本發(fā)明涉及一種甲殼質(zhì)及其殼聚糖和應(yīng)用，尤其涉及一種由甲殼動(dòng)物的殼質(zhì)材料制備的甲殼質(zhì)及其殼聚糖和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

在傳統(tǒng)中藥治療法中，中國(guó)藥物治療功能紊亂、機(jī)能障礙等疾病需要大量中草藥。這種治療通常利用中草藥來(lái)調(diào)節(jié)身體各器官功能的平衡。盡管中草藥由于其作用、質(zhì)量等問(wèn)題經(jīng)常遭遇索賠和反索賠事件，但是中國(guó)衛(wèi)生保健系統(tǒng)依然大部分依賴(lài)于中藥治療法治療常見(jiàn)疾病。自然派生的藥材和含有傳統(tǒng)中藥材(TCM)活性成分的提取物得到越來(lái)越多的世界各地的關(guān)注和認(rèn)識(shí)。但是由于工業(yè)部門(mén)的管理漏洞，這些藥材的質(zhì)量、功效和安全性經(jīng)常受到質(zhì)疑。

這些中草藥通常含有多種有機(jī)活性成分以及摻雜著多種重金屬和有毒金屬的無(wú)機(jī)物。在傳統(tǒng)中藥材的分析檢測(cè)中可以發(fā)現(xiàn)有毒金屬和重金屬的重污染。一些傳統(tǒng)中藥材中含有超過(guò)每日耐受攝入量的金屬，如砷、鉛、汞。有報(bào)告對(duì)大量傳統(tǒng)中藥材產(chǎn)品樣品進(jìn)行檢測(cè)，報(bào)告結(jié)果顯示約5-15％的樣品被砷污染，約5％的樣品被鉛污染，約65％的樣品被汞污染。據(jù)報(bào)道，利用ICP-MS分析傳統(tǒng)中藥材，發(fā)現(xiàn)中藥材中的有毒金屬含量高達(dá)541μg/g砷(As)，99.5μg/g鉛(Pb)和10.5μg/g鎘(Cd)，而重金屬含量高達(dá)19727μg/g鐵(Fe),161μg/g銅(Cu)和2.39μg/g鉻(Cr)。這意味著攝入這些受污染的傳統(tǒng)中藥材存在中毒的重大風(fēng)險(xiǎn)，并對(duì)公共安全構(gòu)成了潛在的危險(xiǎn)。

甲殼質(zhì)是一種天然聚合物，主要原料來(lái)源是對(duì)蝦、蟹、昆蟲(chóng)、小蝦等各種甲殼動(dòng)物的外殼，是資源最豐富的、最容易得到的、可再生的天然聚合物之一，是僅次于纖維素的第二大可再生天然有機(jī)化合物資源。殼聚糖是甲殼質(zhì)的水溶性類(lèi)似物，具有抗菌性能。甲殼質(zhì)和殼聚糖的名稱(chēng)通?？梢曰Q，因?yàn)樗麄儍H僅區(qū)別于乙酰化(DA)的程度和脫?；?DD)的不同程度。甲殼動(dòng)物外殼通常由蛋白質(zhì)(30-40％)

、無(wú)機(jī)鹽(30-50％)和殼質(zhì)多聚物(13-42％)組成，各組成比例主要取決于甲殼原始來(lái)源。甲殼質(zhì)是一種線性多聚糖，由氨基糖單元N-乙?；然咸烟峭ㄟ^(guò)β糖苷鍵連接而成。殼質(zhì)化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)式如下：

其中，(n/n+m)×100％代表乙酰化的程度(DA)，(m/n+m)×100％代表脫乙酰化的程度(DD)

甲殼質(zhì)有高度有序的晶體結(jié)構(gòu)，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)三種多晶型構(gòu)型，α-,β-andγ-甲殼質(zhì)，三種構(gòu)型僅僅區(qū)別于結(jié)晶區(qū)內(nèi)部的碳鏈排布。α-甲殼質(zhì)是目前為止含量最豐富的晶型，通常在需要高硬度時(shí)用到。β–andγ–甲殼質(zhì)似乎趨向于提供韌性、靈活性和能動(dòng)性，并可能提供額外的生理功能。緊密的鏈堆積和分子間與分子內(nèi)的羥基(-OH)和乙酰胺基(CH₃CONH^-)兩部分的強(qiáng)烈鍵合，導(dǎo)致甲殼質(zhì)在水中的溶解性較低。甲殼質(zhì)的晶型選擇、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換和制備方法決定了期望的實(shí)際應(yīng)用。普遍存在的甲殼質(zhì)多晶型物在衛(wèi)生保健、新材料和生物醫(yī)學(xué)等科學(xué)產(chǎn)品方面有很好的應(yīng)用潛力。目前已經(jīng)建立好相應(yīng)的分離和提取方法，但由于材料缺少均一性，故破壞了工業(yè)應(yīng)用所需的加工性和適應(yīng)性。大量文獻(xiàn)報(bào)道了以殼聚糖為基礎(chǔ)的生物材料應(yīng)用于去除金屬，這些生物材料通常由殼聚糖與二醛交聯(lián)合成，或與活性炭及金屬?gòu)?fù)合組成。通過(guò)這些制備方法得到的生物吸附劑通常實(shí)際應(yīng)用性不高，效果不理想，而且有化學(xué)污染傾向。從甲殼質(zhì)到殼聚糖的化學(xué)轉(zhuǎn)化如下所示：

