强烈推荐用响应面法优化在微波辐射下壳聚糖降解性能的研究毕业论文.docx
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强烈推荐用响应面法优化在微波辐射下壳聚糖降解性能的研究毕业论文
本科毕业论文
论文题目用响应面法优化在微波辐射下壳聚糖降解性能的研究
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所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
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摘要
采用微波辐射技术对壳聚糖进行了降解,考察了微波辐射功率、辐射时间和降解时的pH值等因素对低相对分子质量壳聚糖制备的影响。
结果表明,壳聚糖在pH值7.6,微波功率为528W（中火）,微波辐射1.5h时,可降解得到相对分子质量小于3000的低聚壳聚糖,且重复性较好。
关键词:
微波辐射，低聚壳聚糖，脱乙酰度
STUDYONTHEDEGRADABILITYOFCHITOSAN
UNDERMICROWAVEIRRADIATION
************
Abstract
Thedegradabilityofchitosanwasstudiedundermicrowaveirradiation.Thefactors,suchasthemicrowaveirradiatingpower,theirradiatingtime,andthepH,wouldinfluencethepreparationoflow-molecularweightchitosan.Theresultsshowthatchitosancanbedegradedintolow-molecularweightchitosanwhichislessthan3000undertheconditionthatthepHwas7.6,themicrowaveirradiatingpowerwasabout528W,andtheirradiatingtimewas1.5。
Keywords:
microwaveirradiation，low-molecularweightchitosan;，thedegreeofdeacetylation
目录
引言1
1实验部分2
1.1实验仪器及药品2
1.2实验方法2
1.2.1壳聚糖溶液的制备2
1.2.2壳聚糖的微波降解2
1.2.3脱乙酰度的测定2
1.2.4相对分子质量的测定[7]3
1.2.5响应面分析因素水平的选取3
1.2结果与分析3
2结果与讨论6
2.1辐射功率对壳聚糖降解性能的影响6
2.2辐射时间对壳聚糖降解性能的影响6
2.3pH值对壳聚糖降解性能的影响7
2.4pH值为7~8时反应时间对降解的影响7
2.5微波促进壳聚糖降解机理的探讨7
3结论8
参考文献9
致谢10
引言
甲壳素是自然界贮量仅次于纤维素的第二大天然高分子材料,广泛存在虾、蟹和昆虫等节肢类动物的外壳及菌、藻等低等植物的细胞壁中,估计自然界每年生物合成的甲壳素约有100亿吨之多。
壳聚糖是甲壳素经脱乙酰化反应而得到的一种直链型天然高分子,是自然界大量存在的唯一的一种碱性多糖。
近十几年来的研究表明,壳聚糖在医药、食品、日用化工、农业、纺织印染、造纸、水处理等众多领域显示出了许多独特的优异性能[1]。
物理性质壳聚糖为阳离子聚合物，可溶解于矿酸、有机酸及弱酸稀溶液。
因制备工艺条件和需求的不同，脱乙酰度为60%～100%不等。
脱乙酰度和平均分子量是壳聚糖的两主要性能指标。
另外一项重要的质量指标是黏度，不同黏度的产品有不同的用途。
化学性质壳聚糖含有游离氨基，能与稀酸结合生成胺盐而溶于稀酸。
由于分子中Ｃ-2位上的氨基反应活性大于·ＯＨ基，易发生化学反应，使壳聚糖可在较温和的条件下进行多种化学修饰，形成不同结构和不同性能的衍生物。
通过酰化、羟基化、氰化、醚化、烷基化、酯化、酰亚胺化、叠氮化、成盐、螯合、水解、氧化、卤化、接枝与交联等反应，可制备壳聚糖衍生物。
低聚壳聚糖具有良好的药理活性,特别是相对分子质量在3000左右的壳聚糖具有降低胆固醇、增强人体免疫力等诸多生理功能,因此它可用作具有生理功能的保健食品或抗肿瘤制剂、降血脂药物等[2]。
目前低聚壳聚糖的制备多采用化学降解法,但其时间长、能耗大、污染严重。
微波是高频率的电磁波,它具有内部加热、快速加热和节能等优点,可以极大地提高化学反应速度,产生比常规化学法高几十倍甚至几百倍的效率（目前报道最高可提高1240倍）。
