（有机化学专业论文）单宁改性壳聚糖的制备及其性能研究.pdf

单宁改性壳聚糖的制备及其性能研究 摘要 本论文以壳聚糖和单宁为原料，采用苯甲醛保护壳聚糖中的氨基，以 乙二醛作为反应交联剂制备得到单宁改性聚糖。并用赖氨酸、甘氨酸、谷 氨酸、明胶和动物d n a 分别和单宁改性壳聚糖在水溶液中形成复合物。通 过红外光谱分析、紫外光谱分析、d s c 分析和x 射线衍射分析对单宁改性壳 聚糖及其与氨基酸、蛋白质以及d n a 等物质所形成的复合物进行表征，研 究了复合物的结构、结晶性能和复合物分子间的作用模式，分析了单宁改 性壳聚糖与明胶和d n a 的作用模式。 研究单宁改性壳聚糖和复合物的红外吸收光谱、d s c 和x 射线衍射分 析，结果表明：单宁已经成功的与壳聚糖进行了反应。单宁改性壳聚糖分 别与赖氨酸，甘氨酸和谷氨酸是通过静电荷的相互吸引形成复合物。单宁 改性壳聚糖赖氨酸复合物呈无定形态，单宁改性壳聚糖甘氨酸复合物和单 宁改性壳聚糖谷氨酸复合物在一定条件下形成树型结晶。 研究单宁改性壳聚糖与赖氨酸、甘氨酸和谷氨酸形成复合物的紫外吸 收光谱，结果表明：随着氨基酸浓度的增大，复合物中最大吸光度增大， 且最大吸收峰发生了红移。赖氨酸、甘氨酸和谷氨酸对单宁改性壳聚糖的 紫外吸收光谱影响作用依次减弱。 研究单宁改性壳聚糖与明胶的紫外吸收光谱，结果表明：随着改性壳 聚糖浓度的增大，明胶产生了明显的减色效应，且最大吸收峰发生了红移。 单宁改性壳聚糖分子插入明胶分子中，改变了明胶的构象。 研究单宁改性壳聚糖与d n a 的紫外吸收光谱，结果表明：随着单宁改 性壳聚糖浓度的增大，d n a 出现了减色效应，且最大吸收峰发生了红移。 单宁改性壳聚糖与d n a 之间的结合方式是嵌插结合。 关键词：壳聚糖单宁氨基酸明胶d n a i i s t u d yo nt h ep r e p a r a t i o na n dt h ep r o p e r t i e so f t h et a n n i nm o d i f i e dc h i t o s a n a b s t r a c t a st h er a wm a t e r i a l s ，t h ec h i t o s a nw a sr e a c t e dw i t ht h et a n n i nt og e n e r a t e t h et a n n i nm o d i f i e dc h i t o s a nv i ap r o t e c ta m i n ob yb e n z a l d e h y d e t h et a n n i n m o d i f i e dc h i t o s a na n dl y s i n e ，g l y c i n ea n dg l u t a m i ca c i df o r mc o m p l e x e si n w a t e r t h e s t r u c t u r e ，t h ec r y s t a l l i z a t i o np r o p e r t ya n dt h ei n t e r m o l e c u l a r m e c h a n i s mo ft h ec o m p l e x e sw e r es t u d i e db yi rs p e c t r u m ，u vs p e c t r u m ，d s c a n dx - r a yd i f f r a c t i o n t h ei n t e r a c t i o nm e c h a n i s mb e t w e e nt h et a n n i nm o d i f i e d c h i t o s a na n dt h eg e l a t i na n dd n aw a ss t u d i e d i n d i v i d u l l y w i t ht h es t u d yo nt h ei rs p e c t r u m ，t h ed s ca n dx r a yd i f f r a c t i o no ft a n n i n m o d i f i e dc h i t o s a na n dt h ec o m p l e x e s ，i ts h o w e dt h a tt h et a n n i nh a sr e a c t e dw i t h c h i t i s a ns u c c e s s f u l l y t h et a n n i nm o d i f i e dc h i t o s a na n dl y s i n e ，g l y c i n ea n d g l u t a m i ca c i df o r mc o m p l e x e sv i ae l e c t r o s t a t i c si n t e r a c t i o ni nw a t e r t h et a n n i n m o d i f i e dc h i t