专利名称：丁酸果胶酯的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种果胶的制备方法，具体地说是果胶分子中羟 基与丁酰化试剂反应的丁酸果胶酯的制备方法。
背景技术：
果胶(Pectin)化学组成主要是以a-l,4-糖苷键连接的聚半乳 糖醛酸，存在于植物的细胞壁和细胞内层，为细胞内部的支撑物 质。半乳糖醛酸单元在果胶中含量通常多在65%以上，纯化度更 高的果胶半乳糖醛酸单元能超过80% 。除了半乳糖醛酸外，果胶 组成中还有少量的D-木糖、L-阿拉伯糖、D-半乳糖、L-鼠李糖作 为伴随共存的中性糖类单元。果胶分子中半乳糖醛酸羧基部分形 成羧酸甲酯，羧基甲酯化的程度叫做酯化度。果胶中平均每100个 半乳糖醛酸残基C6位上以甲酯化形式存在的百分数[即酯化度 DE值(degree of esterification)或DM值(degree of methoxylation)] 高于50%的称为高脂果胶，反之称为低脂果胶。C6位上的羧酸甲 酯结构亦可以通过氨水降酯形成酰胺结构，构成酰胺化果胶。
果胶分子典型的结构
，R-H或CH3，随机性变化。
苹果渣、柑橘果皮、柚果皮、甜菜渣、向日葵盘富含果胶， 已经成为获取果胶的主要来源。果胶作为一种天然高分子化合物， 没有毒性和刺激性，具有良好的增稠、胶凝化和乳化稳定作用， 广泛用于食品、医药、日化、纺织行业等与水凝胶相关的许多领 域。在这些与水相关的众多应用领域着重指出的是，人的新陈代 谢过程不产生果胶(分解)酶，所以果胶通过口服途径在消化道内到达结肠前不会被代谢。在结肠内，细菌利用果胶作为碳氢化合物 来源，使果胶降解。果胶有许多有价值的生物效应，包括抗腹浑、 在肠道增加消化液的产生促进肠蠕功、降低胆固醇以及促进氮的 平衡等。在制药领域，果胶作为药物的载体来使用，比如制成果
胶铋用于抗胃溃疡；作为药剂辅料使用，如与抗癌药5-氟尿嘧啶 组成结肠递药系统(王庆伟，以果胶为载体的5-氟尿嘧啶结肠递 药研究，第四军医大学，2007博士论文)。作为增稠剂或者凝胶 剂使用时，需要有适当的预凝胶时间(徐伟等，低甲氧基果胶的 胶凝机理及防止预凝胶形成的措施，食品与发酵工 业,2004,30(3):92)，以保证有足够的时间保持流动性。
在含有羟基的高分子链上引入丁酰基是常用的改性高分子的 方法。在纤维素分子链上引入丁酰基，制备成丁酸纤维素，丁酰 基作为适当链长度的官能团可以降低亲水性物质纤维素的亲水 性，并能够增加纤维素高分子链的柔性，使纤维素适合作为涂料 的成膜材料使用。将丁酰基引入果胶分子上，同样能够降低果胶 分子的亲水性，降低果胶凝胶化的速度。引入果胶分子上的丁酰 基，在结肠部位会发生降解，产生丁酸。丁酸作为组氨酸去乙酰 化酶抑制剂，具有抑制癌肿细胞增殖、诱导分化和促进凋亡的药 理作用，丁酸已经被成功用于结肠癌等癌症的治疗。
经检索至今尚未发现有果胶分子中引入丁酰基制备丁酸果胶 酯的方法的报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是在提供一种能够溶解果胶又对丁 酰化试剂相对惰性的溶剂同时，将丁酰基引入到果胶分子中的羟 基上，形成丁酰基以酯键结构连接的丁酸果胶酯的制备方法。
解决上述技术问题采用以下技术方案
一种丁酸果胶酯的制备方法，包括丁酰化试剂和果胶，所述 的果胶在以离子液体为溶剂的环境中与丁酰化试剂进行催化丁酰 化反应，果胶分子中的羟基与丁酰化试剂进行酯化反应后形成丁 酸果胶酯，该丁酸果胶酯具有如下的分子结构<formula>formula see original document page 6</formula>