近年来,随着新型微波反应器的研制及微波流化态技术的出现,微波合成化学得到了迅速的发展[3~6]。
本试验研究了在较短的时间内采用微波辐射,在非均相条件下制备低聚壳聚糖的方法。
1实验部分
1.1实验仪器及药品
壳聚糖：
脱乙酰度：
51.2%,相对分子质量：
53.3万;其它药品如冰醋酸、氯化钠、氢氧化钠、浓盐酸等皆为分析纯。
Galanz微波炉（经过改造后加入冷凝系统）：
WP800型,额定微波频率2450Hz;ND-1型旋转粘度计；超级恒温水浴槽等。
1.2实验方法
1.2.1壳聚糖溶液的制备
将洗涤干燥后的壳聚糖粉碎后,称取20g壳聚糖,加入10g冰醋酸和970g去离子水,搅拌均匀后放置7天,使其溶解,将不溶物过滤后配成壳聚糖含量约为2%质量浓度的乙酸溶液。
1.2.2壳聚糖的微波降解
称取一定量的壳聚糖溶液,加入到250mL带有搅拌器和冷凝管的三口烧瓶中,置于微波炉中,在不同的微波功率及pH值下,以2450MHz频率进行微波辐射数分钟后,用40%质量浓度的NaOH溶液将反应液pH值调至10,使壳聚糖凝聚成胶体,减压抽滤,再用95%体积浓度的乙醇充分洗涤胶体,得水溶性壳聚糖,经40℃真空干燥后,测定产物的脱乙酰度及相对分子质量。
1.2.3脱乙酰度的测定
脱乙酰度的测定采用滴定法。
准确称量8g壳聚糖样品置于250ml锥形瓶中，加入标准0.1molL盐酸溶液20ml.将锥形瓶置于电磁搅拌器座上，在20℃条件下搅拌使样品溶解，再加50ml蒸馏水。
加入2-3滴甲基橙-苯胺蓝混合指示剂（1g1L甲基橙：
1g1L苯胺蓝=1：
2，体积比，其中苯胺蓝为水溶性）。
用标准0.1molL氢氧化钠溶液进行滴定，滴定至溶液由紫红色变为蓝绿色为滴定终点。
计算公式：
氨基含量=[（C1V1-C2V2）×0.016][G×﹙100-W﹚]×100％
式中，C1为盐酸的标准溶液浓度（moLL）
C2为氢氧化钠的标准溶液浓度（moLL）
V1为加入的盐酸标准溶液的体积（mL）
V2为滴定用消耗的氢氧化钠标准溶液的体积（mL）
G为样品的重量
W为样品的水分（％）
0.016为1mL的1moLL盐酸溶液相当的氨基量（g）
脱乙酰度=[氨基含量（％﹚]﹙9.94％﹚×100％
1.2.4相对分子质量的测定[7]
壳聚糖相对分子质量的测定用乌式粘度计，采用稀释法以0.1moL乙酸、0.2moL氯化钠溶液为溶剂，壳聚糖的初浓度为1.0gL.在25℃下测定，求出特性粘度[η]，按下式计算年均分子量M：
[η]=1.81×10-3M0..93
1.2.5响应面分析因素水平的选取
利用响应面分析法对壳聚糖降解因素进行优化，根据Box-Benhnken的中心组合试
验设计原理，以甲壳素的脱乙酰度为响应值，运用Design-Expert软件对试验进行设计，分析因素与设计见表：
表1中心组合设计的因素与水平表
水平
因素
-1
0
1
X1时间min
X2功率w
X3酸碱度1
0.5
136
7
1
528
7.5
1.5
800
8
1.2结果与分析
表2响应面设计方案及分析结果
试验号
X1时间h
X2功率w
X3酸碱度1
Y脱乙酰度（%）
1
0
-1
1
82
2
0
0
0
76
3
0
1
-1
80
4
-1
0
-1
92
5
-1
-1
0
88
6
1
1
0
84
7
0
-1
-1
91
8
-1
0
1
87
9
-1
-1
-1
71
10
0
0
0
76
11
-1
1
0
87
12
0
0
0
76
13
1
0
-1
93
14
1
-1
0
85
15
1
0
1
94
16
1
0
0
99
17
0
1
1
89
根据表2，可以看出，以上实验处理中，最佳实验为16号试验，即当时间为1.5h,功率为528w，酸碱度为7.5时壳聚糖的脱乙酰度最高，达到99%。
脱乙酰度最低的为9号试验，当时间为0.5h，功率为136w，酸碱度为7时，壳聚糖的脱乙酰度仅有49%.
运用Design-Expert软件实验数据进行回归分析，时间、功率、酸碱度3个因素拟合二次项方程式是：
Y=+89.75－0.63×X1+2.00×X2－1.63×X3+2.75×X1×X2+1.50×X1×X3－0.25×X2×X3+4.13×X12－10.62×X22－2.88×X32
多项方程式中，时间为X1、功率为X2、酸碱度为X3在响应面设计中都经过量
纲线性编码的处理，所以其中各个因素对脱乙酰度的影响程度大小由多项式的各项系数的绝对值大小直接反映，影响的方向由系数的正负就反映。
由上面的回归方程可得，X2>X3>X1,即功率的影响最大,酸碱度的影响次之,时间的影响最小.
