聚α-1，3-葡聚糖酯和由其所得膜的制备
【专利说明】聚α-1,3-葡聚糖酯和由其所得膜的制备
[0001] 本申请要求美国临时申请61/746, 328 ;61/746, 335和61/746, 338的权益；每篇 专利均提交于2012年12月27日，这些专利均全文以引用方式并入本文。
技术领域
[0002] 本发明为聚α-1，3-葡聚糖衍生物的领域。具体地，本发明涉及聚α-1，3-葡聚 糖酯、它们的制备方法、以及由其制得的膜。
【背景技术】
[0003] 受到利用微生物或植物宿主的酶合成或基因工程以寻求新结构多糖的期望的驱 动，研究人员已经发现了可生物降解并且可从可再生资源基原料经济地制备的多糖。一种 此类多糖是聚α-l，3-葡聚糖（其特征在于具有α-l，3-糖苷键的葡聚糖聚合物）。通过 使鹿糖水性溶液与分离自唾液链球菌（Streptococcus salivarius)的葡糖基转移酶接触 已经分离到这种聚合物（Simpson 等人，Microbiology 141 :1451_1460,1995)。由聚 α-1， 3-葡聚糖制备的膜耐受至多150°C的温度并相对于得自β-1，4-连接的多糖的聚合物具有 优点（Ogawa 等人，Fiber Differentiation Methods，47:353-362,1980) 〇
[0004] 美国专利7, 000, 000公开了包含己糖单元的多糖纤维的制备，其中在聚合物内至 少50%的己糖单元经由α -1，3-糖苷键，利用唾液链球菌gtfj酶连接。该酶利用鹿糖作为 聚合反应的底物，从而产生聚α-1，3-葡聚糖和果糖作为终产物（Simpson等人，1995)。在 溶剂或包含溶剂的混合物中溶解超过临界浓度时，本发明所公开的聚合物形成液晶溶液。 由该溶液纺出高度适用于纺织物的连续牢固的棉状纤维并且使用。
[0005] 关于各种聚α -1，3-葡聚糖衍生物的制备以及它们应用的信息很少。
[0006] Yui 等人（Int. J. Biol. Macromol. 14 :87_96,1992)公开，使用从真菌硫色绚孔菌 的子实体提取出的聚α_1，3-葡聚糖，合成聚α-1，3_葡聚糖三乙酸酯。该聚合物的结构 由X射线晶体衍射来分析。
[0007] Ogawa 等人（Carb. Poly. 3 :287_297,1983)使用三种不同的聚 α -1，3-葡聚糖样 品制备聚α-1，3_葡聚糖三乙酸酯。一种样品从细菌细胞外多糖中隔离，而另两种样品从 真菌子实体中提取。这些聚合物的结构由X射线晶体衍射来分析。
[0008] 鉴于聚α -1，3-葡聚糖酯衍生物在各种应用诸如制膜中的潜在实用性，期望开发 新型聚α -1，3-葡聚糖酯衍生物以及制备此类衍生物的方法。
【发明内容】
[0009] 在一个实施例中，本发明涉及包含由以下结构表示的聚α-l，3-葡聚糖酯化合物 的组合物：
[0010]
[0011] 其中
[0012] ⑴η为至少6，
[0013] (ii)每个R独立地为H或酰基基团，并且
[0014] (iii)所述化合物具有约0· 05至约3. 0的取代度。
[0015] 在第二实施例中，所述酰基基团为乙酰基、丙酰基、丁酰基、戊酰基、己酰基、庚酰 基、或辛酰基基团。该实施例中的化合物可包含一种类型的酰基基团，或两种或更多种类型 的酰基基团。在第三实施例中，所述化合物包含一种类型的酰基基团。
[0016] 在第四实施例中，所述酰基基团为乙酰基基团，并且取代度为约0. 05至约2. 6。
[0017] 在第五实施例中，所述化合物包含两种或更多种类型的酰基基团。例如，两种或更 多种类型的酰基基团可为（i)乙酰基和丙酰基，或（ii)乙酰基和丁酰基。
[0018] 在第六实施例中，本发明涉及制备聚α-1，3-葡聚糖酯化合物的方法。该方法包 括在基本上无水的反应中使聚α -1，3-葡聚糖与至少一种酸催化剂、至少一种酸酐、和至 少一种有机酸接触。来源于酸酐的酰基基团在该接触步骤中酯化成聚α-1，3-葡聚糖，从 而制得由以下结构表示的聚α -1，3-葡聚糖酯化合物：
[0019]
[0020] 其中
[0021] ⑴η为至少6，
[0022] (ii)每个R独立地为H或酰基基团，并且
