物理场对壳聚糖改性及其衍生物性能影响的研究

摘要

壳聚糖（Chitosan）是天然产物甲壳素（Chitin）的脱乙酰产物，化学名称为1，4-2-氨基-2-脱氧-β-D-葡萄糖。壳聚糖以其独特的生物相容性、无毒、生物活性和物化特性引起人们的重视，在化工、轻纺、食品和医药等领域有广泛的应用前景。但由于其分子呈紧密的晶态结构，限制了它的应用活性和应用领域。对壳聚糖进行改性是改善其应用性能的有效途径。本研究将超声波和磁场处理等物理场强化技术应用于壳聚糖改性，以加快其反应速度和提高其反应产率，并改善壳聚糖及其衍生物的应用性能。主要研究内容和结果如下：
　　 一、超声波强化壳聚糖改性的研究
　　 研究超声场强化苯甲醛和水杨醛与壳聚糖的缩合反应以及羟丙基壳聚糖的合成，包括超声功率、超声处理时间、反应物配比、反应温度、反应体系的酸度对反应的影响，并对产物的结构进行表征。获得苯甲醛希夫碱超声辅助制备的优化条件为：反应物配比（n苯甲醛：n壳聚糖）为6，超声功率为180kW，超声处理时间为4h，反应温度为70℃，反应溶液pH为5，缩合率可达93．0％，比传统方法提高了19．0％；水杨醛希夫碱超声辅助制备的优化条件为：反应物配比（n水杨醛：n壳聚糖）为6，超声功率为180kW，超声处理时间为60min，反应温度为70℃，反应溶液pH为4，缩合率为89．6％，提高了14．4％；采用超声波技术加快了羟丙基壳聚糖的合成，可减少环氧丙烷和催化剂的用量，其优化条件为：环氧丙烷、催化剂与壳聚糖的量比为10ml：0．8 ml：1 g，反应温度为60℃-70℃，超声时间为3h，超声功率为120kW，得率和取代度分别提高13．6％和12．9％。这些研究为壳聚糖的衍生化开辟新的捷径。
　　 二、磁场强化壳聚糖衍生物吸附性能的研究
　　 在壳聚糖衍生物的吸附性能研究中引入磁场辅助处理技术。选取三种过渡金属离子：Pb（Ⅱ）、Cr（Ⅵ）、Cu（Ⅱ），研究磁场作用下壳聚糖及其衍生物对三种金属离子的吸附动力学。试验结果表明磁场可强化吸附过程，壳聚糖及其衍生物的吸附性能依次为水杨醛希夫碱>苯甲醛希夫碱>羟丙基壳聚糖>壳聚糖；它们对三种金属离子的吸附性能次序均为Pb（Ⅱ）>Cu（Ⅱ）>Cr（Ⅵ）；探讨了磁场作用下，磁场强度、金属离子溶液的酸度和初始浓度对苯甲醛希夫碱和水杨醛希夫碱吸附Pb（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）、Cr（Ⅵ）的影响，吸附量和吸附率都随磁场强度的增加而增加，而金属离子溶液的酸度和初始浓度对于吸附效果存在一个较佳的值；用经典的等温方程对壳聚糖及其衍生物对Pb（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）、Cr（Ⅵ）的吸附平衡数据进行拟合，实验结果表明吸附行为与Langmuir和Frundlich两种吸附等温方程式均有较好的相关性。研究揭示了适当的磁场处理对壳聚糖及其衍生物对金属离子吸附性能的强化作用。
　　 三、磁场强化壳聚糖衍生物抑菌性能的研究
　　 将磁场处理技术引入到壳聚糖衍生物的抑菌性能研究。研究壳聚糖及其衍生物吸附所得的金属配合物的抑菌性能；分析磁场对壳聚糖衍生物的抑菌作用、最小抑菌浓度的影响。结果表明：经场强为400kA/m的磁场作用后，壳聚糖（CS）、苯甲醛希夫碱（SB-1）、水杨醛希夫碱（SB-2）和羟丙基壳聚糖（HPCS）等四种物质及壳聚糖和希夫碱与铬、铅、铜等金属形成的配合物抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的活性都增强了，最低抑菌浓度均降低了一半；其抑制大肠杆菌及金黄色葡萄球菌活性强弱的次序均为：HPCS>SB-2>SB-1>CS；而且抑制作用随着抑菌剂浓度的增加而增强。金属配合物对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制作用强弱次序是SB-2-Cr6+> SB-2-Pb2+> SB-2-cu2+> SB-1-Cr6+>SB-1-Pb2+> SB-1-Cu2+> CS-Cr6+> CS-Pb2+> CS-Cu2+。研究结果提示可开发磁处理壳聚糖及其衍生物的金属配合物作为抑菌剂，为壳聚糖及其衍生物在环保等方面拓宽了应用领域。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 壳聚糖

