[发明专利]一种生物催化的高效农业壳寡糖的生产方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种生物催化的高效农业壳寡糖的生产方法，属于从壳聚糖制备壳寡糖产品的生物化工领域。

背景技术

甲壳质（chitin）是地球上最丰富的天然高分子化合物之一，其脱乙酰产物为壳聚糖（chitosan），壳聚糖降解即得壳寡糖（Oligochitosan 或 Chitooligosaccharides）。甲壳素和壳聚糖广泛存在于节肢动物（甲壳纲、昆虫纲）、软体动物的外壳和真菌（卵菌除外）的细胞壁中，是地球上总量仅次于纤维素的天然生物资源。壳聚糖是自然界中少见的聚阳离子碱性多糖，特殊的分子组成和结构赋予其多种生物学活性和功能，在农业、食品、纺织、医疗和环保等方面已被广泛的研究。作为一种天然的抗菌剂，壳聚糖对多种微生物如丝状真菌、酵母和细菌等具有广谱的抑菌活性。然而由于分子量大、粘度高、不溶于水和碱性介质，仅溶于稀的酸溶液，其实际应用受到很大的限制。

壳寡糖属于低聚糖，分子量一般低于5000Da，具有良好的水溶性，且可生物降解，对人畜无毒，具有抑菌活性，可诱导植物抗病性，因而在植物病害防治、食品防腐以及医疗等方面具有广阔的应用前景，

壳寡糖以其独特的作物机理用于维护农业生态环境，保护人民身体健康，是用于生产绿色食品的一种环保型农药，无公害农产品生产和可持续农业的重要资源。

目前，国内外有关壳寡糖的生产方法主要包括如下几种：

１．化学法

降解壳聚糖的化学方法包括酸解法、氧化降解法及硼酸钠降解法等。

酸解法对壳聚糖的解聚是一种最基本和最简单的方法。它是利用壳聚糖分子中存在众多的游离氨基能够与溶液中氢离子结合的特点，引起壳聚糖分子间与分子内部的氢键断裂，使分子结构舒展，而长链部分易发生糖苷键断裂，形成许多聚合度不等的分子片段。浓盐酸、醋酸、浓硫酸、硝酸、磷酸、氢氟酸、三氧乙酸和甲酸等无机酸和有机酸均可采用，但其降解产物以单糖较多，壳寡糖含量低，且需消耗大量酸，反应条件苛刻，工艺烦琐，后处理麻烦，同时这一工艺易给环境带来巨大的压力，故不够理想。

氧化降解法是近年来国内外研究比较多的壳聚糖降解方法。其中的过氧化氢(H₂O₂)氧化降解因成本低、降解速度相对较快、产品分子量低且分布窄，无残毒、易实现工业化而倍受关注。该法降解壳聚糖的收率受浓度、温度、pH值及反应时间的影响。酸性条件下H₂O₂ 对壳聚糖的氧化降解可制备分子量小于10000的壳聚糖；在中性条件下H₂O₂ 对壳聚糖的氧化降解反应中制备了分子量为1000左右的药用低聚氨基葡萄糖。

2．物理制备法

（1）超声波法和微波法

选用适当频率和功率的超声波能使溶于酸性溶液中的壳聚糖发生降解反应，得到低聚合度的甲壳低聚糖。超声波作用时间的延长和温度的升高均有利于降低产物的分子量，可使降解产物的分子量分布带变窄，得到分子量较为均一的甲壳低聚糖。Kage 等人的研究表明，将 28kHz、45W 的超声波在 60℃温度下对溶于酸中的壳聚糖作用 30 h，可得到分子量为 500Da的甲壳低聚糖。该方法与化学降解法相比，所需的酸用量明显减少，降解后的处理过程大为简化，也减轻了对环境污染，同时，具有反应温和、氨基（-NH2）在降解过程中不会被缔合等优点。但该法只适合在浓度较低的状态下进行，且甲壳低聚糖回收率较低，导致生产成本较高，目前还无法被广泛运用。微波降解法不仅能使壳聚糖分子中的糖苷键断裂，还能让脱乙酰不完全的壳聚糖发生脱乙酰反应，使脱乙酰反应和降解反应同时进行，缩短了甲壳低聚糖的制备时间。微波降解法具有操作简单、节能环保、重复性好等优点，但由于微波使升温过快，导致单体容易挥发，反应不完全，目前还无法用于大量生产。

（2）γ射线照射辐射降解

采用 γ-射线照射壳聚糖可使它的糖苷键发生断裂、聚合度下降、分子量降低。在刚开始照射时壳聚糖的降解速度较快，当分子量下降到 50kDa后降解速度就变得十分缓慢，因此采用该法难以制备分子量小于 40 kDa 的甲壳低聚糖。研究发现，辐射剂量对产物的分子量有一定的影响，通过控制不同的辐射剂量可得到不同分子量的甲壳低聚糖，而真空环境的负压能破坏壳聚糖的网络结构，有助于降解反应的进行。γ 射线降解法是一种无须添加物的固相反应，具有无污染、反应易控、产品品质高等优点。

3．酶降解法