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能夠規(guī)?；a(chǎn)，可用于金屬去除的甲殼質(zhì)及其殼聚糖。

本發(fā)明的另一目的是提供一種甲殼質(zhì)及其殼聚糖的應(yīng)用。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種甲殼質(zhì)，其特征在于通過(guò)以下方法制備：

在常規(guī)和/或電磁能源條件下，向常規(guī)或加壓反應(yīng)器內(nèi)的甲殼動(dòng)物外殼材料中加入有機(jī)酸反應(yīng)；

干燥反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)物分離出甲殼動(dòng)物外殼中含有的甲殼質(zhì)；

所述的有機(jī)酸具有羧酸官能團(tuán)，脂肪族官能團(tuán)和/或芳香族官能團(tuán)。

進(jìn)一步地，向所述的甲殼質(zhì)中加入高錳酸鉀、過(guò)氧化物類(lèi)氧化劑，可以得到白色或類(lèi)白色的進(jìn)一步純化的甲殼質(zhì)。并且，漂白時(shí)同時(shí)鼓泡氧氣，有利于提高甲殼質(zhì)的純度。

優(yōu)選地，本發(fā)明中制備甲殼質(zhì)時(shí)，向甲殼動(dòng)物外殼材料中通入氧氣、氮?dú)饣蚨趸細(xì)怏w，使其在氧氣、氮?dú)饣蚨趸細(xì)怏w氛圍中反應(yīng)。使反應(yīng)器內(nèi)保持正壓，這些氣體改善反應(yīng)結(jié)果，氮?dú)饣蚨趸細(xì)怏w可以防止反應(yīng)中的氧化，而氧氣可以幫助氧化副產(chǎn)物從而消除反應(yīng)過(guò)程中的副產(chǎn)物，提高甲殼質(zhì)純度。

更進(jìn)一步地，甲殼動(dòng)物外殼材料反應(yīng)前可以先進(jìn)行預(yù)處理，有利于后續(xù)反應(yīng)的更好處理。

本發(fā)明中干燥分離出甲殼質(zhì)的方法為常規(guī)干燥、離心干燥和冷凍干燥中的一種或幾種。

一種由甲殼質(zhì)制備的殼聚糖，其特征在于通過(guò)以下方法制備：

在常規(guī)和/或電磁能源下，于反應(yīng)器內(nèi)向所得的甲殼質(zhì)加入有機(jī)或無(wú)機(jī)的酸或堿改性形成殼聚糖；

利用水和/或有機(jī)溶劑使甲殼質(zhì)中的殼聚糖沉淀析出；

通過(guò)過(guò)濾和/或干燥分離出殼聚糖，洗滌殼聚糖至中性，然后干燥。

電磁能源提供加熱或微波輻照能量，或其他形式能量。

制備殼聚糖時(shí)用堿優(yōu)選用堿性水代替氫氧化鈉，這樣可以減少轉(zhuǎn)化過(guò)程中鹽的產(chǎn)生。

優(yōu)選地，制備殼聚糖的過(guò)程在氮?dú)饣蚨趸細(xì)夥障?，?duì)殼聚糖的轉(zhuǎn)化更好,并且殼聚糖的樹(shù)脂顆粒制備也利，可以防止轉(zhuǎn)化過(guò)程中的氧化反應(yīng)。

優(yōu)選地，利用礦物質(zhì)和/或有機(jī)酸使殼聚糖成為鹽或樹(shù)脂顆粒。使殼聚糖成為鹽形式可以賦予殼聚糖穩(wěn)定性，成為樹(shù)脂顆粒使殼聚糖有高表面積的均勻顆粒以用于金屬吸收。殼聚糖樹(shù)脂顆粒用旋轉(zhuǎn)表面技術(shù)制備，有利于形成高表面積且均勻的顆粒。

