海鞘中提取微晶纤维素及制备溶致性胆甾型液晶的方法

摘要

一种海鞘中提取微晶纤维素及制备溶致性胆甾型液晶的方法。包括将海鞘用蒸馏水浸泡洗净只留刮掉薄皮的被囊；用强碱浸泡6h-24h除去蛋白质和脂类；在40℃-90℃条件下将被囊在缓冲溶液中反应1h-5h且重复2-8次；将所得纤维素置于表面皿上干燥；粉碎至微米或毫米级；倒入盛有适量浓酸的烧杯中水解搅拌反应30min-6h，再加入大量的蒸馏水终止反应；通过反复离心和透析除去悬浮液中的酸，最后使得透析袋外溶液呈中性或微酸性，然后蒸发浓缩得溶致性胆甾型液晶等步骤。它反应过程简单、工艺方法较易控制，原料资源丰富，价格低廉，重复性好，绿色环保无毒，易于大量生产，并且成本较低。可以应用于工业生产。

说明书

技术领域

本发明属于液晶材料技术领域，更明确地说涉及海鞘中提取微晶纤维素及制备溶致性胆甾型液晶的方法的创新。

背景技术

F.Reinitzer在1888年首先观察到液晶现象。他在测定有机物熔点时，发现某些有机物熔化后会形成一个不透明的浑浊液态；继续加热，成为了透明的各向异性的溶液。由于浑浊状液体的中间相具有和晶体相似的性质，故被命名为液晶。

众所周知，液晶材料可以用来作显示器。但除此之外，它还应用在许多领域，例如洗涤剂中的泡沫就是一种溶致液晶。由于层状液晶可以相对滑移所以它可以用来作润滑剂。一些高分子液晶还可以用高性能工程材料、信息存储材料以及作为色谱分离材料等。

液晶依其生成条件，主要分为热致性液晶和溶致性液晶两大类。热致性液晶是依靠温度的变化，在某一温度范围形成的液晶态物质；溶致性液晶则是依靠溶剂的溶解分散，在一定浓度范围形成的液晶态物质。除了这两类液晶物质外，人们还发现了在外力场(压力、流动场、电场、磁场和光场等)作用下形成的液晶。例如聚乙烯在某一压力下可出现液晶态，是一种压致型液晶。聚对苯二甲酰对氨基苯甲酰肼在施加流动场后可呈现液晶态，因此属于流致型液晶。

根据分子排列的形式和有序性的不同，液晶有三种结构类型：近晶型、向列型、胆甾型。近晶型液晶是所有液晶中最接近结晶结构的一类。在这类液晶中，棒状分子互相平行排列成层状结构，分子的长轴垂直于层状结构平面，层内分子排列具有二维有序性；层状结构平面之间可以相互滑移，而垂直于层平面方向的流动却很困难。在向列型液晶中，棒状分子只维持一维有序；在外力作用下，棒状分子容易沿流动方向取向，并可在取向方向互相穿越。因此，向列型液晶的宏观粘度一般都比较小，在三种结构类型的液晶中流动性最好。在胆甾型液晶中，分子是长而扁平的。它们依靠端基的作用，平行排列成层状结构，长轴与层平面平行。层内分子排列与向列型类似，而相邻两层间分子长轴的取向依次规则地扭转一定的角度，层层累加而形成螺旋结构。分子长轴方向在扭转了360°以后回到原来的方向。两个取向相同的分子层之间的距离称为螺距，它是表征胆甾型液晶的重要参数。由于胆甾型液晶具有选择反射的性质，使得胆甾型液晶在白光照射下呈现彩虹般漂亮的颜色，并有极高的旋光能力。

许多天然生物高分子可以形成胆甾型液晶相，例如纤维素、多肽、DNA等。1976年D.G.Gary首次报道了分子量为10000的羟丙基纤维素的20％～50％水溶液能形成具有彩虹色彩、强烈双折射和旋光性的胆甾型液晶溶液。

