博士学位论文-甲壳素脱乙酰化动力学及壳聚糖在抗菌染色中的应用研究.pdf

学校代码 学号 东华大学 博士学位论文 又口汀 甲壳素脱乙酞化动力学及壳聚糖在抗菌染 色 中的应用研究 兄 即 学科专业纺织化学与染整工程 作者姓名张子涛 指导老师陈东辉 教授 完成日期年月 产 东华大学博士学位论文摘要 摘要 甲壳素是地球上除纤维素之外最丰富的天然高分子聚合物 。 壳聚糖是甲壳素的 脱乙酞化产物 , 是一种具有重要开发价值的天然多糖物质 。 将甲壳素在强碱液中加热 处理 , 其分子结构中的乙酞胺基就会水解脱去乙酞基 , 留下游离的氨基 , 成为壳聚糖 。 目前 , 国内外对于壳聚糖应用的研究较多 , 而对甲壳素经浓碱作用发生脱乙酞化非均 相反应制备壳聚糖的机理研究较少 。 本文通过正交实验方法确定了制取壳聚糖的碱液最佳浓度 、 温度 、 反应时间等 工艺条件 。 制备相同脱乙酞度不同分子量以及相同分子量不同脱乙酞度的系列壳聚 糖 , 提出了较为简便可行的制备方法 。 同时 , 比较了不同碱处理方式和不同原材料形 状对壳聚糖制备的影响 。 在甲壳素脱乙酞化反应的研究中 , 分别采用不 同的反应条件溶液浓度分 别为和 , 温度分别为 , , , , , 反应一定时间 , 测试产物壳聚糖的脱乙酞度 。 一 离子在脱乙酞化反应中 , 参与扩散和亲核取代反应 两个过程 , 分别提出了化学反应动力学控制模型 , 扩散化学反应动力学模型 以及扩散 控制动力学模型 , 并推导出动力学模型数学表达式 。 经实验结果与模型计算值比较 , 得出了扩散控制模型 能够很好的预测甲壳素 的脱乙酞化反应 。 当产物壳聚糖的脱乙酞 度低于时 , 所得模型能够很好的预测 实验情况 , 验证了 甲壳素的脱乙酞化反应 是由扩散控制的反应 。 对壳聚糖抗菌性能的研究中 , 研究了壳聚糖溶液浓度 , 壳聚糖分子量 , 壳聚糖脱 乙酞度等因素对抗菌性能的影响 选用大肠杆菌和枯草杆菌两种细菌测试壳聚糖抑菌 性能 。 使用改良的氏测试方法 , 得出了大肠杆菌的最佳抑制浓度为 , 而枯草杆菌为 。 选用戊二醛作为交联剂 , 提高了织物耐洗性 , 通过电镜照片 和红外测试发现 , 经壳聚糖处理后 , 沉积在织物表面壳聚糖增多 , 增加了织物的抗菌 性能 。 壳聚糖在织物染色应用研究中 , 采用活性染料染棉 , 分别研究了壳聚糖溶液浓度 , 盐的用量 , 脱乙酞度和分子量等因素对织物染色的影响 。 测定值 , 研究了壳聚糖 东华大学博士学位论文摘要 对不同母体结构活性染料的影响 , 测试结果表明 , 壳聚糖对活性染料染色有促染的作 用 , 提高了染料的上染百分率 。 壳聚糖作为一种天然高分子物质 , 无毒无害 , 对环境没有二次污染 , 而且其应用 十分广泛 。 从环境可持续发展角度来看 , 本论文为甲壳素和壳聚糖的进一步应用及开 发提供了实践指导和理论基础 。 关键词甲壳素壳聚糖脱乙酞化抗菌染色动力学 愉 , , 如 , , , 面 玩 , 一 场 , , 飞 , 飞 , , , , 七,月 七 一 助 伍 一 且 七 训 , 加 , 扭 灯 , , 血 , 一 而而 叭 七 , 留 , 硕 , , , , , 夕 东华大学博士学位论文目录 目录 第一章文献综述 甲壳素的性质 、 甲壳素脱乙酞化制备壳聚糖 壳聚糖的制备方法 甲壳素脱乙酞度的表征方法 甲壳素脱乙酞化反应动力学及反应机理研究历史及现状 壳聚糖在工业中应用 在水处理中应用 , , 壳聚糖在纺织工业 中应用 在医药卫生方面的应用 医用纤维和膜 二 , 药物载体 在其它工业中应用 本学位论文研究的内容及意义 学位论文 的意义 学位论文 的内容 参考文献 第二章甲壳素脱乙酸化制备壳聚糖 基本原理 , 甲壳素的结构 甲壳素脱乙酞化原理 实验部分 实验材料 , 实验主要仪器 , 实验药品及规格 , 、 、 、 壳聚糖脱乙酞度 的测定 壳聚糖粘均分子量的测定 壳聚糖醋酸溶液粘度的测定 两种系列壳聚糖的制备 壳聚糖的水解延缓 结果与讨论 碱液法制备壳聚糖正交实验 东华大学博士学位论文目录 两不 同系列壳聚糖的制备 不 同碱处理方式制备壳聚糖 不同形态的甲壳素原料制备壳聚糖 壳聚糖溶液随放置时间的粘度变化 不同脱乙酞度壳聚糖的红外谱图 不同分子量壳聚糖的红外谱图 小结 参考文献 ”“ ” 第三章甲壳素脱乙酞化反应模型 引言 ” ” ” 验证实验 模型建立 模型建立和推导 模型的探索 模型的假设 亲核取代反应控制模型 扩散亲核取代共同控制模型 扩散控制甲壳素脱乙酞化模型 了扩散系数 本章小结 参考文献 第四章壳聚糖在纯棉织物抗菌整理中作用 引言 机理部分 壳聚糖灭菌机理 戊二醛 、 壳聚糖与棉发生交联机理 实验部分 实验材料 、 药品 、 仪器 实验菌液的制备 , 织物整理方法 实验菌种的选择 织物接种及抗菌性能测试方法 织物抑菌率的测定 壳聚糖的附着率及脱落率 结果与讨论 壳聚糖浓度对抑菌率的影响 东华大学博士学位论文目录 人 悦 壳聚糖分子量对抑菌率的影响 脱乙酞度对抑菌率的影响 