从表3可以看出对响应值所建立的回归方程模型具有高度的显著性（P<0.0001<0.01）,模型的R2=0.9652,R2adj=0.9683,说明该模型的拟合程度较好,试验误差小,因此可用该模型来分析和预测壳聚糖的降解工艺效果.
变异来源
SS
df
MF
F
P
显著性
模型
648.44
9
72.05
1.61
0.00289
极显著
X1
3.13
1
3.13
0.070
0.01801
显著
X2
32.00
1
32.00
0.72
0.00432
极显著
X3
21.13
1
21.13
0.47
0.0577
不显著
X1X2
30.25
1
30.25
0.68
0.00444
极显著
X1X3
9.00
1
9.00
0.20
0.00696
极显著
X2X3
0.25
1
0.25
0.87
0.0948
不显著
X1X1
68.06
1
68.06
1.52
0.00236
极显著
X2X2
451.56
1
451.56
10.09
0.0192
显著
X3X3
33.06
1
33.06
0.74
0.0642
不显著
残差
268.50
7
44.75
失拟
69.75
3
23.25
纯误差
0.000
4
0.000
总和
718.19
16
p<0.01为极显著水平；0.010.05为不显著。
根据拟合函数，每两个因素对提取得率作出响应面。
考虑到定性分析各因素与脱乙酰度的关系，固定另外两个因素时，均做“0”处理，具体因素水平见表1，图2—4直观地反映了各因素对响应值的影响。
图2时间（X1）和功率（X2）对脱乙酰度（Y）影响的等高线图与响应面图
图3时间（X1）和酸碱度（X3）对脱乙酰度（Y）影响的等高线图与响应面图
图4功率（X2）和酸碱度（X3）对脱乙酰度（Y）影响的等高线图与响应面图由图4—6可以看出，随着时间的增加，脱乙酰度不断增加，当时间达到一定程度后，脱乙酰度达到最大；随着酸碱度的增加，脱乙酰度不断增加，当酸碱度达到一定的程度后，脱乙酰度达到最大，再增加反而随之减小，功率的因素也是如此。
通过Design-Expert软件分析得出最佳工艺条件为：
时间为1.5h，功率为528w，酸碱度为7.521.在此工艺条件下得到模型的最大预测响应值为99%.经修正后，最佳提取工艺为：
时间为1.5h，功率为528w，酸碱度为7.5
2结果与讨论
2.1辐射功率对壳聚糖降解性能的影响
在pH为7-8,反应时间为90min时,采用不同的微波功率对壳聚糖溶液进行辐射降解,在高火时,由于功率较大（800W）,使得壳聚糖容易焦化或碳化,影响产物的性能;而采用低火时,由于功率太小（136W）,使得壳聚糖的酰胺键和B-1,4苷键难以断裂,降解速率较低;采用中火（528W）进行微波降解时,反应较平稳,降解速度较快,且壳聚糖不容易焦化或碳化,所以我们采用中火（528W）进行微波降解。
2.2辐射时间对壳聚糖降解性能的影响
称取50g壳聚糖溶液于三口烧瓶中,在pH=4-5,微波功率为528W条件下辐射降解不同时间,分别
测定降解不同时间时的脱乙酰度及相对分子质量,结果见表3。
表3辐射时间对壳聚糖降解性能的影响
tmin
0
1
3
5
9
18
30
60
90
脱乙酰度%
51.2
56.3
72.9
79.4
93.7
96.9
99.8
100
100
粘度（mPa·s）
10.2
9.8
8.5
7.8
7.5
7.0
6.8
6.5
6.1
相对分子质量﹙×10-4﹚
53.3
50.1
47.6
36.8
25.7
13.47
8.80
5.73
4.01
从表1可知,脱乙酰度随微波辐射时间的增加而提高,时间达30min时,脱乙酰度几乎为100%。
随着微波辐射时间的延长,壳聚糖的相对分子质量逐渐减小,但是随着时间的增加,壳聚糖中自由氨基减少,降解速率减慢。
要得到相对分子质量较小的水溶性壳聚糖,微波辐射时间应达1.5h以上,但时间太长,能耗较大。
所以,我们选微波辐射时间为1.5h。
2.3pH值对壳聚糖降解性能的影响
在辐射时间为1.5h,微波功率为528W时,用5%NaOH溶液调节壳聚糖溶液的pH值,在不同的pH值下对壳聚糖进行降解,测定溶液的脱乙酰度及相对分子质量,其结果如表4所示。
表4pH值对壳聚糖降解性能的影响
PH值
1.63
2.30
4.28
5.50
7.27
7.42
7.97
9.48
10.00
13.6
相对分子质量
84.5
62.7
40.1
11.8
2.03
2.66
3.37
14.3
20.7