一種殼質(zhì)材料(即：甲殼質(zhì)或殼聚糖)的應(yīng)用，其特征在于所述的甲殼質(zhì)或殼聚糖及其各自的復(fù)合材料分別在金屬去除中的應(yīng)用；優(yōu)選應(yīng)用形式為粉末，濾膜，濾片和過(guò)濾包裝材料。

甲殼質(zhì)或殼聚糖的表達(dá)式可以共用，都可以稱(chēng)之為殼質(zhì)材料，其區(qū)別在于乙?；潭?DA)和脫乙酰度(DD)。

本發(fā)明中應(yīng)用甲殼質(zhì)復(fù)合材料或殼聚糖復(fù)合材料去除金屬時(shí)，復(fù)合材料為甲殼質(zhì)或殼聚糖分別與水、和/或有機(jī)酸、和/或有機(jī)堿、和/或其他助劑一起制備的吸附劑材料。

本發(fā)明應(yīng)用中，復(fù)合材料可以為甲殼質(zhì)或殼聚糖作為膠體制備的吸附劑材料。

本發(fā)明應(yīng)用中，復(fù)合材料可以為甲殼質(zhì)或殼聚糖作為固體和/或膠體、和/或其他助劑制備的吸附劑材料。

本發(fā)明應(yīng)用中，復(fù)合材料可以為甲殼質(zhì)或殼聚糖作為固體和/或膠體，與紙漿、和/或木質(zhì)纖維素材料結(jié)合而成。

本發(fā)明應(yīng)用中，復(fù)合材料可以為甲殼質(zhì)或殼聚糖作為固體和/或膠體，與木質(zhì)纖維素材料以及陶瓷類(lèi)材料結(jié)合而成。

上述的木質(zhì)纖維素包括未加工的和加工的木質(zhì)纖維素。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)而言，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明制備的甲殼質(zhì)和殼聚糖有良好的均一性，低蛋白質(zhì)和低金屬含量，分子量大，由本發(fā)明制備的甲殼質(zhì)和/或殼聚糖制成的生物吸附材料(過(guò)濾器，濾膜，濾片和過(guò)濾包裝材料)在酸性和堿性條件下均穩(wěn)定，用于凈化、除去中草藥提取物中的金屬雜質(zhì)有良好的去除效果。

