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柠檬酸化壳聚糖的合成及其性质研究

作　者: 刘晓慧
导　师: 孙晓君
学　校: 哈尔滨理工大学
专　业: 应用化学
关键词: 壳聚糖柠檬酸化壳聚糖水溶性腈水合酶相对酶活
分类号: TQ281
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

现今全球性的环境污染和资源浪费问题已经相当严重,人类面临着严峻的能源危机。在我国沿海地区每年捕捞及养殖加工虾蟹的数量很多,这些虾蟹加工后留下的下脚料都被白白的扔掉,留下大量的废弃物——甲壳。甲壳的大量堆积会污染环境,因此,利用甲壳来提取甲壳素既解决了废物的放置问题,有利于环保,又实现了废弃物回收与再利用的目的。甲壳素是一种是蕴藏量十分丰富的生物可再生资源,结构与纤维素类似,是自然界存在的唯一的碱性多糖。壳聚糖是甲壳素脱乙酰基后的产物。甲壳素和壳聚糖因其本身所具有诸多优良的性质,被广泛应用到化工、农业、医药、环保等领域。但是,它们的溶解性很差,极大的限制了进一步应用。因此,得到水溶性的壳聚糖产品成为国内外学者研究甲壳素的重点和热点。其中,羧基化是最常用和最有效的方法之一。本文以壳聚糖为主要原料,首次成功合成了柠檬酸化壳聚糖,并将其与海藻酸钠复合,得到了一种高生物活性的固定腈水合酶细胞的载体材料。首先,通过单因素实验,分别探讨了柠檬酸的用量、反应时间、反应温度对壳聚糖羧基化反应的影响。在单因素实验的基础上,利用Design Expert软件,响应切面法对柠檬酸化壳聚糖合成的工艺参数进行了优化。采用了Box-Behnken旋转中心组合进行设计柠檬酸化壳聚糖的合成实验,优化得到了柠檬酸化壳聚糖合成的最佳工艺参数为:柠檬酸∕壳聚糖摩尔投料比(n/n)=2.56:1,反应时间=3.56 h,反应温度=61.7℃。在最佳工艺参数条件下合成的柠檬酸化壳聚糖产品比率为2.25,粘均分子量为28.5万。通过溶解性实验证明了柠檬酸化壳聚糖的水溶性能随着其比率的增大呈现先增大后减小的变化趋势,其比率为1.4时,其溶解性能最好。在檬酸化壳聚糖-海藻酸钠作为固定腈水合酶细胞载体材料的实验中,首先通过单因素实验,探讨了柠檬酸化壳聚糖-海藻酸钠溶液的用量和固定时间对腈水合酶细胞固定化小球的相对酶活、机械性能的影响。然后,在单因素实验的基础上设计进行了三因素四水平的正交实验,优化实验的最佳工艺参数。最终得到的柠檬酸化壳聚糖-海藻酸钠作为载体固定腈水合酶细胞的最佳工艺参数为:柠檬酸化壳聚糖-海藻酸钠溶液/腈水合酶细胞菌悬液的体积比(v/v)=10:1,最佳固定时间=2h,柠檬酸化壳聚糖比率=0.7,柠檬酸化壳聚糖质量分数=0.8%,氯化钙质量分数=5%。在此最佳工艺条件下,得到了高酶活且机械强度很高的腈水合酶细胞固定化小球,相对酶活的数值达到了131%。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-27
  1.1 课题研究的背景  12-13
  1.2 甲壳素/壳聚糖概述  13-16
    1.2.1 甲壳素/壳聚糖的制备方法  13-15
    1.2.2 甲壳素/壳聚糖的的性能参数  15-16
  1.3 甲壳素/壳聚糖的化学改性与研究进展  16-21
    1.3.1 N-酰化反应  16-17
    1.3.2 主链水解反应  17-18
    1.3.3 羟基化反应  18-19
    1.3.4 羧基化反应  19
    1.3.5 酯化反应  19-20
    1.3.6 氧化反应  20
    1.3.7 接枝反应  20
    1.3.8 交联反应  20-21
  1.4 甲壳素/壳聚糖及其衍生物的性能和应用  21-25
    1.4.1 在环境保护中的应用  21
    1.4.2 在农业方面的应用  21-22