26.9
脱乙酰度
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
由表2可见,在酸性条件下,由于壳聚糖分子中大部分氨基与H+结合生成R-NH3+缺电子体系,而壳聚糖的降解反应多发生在有未结合H+的自由氨基的糖单元的B-1,4苷键上,所以其降解速度较慢。
当pH值为7~8时,壳聚糖中自由氨基较多,其降解速度最高,相对分子质量最小,可达3000以下,这符合医药工业中壳聚糖作抗肿瘤制剂、降血脂药物的要求。
2.4pH值为7~8时反应时间对降解的影响
为缩短反应时间,降低能耗,我们对pH=7-8时辐射时间对降解性能的影响又进行了一些研究,其结果见表5。
表5pH值为7-8时反应时间对壳聚糖降解性能的影响
tmin
18
30
60
90
pH值
7.32
7.41
7.26
7.36
相对分子质量
74.3
9.19
5.37
2.45
由表3可见,在反应时间小于90min时,即使在pH=7-8范围内其相对分子质量也难以达到3000以下,所以,时间对于壳聚糖的微波降解是较为关键的因素,取反应时间仍为90min。
2.5微波促进壳聚糖降解机理的探讨
微波是频率为300MHz-300GHz的电磁波,它具有内部加热、快速加热、选择性加热和节能、环保等优点。
其波长在1m-1mm之间,对于有机物的碳链结构能进行整体的穿透,将能量迅速传到反应物的各个官能团上。
其加热是由分子自身运动引起的,是内部加热,因此受热体系温度均匀。
壳聚糖分子中带有羟基、氨基等极性基团,由于分子内电荷分布不均匀,在微波场中能迅速吸收电磁波的能量,通过分子偶极作用和分子的高速振动产生热效应,使得壳聚糖中的酰胺键和B-1,4糖苷键迅速获得能量,发生水解或降解,与传统的热传导和热对流进行的有机反应相比其机理和结果是不同的。
3结论
（1）利用微波辐射法来制备低分子量的水溶性壳聚糖,较常规的酸解法和氧化降解法操作简便、时间短、能耗低、污染小、重现性好、产品外观好,是值得关注的新方法。
（2）通过用响应面法要得到脱乙酰度为100%,相对分子质量小于3000的具有良好生物活性的低聚壳聚糖,降解时的最佳条件为：
pH值在7.6,反应时间为1.5h,微波功率为528W
（3）在pH值在7.6,反应时间为1.5h,微波功率为528W时，通过试验验证得到脱乙酰度为99%,相对分子质量小于3000的具有良好生物活性的低聚壳聚糖。
参考文献
[1]蒋挺大.壳聚糖（M）.化学工业,2001，1
（2）：
7~12.
[2]黄光佛,卿胜波,李盛彪.甲壳素和壳聚糖的研究及应用（J）.高分子通报,2001,12（3）：
43~49.
[3]黄艳，彭强,谢明贵.微波在高分子中的应用（J）.化学研究与应用,2002,14
（1）：
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[4]陈广球,郭建维,范超菘.微波技术在化学合成中的应用进展（J）.广州化工,2001,29
（2）：
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[5]梁亮,崔英德,罗宗铭.微波新技术制备壳聚糖的研究（J）.广州工业大学学报,1999,16
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[6]仰振球,宋宝珍,樊红雷,等.微波流态化法制备几丁聚糖新工艺（J）.化工进展,2003,22（6）：
618~621.
[7]陈鲁生,周武,姜云生.壳聚糖粘均分子量的测定.（J）化学通报,1996,（4）：
9~57.
致谢
行文至此，我的这篇论文已接近尾声；岁月如梭，我四年的大学时光也即将敲响结束的钟声。
离别在即，站在人生的又一个转折点上，心中难免思绪万千，一种感恩之情油然而生。
陈老师为我提供了良好的实验条件，在撰写论文等方面提供了很多专业性的指导。
陈老师渊博的学识、严谨的治学态度、精益求精的工作作风和诲人不倦的高尚师德，都将深深地感染和激励着我。
在实验室时光里，陈老师不仅在学业上给我以悉心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向陈老师致以诚挚的感谢！
感谢为这篇论文的完成付出了辛勤劳动和心血的同学，他们在实验过程中团结合作、认真严谨、不畏艰苦，给了我极大的帮助。
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