织物表面对抑菌率的影响 , 戊二醛交联后对织物抑菌的影响 , 乙二醛交联后对织物抑菌性影响 戊二醛处理棉织物性能 本章小结 参考文献 , , 第五章壳聚糖在纯棉织物染色中的应用 引言 壳聚糖染色增深机理 实验部分 “ ” ” 实验材料 、 药品 、 仪器 织物测定 , 上染百分率的测定 , 棉用活性染料染色 , 壳聚糖对不同染料上染影响 实验结果与讨论 壳聚糖的溶液浓度对染色速率的影响 不同浓度壳聚糖溶液对活性染料固色率的影响 盐对壳聚糖染色的影响 , 活性染料染棉的正交实验 , 壳聚糖分子量对染色的影响 , 壳聚糖脱乙酞度对染色的影响 壳聚糖对不同活性染料影响 , 本章小结 , 参考文献 第六章 结论 附录第三章主要符号列表 攻博期间论文发表情况 致谢 、 了 东华大学博士学位论文第一章文献综述 第一章文献综述 甲壳素在 自然界的存在量仅次于纤维素 , 但是一直默默地在地球上为人类作出 贡献 , 直到年 , 才被法国一位研究自然科学的专家教授发现 , 当时他用水 、 乙醇和稀碱反复处理蘑菇 , 最后得到一些纤维状的 白色残渣 , 就把它 作为一种纤维素 , 并命名为 , 意即真菌纤维素 。 年 , 另一位法国科学 家从甲壳昆虫的翅膀中分离出同样的物质 , 虽然他没有进一步化验此物质 中是否含有氮 , 他认为此物质是一种新型纤维素 , 命名为甲壳素 。 年 , 法国的发现与纤维素不 同 , 同年 , 法国人发现 中含有氮 , 从而证明不是纤维素 。 年 , 用盐酸水解 得到氨基葡萄糖和醋酸 。 年 , 法国人将放在浓溶液中 煮沸 , 洗净后可溶于有机酸中 。 年 , 一 把这种化学修饰过的 叫做 。 从年发现 , 年发现 , 直到 年的年间 , 全世界仅有篇论文 。 我国在五十年代对甲壳素的制备及应用进行了某些研究 , 并从年起将壳 聚糖代替涂料印花成膜剂阿壳拉明应用于印染工业 。 甲壳素资源也在我国相当丰 富 , 如果能够通过广泛深入的研究 , 将这种至今还大部分丢弃不用 的宝贵资源利用 起来 , 无疑对国民经济的发展是有很大意义的 。 甲壳素的性质 甲壳素又名甲壳质 , 几丁质 , 它广泛存在于甲壳类动物的硬壳里 。 每年其生物合成量约为亿吨 , 产量仅次于纤维素 , 是地球上的第二大再生资源 , 是一种取之不尽 , 用之不竭的自然资源 。 此外甲壳素也是自然界除蛋白质外数量最 大的含氮天然有机高分子川 。 我国沿海地区广阔 , 每年捕捞的虾蟹及贝类数量极大 , 除去供食用 的肉外 , 还剩下大量的废弃物一 一甲壳 , 在干虾 、 蟹壳中含量约为 一 。 如何开发利用这些甲壳 , 做到变废为宝 , 越来越受到人们的重视 。 东华大学博士学位论文第一章文献综述 甲壳素与纤维素的结构极其相似 , 是一种天然多糖 , 其化学名为 , 一一 乙酞 氨基 一一脱氧一一一葡萄糖 , 其结构式为 甲壳素壳聚糖纤维素 一 而 , 图 一 甲壳素 , 壳聚糖 , 纤维素的化学结构 甲壳素分子中由于存在着一 一于一型及一 一一型氢键的作用 , 不仅使 甲壳素大分子链间存在着有序结构 , 而且导致甲壳素不能熔化 , 很难溶于一般溶剂 中 。 因而这大大制约了甲壳素的用途 。 壳聚糖由于氨基的存在 , 化学性质大大被活 化 , 在酸或者弱酸下 , 一质子化变为一刊 , 带正电荷 , 水合能力增强 , 聚集态 的高分子链可以慢慢被水分开 , 形成溶液 , 从而大大增加了甲壳素的用途 。 一日 夕 卜 【, 二 一 产 叫丫 一卜以尹 一 图 一 甲壳素分子内的氢键 甲壳素在浓碱作用下 , 脱掉乙酞基 , 生成壳聚糖 。 脱乙酞化纯品的壳聚糖是带 有珍珠光泽的白色片状或粉末状固体 , 在常态下不溶于水及一般溶剂 , 但可溶于一 般酸性水溶液中 。 壳聚糖固态时较稳定 , 但有较强的吸湿性 , 吸湿或水溶后易发生 水解和酶解 , 降解速度随温度升高 , 酸碱度增强而加快 , 因此含水量应 。 表 一 介绍了 甲壳素和壳聚糖的一般性质 。 近三十年来 , 随着人们对甲壳素研究的兴起 , 壳聚糖现在已经应用于许多领域 , 东华大学博士学位论文第一章文献综述 如纺织 、 印染 、 印花粘合剂医药工业制造抗癌药 、 人造皮肤 、 外科手术缝合线 、 降胆固醇药 、 止血海棉等 环保 、 饮用水 、 饮料 、 食品工业水处理 、 絮凝剂 、 重 金属吸附剂 , , 保健食品 , 提高人体免疫力 、 抗衰老 、 增强机体活力农业方面 用于肥料 、 农药缓释材料 、 生物农药 、 农作物生长促进剂 、 水果保鲜剂等 。 表 一 甲壳素和壳聚糖的一般性质 特特性参数数甲壳素素壳聚糖糖 天天然分子量 产产品分子量 一 一 脱脱乙酞度 一射线衍射峰值 值 含含氮量 干干燥产品水分 甲壳素脱乙既化制备壳聚精 壳聚精的制备方法 甲壳素通过脱乙酞来制备壳聚糖是甲壳素研究的核心 。 因而甲壳素脱乙酞反应 的研究引起了国内外学者的重视 。 人们提出了许多制备的方法 , 归纳起来主要有 碱液法 、 碱熔法 、 甲壳素酶法等制备方法 。 