一种高生物活性甲壳素及其制备方法与流程

本发明属于生物材料领域，尤其涉及一种高生物活性甲壳素及其制备方法。

背景技术：
目前市售的天然生物高分子材料甲壳素分离自虾蟹壳，来源丰富。目前已有多种方法从虾蟹壳中提取甲壳素，包括采取化学处理和机械研磨-超声-离心法、非均相合成方法、冷冻-解冻等方法。虾蟹壳的成分主要为甲壳质，这些甲壳质化学上不活泼，不与体液发生变化，对组织不起异物反应，无毒，具有抗血栓、耐高温消毒等特点。由甲壳质制备的甲壳素及其衍生物具有非常好的生物相容性、生物可降解性、抗菌消炎等特性，目前已经广泛应用于人工角膜支架、组织工程角膜、组织工程支架，人工玻璃体以及自修复等生物医学领域。目前已有包括化学处理和机械研磨-超声-离心法、非均相合成方法、冷冻-解冻等方法从虾蟹壳中提取甲壳素，但是或多或少存在一些问题：1、机械研磨-超声-离心法制备甲壳素得率较低；2、非均相法利用高浓度碱液进行碱化，产品分子量降解严重，环境污染大；3、非均相法在溶解和凝固过程中容易使聚集态机构受到破坏，得到的甲壳素力学性能弱且脆，限制了甲壳素作为膜材料的应用；4、冷冻-解冻方法制备甲壳素溶液耗时、耗能，不适合大规模生产；5、带有高活性的氨基能够溶解在稀酸中，在特定条件下发生化学反应，生成具有不同性能的衍生物；6、高脱乙酰度的α-甲壳素具有较高氨基保留量，这些氨基能在一定条件下被质子化而使甲壳素成为带正电的天然高分子，参与吸附重金属离子、脂肪酸等阴离子化合物。但我们的研究表明，当α-甲壳素的脱乙酰度超过90％时，由于分子链趋于相对规整，结晶度提高导致在固态甲壳素表面和无定型区域的氨基含量降低，吸附效果骤然降低。

技术实现要素：
针对以上技术问题，本发明公开了一种高生物活性甲壳素及其制备方法，得到的甲壳素具有分子量高、吸附能力强、氨基保留量高、优异的吸附性和吸湿保湿性以及超高的β-甲壳素的脱乙酰度等特性，使得产品具有非常高的生物活性，可以广泛应用防霉杀菌除臭剂、医用手术线、伤口辅料、食品保鲜剂、抗病害养殖饲料、保湿剂与人工支架材料等领域。对此，本发明采用的技术方案为：一种高生物活性甲壳素，所述高生物活性甲壳素为β-甲壳素，所述β-甲壳素采用以下步骤制备得到：步骤S1：将含有β-甲壳质的生物体洗涤、干燥、粉碎成粉末；步骤S2：将粉碎后的粉末倒入浓度为0.5M～10M的混合碱溶液中搅拌进行碱处理脱蛋白，并使固体与液体的体积比为1∶5～1∶50，搅拌速度为50～3000rpm，温度为30℃～150℃，搅拌时间0.5～24h，；其中，所述混合碱溶液包含的组分及其重量百分比为：氢氧化钠2-20wt％、氢氧化钾2-20wt％、聚乙二醇0-5wt％、尿素2-10wt％，余量为水；步骤S3：将稀盐酸溶液加入到步骤S2经过碱处理脱蛋白的产物中，调节pH值至5～7，在20～30℃下静置，酸碱中和除去无机盐，过滤得到β-甲壳素。优选的，于20～30℃下静置8～16h；进一步优选的，于20～30℃下静置12h。采用此技术方案，得到的β-甲壳素的脱乙酰度和分子量高，其脱乙酰度不小于95％，氨基含量不小于9.5％，且在保证高脱乙酰度下，保持高的氨基含量，不影响高活性氨基；另外分子量可以达到15万以上，高的可以高达35万，远远高于现有技术的甲壳素的分子量；且随着分子量的提高，其吸附能力也得到提高。作为本发明的进一步改进，步骤S3中，调节pH值至6。作为本发明的进一步改进，所述含有β-甲壳质的生物体为鱿鱼软骨。作为本发明的进一步改进，还包括步骤S4：用去离子水反复冲洗β-甲壳素至中性，干燥研磨得到具有高生物活性的纯β-甲壳素产品。作为本发明的进一步改进，所述步骤S2中，在搅拌中还加入无机物致孔剂进行搅拌。作为本发明的进一步改进，所述无机物致孔剂为NaCl、KCl、CaCl2中的至少一种，所述无机物致孔剂的用量为0.05-1wt％。作为本发明的进一步改进，步骤S1中，所述粉末为10μm～2mm的纤维状粉末。