：
甲壳素是由基本结构单元N-乙酰-D-葡萄糖胺以P-l，4-糖苷键连接构成的天 然多糖，广泛存在于节肢动物(如虾、蟹)的外壳和真菌的细胞壁中。在自然中甲壳素年生 物合成量达数百亿吨，仅次于纤维素，是资源极其丰富的可再生资源。壳聚糖是甲壳素的脱 乙酰化产物，含有D-葡萄糖胺结构单元，是一种碱性多糖。甲壳素和壳聚糖为白色或淡黄 色固体，不溶于水、大多数有机溶剂以及稀酸，但可溶于浓无机酸。 降解甲壳素和壳聚糖可以得到D-葡萄糖胺、N-乙酰-D-葡萄糖胺和壳寡糖等 产物。降解甲壳素和壳聚糖的方法有酶法、物理法和化学法。酶法降解(David P，Mark S. Carbohydr. Res. ， 1992， 237， 325)可在常温下进行、副产物少、环境友好；但需要复杂的 预处理过程、水解活性低、速度慢、并且酶价格昂贵、容易失活、成本很高。物理降解法主要 有光降解法、辐射降解法和超声波降解法等，它们虽然减少了化学试剂使用，环境友好，但 产品收率低，质量差，难以实现工业化。 化学降解法主要有酸降解法和氧化降解法。当前工业上主要使用浓盐酸水解甲壳 素和壳聚糖，得到低聚糖的分子量分布比较宽(Defaye J. Adv. Carbohydr. Chem. Biochem.， 1970,25， 181)，其中D-葡萄糖胺的收率在30 40% (许玉生，王茂元.化学与粘合， 2004， (4) ，206)。 0mura等人使用磷酸水解壳聚糖(0mura H， Uehara， K， Tanaka Y. Jpn. Patent. 03-02203， 1991)，得到主产物为聚合度为6 8的寡糖。Hasegawa等人提出了新工 艺，获得水溶性部分平均聚合度为17的寡糖(Hasegawa M，Isogai A，0nabe F. Carbohydr. Polym. ，1993,20,279)，但水解时间长达4 6周。此外，浓硫酸、氢氟酸和三氯乙酸等都可 以催化降解壳聚糖。浓酸水解虽然可在较低温度和常压下实现，但也存在一系列缺陷浓酸 腐蚀设备、水解液后处理麻烦、酸耗大、回收困难等。 甲壳素和壳聚糖还可以氧化降解，代表性反应体系为盐酸-亚硝酸钠体系 (F訓saki E，Ueno Y， Sakairi N， et al. Carbohydr. Polym. ， 1996， 29， 29)。通过改变亚硝 酸钠用量和反应时间来控制，氧化降解法可制备分子量分布较窄的水溶性低聚糖或者用于 提取单糖。由于氧化降解法反应条件温和，选择性好，对制备特定分子量的低聚糖有独特的 优势；但该法在降解过程中破坏了氨基，产品质量受到影响。以过氧化氢为氧化剂也可以降 角牟甲壳素禾口壳聚糖(Tanioka S， Matsui Y， Irie T， et al. Biosci. Biotechnol. Biochem.， 1996， 60， 2001)，但反应需要在较高温度和过氧化氢浓度下才能得到低分子量产物，工艺条 件较难掌握，反应稳定性和重复性差，并且存在安全问题。 综上所述，现有技术降解甲壳素和壳聚糖存在明显的不足，如产率低、重复性差、 后处理复杂、化学试剂使用量大、腐蚀性强、成本高。另外，大多现有技术得到的降解产物分 子量分布太宽，单糖收率低。因此，尚需要发展更高效、清洁、单糖收率高的甲壳素和壳聚糖水解技术。
发明内容
为提高壳聚糖和甲壳素水解效率，本发明的目的在于提供一种操作简便、条件温 和、环境友好的新方法。 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为 首先将壳聚糖或甲壳素溶解在离子液体中，在质子酸和超过化学计量的水存在 下，加热反应，得到D-葡萄糖胺J-乙酰-D-葡萄糖胺和壳寡糖等产物。反应结束后，用冷 水淬灭反应、用离子交换色谱法或分子排阻色谱法分离纯化水解产物。 本发明使用的离子液体为对壳聚糖或甲壳素有较好溶解能力的离子型化合物。构
成离子液体的阳离子包括但不限于，烷基咪唑型阳离子、烷基吡啶型阳离子、季胺型阳离 子、季膦型阳离子，等，最好是烷基咪唑型阳离子；而阴离子包括但不限于，卤素离子、S042—、 C104—、HS04—、RS03—(磺酸根离子)、P043—、HP042—、H2P04—、HC02—、CH3C02—、H02CC02—、CF3S03—、 [BF4]—、 NTf2—等，最好是卤素离子。本发明使用的质子酸包括但不限于无机酸如硫酸、盐酸、硝酸、磷酸、高氯酸等；和 有机酸如甲酸、乙酸，马来酸，三氟甲磺酸、三氟乙酸、三氯乙酸等，最好是硫酸或盐酸。
