玉米秸稈戊聚糖硫酸酯的制備工藝

米浩宇， 黃 昌， 孫 超， 劉琪微，孟鵬飛， 李君如， 王 雅， 張 龍

(長春工業(yè)大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院， 吉林 長春 130012)

玉米秸稈戊聚糖硫酸酯的制備工藝

米浩宇， 黃 昌， 孫 超， 劉琪微，孟鵬飛， 李君如， 王 雅， 張 龍*

(長春工業(yè)大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院， 吉林 長春 130012)

以玉米秸稈為原料堿法提取戊聚糖，選擇合適的酯化體系(氯磺酸/吡啶法、三氧化硫吡啶復(fù)合物/吡啶法、三氧化硫吡啶復(fù)合物/N,N-二甲基甲酰胺法、濃硫酸法)，磺化修飾制備戊聚糖硫酸酯。實驗最終確定了采用氯磺酸/吡啶法合成戊聚糖硫酸酯，產(chǎn)物結(jié)構(gòu)特征經(jīng)UV,IR確證。

玉米秸稈; 戊聚糖硫酸酯; 抗凝血; 合成

0 引 言

半纖維素是自然界存在最廣泛的多糖之一，通常與纖維素結(jié)合存在于植物的細(xì)胞壁中，其在自然界含量僅次于纖維素，一般植物中半纖維素占干重的7%～30%[1]。半纖維素主要以戊聚糖脫水聚合的形式而存在。雖然戊聚糖本身就具有抗腫瘤作用和免疫調(diào)節(jié)作用，但由于其分子量較大，不易溶于水等特性，在生物活性方面的應(yīng)用受到諸多限制。

戊聚糖最初是從櫸木木材中發(fā)現(xiàn)的，且櫸木戊聚糖硫酸酯具有抗炎、抗腫瘤、抗病毒、抗凝血等生物活性[2-5]。但櫸木木材來源有限、價格昂貴，現(xiàn)在更多的是從農(nóng)作物中提取。玉米秸稈是我國北方地區(qū)的常見農(nóng)作物在加工過程中產(chǎn)生的廢料，過去通常采用焚燒的方法進行處理，不僅造成資源的極大浪費，而且嚴(yán)重污染環(huán)境，研究發(fā)現(xiàn)玉米秸稈中含有大量的戊聚糖。

文中以玉米秸稈為原料，確定了堿法提取玉米秸稈戊聚糖的最佳工藝條件為：以30倍體積(固液比)的濃度10%的NaOH溶液，在70 ℃條件下反應(yīng)6 h。經(jīng)過濾、醇沉、離心、凍干制得戊聚糖。從以氯磺酸/吡啶法、三氧化硫吡啶復(fù)合物/吡啶法、三氧化硫吡啶復(fù)合物/N,N-二甲基甲酰胺法、濃硫酸法的4種酯化體系對玉米秸稈戊聚糖進行酯化反應(yīng)，最終確定了制備戊聚糖硫酸酯的最佳工藝條件為：吡啶∶氯磺酸(V∶V)=3∶1，70 ℃保溫反應(yīng)6 h，經(jīng)調(diào)pH至中性、醇沉、透析、凍干制得戊聚糖硫酸酯。

1 實驗部分

1.1試劑與儀器

氯磺酸、吡啶、N,N-二甲基甲酰胺、三氧化硫吡啶復(fù)合物、NaOH、濃硫酸、正丁醇均為分析純試劑。

DZF-250型數(shù)顯恒溫真空干燥箱；Nicolet is10傅里葉紅外光譜儀(FT-IR)，KBr壓片；UV1901雙光束紫外分光光度計。

1.2實驗過程

1.2.1 玉米秸稈戊聚糖的提取與分離

將粉碎的玉米秸稈4 g與120 mL濃度10%NaOH溶液在帶有攪拌裝置的250 mL三頸瓶中，70 ℃反應(yīng)6 h，反應(yīng)結(jié)束后冷卻至室溫，抽濾得濾液。濾液用HCl調(diào)pH=7，濃縮至50 mL，加入150 mL無水乙醇，析出白色晶體，經(jīng)重結(jié)晶、離心、凍干得戊聚糖0.27 g。