纤维素本身可以形成液晶溶液是由Chanzy和Peguy首先报道的。他们认为纤维素在N-2甲基马啡林氧化物(MMNO)和水的混合溶剂中可以形成液晶溶液。20世纪90年代，Gray等报道棒状的纤维素晶体(长约200nm、宽约7nm)的悬浮体系在浓度很低的情况下就可以形成胆甾型液晶相。在临界浓度以上时，悬浮体系分为具有非常明显相界面的两相，下面的一相表现出胆甾型液晶相的光学特性。

由于胆甾型液晶的螺距极易随外界条件及高分子本身的结构参数的改变而改变，如溶液浓度、温度、电磁场、分子量、取代度等。这一性质使得其用途非常广泛，主要包括温度探测器温度计、体温计、温度警戒显示、医疗热谱图诊断乳癌、血液疾病等，无损探伤、红外和微波的测试等。

又由于胆甾型液晶具有特殊的螺旋结构使得它具有一些特有和优异的光学性能，如：选择性反射、强的旋光性、圆二色性等等。因而，胆甾型液晶相的选择性反射光性能在光学应用上是非常有潜力的，该光学性能可用于光学、装饰材料和信息存储材料等。

纤维素是自然界中储量最丰富、可再生的天然高分子材料，在高等植物、细菌、动物、绿藻、海鞘等生物中广泛存在，因此纤维素的开发和利用具有很重要的现实意义。不但纤维素来源广泛、价格低廉，而且它既能显示溶致液晶又能显示热致热晶，这些优异的性质使得其在液晶领域被广泛研究。纤维素是一种D-脱水吡喃葡萄糖通过β-1，4苷键连结起来的聚合物。纤维素是由结晶相和非结晶相交错形成的；其中非晶相呈现无定形状态，因为其大部分葡萄糖环上的羟基基团属于游离状态；而结晶纤维素中大量的羟基基团，形成了数目庞大的氢键，这些氢键构成了巨大的氢键网络，直接导致了致密的晶体结构的形成。

纤维素及其衍生物形成的溶致液晶多为胆甾型液晶，其液晶相的织构具有多重性，即存在多种织构，并且这些织构的存在与溶液浓度的大小和温度有关。可以观察到的织构类型有圆盘织构、条纹织构、假各向同性织构、平面织构、多边形织构、指纹织构等。

国内也有用纤维素和纤维素衍生物合成胆甾相液晶的研究，如黄勇等，他们是通过乙基纤维素先后与丙烯腈、丙烯酸发生反应形成了胆甾相液晶体系。但是这种方法制备胆甾相液晶有它的不足之处，如乙烯腈易燃有剧毒，反应过程较复杂、比较难控制，生产成本较高等。这些不足都限制了其在工业中的应用。

尽管目前陆地植物纤维素相关的研究日益活跃，但是，有关海洋动物纤维素的研究鲜见报道。海鞘(ascidian)是尾索动物亚门的一个纲，其形状很像植物，广泛分布于世界各大海洋中，自沿海水域至深海海底皆有海鞘栖息。海鞘幼体的尾部有脊索，因此海鞘属于脊索动物。海鞘的体壁即是包藏内部器官的外套膜，外套膜除了表面一层外胚层的上皮细胞外，还掺杂着来源于中胚层的肌肉纤维，以支配身体及出、入水孔的伸缩和开关。体壁能分泌一种化学成分类似植物纤维素的被囊素(tunicin)，并由此形成包围在动物体外的被囊，这就是被囊动物名称的由来。在整个动物界中，体壁能分泌植物纤维素的动物，至今仅发现于海鞘和少数原生动物。海鞘纤维素也是由D-吡喃葡萄糖环彼此以β-1，4-糖苷键以C1椅式构象联结而成的线形高分子，其特点在于具有较高的结晶度并且几乎由Iβ晶型构成，而植物纤维素则是Iα晶型和Iβ晶型的混合体，结晶度相对较低。