o s a n l y s i n e c o m p l e x e sp r e s e n ta m o r p h o u ss t a t e ，t h et a n n i n m o d i f i e d c h i t o s a n g l y c i n e a n dt a n n i nm o d i f i e d c h i t o s a n - g l u t a m i c a c i d c o m p l e x e sp r e s e n tt r e ec r y s t a l w i t ht h es t u d yo nt h eu v s p e c t r u mo ft a n n i nm o d i f i e dc h i t o s a na n dt h e c o m p l e x e s ，i ts h o w e dt h a tt h em a x i m u ma b s o r b a n c ei n c r e a s e dw i t ht h e i i i i n c r e a s e do ft h ec o n c e n t r a t i o no fa m i n oa c i d ，t h ea b s o r p t i o np e a ko fc o m p l e x e s w a sr e d s h i f t e d a n dt h ei n f l u e n c eo fl y s i n e ，g l y c i n ea n dg l u t a m i ca c i do l lu v a b s o r b a n c ed e c r e a s e ds u c c e s s i v e l y 晰t 1 1t h es t u d yo nt h eu vs p e c t r u mo ft a n n i nm o d i f i e dc h i t o s a na n dg e l a t i n ， i ts h o w e dt h a tw i t ht h ei n c r e a s e do ft h ec o n c e n t r a t i o no ft a n n i nm o d i f i e d c h i t o s a n ，t h eg e l a t i ng e n e r a t e so b v i o u sh y p o c h r o m i ce f f e c t a n dt h ea b s o r p t i o n p e a ko fg e l a t i nw a sr e d - s h i f t e d 。t h ec o n f o r m a t i o no fg e l a t i nh a sc h a n g eb y t h e t a n n i nm o d i f i e dc h i t o s a nh a si n s e r t e di n t ot h eg e l a t i n w i t ht h es t u d yo nt h eu vs p e c t r u mo ft a n n i nm o d i f i e dc h i t o s a na n dd n a ， i ts h o w e dt h a tw i t ht h ei n c r e a s e do ft h ec o n c e n t r a t i o no ft a n n i nm o d i f i e d c h i t o s a n ，t h ed n ag e n e r a t e dh y p o c h r o m i ce f f e c t a n dt h ea b s o r p t i o np e a ko f d n aw a sr e d s h i f t e d t h ei n t e r m o l e c u l a rm o d e lo ft a n n i nm o d i f i e dc h i t o s a n a n dd n ai si n s e r t i o n k e yw o r d s ：c h i t o s a n ；t a n n i n ；a m i n oa c i d ；g e l a t i n ；d n a i v 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 鱼仫单 学位论文使用授权说明 。露年 | 月凹日 | 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文： 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 回旬时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 渺名即l 广7 日 广西大掌硕士掌位论文单宁改性壳聚糖一氨墓酸复合物的制- m - 与性能研究 1 1 壳聚糖 第一章前言 壳聚糖( c h i t o s a n ) 是一种结构多糖。