本发明还公开了一种如上所述的高生物活性甲壳素的制备方法，包括以下步骤：步骤S1：将含有β-甲壳质的生物体洗涤、干燥、粉碎成10μm～2mm的纤维状粉末；优选的，所述含有β-甲壳质的生物体为鱿鱼软骨；步骤S2：将粉碎后的粉末倒入浓度为0.5M～10M的混合碱溶液中搅拌进行碱处理脱蛋白，并使固体与液体的体积比为1∶5～1∶50，搅拌速度为50～3000rpm，温度为30℃～150℃，搅拌时间0.5～24h，；其中，所述混合碱溶液包含的组分及其重量百分比为：氢氧化钠2-20wt％、氢氧化钾2-20wt％、聚乙二醇0-5wt％、尿素2-10wt％，余量为水；并加入无机物致孔剂进行搅拌；其中，所述无机物致孔剂为NaCl、KCl、CaCl2中的至少一种，所述无机物致孔剂的用量为0.05-1wt％；步骤S3：将稀盐酸溶液加入到步骤S2经过碱处理脱蛋白的产物中，调节pH值至5～7，于20～30℃下静置8～16h，酸碱中和除去无机盐，过滤得到β-甲壳素；优选的，静置12h。步骤S4：用去离子水反复冲洗β-甲壳素至中性，干燥研磨得到具有高生物活性的纯β-甲壳素产品。与现有技术相比，本发明的有益效果为：第一，采用本发明的技术方案，得到的β-甲壳素的脱乙酰度和分子量高，其脱乙酰度不小于95％，氨基含量不小于9.5％，且在保证高脱乙酰度下，保持高的氨基含量，不影响高活性氨基；另外分子量可以达到15万以上，高的可以高达35万，远远高于目前市售的甲壳素的分子量(10万左右)；且随着分子量的提高，其吸附能力也得到提高。第二，采用本发明的技术方案，通过添加尿素、聚乙二醇等物质，有助于增加甲壳素的稳定性，提升其物理性能；反应温和，对甲壳素分子破坏小，在酸处理除无机盐时调节PH值在5～7左右，氨基保留量高，使得产品具有非常高的生物活性；当β-甲壳素的脱乙酰度高达到100％时，都不会对高活性氨基产生影响；通过添加制孔剂形成多空结构，使产品在与其他成分能够更好的实现复合。第三，本发明的技术方案，原料来源广泛、生产过程简单、清洁环保、成本低廉，适合工业化生产；得到的高生物活性的甲壳素具有水溶、优异的吸附性和吸湿保湿性，可以广泛应用防霉杀菌除臭剂、医用手术线、伤口辅料、食品保鲜剂、抗病害养殖饲料、保湿剂与人工支架材料等领域。附图说明图1是本发明一种实施例大肠杆菌水悬浮培养液在加入高生物活性甲壳素前的显微镜图。图2是本发明在大肠杆菌水悬浮培养液中加入实施例1的高生物活性甲壳素后3小时的显微镜图。图3是本发明在大肠杆菌水悬浮培养液中加入实施例2的高生物活性甲壳素后3小时的显微镜图。图4是本发明在大肠杆菌水悬浮培养液中加入对比实施例1的甲壳素后3小时的显微镜图。具体实施方式下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。实施例1一种高生物活性甲壳素，所述高生物活性甲壳素为β-甲壳素，所述β-甲壳素的脱乙酰度大于95％，氨基含量大于9.5％；采用以下步骤制备得到：步骤S1：将含有β-甲壳质的鱿鱼软骨经洗涤、干燥、粉碎成10μm～2mm的纤维状粉末；步骤S2：碱处理脱蛋白：将步骤S1粉碎后的粉末倒入浓度为0.5M的混合碱溶液中搅拌进行碱处理脱蛋白，并使固体与液体的体积比为1∶50，搅拌速度为1000rpm，温度为80℃，搅拌时间18h；其中，所述混合碱溶液包含的组分及其重量百分比为：氢氧化钠2wt％、氢氧化钾2wt％、聚乙二醇1wt％、尿素2wt％，余量为水；并加入无机物致孔剂进行搅拌，以形成多孔结构；其中，所述无机物致孔剂为NaCl，所述NaCl的用量为1wt％；步骤S3：经酸处理除无机盐：将稀盐酸溶液加入到上述经过碱处理脱蛋白的产物中调节pH值至5.0，在25℃下静置12h除去无机盐，过滤得到β-甲壳素；步骤S4：用去离子水反复冲洗β-甲壳素至中性，干燥研磨得到具有高生物活性的纯β-甲壳素产品。