阅读说明：本技术 一种远红外线辅助多糖高效水解装置及方法 (Far infrared ray-assisted polysaccharide efficient hydrolysis device and method ) 是由 陈刚 梁培培 路滨宇 张鲁雁 于 2019-10-16 设计创作，主要内容包括：本发明属多糖结构分析技术领域,具体为一种远红外线辅助多糖高效水解装置及方法。本发明将远红外线发生器、回流冷凝管、水解容器和调压器组装成多糖水解装置,多糖溶于含挥发性酸的水溶液中后,于水解容器中进行远红外辅助水解,水解完毕抽去挥发性酸可用于后续单糖色谱分析。由于多糖和溶液分子强烈吸收远红外线,加速了多糖分子振动以及与酸性水溶液的作用,显著提高了多糖水解效率。本发明用远红外线辐射非接触加热技术代替传统多糖水解中使用的水浴,多糖水解时间从水浴加热水解的数小时大幅缩短到15分钟以内,而水解效果得到明显提高。远红外线辅助多糖高效水解方法具有设备简单、能耗低和操作简便的优点,在多糖结构分析技术中有良好的应用前景。(The invention belongs to the technical field of polysaccharide structure analysis, and particularly relates to a far infrared ray-assisted polysaccharide efficient hydrolysis device and a far infrared ray-assisted polysaccharide efficient hydrolysis method. The far infrared generator, reflux condenser tube, hydrolysis container and pressure regulator are assembled into polysaccharide hydrolyzing device, after polysaccharide is dissolved in water solution containing volatile acid, far infrared assisted hydrolysis is carried out in the hydrolysis container, after hydrolysis, volatile acid is extracted for subsequent monosaccharide chromatographic analysis. Because polysaccharide and solution molecules strongly absorb far infrared rays, the vibration of the polysaccharide molecules and the action of the polysaccharide molecules and an acidic aqueous solution are accelerated, and the hydrolysis efficiency of the polysaccharide is obviously improved. The invention uses far infrared radiation non-contact heating technology to replace the water bath used in the traditional polysaccharide hydrolysis, the polysaccharide hydrolysis time is greatly shortened to within 15 minutes from several hours of the water bath heating hydrolysis, and the hydrolysis effect is obviously improved. The far infrared ray-assisted polysaccharide efficient hydrolysis method has the advantages of simple equipment, low energy consumption and simple and convenient operation, and has good application prospect in the polysaccharide structure analysis technology.)

一种远红外线辅助多糖高效水解装置及方法

技术领域

本发明属多糖结构分析技术领域，具体涉及一种远红外线辅助多糖高效水解装置方法。

背景技术

凡能水解成多个单糖分子或其衍生物的糖为多糖。它是由二十个单糖到上万个单糖分子经缩合、脱水形成的大分子化合物。多糖可以由一种单糖缩合而成，如淀粉、纤维素等称为同聚多糖；也可以由不同单糖或其衍生物缩合而成，如半纤维素等称为杂聚多糖。多糖是自然界中含量最丰富的生物聚合物，几乎存在于所有的生物中，具有能量储存、结构支持、防御功能和抗原决定性等多方面的生物功能，多糖不仅是重要的营养物质，有些多糖或其衍生物还有多种药理活性，如抗肿瘤、抗病毒、抗衰老、降血糖、降血脂等，所以近年来多糖成为天然药物研究的一个热点。

多糖结构分析技术中需要知道多糖的单糖组成和各单糖的相对比例等结构信息。传统的方法是将提取的多糖与三氟乙酸、盐酸、硫酸等的水溶液混合，在接近100℃的水浴水解6小时以上。该方法水解时间长，能耗高，水解不彻底。

红外线为波长为0.76微米至1000微米的不可见电磁波，在太阳光中广泛存在。按照波长的不同可将红外光分成近红外（0.76～1.40微米）、中红外（1.40～3.00微米）和远红外（3.00～1000微米）三个波段。其中远红外辐射照射物体的生热效果大大超过近红外辐射，这是由于水和有机物的吸收光谱的波长大都处于3微米至100微米的范围之内，与远红外线的波长处于同一范围，对远红外线的吸收十分强烈，所以远红外辐射十分适合作加热热源。目前，远红外辐射加热技术已广泛用于家用取暖器、粮食干燥、油漆干燥以及医疗保健等领域。但经检索国内外文献和专利，未发现远红外线辅助多糖高效水解技术的报道。

远红外线具有与多糖、水和酸催化剂的红外吸收光谱相匹配的辐射能谱分布，辐射能大部分被水解体系吸收，加速了多糖分子振动以及与酸性水溶液的作用，可大幅提高多糖水解效率。由于远红外线穿透能力强，对含多糖的酸性水解溶液的加热不同于传统的面加热，而是对其从内而外同步进行立体加热，效率较高。此外，远红外线加热没有热惯性,短时间内就可以开始工作,加热速度快，也可以在很短时间内停止工作，易于控制。