广泛存在于虾，蟹等节足动物的壳体或者澡类的 细胞壁中。在自然界中，是地球上人类可利用的巨大自然资源，壳聚糖的年产量巨大， 仅次于纤维素。 人类从很早开始就开始利用壳聚糖了，壳聚糖通常也被称为脱乙酰甲壳素，甲壳素 ( c h i t i n ) 具有非常悠久的历史【1 2 】。1 8 1 1 年人类就从菇类中发现了甲壳素，1 8 2 3 年，又从 昆虫及虾、蟹壳中得到了甲壳素。壳聚糖是由甲壳素部分脱乙酰基后的产物，结构类似 于纤维素。甲壳素和壳聚糖的结构式见f i g 1 1 和f i g 1 2 。壳聚糖作为自然界存在的唯一 的碱性多糖，由于壳聚糖对人体的特殊生理作用，并具有无刺激性、无毒性等特性，是 一种可靠安全的天然生物活性多糖。科学家把壳聚糖继蛋白质、脂肪、糖、维生素、矿 物质之后的人体第六生命要素。同时，壳聚糖由于其可生物降解和良好的生物相容性、 成膜性，以及本身具有一定的疗效等特点，又可以作为一种新型的理想药物制剂辅料。 现在全世界从事壳聚糖及衍生物研究、开发的机构和企业数量非常多，许多国家纷纷加 大了对壳聚糖进行开发和研究的资金。目前，科学界对壳聚糖的研究已经取得了许多重 大的研究成果，壳聚糖已经大量应用于食品、医药，化工等行业。随着国际上先后召开 关于壳聚糖的会议，在世界范围内掀起了对壳聚糖及其衍生物进行研究和开发的高潮 【3 i l l o 1 1 1 壳聚糖的结构 甲壳素的分子结构式为： 广西大掌硕士掌位论文 单宁改性亮聚糖一氨基酸复合物的制奋与性矧啊f 究 c h ，o h i c = o 占h ， c h j c h ：o h i c d o i c 坞 o c 凡 l h 图1 1甲壳素的结构式 f i g 1 一lm o l e c u l a rs t r u c t u r eo fc h i t i n 壳聚糖( c h i t o s a n ，c t s ) 学名聚氨基葡萄糖，别名甲壳胺，又名可溶性甲壳质，是 甲壳素经脱乙酰化处理后的产物，化学名称为( 1 ，4 ) 聚2 氨基2 脱氧1 3 d 葡聚糖【1 2 】。 其结构式为： c h - , o h o o c h l o h 图1 - 2 壳聚糖的结构式 f i g 1 2m o l e c u l a rs t r u c t u r eo f c h i t o s a n h 1 1 2 壳聚糖的性质 壳聚糖通常呈现为白色半透明和略带珍珠光泽的固体，其分子量在数十万到数百万 之间，分子量的大小与壳聚糖的来源及制备工艺有关。壳聚糖分子中存在大量的氢键， 包括分子内氢键和分子间氢键，壳聚糖容易形成结晶区。这使得壳聚糖也不溶于水和一 般的有机溶剂，只溶于稀酸和浓碱和某些有机酸【1 3 】，因为它的分子链上有许多游离氨基， 2 广西大d n 炙士掣q 立论文 单宁改性壳聚糟一氨基酸复合物的制备与性能研究 作为一种带阳离子的聚电解质，壳聚糖能从酸性溶液中结合一个氢质子，同时溶于水中 其p 勋值约为6 5 。壳聚糖的溶解度与其脱乙酰度、分子量有关，壳聚糖分子中的氨基离 子化程度越高，就越溶于水。由于壳聚糖分子内和分子问存在氢键，壳聚糖分子结合在 一起比较紧密，因此，壳聚糖分子量越大，在水中的溶解度越小。 壳聚糖含有大量的伯羟基、仲羟基和伯氨基基团，它们可以发生多种衍生化反应， 得到多种不同的的壳聚糖衍生物产品。，壳聚糖作为一种多聚阳离子还可以和多聚阴离 子形成多聚电解质复合物【1 4 1 。除此之外，壳聚糖还可以与脂肪结合，还可以与蛋白质以 共价键结合【1 5 】。 但壳聚糖作为一种天然高分子，由于来源不同，分子量不同，脱乙酰度不同，都对 它的应用产生影响。我国拥有漫长的海岸线，壳聚糖资源丰富。但是我国加工壳聚糖的 企业规模都较小，产品的档次也较低，所生产的壳聚糖产品大多以低价出口到国外进行 深加工。近年来，对壳聚糖的研究正逐步引起了我国科技工作者的重视。 1 1 3 壳聚糖的应用 壳聚糖无毒，抗菌，有很好的生物相容性和生物吸收性，可以用来制备生物可吸收 材料，壳聚糖是位于蛋白质之后含氮量最高的含氮有机物，正因为壳聚糖的这些结构特 征，使壳聚糖及其衍生物具有许多独特的生物功能和性质，并被大范围应用于轻工、食 品，医药以及化工等行业【1 6 之们。 一、在纺织工业领域的应用 壳聚糖有非常明显的杀菌作用，可减弱细菌对人体的侵害。且由于壳聚糖不溶解于 水，因此在衣物经多次洗涤后，其抗菌效果也不会下降。对经壳聚糖处理后的衣物的抗 菌性进行测试结果表明，壳聚糖与棉织物中的纤维素是通过氢键结合的，并在一定程度 发生了化学反应，形成交联产物，衣物的抗菌性与壳聚糖分子量的大小和脱乙酰度的高 低有关【2 1 1 。 衣服一般是由纤维材料制备，壳聚糖分子和纤维素分子极为相似，但所带的电荷不 同，研究表明，壳聚糖和纤维素具有很好的亲和力【2 2 1 。因此，采用一定的工艺，对衣物 进行浸轧处理，可提高织物的抗折皱性能。并且在防皱整理过程中，由于壳聚糖无毒、 无环境污染，与一般的含有甲醛的折皱处理剂相比，整理后的织物具有更好的性能，其 白度，耐用性都有一定程度的提高。 