1.1.1 自然界的壳聚糖及其特性

1.1.2 壳聚糖的化学改性

1.1.3 壳聚糖及其衍生物的应用

1.2 超声波强化技术

1.2.1 超声波的物理作用

1.2.2 超声波的化学效应

1.2.3 超声波对固—液传质过程的强化

1.3 磁场处理技术

1.3.1 磁场的形式

1.3.2 磁场的作用

1.3.3 水的磁效应

1.3.4 磁技术在水处理上的应用

1.4 本选题的意义

1.5 本文的主要研究内容

第二章 超声场强化壳聚糖与醛类缩合反应的研究

2.1 实验部分

2.1.1 实验材料与试剂

2.1.2 实验仪器

2.2 实验方法

2.2.1 壳聚糖性质测定

2.2.2 反应原理

2.3 结果与讨论

2.3.1 产物结构鉴定

2.3.2 超声场对壳聚糖与苯甲醛缩合反应的影响

2.3.3 超声场对壳聚糖与水杨醛缩合反应的影响

2.4 本章小结

第三章 超声场强化壳聚糖醚化反应的研究

3.1 实验部分

3.1.1 实验材料与试剂

3.1.2 实验仪器

3.2 实验方法

3.2.1 反应原理

3.2.2 定性鉴定

3.2.3 取代度的测定

3.2.4 产物结构鉴定

3.3 结果与讨论

3.3.1 冷冻天数对反应的影响

3.3.2 超声处理时间对反应的影响

3.3.3 超声功率对反应的影响

3.3.4 催化剂用量对反应的影响

3.3.5 反应物配比对反应的影响

3.3.6 传统方法和超声波法的结果对比

3.4 本章小结

第四章 磁场强化壳聚糖衍生物吸附性能的研究

4.1 实验部分

4.1.1 实验材料与试剂

4.1.2 实验仪器

4.2 实验方法

4.2.1 吸附液制备

4.2.2 离子的测定方法

4.2.3 吸附性能的测定方法

4.2.4 吸附剂最低剂量的测定方法

4.3 吸附平衡

4.3.1 Langmiur吸附等温线

4.3.2 Freundlich吸附等温线

4.4 结果与讨论

4.4.1 磁场对壳聚糖衍生物吸附Pb(Ⅱ)性能的影响

4.4.2 磁场处理后壳聚糖衍生物吸附Pb(Ⅱ)的等温方程式拟合

4.4.3 磁场对壳聚糖衍生物吸附Cu(Ⅱ)性能的影响

4.4.4 磁场处理后壳聚糖衍生物吸附Cu(Ⅱ)的等温方程式拟合

4.4.5 磁场对壳聚糖衍生物吸附Cr(Ⅵ)性能的影响

4.4.6 磁场处理后壳聚糖衍生物吸附Cr(Ⅵ)的等温方程式拟合

4.5 本章小结

第五章 磁场强化壳聚糖衍生物抑菌性能的研究

5.1 实验部分

5.1.1 实验材料与试剂

5.1.2 实验仪器

5.2 实验方法

5.2.1 金属配合物的制备

5.2.2 菌悬液的制备

5.2.3 琼脂扩散纸片法测定抑菌作用

5.2.4 最低抑菌浓度(MIC)的测定

5.2.5 细菌生长曲线及抑菌曲线的测定

5.3 结果与讨论

5.3.1 磁场对壳聚糖衍生物抑制大肠杆菌作用的影响

5.3.2 磁场对壳聚糖衍生物抑制大肠杆菌最低抑菌浓度的影响

5.3.3 壳聚糖衍生物对大肠杆菌的抑菌曲线

5.3.4 磁场对壳聚糖衍生物抑制金黄色葡萄球菌作用的影响

5.3.5 磁场对壳聚糖衍生物抑制金黄色葡萄球菌最低抑菌浓度的影响

5.3.6 壳聚糖衍生物对金黄色葡萄球菌的抑菌曲线

5.4 本章小结

结论

1.主要结论

2.创新点

3.展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