响应面法优化超声波环境中壳聚糖的降解性研究本科论文.doc

本科毕业论文响应面法优化超声波环境中壳聚糖降解性的研究摘要：应用超声波辐射分别研究了甲壳素在水中和乙醇介质中脱乙酰反应，及在超声波环境中超声波对壳聚糖在乙酸溶液中降解的强化作用，并将其与无超声波辐射下甲壳素的脱乙酰反应进行了对比，结果表明：在水中和乙醇2种介质中超声波可以促进反应，在较低温度（45）的反应温度下即可提高产品脱乙酰度和粘度，超声波对水介质中的脱乙酰反应作用比在乙醇中更加显著，在水中反应6h，脱乙酰度可高达 98. 2% 。通过响应面法研究了超声波作用温度，作用强度，作用频率和作用时间等4因素对壳聚糖溶解性的显著影响。在4个影响壳聚糖降解的超声作用因素中，影响度最大的是超声作用强度，其次为作用频率、作用温度和作用时间。经响应面法处理数据，得出在超声波环境中壳聚糖溶解性的最佳的作用系数为：最佳作用温度为56.25，最佳作用功率为97.43W，最佳作用频率为19.81KHZ，最佳作用时间为53.75min。关键词：超声波，壳聚糖，乙醇，脱乙酰度，粘度Response Surface Method To Optimize The Ultrasonic Environment in The process Of Solubility Of Chitosan*AbstractThe ultrasonic radiation were applied to investigating deacetylation of chitin in the medium of water and ethanol, and the ultrasonic wave in the ultrasonic environment degradation of chitosan in acetic acid solution strengthening effect,(and the degradation strengthening function of the ultrasonic wave in ultrasinic environment to the chitosan in the acetic acid And then compared with the ultrasonic radiation chitin deacetylationthe reaction were , results show that: the ultrasonic waves can promote the reaction medium in water and ethanol, so improving the degree of deacetylation and a viscosity in the lower temperature (45) reaction temperature, but the reaction effect in the ultrasonic off the aqueous mediumacetylation is more obvious than in ethanol, 6h reaction in water, up to 98.2% degree of deacetylation. With the help of the response surface method,the writer have researched the temperature ,intensity,rate and time of the ultrasonic and what influence they have for chitosan solubeness.The four chitosan degradation ultrasound factors, the maximum degree of influence of ultrasonic intensity, followed by the role of frequency, the role of temperature and time. Response surface methodology process the data obtained in the ultrasonic environment chitosan solubility coefficient of action: the best role of temperature is 56.25 C, the best role of power is 97.43W, the best role frequenc is 19.81KHZ,the optimal duration of action is 53.75min.Key words: ultrasonic,chitosan,ethanol,The deacelation degree,viscosity目录引言11材料与方法2 1.1实验材料和仪器2 1.2超声波环境中制备壳聚糖2 1.2 .1甲壳素的脱乙酰反应2 1.2. 