二、在食品、日用品领域的应用 3 g - 西大学硕士学位论文单宁改性壳聚i 謇一氨墓酸复合物的制备与性期臼井究 壳聚糖具有很好的无毒性和生物功能性，在食品工业中，壳聚糖有很广泛的用途， 作为一种安全的食品添加剂，壳聚糖的应用潜力非常大【2 3 j 。由于壳聚糖的安全性、无毒 性和可被生物降解性，在一些食品的保鲜研究方面也越来越受到许多学者的青睐。 三、在环保领域的应用 壳聚糖无毒性，因此，由壳聚糖制备的纤维制品对人体也是安全的，并对环境无污 染，因此是一种真正的安全环保纤维 2 4 1 。同时，对铬、镍、铜、铅、银等重金属离子具 有吸附螯合作用以及离子交换作用，壳聚糖也是一种天然高分子絮凝剂，可以用于处理 工业重金属废水，处理含有蛋白质、吸附染料、氨基酸、卤素等的工业废水，还可以用 于净化自来水，以及在金属冶炼中用于分离金属离子。壳聚糖作为一种可生物降解天然 高分子材料，可以用于解决当今热点的环境保护问题，成为了当代研究的热门材料。叶 筠等【2 5 1 用壳聚糖季铵盐处理炼油厂的工业废水，发现其不仅絮凝效果良好，还且有较好 的杀菌作用。壳聚糖及其衍生物，不仅可以用于金属离子的吸附处理，也可以用于提取 一些贵重金属，例如从海水中提铀元素1 2 2 7 1 。另外，以壳聚糖为原料制备的膜，不仅无 毒、无副作用，其生产工艺也比较简单，与一般的薄膜相比，不仅生产工艺的成本比较 低，在应用效果上，还可以用于污水处理方面【2 8 1 。因此，在环保方面，壳聚糖用其衍 生物正越来越广泛的被重视起来。 四、在生物医学领域的应用 ( 1 ) 医用敷料：由于具有良好的、天然的生物相容性，无毒性的特点，这些正是 医用高分子材料所期望的优良性能。甲壳素、壳聚糖及其衍生物可以通过粉、膜、无纺 布、胶带、溶液、绷带、干凝胶、水凝胶、洗液、棉纸、乳膏等多种形式制成伤口敷料， 还可以制备外科手术缝合线、伤口敷料和隐形眼睛等，目前已经成为甲壳素和壳聚糖研 究的热点话题【2 9 1 。壳聚糖具有优良的生物组织相容性，杀菌作用，以及可被生物的吸收 性。已经广泛应用于医用敷料，如人造皮肤，医用纤维，凝胶海绵等。壳聚糖还可用于 伤口填料物质，促进伤口愈合、具有杀菌、吸收伤口渗出物、不易脱水收缩，减少疤痕 的生成等作用3 0 1 。 ( 2 ) 仿制人造器官：壳聚糖用于人造皮肤，人工透析膜等人造器官。目前临床上 应用的透析膜有铜氨纤维素膜和聚丙烯膜等，这些膜存在着抗凝血性能差，相对分子质 量物质透过性差的缺点。为了改善这些缺点，用壳聚糖制备的人工透析膜的抗凝血性明 显提高【3 2 1 。另外，用壳聚糖为原料制备的手术缝合线，当伤口愈合后手术线很快被吸收 掉，这样就解除了患者再一次经过拆线的痛苦。用壳聚糖制备的手术缝合线具有力学性 4 广西大掌硕士学位嵌咒赶单宁改性亮聚u l - 一氨墓酸复合物的制j r 与性能研究 能良好，打结不易脱滑，其拉伸强度也比合成的线要好。 ( 3 ) 药物制剂：在药物制剂方面，壳聚糖也表现出十分广泛的应用前景，可用于 多种药物剂型。目前，壳聚糖及其衍生物的研究越来越被重视，在其应用方面也得到了 很大的发展，在其医药应用领域上也不断的得到拓展，应用领域越来越宽。因此，由于 壳聚糖所具有很好的生物相容性，且无毒性，能被生物体完全吸收，用它作药物缓释剂 具有很大的优越性。 但壳聚糖作为一种天然高分子，在应用上同时也存在不足。壳聚糖中大分子具有稳 定的晶体结构，且大分子之间存在较强的氢键，因此，它具有稳定的物理、化学性质。 常温下，壳聚糖既不溶于水、稀碱和一般的有机溶剂，这给壳聚糖的应用造成了不便。 因此，为了改善壳聚糖的应用，人们通过应用改性的方法来制备壳聚糖衍生物，进而改 变其溶解性和化学性质，拓展壳聚糖的应用领域，提高壳聚糖的应用价值。 1 2 壳聚糖衍生物 壳聚糖中含有一、二级羟基和一级氨基基团，由于这些官能团，壳聚糖表现出许多 独特的化学性质，并可以各种衍生化反应，得到许多不能功能的衍生物产品。 1 2 1 壳聚糖的化学改性 ( 1 ) 主链的水解反应 壳聚糖的反应性及其活性与壳聚糖的分子量密切相关，因此，不同分子量的壳聚糖， 具有许多不同的反应性和生物活性。近年来，壳寡糖( 也称低聚壳聚糖) 的制备及其性 质研究正越来越受到科研人员的重视，并有了许多重要的成果。壳寡糖主要通过壳聚糖 的水解反应制备得到的。 壳聚糖的降解方法分为几类，主要包括酸解法、酶解法、氧化降解法和辐射降解法。 其中，酶降解法通过糖苷键的断裂来反应，其优点是副反应少，纯度较高，但由于效率 较低这一缺点，目前很难实现生产的大规模化。选用不同酶的种类和不同的反应条件， 就可以制备得到不同聚合度的壳寡糖。能使壳聚糖发生降解的酶有很多种类，既可以选 择专一性的壳聚糖酶等，还有非专一性的纤维素酶。此外，还可以通过y 射线辐射法 制备壳寡糖。 ( 2 ) 酰化反应 壳聚糖的酰化反应是壳聚糖化学改性的重要方法之一。壳聚糖较难溶解，有时候反 5 广西大掌司l 士掌位论文 革宁改性壳聚糖一氨墓酸，l 合物的制鲁与性能研究 应是在非均相的条件中进行的。一般情况下，氨基的酰化能力比羟基的酰化能力强得多。 通过酰化反应，可以在壳聚糖上导入不同功能的基团，从而改善壳聚糖的性质，从而拓 展它的应用领域。 