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(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)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(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)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?jī)H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(jià)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(guó)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(jìn)行處理，不僅造成資源的極大浪費(fèi)，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(duì)玉米秸稈戊聚糖進(jìn)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(shí)驗(yàn)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?cè)噭?/p>

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(jì)。

1.2實(shí)驗(yàn)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(jī)理方程式如圖1所示。

圖1 氯磺酸/吡啶法的反應(yīng)機(jī)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)攪拌裝置的三頸瓶中，控溫0 ℃，開啟電動(dòng)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(duì)戊聚糖的反應(yīng)性能見表1。

表1 不同反應(yīng)體系對(duì)戊聚糖的性能比較

由表1可以看出，采用氯磺酸∶吡啶法進(jìn)行酯化反應(yīng)，具有試劑來源方便、價(jià)格相對(duì)便宜、產(chǎn)品質(zhì)量較好、后處理較方便等特點(diǎn)。因此考慮采用氯磺酸∶吡啶酯化體系對(duì)玉米秸稈戊聚糖進(jìn)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(gè)新的硫酸基團(tuán)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(duì)比圖如圖4所示。

圖4 戊聚糖和戊聚糖硫酸酯紅外光譜對(duì)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(qiáng)吸收峰，1 242 cm-1附近的峰是硫酸基團(tuán)-SO3-中的S=O伸縮振動(dòng)所產(chǎn)生，而804 cm-1處的峰則是-O-SO3-的C-O-S的伸縮振動(dòng)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(diǎn)可以定性地說明產(chǎn)物中硫酸基團(tuán)的存在，酯化反應(yīng)較為成功[8]。

3 結(jié) 語(yǔ)

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(jiǎn)便等特點(diǎn)，是一條符合我國(guó)國(guó)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(duì)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(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201310190045)

米浩宇(1982-)，男，漢族，吉林遼源人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)講師，博士，主要從事藥物設(shè)計(jì)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(zhǎng)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