当前普遍采用 的方式为碱液法 , 即在浓溶液中 , 不 同浓度 , 主要在 一 之间不同温度 , 主要在 一之间 , 以及不 同时间下按要求可得 到各种脱乙酞度的或分子量的壳聚糖 。 碱液法设备简单而且制备成本较低 , 人们对 于甲壳素脱乙酞化的研究也主要集中于碱液法 。 人们获得了一些脱乙酞基速率与碱 液浓度 、 温度的规律 。 如卢凤琦 、 谢利平 “ 研究认为碱液的浓度不能低于 。 当浓度在以下 , 不论温度多高 , 时间多长 , 只能脱出一半的乙酞基 。 周 东华大学博士学位论文第一章文献综述 汝忠川研究认 为反应温度愈高 , 脱乙酞基的速度就愈快 。 陈盛 等人研究指出脱乙 酞化的碱液浓度 、 温度 、 和反应时间是主要影响因素 , 他进一步指出 , 采用间歇碱 处理方法即分段反应 , 可 以制得高脱乙酞度大于的壳聚糖 , 间歇碱处理即 分段反应 。 碱熔法就是将 甲壳素与克 固体氢氧化钾在氮气保护下 , 在镍增锅 中共熔 。 在 加热搅拌 分钟熔融物 , 然后小心地倒入乙醇中 , 生成的胶状沉 淀用水洗至中性 , 这样就得到了粗的壳聚糖 。 将这些粗壳聚糖洗涤溶于甲酸中 , 再用稀氢氧化钠溶液使之沉淀析出 , 重复三次 。 最后得到的沉淀物洗净后被溶于 左右的 中 , 接着再慢慢加入浓盐酸 , 直至出现沉淀 , 这是壳聚糖 的盐酸盐 。 经透析几天 , 离心分离 , 用乙醇洗涤 , 再用乙醚洗涤 。 这样的产物 , 主 链遭到降解 , 大概具有个糖单元 , 分子量较低 , 这种产品不适宜于做色谱和絮 凝剂用 , 使得壳聚糖的使用范围受到了限制 。 甲壳素酶法 “ , 可以节约大量的烧碱 , 酶与甲壳素在缓冲溶液中 培养 处于实验室探索阶段 。 能在常温下脱去乙酞基 , 用此脱乙酞 小时即可获得壳聚糖 。 这基本上还 微波法可缩短脱乙酞化反应的时间 , 其具体方法如下在玻璃容器内将 磨细的甲壳素与溶液混合 , 然后置于微波炉 内 , 在频率 、 辐射功率为的条件下处理分钟 , 混合物沸腾后 , 即可从微波炉 中取 出 , 在 室温放置过夜 , 用水洗至中性 , 即得产品 。 法 习是一个日本的专利 , 其特点是烧碱用量比其它方法要少得多 , 但 一直没有推广应用 。 其法是将份甲壳素与份的混合拌匀 , 再与 份液体石蜡混合 , 于 加热搅拌 小时 , 然后将反应混合物倾入份水中冷却 , 过滤 , 用水充分洗涤后干燥 , 得份壳聚糖 , 其游离氨基含量达 。 甲壳素脱乙疏度的表征方法 对氨基转化率的表征方法报道很多 , 但归纳起来主要有三种方式 , 即脱乙酞度 、 东华大学博士学位论文第一章文献综述 氨基含量和 一乙酞基含量或一乙酞度 , 在文献中使用最多的是脱乙酞度 , 它是指 脱乙酞化反应的程度 , 表示壳聚糖中氨基葡聚糖单元的重量或摩尔百分数 “ 。 目前 测定壳聚糖脱乙酞度的方法主要有以甲基橙为指示剂的酸碱滴定法 】 、 电位滴定法 和氢澳酸盐法 、 红外光谱法 “ 、 法 ”等 。 甲壳素脱乙酿化反应动力学及反应机理研究历史及现状 尽管人们己在脱乙酞化方面做了很多的实验研究 , 但对于非均相甲壳素脱乙酞 的机理 , 人们 的研究相对较少 。 最早可见于等人对甲壳素脱乙酞的动力学 初步研究 , 提出了在均相介质中的脱乙酞基速率常数公式 “ 口 一 其中是乙酞氨基 的起始浓度 是水解时间后形成的氨基浓度 假定脱乙酞反应是准一级反应 , 并计算出 时的 值为 一, 小 时 一, 的 值为 一, 小时 一, 的 值为 一, 小时 一,。 但在实际生产 中 , 甲壳素脱乙酞化是在非均相中进行的 , 为此蔡中丽 , 等人研究了非均相介质 中甲壳素脱乙酞化动力学 , 初步验证了甲壳素脱乙酞化反应也为一级反应 , 求得动 力学方程为 一 一 , 式中为产物脱乙酞度 , 单位 , 单位 。 根据以上方程可估算在 同样反应介质下 , 某反应温度 , 获得一定脱乙酞度壳聚糖所需的时间 。 谢利平 】 、 陈炳念等人也对不同来源的甲壳素进行了研究 , 得出了相应的 公式 , 这些公式仅仅能够指导人们制备壳聚糖 。 研究又进了一步 , 把反应分为两个反应阶段并得出了求解脱乙酞度 东华大学博士学位论文第一章文献综述 的方程 人万 五兮 尤 人万 五分 一 丛峥 戊一氏 一 、 丸一气 一 无 , 无 气 气十棍气 一 、, 其中表示甲壳素 , 表示壳聚糖 , 代表中间体 , 表示不 同时间的脱乙酞度 上面的式子可更精确地计算甲壳素脱乙酞化反应程度 , 但对于机理几乎没有什 么研究 , 如参加反应的 一离子及产 生的乙酞基的渗透扩散的过程 , 也不能够解释 分段反应的原因 。 在均相碱介质中 , 低分子酞氨的脱乙酞基反应一般认为 一进攻酞氨 中的拨基 , 形成过渡态到双键打开 , 是一个可逆过程 , 需 要克服一定的活化能 , 较慢反应历程可表示为 、 尹 二一。 十 一 厂戈 , 茄 一 。 乙酞基的瞬间离去 , 反应历程可表示为 卜十 一、 一 。