非均相反应混合物中微处理

摘要

本发明涉及用于通过使用微装置来制备化学改性的多糖，优选淀粉的方法。本发明还涉及微装置用于非均相混合物中多糖的化学反应的用途。化学改性的实例为乙酰化、氧化、羟丙基化等。

说明书

发明领域

本发明涉及用于通过使用微装置来制备化学改性的多糖，优选 淀粉的方法。

发明背景

为不断地改善更多人的物质生活标准，必需用更少的资源来取 得更多的成效。因此有构建和制造更小型产品的趋势，这是由于对 尺寸效率的需要。最近，科学家已认识到，不仅电子装置，而且机 械装置也可小型化和批量制造，这预示将给机械领域带来与集成电 路技术给予电子领域同样的益处。

总体而言，已认识到小型化系统的益处，但仍存在进一步开发 这些系统在非均相混合物的化学反应中的应用的需要。

发明概述

本发明涉及用于制备化学改性的多糖的方法并且所述方法包括 以下步骤：

a)取包含多糖的浆液，

b)调节pH以使化学试剂与步骤a)的浆液中的多糖反应，

c)注射所述浆液经过微装置，

d)加入选自以下的化学试剂经过所述微装置：交联剂、酯化 剂、醚化剂、氧化剂及其两种或更多种的混合物，以与步骤a)的浆 液中的多糖反应

e)收集化学改性的多糖。

此外，本发明具体涉及其中多糖是淀粉的方法。

本发明还涉及微装置用于非均相介质中多糖与选自以下的化学 试剂的化学反应的用途：交联剂、酯化剂、醚化剂、氧化剂及其两 种或更多种的混合物。

详述

本发明涉及用于制备化学改性的多糖的方法并且所述方法包括 以下步骤：

a)取包含多糖的浆液，

b)调节pH以使化学试剂与步骤a)的浆液中的多糖反应，

c)注射所述浆液经过微装置，

d)加入选自以下的化学试剂经过所述微装置：交联剂、酯化 剂、醚化剂、氧化剂及其两种或更多种的混合物，以与步骤a)的浆 液中的多糖反应，

e)收集化学改性的多糖。

多糖选自水胶体、纤维素、纤维素衍生物、淀粉、淀粉衍生 物、甘露-低聚糖(manno-oligosaccharide)、木-低聚糖(xylo- oligosaccharide)、聚葡萄糖、部分解聚的纤维例如可溶性可可纤维、 瓜尔胶可溶纤维、β-葡聚糖、以及它们两种或更多种的混合物。

水胶体选自藻酸盐、果胶、黄原胶、瓜尔胶、槐豆胶、角叉菜 胶、衍生物以及两种或更多种的混合物。

藻酸盐产自海藻并且是包含β-(1-4)-连接的D-甘露糖醛酸和α-(1- 4)-连接的L-古罗糖醛酸残基的线性非支链聚合物。藻酸盐由相似和 严格交替的残基单元组成。

果胶是酸的异质分类(heterogenous grouping)，其为存在于水果和 蔬菜中的结构多糖并且主要由废弃的柑橘属果皮和苹果渣制备。果 胶具有复杂的结构，并且其结构的大部分由均聚的部分甲基化聚-α- (1-4)-D-半乳糖醛酸残基组成，其具有基本上为毛状非胶化区域的交 替α-(1-2)-L-鼠李糖基-α-(1-4)-D-半乳糖醛酸基(galacturonosyl)部分， 其包含具有大部分中性侧链(1-20个残基)(主要为L-阿拉伯糖和D-半 乳糖)的分支点。果胶的性质取决于酯化度，其通常为约70％。低甲 氧基果胶为＜40％酯化的，而高甲氧基果胶为＞43％酯化的，通常为 约67％。酰胺化果胶也是合适的候选物。

黄原胶是微生物抵抗干燥的聚合物，其通过好氧深层发酵制备 而市售。天然产生的黄原胶是为了将细菌粘附在甘蓝样植物的叶 上。黄原胶是具有β-(1-4)-D-吡喃葡萄糖葡聚糖骨架的阴离子聚电解 质，所述骨架在交替的残基上具有(3-1)-α-连接的D-吡喃甘露糖(2-1)- β-D-葡糖醛酸-(4-1)-β-D-吡喃甘露糖侧链。稍微少于一半的末端甘露 糖残基是4，6-丙酮酸化的并且内部甘露糖大部分是6-乙酰化的。每一 分子由约7000个五聚体组成并且该胶比大部分水胶体的多分散性 小。

瓜尔胶是由(1-4)-连接的β-D-吡喃甘露糖骨架组成的半乳甘露聚 糖，具有在其6-位连接至a-D-半乳糖的分支点。对于每个半乳糖残基 有介于1.5至2个甘露糖残基。瓜尔胶由非离子的多分散棒状聚合物组 成，其包含约10,000个残基构成的分子。瓜尔胶是高水溶性的，例如 比槐豆胶更可溶。