    1.4.3 在医药领域的应用  22-23
    1.4.4 在食品工业中的应用  23
    1.4.5 在日常生活用品方面的应用  23-24
    1.4.6 在功能材料方面的应用  24-25
  1.5 课题研究的目的意义与内容  25-27
    1.5.1 课题的研究目的与意义  25-26
    1.5.2 课题的主要研究内容  26-27
第2章实验材料及实验方法  27-34
  2.1 实验仪器与药品  27-28
    2.1.1 实验仪器  27-28
    2.1.2 实验试剂  28
  2.2 柠檬酸化壳聚糖实验方案的确定  28-29
  2.3 柠檬酸化壳聚糖最佳合成工艺参数的确定  29-30
    2.3.1 柠檬酸化壳聚糖合成的单因素实验  29-30
    2.3.2 响应切面法优化柠檬酸化壳聚糖最佳合成工艺参数  30
  2.4 结构分析  30-33
    2.4.1 柠檬酸和壳聚糖比率的测定与计算  30-31
    2.4.2 粘度和分子量的测定与计算  31-32
    2.4.3 红外的测定  32-33
  2.5 本章小结  33-34
第3章柠檬酸化壳聚糖的合成及其性质研究  34-49
  3.1 柠檬酸化壳聚糖反应原理  34
  3.2 柠檬酸化壳聚糖的制备  34
  3.3 最佳工艺参数的确定  34-43
    3.3.1 柠檬酸的用量  35
    3.3.2 反应时间  35-36
    3.3.3 反应温度  36-37
    3.3.4 响应切面法优化柠檬酸化壳聚糖工艺参数  37-43
    3.3.5 柠檬酸化壳聚糖合成的最佳工艺参数  43
  3.4 柠檬酸化壳聚糖结构的测定  43-45
    3.4.1 红外光谱分析  43-44
    3.4.2 柠檬酸化壳聚糖比率  44
    3.4.3 粘度及粘均分子量  44-45
  3.5 柠檬酸化壳聚糖的溶解性研究  45-47
    3.5.1 柠檬酸化壳聚糖的溶解性  45-46
    3.5.2 柠檬酸化壳聚糖的吸湿保湿性  46-47
  3.6 本章小结  47-49
第4章柠檬酸化壳聚糖固定化腈水合酶细胞的研究  49-59
  4.1 腈水合酶  49-50
    4.1.1 腈水合酶简介  49
    4.1.2 腈水合酶生物催化制取丙烯酰胺  49-50
  4.2 实验材料  50-51
    4.2.1 菌株  50
    4.2.2 培养基  50-51
  4.3 实验方法  51-54
    4.3.1 细胞固定化  51
    4.3.2 磷酸缓冲液的配制  51-52
    4.3.3 游离细胞的制备  52
    4.3.4 游离细胞的制备  52
    4.3.5 性质测定  52-53
    4.3.6 柠檬酸化壳聚糖-海藻酸钠用量对酶活力的影响实验  53
    4.3.7 固定时间对酶活力的影响实验  53-54
    4.3.8 腈水合酶细胞固定化的L16(4~3)正交实验  54
  4.4 实验结果与讨论  54-58
    4.4.1 柠檬酸化壳聚糖-海藻酸钠的用量对酶活力的影响实验结果  54-55
    4.4.2 固定时间对酶活力的影响实验结果  55
    4.4.3 腈水合酶细胞固定化条件的L16(4~3)正交实验结果及分析  55-57
    4.4.4 腈水合酶细胞固定化最佳工艺参数  57
    4.4.5 腈水合酶细胞的变构调节作用  57-58
  4.5 本章小结  58-59
结论  59-61
参考文献  61-66
攻读学位期间发表的学术论文  66-67
致谢  67

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