1.2.2 玉米秸稈戊聚糖硫酸酯的制備

1.2.2.1 氯磺酸/吡啶法(ClSO3H/C5H5N法)

氯磺酸/吡啶法的反應(yīng)機理方程式如圖1所示。

圖1 氯磺酸/吡啶法的反應(yīng)機理方程式

酯化試劑的制備：取預(yù)冷的無水吡啶30 mL于三頸瓶中，電動攪拌條件下，用恒壓漏斗緩慢滴加10 mL氯磺酸，保持反應(yīng)溫度低于5 ℃[6]。緩慢升溫，向酯化試劑中緩慢加入0.8 g戊聚糖，70 ℃保溫反應(yīng)4 h。反應(yīng)結(jié)束，降至室溫，冰浴下用3 mol/L的NaOH溶液調(diào)pH=7。靜置分層，取下層溶液濃縮，加無水乙醇，析出白色晶體，離心、透析、凍干得戊聚糖硫酸酯。

1.2.2.2 三氧化硫吡啶復(fù)合物/吡啶法(C5H5N·SO3/C5H5N法)

按戊聚糖∶吡啶(w∶w)=1∶60、戊聚糖∶三氧化硫吡啶復(fù)合物(w∶w)=1∶5將吡啶48 mL加入帶有冷凝管、干燥管和電動攪拌裝置的100 mL三頸瓶中，再加入4 g三氧化硫吡啶復(fù)合物，加熱至70 ℃，攪拌溶解。加入0.8 g戊聚糖，充分?jǐn)嚢枞芙猓?0 ℃反應(yīng)6 h。反應(yīng)結(jié)束，降至室溫。用3 mol/L的NaOH溶液調(diào)pH=7，加入無水乙醇，沉淀、離心、透析、凍干得戊聚糖硫酸酯。

1.2.2.3 三氧化硫吡啶復(fù)合物/N,N-二甲基甲酰胺法(C5H5N·SO3/DMF法)

按戊聚糖∶N,N-二甲基甲酰胺(w∶w)=1∶60、戊聚糖∶三氧化硫吡啶復(fù)合物(w∶w)=1∶5,將N,N-二甲基甲酰胺48 mL加入帶有冷凝管、干燥管和電動攪拌裝置的100 mL三頸瓶中，再加入4 g三氧化硫吡啶復(fù)合物，加熱至70 ℃，攪拌溶解。加入0.8 g戊聚糖，充分?jǐn)嚢枞芙猓?0 ℃反應(yīng)6 h。反應(yīng)結(jié)束，降至室溫。用3 mol/L的NaOH溶液調(diào)pH=7，加入無水乙醇，沉淀、離心、透析、凍干得戊聚糖硫酸酯。

1.2.2.4 濃硫酸法

取濃硫酸15 mL，正丁醇5 mL，加入裝有干燥管和電動攪拌裝置的三頸瓶中，控溫0 ℃，開啟電動攪拌裝置。加入0.25 g硫酸銨，待溶解后，緩慢加入戊聚糖1 g，保持0 ℃反應(yīng)3 h。反應(yīng)結(jié)束，冰浴下用3 mol/L的NaOH溶液調(diào)pH=7，加入無水乙醇，沉淀、離心、透析、凍干得戊聚糖硫酸酯。

2 結(jié)果與討論

2.1酯化體系的確立

4種硫酸酯化體系對戊聚糖的反應(yīng)性能見表1。

表1 不同反應(yīng)體系對戊聚糖的性能比較

由表1可以看出，采用氯磺酸∶吡啶法進行酯化反應(yīng)，具有試劑來源方便、價格相對便宜、產(chǎn)品質(zhì)量較好、后處理較方便等特點。因此考慮采用氯磺酸∶吡啶酯化體系對玉米秸稈戊聚糖進行硫酸酯化。

