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文档简介
生物与化工学院教案 生物与化工学院教案课程名称海洋生物技术教学内容(项目)4甲壳素及其衍生物的制备授课进度第四次授课教学日期及课节第四周共(2)学时教学地点多媒体教室教学目标了解甲壳素的来源、结构特点,熟悉甲壳素及其衍生物的生产制备方法,掌握甲壳素及其衍生物的功能与应用教学重点了解甲壳素的来源、结构特点,熟悉甲壳素及其衍生物的生产制备方法,掌握甲壳素及其衍生物的功能与应用教学难点熟悉甲壳素及其衍生物的生产制备方法,掌握甲壳素及其衍生物的功能与应用学情在蓝色经济与海洋+背景下,学生们对海洋生物技术很感兴趣。教学设计教学环节时长(分钟)教学过程及内容设计教学方法引入10分钟回顾上节内容,提问讨论-思维碰撞(上节作业):设计一种用沙丁鱼为原料生产水解鱼蛋白的生产工艺提问法;讨论法学习任务一了解甲壳素的来源、结构特点10分钟第四章甲壳素及其衍生物的制备第一节概述一.甲壳素类物质的来源甲壳素广泛存在于甲壳动物虾、蟹、昆虫的外壳中,而且蘑菇、木耳、藻类、贝类、软体动物(如鱿鱼、乌贼)的软骨和表皮、节肢动物(昆虫)以及真菌类的细胞壁中,也存在着甲壳素。其是自然界中含量仅次于纤维素的一种多糖,同时,也是地球上数量最大的含氮有机化合物。二.甲壳素与壳聚糖的化学结构中文名称:甲壳素英文名称:chitin其他名称:几丁质、甲壳质标准命名:(1,4)-2-乙酰氨基-2-脱氧-β-D-葡聚糖类型:天然高分子聚合物,它属于线性氨基多糖。外观:淡米黄色至白色无定形物质,无臭、无味。中文名称:壳聚糖英文名称:chitosan其他名称:几丁聚糖标准命名:(1,4)-2-氨基-2-脱氧-β-D-葡聚糖类型:天然高分子聚合物外观:白色或淡黄色半透明状固体,略有珍珠光泽。三.甲壳素的化学性质1溶解性:甲壳素不溶于水、有机溶剂、稀酸稀碱,可溶于浓硫酸、浓盐酸、85%磷酸,同时发生降解。其还可溶于一些特殊溶剂,如六氟丙酮、六氟异丙醇、三氯乙酸与卤代烃的混合物、二甲基乙酰胺与氯化锂的混合物等。壳聚糖是由甲壳素脱去乙酰基转变而来的,其溶解性大为改善,其可溶于稀酸中,如甲酸、乙酸等,但仍不溶于水。2吸附性、多功能性与成膜性:甲壳素和壳聚糖分子链上有羟基、乙酰氨基、氨基多种官能团,极具反应活性,可以进行交联、接枝、酰化、磺化、羧甲基化、烷基化、硝化、氧化还原、络合等多种反应。具有较好的成膜性,其膜具有光泽,透明而柔韧,并有较好的透气性。3生物降解性、无毒与环境相容性:甲壳素和壳聚糖是天然高分子,具有优异的降解性能,通过自然界的甲壳素酶、溶菌酶和壳聚糖酶等可将其完全生物降解。甲壳素是天然多糖,没有毒性和副作用,其安全性和砂糖近似。(砂糖致死量为18g/kg,而甲壳质为16g/kg).甲壳质和壳聚糖分别被降解为乙酰葡萄糖胺和葡萄糖胺,这两种物质本身在人体中就存在,所以其有优异的生物相容性。多媒体教学;讲授法学习任务二掌握甲壳素及其衍生物的生产制备方法30分钟第二节甲壳素及其衍生物的制备综合生产法蝇蛆壳(干蛆皮含有30%~54.8%的甲壳素)蚕蛹壳(含有33%~44%的甲壳素)柠檬酸发酵渣(发酵废渣主要是废菌丝体,含有20%~22%的甲壳素,成本低)蝉蜕(产率约27.0%~33.3%)一甲壳素的提取虾(螃蟹)壳里各有三成左右的蛋白质、碳酸钙和几丁质(chitin)。用稀碱去除其蛋白质,再用稀酸来排除碳酸钙,就能得到较纯的几丁质(chitin)。再将几丁质(chitin)处理就变成了几丁聚醣(chitosan)。二甲壳素及其衍生物的生产工艺三壳聚糖的制备四甲壳素的改性甲壳素由于乙酰氨基的存在,分子间的氢键作用很强,因而溶解困难。而壳聚糖因为有游离氨基的存在,其反应活性比甲壳素高,但溶解性也差。为此,人们进行多种改性以增加甲壳素和壳聚糖的溶解性。甲壳素和壳聚糖的酰化反应是化学改性研究最早的一种反应。通过引入不同分子量的脂肪或芳香族酰基,所得产物在有机溶剂中的溶解度可大大改善。早期的酰化反应是在乙酸和酸酐或酰氯中进行的,反应条件温和,反应速度较快。酰化甲壳素及其衍生物中的酰基破坏了甲壳素及其衍生物大分子间的氢键,改变了它们的晶态结构,提高了甲壳素材料的溶解性。除此之外,酰化甲壳素及其衍生物的成型加工性也得到了很大的改善。多媒体教学;讲授法;讨论法学习任务三熟悉并掌握甲壳素及其衍生物的功能与应用;总结,探讨40分钟第三节甲壳素及其衍生物的生理功能与应用一食品加工中的应用甲壳素具抗菌性,因此在食品加工上可用为食物防腐用,避免使用人工合成的防腐性,是较健康的食物保存剂。