厂 整个反应过程是由第一步来控制 , 此反应在初期可近似认为是一级反应 。 但对 于大分子甲壳素来说是固液反应 , 可能不 同于 以上酞氨水解机理 。 虽然人们对于甲壳素的研究已进行了三十多年 , 但至今对碱液法制备壳聚糖没 有一个完整的理论来指导 , 尤其对于脱乙酞化基础理论研究更少 。 在不久的将来 , 随着人们进一步的研究 以及对脱乙酞化机理的探讨 , 提出合理的脱乙酞化模型 , 用 理论来指导生产工艺 , 优化生产 , 壳聚糖的成本会有大幅度的降低 , 因而壳聚糖在 各个领域的应用会有更广阔的前景 。 东华大学博士学位论文第一章文献综述 壳聚精在工业中应用 在水处理中应用 在国内外的水处理 中 , 壳聚糖的应用已逐渐普遍 , 日本每年用 于水处理的壳聚 糖约吨 。 壳聚糖在水处理中的应用主要是吸附和絮凝 , 用来代替一些有机絮凝 剂主要是系列的合成高分子有机物 。 有机絮凝剂主要缺陷体现在泌它对絮 凝的胶体表现出很大程度的选择性 , 絮凝后 的上清液清澈程度较差 , 本身不易被生 物降解而影响后续处理 。 最令人担忧的是有机合成高分子絮凝剂会对人体健康产生 长期的影响 , 包括其长期毒性 , 致癌性 , 致突变性等 。 一些发达国家如日本 , 美国等均 己禁止在饮用水的处理中使用系列合成有机高分子絮凝剂 。 壳聚糖正以其天然 、 无毒 、 对人体健康无任何损害的特性 , 很快在水处理的应用中作为合成有机絮凝剂 的有效替代品 占有特殊地位 。 壳聚糖还可以处理水 中胶体状的离子以及食品废水 , 。 研究了壳聚糖能有效的去除溶液中的铂离子 , 通过用戊二醛作为交 联剂预处理壳聚糖 , 使之在溶液中保持稳定 , 在溶液为时去除效果最好 。 通过甲壳素与丙烯酞胺或丙烯氰发生接枝反应 , 这些衍生物能够吸附水溶 液中的重金属离子以及酸性和碱性染料 。 川总结了用生物材料处理含染料废 水研究情况 , 预测了壳聚糖或其衍生物等在将来会有更好的应用前景 。 壳聚糖可以 用来除去溶液中的多环染料 。 用可降解的生物高分子壳聚糖来对印染废水的脱色 研究 , 发现壳聚糖对于酸性红具有很好的吸附性能 。 在合成染料中 ,十或 等重金属离子存在下 , 甲壳素或壳聚糖能够与偶氮染料中的轻基发生结合少 。 在壳 聚糖分子上接入 一磺酸基团 , 这样壳聚糖可以更有效的去除水中的 , 十 和 十 等金属离子 , 。 用壳聚糖去除含乙烯矾型和三聚氰氨型的两类活性 染料的溶液 , 并与甲壳素以及活性炭做了对比 , 壳聚糖具有较好的去除率 。 壳聚精在纺织工业中应用 壳聚糖具有许多天然的优良性质 , 如吸湿透气性 、 反应活性 、 生物活性 、 鳌合 东华大学博士学位论文第一章文献综述 性 、 吸附性 、 粘合性 、 抗菌性等 , 人们利用这些优良性能来提高棉 、 毛 、 丝绸等天 然纤维织物的染色 、 抗菌 、 防皱等性能 , , , , , , , , 。 壳聚箱在染色中应用 壳聚糖与纤维素有相似的结构 , 很容易吸附到织物表面上 , 并且在稀酸溶液中 , 壳聚糖带有正 电荷 , 可以提高阴离子染料上染速率 , 也增加了固色率 , 对日晒牢度 及水洗牢度有所提高团 。 经研究发现 , 用壳聚糖处理棉织物可以提高上染百分率 。 壳聚糖处理还可 以掩盖染色过程中 , 由于不成熟棉引起的疵病 。 用壳聚糖处理经 紫外线照射的涤棉织物后 , 发现壳聚糖的附着率比没有经过紫外处理的涤棉织物有 较大的提高 , 并且具有较好的耐洗性能 , 同时与低温等离子体处理涤棉织物 , 具有 类似的提升作用 。 通过研究用 , 一 二轻基 一,一 二 甲基 一一 咪哇二琳酮 和壳聚糖的混合液在催化剂的作用下处理纯棉织物 , 提高了纯棉织物 的染色性能 。 用天然 的可降解壳聚糖来代替羊毛织物整理中的氯制剂 , 不会对环境产生污染 , 壳聚糖能够赋于羊毛织物防毡缩以及提高染色性能哗 。 由用壳聚糖处理皮 革制品 , 并用活性染料染色 , 发现随着吸附壳聚糖的增加 , 皮革的上染量也随着增 加 , 并且色牢度与没有经壳聚糖处理的皮革相差不多 , 这是因为壳聚糖中的氨基与 活性染料的部分活性基团发生了反应 。 早在年 , 郭慎满 等人研制了壳聚 糖为主要成分的织物整理剂 , 此整理剂最大的优点是不含有甲醛 。 虽然人们对壳聚糖在印染中的应用进行了许多研究 , 但对于机理研究较少 。 随 着混纺织物比重的增多 , 仅研究壳聚糖在一种织物中的应用己不能满足社会的需 求 。 壳聚糖可以增加合成纤维的吸湿性 、 透气性等 , 壳聚糖在混纺织物中应用至今 未见相关的报道 。 壳聚摘在织物抗菌中应用 随着人们生活水平提高 , 对衣物的抗菌性能提出越来越高的要求 , 尤其是在内 衣面料 、 医院用布等方面 。 壳聚糖处理棉织物后 , 抗菌作用明显 , 对细菌抑菌率可 东华大学博士学位论文第一章文献综述 达 , , 。 壳聚糖处理的棉织物具有抗菌性能 , 是由于壳聚糖含有氨基 , 氨基在稀酸溶液中转化成带正电荷的钱盐 , 这种钱盐与微生物带负电荷的原生质接 触破坏了它的细胞壁【 。 