一种壳聚糖基植物叶面水分蒸发抑制剂及其制备方法与流程

本发明属于植物保湿领域，涉及防止植物叶面水份蒸发，由其是一种壳聚糖基植物叶面水分蒸发抑制剂及其制备方法。

背景技术：

中国干旱地区的区域面积占全国总面积的60％，干旱造成的经济损失占各类自然灾害总经济损失的35％。植物在种植生长过程中，需要大量的水分，而植物叶面因蒸腾作用会丢失大量水分，若不能及时有效的补充水分会导致植物枯萎、病虫害爆发等问题，植物难以生长存活。我国西北地区水资源匮乏、气候干燥、日照时间长，水分蒸发速度更快，不利于作物的生长，且病虫害极易发生，采用化学农药防治是目前农业解决病虫害问题不可避免的方法。在喷药过程中，由于水分蒸发过快，无法准确判断喷洒进程，极易造成重复喷洒或局部漏喷的现象，给田间定量喷药操作带来困难。同时，环境气温过高，农药喷施在植物叶面上因水分蒸发而未渗透至虫害部位就已干化呈粉化脱落，农药施用效率过低，不得不提升其施加量，导致植物及土壤农药残留超标问题。对我国食品安全及水土资源污染带来了很大的威胁，同时农残超标也严重地影响我国农作物出口，影响我国经济发展。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种壳聚糖基植物叶面水分蒸发抑制剂及其制备方法，本抑制剂能最大限度地抑制液体危化品的挥发，及时有效地减少泄漏所造成的人身危害及环境污染。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种壳聚糖基植物叶面水分蒸发抑制剂的制备方法，步骤如下：

(1)室温下将壳聚糖加入到氢氧化钠溶液中，碱化10～20小时，加入无水乙醇，得5％～20％(w/v)的壳聚糖溶液。

(2)将氯乙酸溶解于无水乙醇中，充分溶解，得浓度为20％～65％(w/v)氯乙酸乙醇溶液，搅拌下逐滴滴加入壳聚糖溶液中，室温下反应2～8小时，50～75℃继续反应0.5～4小时。

(3)冷却后用冰醋酸调节溶液pH为6～8，冷却后减压抽滤，产物用乙醇水溶液洗涤至滤液中无Cl^-残留。烘箱干燥产物得羧甲基壳聚糖。

(4)室温搅拌下，将制备的羧甲基壳聚糖加入酸溶液中缓慢溶解，继续搅拌1～2小时，得浓度为1％～5％(w/v)澄清透明的羧甲基壳聚糖溶液。

(5)将明胶溶于去离子水中，充分溶解，滴加入羧甲基壳聚糖溶液中，得明胶-羧甲基壳聚糖混合溶液。

(6)将β-甘油磷酸钠溶于去离子水中，充分溶解，得浓度为20％～40％(w/v)的β-甘油磷酸钠溶液。

(7)室温持续搅拌下，将β-甘油磷酸钠溶液缓慢滴加入明胶-羧甲基壳聚糖混合溶液中，持续搅拌20～40分钟，得澄清透明的明胶-羧甲基壳聚糖/β-甘油磷酸钠配合物溶胶体系。

(8)将明胶-羧甲基壳聚糖/β-甘油磷酸钠配合物溶胶体系置于温度为30～70℃的环境中，体系发生溶胶-凝胶转变，形成明胶-羧甲基壳聚糖/β-甘油磷酸钠配合物凝胶体系。