为了确保氨基不被酰化，控制壳聚糖的酰化反应只在羟基上进行，通常情况下可以 在反应前，先将壳聚糖分子链上的氨基用醛类保护起来，例如苯甲醛，再进行温和条件 下的酰化，酰化反应结束后再水解使氨基还原，从而脱掉保护基，得n o 酰化的产物。 在壳聚糖进行酰化反应时，随着酰化试剂中脂肪链的增长，酰化反应的空间位阻效应显 著增大，酰化试剂的酰化能力越来越弱，酰化反应比较困难。因此，完全酰化反应必须 选择酰化能力比较强的酰化试剂，反应条件也应该选择较为激烈，这样，可以得到较为 完全的酰化反应。 ( 3 ) 酯化反应 甲壳素和壳聚糖的硫酸酯化反应，是较早采用的壳聚糖化学改性的方法，可以同时 在羟基和氨基生成酯键。壳聚糖经硫酸酯化后，分子链上引入了酯键，改变了它们的结 构，其衍生物的性质也有了很大的改变，通常此类化合物能显示出较好的抗凝血性能。 ( 4 ) 烷基化反应 壳聚糖分子中含有的羟基和氨基，都具有较强的亲核性，可以和很多烃基化试剂发 生化学反应，从而在壳聚糖分子中引入烷基。例如壳聚糖可以和卤代烃发生反应，首先 发生的是n 烷基化，o 烷基化次之，所得烷基化壳聚糖膜在乙醇一水溶液的膜渗透汽化 分离方面应用较多。 ( 6 ) 羧甲基化 壳聚糖在碱性条件下，与一氯乙酸发生反应可得到羧甲基化壳聚糖。羧甲基化壳聚 糖具有聚电解质性能，对一些蛋白显示出强烈的吸附性能。与制备羧甲基纤维素相似， 在壳聚糖和甲壳素分子中引入羧甲基基团可以得到带负电荷的衍生物。由于在反应过程 中伴随着脱乙酰反应，因此有相当多的氨基存在，产物为可溶于水的聚两性电解质，其 在生物材料方面具有潜在的应用价值。壳聚糖与乙醛酸发生反应后，得到的羧甲基化壳 聚糖具有杀菌作用，可以用作日用品，化妆品的添加剂。羧丁基壳聚糖能溶于水或乙醇， 它具有非常强的杀菌作用，也可以用于一些医用材料，和一些功能化的化妆品中。 1 2 2 壳聚糖衍生物的研究现状 壳聚糖具有可生物降解以及生物相容性好等诸多优点，是一种来源非常广泛的天然 6 广西大学硕士掌位论文 簟宁改性亮聚l 鲁一氨囊0 酸复合物的制备与性能研究 多糖类高分子，但它作为天然高分子，同时也有应用上的缺点，其结晶度高，一般溶液 中的溶解性差，从而限制了它的加工，提高了加工的成本，大大限制了它的应用范围。 通过化学改性的方法，在壳聚糖分子中有选择性地引入具有某种特殊功能的合成高分 子，可有效地改善壳聚糖的性能，此举将极大拓宽壳聚糖的应用范围，提高天然高分子 的综合利用率，实现天然资源利用的良性循环。因此，壳聚糖的化学改性近年来越来越 受到人们的重视【3 粥。 通过化学改性制备壳聚糖衍生物，可以改善壳聚糖应用上的不足。壳聚糖来源广泛， 但是价格昂贵，如何更好的拓展壳聚糖衍生物的应用领域，更好的实现壳聚糖的应用价 值，是研究壳聚糖衍生物的一个重要方向。因此，为了克服壳聚糖在应用上的不足，深 入研究壳聚糖衍生物的制备及其性能，可以为壳聚糖在更大范围的应用提供更大的空 间。 1 3 单宁 单宁是一种多酚类物质，相对分子量一般在6 0 0 , - - - 3 0 0 0 之间( 结构见图1 1 ) ，分子式 为c 7 6 h 5 2 0 4 6 ，单宁容易溶于水、醇、酮溶剂中，不溶于醚、氯仿等大部分的有机溶剂。 单宁能够和蛋白质显示出强烈的相互作用，对蛋白质有强烈的絮凝沉淀作用。单宁容被 氧化，在空气中就能被氧化，单宁分子中有酚基和羧基而显示出弱酸性。因此，利用单 宁的这些化学性质，在不同的领域中，单宁都得到了大范围的应用【3 4 】。 厂器 l 式中r 为： 舶 一o 0 h 卢憾 1 3 1 单宁的化学性质 ( 1 ) 与蛋白质的作用 早在1 9 8 0 年，科研人员就研究了植物多酚与蛋白质相互发生作用的机理，并提出 了相互反应的模式：单宁中的多酚先通过疏水键向蛋白质分子表面靠近，然后多酚分子 7 ，p 广西大学硕士粤啊立论文单宁改性壳聚糖一氨墓酸复合物的制- i t 与性期弘升究 进入疏水带，通过多酚羟基中的氢键与蛋白质结合。植物多酚与生物碱、多糖甚至与核 酸、细胞膜等生物大分子发生作用的机理也与此相似。单宁呈涩性和收敛性，这是因为 单宁酸与蛋白质结合时，能使人体内的原生质凝固，从而具有涩性，单宁还具有抗病毒 和其它的一些活性。 ( 2 ) 抗氧化性 由于单宁分子中含有非常容易被氧化的多酚羟基，可被酚氧化酶氧化脱氢。单宁还 可以通过邻位二酚羟基与金属离子( 如铁离子和铜离子) 螯合，能够具有减弱金属离子 催化生成活性氧的反应的能力。由些可见，单宁还具有防止氧化、抑制自由基生成的功 能。 ( 3 ) 与金属离子的作用 由于单宁分子含有多个邻位酚羟基的结构，因此，单宁中的这些酚羟基可以与金 属离子发生络合反应。这些相邻的酚羟基能与氧以负离子的形式和金属离子形成稳定的 多元环螯合物，邻苯三酚结构中的第三个酚羟基虽然没有参与螯合，但可以促进另外两 个酚羟基的离解，从而促进螯合物的形成及稳定。单宁与金属离子螯合所形成的螯合物 一般都很稳定，并可以在一定的酸度下发生沉淀反应，如单宁和氯化铁发生反应后，可 生成黑色的沉淀。 1 3 2 单宁的化学改性 单宁具有十分独特的物理和化学性质。