[0023] (iii)所述化合物具有约0. 05至约3. 0的取代度。可任选地分离出由该方法制得 的聚α-1，3_葡聚糖酯。
[0024] 在第七实施例中，聚α -1，3-葡聚糖在所述方法的接触步骤之前，与有机酸进行 酸交换以从聚α-I，3-葡聚糖中除去水。
[0025] 在第八实施例中，所述方法中的酸催化剂为无机酸。在第九实施例中，所述无机酸 为硫酸或高氯酸。
[0026] 在第十实施例中，所述方法中的酸酐为乙酸酐、丙酸酐、或丁酸酐中的一种或多 种；并且有机酸为乙酸、丙酸、或丁酸中的一种或多种。该实施例的非限制性示例包括：
[0027] ⑴酸酐为乙酸酐，并且有机酸为乙酸，其中反应中制得的聚α-l，3-葡聚糖酯化 合物为聚α-1，3-葡聚糖乙酸酯；
[0028] (ii)酸酐为丙酸酐和乙酸酐，并且有机酸为丙酸和任选地乙酸，其中反应中制得 的聚α-1，3-葡聚糖酯化合物为聚α-1，3-葡聚糖乙酸酯丙酸酯；
[0029] (iii)酸酐为丙酸酐，并且有机酸为丙酸和乙酸，其中反应中制得的聚α-l，3-葡 聚糖酯化合物为聚α -1，3-葡聚糖乙酸酯丙酸酯；
[0030] (iv)酸酐为丁酸酐和乙酸酐，并且有机酸为丁酸和任选地乙酸，其中反应中制得 的聚α-1，3-葡聚糖酯化合物为聚α-1，3-葡聚糖乙酸酯丁酸酯；并且
[0031] (V)酸酐为丁酸酐，并且有机酸为丁酸和乙酸，其中反应中制得的聚α-1，3-葡聚 糖酯化合物为聚α-1，3-葡聚糖乙酸酯丁酸酯。
[0032] 在第十一个实施例中，反应还包含有机溶剂。
[0033] 在第十二个实施例中，所述方法的接触步骤包括：
[0034] (i)冷却反应；
[0035] (ii)冷却包含聚α -1，3-葡聚糖、酸催化剂和有机酸的混合物，然后将酸酐加入 到所述混合物中；
[0036] (iii)冷却包含酸酐和有机酸的混合物，然后将聚α -1，3-葡聚糖和酸催化剂加 入到所述混合物中；或者
[0037] (iv)冷却包含酸催化剂和有机酸的混合物，然后将聚α -1，3-葡聚糖和酸酐加入 到所述混合物中。
[0038] 在第十三个实施例中，反应中制得的聚α-l，3-葡聚糖酯化合物为聚α-l，3-葡 聚糖三乙酸酯。该实施例中的方法还包括：分离聚α-1，3_葡聚糖三乙酸酯；使聚α-1， 3-葡聚糖三乙酸酯与乙酸和水接触以形成制剂；以及向制剂施加约3-lOkg/cm 2的蒸汽压 以将其温度升至至多260°C，其中制得具有0. 05至2. 70的取代度的聚α -1，3-葡聚糖乙酸 酯。可任选地分离出由该方法制得的聚α-1，3-葡聚糖乙酸酯。
【具体实施方式】
[0039] 本文所引用的所有专利和非专利文献的公开内容均全文以引用方式并入本文中。
[0040] 如本文所用，术语"发明"或"本发明所公开的"不旨在限制但一般适用于权利要 求中所限定的或本文所述的任何发明。本文可互换使用这些术语。
[0041] 本文中，术语"聚α -1，3-葡聚糖"、" α -1，3-葡聚糖聚合物"和"葡聚糖聚合物"互 换使用。聚α-l，3-葡聚糖是包含通过糖苷键连接在一起葡萄糖单体单元的聚合物，其中 至少约50%的糖苷键是α-l，3-糖苷键。聚α-l，3-葡聚糖是多糖的一种类型。聚α-1， 3-葡聚糖的结构可描述如下：
[0042] CN 105008401 A 说明书 4/26 页
[0043] 可采用化学方法，制得可用于制备本文聚α-1，3_葡聚糖酯化合物的聚α-1， 3-葡聚糖。作为另外一种选择，它可通过从产生聚α-1，3-葡聚糖的各种生物体诸如真 菌中提取它而制得。还作为另外一种选择，聚α-1，3_葡聚糖可使用一种或多种葡糖基 转移酶（gtf)(例如gtfj)，由蔗糖酶促产生，如美国专利7, 000, 000和美国专利申请公布 2013/0244288和2013/0244287中所述（这些专利均以引用方式并入本文）。
[0044] 本文术语"葡糖基转移酶"、"gtf酶"、"gtf酶催化剂"、"gtf "、和"葡聚糖蔗糖酶" 互换使用。本文中gft酶的活性催化蔗糖底物的反应，生成产物聚α-1，3-葡聚糖和果糖。 gtf反应的其它产物（副产物）可包括葡萄糖（在从葡糖基-gtf酶中间体复合物水解出葡 萄糖的情况下）、各种可溶性寡糖（DP2-DP7)、以及白菌二糖（在葡糖基-gtf酶中间体复合 物的葡萄糖连接至果糖的情况下）。白菌二糖是由通过α-1，5键连接的葡萄糖和果糖组成 的二糖。葡糖基转移酶的野生型形式大体包含（Ν末端至C末端方向）信号肽、可变域、催 化域和葡聚糖结合域。根据CAZy (碳水化合物-活性酶）数据库（Cantarel等人，Nucleic Acids Res. 37 :D233-238, 2009)，本文中gtf被归类为配糖水解酶家族70 (GH70)。