海鞘纤维素的独特的Iβ晶型结构与高结晶度决定了它具有植物纤维素所没有的优良性能和热稳定性并预示了它广阔的商业用途。但是，目前对海鞘纤维素的研究开发几乎是空白。

发明内容

本发明的目的，就在于克服上述缺点和不足，提供一种海鞘中提取微晶纤维素及制备溶致性胆甾型液晶的方法。它反应过程简单、工艺方法较易控制，原料资源丰富，价格低廉，重复性好，绿色环保无毒，易于大量生产，并且成本较低。可以应用于工业生产。

为了达到上述目的，本发明海鞘中提取微晶纤维素的方法包括以下步骤：

(1)将海洋生物海鞘用蒸馏水浸泡洗净，解剖海鞘并丢弃内脏器官，只留海鞘的被囊，然后再将其最外面的一层薄皮刮掉丢弃，只留用其余部分；

(2)用强碱把留用的被囊浸泡6h-24h除去其中所含的蛋白质和脂类；

(3)在40℃-90℃条件下，将除去蛋白质和脂类的被囊在用醋酸和氢氧化钠制成的含漂白剂的缓冲溶液中反应1h-5h，本步骤反应重复进行2-8次，每次都需更新前述缓冲溶液；

(4)将步骤(3)得到的样品置于表面皿上，然后放入恒温鼓风干燥箱中在20℃-60℃下进行干燥；

(5)干燥后，用粉碎机将其粉碎至微米或毫米级。

步骤(2)所说的强碱为1-10wt％的氢氧化钾或氢氧化钠溶液。

步骤(3)中每次反应均按照1g留用的被囊使用10ml缓冲溶液的比例进行；将27g氢氧化钠溶解在75ml的醋酸中，然后加水稀释至1L，再加入0.1mol的漂白剂，制得该缓冲溶液。

漂白剂为次氯酸钠、亚氯酸钠、氯酸钠、次氯酸钙、亚硫酸钠或双氧水。

本发明所用的海鞘(ascidian)属于脊索动物门、尾索动物亚门、海鞘纲。在海洋生物中，海鞘是种类较丰富的被囊动物。包括真海鞘、柄海鞘、玻璃海鞘、乳突皮海鞘、皱瘤海鞘、紫拟菊海鞘、冠瘤海鞘、长纹海鞘、红贺海鞘、悉尼海鞘、青岛菊海鞘、米氏小叶鞘、星座美洲海鞘、瘤状菊海鞘、西门登拟菊海鞘、、硬突小齐海鞘、圆鼠多果海鞘、相模多精囊海鞘、大洋纵列海鞘、网纹二段海鞘、澳洲小齐海鞘等。它是一种资源非常丰富的被囊动物，而且海鞘被囊的90wt％的成分为纤维素。

利用上述方法提取的微晶纤维素制备溶致性胆甾型液晶的方法，还包括以下步骤：

(6)将步骤(5)得到的微米或毫米级粉末状纤维素晶体按照1g纤维素晶体使用17.5ml浓酸的比例倒入盛有适量浓酸的烧杯中水解，搅拌反应30min-6h，当溶液由白色变为黄棕色时加入大量的蒸馏水，稀释溶液并降低温度来终止反应；

(7)将步骤(6)得到的混合液用离心机进行离心，弃去上层清液，再用蒸馏水洗涤下层溶液后再次离心并弃去上层清液，本步骤重复进行1-6次，得到纤维素悬浮液；

(8)将步骤(7)得到的悬浮液放入透析袋中进行透析或通过离子交换树脂除去悬浮液中的酸，使溶液呈中性或微酸性；

(9)将步骤(8)得到的溶液倒入蒸发皿中蒸发浓缩，直至溶液变得粘稠，然后将粘稠溶液移至试管中静置，即得溶致性胆甾型液晶。

步骤(6)所说的浓酸为浓硫酸、浓盐酸、浓硝酸、浓磷酸、高氯酸、溴酸、氢溴酸、氢碘酸、苯磺酸、甲磺酸、三氯乙酸、三氟乙酸、乙二酸、甲酸之一或其中任意两种或两种以上的混合酸，而且可以以任意比例混配。浓硫酸和浓盐酸的质量比例为9∶1时，效果最好。