所述步骤(1)中壳聚糖分子量为15～35万，脱乙酰度为90.0％～99.9％。

所述步骤(1)中氢氧化钠浓度为30％～60％，壳聚糖碱溶液浓度为10％～40％。

所述步骤(2)中氯乙酸与壳聚糖质量比为1：(0.5～1.2)。

所述步骤(3)中乙醇水溶液浓度为75％～85％(v/v)。

所述步骤(4)中羧甲基取代度为0.10～0.65。

所述步骤(4)中酸溶液为0.1～1mol·L^-1的盐酸或乙酸溶液。

所述步骤(5)中明胶的浓度为20％～50％。

所述步骤(5)中明胶与壳聚糖质量比为1：(1～3)。

所述步骤(7)中β-甘油磷酸钠溶液缓慢滴加速度为3～5秒每滴。

所述步骤(7)中明胶-羧甲基壳聚糖/β-甘油磷酸钠配合物溶胶体系中羧甲基壳聚糖与β-甘油磷酸钠的质量比为1：(0.2～2)。

按照本发明制备的壳聚糖基植物叶面水分蒸发抑制剂在植物叶面保水方面的应用。

本发明的优点和积极效果是：

1、本抑制剂将温度响应溶胶-凝胶相转化应用于植物叶面保水，减少叶面水分蒸发的方面，抑制剂在界面张力作用下可在叶片表面快速自铺展形成一层致密且无色透明的溶胶膜层，外界环境温度达到相转变点时，抑制剂由溶胶转化为凝胶，其三维网状结构能够牢牢锁住水分，可有效延缓叶面水分蒸发速率，有效延长叶面水分停留时间，尤其在西北高温干旱地区有良好应用可行性。

2、本抑制剂在叶面形成的薄膜，只抑制叶片表面水分蒸发，不影响植物叶片氧气和二氧化碳的透过，对植物的光合作用无影响。

3、本抑制剂采用壳聚糖为原料，是一种资源丰富且廉价易得的天然高分子，具有良好的生物安全性和化学稳定性，抑制剂能够在自然环境下降解，不会对环境和植物造成不良影响。

4、本抑制剂具有良好的配伍性能，实际测试表明可与常用杀虫药和叶面肥混合使用，不影响药效和肥效。

5、本抑制具有良好的生物安全性和化学稳定性，不会对环境和植物造成不良影响。若将本品结合农药使用，能够大大延长农药作用时间，增强农药作用力度，在农药减量增效上有极高的应用价值。

附图说明

图1为本抑制剂凝胶体系SEM图像；

图2不同温度条件下抑制剂的作用时间；

图3不同风力条件下抑制剂的作用时间；

图4不同温度条件下抑制剂的水分保留率；

图5不同温度条件下抑制剂的抑制水分蒸发率；

图6不同温度条件下抑制剂的蒸发速率。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明进一步说明，下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。

实施例1

(1)室温下将5g壳聚糖加入到50g 30％的氢氧化钠溶液中，碱化12小时，加入30mL无水乙醇，得7.7％(w/v)的壳聚糖溶液。

(2)将5g氯乙酸溶解于10mL无水乙醇中，充分溶解，得浓度为50％(w/v) 氯乙酸乙醇溶液，搅拌下逐滴滴加入壳聚糖溶液中，室温下反应2小时，50℃继续反应1小时。

(3)冷却后用冰醋酸调节溶液pH为6.5，冷却后减压抽滤，产物用75％乙醇水溶液洗涤至滤液中无Cl^-残留。烘箱干燥产物得羧甲基壳聚糖。

(4)室温搅拌下，将1g羧甲基壳聚糖加入50mL 0.1mol·L^-1的盐酸溶液中缓慢溶解，继续搅拌1小时，得浓度为2％(w/v)澄清透明的羧甲基壳聚糖溶液。

(5)将5g明胶溶于20mL去离子水中，充分溶解，滴加入羧甲基壳聚糖溶液中，得明胶-羧甲基壳聚糖混合溶液。

(6)将0.6gβ-甘油磷酸钠溶于3mL去离子水中，充分溶解，得浓度为20％(w/v)的β-甘油磷酸钠溶液。

(7)室温持续搅拌下，将β-甘油磷酸钠溶液以3秒每滴速度、缓慢滴加入明胶-羧甲基壳聚糖混合溶液中，持续搅拌20分钟，得澄清透明的明胶-羧甲基壳聚糖/β-甘油磷酸钠配合物溶胶体系。

(8)将明胶-羧甲基壳聚糖/β-甘油磷酸钠配合物溶胶体系置于温度为32℃的环境中，体系发生溶胶-凝胶转变，形成明胶-羧甲基壳聚糖/β-甘油磷酸钠配合物凝胶体系。

实施例2

(1)室温下将5g壳聚糖加入到50g 40％的氢氧化钠溶液中，碱化14小时，加入20mL无水乙醇，得10％(w/v)的壳聚糖溶液。

(2)将5g氯乙酸溶解于10mL无水乙醇中，充分溶解，得浓度为50％(w/v)氯乙酸乙醇溶液，搅拌下逐滴滴加入壳聚糖溶液中，室温下反应3小时，60℃继续反应2小时。