其中，！^H或CH3， Rl-CH3CH2CH2CO或H，随机性变化； 其制备步骤是
将果胶、离子液体依次加入到反应瓶内，在氮气的保护下电
磁搅拌，油浴加热到30°C-110°C，滴加丁酰化试剂，进行催化丁 酰化反应，反应时间是2-72小时。
反应完毕后，从油浴中取出反应瓶，将催化丁酰反应液趁热 倒入烧杯中冷却到室温，向烧杯中加入5-10倍体积量的无水乙醇 搅拌，然后用15y。浓度盐酸调整pH为3-5，析出大量沉淀，反应 液放置20~30分钟后进行减压过滤，得到的滤渣用少许乙醇洗涤， 得到淡灰黄色的产物，于80-10(TC烘干后，得到成品丁酸果胶酯。
本发明的显著优点在于使用离子液体作为果胶的溶剂能够 形成良好的溶液，使得丁酰化试剂能够非常均匀的作用于果胶分 子链上的羟基；离子液体难以挥发，反应过程条件温和，没有毒 性气体产生。离子液体能够在反应完毕后经过简单的回收，重复 使用。相比较能够溶胀果胶的二甲基亚砜(DMSO)， N,N-二甲基 甲酰胺(DMF)等极性非质子溶剂中进行本反应，本发明方法丁 酸果胶酯的丁酰基分布更均匀，反应取代度的可控性更容易。
具体实施例方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的描述。 一种丁酸果胶酯，所述的果胶是在离子液体环境中使用丁酰 化试剂对果胶进行催化丁酰化反应，其果胶分子中的羟基与丁酰 化试剂进行酯化反应后形成果胶丁酸酯，其具有如下的分子结构
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其中，R=H或CH3 ， Rl=CH3CH2CH2CO或H，随机性变化。 果胶原料是酯化度大于等于50%的高脂果胶或酯化度小于50%的低脂果胶或者是酰胺化果胶。
丁酰化试剂选用丁酰卤、丁酸酐的一种。
本发明对丁酰基的引入封闭了部分游离的羟基，降低了果胶 的亲水性，能够延缓果胶羧基电离的速度，减慢果胶形成凝胶的 时间，通过调整果胶分子上引入丁酰基的比例可以实现凝胶速度 的可控性，这种可调控的丁酸果胶酯具有广泛的用途。比如用于 食品果冻增稠剂，冰激凌凝胶赋形剂；工业领域石油开采的压裂 液；在医药领域，丁酰基形成的丁酸酯结构可以在人体内丰富酯 酶或者肠道微生物的作用下发生水解释放出丁酸，用于制备预防 和治疗结肠癌、结肠炎的药物。
果胶分子中大量羟基和羧基的存在，分子链高度缔合，使得 它在一般的有机溶剂比如烃类、醇、醚、醛酮、羧酸中溶解度很 小，即使在溶解多种物质溶解力优良的极性非质子溶剂比如 DMSO、 DMF中也仅能溶胀而不能溶解。由N,N-二甲基乙酰胺/ 氯化锂(DMAC/LiCl)组成的溶剂系统能够溶解具有结晶结构的 纤维素，但通过实验证明该体系并不能溶解果胶。果胶在水中能 够溶解，但是以水为溶剂采用丁酰卤或者丁酸酐为酰化剂进行丁 酰化，会发生酰化剂与水的大量副反应，对酰化剂消耗高，反应 效率低。寻找一种能够溶解果胶同时又对丁酰化试剂相对惰性的 溶剂是本发明的关键。经过大量筛选多种官能团结构的溶剂后发 现，离子液体对低脂果胶和高脂果胶都有出色的溶解力，同时离 子液体又能够与反应试剂和催化剂保持相对的惰性，有令人满意 的反应效果。这些离子液体典型的结构有N-烃基-N，-甲基咪唑盐
H3C—N^^N二R
R是l-5个碳原子的烃基，如甲基，乙基，丙基，异丙基，丁基， 异丁基，烯丙基，环丙基等烃基；X一是卤素F、 Cl、 Br、 I的离子， 也可以是1-5个碳原子的羧基阴离子。其中优选R为丁基，X一为 cr。在以上所列的离子液体中，无论是低脂果胶还是高脂果胶均 能达到5%以上的溶解度，溶解能力更强的优选离子液体能够达到15%以上的溶解度。