近来也有用柠檬酸和壳聚糖对棉织物进行耐久压烫和抗菌 整理 , 具有很好的效果 , 壳聚糖同时作为一种交联剂增加了柠檬酸的吸附量 , 经 多次水洗后 , 抗菌性仍可保持在以上 。 影响壳聚糖的抗菌性因素很多 , 主要有分子量 , 脱乙酞度 , 溶液浓度等 。 对 于壳聚糖抗菌性的各种影响因素研究论文很多 , 但得出的结论也不完全相同 。 夏文 水 】 等采用 。 大肠杆菌作为试验菌株 , 随壳聚糖分子量上升抑菌效果逐渐 下降 , 而且通过实验测定分子量为的壳聚糖抑菌效果最强 。 等 人的论文报道和平均分子量小于的壳聚糖不仅没有抗菌作用 , 反而能促进细菌的生长 , 而分子量约 为的壳聚糖几乎可以完全抑制细菌生长 , 等报道分子量为的壳聚糖在浓度为时 , 对抑菌率 为分子量为 一 的壳聚糖浓度为时 , 对和的灭 菌率几乎为 , 等人采用 , 一 , 三种不同分子量 , 分 别处理棉织物后对五种菌株进行抑菌试验 , 发现高分子量的壳聚糖抑菌作用强于低 分子量的壳聚糖 , 壳聚糖的抑菌作用受到壳聚糖溶液浓度的影响比受到分子量的影 响大 。 在医药卫生方面的应用 近年来壳聚糖在医药卫生方面的应用研究最活跃 , 是与人们的生活息息相关的 领域主要应用于纤维和膜 , 缓释胶囊 , 人造皮肤 , 抗癌 , 防癌 , 抗菌杀虫等医用 方面 。 近年来 , 药剂学中一个热门课题就是采用新材料 、 新工艺制造缓释药物和定 向输送药物 , 在市场上已出现一些这类新剂型的药物 。 甲壳素和其衍生物也是受青 睐的载体材料 , 因为它们能被人体内的溶菌酶分解 , 分解产物不会对人体的健康带 来任何妨害 , 这是合成高分子和一些天然高分子无法比拟的 。 东华大学博士学位论文第一章文献综述 医用纤维和膜 壳聚糖纤维制成的缝合线 , 在预定的时间内有很强的抗张强度 , 在血清 、 尿 、 胆汁 、 胰液中能保持良好的强度 , 缝合和打结操作性好 , 在体内有良好的适应性 , 尤其是经过一定时间 , 壳聚糖缝合线能被溶菌酶所酶解 , 从而被人体自行吸收 , 因 此 , 当伤口愈合后 , 不必再拆线 。 用湿纺法生产壳聚糖纤维 , 用甲醇干法可以得到 纤维较小的直径 , 纤维表面比较光滑以及强度较高等优点 。 通过高脱乙酞度的壳 聚糖约纺丝 , 然后壳聚糖纤维放在戊二醛或乙二醛不同溶液中处理不同时 间 , 经戊二醛处理后的壳聚糖纤维具较高的强力 , 通过图谱发现是醛基和壳 聚糖中的氨基发生了反应 。 壳聚糖膜具有足够的机械强度 , 可以透过尿素等小分子有机物 , 但不透过 、 、 一等无机离子及血清蛋白, 透水性好 , 是一种理想的人工用膜 。 早在 年 , 】 等人就用壳聚糖与聚乙烯醇混合成膜用于人工肾的透析膜 , 膜厚 拼 , 在 的水中吸水率为 , 有适当的机械强度 、 伸长率和尿素的渗透值 。 壳聚 糖可以用来作为微原纤的材料 , 制作薄膜 , 厚度大约在 一 之间 , 并且均匀 透明强度大等优点【 。 壳聚糖可以制成 一 厚的人造皮肤 , 对于伤 口的愈合 有较好的作用卿 。 甲壳素或壳聚糖的薄膜可以用于血浆的提纯分离 。 壳聚糖为主 要成份的的人造皮肤 , 它的含水量达到 , 强力达到 , 经实验验证不仅具 有好的生物相容性和防腐性能等 , 还能加速伤口的愈合 。 用戊二醛交联的壳聚糖 形成的微胶囊能够缓慢释放药物 , 在动物机体 内可达三个月之久 】 。 壳聚糖具有 直接抑制肿瘤细胞的作用 , 在含有 护癌细胞的溶液中 , 加入壳聚糖 溶液 , 小时后癌细胞全部死亡 。 壳聚糖是生产抗凝血类肝素的合适原料 。 药物载体 等人指出 , 分子量低于的化合物可以透过壳聚糖膜 , 作为分子 量更低的药物 , 能透过这类膜 。 这是甲壳素 、 壳聚糖可作为药物缓释膜的基础 , 许 多药物可以制成甲壳素衍生物的缓释胶膜 , 例如抗菌素类的四环素 、 新霉素和杆菌 东华大学博士学位论文第一章文献综述 肤 , 抗病毒类的碘昔 , 抗过敏性的氯曲米通 , 抗炎类的氢化可的松等 。 壳聚糖也可 以做成缓释胶囊 , 甲壳素或壳聚糖用作这类载体的一个好处是药物释放尽后 , 载体 会被人体内的溶菌酶分解并能够完全被组织吸收 。 用它们制成的中空纤维或薄膜是 一种很好的释放胶囊材料 。 壳聚糖用作药物载体系指药物分子被键合在高分子材料 的分子链上 , 在体内 , 药物分子不断从高分子链上水解下来 , 或者高分子链完全降 解 。 壳聚糖是一种很有前景的材料 , 它不但具有很好的生物相容性 , 在体内能降解 并代谢 , 而且本身就具有一定的抗肿瘤作用和抗细菌的作用 。 在其它工业中应用 在农业上 , 由于甲壳素天然无毒 , 可用作动物饲料 】 及饲料添加剂 , 实验证 明 , 在鸡饲料中加入壳聚糖 , 产蛋率增加了 , 在土壤中加入壳聚糖能 够抑制土壤中植物病原的产生壳聚糖可用作许多粮食 , 蔬菜作物种子的处理剂 , 使种子提前发芽 , 促进作物生长 , 提高抗病能力 , 从而提高粮食和蔬菜产量 , 因 其用量极少 , 效果显著 , 无毒副作用 , 使用简便 , 成本低下 , 受到了广大农民和农 业科技工作者的欢迎 。 