2 壳聚糖特性粘度的测定2 1.3 响应面法优化超声波对壳聚糖在乙酸溶液中的降解作用2 1.3.1超声波的作用温度、作用功率、作用频率和作用时间等4个作用因素的响应面试验2 1.3.2各主要超声作用因素对壳聚糖粘度变化的影响22 结果与分析3 2.1超声波对甲壳素在不同介质中脱乙酰度的影响3 2.2超声波对壳聚糖在不同介质中粘度的影响3 2.2.1在不同反应介质中，超声波对特性粘度的影响3 2.2.2超声波对壳聚糖粘度影响的分析4 2.3各因素对超声波环境中壳聚糖溶解性的影响4 2.3.1各主要超声作用因素对壳聚糖粘度的影响4 2.3.2各主要超声作用因素对壳聚糖粘度的影响实验结果5 2.3.3各主要超声作用因素对壳聚糖粘度的影响实验结果分析6 2.4用响应面法来分析壳聚糖在乙酸溶液中溶解性的试验数据83 小结9参考文献10致谢词10引言壳聚糖，又称脱乙酰甲壳素、甲壳胺，是对甲壳素进行一定程度的脱乙酰而得到的。而甲壳素，又名甲壳质，几丁质，它大量存在于海洋节肢动物，如虾、蟹的甲壳之中，也存在于菌类、昆虫类、藻类细胞膜和高等植物的细胞壁中，如酵母，真菌细胞中，分布极其广泛，是自然界第二大纤维来源。由于甲壳素分子内和分子间的氢键相互作用，形成了有序的分子结构，溶解性能很差，极大地限制了它的应用1。甲壳素经脱乙酰化处理的产物壳聚糖，由于其分子结构中有大量游离氨基酸的存在，溶解性能大大增强，具有一些独特的物化性质和生理功能，例如免疫活性，抑菌活性，壳聚糖具有增强抗肿瘤药物作用，对胆固醇代谢调节作用 广泛应用于纺织、医药、造纸、化妆品、食品工业、水处理和生物技术等领域2。尤其是在食品领域更是得到了广泛的应用：液体处理剂，包括澄清糖汁，净化糖蜜，酒类除浊，果汁的澄清，果汁脱酸，防止酸沉淀，食品加工废水的处理，生物大分子的回收；添加剂，包括组织形成剂，增稠剂，制品凝固剂，可食薄膜；功能食品，包括减肥食品，用壳聚糖的油酸盐可制作色拉调味料等3。但是由于甲壳素分子中强氢健的作用，脱乙酰需要在高浓度的碱液中长时间作用，而且所得产品的脱乙酰度不高，粘度往往也较低，影响了产品的生产和应用。不少人对此进行了一些有益的探讨，如采用溶解沉淀法、醇介质法、微波法等，取得了一定的成效。采用超声波技术制备壳聚糖的研究目前较少，因此，我们根据甲壳素的结构和超声波的作用原理，在不同反应介质进行了甲壳素超声波脱乙酰反应的研究探索，并与常规的脱乙酰技术进行了对比。壳聚糖的溶解性很差，只在酸性溶液中缓慢溶解。这一点在很大程度上限制了壳聚糖的使用。增加壳聚糖溶解性的途径有两个：一是调整其脱乙酰度， 另一个是降低分子量4。目前降低分子量主要采用酶降解法和化学降解法。本试验的目的是考查超声辐射是否能显著促进壳聚糖在乙酸溶液中的降解，拟研究出一种经济环保的提高壳聚糖降解性的工艺。1材料与方法1.1实验材料和仪器实验材料及仪器有乙醇( 95V / V ) ，为化学纯试剂，甲壳素，氢氧化钠，浓盐酸、冰醋酸等均为分析纯试剂，恒温槽，HS6150超声清洗机( 功率范围：0250W，频率范围：14kHz22kHz)作为超声波幅射声源；RN 50-1 型落球式粘度计( 落球密度为 Q =s8. 27476g/ cm 3 ，直径（d = 0. 3213cm) 10%乙酸：由浓度为 36% 的市售乙酸稀释得到，电子称，普通秒表。1.2超声波环境中制备壳聚糖1.2 .1甲壳素的脱乙酰反应超声场中甲壳素脱乙酰反应。将甲壳素烘干，磨成粉未，分别称取5g ( 以 干 基 计，下 同 )于50mL50% 氢氧化钠溶液或加有 50mL 的 5% 氢氧化钠- 乙醇混合物中，加盖盖好，放入超声波仪中，在室温下分别反应 1h、2h、3h、4h、5h 和 6h。反应完毕后取出冷却至室温，过滤，用水反复冲洗至中性， 烘干， 待测。常规脱乙酰反应。将甲壳素烘干， 磨成粉未，分别称取 5g 于三口烧瓶中， 再加入 50 mL 50% 氢氧化钠溶液或加有 5% 的氢氧化钠- 乙醇混合物中，在回流条件下分别反应 1h、2h、3h、4h、5h 和 6h。反应完毕后取出冷却至室温，过滤，用水反复冲洗至中性，烘干，待测5。1.2. 2 壳聚糖特性粘度的测定称取 1g 左右的壳聚糖 (以干基计)于烧杯中，加入一定量的醋酸 (2% ) - 醋酸钠 ( 0 5% )混合溶液，搅拌使其溶解，观察其溶解性，在恒温槽中于30下用落球式粘度计测定壳聚糖醋酸溶液的特性粘度。甲壳素在脱乙酰过程中，分子链的离子密度增加，这对采用特性粘度法表示脱乙酰产物分子量的准确性有一定的影响。因此，我们在溶解壳聚糖的醋酸溶液中加入一定 0 .5% 的醋酸钠溶液以屏蔽离子密度对特性粘度的影响。这样结果能更好地反应产物分子量的大小6。1.3 响应面法优化超声波对壳聚糖在乙酸溶液中的降解作用1.3.1超声波的作用温度、作用功率、作用频率和作用时间等4个作用因素的响应面试验。对于有多个影响因素的实验，响应面法试验是一种结果精确而试验量又较少的方法。本试验对每个超声作用因素确定了3个影响水平，利用响应面法试验考察上述 4 个影响因素对壳聚糖降解作用的影响大小7。1.3.2各主要超声作用因素对壳聚糖粘度变化的影响壳聚糖按 1g / 120m l 的比例溶于 10% 乙酸溶液，待完全溶解后，移入声场中进行作用。到达预定时间后，移出声场，用落球式粘度计测定落球时间，算出粘度。