【附圖說(shuō)明】

圖1是N-乙酰氨基葡萄糖碳編號(hào)，用于幾丁質(zhì)固體核磁；

圖2是α-甲殼質(zhì)，β-甲殼質(zhì)，γ-甲殼質(zhì)三種晶型構(gòu)型的固體核磁圖；

圖3是合成的甲殼質(zhì)的固體核磁圖；

圖4是合成的殼聚糖的固體核磁圖；

圖5(a)是實(shí)施例3中甲殼質(zhì)過(guò)濾膜對(duì)不同價(jià)位的金屬離子的吸收率；

圖5(b)是實(shí)施例3中甲殼質(zhì)過(guò)濾膜對(duì)不同價(jià)位的金屬離子的吸收能力；

圖6(a)是實(shí)施例3中的殼聚糖過(guò)濾膜對(duì)不同價(jià)位的金屬離子的吸收率；

圖6(b)是實(shí)施例3中的殼聚糖過(guò)濾膜對(duì)不同價(jià)位的金屬離子的吸收能力；

圖7(a)是實(shí)施例3中甲殼質(zhì)過(guò)濾片對(duì)不同價(jià)位的金屬離子的吸收率；

圖7(b)是實(shí)施例3中甲殼質(zhì)過(guò)濾片對(duì)不同價(jià)位的金屬離子的吸收能力；

圖8(a)是實(shí)施例3中殼聚糖過(guò)濾片對(duì)不同價(jià)位的金屬離子的吸收率；

圖8(b)是實(shí)施例3中殼聚糖過(guò)濾片對(duì)不同價(jià)位的金屬離子的吸收能力；

圖9(a)是實(shí)施例5中的殼聚糖過(guò)濾片在不同pH條件下，對(duì)不同價(jià)位的金屬離子的吸收率；

圖9(b)是實(shí)施例5中殼聚糖過(guò)濾片在不同pH條件下，對(duì)不同價(jià)位的金屬離子的吸收能力。

【具體實(shí)施方式】

下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例1：甲殼質(zhì)的制備

為了后續(xù)進(jìn)一步制備甲殼質(zhì)和殼聚糖過(guò)濾器需要大量的甲殼質(zhì)，需要擴(kuò)大甲殼質(zhì)的生產(chǎn)規(guī)模和建立有效的生產(chǎn)工藝。甲殼質(zhì)的優(yōu)化生產(chǎn)工藝已經(jīng)試驗(yàn)過(guò)多次，10kg經(jīng)過(guò)預(yù)處理的殼質(zhì)外殼粉末置于50L的加壓高壓反應(yīng)器中，加入醋酸后加熱至80℃，在80℃、3個(gè)大氣壓下反應(yīng)4小時(shí)；三個(gè)連續(xù)批次平穩(wěn)進(jìn)行，每個(gè)批次平均轉(zhuǎn)化5kg相同等級(jí)的甲殼質(zhì)。合并三個(gè)批次的甲殼質(zhì)，進(jìn)一步精制，過(guò)氧化氫漂白得到白色或類(lèi)白色純度較高的甲殼質(zhì)產(chǎn)物。甲殼質(zhì)產(chǎn)物的金屬檢測(cè)結(jié)果顯示金屬總含量小于20ppm。

具體制備方法如下：

步驟1：研磨干燥甲殼動(dòng)物外殼得到大小均勻的外殼粉末；

步驟2：在50L陶瓷內(nèi)襯反應(yīng)器里，10kg的外殼粉末懸浮分散于25kg水中，溫和攪拌下用泵將4kg醋酸緩慢滴加到反應(yīng)器，懸浮液在室溫下繼續(xù)攪拌1小時(shí)，直到轉(zhuǎn)化生成的二氧化碳減弱，將反應(yīng)器內(nèi)的混合液轉(zhuǎn)移至離心機(jī)，收集濾餅，水洗后干燥得到預(yù)處理的外殼粉末；

步驟3：將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的10kg外殼粉末置于50L陶瓷內(nèi)襯反應(yīng)器內(nèi)，將30kg醋酸緩慢泵入反應(yīng)器內(nèi)，加熱至80℃，3個(gè)大氣壓下保溫反應(yīng)4小時(shí)，反應(yīng)完成時(shí)過(guò)濾反應(yīng)液，水洗濾餅，干燥，得到5kg甲殼質(zhì)；

步驟4：按照10w/vol％的比例向甲殼質(zhì)中加入10％過(guò)氧化氫溶液，同時(shí)鼓泡氧氣，漂白甲殼質(zhì)1小時(shí)，然后離心、水洗干燥，得到5kg白色或類(lèi)白色純甲殼質(zhì)。

實(shí)施例2：殼聚糖的制備

由甲殼質(zhì)制備殼聚糖的反應(yīng)過(guò)程如下：

實(shí)施例2-1：常規(guī)加熱

殼聚糖的優(yōu)化生產(chǎn)工藝已經(jīng)試驗(yàn)過(guò)很多次，5kg甲殼質(zhì)放置于50L反應(yīng)器內(nèi)的20kg50％的氫氧化鉀溶液中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下加熱回流5小時(shí)，反應(yīng)完成時(shí)，冷卻至室溫，用15kg水稀釋后，離心收集粗濾渣，再次加入20kg水?dāng)嚢杈鶆虺蓱腋∫海缓箅x心，重復(fù)洗滌離心步驟直至廢棄的洗滌液為中性。

依次進(jìn)行高速離心干燥、旋轉(zhuǎn)錐干燥和冷凍干燥進(jìn)一步純化，得到4kg高純度的殼聚糖。所有批次的試驗(yàn)進(jìn)行順利，平均轉(zhuǎn)化率為80-90％(DD＝90％)，殼聚糖產(chǎn)物的金屬檢測(cè)結(jié)果低于20ppm，殘留蛋白質(zhì)含量無(wú)法檢測(cè)到。

實(shí)施例2-2：電磁能源微波輻射

優(yōu)選地，制備殼聚糖的過(guò)程在微波能量條件下:殼聚糖的優(yōu)化生產(chǎn)工藝使用微波輻射已經(jīng)試驗(yàn)過(guò)很多次，5kg甲殼質(zhì)放置于微波反應(yīng)器內(nèi)的15kg50％的氫氧化鉀溶液中，依次進(jìn)行在250瓦的功率下微波照射15分鐘，反應(yīng)完成時(shí)，冷卻至室溫，用25kg水稀釋后，離心收集粗濾渣，再次加入30kg水?dāng)嚢杈鶆虺蓱腋∫?，然后離心，重復(fù)洗滌離心步驟直至廢棄的洗滌液為中性。依次進(jìn)行高速離心干燥、旋轉(zhuǎn)錐干燥和冷凍干燥進(jìn)一步純化，得到4kg高純度的殼聚糖。所有批次的試驗(yàn)進(jìn)行順利，平均轉(zhuǎn)化率為90-100％(DD＝95％)，殼聚糖產(chǎn)物的金屬檢測(cè)結(jié)果低于20ppm，殘留蛋白質(zhì)含量無(wú)法檢測(cè)到。