在造纸上 , 将壳聚糖混入造纸的浆液中 , 能够得 到手感较好的纸张 。 在养鱼 中 , 。 , 发现壳聚糖藻酸盐胶囊可以有效 缓释鱼的接种疫苗 。 本学位论文研究的内容及意义 学位论文的意义 壳聚糖作为一种可降解的天然功能性高分子 , 越来越受到人们 的重视 。 我国又 是水产品生产大国 , 每年废弃的甲壳 、 蟹壳很多 , 如何从甲壳 、 蟹壳废弃物中提纯 甲壳素 , 进而脱乙酞转化为能够溶于稀酸的壳聚糖 , 做到变废为宝 , 是人们竞相研 究的课题 。 在我国 , 甲壳素脱乙酞化制备壳聚糖主要方法是碱液法 , 虽然工艺成熟 但对于甲壳素在浓碱作用下脱去乙酞基的规律研究见报道较少 , 尤其是对于动力学 的研究报道更少 , 本文在一定程度上弥补了当前研究的空 白和不足 , 提出了适合甲 一 一一 一 一 东华大学博士学位论文第一章文献综述 壳素在浓碱作用下的动力学模型一 一扩散控制动力学模型并在不同温度和浓度条 件下 , 对扩散系数进行了拟合 , 这些基础性的研究工作具有重要的理论意义 , 对于 指导壳聚糖生产和降低产品的能耗有一定的现实意义 。 壳聚糖对活性染料的染色起到了促染作用 , 并且提高了活性染料上染百分率和 固色率同时壳聚糖在染整中的应用还减少了染色产生的污染 , 加入壳聚糖不会产 生二次污染 , 降低了污水的和指数 。 壳聚糖在抗菌方面的应用是近年来研究较热 的课题 , 随着人们生活水平的提 高 , 服装的多功能化是人们追求的目标之一 , 而回归 自然的绿色环保产品更是人们 追求的 目标 。 尽管人们对于抗菌整理剂的研究己经进行了几十年了 , 但目前还都是 化学合成产品 , 对环境产生较大的污染 , 而壳聚糖是一种绿色环保产品 , 满足了人 们的需要 。 本课题对壳聚糖的抗菌效果进行了研究 , 并且还研究了壳聚糖的两个参 数对抑菌性能的影响 , 得到了一些具有价值的结论 , 这对于人们进一步开发壳聚糖 抗菌产品有一定的指导意义 。 学位论文的内容 建立适合甲壳素脱乙酞化反应的动力学模型 , 并确定参数 根据扩散反应动力学的模型 , 建立了适合甲壳素脱乙酞化反应的扩散控制动力 学模型 , 并分别比较了不 同模型的适应性 。 扩散控制模型能够更好适合甲壳素脱乙 酞化实际情况 , 尤其初期的脱乙酞化反应 , 能够较好的预测和拟合 。 并且进行了正 交实验 , 得出了甲壳素脱乙酞化反应的主要影响因素 。 还研究了不同形状甲壳素对 脱乙酞化的影响 , 以及间断反应对于脱乙酞化的影响 。 制取相同脱乙酞度不同分子量和相同分子量不同脱乙酞度的壳聚糖 壳聚糖的脱乙酞度和分子量对于壳聚糖的应用都有重要影响 , 根据实验室的实 际情况 , 在实验室开发了一种快速 、 简洁的方法制备相 同脱乙酞度不 同分子量和相 同分子量不同脱乙酞度的壳聚糖 。 这种方法制得壳聚糖基本上能够保持一个参数不 变 , 而另一个参数可以根据需要的系列产品 。 东华大学博士学位论文第一章文献综述 壳聚糖对织物的染色 、 抗菌性 的工艺优化和机理的探索 。 使用实验室自制系列壳聚糖 , 在抗菌性以及促进染色作用方面进行了详细的研 究 , 首先研究了壳聚糖溶液浓度对于染色和抗菌性的影响 , 通过一定的正交实验 , 得出了壳聚糖在染色应用中的最佳配方 , 还研究了壳聚糖的脱乙酞度和分子量分别 对于促染和抗菌性能的影响 , 这对于扩大壳聚糖在染整工业中的应用有一定意义 , 尤其在抗菌方面 , 能够提高产品附加值 。 参考文献 杜予民 , 甲壳素研究进展与展望 , 中国第二界甲壳质化学学术论文集 , 武汉 , , 、 即 , 一 严俊 , 甲壳素的化学和应用 , 化学通报 , 一 仁 , , 一 陈世清 , 甲壳素和壳聚糖在工业水处理中的应用 , 工业水处理 , 一 仁彭立凤 , 壳聚糖制备及在废水 中的应用 , 化学世界 , 一 , , 一 , , 一 引卢凤琦 , 曹宗顺 , 制备条件对脱乙酞甲壳素性能的影响 , 化学世界 , 一 谢利平 , 脱乙酞甲壳素性能的研究 , 化学世界 , 一 周汝忠 等 , 甲壳质乙酞 基 脱出规律的研究 , 石油大 学学报自然科学 版 , 一 东华大学博士学位论文第一章文献综述 陈盛等 , 甲壳素脱乙酞度方法及测定比较 , 化学世界 , , 一 , 一 , , 一 , 王伟 , 甲壳素脱乙酞基反应中转化率的表征和测定 , 日用化学工业 , 一 , , , 晚 , 一 , 一 , , , 一 仁 , 一 , 一 , 一 仁蔡中丽等 , 低碱度甲壳素脱乙酞工艺及动力学研究 , 化学世界 , 一 仁 , , , 谢利平等 , 梭子蟹甲壳素非均相脱乙酞化研究 , 辽宁化工 , 一 陈丙捻 , 甲壳素碱介质非均相脱乙酞动力学研究 , 高等学校化学学报 , 一 , , 一 东华大学博士学位论文第一章文献综述 , , , , 仁 , , 一 , , 一 仁 , , , 边 , , , 一 , , , 