2.2結(jié)構(gòu)表征結(jié)果

2.2.1 戊聚糖硫酸酯的紫外光譜分析結(jié)果

戊聚糖和ClSO3H/C5H5N體系紫外光譜圖分別如圖2和圖3所示。

戊聚糖經(jīng)ClSO3H/C5H5N體系硫酸酯化后與酯化前紫外光譜比較可以看出,ClSO3H/C5H5N體系在260 nm左右新增一個新的硫酸基團吸收峰[7]，定性地說明了戊聚糖硫酸酯化的成功。

圖2 戊聚糖紫外吸收光譜圖

圖3 ClSO3H/C5H5N體系紫外光譜圖

2.2.2 戊聚糖硫酸酯的紅外光譜分析結(jié)果

戊聚糖和戊聚糖硫酸酯紅外光譜對比圖如圖4所示。

圖4 戊聚糖和戊聚糖硫酸酯紅外光譜對比圖

從圖4中可以看出，與戊聚糖相比，ClSO3H/C5H5N體系所得產(chǎn)物在1 242 cm-1及804 cm-1附近出現(xiàn)新的強吸收峰，1 242 cm-1附近的峰是硫酸基團-SO3-中的S=O伸縮振動所產(chǎn)生，而804 cm-1處的峰則是-O-SO3-的C-O-S的伸縮振動所引起的，且與戊聚糖未磺化前相比，3 300 cm-1附近羥基吸收峰明顯減弱，說明戊聚糖上的羥基部分已被取代，從這兩點可以定性地說明產(chǎn)物中硫酸基團的存在，酯化反應(yīng)較為成功[8]。

3 結(jié) 語

以玉米秸稈為原料，以30倍體積(固液比)的濃度10%的NaOH溶液，在70 ℃條件下反應(yīng)6 h提取戊聚糖。戊聚糖以吡啶∶氯磺酸(V∶V)=3∶1，70 ℃保溫反應(yīng)6 h，經(jīng)調(diào)pH至中性,醇沉、透析、凍干制得戊聚糖硫酸酯。工藝具有反應(yīng)條件溫和、操作簡便等特點，是一條符合我國國情的適合工業(yè)化生產(chǎn)的合成工藝。此合成工藝的建立也將對今后戊聚糖硫酸酯的抗凝血活性研究奠定基礎(chǔ)。

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Preparation of corn stover pentosan sulfate

MI Hao-yu, HUANG Cang, SUN Chao, LIU Qi-wei,MENG Peng-fei, LI Jun-ru, WANG Ya, ZHANG Long*

(School of Chemical Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

With corn straw to extract pentosan, we choose the suitable Esterification system (Chlorosulfonic acid/pyridine method, sulfur trioxide pyridine complex/pyridine method, sulfur trioxide pyridine complex/N,N-dimethylformamide method and concentrated sulfuric acid method) and modified Sulfonated to prepare pentosan polysulfate. Chlorosulfonic acid/pyridine method is experimentally applied to make the pentosan polysulfate, and it sturcture is verified with UV and IR.

corn straw; pentosan sulfate; anticoagulation; synthesis.

2014-05-19

長春工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201310190045)

米浩宇(1982-)，男，漢族，吉林遼源人，長春工業(yè)大學(xué)講師，博士，主要從事藥物設(shè)計與合成及藥用活性分子結(jié)構(gòu)改造方向研究,E-mail:mhy1982_jlu@163.com. *通訊作者：張 龍(1963-)，男，漢族，吉林農(nóng)安人，長春工業(yè)大學(xué)教授，博士，博士生導(dǎo)師,主要從事生物質(zhì)加工工程、工業(yè)催化方向研究,E-mail:zhanglong@mail.ccut.edu.cn.

TQ 464.1

A

1674-1374(2014)06-0716-04