步骤(6)水解反应时可以采用集热式恒温加热方式加热至20℃-100℃。

步骤(6)水解反应时可以采用超声波清洗器震荡混合。

步骤(8)中所说的透析袋外溶液的酸碱度为6-7pH单位。

本发明的任务就是这样完成的。

本发明提供了一种海鞘中提取微晶纤维素及制备溶致性胆甾型液晶的方法。它反应过程简单、工艺方法较易控制，原料资源丰富，价格低廉，重复性好，绿色环保无毒，易于大量生产，并且成本较低。可以应用于工业生产。

本发明的显著进步和积极成果在于：

(1)本发明是用海洋生物海鞘作为原料提取纤维素来制备胆甾相液晶的。所用原料资源丰富，价格低廉，并且反应物和副产物无毒、对环境没有污染，符合现在所提倡的绿色环保和蓝色经济的主题，而且具有简单可行、生产成本低、环境友好等优点。

(2)本发明用从海鞘中提取出来的纤维素与浓酸反应来制备胆甾型液晶，在水溶液中进行，生成的为溶致胆甾型液晶。操作较简单，而且生成的悬浮液较稳定。

(3)具有螺旋结构的胆甾相液晶由于其螺距对温度、浓度、磁场、电场、分子量、所含杂质浓度以及取代度的变化非常敏感，这一性质使得它在各种领域被广泛应用，如可以进行温度测量、环保监测、无损探伤以及医疗诊断等等。

(4)具有螺旋结构的胆甾相液晶由于其具有优异的光学各向异性，使得它可用作光学材料等。

附图说明

图1为本发明提取的微晶纤维素制备的溶致性胆甾型液晶的色带织构偏光显微镜照片。

图2为其指纹织构偏光显微镜照片。

具体实施方式

实施例1。一种海鞘中提取微晶纤维素的方法。包括以下步骤：

(1)将海洋生物海鞘用蒸馏水浸泡洗净，解剖海鞘并丢弃内脏器官，只留海鞘的被囊，然后再将其最外面的一层薄皮刮掉丢弃，只留用其余部分；

(2)用强碱把留用的被囊浸泡12h除去其中所含的蛋白质和脂类；

(3)在65℃条件下，将除去蛋白质和脂类的被囊在用醋酸和氢氧化钠制成的含漂白剂的缓冲溶液中反应3h，本步骤反应重复进行5次，每次都需更新前述缓冲溶液；

(4)将步骤(3)得到的样品置于表面皿上，然后放入恒温鼓风干燥箱中在40℃下进行干燥；

(5)干燥后，用粉碎机将其粉碎至微米或毫米级。

步骤(2)所说的强碱为6wt％的氢氧化钾溶液。

步骤(3)中每次反应均按照1g留用的被囊使用10ml缓冲溶液的比例进行；将27g氢氧化钠溶解在75ml的醋酸中，然后加水稀释至1L，再加入0.1mol的漂白剂，制得该缓冲溶液。漂白剂为次氯酸钠。

实施例2。一种海鞘中提取微晶纤维素的方法。其中步骤(2)是用强碱把留用的被囊浸泡24h除去其中所含的蛋白质和脂类；所说的强碱为5wt％的氢氧化钠溶液。步骤(3)是在90℃条件下，将除去蛋白质和脂类的被囊在用醋酸和氢氧化钠制成的含漂白剂的缓冲溶液中反应1h，本步骤反应重复进行2次，每次都需更新前述缓冲溶液；漂白剂为氯酸钠。步骤(4)是将步骤(3)得到的样品置于表面皿上，然后放入恒温鼓风干燥箱中在60℃下进行干燥。其余同实施例1。