(3)冷却后用冰醋酸调节溶液pH为7，冷却后减压抽滤，产物用80％乙醇水溶液洗涤至滤液中无Cl^-残留。烘箱干燥产物得羧甲基壳聚糖。

(4)室温搅拌下，将1g羧甲基壳聚糖加入40mL 0.1mol·L^-1的盐酸溶液中缓慢溶解，继续搅拌1小时，得浓度为2.5％(w/v)澄清透明的羧甲基壳聚糖溶液。

(5)将5g明胶溶于30mL去离子水中，充分溶解，滴加入羧甲基壳聚糖溶液中，得明胶-羧甲基壳聚糖混合溶液。

(6)将0.8gβ-甘油磷酸钠溶于3mL去离子水中，充分溶解，得浓度为26.67％(w/v)的β-甘油磷酸钠溶液。

(7)室温持续搅拌下，将β-甘油磷酸钠溶液以3秒每滴速度、缓慢滴加入明胶-羧甲基壳聚糖混合溶液中，持续搅拌30分钟，得澄清透明的明胶-羧甲基壳聚糖/β-甘油磷酸钠配合物溶胶体系。

(8)将明胶-羧甲基壳聚糖/β-甘油磷酸钠配合物溶胶体系置于温度为34℃的环境中，体系发生溶胶-凝胶转变，形成明胶-羧甲基壳聚糖/β-甘油磷酸钠配合物凝胶体系。

实施例3

(1)室温下将5g壳聚糖加入到50g 40％的氢氧化钠溶液中，碱化16小时，加入30mL无水乙醇，得8.3％(w/v)的壳聚糖溶液。

(2)将6.5g氯乙酸溶解于10mL无水乙醇中，充分溶解，得浓度为65％(w/v)氯乙酸乙醇溶液，搅拌下逐滴滴加入壳聚糖溶液中，室温下反应4小时，65℃继续反应2小时。

(3)冷却后用冰醋酸调节溶液pH为7，冷却后减压抽滤，产物用75％乙醇水溶液洗涤至滤液中无Cl^-残留。烘箱干燥产物得羧甲基壳聚糖。

(4)室温搅拌下，将1g羧甲基壳聚糖加入50mL 0.1mol·L^-1的盐酸溶液中缓慢溶解，继续搅拌2小时，得浓度为2％(w/v)澄清透明的羧甲基壳聚糖溶液。

(5)将5g明胶溶于20mL去离子水中，充分溶解，滴加入羧甲基壳聚糖溶液中，得明胶-羧甲基壳聚糖混合溶液。

(6)将1.0gβ-甘油磷酸钠溶于3mL去离子水中，充分溶解，得浓度为33.33％(w/v)的β-甘油磷酸钠溶液。

(7)室温持续搅拌下，将β-甘油磷酸钠溶液以5秒每滴速度、缓慢滴加入明胶-羧甲基壳聚糖混合溶液中，持续搅拌30分钟，得澄清透明的明胶-羧甲基壳聚糖/β-甘油磷酸钠配合物溶胶体系。

(8)将明胶-羧甲基壳聚糖/β-甘油磷酸钠配合物溶胶体系置于温度为36℃的环境中，体系发生溶胶-凝胶转变，形成明胶-羧甲基壳聚糖/β-甘油磷酸钠配合物凝胶体系。

实施例4

(1)室温下将5g壳聚糖加入到50g 50％的氢氧化钠溶液中，碱化16小时，加入25mL无水乙醇，得10％(w/v)的壳聚糖溶液。

(2)将6.5g氯乙酸溶解于10mL无水乙醇中，充分溶解，得浓度为65％(w/v)氯乙酸乙醇溶液，搅拌下逐滴滴加入壳聚糖溶液中，室温下反应3小时，65℃继续反应2小时。

(3)冷却后用冰醋酸调节溶液pH为7，冷却后减压抽滤，产物用85％乙醇水溶液洗涤至滤液中无Cl^-残留。烘箱干燥产物得羧甲基壳聚糖。

(4)室温搅拌下，将1g羧甲基壳聚糖加入40mL 0.1mol·L^-1的盐酸溶液中缓慢溶解，继续搅拌2小时，得浓度为2.5％(w/v)澄清透明的羧甲基壳聚糖溶液。

(5)将5g明胶溶于30mL去离子水中，充分溶解，滴加入羧甲基壳聚糖溶液中，得明胶-羧甲基壳聚糖混合溶液。

(6)将1.2gβ-甘油磷酸钠溶于3mL去离子水中，充分溶解，得浓度为40％(w/v)的β-甘油磷酸钠溶液。

(7)室温持续搅拌下，将β-甘油磷酸钠溶液以5秒每滴速度、缓慢滴加入明胶-羧甲基壳聚糖混合溶液中，持续搅拌30分钟，得澄清透明的明胶-羧甲基壳聚糖/β-甘油磷酸钠配合物溶胶体系。