鉴于远红外线加热的这些优点，本发明将远红外线辐射源、回流冷凝装置、水解容器和调压器组装成远红外辐射辅助多糖水解系统，开展了深入研究，成功建立了远红外线辅助多糖高效水解技术，将多糖水解时间从水浴加热水解的6小时以上大幅缩短到15分钟以内，而水解效果得到明显提高。远红外线辅助多糖高效水解方法具有设备简单、低能耗和操作简便的优点，在多糖结构分析技术中有良好的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提出一种能够大幅提高多糖水解效率的远红外线辅助多糖水解装置及方法。

本发明提出的远红外线辅助多糖高效水解装置，结构参见图1所示。其包括：回流冷凝管，水解容器，远红外线发生器（也称远红外辐射源），调压器；其中，所述回流冷凝管和水解容器分别通过夹子固定于一垂直支架上，回流冷凝管的下端与和水解容器的上口连接；回流冷凝管上部设有出水口，下部设有进水口，用于通入冷却水；水解容器用于盛放多糖的酸性水溶液；所述远红外线发生器放置于一铁架台上，位于水解容器下方，用于对水解容器进行远红外辐射加热；所述支架下端固定于铁架台上；所述调压器与远红外线发生器连接，用于调节调压器远红外线发生器的输出功率和发射的红外线强度，可通过控制远红外线发生器的输入电压控制多糖水解的速度和程度。

本发明中，所述的远红外线发生器可以是远红外电热丝、远红外线碳纤维电热管、红外灯和卤素红外线电热管等。

本发明步中，所述的回流冷凝管可以是玻璃回流冷凝管、玻璃蛇形冷凝管、玻璃直形冷凝管和不锈钢冷凝管柱。

本发明中，所述的水解容器可以为圆底玻璃烧瓶和梨形玻璃烧瓶。

本发明中，所述的调压器交流电输入电压为220伏，输出电压为0-220伏。

本发明中，所述的调压器实际是个可调变压器，内部线圈通220伏交流电，外部线圈与内部线圈匝数相同，均绕制在同一矽钢片构成的铁芯上。外部线圈一端为固定输出端，外部线圈的外侧有一圈裸露层，连接有导线的可旋转碳刷与之接触，构成可调节输出电压的可调输出端，可通过旋转碳刷设定输出电压为0-220伏。

本发明提出的远红外线辅助多糖高效水解方法，是使用上述远红外线辅助多糖高效水解装置的，具体步骤为：

（1）将多糖样品溶于含有酸催化剂的水溶液中，并将其置于远红外辅助多糖高效水解装置的水解容器中；

（2）回流冷凝装置通冷却水，然后打开调压器电源，设置调压器输出电压为20-220伏，施加在水解容器下部的远红外线发生器上，进行远红外辅助水解；

远红外线发生器发出的远红外线被多糖样品和溶液分子吸收，加速了多糖分子振动以及与酸性水溶液的作用，从而显著提高多糖水解效率；

（3）收集多糖水解溶液，减压除去挥发性酸，可用于后续单糖的色谱分析。

本发明步骤(1)中，所述的多糖远红外辅助水解用的酸催化剂为不具氧化性的挥发性酸，如三氟乙酸、盐酸、甲酸、三氯乙酸等，可通过减压蒸馏将其从多糖水解液中去除，消除对后续色谱分析的干扰。

本发明步骤（2）中，酸催化剂的浓度为1-6摩尔/升，多糖在酸性水溶液中的浓度为0.1-10毫克/毫升。

本发明提出的远红外线辅助多糖高效水解方法，进一步详述如下：

（1）远红外辅助多糖高效水解装置的组装

远红外线发生器6可以是远红外电热丝、远红外线碳纤维电热管、红外灯和卤素红外线电热管等；回流冷凝管1可以是玻璃回流冷凝管、玻璃蛇形冷凝管和不锈钢冷凝管柱；水解容器6可为圆底玻璃烧瓶和梨形玻璃烧瓶，多糖水解溶液较多时可使用圆底玻璃烧瓶，多糖水解溶液较少时可使用梨形玻璃烧瓶，由于水解液集中在梨形玻璃烧瓶底部锥形部位，便于收集；

（2）多糖远红外辅助水解用酸催化剂的选择

多糖远红外辅助水解使用酸性催化剂进行水解，可为三氟乙酸、盐酸、甲酸、三氯乙酸等不具氧化性的挥发性酸，其中盐酸、甲酸价格低廉，而三氯乙酸和三氟乙酸价格较高；但不可使用硝酸等具有氧化性的酸进行多糖水解，由于其会氧化多糖和水解产生的单糖，使用酸的浓度通常为1-6摩尔/升；多糖水解也可使用非挥发的硫酸，但需在水解液中加碳酸钡并结合过滤除去硫酸根，操作比较复杂，不建议使用；

