电磁场强化亚铁离子配位壳聚糖定位酶解的研究

摘要

低聚壳聚糖具有独特、优越的生理活性和应用功能,在食品保健及生物医药领域中具有巨大的开发应用潜力,发展前景广阔,特别是聚合度6～8的低聚壳聚糖,生物利用度最好,有抑制肿瘤、抗溃疡和提高免疫力的作用,可望开发成为新型的药物或药物载体材料。但是传统方法生产的低聚壳聚糖分子量分布不能有效控制,产物中聚合度6～8的低聚壳聚糖产量不高,使产品难以高效发挥其特有的功能,甚至会产生某些副作用。本研究以亚铁离子与壳聚糖形成配合物,再以木瓜蛋白酶降解,同时在配合物制备和酶解过程中以电磁场进行强化,从而增加产品中目标产物的含量和提高生产效率,为定位酶解生产指定聚合度的低聚壳聚糖开辟了新的途径。同时探讨了电磁场对配合反应和酶解反应的强化机理,为相关的技术研究和应用提供理论依据。主要研究内容及结果如下： 一、超声场对壳聚糖亚铁离子配合反应的作用 研究了以105W/cm2的超声场对壳聚糖与亚铁离子配合反应的强化作用。结果表明,无论是在配合反应前对壳聚糖进行超声处理还是在反应中对反应体系处理,超声场对配合反应都能产生影响,而且产物的配合量与超声处理的时长有关。在本研究中,105W/cm2的超声场处理9min可以使亚铁离子与壳聚糖的配合量提高92.9％～106.9％。研究发现,对该配合反应来说,超声处理时间存在一个阈值,处理时间小于9min的强化效果不显著,但处理时间大于9min也不能使配合量继续显著增加。并初步探讨了超声场强化壳聚糖与亚铁离子配合反应的作用机理,推测超声波主要通过在溶液体系产生空化效应,使壳聚糖分子展开和脱乙酰,并增加分子间碰撞概率,提高了配合反应的速率和产物的配合量。 二、微波辐射对壳聚糖亚铁离子配合反应的作用 研究了以180W微波辐射对壳聚糖与亚铁离子配合反应的强化作用。结果显示,微波辐射处理5min即能达到该反应的阈值,从而提高该配合反应的反应速率,并使产物配合量提高79.1％。通过实验初步探讨了微波辐射强化该反应的机理,认为微波辐射具有与传统加热不同的“微波效应”,能使水分子高速振动,促进壳聚糖分子进一步展开、扰动Fe2+,加快离子传导速率,从而提高了反应速率和产物配合量。而且,微波辐射的强化作用能使更多Fe2+分布在壳聚糖基分子链上,有利于在降解反应中控制低聚产物的聚合度分布,增加目标低聚糖产物的含量。 三、恒磁场对壳聚糖亚铁离子配合反应的作用 研究了不同磁感应强度的恒磁场对壳聚糖与亚铁离子配合反应的影响。结果显示,磁感应强度在50～150mT范围内的磁场对该反应有促进作用,200mT的磁场对该反应有抑制作用。100mT磁场对配合反应体系作用1h,可提高反应速率并使产物配合量增加24.0％。以共振理论初步讨论了恒磁场影响壳聚糖与亚铁离子配合反应的机理,认为磁感应强度100mT的磁场是产生该配合反应的最佳条件,可使溶液中的壳聚糖和Fe2+产生共振,从而降低反应的活化能,促进了配合反应。