(8)将明胶-羧甲基壳聚糖/β-甘油磷酸钠配合物溶胶体系置于温度为38℃的环境中，体系发生溶胶-凝胶转变，形成明胶-羧甲基壳聚糖/β-甘油磷酸钠配合物凝胶体系。

针对本上述制备的抑制剂，提供以下检测实验以及数据：

1、本抑制剂对水的蒸发作用时间的影响：实验室内以载玻片模拟叶片，将抑制剂和清水(空白)各自取约2mL均匀平铺在载玻片上，置32、34、36、38℃环境下恒温相转变后，测定其水分抑制作用时间。

2、取约2mL的抑制剂和清水均匀平铺在载玻片上，调节风源与载玻片位置控制载玻片上方空气流速，持续给风测定不同风速对水分抑制时间的影响。

3、各取抑制剂和清水3.00g均匀倒入直径3.5cm，高1.5cm的培养皿中，测量其总重。32、34、36、38℃环境自然状态下存放，每隔20min称其质量，计算质量变化，进行抑制剂水分保留率、抑制水分蒸发率和蒸发速率的计算。

计算公式如下：

式中：W₀—抑制剂初始质量，g；W₁—清水初始质量，g；W_t—各待测时间点抑制剂质量，g；t—测试时间，h；r—表面皿半径，m；。

附图1表示抑制剂凝胶体系SEM图像，由图中可以看出凝胶体系微观结构呈现三维多孔网状结构，孔洞直径约100μm，这种结构有利于水及小分子药物自由的通过。亲水基和水分子的水合作用致使高聚物凝胶网束急速扩展，从而使得网状结构的内外产生渗透压，造成水分子向网状结构内部渗透水分，从而以自由水、键合水和束缚水等形式存在于分子网络结构中。因此，抑制剂凝胶体系能够大量吸收并锁住水分，延缓水的蒸发作用时间，达到抑制效果。

附图2为将抑制剂和清水喷施在载玻片上测定其作用时间，测定抑制剂抗温度干扰能力。图中显示在各环境温度下，抑制剂作用时间约为清水蒸发时间的3倍以上，有明显抑制水分蒸发作用。随着温度的升高，清水蒸发时间明显缩短，抑制剂作用时间变化不明显，温度对抑制剂作用效果影响不大。从32℃升至38℃，抑制剂作用时间较清水相比由2.4倍升至6.2倍，表明温度越高，抑制剂作用能力越强，作用效果越好。

附图3为32℃下测定不同风力环境对抑制剂作用效果的影响。图中显示在各风速环境下，抑制剂作用时间远高于水，有明显抑制水分蒸发作用。无风环境下，抑制剂作用时间为清水的2.2倍，外加风速越大，气液界面传质通量增加，蒸发速度加快，抑制剂和清水作用时间均一定程度缩短，清水蒸发更为迅速，抑制剂作用时间与清水时间比逐步增大，外加风速为十级时，抑制剂作用时间为清水的7.5倍。本产品不受外界环境风力的干扰，风速越大，抑制效果越好，在有风条件下，更能发挥抑制剂作用效果。

附图4为各温度环境下抑制剂与清水的水分保留率。各温度下与未铺展抑制剂清水相比，抑制剂均有较高的水分保留能力，4h后其水分保留率均为清水的 1.5倍以上，能够有效延缓水分在叶面的停留时间，达到抑制水分蒸发的效果。

附图5为各温度环境下抑制剂的抑制水分蒸发率。如图所示，32℃、34℃下，抑制剂的抑制水分蒸发率基本在一定范围内波动，随着时间的延长无明显改变。36℃、38℃下，抑制剂的抑制水分蒸发率随时间延长明显上升，抑制水分蒸发能力增强。可见本产品在温度越高的环境下其抑制水分作用能力有显著提高，发挥明显效果。

附图6为各温度环境下抑制剂的蒸发速率。由图可见，随着实验时间的延长，清水的蒸发速率明显提升，抑制剂基本维持在一定值。清水的蒸发速率约为抑制剂的2倍，可见铺展抑制剂后能够有效减缓水分的蒸发，延长水分在叶面的作用时间，实现锁水保水效果。