以离子液体为溶剂进行的果胶丁酰化反应过程中，可以不使用 任何催化剂，也可以采用催化剂。这些催化剂选用吡啶、对-N， N-二甲氨基吡啶(DMAP)、 4-吡咯垸吡啶，最佳用量为果胶重量 的0-10.0%，优选3.0-8.0%。
丁酸果胶酯的制备方法，将果胶、离子液体依次加入到容器 瓶内，进行催化丁酰化反应，连接氮气胶管，在氮气的保护下电 磁搅拌，反应温度控制在30°C-110°C，可以采用经典的油浴，水 浴，蒸汽浴等常规加热方法，也可以采用微波加热，由于微波具 有除了热效应之外的分子活化作用，能够提高反应的速度和收率。 反应过程中要采用N2惰性气体保护。反应时间为2-72小时。
反应中离子液体的使用量采用让果胶接近饱和浓度即可，这样 可以节省溶剂，同时又能达到较充分的反应效果。由于不同结构 和组成的果胶会随着离子液体结构的变化溶解度有所变化，可依 据情况进行调整。丁酰化试剂采用丁酰卤、丁酸酐，优选丁酸酐， 其活性虽然比丁酰卤低但是丁酸酐比较稳定，容易保存。丁酰化 试剂的用量与果胶以摩尔比计算，将果胶看做聚半乳糖醛酸，其 单元半乳糖醛酸分子量按照180估算，果胶每个单元上有两个可 以被酰化反应的羟基(也就是果胶分子的酰化取代度DS《2.0)， 在反应中采用的比例为丁酰化试剂果胶单元=2—5: 1 (mol比)。 由于不同酯化度的果胶单元平均分子量不同，用单元分子量180 估算果胶中含有的羟基的量=2乂果胶质量/180，计算值比任何高 脂、低脂的果胶实际含有的羟基含量要大，所以采用的丁酰化试 剂是计算值的2—5倍(mol)是保证过量的。如果反应中采用丁 酸酐为丁酰化试剂，折算成质量比，丁酸酐质量为果胶的1.75-4.38 倍。由于丁酰化试剂的利用率不可能是100%，在反应中的利用率 受果胶的杂质含量，溶剂组成和反应时间、反应温度、催化剂用 量、丁酰化试剂与果胶的比例影响。调控不同的反应条件可以控 制丁酰基在果胶分子上的取代度(DS)，也即通过反应条件控制 果胶对丁酸的载药量。载药量计算按如下公式丁酸载药量=(丁酸果胶酯水解后生成的丁酸质量/丁酸果胶
酯质量)xioo%
一般来讲，丁酸载药量随着丁酰化试剂用量大、反应时间长、 反应温度高而增大。
反应完毕后，会发现反应液由淡黄色颜色逐渐加深，反应液 中会有部分不溶解物生成。由于丁酸酯基替代了原本果胶分子上 的羟基，降低了分子的极性，产物溶解度在离子液体中会略有降
低。在结束反应后，将反应液中加入5-10倍量的无水乙醇，然后 用5-15%浓度盐酸在搅拌下将体系pH调整为3-5，很快出现大量 沉淀。将液体放置20分钟以上使产物沉淀更彻底，随后进行减压 过滤。将得到的滤渣用少许乙醇洗涤，得到淡灰黄色的产物，于 80-100。C烘干后得到与原料果胶颜色相近的粉末。上述操作中得 到的滤液是离子液体的乙醇溶液，将其用10%氢氧化钠、碳酸氢 钠或者碳酸钠溶液调整pH=7左右后减压回收乙醇，残余液体再 经过进一步除水干燥后可以作为离子液体重复使用。
产物丁酸果胶酯采用如下方法鉴定(1)将原料果胶与产物 丁酸果胶酯称量大致相等的重量，然后加入20倍量的水，比较二 者形成凝胶的速度。试验中会发现丁酸果胶酯的亲水性降低，膨 胀速度慢，凝胶化时间明显比原料果胶延长。(2)用红外光谱(IR) 表征。原料和产物相比，分子中羧基或者羧酸甲酯的量没有变化， 而丁酸果胶酯中增加了 1749 cm"丁酰基C-0的吸收峰强度。由 于丁酰基的引入，丁酸果胶酯在1749cm"的吸收强度与1114cm'1 的吸收强度比值(A1749/A1114)明显比原料增大。(3)用高效液相 色谱(HPLC)测定。产物经强碱水解处理再用强酸酸化，发现在 与丁酸标准品具有相同保留时间的峰。采用丁酸标准品制作标准 曲线可以对丁酸载药量进行定量。