槐豆胶是类似于瓜尔胶的半乳甘露聚糖。其为多分散的并且包 含由约2000个残基组成的非离子分子。与瓜尔胶相比，槐豆胶的可 溶性更小并且粘度更低，因为其具有更少的半乳糖分支点。其需加 热溶解但在热水中是可溶的。

角叉菜胶是通过碱抽提从红海藻制备的多糖的共同术语。角叉 菜胶的基本结构由交替的3-连接的-β-D-吡喃半乳糖和4-连接的-α-D- 吡喃半乳糖单元组成。角叉菜胶基本结构的规则骨架结构被不同程 度有序分布的硫酸酯基团中断。角叉菜胶还可包含相同的甲氧基和 丙酮酸基团。角叉菜胶是约25,000个半乳糖衍生物的线性聚合物。

纤维素是链式D-吡喃葡糖基残基的线性聚合物的聚集物，其以β- 1，4构型整体连接在一起。纤维素和纤维素衍生物包括微晶纤维素、 微纤化纤维素、纤维素醚例如羧甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、 甲基纤维素、乙基甲基纤维素、羟丙基纤维素等。

B-葡聚糖存在于谷物例如大麦、燕麦、黑麦和小麦的麸中。β-葡 聚糖通常由以随机顺序连接的β-(1-3)D-吡喃葡萄糖(glucopuranose)单 元的线性非支链多糖组成。

聚葡萄糖是分类为可溶膳食纤维的食物成分并且常用于增加食 物的非膳食纤维含量，以代替糖、降低卡路里并降低脂肪含量。它 是多用途的食物成分，其合成自葡萄糖，可能加上约10％的山梨醇和 1％的柠檬酸。

部分解聚的纤维是解聚的杂多糖，其具有小于10,000的分子量和 具有3至30的平均聚合度(DP)。

任何适合用于本发明的多糖是不溶于水(冷水或热水)或者提供具 有低或高干物质的浆液、分散体或混悬液并且因此产生非均相混合 物的多糖。

淀粉是两分子实体即直链淀粉和支链淀粉的混合物。直链淀粉 是淀粉多糖，其主要由长链α-1，4-连接的D-葡萄糖分子组成，其中 DPn介于约500-5000之间。支链淀粉由相对短链的α-1，4-连接的D-葡 萄糖分子(其通过许多α-1，6-支链点分支点(约1/25)相互连接)组成。支 链淀粉分子的分子量在数百万的范围内。支链淀粉/直链淀粉比可在 100∶0至10∶90之间变化，视植物来源而定。

优选地，本发明的多糖是淀粉或淀粉衍生物。

淀粉可源自任何天然来源，其中天然是指所述淀粉存在于自然 中的事实。除非特别区分，在本说明书中提及淀粉意指包括其相应 的仍包含蛋白质的面粉，例如小麦面筋(下文中称为“淀粉”)。淀粉的 通常来源是谷类、块茎、根、豆类、果实淀粉和混合淀粉。合适的 来源包括但不限于玉米、豌豆、土豆、甘薯、高粱、香蕉、大麦、 小麦、稻谷、西米、苋菜红、木薯粉、竹芋、美人蕉和低级直链淀 粉(含不多于约10％重量的直链淀粉，优选不多于5％)或高级直链淀粉 (含至少约40％重量的直链淀粉)及其变体。源自植物的淀粉也是合适 的，所述植物通过育种技术(包括杂交育种、易位、倒位、转化)或者 基因工程或染色体工程的任何其它方法来获得，以包括其变体。此 外，源自人工突变生长的植物的淀粉和上述种类组成的变体(其可通 过突变育种的已知标准方法而产生)在本文中也是合适的。改性意欲 包括化学改性和物理改性。化学改性意欲不受限制地包括交联淀 粉、乙酰化淀粉、羟乙基化和羟丙基化的淀粉、无机酯化淀粉、阳 离子的、阴离子的、氧化的淀粉、两性离子淀粉、由酶改性的淀粉 以及它们的组合，条件是淀粉不完全溶于液态介质中并且提供悬浮 颗粒的浆液。物理改性的淀粉例如热抑制淀粉，例如在欧洲专利No. 1038882中所公开的，也可适用于本文。将理解的是，上述任一种 淀粉和/或面粉的混合物也在本发明的范围内。为简单起见，本文中 对淀粉、淀粉衍生物或淀粉底物的任何提及将被理解为包括一种或 若干种天然淀粉和/或淀粉衍生物。

