一种阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖及制备方法和应用与流程

本发明涉及食品领域、化妆品领域及生物医药行业，具体涉及一种阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖及其制备方法和应用。

背景技术：

吸湿保湿剂的吸湿及保湿能力主要取决于对水分子作用力的大小，其应用主要包括食品、日化等领域。其中透明质酸钠作为一种良好的吸湿保湿剂被广泛应用，但是透明质酸钠制备工艺复杂、成本高，因此寻找一种与其作用相似的来源广泛、价格较低的吸湿保湿剂替代品是一项重要的课题。与此同时，吸湿保湿剂在食品领域也有应用，碳水化合物的亲水能力大小是最为重要的食品方面的功能性质之一。具有抑菌活性的吸湿保湿剂在食品、日化等领域能够发挥更重要的作用。

壳聚糖具有生物可降解性、生物相容性、无毒性、成膜性、吸湿保湿性能及抗氧化活性，因此能够广泛应用到医药、食品、农业、日化等各个领域。尽管壳聚糖具有一定的生物活性，但不足以支撑其大规模的开发利用。研究证明，高取代度的2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖具有良好的吸湿保湿性能，且具有一定的抑菌性。与此同时，2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖中的氯离子可以通过离子交换的方式置换成具有高吸湿保湿性能及抑菌活性的活性分子，提升2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖的活性。改性后的壳聚糖衍生物具有一定的抑菌活性及良好的吸湿保湿性能，是替代传统吸湿保湿剂的良好选择，同时由于其良好的抑菌活性及吸湿保湿性能，可以作为功能性食品添加剂来改善食品结构，增强食品的保水功能以及调节食品水分活性，也可以作用食品的保鲜材料来实现食品的保鲜。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提出了一种阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖及其制备方法和应用。

为实现上述目的，本发明采用技术方案为：

一种阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖，阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖结构式如式（1）所示：

式（1）

式（1）中

其中n表示聚合度，平均取值范围是50-1000。

阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖的制备方法：

（1）将壳聚糖分散于异丙醇中溶胀，加入氢氧化钠水溶液、3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵溶液混合后，55℃-75℃条件下于金属浴中反应9-12小时，醇沉抽滤后烘干，即得到2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖；

（2）将上述2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖溶于去离子水中，而后加入吡咯烷酮羧酸钠水溶液、乳酸钠水溶液或甜菜碱水溶液，混匀后于室温条件下反应6-8h，反应后截留透析后，冷冻干燥，即得式（1）所示的阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖。

所述步骤（1）所述3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵的摩尔量是壳聚糖摩尔量的3-5倍；所述氢氧化钠的摩尔量是壳聚糖摩尔量的1-1.5倍。

所述金属浴中反应9-12小时后用乙醇对反应产物进行醇沉，而后再经质量分数为95%的乙醇洗涤，抽滤后烘干，即得到2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖。

所述步骤（2）2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖的摩尔量是所连活性分子（活性分子为吡咯烷酮羧酸钠、乳酸钠或甜菜碱）摩尔量的3-5倍。

所述步骤（2）反应后将反应物混合溶液转移至截留分子量为500的透析袋用去离子水透析24-48h冷冻干燥，即得式（1）所示的阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖。

所述步骤（2）可以替换为2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖充分溶解于去离子水后，转移至截留分子量为500的透析袋中，而后加入吡咯烷酮羧酸钠水溶液、乳酸钠水溶液或甜菜碱水溶液进行透析反应12-24小时，反应结束后再用去离子水透析24-48h，浓缩后冷冻干燥，即得到式（1）所示的阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖。

所述壳聚糖分散于异丙醇中，壳聚糖的终浓度为10%-25%；所述羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖溶于去离子水所得水溶液的浓度为5%-20%。

所述吡咯烷酮羧酸钠水溶液中吡咯烷酮羧酸钠浓度为5%-15wt%、乳酸钠水溶液中乳酸钠浓度为5%-15wt%、甜菜碱水溶液中甜菜碱的浓度为5%-15wt%。

阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖的应用，所述阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖在食品领域、化妆品领域或生物医药领域中作为抑菌材料、吸湿或保湿剂的应用。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果如下：

（1）本发明对壳聚糖经过修饰得具有抑菌活性的吸湿保湿剂在抑菌活性及吸湿保湿性能方面均优于透明质酸，且本发明所得具有抑菌活性的吸湿保湿剂水溶性良好，应用前景更加广泛。