单宁本身是天然大分子物质，体积大，这样 容易从水中絮凝沉淀下来，单宁分子中水溶液中带有负电荷，具有动电电位，同时单宁 水溶液有半胶体溶液的性质，因此单宁可广泛用于饮用水、废水和工业废水处理。但天 然植物单宁作为一种天然高分子，同时也存在缺点，单宁分子电荷密度较小，性质多活 泼，很易发生氧化反应，或者降解反应，从而失去活性，导致絮凝效果不佳。人们为了 提高单宁的絮凝效果，通常将一些带电荷的基团通过化学反应引进单宁分子中，从而改 善单宁这一天然高分子作为絮凝剂使用的缺点，提高单宁的应用价值。经过化学改性的 单宁絮凝剂性质通常会比较稳定，并能够被生物降解，对环境不会再造成二次污染。目 前对单宁改性通常是通过三种方法：阳离子化、阴离子化、两性化。 ( 1 ) 阳离子化 单宁作为一种带有负电荷的絮凝剂，为了提高单宁作为对带有负电荷的带电粒子的 水进行处理的效果，可以通过改性，使单宁分子阳离子化，使单宁作为一种阳离子絮凝 8 g - 西大掌硕士掌位论文单宁改性亮聚l 鲁一氨墓酸复合物的制4 t - 与性能研究 剂。改性后的阳离子单宁通过可以和水中带负电荷微粒发生电荷中和，吸附以及正负电 荷的相互吸引作用，从而起到絮凝等作用，比较适合于处理含有大量有机物的工业废水 3 5 - 3 7 】 o ( 2 ) 阴离子化 单宁含有酚羟基、羧基等活性基团，水溶液有半胶体溶液的性质，脱粒带负电，能 与带正电荷粒子如金属离子悬浮颗粒络合形成稳定螯合物产生沉淀，因此可用来去除废 水中的有毒重金属离子【3 8 4 1 1 。 ( 3 ) 两性化 将单宁两性化，是指单宁分子中既带有阳离子基团又带有阴离子基团，阴离子可以 促进无机悬浮物的沉降，其阳离子可以捕捉水中的有机悬浮杂质，在处理许多其他絮凝 剂难以处理的水质时有很好的应用效果 4 2 , 4 3 】。两性化的单宁不仅具有阳离子絮凝剂的作 用，同时也具有阴离子絮凝剂的作用，拓展了其应用范围。 1 3 3 单宁的研究现状 纵观国内外关于单宁研究领域现状，对单宁的作用效果及其改性的研究成果不少， 但对于研究单宁结构及其性能之间的联系，目前在这方面的研究还相对较少，为了从分 子水平上认清单宁作为水处理剂的作用机理，有必要加强结构与性能之间的研究。单宁 分子中具有活泼的多酚羟基，分子构型也很独特。如果能加强其衍生化方面的研究，可 以得到一些生理活性、实用价值都比单宁更好、更高的水处理产品；从而提高单宁的应 用价值，也会更加扩大单宁的使用范围。 1 4 两性高分子絮凝剂 两性高分子絮凝剂是指在高分子链节上同时含有阴，阳两种离子基团的水溶性高分 子，与仅含有一种离子的水溶性阴离子或阳离子聚合物相比，由于它同时存在两种离子， 因此它的性能较为独特，其应用领域，应用效果也比一般的絮凝剂更好，正是具有这些 特点，两性高分子絮凝剂近年来正成为国内外研究的热点。近年来，两性高分子絮凝剂 在水处理方面的应用也得到了飞速的发展，理论的研究成果也非常丰富5 1 1 。 1 4 1 两性高分子絮凝剂的特点 由于两性高分子絮凝剂的链节上同时含有正，负两种电荷基团，例如两性聚丙烯酰 胺。早在十八世纪末，就已经通过a m 单体共聚制得非离子型的聚丙烯酰胺，然后又开 9 广西大国昀日n b 学位论文 单宁改性壳聚糖一氨基酸复合物的制r 与性能研究 发了阴离子型的聚丙烯酰胺，而后又开发了阳离子型的聚丙烯酰胺。到目前为止，对两 性聚丙烯酰胺的研究已经取得了许多重要的成果，两性聚丙烯酰胺在技术和经济上都已 经具有了工业价值，两性聚丙烯酰胺已广泛应用于水处理剂、造纸和新型油田高分子化 学剂等领域【5 2 5 6 。 随着工业的发展，工业废水的成分也越来越复杂，为了处理好这些废水，不对环境 造成污染，同时减少成本，必须找到一种合适的絮凝剂。因为传统的絮凝剂由于其结构 简单，应用范围单一等特点，也不能满足要求。同时，随着水质的同益复杂，对絮凝剂 提出了更高的要求。而两性高分子絮凝剂的出现正好满足了这种需求。其絮凝效果好、 操作简便，将会使工业废水的处理更加发展【5 7 1 。 随着人们生活水平的提高和环境意识的增强，对水的质量需求的提高，国内外各种 新型水处理剂的研究和开发均朝着高效、低毒、无公害方向发展，合成两性有机高分子 絮凝剂例如两性聚丙烯酰胺将是今后研究开发的重点，同时加强研究两性高分子絮凝剂 的作用效果与其结构的关系，将有助于开发出效果更好的两性高分子絮凝剂，从而更好 的推动社会的发展。 1 4 2 两性高分子絮凝剂研究现状 按来源来分，目前世界各国研制的两性高分子絮凝剂可分为天然分子改性和化学合 成两大类。天然改性类两性高分子絮凝剂包括两性淀粉、两性纤维索、两性植物胶等类 别。化学合成类两性高分子研究得比较多的是两性聚丙烯酰胺。世界各国对每个方向研 究的侧重点不同，也跟自身的条件有关。例如，对于玉米淀粉资源比较丰富的美国，对 两性淀粉的研究比较多，而海上资源比较丰富的日本等国则对壳聚糖类衍生物的研究比 较多【5 8 - 6 2 。 由于两性高分子絮凝剂具有阴、阳离子基团的特点，克服了单一的阳离子絮凝剂或 者阴离子絮凝剂单独作用造成的作用范围小的缺点，并具有电中和、吸附架桥的作用， 以及分子间的缠绕包裹作用，两性高分子絮凝剂不仅可用作絮凝剂、污泥脱水混凝剂、 吸附剂及金属离子鳌合剂等，还因为其较好的作用效果，p h 值适用范围宽，应用范围广 泛，越来越受到国内外研究人员的关注。 