而200mT的磁场已超过了最佳频率场,对反应有抑制作用。此外,磁场能使更多Fe2+分布在壳聚糖基分子链上,有利于在降解反应中控制低聚产物的聚合度分布,增加目标低聚糖产物的含量。 四、木瓜蛋白酶降解壳聚糖亚铁离子配合物反应的研究 以粘度下降率(VDP)为指标,研究了pH、温度、底物浓度、酶底比四因素对木瓜蛋白酶降解壳聚糖亚铁离子配合物的影响,并计算、建立了酶解反应模型：:Y=108.74-0.40X1+1.88X2+6.77X3+1.84X4-21.44X12-22.42X22-7.50X32+7.56X1X2;得到了最佳工艺参数:pH=4.46,温度=44.95℃,底物浓度=1.98％,酶底比=1.75％。以最佳工艺参数降解不同电磁场强化制备的木瓜蛋白酶降解壳聚糖亚铁离子配合物以及不同脱乙酰度的壳聚糖,发现各底物的降解速率有如下关系:CTS-Fe2+MVI≈CTS-Fe2+M>CST-Fe2+>CTS-Fe2+U≈CTS(67％DD)>CTS(80％DD)。认为Fe2+与壳聚糖配合之后,壳聚糖基上形成了易于降解的弱势位点,因此促进了降解。 五、恒磁场强化木瓜蛋白酶降解壳聚糖亚铁离子配合物反应的研究 探索了一定磁感应强度范围内的恒磁场对酶解CTS-Fe2+MVI、CTS-Fe2+M反应的影响,发现磁感应强度≤300mT的磁场对酶解反应有促进作用,以300mT磁场对CTS-Fe2+MVI、CTS-Fe2+M酶解反应作用1.5h,能使反应速率分别提高47.7％和56.0％。但大于300mT的磁场则对酶解有抑制作用。 HPLC分析结果表明,下列各底物降解后聚合度6～8的产物含量:CTS-Fe2+MVI≈CTS-Fe2+M>CTS-Fe2+>CTS(67％DD)。在都有磁场强化的情况下,与酶解CTS(67％DD)得到的低聚产物(DP≤16)相比,酶解CTS-Fe2+MVI、CTS-Fe2+M和CTS-Fe2+所得的低聚产物中6～8聚糖含量分别增加29.59％、28.04％和13.14％。 研究了恒磁场强化木瓜蛋白酶降解壳聚糖亚铁离子配合物的作用机理,认为磁场从增加酶活力和强化底物两方面影响了酶解反应。一方面,一定磁感应强度的磁场通过影响木瓜蛋白酶的构象使其酶活性得以提高；另一方面,磁场能使CTS-Fe2+分子上Fe2+的分布形成更多的能使壳聚糖基分子链易于降解的弱势结构。 六、电磁场对反应产物结构的影响 红外光谱分析显示：在实验条件下,无论是配合反应过程中分别加以超声场、微波辐射、恒磁场作用,还是在酶解反应过程中施加恒磁场作用,对产物的基本分子结构都没有明显影响。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1壳聚糖的结构和性质的研究进展