（2）本发明所得阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖制备过程简单，目标产物产率高、反应过程所用材料成本低，且本发明所得阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖具有一定的抑菌活性、吸湿保湿活性极好，适合推广产业化应用，可以广泛应用于食品领域、化妆品领域及生物医药领域。

附图说明

图1为本发明实施例提供的阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖的合成路线图。

图2壳聚糖的红外光谱图；3428 cm^-1处为壳聚糖糖环上的羟基吸收峰，2919 cm^-1处为壳聚糖的饱和烷烃C-H伸缩振动吸收峰，1646 cm^-1处为壳聚糖的氨基伸缩振动吸收峰。

图3为本发明实施例提供2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖的红外光谱图；1478 cm^-1处为壳聚糖引入季铵盐的甲基的振动吸收峰。

图4为本发明实施例1吡咯烷酮羧酸钠阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖的红外光谱图；1727 cm^-1处为所接吡咯烷酮羧酸钠阴离子中C=O的振动吸收峰，1565 cm^-1处为吡咯烷酮羧酸钠阴离子中杂环的振动吸收峰。

图5为本发明实施例2乳酸钠阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖的红外光谱图；1416 cm^-1处为羧酸负离子的吸收峰。

图6为本发明实施例3甜菜碱阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖的红外光谱图；1415 cm^-1处为羧酸负离子的吸收峰。

具体实施方式

以下结合实例对本发明的具体实施方式做进一步说明，应当指出的是，此处所描述的具体实施方式只是为了说明和解释本发明，并不局限于本发明。

本发明所得阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖制备过程简单，目标产物产率高、反应过程所用材料成本低，且本发明所得阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖具有一定的抑菌活性、吸湿保湿活性极好，适合推广产业化应用，可以广泛应用于食品领域、化妆品领域及生物医药领域。

本发明以壳聚糖、3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵、氢氧化钠、活性吸湿保湿化合物为原料，制备了一种阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖。再进一步的说，制备方法分为两步：（1）以壳聚糖为原料，利用3-氯-2羟丙基三甲基氯化铵对其进行改性，得到反应活性中间体。（2）基于离子交换的方式，接枝吡咯烷酮羧酸钠、乳酸钠及甜菜碱等一系列具有生物活性及吸湿保湿性能的阴离子化合物，得到所述阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖。本发明制备过程简单，目标产物产率高、反应过程所用材料成本低，且本发明所得阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖具有一定的抑菌活性、吸湿保湿活性极好，适合推广产业化应用，可以广泛应用于食品领域、化妆品领域及生物医药领域。

实施例1

如图1所示阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖的合成路线，其中n表示聚合度，平均取值范围是50-1000。

（1）称量壳聚糖(分子量约5万)3.38g分散于30mL异丙醇中溶胀，滴加加入质量分数为40%的氢氧化钠水溶液1.2mL、质量分数为60%的3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵溶液19mL，55℃条件下于金属浴反应锅中反应9小时，反应结束后用乙醇沉淀及洗涤，抽滤后烘干，即得到2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖。

（2）称量上述2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖3g溶于60mL去离子水中，而后将质量分数15%的吡咯烷酮羧酸钠水溶液30mL滴加至前者，于室温条件下反应6h，然后将混合溶液转移至截留分子量为500的透析袋用去离子水透析24h，冷冻干燥，即得式一所示的吡咯烷酮羧酸钠阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖，n为300-320。

实施例2

与实施例1不同之处在于：

（1）称量壳聚糖(分子量约10万)3.38g分散于25mL异丙醇中溶胀，滴加加入质量分数为40%的氢氧化钠水溶液1.4mL、质量分数为60%的3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵溶液25mL，60℃条件下于金属浴中反应10小时，反应结束后用乙醇沉淀及洗涤，抽滤后烘干，即得到2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖。

（2）称量2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖3g充分溶解于30mL去离子水后，转移至截留分子量为500的透析袋中，在浓度为10%的乳酸钠水溶液透析反应12小时，反应结束后再用去离子水透析24h，浓缩后冷冻干燥，即得到式一所示乳酸钠阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖，n为600-630。

实施例3

与实施例1不同之处在于：

（1）称量壳聚糖(分子量约15万)3.38g分散于15mL异丙醇中溶胀，滴加加入质量分数为40%的氢氧化钠水溶液1.6mL、质量分数为60%的3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵溶液30mL，75℃条件下于金属浴中反应12小时，反应结束后用乙醇沉淀及洗涤，抽滤后烘干，即得到2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖。