（3）多糖的准备

对于已经提取好的多糖样品可直接溶解在一定浓度的上述不具氧化性的挥发性酸的水溶液中进行远红外辅助水解，多糖在酸性水溶液中的浓度通常为0.1-10毫克/毫升；对于富含多糖的中药材等植物样品，可在40-70℃的烘箱中干燥1-5小时，粉碎后，用正己烷等有机溶剂脱脂后，用一定量水加热提取，提取液加一定量乙醇，产生的沉淀即为粗多糖，通过离心分离和干燥，经后续蛋白酶解去蛋白和过凝胶柱还可得不同分子量的精制多糖；

（4）多糖远红外辅助高效水解

将多糖样品溶于上述挥发性酸的水溶液中后，置于远红外辅助多糖高效水解装置的水解容器6中，回流冷凝管1通冷却水后，开启水解容器6下部的远红外线发生器9进行远红外辅助水解；发出的远红外线8被含多糖样品的酸性溶液7吸收后，加速了多糖分子振动以及与酸性水溶液的作用，显著提高了多糖水解效率；水解容器6底部距离远红外线发生器9的距离为5-50毫米，通过调压器11调节远红外线发生器9的输出功率和发射的红外线强度，调压器11交流电输入电压为220伏，输出电压为0-220伏；可通过控制水解时间和远红外辐射源9的输入电压控制多糖远红外辅助水解的速度和程度；

（5）多糖水解液的除酸和干燥

通过本发明远红外辅助水解获得的多糖水解液含有挥发性酸和水，可通过减压蒸馏的方法将其除去，以消除对后续水解液中单糖色谱分析的干扰。

本发明用远红外线辐射非接触加热技术代替传统多糖水解中使用的水浴，多糖水解时间从水浴加热水解的数小时大幅缩短到15分钟以内，而水解效果得到明显提高。远红外线辅助多糖高效水解方法具有设备简单、能耗低和操作简便的优点，在多糖结构分析技术中有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明中远红外线辅助多糖高效水解装置示意图。

图2为半乳糖（a）、葡萄糖（b）和甘露糖（c）标准品（1 mM）混合溶液的毛细管电泳图谱。测试条件：分离电压为+9000伏、进样电压为+9000伏、进样时间为6秒、电泳分离溶液为75毫摩尔/升的NaOH溶液、检测电极为直径为300微米的铜圆盘电极、检测电位为+0.65伏(相对于饱和甘汞电极)。

图3为3毫克冬虫夏草多糖于3毫升的2摩尔/升的三氟乙酸水溶液中远红外线辅助水解获得的水解液的毛细管电泳图谱。水解时间：（A）7.5分钟；（B）15分钟。

图4为3毫克冬虫夏草多糖于3毫升的2摩尔/升的三氟乙酸水溶液中100℃水浴加热水解获得的水解液的毛细管电泳图谱。水解时间：（A）180分钟；（B）360分钟。

图5为3毫克冬虫夏草多糖于3毫升的2摩尔/升的三氟乙酸水溶液中远红外线辅助水解时间对水解产物中半乳糖、葡萄糖和甘露糖峰高的影响。

图中标号：1为回流冷凝管，2为回流冷凝管出水口，3为铁夹，4为回流冷凝管进水口，5为铁夹，6为玻璃烧瓶，7为溶解有多糖的三氟乙酸水溶液，8为远红外线，9为远红外线发生器，10为铁架台，11为调压器。

具体实施方式

下面通过实施例和附图进一步描述本发明：

实施例1、冬虫夏草多糖的远红外线辅助水解。

（1）冬虫夏草多糖的提取

本实施例1采用水醇沉法提取冬虫夏草多糖，将冬虫夏草样品于60 ℃烘箱中干燥3小时，机械粉碎成粉末，称取3克冬虫夏草粉末样品分散于30毫升水中，于100℃水浴中回流提取30分钟，然后超声提取10分钟，混合物通过抽滤获得滤液，滤液中加入等量的无水乙醇后充分混合，于4000转/分钟转速下离心10分钟，分离得多糖沉淀。沉淀物依次用无水乙醇、丙酮洗涤，减压抽干，然后固体粉末干燥箱60℃干燥，即得冬虫夏草多糖。

（2）远红外辅助多糖高效水解装置的组装

本实施例1将玻璃回流冷凝管1、远红外电热丝石英管9、25毫升梨形玻璃烧瓶6和调压器11组装成远红外辅助多糖高效水解系统见（见附图1），水解液集中在梨形玻璃烧瓶9底部锥形部位，便于收集。通过优化调压器11输出功率选择为150伏，输出功率约为418.4瓦，此时远红外线加热强度适中，不会发生爆沸。