實(shí)施例2-1與實(shí)施例2-2制備的殼聚糖品質(zhì)相同，但顯然實(shí)施例2-2的反應(yīng)過(guò)程更快，更簡(jiǎn)單。

試劑說(shuō)明

金屬吸收實(shí)驗(yàn)中所用到的1mM金屬儲(chǔ)備溶液如表1所示：

表1：

實(shí)施例3：金屬吸收實(shí)驗(yàn)

將實(shí)施例1和2制備甲殼質(zhì)與殼聚糖分別與助劑混合均勻，利用制備過(guò)濾器的設(shè)備，在50-100g/m²的作用力下制成甲殼質(zhì)過(guò)濾膜、甲殼質(zhì)復(fù)合材料過(guò)濾片、殼聚糖過(guò)濾膜和殼聚糖復(fù)合材料過(guò)濾片，干燥。

過(guò)濾膜僅由甲殼質(zhì)或殼聚糖組成。

過(guò)濾片由甲殼質(zhì)或殼聚糖與紙漿、陶瓷材料和氧化物填料添加劑組成。

從1mM儲(chǔ)備溶液開(kāi)始配制一系列(1mM到0.001mM)的金屬標(biāo)準(zhǔn)溶液，使用電感耦合等離子體分光度法分析金屬標(biāo)準(zhǔn)溶液，建立金屬濃度與金屬發(fā)射強(qiáng)度之間的關(guān)聯(lián)。

將上述過(guò)濾膜與過(guò)濾片先用蒸餾水沖洗3次，然后分別將10ml金屬樣品溶液通過(guò)甲殼質(zhì)過(guò)濾膜、甲殼質(zhì)復(fù)合材料過(guò)濾片、殼聚糖過(guò)濾膜和殼聚糖復(fù)合材料過(guò)濾片過(guò)濾，分別收集濾液，用ICP-AES進(jìn)行分析，通過(guò)ICP-AES分析結(jié)果確定濾液中的各種金屬的摩爾量。由于金屬標(biāo)準(zhǔn)溶液的初始濃度已知，金屬吸收率和過(guò)濾膜/過(guò)濾片中所含單位生物聚合物的金屬吸收能力可以確定。

從圖5，圖6，圖7和圖8中可以看出不同生物聚合物材料組成的過(guò)濾膜和過(guò)濾片對(duì)不同價(jià)位金屬離子的吸收率和吸收能力。

其中，吸收率可以由式(1)計(jì)算得出，吸收能力可以由式(2)計(jì)算得出。

其中的殼質(zhì)材料為甲殼質(zhì)或殼聚糖，式(1)和式(2)中的量均為質(zhì)量。

從結(jié)果來(lái)看，殼聚糖的金屬吸收明顯比甲殼質(zhì)的要大得多。殼聚糖中的脫乙酰度比較大，因此，增加殼聚糖的胺基可以增加殼聚糖對(duì)金屬陽(yáng)離子的吸收。而金屬陽(yáng)離子的化合價(jià)對(duì)甲殼質(zhì)或殼聚糖的金屬吸收均沒(méi)有影響。

實(shí)施例4：制備殼聚糖的樹(shù)脂顆粒

將殼聚糖粉末4.6g加入100ml 1％(v/v)的乙酸溶液中低速攪拌至完全溶解，將溶液與10ml氫氧化鈉溶液(0.01摩爾/升)在二氧化碳?xì)怏w保護(hù)下同時(shí)分別逐滴倒在一個(gè)以1000rpm旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)表面上，保持30分鐘后，過(guò)濾收集沉淀物，水洗三次后，冷凍干燥得到殼聚糖樹(shù)脂。

實(shí)施例5：有機(jī)提取物存在下金屬吸收的實(shí)驗(yàn)

模擬從草藥提取物中除去重金屬的試驗(yàn)。將純有機(jī)反式β-胡蘿卜素故意加入不同pH值的不同金屬溶液中，然后將各金屬溶液通過(guò)殼聚糖樹(shù)脂制備的過(guò)濾器。金屬吸收結(jié)果均與中性條件下相似，而反式β-胡蘿卜素并不受影響。