现在世界各国对两性高分子絮凝剂的研究越来越重视，成果也越来越丰富。但从研 究成果来看，大部分都是侧重于絮凝效果方面的研究，以及开发出新的两性高分子絮凝 剂，但是对于絮凝机理方面的研究则比较少，还不够深入，大部分研究成果仅仅对两性 1 0 广西大掌硕士d 啊止论文 单宁改性壳聚糟一氨| h 眨复合物的制j p 与性能研究 型高分子絮凝剂的作用机理还处在推测阶段。 1 5 本论文的研究的主要内容及意义 壳聚糖运用在医药、化妆、工业上等领域有很大的应用。用做水处理剂也很广泛。 水处理工程中重要组成部分的絮凝沉淀法，其处理效果的好坏很大程度上取决于絮凝剂 的性能。目前使用的絮凝剂主要分为无机和有机两大类，其中有机高分子絮凝剂与无机絮 凝剂相比，具有量少、适用范围广、受盐类及环境条件影响小、污泥量少、处理效果好等 优良性能，越来越引起人们的广泛关注。有机高分子絮凝剂可分为天然和合成两大类。合 成有机高分子絮凝剂由于残留单体有毒性，限制了它在食品加工、给水处理及发酵工业等 方面的发展。天然有机高分子经化学改性而成的絮凝剂，跟合成的有机高分子絮凝剂相比， 具有原料来源广，成本较低，无毒，易生物降解，可制得多功能絮凝剂等突出的特点。 国内外对于用壳聚糖来改性的研究很多，而很少有单宁接上壳聚糖的研究。通过壳 聚糖和单宁交联反应，可以制备得到两性高分子。一方面，通过交联反应，得到的两性 高分子分子量大，克服了单宁作为絮凝剂由于分子量过小导致的絮凝不完全的缺点；另 一方面，在壳聚糖分子中引入了单宁的多酚羟基和羧基，可以改善壳聚糖的溶解性能。 克服了壳聚糖与单宁作为单一絮凝剂应用范围小的缺点，从而具有更好的絮凝性能。 正是由于壳聚糖和单宁作为单一絮凝剂都具有应用范围单一，作用效果也不够理 想，但壳聚糖与单宁作为絮凝剂的优点和缺点又刚好互补，于是，本论文提出以单宁改 性壳聚糖，制备得既含有壳聚糖又含有单宁的两性高分子絮凝剂，研究其结构及性质， 为单宁改性壳聚糖作为一种新型的絮凝剂提供理论参考和实践依据。 本论文以壳聚糖和单宁为原料，合成得到单宁改性壳聚糖絮凝剂，并研究单宁改性 壳聚糖与不同的氨基酸形成复合物，研究复合物的组成以及分子间的作用模式和结晶性 能。并研究了和明胶的作用方式，分析单宁改性壳聚糖对明胶结构的影响。论文还研究 了单宁改性壳聚糖与与d n a 的作用模式。 本论文研究的主要内容： ( 1 ) 以壳聚糖和单宁为主要反应原料，合成得到单宁改性壳聚糖，应用红外光谱、 x 射线衍射分析，d s c 分析对合成的产物进行表征，研究其结构。 ( 2 ) 分别选用赖氨酸代表碱性氨基酸、甘氨酸代表中性氨基酸和谷氨酸代表酸性 氨基酸与单宁改性壳聚糖反应得到三种类型的单宁改性壳聚糖氨基酸复合物，利用红 外光谱、紫外光谱和x 衍射等方法分别研究了三种复合物的组成、分子间的作用模式 l l 广西大掌硕士掌位论文 单宁改性亮聚j 一氨| k 酸复合物的制鲁可性能研究 和复合物的结晶性能。 ( 3 ) 研究单宁改性壳聚糖分别与明胶和d n a 的作用。通过紫外分光光度计法，研 究单宁改性壳聚糖与明胶和d n a 作用时产生的吸光度的影响，分析单宁改性壳聚糖与 明胶和d n a 发生作用的模式。 1 2 * - 西大学硕士掌位论文 单宁改性壳聚i 一氨基酸复合物的制- i t 与性期p 井兜 2 1 前言 第二章单宁改性壳聚糖的制备与结构研究 壳聚糖的单元上有c 3 、c 6 位的羟基以及c 2 位的一级氨基，都具有很强的反应活性， 尤其是其氨基有一对孤对电子，具有很强的亲核性，因此可与许多烃基化试剂反应。为 了使壳聚糖上的反应只在羟基上进行，可预先将壳聚糖分子链上的氨基保护起来，再进 行温和条件下的酰化，酰化反应结束后再脱掉保护基，得到o 酰化的产物。一种保护方 法是使壳聚糖的氨基与苯甲醛反应形成席夫碱，反应生成的席夫碱在中性和碱性环境下 相当稳定，但是在酸性环境中则迅速水解，又恢复为游离的氨基。所以这一反应可用于 对壳聚糖的氨基进行保护，然后只定位在羟基上进行其他的化学修饰，这在壳聚糖的改 性研究中是非常有用的。 本论文实验在参考现有的改性壳聚糖方法中，用苯甲醛保护壳聚糖上的氨基，采用 乙二醛交联剂，将单宁接枝到壳聚糖分子中，待反应结束后，在酸性条件下恢复氨基。 从而达到保护壳聚糖中的氨基的目的。并运用红外光谱，x 射线衍射和差热分析手段， 对合成的单宁改性壳聚糖进行表征。 