（3）冬虫夏草多糖的远红外辅助水解

冬虫夏草多糖水解使用的三氟乙酸水溶液的浓度是2摩尔/升，称约3毫克冬虫夏草多糖样品溶于3毫升的2摩尔/升的三氟乙酸水溶液中，于附图1所示的远红外水解装置中水解15分钟，可将冬虫夏草多糖完全水解。由于水解溶液量较少，使用尖底的梨形烧瓶代替圆底烧瓶便于水解液收集。

（4）多糖水解液的除酸和毛细管电泳分析

本实施例1通过本发明远红外辅助水解获得的冬虫夏草多糖水解液含有挥发性酸三氟乙酸和水，可通过减压蒸馏的方法将其除去，以消除对后续水解液中单糖色谱分析的干扰，分析前用100毫升的75毫摩尔/升的氢氧化钠水溶液溶解，用于后续毛细管电泳分析。

初步试验发现冬虫夏草多糖主要由半乳糖、葡萄糖和甘露糖三种单糖组成，本实施例1建立了三种单糖的毛细管电泳电化学检测技术，测试条件为见上文附图2图题。附图2为半乳糖、葡萄糖和甘露糖标准品（1毫摩尔/升）混合溶液的毛细管电泳图谱电化学检测图谱，半乳糖、葡萄糖和甘露糖的检测灵敏度分别为84.13、99.11和68.72纳安每毫摩尔/升，可用于冬虫夏草多糖水解液中三种单糖的定性和定量分析。

附图3为冬虫夏草多糖远红外辅助分别水解7.5分钟（A）和15分钟（B）的毛细管电泳图谱，可见水解时间从7.5分钟提高到15分钟，半乳糖、葡萄糖和甘露糖三种单糖峰高均明显上升。附图4为冬虫夏草多糖在100℃水浴水解3小时（A）和6小时（B）的毛细管电泳图谱，可见采用水解加热3小时，冬虫夏草多糖尚未完全水解，半乳糖、葡萄糖和甘露糖三种单糖的峰高均明显低于水浴水解加热水解6小时获得的结果。说明常用远红外线加热和水浴加热均可通过增加水解时间来提高水解程度。比较附图3B和附图4B，可发现远红外线加热水解15分钟获得的水解液电泳图谱中半乳糖、葡萄糖和甘露糖三种单糖的峰高明显较高，说明冬虫夏草多糖经15分钟远红外线辅助水解，效果优于水浴加热6小时的水解结果，但水解时间从6小时大幅缩短到15分钟。附图3B表明冬虫夏草多糖主要由半乳糖、葡萄糖和甘露糖组成，其中甘露糖含量较高。甘露糖、葡萄糖和半乳糖三种单糖的摩尔比为2:0.84:1.2，与文献值相符。

附图5为3毫克冬虫夏草多糖于3毫升的2摩尔/升的三氟乙酸水溶液中进行远红外线辅助水解时水解时间对产物中半乳糖、葡萄糖和甘露糖峰高的影响，结果表明水解时间从2.5分钟提高到15分钟，半乳糖、葡萄糖和甘露糖三种单糖峰高快速上升，说明多糖水解程度随水解时间增加而上升，当水解时间高于15分钟，三种单糖的峰高上升不明显，说明多糖已基本水解完全。当远红外电热丝石英管9的输入电压为150伏，优化的多糖水解时间为15分钟。

实施例2、板蓝根多糖的远红外线辅助水解。

取过24目的板蓝根粉末3克，加入30毫升水，加热至沸腾并回流30分钟提取多糖，然后超声提取10分钟，过滤获得的滤液加入等量的无水乙醇，于4000转/分钟转速下离心10分钟，分离得多糖沉淀。沉淀物依次用无水乙醇、丙酮洗涤，减压抽干，然后固体粉末干燥箱60℃干燥，即得板蓝根多糖多糖。称约3毫克板蓝根多糖样品溶于3毫升的2摩尔/升的三氟乙酸水溶液中，于附图1所示的远红外水解装置中水解15分钟，可将板蓝根多糖完全水解。由于水解液体积较小，使用尖底的梨形烧瓶代替圆底烧瓶便于水解液收集。水解液通过减压蒸馏的方法除去挥发性酸和水，用100毫升的75毫摩尔/升的氢氧化钠水溶液溶解，用于后续毛细管电泳分析。

经毛细管电泳检测，板蓝根多糖主要由鼠李糖、葡萄糖和半乳糖组成，三者摩尔比约为4:50:1，符合根茎类药材这种多糖中葡萄糖含量较高的一般规律。