本发明各物料的相对用量条件为壳聚糖(或甲壳素)与离子液体的质量比为
0.06 : i i : 1、水用量为壳聚糖(或甲壳素)质量的2 io倍。当离子液体的阴离子
不含有可电离质子时，酸用量为壳聚糖(或甲壳素)质量的0. 1 2倍；当离子液体的阴离
子含有可电离质子时，不需要额外使用质子酸。 本发明在水解过程中操作温度为60°C 14(TC、反应时间为2分钟 24小时。
本发明采用Imoto法(Imoto T，Yagishita K. Agric. Biol. Chem. ，1971,35,1154) 测定水解液中氨基葡萄糖和寡糖总糖浓度，以总还原糖表示。
本发明具有如下优点 1、与酶水解方法相比，本发明无需预处理过程，催化剂成本低，水解速度快、水解 操作允许的底物浓度高。 2、与传统浓酸水解相比，本发明酸耗少，水解操作允许的底物浓度高，操作条件温 和，对反应器的抗腐蚀性要求不高，后处理简单，环境友好，反应进度易于控制，成本低。
3、与氧化降解相比，本发明对糖苷键选择性高，氨基不被氧化，工艺条件容易掌 握，稳定性和重复性好，产物化学纯度高。 4、与以上所有方法相比，本发明以离子液体为溶剂，反应在均相条件下进行，速度 快，水解充分，效率高。 总之，与现有技术相比，本发明设备要求不高，原料无需预处理、酸耗少、反应速度 快、工艺简便、条件温和、环境友好、反应进度容易跟踪和控制等。本发明为高效利用海洋生 物质资源开辟了新途径，在获取生物基化学品和生物保健品方面具有巨大的应用前景。
具体实施例方式以下实施例有助于了解本专利，但不以任何形式限制本发明的应用。 本发明涉及以离子液体为反应介质，以质子酸为催化剂在加热条件下水解壳聚糖和甲壳素制备单糖和寡糖的方法。具体地说是将壳聚糖或甲壳素溶解在离子液体中，加入 酸和水，加热反应，得到水解产物，以总还原糖计产率可高达70%。本发明具有操作条件温 和、反应速度快、离子液体可重复使用、成本低、工艺简单、环境友好等优点，为高效降解壳 聚糖和甲壳素提供了新方法，为大规模制备通用海洋化学品和医学保健品开辟了新途径。
离子液体溶剂制备参照文献(Li C， Zhao Z， Adv. Synth. Catal. ，2007,349， 1847 ;Webb P B， Sellin M F， Kunen T E， et al.J. Am. Chem. Soc. ， 2003，125，15577 ;Noda， A， Watanabe M. Electrochimica Acta. 2000，45，1265 ;Sheldrake G N， Schleck， D.Green Chem. 2007，9，1044.)和专利(W000/16902)制备和纯化离子液体，用于本发明专利的实施。
实施例1 在IO毫升圆底烧瓶中，将O. 255克低分子量壳聚糖(Sigma公司，商品号448869) 加入4克离子液体氯化丁基甲基咪唑(BMImCl)中，加热溶解。再加入O. 054克水和0. 44克 98wt^硫酸，于IO(TC反应5小时。反应结束，冷水淬灭，分析表明总还原糖产率为53%。
实施例2 在10毫升圆底烧瓶中，将0. 255克低分子量壳聚糖(Sigma公司，商品号448869) 加入4克离子液体BMImCl中，加热溶解。再加入0. 054克水与0. 074克98wt %硫酸，于 IO(TC反应12小时。反应结束，冷水淬灭反应，分析表明总还原糖产率为38%。
实施例3 在10毫升圆底烧瓶中，将0. 255克低分子量壳聚糖(Sigma公司，商品号448869) 加入4克离子液体BMImCl中，加热溶解。再加入0. 054克水与0. 37克98wt %硫酸，于80°C 反应12小时。反应结束，冷水淬灭反应，分析表明总还原糖产率为28%。
实施例4在10毫升圆底烧瓶中，将0. 255克低分子量壳聚糖(Sigma公司，商品号448869) 加入4克离子液体BMImCl中，加热溶解。再加入0. 054克水与0. 37克98wt %硫酸，于1 l(TC 反应3. 3小时。反应结束，用冷水淬灭反应，分析表明总还原糖产率为57%。