实施例2一种高生物活性甲壳素，所述高生物活性甲壳素为β-甲壳素，所述β-甲壳素采用以下步骤制备得到：步骤S1：将含有β-甲壳质的鱿鱼软骨洗涤、干燥、粉碎成10μm～2mm的纤维状粉末；优选的，所述含有β-甲壳质的生物体为鱿鱼软骨；步骤S2：将粉碎后的粉末倒入浓度为10M的混合碱溶液中搅拌进行碱处理脱蛋白，并使固体与液体的体积比为1∶5，搅拌速度为3000rpm，温度为150℃，搅拌时间0.5h，；其中，所述混合碱溶液包含的组分及其重量百分比为：氢氧化钠20wt％、氢氧化钾20wt％、聚乙二醇5wt％、尿素10wt％，余量为水；并加入无机物致孔剂进行搅拌；其中，所述无机物致孔剂为CaCl2，所述无机物致孔剂的用量为0.05wt％；步骤S3：将稀盐酸溶液加入到步骤S2经过碱处理脱蛋白的产物中，调节pH值至6.0，于20℃下静置8h，除去无机盐，过滤得到β-甲壳素；步骤S4：用去离子水反复冲洗β-甲壳素至中性，干燥研磨得到具有高生物活性的纯β-甲壳素产品。实施例3一种高生物活性甲壳素，所述高生物活性甲壳素为β-甲壳素，所述β-甲壳素采用以下步骤制备得到：步骤S1：将含有β-甲壳质的鱿鱼软骨洗涤、干燥、粉碎成10μm～2mm的纤维状粉末；优选的，所述含有β-甲壳质的生物体为鱿鱼软骨；步骤S2：将粉碎后的粉末倒入浓度为5M的混合碱溶液中搅拌进行碱处理脱蛋白，并使固体与液体的体积比为1∶20，搅拌速度为500rpm，温度为50℃，搅拌时间24h，；其中，所述混合碱溶液包含的组分及其重量百分比为：氢氧化钠12wt％、氢氧化钾15wt％、聚乙二醇3wt％、尿素4wt％，余量为水；并加入无机物致孔剂进行搅拌；其中，所述无机物致孔剂为KCl，所述无机物致孔剂的用量为0.6wt％；步骤S3：将稀盐酸溶液加入到步骤S2经过碱处理脱蛋白的产物中，调节pH值至6.5，于30℃下静置16h，除去无机盐，过滤得到β-甲壳素；步骤S4：用去离子水反复冲洗β-甲壳素至中性，干燥研磨得到具有高生物活性的纯β-甲壳素产品。对比实施例1一种β-甲壳素，其采用以下步骤制备得到：步骤S1：将含有β-甲壳质的鱿鱼软骨洗涤、干燥、粉碎成10μm～2mm的纤维状粉末；优选的，所述含有β-甲壳质的生物体为鱿鱼软骨；步骤S2：将粉碎后的粉末倒入浓度为1M的混合碱溶液中搅拌进行碱处理脱蛋白，并使固体与液体的体积比为1∶10，搅拌速度为2000rpm，温度为30℃，搅拌时间24h，；其中，所述混合碱溶液包含的组分及其重量百分比为：氢氧化钠12wt％、氢氧化钾15wt％、聚乙二醇3wt％、尿素4wt％，余量为水；并加入无机物致孔剂进行搅拌；其中，所述无机物致孔剂为KCl，所述无机物致孔剂的用量为0.6wt％；步骤S3：将稀盐酸溶液加入到步骤S2经过碱处理脱蛋白的产物中，调节pH值至7.0，于30℃下静置16h，除去无机盐，过滤得到β-甲壳素；步骤S4：用去离子水反复冲洗β-甲壳素至中性，干燥研磨得到具有高生物活性的纯β-甲壳素产品。将实施例1～3与对比实施例1进行检测，结果如表1所示。表1实施例1～3与对比实施例1的性能测试结果表通过表1的结果对比可见，采用本发明的技术方案得到的β-甲壳素分子量远远高于对比实施例1的，特别是在pH＝6.0时，得到的β-甲壳素的分子量可高达35万，且实施例1～3脱乙酰度高与95％的情况下，氨基含量还能达到9.5％以上，且60分钟对耐药性微生物杀菌率均可以达到100％，高于对比实施例1的90％，对大肠杆菌的团聚作用较强。将实施例得到的甲壳素加入到大肠杆菌水悬浮培养液，图1为添加前的显微镜图，图2为添加实施例1高活性甲壳素3小时后的显微镜图，图3为添加实施例2高活性甲壳素3小时后的显微镜图，图4为添加对比实施例1的β-甲壳素3小时后的显微镜图。由图1～图4对比可见，加入本发明制备的高活性甲壳素对大肠杆菌团聚效果明显，尤其是实施例2制备的产品团聚效果最佳，与对比实施例1相比，本发明制备的高活性甲壳素具有更强的吸附作用。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。