制备丁酸果胶酯的具体实施例
实施例1
将1.0 g苹果低脂果胶(酯化度26%，半乳糖醛酸含量>80%)、 10ml氯化N-甲基-N，-烯丙基咪唑、O.lOg催化剂对-N， N-二甲氨基吡啶(DMAP)、 丁酸酐3.0g依次加入50ml三口球形瓶，连接 氮气瓶。通足够的氮气置换三口球形瓶内的空气后，在氮气的保 护下电磁搅拌，油浴加热到80。C反应3.5h。反应完毕后，从油浴 中取出反应瓶向瓶内加入20 ml无水乙醇，将溶液转移到200 ml 烧杯中，补加30ml无水乙醇，然后用15。/。盐酸调整pHN3立即析 出大量沉淀。将反应液在l(TC以下放置20min后抽滤，得到淡灰 黄色滤饼。用20ml无水乙醇洗涤后，烘干得到0.6g粉末。经过 IR表征发现所得产物A1749/A1114比原料明显增加，证明丁酰基已 经与果胶分子中的羟基形成酯键。 实施例2
将8.0 g高脂果胶(酯化度62%，半乳糖醛酸含量>80%)、 75.0 ml氯化N-甲基-N，-丁基咪唑、0.65 g DMAP、 丁酸酐30.0 g依次 加入250ml三口球形瓶，在氮气的保护下电磁搅拌，油浴加热到 85。C反应5h。反应完毕后，从油浴中取出反应瓶，将反应液趁热 倒入1000ml烧杯中，向其中加入400 ml无水乙醇搅拌，然后用 15。/。盐酸调整pHN4-5立即析出大量沉淀。将反应液在20。C以下放 置30min后抽滤，得到淡灰黄色滤饼。用50ml无水乙醇洗涤后， 8(TC烘干得到5 g粉末状高脂丁酸果胶酯。
实施例3
将Ltrg向甘葵果f餘腊果胶(權化度37%,半乳塘醛酸含量 >65%)、 10.0ml溴化N-甲基-N，-丁基咪唑、0.12gDMAP、 丁酸酐 4.0g依次加入50ml三口球形瓶，连接氮气保护装置。通足够的 氮气置换瓶内的空气后，在氮气的保护下电磁搅拌，油浴加热到 9(TC反应4 h。反应完毕后，从油浴中取出反应瓶向瓶内加入20 ml 无水乙醇，将溶液转移到100ml烧杯中，补加30ml无水乙醇， 然后用8%盐酸调整pH=3立即析出大量沉淀。将反应液在10°C以 下放置50min后抽滤，得到淡灰黄色滤饼。用20ml无水乙醇洗 涤后，烘干得到0.7 g粉末。经过IR表征发现所得产物A1749/A1114 比原料明显增加，产物与原料同等条件下比较形成水凝胶的速度， 产物形成凝胶的时间比原料延长三倍以上。证明丁酰基已经连接
10到果胶分子上。
实施例4
将1.0 g高脂果胶(酯化度73%,半乳糖醛酸含量>65%)、 10.0 ml氯化N-甲基-N，-丁基咪唑、0.10gDMAP、 丁酸酐3.5 g依次加 入50ml三口球形瓶，在氮气的保护下电磁搅拌，油浴加热到75 °。反应8h。反应完毕后，从油浴中取出反应瓶向瓶内加入20 ml 无水乙醇，将溶液转移到100ml烧杯中，补加30ml无水乙醇， 然后用10%盐酸调整PH=4立即析出大量沉淀。将反应液在20°C 以下放置20min后抽滤，得到淡灰黄色滤饼。用20ml无水乙醇 洗涤后，烘干得到0.6 g粉末。经过IR表征发现所得产物A1749/A1114 比原料明显增加，产物与原料同等条件下比较形成水凝胶的速度， 产物形成凝胶的时间比原料延长四倍以上。证明所得产物是丁酸 果胶酯。经过高效液相色谱(HPLC)定量丁酸载药量达到37%， 以果胶单元按照分子量180估算，取代度(DS)高达1.5。
实施例5