实施例5 在10毫升圆底烧瓶中，将0. 255克低分子量壳聚糖(Sigma公司，商品号448869) 加入4克离子液体BMImCl中，加热溶解。再加入0. 054克水与0. 37克98wt %硫酸，于140°C 反应0.5小时。反应结束，冷水淬灭反应，分析表明总还原糖产率为58%。实施例3 5说
明，操作温度越高，越有利于快速水解形成还原糖。
实施例6 在10毫升圆底烧瓶中，将0. 255克低分子量壳聚糖(Sigma公司，商品号448869) 加入4克离子液体BMImCl中，加热溶解。再加入0. 135克水与0. 44克98wt %硫酸，于IO(TC 反应8小时。反应结束，冷水淬灭反应，分析表明总还原糖产率为62%。
实施例7 在10毫升圆底烧瓶中，将0. 255克高分子量壳聚糖(Sigma公司，商品号419419) 加入4克离子液体BMImCl中，加热溶解。再加入0. 054克水与0. 44克98wt %硫酸，于IO(TC 反应5小时。反应结束，冷水淬灭反应，分析表明总还原糖产率为63%。
实施例8 在10毫升圆底烧瓶中，将0.305克甲壳素(Sigma公司，商品号C7170)加入4克离子液体BMImCl中，加热溶解。再加入0. 054克水与0. 44克98wt^硫酸，于IO(TC反应5 小时。反应结束，冷水淬灭反应，分析表明总还原糖产率为30%。
实施例9 在10毫升圆底烧瓶中，将2. 04克中分子量壳聚糖(Sigma公司，商品号448877) 加入4克离子液体BMImCl中，加热溶解。再加入4.0克36wt^盐酸，于10(TC反应5小时。 反应结束，冷水淬灭反应，分析表明总还原糖产率为54% 。
实施例10 在10毫升圆底烧瓶中，将4.0克低分子量壳聚糖(Sigma公司，商品号448869)加 入4克离子液体BMImCl中，加热溶解。再加入O. 44克水与2. 1克98wt^硫酸，于IO(TC反 应6小时。反应结束，冷水淬灭反应，分析表明总还原糖产率为51 % 。本实施例说明水解可 在很高底物浓度(50% )条件下操作，和传统浓酸水解比具有显著优势。
实施例11 在IO毫升圆底烧瓶中，将O. 255克低分子量壳聚糖(Sigma公司，商品号448869) 加入4克离子液体丁基甲基咪唑醋酸盐(BMIm*OAc)中，加热溶解。再加入0. 15克36wt% 盐酸，于10(TC反应8小时。反应结束，冷水淬灭反应，分析表明总还原糖产率为52%。
实施例12 在IO毫升圆底烧瓶中，将O. 255克低分子量壳聚糖(Sigma公司，商品号448869) 加入4克离子液体BMImCl中，加热溶解。再加入0. 45克36wt^盐酸，于IO(TC反应6小时。 反应结束，冷水淬灭反应，分析表明总还原糖产率为64% 。
实施例13 在IO毫升圆底烧瓶中，将O. 255克低分子量壳聚糖(Sigma公司，商品号448869) 加入4克离子液体BMImCl中，加热溶解。再加入0. 37克65wt %硝酸，于IO(TC反应9小时。 反应结束，冷水淬灭反应，分析表明总还原糖产率为58% 。
实施例14在IO毫升圆底烧瓶中，将O. 255克低分子量壳聚糖(Sigma公司，商品号448869) 加入4克离子液体BMImCl中，加热溶解。再加入0. 054克水和0. 18克乙酸，于IO(TC反应 24小时。反应结束，冷水淬灭反应，分析表明总还原糖产率为25%。
实施例15 在10毫升圆底烧瓶中，将0.305克甲壳素(Sigma公司，商品号22720)加入4克 离子液体BMImCl中，加热溶解。加入O. 45克36wt^盐酸，于10(TC反应8小时。反应结束， 冷水淬灭反应，分析表明总还原糖产率为28%。
实施例16在IO毫升圆底烧瓶中，将O. 255克低分子量壳聚糖(Sigma公司，商品号448869) 加入4克离子液体溴化丁基甲基咪唑(BMImBr)中，加热溶解。再加入0. 45克36wt^盐酸， 于IO(TC反应6小时。反应结束，用冷水淬灭反应，分析表明总还原糖产率为70%。
