一种离子液体反应介质中脂肪酶催化合成长链壳聚糖酯的方法 |
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| 申请号 | CN201610094318.X | 申请日 | 2016-02-22 | 公开(公告)号 | CN105567764A | 公开(公告)日 | 2016-05-11 |
| 申请人 | 华南理工大学; | 发明人 | 赵光磊; 稂雄妃; 王凤丽; 李晓凤; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种 离子液体 反应介质中脂肪酶催化合成长链壳聚糖酯的方法。该方法首先在反应器中按照不同比例配成离子液体反应介质。加入一定量的壳聚糖后高温溶解，偏光 显微镜 观察溶解成均相。冷却至反应 温度 ，按壳聚糖葡胺糖 单体 与酰基供体不同物质的量之比加入酰基供体，并加入一定量脂肪酶，氮气保护下反应一段时间后，合成长链壳聚糖酯。本发明在离子液体中用酶法合成壳聚糖酯，克服了现有化学合成法保护和脱除 氨 基的复杂操作步骤、反应效率低、污染环境、选择性低等缺点；具有反应条件温和、选择专一性、反应过程简单可控、产物易从反应混合体系中分离等优点。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种离子液体反应介质中脂肪酶催化合成长链壳聚糖酯的方法，其特征在于，包括如下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种离子液体反应介质中脂肪酶催化合成长链壳聚糖酯的方法 技术领域背景技术[0002] 壳聚糖（Chit0san， 简称CS）是甲壳素的脱乙酰化产物， 是自然界中存储量最大的碱性生物多糖壳聚糖，也是自然界中含量仅次于纤维素的天然多糖，由2-胺基-2-脱氧-β- 葡萄糖单元通过β（1-4）糖苷键链接而成。其化学结构与纤维素相似，唯一的区别就是葡萄糖单元C2上的羟基变为胺基或乙酰氨基。由于分子链与分子间也存在着较强的氢键作用，导致可用于壳聚糖溶解及化学改性的溶剂很少，极大地限制了其应用。目前，溶解甲壳素和壳聚糖的方法主要是通过破坏内部氢键网络结构使之溶解，而溶解壳聚糖的传统溶剂体系(如:强碱溶液体系，锂盐-强极性非质子极性溶剂体系等)具有毒性、 强腐蚀性、后续处理麻烦等缺点，不利于绿色环保的工业化生产。因此寻找一类温和的、并能均相溶解壳聚糖是拓展其应用的重要内容和方向。 [0003] 离子液体与传统有机溶剂相比，具有不挥发、不易燃、难氧化、强极性、强的溶解能力、组成可设计、电化学窗口宽等优良特性，在天然高分子溶解、化学合成、电化学、萃取分离、材料制备等诸多领域的应用日益引起世人的关注。从目前的研究报道来看，能够溶解壳聚糖的离子液体主要为咪唑类离子液体和甘氨酸类离子液体。Xie等最早进行了壳聚糖在离子液体中的溶解，并研究其溶液用于CO2的吸附，110℃下制备了10%的壳聚糖/[BMIM]Cl离子液体溶液，朱庆松等比较了四种咪唑类离子液体对壳聚糖的溶解特性，不同的离子液体溶解能力：[EMIM]AC＞[BMIM]AC＞[AMIM]Cl＞[BMIM]Cl，尤其是[EMIM]AC离子液体对壳聚糖的溶解能力达15%以上。 [0004] 生物催化反应因其具有条件温和、无环境污染、速度快、选择性高等特点、被广泛应用于各种有机反应。自20世纪80年代中期Klibanov等发现酶可在接近无水的有机溶剂中起催化作用以来，非水生物催化得以迅速发展。非水生物催化使得许多在水中无法进行的有机反应在有机溶剂中完成。虽然非水生物催化反应后处理方便，但有机溶剂自身的毒性、易燃性、挥发性等属性、会导致环境污染并危害操作者健康 , 同时酶在有机溶剂中往往表现为活力下降，甚至丧失。 [0005] 离子液体以其独特的性质也成为生物催化领域研究的热点。脂肪酶(Lipase )在生物催化中有着广泛的应用，由于脂肪酶对有机溶剂具有强耐受性，故成为离子液体中的首选生物转化酶。大部分脂肪酶在离子液体中进行反应有着良好的催化效果，其催化活性、立体选择性和稳定性明显提高。例如KIM等在离子液体中考察了几种不同的仲醇与乙酸乙烯酯在脂肪酶催化下的酯基转移反应，发现产物ee(光学纯度)值高达99. 5%，脂肪酶可以附着在离子液体中，产物经过分离后，脂肪酶/离子液体可以循环使用，尽管速率减慢，但是产物光学纯度并不降低。ITOH 等还考察了无水条件下，在离子液体[BMIM][PF6]或[BMIM][BF4]中，Novozym-435催化的 5-苯基-1-戊烯-3-醇与甲酸酯的反应，得到了较高的反应速率和立体选择性，所用的酶可以循环使用，但是所生成的乙醛低聚物在溶剂中的聚积又会使反应速率显著下降。当把反应条件改在40℃下减压进行时，酶循环使用就可以得到相应的反应速率和产物选择性。 发明内容[0007] 本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的不足，提供一种条件温和、选择专一性、产物易分离的离子液体反应介质中脂肪酶生物催化制备长链壳聚糖酯的方法。 [0008] 本发明的目的通过如下技术方案实现：一种离子液体反应介质中脂肪酶催化合成长链壳聚糖酯的方法，包括如下步骤： （1）将壳聚糖粉末经研磨、烘干处理后放入干燥器中备用； （2）在容器中加入3-10 g离子液体反应介质，加入步骤（1）处理后的壳聚糖，再通入氮气并在油浴锅中加热搅拌，温度为60-120 ℃； （3）待壳聚糖完全溶解后，冷却至20-70 ℃，加入酰基供体0.1 g-5 g，同时加入脂肪酶 0.01 g-0.2 g，继续通氮气搅拌2-8 h； （4）将步骤（3）所得产物用无水乙醇洗净后，于40-80 ℃抽真空干燥； （5）将步骤（4）所得产物在碱性条件下皂化，测定酯化反应的取代度DS。 [0009] 进一步地，步骤（2）所述的离子液体反应介质为1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐（[EMIM]Ac）、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（[BMIM][BF4]）和1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐（[BMIM][PF6]）中的一种或一种以上。 [0010] 进一步地，步骤（3）所述的酰基供体为月桂酸乙烯酯、月桂酸甲酯、棕榈酸甲酯和硬脂酸甲酯中的任意一种。 [0011] 进一步地，步骤（3）所述的脂肪酶为固定化Novozyme-435，是一种由B脂肪酶Candida antarctic 得到的脂肪酶；固定化Novozyme-435由经过基因改性的米曲霉微生物进行深层发酵并吸附在大孔性树脂上而制成。 [0012] 进一步地，步骤（5）测得酯化产物的取代度为0.01-2.00。 [0013] 与现有技术相比，本发明具有如下优点：（1）采用高效、高稳定性的生物催化剂固定化脂肪酶来催化壳聚糖合成长链壳聚糖酯，克服了现有技术中酶容易失活，反应效率低的缺点；反应过程简单可控、产物易分离，且固定化酶可反复使用，降低生产成本； （2）固定化脂肪酶的选择专一性，省去了化学法中合成壳聚糖酯保护和脱去氨基的步骤，简化反应操作过程； （3）利用了非水相酶催化的新技术，采用离子液体作为反应介质，未反应的酰基供体可用无水乙醇溶解洗涤除去，简化了产物分离步骤，得到的产品杂质少；洗涤的乙醇可以回收重复利用，降低了生产成本； （4）反应条件温和，无化学法的含酸废液排放，环境友好。 具体实施方式[0014] 为更好理解本发明，下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。 [0015] 实施例1在25 ml三口烧瓶中加入5 g 1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐（[EMIM]Ac）离子液体，再将 0.161 g壳聚糖粉末经研磨、烘干处理后放入三口烧瓶中，通入氮气并在油浴锅中加热搅拌，温度为70 ℃。用偏光显微镜观察壳聚糖完全溶解后，冷却至30 ℃，加入5 ml的月桂酸乙烯酯，同时加入0.15 g固定化Novozyme-435，继续通氮气反应12 h。反应结束后，过滤除去固定化Novozyme-435，并用无水乙醇洗去离子液体和未反应的月桂酸乙烯酯。所得产物 60 ℃下真空干燥24 h后在碱性条件下皂化，测得取代度为0.135。 [0016] 实施例2在25 ml三口烧瓶中加入3 g 1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（[BMIM][BF4]）和3 g 1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐（[EMIM]Ac）的混合离子液体，将0.161 g壳聚糖粉末经研磨、烘干处理后放入三口烧瓶中，通入氮气并在油浴锅中加热搅拌，温度为70 ℃。用偏光显微镜观察壳聚糖完全溶解后，冷却至40 ℃，加入5 ml的月桂酸甲酯，同时加入0.15 g固定化Novozyme-435，继续通氮气反应10 h。反应结束后，过滤除去固定化Novozyme-435，并用无水乙醇洗去离子液体和未反应的月桂酸甲酯。所得产物60 ℃下真空干燥24 h后在碱性条件下皂化，测得取代度为0.415。 [0017] 实施例3在25 ml三口烧瓶中加入1 g1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐（[BMIM][PF6]）和4 g1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐（[EMIM]Ac）的混合离子液体，将0.161 g壳聚糖粉末经研磨、烘干处理后放入三口烧瓶中，通入氮气并在油浴锅中加热搅拌，温度为70 ℃。用偏光显微镜观察壳聚糖完全溶解后，冷却至40 ℃，加入5 ml的月桂酸甲酯，同时加入0.15 g固定化Novozyme-435，继续通氮气反应8 h。反应结束后，过滤除去固定化Novozyme-435，并用无水乙醇洗去离子液体和未反应的月桂酸甲酯。所得产物60 ℃下真空干燥24 h后在碱性条件下皂化，测得取代度为0.538。 [0018] 实施例4在25 ml三口烧瓶中加入6 g 1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐（[EMIM]Ac）的离子液体，将 0.161 g壳聚糖粉末经研磨、烘干处理后放入三口烧瓶中，通入氮气并在油浴锅中加热搅拌，温度为70 ℃。用偏光显微镜观察壳聚糖完全溶解后，冷却至40℃，加入0.810 g的棕榈酸甲酯，同时加入0.15 g固定化Novozyme-435，继续通氮气反应8 h。反应结束后，过滤除去固定化Novozyme-435，并用无水乙醇洗去离子液体和未反应的棕榈酸甲酯。所得产物60 ℃下真空干燥24 h后在碱性条件下皂化，测得取代度为0.480。 [0019] 实施例5在25 ml三口烧瓶中加入2 g 1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐（[BMIM][PF6]）和6 g1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐（[EMIM]Ac）的混合离子液体，将0.161 g壳聚糖粉末经研磨、烘干处理后放入三口烧瓶中，通入氮气并在油浴锅中加热搅拌，温度为90 ℃。用偏光显微镜观察壳聚糖完全溶解后，冷却至40 ℃，加入0.810 g的棕榈酸甲酯，同时加入0.15 g固定化 |
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