2 2 实验部分 2 2 1 实验试剂 壳聚糖( c s ) 苯甲醛 乙二醛 单宁 无水乙醇 盐酸 氢氧化钠 2 2 2 实验仪器 脱乙酰度( 8 0 3 2 ) 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 m 心0 0 4 n 电子分析天平 1 0 1 1 型干燥箱 1 3 浙江金壳化学有限公司 汕头西陇化工厂有限公司 汕头西陇化工厂有限公司 上海化学试剂采购供应站 汕头西陇化工厂有限公司 汕头西陇化工厂有限公司 汕头西陇化工厂有限公司 上海精密科学仪器有限公司 上海市实验食品总厂 广西大掌硕士掌位论文单宁改性壳聚糖一氨基酸复合物的制鲁与性能研究 s y p 型智能玻璃恒温水浴槽 f t i r - 8 4 0 0 傅立叶红外光谱仪 d 8a d v a n c e 型x 射线衍射仪 q 1 0 型d s c 澳u 定仪 2 2 3 实验方法 巩义市予华仪器有限现任公司 美国n i c o l e t 有限公司 德国b r u k e r 公司 美国t a 公司 2 2 3 1 壳聚糖分子量的测定 壳聚糖平均分子量的测定采用乌氏粘度计稀释法【1 2 1 ，通过测得特性粘度【r l 】，再根 据下面m a r k - - h o u w i n k 方程，计算粘均分子量( m 。) ： 【r i 】_ k m 伍 其中：k = i 8 1 1 0 刁，q = 0 9 3 2 2 3 2 壳聚糖脱乙酰度的测定 准确称量0 3 o 5g 壳聚糖样品，置于2 5 0m l 的锥形瓶中，加入o 1m o l l 1 盐酸标 准溶液3 0m l ，在2 5 下静置至完全溶解，力1 ：1 2 3 滴甲基橙指示剂，用0 1t o o l l 1 氢氧 化钠标准溶液滴定至终点。按照下面公式计算脱乙酰度： 肋= ! 里! 竺二里2 丝! 兰! q ：兰! 鱼l o o m 0 0 9 9 4 式中c l 一盐酸标准溶液的浓度，m o l l o c 厂氢氧化钠标准溶液的浓度，m o l l ； v l 一加入的盐酸标准溶液的体积，m l ： v 厂滴定耗用的氢氧化钠标准溶液的体积，m lo m 一样品重量，g ； 0 0 1 6 一与li i l llm o l l 盐酸溶液相当的氨基量，g 。 其中氢氧化钠用邻苯二甲酸氢钾基准物标定，酚酞为指示剂，盐酸用已标定的氢氧 化钠来标定。 2 2 3 3 席夫碱的制备 称取2g 壳聚糖( c s ) ，溶于2 0 0m l0 2m o l l 醋酸溶液，用氢氧化钠溶液调p h 至5 0 ， 反应温度7 0 ( 2 ，不断滴j j n 5g 苯甲醛，反应3h ，抽滤，洗涤，得到s c h i 仃碱。 2 2 3 4 单宁改性壳聚糖的制备 将壳聚糖s c h i f f 碱分散在水中，力i , k 2g 单宁，搅拌均匀，调p h 至5 0 ，加入4g g _ _ , - - 醛，反应温度7 0 ，反应3h ，抽滤，洗涤，酸泡8h ，得到单宁改性壳聚糖( m o d i f i e dc s ) 。 1 4 广西大掌硕士掌位论文簟宁改性壳聚糖一氨| 0 酸，0 合物的制鲁与性能研究 2 2 3 5 单宁改性壳聚糖的红外光谱分析 本实验采用型号为f t i r 8 4 0 0 傅立叶红外光谱仪( 美国n i c o l e t 有限公司) ，采用压片 法制各样品。用药匙取少量干燥单宁改性壳聚糖与约2 0 0m g 光谱纯k b r 粉末到玛瑙研钵 中，在红外灯下，将二者研磨2 5m i n ，加入到仪器配套的模具中压片，将已经压上样品 的模具放入红外光谱仪的光路中，即可测得样品的红外吸收光谱。 2 2 3 6 单宁改性壳聚糖的d s c 分析 采用美国t a 有限公司q i o 型d s c 澳t j 定仪进行测试。实验方法：用电子分析天平 称取3 1 0m g 样品，放入铝皿中，使样品均匀的分布在铝皿底部，盖上盖子，用压制器 冲压带有盖子的铝皿，次盖子压实。启运d s c 测定仪的电源稳定1 0r a i n 后，将已压好的 铝皿放入d s c i 贝i j 定仪样品室中，运行d s c 仪监控程序，设定各种参数，进行测试。 测试条件：升温速度1 0 m i n 1 测试范围3 0 4 5 0 2 2 3 7 单宁改性壳聚糖的x 射线衍射分析 采用德国b r u k e r 公司d 8a d v a n c e 型x 射线衍射仪测定单宁改性壳聚糖氨基酸复合 物的x 射线衍射谱图。 衍射条件：室温条件下，x 射线管为铜对阴极，n i 过滤器，电压4 0k v ，电流4 0m v ， 扫描速率4 。r n i n ，20 范围1 0 4 0 。 2 3 结果与讨论 2 3 1 壳聚糖分子量的测定 表2 - 1 壳聚糖浓度与粘度的关系 t a b l e2 - 1t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o n c e n t r a t i o na n dv i s c o s i t yo fc s 1 5 广西大掌硕士掌位论文簟宁改性壳聚栩f 一氨a k 酸复合物的t t o j 备与性能研究 1 0 0 0 9 0 0 00 0 0 0 5 0 0 0 l c ( g l ) o 0 0 1 5 0 0 0 2o 0 0 2 5 图2 - 1壳聚糖的浓度与粘度关系图 f i g 2 - 1 t h ec u r v eo fr e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o n c e n t r a t i o na n dv i s c o s i t yo fc s 根据实验数据，作出t 1 。加p 和l r n l 肌的图，如图2 1 所示。应用外推法推至c o ， 得到壳聚糖的特征粘度【