实施例3。一种海鞘中提取微晶纤维素的方法。其中步骤(2)是用强碱把留用的被囊浸泡6h除去其中所含的蛋白质和脂类；所说的强碱为10wt％的氢氧化钾溶液。步骤(3)是在40℃条件下，将除去蛋白质和脂类的被囊在用醋酸和氢氧化钠制成的含漂白剂的缓冲溶液中反应5h，本步骤反应重复进行8次，每次都需更新前述缓冲溶液；漂白剂为亚氯酸钠。步骤(4)是将步骤(3)得到的样品置于表面皿上，然后放入恒温鼓风干燥箱中在20℃下进行干燥。其余同实施例1。

实施例4。一种海鞘中提取微晶纤维素的方法。其中步骤(2)所说的强碱为1wt％的氢氧化钾溶液。步骤(3)中所说的漂白剂为次氯酸钙。其余同实施例1。

实施例5。一种海鞘中提取微晶纤维素的方法。其中步骤(2)所说的强碱为1wt％的氢氧化钠溶液。步骤(3)中所说的漂白剂为亚硫酸钠。其余同实施例1。

实施例6。一种海鞘中提取微晶纤维素的方法。其中步骤(2)所说的强碱为10wt％的氢氧化钠溶液。步骤(3)中所说的漂白剂为双氧水。其余同实施例1。

实施例7。一种利用上述海鞘中提取微晶纤维素的方法提取的微晶纤维素制备溶致性胆甾型液晶的方法，还包括以下步骤：

(6)将步骤(5)得到的微米或毫米级粉末状纤维素晶体按照1g纤维素晶体使用17.5ml浓酸的比例倒入盛有适量浓酸的烧杯中水解，搅拌反应3h，当溶液由白色变为黄棕色时加入大量的蒸馏水，稀释溶液并降低温度来终止反应；

(7)将步骤(6)得到的混合液用离心机进行离心，弃去上层清液，再用蒸馏水洗涤下层溶液后再次离心并弃去上层清液，本步骤重复进行4次，得到纤维素悬浮液；

(8)将步骤(7)得到的悬浮液放入透析袋中进行透析除去悬浮液中的酸，使透析袋外的溶液呈中性或微酸性；

(9)将步骤(8)得到的溶液倒入蒸发皿中蒸发浓缩，直至溶液变得粘稠，然后将粘稠溶液移至试管中静置，即得溶致性胆甾型液晶。

步骤(6)所说的浓酸为浓硫酸和浓盐酸的混合酸。浓硫酸和浓盐酸的质量比例为9∶1时，效果最好。

步骤(6)水解反应时可以采用集热式恒温加热方式加热至80℃。步骤(6)水解反应时可以采用超声波清洗器震荡混合。步骤(8)中所说的透析袋外溶液的酸碱度为6-7pH单位。

实施例8。一种利用上述海鞘中提取微晶纤维素的方法提取的微晶纤维素制备溶致性胆甾型液晶的方法，还包括以下步骤：

(6)将步骤(5)得到的微米或毫米级粉末状纤维素晶体按照1g纤维素晶体使用17.5ml浓酸的比例倒入盛有适量浓酸的烧杯中水解，搅拌反应6h，当溶液由白色变为黄棕色时加入大量的蒸馏水，稀释溶液并降低温度来终止反应；