1.2低聚壳聚糖性质及其应用的研究进展

1.2.1低聚壳聚糖的性质

1.2.2低聚壳聚糖应用的研究进展

1.3低聚壳聚糖制备的研究进展

1.3.1化学降解法

1.3.2物理降解法

1.3.3酶降解法

1.3.4几种常见制备低聚方法的比较

1.3.5金属配位辅助壳聚糖降解

1.4壳聚糖亚铁离子配合物研究进展

1.4.1壳聚糖亚铁离子配合物的制备

1.4.2壳聚糖亚铁离子配合物的性质

1.4.3壳聚糖亚铁离子配合物应用的研究进展

1.5电磁场在化学反应过程中的作用

1.5.1超声场促进化学反应的作用

1.5.2微波场在化学反应过程中的作用

1.5.3磁场在化学反应过程中的作用

1.6本论文立题背景及研究内容

1.6.1存在的问题

1.6.2研究基本思路

1.6.4研究目标和内容

第二章壳聚糖亚铁离子配合物的制备条件优化及产物表征

2.1引言

2.2原料与试剂

2.3主要仪器与设备

2.4实验方法

2.4.1微波法制备壳聚糖及表征

2.4.2壳聚糖亚铁离子配合物制备条件的优化

2.4.3壳聚糖亚铁离子配合物的表征

2.5结果与讨论

2.5.1微波辐射对甲壳素脱乙酰化的促进作用

2.5.2壳聚糖亚铁离子配合物制备的最优条件

2.5.3壳聚糖亚铁离子配合物的紫外吸收光谱分析

2.6本章小结

第三章超声场强化壳聚糖亚铁离子配合物的制备及表征

3.1引言

3.2原料与试剂

3.3主要仪器与设备

3.4实验方法

3.4.1超声场强化壳聚糖亚铁离子配合物的制备

3.4.2超声场强化壳聚糖亚铁离子配合物的表征

3.5结果与讨论

3.5.1超声场作用对配合反应的影响

3.5.2超声波强化配合反应作用机理的讨论

3.5.3超声场强化壳聚糖亚铁离子配合物的红外吸收光谱分析

3.6本章小结

第四章微波辐射强化壳聚糖亚铁离子配合物的制备及表征

4.1引言

4.2原料与试剂

4.3主要仪器与设备

4.4实验方法

4.4.1微波辐射强化壳聚糖亚铁离子配合物的制备

4.4.2传统加热法处理壳聚糖亚铁离子配合反应

4.4.3微波辐射强化壳聚糖亚铁离子配合物的表征

4.5结果与讨论

4.5.1微波辐射作用时长对壳聚糖亚铁离子配合反应的影响

4.5.2传统加热法与微波辐射对壳聚糖亚铁离子配合反应作用比较

4.5.3微波辐射强化壳聚糖亚铁离子配合物的表征

4.5.5微波辐射强化壳聚糖亚铁离子配合机理的讨论

4.6本章小结

第五章恒磁场强化壳聚糖亚铁离子配合物的制备及表征

5.1引言

5.2原料与试剂

5.3主要仪器与设备

5.4实验方法

5.4.1恒磁场作用对壳聚糖亚铁离子配合物制备的影响

5.4.2恒磁场强化制备的壳聚糖亚铁离子配合物的表征

5.5结果与讨论

5.5.1不同的恒磁场作用对壳聚糖亚铁离子配合量的影响

5.5.2恒磁场对壳聚糖亚铁离子配合反应的强化作用

5.5.3恒磁场作用对溶液中壳聚糖特性的影响

5.5.4恒磁场处理强化壳聚糖亚铁离子配合物的表征

5.5.5恒磁场强化壳聚糖亚铁离子配合机理的讨论

5.6本章小结

第六章木瓜蛋白酶降解壳聚糖亚铁离子配合物的研究

6.1引言

6.2原料与试剂

6.3主要仪器与设备

6.4实验方法

6.4.1以木瓜蛋白酶试降解壳聚糖亚铁离子配合物

6.4.2降解反应的影响因素

6.4.3酶解反应的工艺参数优化

6.4.4不同电磁场强化制得配合物酶解的研究

6.4.5检测方法

6.4.6不同电磁场强化制各的配合物降解后产物的分析表征

6.5结果与讨论

6.5.1以木瓜蛋白酶试降解壳聚糖亚铁离子配合物实验结果

6.5.2各因素对降解反应的影响

6.5.3酶解反应的工艺参数优化

6.5.4不同电磁场作用下得到的配合物作为底物对酶解速率的影响

6.5.5不同电磁场强化制备的配合物的降解产物的红外光谱分析

6.6本章小结

第七章恒磁场强化木瓜蛋白酶降解壳聚糖亚铁离子配合物的研究

7.1引言

7.2原料与试剂

7.3主要仪器与设备

7.4实验方法

7.4.1恒磁场对木瓜蛋白酶降解壳聚糖亚铁离子配合物的影响

7.4.2恒磁场强化木瓜蛋白酶降解壳聚糖亚铁离子配合物的产物分离回收及检测

7.4.3研究电磁场强化壳聚糖亚铁离子配合物降解机理的相关实验

7.5结果与讨论

7.5.1不同磁感应强度的恒磁场对木瓜蛋白酶降解壳聚糖亚铁离子配合物的影响

7.5.2不同作用时长的恒磁场对酶解反应的影响

7.5.3恒磁场强化酶解反应的产物分析

7.5.4研究恒磁场场强化酶解反应机理的相关实验结果与分析

7.6本章小结

7.6.1恒磁场影响酶解反应的作用机理

7.6.2电磁场控制酶解产物聚合度分布的机理

第八章结论与展望

8.1结论

8.2创新点

8.3展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