将l.Og苹果高脂果胶(酯化度65%，半乳糖醛酸含量>80%)、 10.0 ml氯化N-甲基-N，-烯丙基咪唑、0.08gDMAP、 丁酸酐2.8 g 依次加入100ml三口球形瓶，连接氮气保护装置。通足够的氮气 置换瓶内的空气后，在氮气的保护下电磁搅拌，油浴加热到85。C 反应3.5 h。反应完毕后，从油浴中取出反应瓶向瓶内加入20 ml95y。浓度乙醇，将溶液转移到200 ml烧杯中，补加30 ml乙醇， 然后用10%盐酸调整pH=3.5立即析出大量沉淀。将反应液在10 。C以下放置20min后抽滤，得到淡灰黄色滤饼。用20ml无水乙 醇洗涤后，烘干得到0.75 g粉末状丁酸果胶酯。
以上公开的仅为本发明的具体实施例，但本发明并非局限于 此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本发明的保 护范围之内。
权利要求
1、一种丁酸果胶酯的制备方法，包括丁酰化试剂和果胶，其特征是所述的果胶在以离子液体为溶剂的环境中与丁酰化试剂进行催化丁酰化反应，果胶分子中的羟基与丁酰化试剂进行酯化反应后形成丁酸果胶酯，该丁酸果胶酯具有如下的分子结构其中，R＝H或CH3，R1＝CH3CH2CH2CO或H，随机性变化；其制备步骤是将果胶、离子液体依次加入到反应瓶内，在氮气的保护下电磁搅拌，油浴加热到30℃-110℃，滴加丁酰化试剂，进行催化丁酰化反应，反应时间是2-72小时。反应完毕后，从油浴中取出反应瓶，将催化丁酰反应液趁热倒入烧杯中冷却到室温，向烧杯中加入5-10倍体积量的无水乙醇搅拌，然后用15％浓度盐酸调整pH为3-5，析出大量沉淀，反应液放置20～30分钟后进行减压过滤，得到的滤渣用少许乙醇洗涤，得到淡灰黄色的产物，于80-100℃烘干后，得到成品丁酸果胶酯。
2、 根据权利要求1所述的丁酸果胶酯的制备方法，其特征是: 果胶原料是酯化度大于等于50%的高脂果胶或酯化度小于50%的 低脂果胶或者是酰胺化果胶。
3、 根据权利要求1所述的丁酸果胶酯的制备方法，其特征是: 丁酰化试剂选用丁酰卤、丁酸酐或丁酸酐的一种。
4、 一种权利要求1所述的丁酸果胶酯的制备方法，其特征是:所述的作为溶剂的离子液体具有如下的化学结构N-烃基-N'-甲基咪唑盐，<formula>formula see original document page 2</formula>其中，R是l-5个碳原子的烃基，X—是卤素F、 Cl、 Br、 I的离子， 或者是1-5个碳原子的羧基阴离子。
5、 根据权利要求1所述的丁酸果胶酯的制备方法，其特征是: 所述催化丁酰化反应的催化剂是吡啶、对-N， N-二甲氨基吡啶(DMAP)、 4-吡咯烷吡啶。
6、 根据权利要求1所述的丁酸果胶酯的制备方法，其特征在 于，所述的催化丁酰化反应采用常规方法油浴、水浴、蒸汽浴、 微波加热方法中的一种。
全文摘要
本发明涉及一种果胶丁酸酯制备方法，具体地说是果胶分子中羟基与丁酰化试剂反应的丁酸果胶酯的制备方法。所述的果胶在以离子液体为溶剂的环境中与丁酰化试剂进行催化丁酰化反应，果胶分子中的羟基与丁酰化试剂进行酯化反应后形成丁酸果胶酯。本发明以离子液体为果胶的良溶剂，在均相条件下与丁酰化试剂作用生成丁酸果胶酯。将果胶溶解在离子液体中，加入催化剂和丁酰化试剂进行反应，羟基将被丁酰化试剂丁酰化。本发明采用离子液体溶解果胶进行反应的方法，在均相条件进行，丁酸的载药量控制方便，产物中丁酰基分布均匀。离子液体回收方便，可以重复使用，具有环境友好的特征。
文档编号C08B37/06GK101550198SQ20091014326
公开日2009年10月7日 申请日期2009年5月22日 优先权日2009年5月22日
发明者刘延敏, 吴振刚, 刚 韩 申请人:华北煤炭医学院