微装置或微型反应器通常定义为小型化反应容器，其至少部分 地通过微技术和精密工程的方法制造。微型反应器流体通道的内结 构的特征尺寸可差别很大，但通常为亚微米至亚毫米的范围。微型 反应器最常见的是用微通道结构设计。这些结构包含大量的平行通 道并且每一微通道用于转化少量的材料。然而，结构不应限于构建 平行通道。

与大规模方法相比，小型化系统(用与微型反应器(微装置)相似 的尺寸设计)的益处包括但不限于，大型批量方法可被连续流方法替 代，更小的装置需要更小空间、更少材料、更少能量和通常应答时 间更短，并且通过降低组件尺寸而增强系统性能，这使得能够整合 众多小功能元件。因此，微型反应器(微装置)显著增强每单位体积或 单位面积的热转移、质量运输和扩散流量。

可将微型反应器中流体层的典型厚度设置为几十微米(通常为约 10至约500μm)，其中扩散在质量/热转移过程中起主要作用。由于扩 散距离短，反应物分子扩散经过界面以与其它分子种类反应的时间 减少至毫秒并且在一些情况下至纳秒。因此转化率显著增强并且化 学反应过程显得更有效。

出人意料的是，发现微装置对多糖(当其存在于非均相混合物中 时)的化学改性具有有益作用。

pH的调节(还有活化步骤)可在任何容器中进行，但也可在微装置 中进行。在将浆液注射经过微装置之前，可通过使用微换热器来加 热浆液。pH的调节将使得选自交联剂、酯化剂、醚化剂、氧化剂及 其两种或更多种的混合物的化学试剂能与浆液中的多糖反应。

化学试剂优选以液体形式加入，例如液体化学试剂或者溶解或 分散到液体介质中的固体化学试剂。化学试剂可提供为浓缩或稀释 形式。

化学试剂选自交联剂、酯化剂、醚化剂、氧化剂及其两种或更 多种的混合物。

交联剂选自二氯丙烯(DCP)、磷酸化试剂、己二酰化 (adipylation)，一般而言任何二酸或三酸如富马酸或马来酸，和/或其 相应酸酐是合适的交联剂。

醚化剂选自羟丙基化试剂、乙基化试剂和/或阳离子化试剂。试 剂例如环氧丙烷、环氧乙烷、环氧丁烷、环氧氯丙烷、阳离子试剂 等是用于本发明的合适化学试剂。优选地醚化是环氧丙烷存在下的 羟丙基化。

酯化剂选自乙酰化试剂、n-ocetylation试剂等。合适的试剂可为 任何的甲酯、或乙酯、油类例如甘油三酯和/或有机酸。通过将乙酸 酐用于淀粉的乙酰化，已特别证明微装置用于非均相混合物的化学 药物处理(chemical medication)的用途的概念。

氧化剂选自过氧化氢、次氯酸盐，优选次氯酸钠、臭氧或氧 气、高碘酸钠及其两种或更多种的混合物，优选次氯酸盐。

在收集化学改性的多糖之前，其可被中和。中和步骤可在任何 容器中进行但也可在微装置中进行。优选地，用酸进行中和。优选 的酸是可食酸(食物级别的酸)例如磷酸、柠檬酸、苹果酸、琥珀酸、 己二酸、葡萄糖酸、酒石酸、富马酸及其混合物。特别优选的是柠 檬酸和/或磷酸。也可使用的其它酸例如无机酸为(但不限于)盐酸、硫 酸、亚硫酸、硼酸、多磷酸、焦磷酸；或它们的混合物。

此外，在收集化学改性的多糖或中和的化学改性多糖之前，其 可用任何方法冷却，但优选使用微换热器。

此外，本发明特别涉及其中多糖是淀粉的方法。

在具体的实施方案中，本发明涉及用于制备化学改性的淀粉的 方法并且所述方法包括以下步骤：

a取包含淀粉的浆液，

b调节pH以使化学试剂与浆液中的淀粉反应，

c注射所述浆液经过微装置，

d加入选自以下的化学试剂经过所述微装置：交联剂、酯化 剂、醚化剂、氧化剂和/或它们的混合物，

e收集化学改性的淀粉。

合适化学试剂的具体实例是乙酸酐、环氧丙烷、次氯酸钠等。 淀粉的浆液具有20至50％，优选约40％的干物质含量。

本发明还涉及用于制备化学改性的多糖的方法并且所述方法包 括以下步骤：

a)取包含多糖的浆液，

b)调节pH以使化学试剂与步骤a)的浆液中的多糖反应，

c)加入醚化剂和交联剂以与步骤a)的浆液中的多糖反应，

d)用酸中和，

e)收集化学改性的多糖，

其特征在于，整个过程在微装置中进行。加入醚化剂和交联剂 的顺序是不重要的且可互换。整个过程可在微装置中进行或者单个 步骤可在微装置中进行。至少化学改性步骤在微装置中进行。