实施例17 在IO毫升圆底烧瓶中，将O. 255克低分子量壳聚糖(Sigma公司，商品号448869) 加入4克离子液体丁基甲基咪唑硫酸氢盐(BMIm HS04)中，加热溶解。再加入0.054克水， 于10(TC反应5小时。反应结束，用冷水淬灭反应，分析表明总还原糖产率为40%。由于本实施例使用了强酸性离子液体，溶剂本身即具备质子酸的功能，因此无需额外使用质子酸。
实施例18 在10毫升圆底烧瓶中，将0. 255克低分子量壳聚糖(Sigma公司，商品号448869) 加入4克离子液体氯化丁基吡啶([C4Py]Cl)中，加热溶解。再加入0.054克水与0.44克 98wt^硫酸，于10(TC反应5小时。反应结束，冷水淬灭反应，分析表明总还原糖产率为 51%。 实施例19 在IO毫升圆底烧瓶中，将O. 255克低分子量壳聚糖(Sigma公司，商品号448869) 加入4克离子液体BMImCl中，加热溶解。再加入O. 15克36wt^盐酸，在200W微波辐射 (频率2450MHz)条件下，反应5分钟。反应结束，冷水淬灭反应，分析表明总还原糖产率为 50%。 实施例20 在IO毫升圆底烧瓶中，将O. 255克低分子量壳聚糖(Sigma公司，商品号448869) 加入4克离子液体BMImCl中，加热溶解。再加入0. 054克水与0. 44克98wt %硫酸，在400W 微波辐射(频率2450MHz)条件下，反应2分钟。反应结束，冷水淬灭，分析表明总还原糖产 率为47%。由实施例19和实施例20实验结果可以看出，使用微波加热，可以显著縮短水解 时间，这是因为离子液体介电性高，能快速吸收微波能量，实现体相加热，导致反应体系迅 速而均匀地受热，因而优于传统的传导加热方式。
实施例21 取实施例4的水解液，用0. 5mol/L NaOH调pH为8，用活化好的NH4+型阳离子交 换树脂进行糖和离子液体分离，H20洗脱，用苯胺_ 二苯胺_磷酸方法检测糖。收集只含有 糖的淋洗液，浓縮，测得总还原糖浓度，计算得到分离产率为52% 。
权利要求
一种水解壳聚糖和甲壳素的方法，其特征在于以离子液体为溶剂，以壳聚糖或甲壳素为原料，在质量为原料质量0.1～1.5倍的水存在下，将与加热到30℃～140℃反应2分钟～24小时，得到水解产物。
2. 按照权利要求1所述的方法，其特征还在于所述离子液体为对壳聚糖或甲壳素有较好溶解能力，由阴阳离子构成的离子型化合物，其中阳离子为烷基咪唑型阳离子、烷基吡啶型阳离子、季胺型阳离子和/或季膦型阳离子；所述离子液体的阴离子为卤素离子、S042—、 C104—、 RS03—(磺酸根离子)、P043—、 HC02—、 CH3C02—、 CF3S03—、 [BF4]—禾口 /或NTf2—。
3. 按照权利要求1或2所述的方法，其特征还在于所述离子液体的阴离子为含有可电离质子的多元酸酸根离子HS04—、 HP042—、 H2P04—和/或H02CC02—。
4. 按照权利要求1所述的方法，其特征还在于壳聚糖或甲壳素与离子液体的质量比为o. 06 : i i : i。
5. 按照权利要求1和权利要求2所述的方法，其特征还在于反应体系中还加入有用量为壳聚糖或甲壳素质量0. 1 2倍的质子酸。
6. 按照权利要求5所述的方法，其特征还在于所述质子酸为无机酸中的硫酸、盐酸、硝酸、磷酸和/或高氯酸；或有机酸中的甲酸、乙酸、马来酸、三氟甲磺酸、三氟乙酸和/或三氯乙酸。
7. 按照权利要求1所述的方法，其特征还在于水解反应结束后，用冷水淬灭反应，运用离子交换色谱法分离水解产物，得到葡萄糖胺和寡糖。
8. 按照权利要求1所述的方法，其特征还在于水解温度为60 140°C。
全文摘要
本发明涉及以离子液体为反应介质，以质子酸为催化剂在加热条件下水解壳聚糖和甲壳素制备单糖和寡糖的方法。具体地说是将壳聚糖或甲壳素溶解在离子液体中，加入酸和水，加热反应，得到水解产物，以总还原糖计产率可高达70％。本发明具有操作条件温和、反应速度快、离子液体可重复使用、成本低、工艺简单、环境友好等优点，为高效降解壳聚糖和甲壳素提供了新方法，为大规模制备通用海洋化学品和医学保健品开辟了新途径。
文档编号C07H1/00GK101723989SQ20081022812
公开日2010年6月9日 申请日期2008年10月17日 优先权日2008年10月17日
发明者张泽会, 李昌志, 赵宗保 申请人:中国科学院大连化学物理研究所