以 , 一 仁 , , 一 , , , , 一 咖 , , 一 东华大学博士学位论文第一章文献综述 , 一 一 一 , , , 一 , 一 , 一 , 一 , 一 , , , 一 , , , 一 仁 , , 一 一 , , 一 仁 , 一 , 一 , , 一 , 一 , 一 , , 一 , , 一 , , 东华大学博士学位论文第一章文献综述 , 一 , 一 , , 一 , 兀田 , 一 , , , 卜 , 一 , 一 , , , 一 仁, , , , 一 郭慎满等 , 无甲醛织物整理剂的研制及应用 , 化学与粘合 , 一 仁陆森泉等 , 壳聚糖加工布料的抗菌性研究 , 浙江医科大学学报 , 一 , 一 , , 一 , , 东华大学博士学位论文第一章文献综述 , 一 仁 一 , 一 , 一 , 一 , 一 , 一 姗 , , 一 , , , 一 , 一 一 , , 一 , , 一 , 一 , , 一 陌夏文水 , 甲壳低聚糖抗菌作用及其在食品保藏中的应用 , 无锡轻工大学学报 , , 于 , , , , 一 , , , , 一 , 一 , , 一 , , 东华大学博士学位论文第一章文献综述 一 , 二 , , , , 一 , 一 , 一 , 一 , 一 一 , 一 , , , 一 , , , 一 , , , 一 , 一 , 一 铃木茂生 , 日本公开特许公报 , 昭 一 , , , , , , , 五 , , , 森田勇 , 神野和人 , 日本公开特许公报 , 平 一 , , 东华大学博士学位论文第一章文献综述 , , 一 , 一 , 一 东华大学博士学位论文第二章甲壳素脱乙酞化制备壳聚糖 第二章甲壳素脱乙酞化制备壳聚糖 基本原理 甲壳素的结构 甲壳素存在 一 、一、一三 种晶型 。一 甲壳素具有紧密的组成 , 大多数结晶的 多晶区是逆平行链状排列 ,一 甲壳素的多晶型则是平行链状排列 , 而 一 甲壳素是 两条链之间上下排列 。 甲壳素和纤维素相仿 , 在细胞壁中构成一种成为微纤维的生 物学结构单元 。 甲壳素微纤维由一束沿分子轴平行排列的甲壳素分子构成 。 微纤维 素的横切面呈椭圆形 , 微纤维核心中的甲壳素分子常排列成三维的晶格结构 。 微纤 维核心晶格结构之外的甲壳素分子大致上仍然处于排列的构象 , 形成完善的单元晶 格 , 成为亚结晶结构 , 水分子可以进入亚结晶表层 , 但不能进入微纤维的核心区域 。 经由 一射线衍射分析研 究发现 , 甲壳素微纤维核心中的甲壳素分子的长链沿晶包纤 维常轴取向 , 成之字形曲折构象 。 甲壳素有一级 、 二级 、 三级 、 四级结构层次 , 它 的一级结构是线性链 中 一,一糖 营键连接 一 乙酞氨基葡糖残基的顺序 , 不涉及任 何次级的相互作用 。 甲壳素的二级结构是指骨架链间以氢键结合所形成的各种聚合 体 , 二级结构只涉及到甲壳素分子主链的构象 , 不涉及侧链的空间排布 。 三级结构 是指重复顺序的一级结构和非共价相互作用造成的有序的二级结构导致空 间有规 则的构象 , 四级结构是指长链间非共价结合形成的聚集体 。 一。 , 一 一 图 一 甲壳素和葡萄糖分子单元结构比较 东华大学博士学位论文第二章 甲壳素脱乙酞化制备壳聚糖 甲壳素经脱乙酸处理后 , 才能溶解于稀酸 , 成为壳聚糖俗称可溶性甲壳素 , 工业应用和制备各种衍生物大都以壳聚糖为起始原料 。 甲壳素分子结构中的氨基是 乙酸化的 , 称为乙酞氨基 , 壳聚糖是甲壳素脱除乙酞基的产物 , 氨基呈游离态 , 属 伯胺 , 具有阳离子性质 , 可与酸定量反应 。 甲壳紊脱乙酞化原理 酞胺 的碱水解是一个亲核取代反应 。 酞胺和其它梭酸衍生物一样 , 都含有拨基 , 由于拨基 的存在 , 它给亲核进攻提供了一个目标 。 拨基碳原子是用键和其它三个 原子与碳原子连接的 , 所利用的是轨道 , 所 以三个原子与碳原子都处于同一个平 面之中 , 间隔 。, 碳原子剩下 的轨道与氧原子的轨道重迭而形成一个 “ 键 , 这 样 , 碳氧之间就形成了双键 。 在碱性水解中 , 氢氧根离子有极强的亲核性和较小的体积 。 由于拨基碳带有正 电荷 , 氢氧根离子就首先进攻碳基碳 , 使原来的平面三角形 的酞胺变成四面体的过 渡态 , 这时部分负电荷在氧上 。 四面体的过渡态很快变成四面体的中间体 , 负电荷也 在氧上 。 这是反应的第一步 , 是氢氧根离子对酞胺的加成 , 从反应物到中间体之间存 在着平衡 , 是可逆的 。 第 二步是碱性基团的离去 。 整个反应历程可表示如下 、 、 仪 , 、 了 。 一一竺沐、 一 、 气 一 , 。一 一 一 图 一 甲壳素在浓碱的作用下脱乙酞化反应示意图 东华大学博士学位论文 第二章甲壳素脱乙酞化制备壳聚糖 实验部分 实验材料 本实验采用 的原料为工厂生产的甲壳素 , 由于工业生产的甲壳素杂质含量高 , 而且蛋白和矿物质都没有脱尽 , 为了不使这些杂质干扰以后的测试结果 , 具体处理 步骤如下把千燥的甲壳素片克加入到升水中 , 慢慢加入浓盐酸 , 使 溶液盐酸浓度约在左右 , 在这种状态下处理个小时 , 然后漂洗至中性 , 再过滤 , 除去矿物质 , 漂洗后 的甲壳素加入到升水中 , 加入克氢氧化钠 , 在 这种状态下处理 , 目的就是脱蛋白 , 再漂洗至中性 , 过滤 , 干燥 。 