（2）称量上述2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖3g溶于20mL去离子水中，转移至截留分子量为500的透析袋中，在浓度为15%的甜菜碱水溶液透析反应12小时，反应结束后再用去离子水透析48h，浓缩后冷冻干燥，即得到式一所示甜菜碱阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖，n为920-950。

应用例1

吸湿活性的测定

在饱和硫酸铵溶液(相对湿度81％)和饱和碳酸钠溶液(相对湿度43％)环境下分别测试原料样品的吸湿活性，其中原料样品分别为壳聚糖、市售透明质酸钠及实施例制备获得吡咯烷酮羧酸钠阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖、乳酸钠阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖、甜菜碱阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖：

将上述样品原料分别在65℃下条件下干燥48h至恒重后，分别称取0.20g置于干燥的称量瓶中，将盛有样品原料的称量瓶放置于相对湿度为81％和相对湿度为43％的干燥器中，每隔一段时间称量一次称量瓶的质量，计算样品的吸湿活性，全部实验重复一次。

吸湿率(％)＝(W1-W0) × 100/W0

W0和W1分别为样品放置前、后的质量(g)

表1，原料样品在RH＝81％时的吸湿活性(％)

表2，原料样品在RH＝43％时的吸湿活性(％)

应用例2

保湿活性的测定

在饱和硫酸铵溶液(相对湿度81％)、饱和碳酸钠溶液(相对湿度43％)和干燥硅胶环境下分别测试原料样品的保湿活性并做对比：

其中原料样品分别为壳聚糖、市售透明质酸钠及吡咯烷酮羧酸钠阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖、乳酸钠阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖、甜菜碱阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖：

将上述原料样品分别在65℃下条件下干燥48h至恒重后，分别称取0.50g置于干燥的称量瓶中，并加入50µL去离子水，将盛有样品的称量瓶放置于相对湿度为81％、相对湿度为43％，以及干燥硅胶的干燥器中，每隔一段时间称量一次称量瓶的质量，计算样品的保湿活性，全部实验重复一次。

保湿率(％)＝100× Hn/H0

H0、Hn分别为放置前后水分的质量(g)

表3，原料样品在RH＝81％时的保湿活性(％)

表4，原料样品在RH＝43％时的保湿活性(％)

表5，原料样品在干燥硅胶条件下的保湿活性(％)

应用例3

抑菌活性测定

采用菌丝生长速率法测定原料样品对灰葡萄孢菌的抑制作用。具体操作为：将原料样品真空冷冻干燥至恒重后，以水作溶剂，配制成6 mg/mL的样品水溶液后，分别取0.2 mL，1 mL和2 mL样品溶液加入至体积为11.8 mL、11 mL和10 mL的市售的真菌培养基中，摇匀并趁热倒入直径为 6 cm的一次性培养皿中冷却凝固，样品最终浓度为0.1 mg/mL、0.5 mg/mL和1.0 mg/mL。待其完全凝固后，用无菌镊子将菌饼小心地接种于凝固的固体培养基中心，在28°C、60%湿度条件下培养48h。以等浓度的多菌灵为阳性对照，以等体积的无菌水代替样品作为空白对照。然后采用十字交叉法测量菌丝生成区域的直径，取平均值。样品的抑菌率的计算公式如下：

抑菌率(％)＝[1-(D样品-5)/(D空白-5)]×100

其中D样品为样品组菌丝生长直径，D空白为空白组菌丝生长直径

其中原料样品分别为壳聚糖、市售透明质酸钠及吡咯烷酮羧酸钠阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖、乳酸钠阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖、甜菜碱阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖：

表6，原料样品的抑菌活性(％)

实验结果：本发明所合成的阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖与壳聚糖、透明质酸钠的吸湿保湿性能如表1-5所示，抑菌活性如表6所示。研究证明，实验中壳聚糖的吸湿保湿性能要远低于透明质酸钠，但是在引入吡咯烷酮羧酸钠、乳酸钠及甜菜碱阴离子后，吸湿保湿性能有了显著的提高，结果表明：吡咯烷酮羧酸钠阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖、乳酸钠阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖、甜菜碱阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖的吸湿保湿性能均高出对照透明质酸钠的吸湿保湿性能，甜菜碱阴离子化2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖的吸湿保湿性能最佳。与此同时，与透明质酸钠比较，本发明所合成的吸湿保湿剂具有明显的抑菌活性。此外，上述制备获得的目标化合物的成本远低于透明质酸钠，而吸湿保湿活性显著高于透明质酸钠，同时具备一定的抑菌活性，这就为一种新型吸湿保湿剂或抑菌材料的开发提供了技术支撑以及可观的发展潜力。