甲壳素还可以促进肠内有益细菌增殖,因此可用于乳制品、病人用食品之添加,增进人体抵抗力。甲壳素还可以做为乳化剂、吸着剂、食品加工脱酸剂、保湿剂……等等均为其在食品加工上常见的应用。如:稳定和凝固剂将壳聚糖或它的有机酸水溶液用作蛋黄酱、调味酱、奶油或人造黄油的稳定剂,使这些食品具有较好的味道和较高的稳定性。增稠剂用不溶或低溶解性的多糖粉末提高凝胶状食品的硬度和弹性,例如以甲壳素改进以鸡蛋清制得的食品凝胶。乳化剂将微晶甲壳素用作冰淇淋乳化剂,微晶甲壳素制备方法如下:小片状甲壳素与50%浓硫酸以1∶10~15的比例放入烧杯,搅拌数小时,滤液稀释数倍,用NaOH中和,室温静置,离心过滤,水洗沉淀物呈中性,干燥后粉碎得微晶甲壳素。甜味剂低聚糖是近几年兴起的新的功能性甜味剂。甲壳素/壳聚糖的低聚糖不仅有非常爽口的甜味,而且具有以下功能:能促进肠道有益菌的增殖,改善肠道微生态环境;热量比蔗糖低许多,有明显的防发胖效果;在消化道中不被吸收,几乎全部进入肠道,也不增加血中胰岛素水平,是一种“无糖”之糖。二化妆品-香波,润湿剂、牙膏、面膜甲壳素及其衍生物具有良好的吸湿性、成膜性、防静电和防尘性。三人造皮肤中国是最早将甲壳素应用于人造皮肤的国家。优点:不致敏、无刺激、无吸收中毒和排斥现象,透气性好,具有止血、抑痛、促进皮肤生长的作用。甲壳素和壳聚糖纤维制成的医用敷料有无纺布、纱布、绷带、止血棉等,主要用于治疗烧烫伤病人。优点:(1)减轻伤口疼痛(2)具有极好的氧通透性(3)通过体内酶自然降解(4)提高伤口愈合速度。甲壳素和壳聚糖具有资源丰富、价格便宜、安全无毒、生物相容性等优点,应用领域十分广阔。研究将会在高经济附加值的生物医用材料,智能材料等方面进行展开。甲壳素纤维有好的吸湿性、强度高等特点,将其与特定功能的材料联合制备复合材料将是研究的热点。甲壳素纤维和壳聚糖纤维的保健功能主要有以下几方面:(1)抗菌除臭功能。(2)对皮肤的护理功能。(3)对过敏性皮肤的辅助治疗功能。(4)对环境的保护功能。(5)抗静电功能。甲壳素纤维针织品具有手感柔软亲切、无刺激、高保湿、保温、抑菌除臭功能,对皮肤有很好的养护作用,还有对过敏性皮炎的辅助医疗功能,并符合绿色纺织品标准等优点,是21世纪新一代的保健针织品。四减脂保健甲壳素难被胃肠道消化吸收,当把它摄入体内后,它可与相当于本身质量许多倍的脂类生成络合物,该络合物不能被胃酸水解,不被消化系统吸收,从而使之排出体外。因此其可以降脂,作为食品填充剂使用,通常在食品中加1%~10%。机能食品,调节生理机能,包括无毒性的抗癌效果、改善消化吸收机能、降低脂肪及胆固醇摄取、降低高血压、强化免疫力等。甲壳素是唯一带有阳离子碱性基团(—NH2)的人体可吸收的动物纤维素,是一种生物碱,能吸附酸性物质,且性质稳定,能够在体液中慢性起效,因此能够改善酸性体质。五眼科优点:机械稳定性好、光学成像性好、气体透过率高(尤其是氧气)、润湿性能优异、抑菌性好。部分解聚且纯化的壳聚糖可用于做隐形眼镜六水处理甲壳素作水处理剂已在工业上大量应用。利用甲壳素的鳌合性能,可以有效地捕获或吸附水溶液中的重金属离子,除去工业污水中的Hg2+、Cu2+、Cd2+、Pb2+、Co2+等离子。用甲壳素净化饮用水已得到美国环境保护局的批准,市售商品“Sea-Klear”。环保用品及其他-甲壳素具吸附及螯合性,可以和重金属离子形成络合物,且生物可分解特性不会造成二次公害,因此为良好的水处理材料。七药物载体甲壳素可以作为药物的辅料。如缓释制剂的辅料,制成水凝胶、药片、微胶囊、外涂剂等形式。利用甲壳素溶胀之后包埋药物以达到控制物质释出的特性,使药物于适当的时间释放适当的剂量。因为多数缓释剂只能在高pH下形成凝胶,而胃酸的pH值很小,甲壳素颗粒可以在酸性溶液中(pH1~2)形成凝胶。所以由其制成的缓释剂在肠胃中可以延长滞留时间,提高药物利用度。另外,甲壳素在医药方面的用途还有血液凝固阻抗剂、促创伤愈合等功效。八农业经过壳聚糖处理的植物种子发芽率高,产率也高。小麦种子经过壳聚糖处理后,可以增强抗土壤真菌的能力,提高麦秆的抗倒伏能力,可提高产量。同时具有阻止植物病原菌细胞的发育生长,诱导出宿主植物对病原菌的防护机能。用于杀虫剂、除草剂的控释。作业设计10种甲壳素产品讨论法教学
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