优选地，多糖是淀粉并且在活化(调节pH)后，在微装置中使淀 粉羟丙基化，随后加入交联剂。活化的淀粉可与交联剂反应，随后 进行羟丙基化。在化学改性完成时，可在任何容器但优选在微装置 中将化学改性淀粉中和并且冷却。

本发明还涉及微装置用于非均相介质中多糖与选自以下的化学 试剂的化学反应的用途：交联剂、酯化剂、醚化剂、氧化剂及其两 种或更多种混合物，优选地所述多糖是淀粉。

非均相介质选自分散体或混悬液。分散体是其中颗粒分散于不 同组分的连续相的系统。混悬液是含有足够大以致沉降的固体颗粒 的非均相流体。通常它们必须大于1微米。通过机械作用，使用某 些溶媒或助悬剂，使内相(固体)分散于整个外相(流体)。胶体是一类 化学混合物，其中一种物质完全均匀分散至另一物质中。分散物质 的颗粒仅悬浮于混合物中，不同于它们完全溶于其中的溶液。这发 生的原因是胶体中的颗粒大于溶液中的但足够小以被均匀分散并且 保持均相性形态，但足够大以散射光且不溶解。胶体系统由分开的 两相组成：分散相(或内相)和连续相(或分散介质)。

下文将以下列实施例的形式说明本发明。

实施例

实施例1-乙酰化反应

在环境温度(20℃)下，在型号为30的微型反应器中， 将保持在5℃的1％苛性钠溶液(0.1mN NaOH)[24.7g/min.]与40重量 ％的糯性淀粉[Cargill C*Gel04201]浆液[100g/min.]反应。在微型反应 器出口处测量的pH为8.2。随后在40℃下，将活化的淀粉与纯乙酸 酐[0.41g/min.]于第二微型反应器30装置中反应30秒，此 后使反应混合物快速经过布氏漏斗，随后用蒸馏水洗涤所得物质。 该操作重复3次。随后在真空下将湿淀粉块干燥30分钟并储存用于 分析。

分析结果显示酯化淀粉的总乙酰基含量为0.28％，这对应于 64.8％的乙酸酐转化。

实施例2-氧化反应

在20℃下，在型号为30的微型反应器中，将保持在 5℃的12％次氯酸钠(26-9mmol NaOCl[16.7g/min.]与40重量％的糯 性淀粉[Cargill C*Gel04201]浆液[100g/min.]反应。在微型反应器出口 处测量的pH为5.88。

向氧化的淀粉浆液加入0.49g的硫酸氢钠并且搅拌20分钟。在 那一时刻测量pH并且通过加入苛性碱(0.1mN NaOH)调节至5。然 后使中和的反应混合物快速经过布氏漏斗；随后用蒸馏水洗涤所得 物质。该操作重复3次。随后在真空下将湿淀粉块干燥30分钟并储 存用于分析。

分析结果显示氧化含量为0.38％。

无微型反应器的一般反应将持续至少3小时。

实施例3-磷酸化淀粉的制备

在环境温度下，在型号为1200的微型反应器中，将保 持在5℃的25％苛性钠溶液(0.1mN NaOH)[5.8g/min.]与37重量％的 糯性淀粉[Cargill C*Gel04201]浆液[250g/min.]反应20秒。在微型反 应器出口处测量的pH为11.5。随后在22℃下，在T-型微混合器装 置中，将活化淀粉与纯磷酰氯(phosphoryloxychloride)[0.112g/min.]反 应4秒，此后，在30℃下将反应混合物再与纯环氧丙烷[12.5g/min.] 反应5秒，随后用10％的盐酸溶液中和。使中和的溶液经过漏斗 (filter)，随后用蒸馏水洗涤所得物质。该操作重复3次。随后在真空 下将湿淀粉块干燥30分钟并储存用于分析。

分析结果显示HP淀粉的总羟丙基含量为0.36％。

无微型反应器的一般反应将持续数小时，甚至多至20小时。

实施例4-羟丙基化淀粉的制备

在40℃下，在型号为1200的微型反应器中，将15％ 苛性钠溶液(0.1mN NaOH)[5.22g/min.]与30重量％的糯性淀粉 [Cargill C*Gel04201]浆液[200g/min.]反应30秒。随后在40℃下，在 StarLam30-型微混合器装置中，将活化淀粉与纯环氧丙烷[9g/min.]反 应41秒，此后，将反应混合物保持在40℃达6小时，随后用10％ 盐酸溶液中和。然后使中和的溶液经过漏斗；随后用蒸馏水洗涤所 得物质。该操作重复3次。随后在真空下将湿淀粉块干燥30分钟并 储存用于分析。

分析结果显示HP淀粉的总羟丙基含量为1.46％。