(7)将步骤(6)得到的混合液用离心机进行离心，弃去上层清液，再用蒸馏水洗涤下层溶液后再次离心并弃去上层清液，本步骤重复进行6次，得到纤维素悬浮液；

(8)将步骤(7)得到的悬浮液通过离子交换树脂除去悬浮液中的酸，使透析袋外的溶液呈中性或微酸性；

(9)将步骤(8)得到的溶液倒入蒸发皿中蒸发浓缩，直至溶液变得粘稠，然后将粘稠溶液移至试管中静置，即得溶致性胆甾型液晶。

步骤(6)所说的浓酸为浓硝酸。步骤(6)水解反应时可以采用集热式恒温加热方式加热至100℃。步骤(6)水解反应时可以采用超声波清洗器震荡混合。步骤(8)中所说的透析袋外溶液的酸碱度为6-7pH单位。

实施例9。一种利用上述海鞘中提取微晶纤维素的方法提取的微晶纤维素制备溶致性胆甾型液晶的方法，还包括以下步骤：

(6)将步骤(5)得到的微米或毫米级粉末状纤维素晶体按照1g纤维素晶体使用17.5ml浓酸的比例倒入盛有适量浓酸的烧杯中水解，搅拌反应30min，当溶液由白色变为黄棕色时加入大量的蒸馏水，稀释溶液并降低温度来终止反应；

(7)将步骤(6)得到的混合液用离心机进行离心，弃去上层清液，再用蒸馏水洗涤下层溶液后再次离心并弃去上层清液，本步骤重复进行2次，得到纤维素悬浮液；步骤(8)和步骤(9)同实施例7。

步骤(6)所说的浓酸为乙二酸。步骤(6)水解反应时采用集热式恒温加热方式加热至30℃。其余同实施例7。

实施例10。一种海鞘中提取微晶纤维素的方法。具体步骤如下：

称取20g海鞘，用蒸馏水浸泡洗净，解剖海鞘并丢弃内脏器官，只留海鞘的被囊，然后再将其最外面的一层薄皮刮掉丢弃，只留用其余部分；在200ml的5wt％氢氧化钾溶液中，浸泡12h后，反复洗涤所得到的样品，再将其放入含有漂白剂的醋酸钠缓冲溶液中在70℃下漂白2h后再反复洗涤。上述浸泡漂白过程重复4次，这样就从海鞘中提取出纤维素。

将上述纤维素样品用电热恒温鼓风干燥箱在40℃下进行干燥6h。用粉碎机将上述干燥之后的样品粉碎至微米或毫米级，使颗粒尽可能的小，然后用分析天平称所得纤维素样品的质量。

实施例11。一种利用实施例10提取的微晶纤维素制备溶致性胆甾型液晶的方法。具体步骤如下：

按1(g)∶17.5(ml)的比例量取64wt％浓硫酸于烧杯中，再将上述所得纤维素样品粉末倒入烧杯中，然后将烧杯置于油浴磁力搅拌器中搅拌使溶液均匀混合，并充分反应。反应温度为45℃，反应时间为2h。反应完成后，按硫酸和蒸馏水的比例1∶10来量取蒸馏水，将量取的蒸馏水加入上述混合液体系稀释溶液、降低温度来终止反应。

用离心机在3000r/min的转速下离心所得溶液，离心10min，弃去上层清液，并洗涤下层沉淀物，再离心15min。该洗涤离心过程重复进行4次。

将离心得到的悬浮液倒入透析袋中，用蒸馏水透析直到透析袋外溶液的pH保持不变为止。要勤换蒸馏水，刚开始时每1h换一次，一天后平均每3h换一次。透析过程中搅拌可以加快透析。

将上述透析袋中的溶液倒入蒸发皿中在室温下进行蒸发浓缩。蒸发浓缩到一定程度后，用移液管取少量溶液滴到凹槽载玻片上，并放到偏光显微镜下观察。即得到图1和图2所示的溶致性胆甾型液晶。

实施例1-11反应过程简单、工艺方法较易控制，原料资源丰富，价格低廉，重复性好，绿色环保无毒，易于大量生产，并且成本较低。可以应用于工业生产。