[0045] 用于制备本文聚α-l，3-葡聚糖酯化合物的聚α-l，3-葡聚糖的葡萄糖单体单 元之间，为α -1，3的糖苷键的百分比为至少约50%、60%、70%、80%、90%、95%、96%、 97%、98%、99%、或100%(或介于50%和100%之间的任何整数值）。因此在此类实施例 中，聚 α -1，3-葡聚糖具有小于约 50%、40%、30%、20%、10%、5%、4%、3%、2%、1%、或 〇% (或介于〇%和50%之间的任何整数值）的非α-1，3的糖苷键。
[0046] 用于制备本文聚α -1，3-葡聚糖酯化合物的聚α -1，3-葡聚糖优选是直链的/非 支链的。在某些实施例中，所述聚α-1，3_葡聚糖没有分枝点，或分枝点占所述聚合物中糖 苷键百分比小于约1〇%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、或1%。分枝点的示例包括 α _1，6分枝点，诸如存在于变形聚合物中的那些。
[0047] 本文术语"糖苷连接基"和"糖苷键"互换使用，并且是指将碳水化合物（糖）分 子连接至另一个基团诸如另一个碳水化合物的共价键类型。如本文所用，术语" α -1，3-糖 苷键"是指将a -D-葡萄糖分子通过相邻a -D-葡萄糖环上的碳1和碳3彼此连接的共价 键类型。这种键如上文提供的聚α-1，3_葡聚糖结构图所示。本文中，"a-D-葡萄糖"被 称为"葡萄糖"。
[0048] 本文术语"聚α -I，3-葡聚糖酯化合物"、"聚α -I，3-葡聚糖酯"和"聚α -I，3-葡 聚糖酯衍生物"互换使用。本文聚α-1，3-葡聚糖酯化合物可由以下结构表示：
[0049]
[0050] 就该结构的化学式而言，η可为至少6,并且每个R可独立地为氢原子（H)或酰基 基团。本文聚α -1，3-葡聚糖酯化合物具有约0. 05至约3. 0的取代度。
[0051] 本文所公开的聚α -1，3-葡聚糖酯化合物是人工合成的化合物。
[0052] 本文聚α -1，3-葡聚糖酯化合物由于包含亚结构-QrO-CO-C-而被称为"酯"， 其中"-Or"表示聚α -1，3-葡聚糖酯化合物的葡萄糖单体单元的碳2、4或6,并且其中 "-C0-C-"包含于酰基基团中。
[0053] 本文"醜基基团"可为例如乙醜基基团（-CO-CH3)、丙醜基基团（-CO-Ql2-CH 3)、丁 醜基基团（-CO-CH2-CH2-CH 3)、戊醜基基团（-C0-CH2-CH 2-CH2-CH3)、己醜基基团（-CO -CH2-CH2 _CH2_CH2_CH 3)、庚醜基基团（_C0_CH2_CH2 _CH2_CH2_CH2_CH 3)、或辛醜基基团（_C0_CH2_CH 2_CH 2- CH2-CH2-CH2-CH3)。酰基基团中的羰基基团（-CO-)与聚α -1，3-葡聚糖酯化合物的葡萄糖 单体单元的碳2、4或6酯键连接。
[0054] 就命名而言，可参照与化合物中一个或多个酰基基团相对应的一种或多种有机 酸，命名本文的聚α_1，3-葡聚糖酯化合物。例如，包含乙酰基基团的酯化合物可被称为聚 α-1，3-葡聚糖乙酸酯，包含丙酰基基团的酯化合物可被称为聚α-1，3-葡聚糖丙酸酯，而 包含丁酰基基团的酯化合物可被称为聚α_1，3-葡聚糖丁酸酯。然而，该命名不旨在认为 本文聚α -1，3-葡聚糖酯化合物是酸本身。
[0055] 本文"聚α -1，3-葡聚糖三乙酸酯"是指具有2. 75或更高的乙酰基基团取代度的 聚α-1，3-葡聚糖酯化合物。
[0056] 本文术语"聚α-1，3_葡聚糖单酯"和"单酯"互换使用。聚α-1，3_葡聚糖单酯 仅包含一种类型的酰基基团。此类单酯的示例为聚α-1，3_葡聚糖乙酸酯（包含乙酰基基 团）和聚α-1，3-葡聚糖丙酸酯（包含丙酰基基团）。
[0057] 本文术语"