这样经过再 处理的甲壳素颜色由原来的淡黄色变成白色 , 杂质含量大大降低 。 实验主要仪器 一 电子恒速搅拌器 于型强力电动搅拌机 工 一 增力电动搅拌机 一 型旋片真空泵 电热鼓风箱 乌氏毛细管粘度计 一 便携式酸度计 分析天平 电子天平 上海医械专机厂 上海标本模具厂 上海标本模具厂 上海真空泵厂 上海市上海县第二五金厂 浙江玻璃仪器厂 上海晶科雷磁厂 上海天平仪器厂 上海第二天平仪器厂 实验药品及规格 氢氧化钠 冰醋酸 碳酸钠 分析纯 分析纯 分析纯 盐酸 氯化钠 酚酞指示剂 分析纯 分析纯 东华大学博士学位论文第二章甲壳素脱乙酞化制备壳聚糖 壳聚精脱乙酞度的测定 脱乙酞度是壳聚糖的一个重要指标 , 己成为鉴定壳聚糖质量的重要依据 。 脱乙 酞度的测定方法有很多 , 较常用 的有滴定法 , 因终点的判断不同而分为碱量滴定法 和电位滴定法 。 碱滴定法 步骤准确称取壳聚糖样品于三角烧瓶中 , 加入标准盐 酸溶液耐 , 搅拌 一 至壳聚糖完全溶解 。 以甲基橙为指示剂 , 用氢氧化钠标 准溶液滴定过量的盐酸至终点 。 另取一份试样置于 烘箱中 , 烘至恒重 , 测定 试样水分含量 。 计算方法 旦竺 二燮边丝丝 又 一 哟 一 式中为脱乙酞度 一盐酸标准溶液浓度摩升 一氢氧化钠标准溶液浓度摩升 一标准盐酸溶液 一滴定时耗用的氢氧化钠标准溶液毫升 一试样重克 一试样的水分百分含量 一 与 盐酸溶液相当的胺量克 一壳聚糖中的理论胺基含量 线性电位滴定法 线 性法是瑞典化学家 份 在五十年代提出的 , 六十年代和七十年代由 玩和加以发展 , 当用碱滴定酸时 , 导出函数公式 均 呱 气 , 只 叽 , “二口厅 一气 十 凡 一 口厅 一一 其中 到达等当点时所需要的滴定液体积 东华大学博士学位论文第二章甲壳素脱乙酞化制各壳聚糖 滴定液体积 。 二 被滴定液体积 滴定液的当量浓度 酸稳定常数 ,对于强酸为零 勺的活度 【 一浓度 当用 强碱滴定强酸时 , 因该函数公式简化为 二 凡 一 口刀 一 一 以为横坐标 , 为纵坐标作图 , 直线外推与纵坐标相交一点即为滴定终点 时所需要滴定液的体积 。 步骤将壳聚糖粉碎 , 准确称取壳聚糖样品左右于烧杯中 , 加入蒸 馏水及标准在室温下溶解 。 磁力搅拌下用 讥 标准氢氧化钠溶液滴定 , 根据样品的多少 , 加入 一 滴定液才开始测定 , 而后每 加入后测定一次值 。 测定四点左右即可 。 按上述方法求出 , 按下式计算 壳聚糖含量 。 壳聚糖含量 戈气 一 魄代 牙 一 式中 , ” ” , 下面是脱乙酞度为 分别为 标准溶液的当量浓度和毫升数 为氢氧化钠标准溶液的当量浓度 为到达等当点时所需标准氢氧化钠溶液体积 , 而 为壳聚糖中氨基葡萄糖链节分子量 为样品重量 , 壳聚糖测定实例 。 壳聚糖质量是 , 得到曲线 反向延长得到 二 , 经式 一 计算得到脱乙酞度为 , 。 表 一 加入氢氧化钠体积和对应壳聚糖溶液的 加入氢氧化钠体积 值 值 腻 东华大学博士学位论文 第二章甲壳素脱乙酞化制备壳聚糖 一 斑 图 一 测定壳聚糖脱乙酸化和加入氢氧化钠体积关系图 壳聚精粘均分子盆的测定 首先配置 卫 溶液用于样品的溶解 。 配置样品液用分析 天平准确称取壳聚糖样品 , 用溶液溶解 。 粘度的测定取溶剂加入到乌氏粘度计毛细管内径为中 , 测其下落的时间场倒出溶剂 , 清洗之后 , 再加样品液 , 测 出 , 然后再加入 纯溶剂 , 混匀之后测 出 , 同法再测出七 , 坏 坛 , 设溶剂粘度为 几 , 纯溶剂粘 度为 几。 , 相对浓度为 几几。 , 该溶液增比粘度为 印几一几。几。几厂 一 该溶液的比浓粘度增比粘度于浓度之比为 几印几 一一 该溶液特征粘度极限比浓粘度 , 即图中直线外推至纵轴的截距 几卜印 一 粘度法是快速而简单的测定高分子化合物分子量的方法 , 此方法的理论根据 东华大学博士学位论文 第二章甲壳素脱乙酞化制备壳聚糖 是著名的 一 方程 , 即 几 。 一 当所用的溶剂是 乙酸和 氯化钠溶液时候 , 弓 。 例如下面是壳聚糖分子量为万的测定实例 。 壳聚糖质量 节 飞 , 用 旧 溶液溶解 , 设初始浓度为 。 图 一 中两条直线的反向 延长交于轴取平均值得到 , 然后带入 一 方程求解 , 得到壳聚 糖的分子量 。 表 一 测定壳聚糖分子量时各种浓度溶液下落时间 空空白液下落初始时间间下落次序序下落浓度度下落时间 。 。 。 俪 图 一 壳聚糖溶液特性粘度测定 东华大学博士学位论又第二章甲壳素脱乙酞化制备壳聚糖 壳聚摘醋酸溶液粘度的测定 准确称取克壳聚糖溶于的醋酸溶液中 , 待完全溶解后 , 在室温 下用 一 型旋转粘度计测定其粘度 。 两种系列壳攘精的制备 随着人们对甲壳质研究和应