粘度的计算按下式进行8：=2R2 (s-)gt/9L (Pa.s)式中， R 为落球半径( cm) ； t 为落球经过两刻度线间距离所需时间( s) ； L 为粘度管两刻度线间距离( cm ) ； g 为 9. 8m / s 2； s为落球密度( g / cm 3) ； 为溶液密度( g / cm 3) 。超声波作用温度T、作用功率P、作用频率F和作用时间T的响应面法试验， 2 结果与分析2.1超声波对甲壳素在不同介质中脱乙酰度的影响进行脱乙酰反应，分别在水和乙醇溶液中对甲壳素脱乙酰反应进行了对比，结果见图1。图1 超声波对脱乙酰度的影响比较图1中的曲线可知：无论是在乙醇介质还是在水介质中，超声波都可以促进反应，与常规方法相比，具有更高的脱乙酰度。但是超声波对水介质中的脱乙酰反应作用比在乙醇中更加显著，在水中反应6h，脱乙酰度可高达98. 2% 。究其原因，可能是超声波产生强烈的用，使壳聚糖破碎或者产生微隙，促进碱液的渗透。至于超声波对水介质中脱乙酰的促进作用强过乙醇介质中脱乙酰，可能与 2 个原因有关：一是乙醇与甲壳素和壳聚糖的极性相近有关，乙醇本身可以起到类似表面活性剂的作用，促进碱液的渗透，再引入超声波作用已经不明显了； 二是在超声波存在下，乙酰氨基的水解比醇解更容易进行或者在水介质中的碱液有效浓度更高有关9。2.2超声波对壳聚糖在不同介质中粘度的影响2.2.1在不同反应介质中，超声波对特性粘度的影响研究结果见图 2。图2 超声波对特性粘度的影响 从图2中可以看出：在相同的反应时间内，超声波有使壳聚糖降解的作用。但若以同样的脱乙酰产物为基准，在超声波乙醇作用下可以得到粘度更高的产物。2.2.2超声波对壳聚糖粘度影响的分析这可能是以下3方面原因作用的结果；一是超声波的空化作用，对液体介质中的固体颗粒有很强的粉碎作用，对溶解状态的高分子有相当的降解作用，会加速壳聚糖的降解，使产物的粘度变小，但是在强碱性介质中脱乙酰产物呈不溶状态，与溶解状态的高分子相比，超声波对壳聚糖的降解作用不是很大；二是超声波这种空化作用有利于碱液的渗透，促进脱乙酰反应；三是超声波作用于液体介质，有利于驱除介质中的溶解氧，在一定程度上可防止甲壳素在脱乙酰的过程中发生降解。研究表明，氧气是造成多糖在碱性介质中降解的主要原因。因此，综合超声波的3 种影响可知，适当控制反应时间，可以取得很好的脱乙酰效果。利用超声波进行脱乙酰反应，可提高反应速度，得到脱乙酰度较高的产物。在脱乙酰度相同的情况下，超声波作用所得产物的粘度较高。超声波在水介质中脱乙酰比在乙醇介质中有更大的促进作用。在超声波中脱乙酰，反应不用加热， 反应温和，对生产设备的要求也较低，是一种很有发展前途的制备壳聚糖的新技术10。2.3各因素对超声波环境中壳聚糖溶解性的影响2.3.1各主要超声作用因素对壳聚糖粘度的影响实验结果见表1（a）水平号1（-1）2（0）3（1）温度（）304560频率（khz）141822功率（w）2575125时间（t）153060表1（a）各因素水平表2.3.2各主要超声作用因素对壳聚糖粘度的影响实验结果在不同超声作用温度下壳聚糖溶液粘度变化曲线见图 3，其超声作用功率为 75W ，作用频率为 10kHz。；不同超声功率作用下壳聚糖溶液的粘度变化曲线见图 4 其超声作用频率为18kHz ，作用温度为 25，不同超声频率作用下壳聚糖溶液的粘度改变曲线见图 5，其超声作用功率为 75W，作用温度为 25。图 3不同超声作用温度T下壳聚糖溶液粘度变化曲线图4不同超声功率P作用下壳聚糖溶液的粘度变化曲线图 5不同超声频率F作用下壳聚糖溶液的粘度改变曲线2.3.3各主要超声作用因素对壳聚糖粘度的影响实验结果分析表1（b）响应面设计方案及分析结果实验号X1温度T（）X2频率FX3功率PX4时间tY粘度（pa.s）10-10-13.2211002.13-10104.5400002.5510105.661-1003.170-1015.3801104.29-100-12.3100-1102.61100004.212-1-1003.61300005.414-11003.4150-1-104.51600004.617-10013.61810012.41900-115.12001014.32101-105.422-10-103.62300112.524010-14.82500005.32610-104.32700-1-14.628001-11.329100-13.8运用Design-Expert软件实验数据进行回归分析，超声波作用功率，作用频率，作用时间，作用温度四个因素拟合二次项方程式是：Y =326.000+3.100X1+5.625X2+2.250X3+0.017X1X2+0.060X1X3+0.100X2X3+0.560X1X4+0.326X2X4+0.015X3X40.015X120.025X221.000X320.012X42多项方程式中，温度X1、频率X2、功率X3、时间X4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粘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，在壳聚糖含量、乙酸含量、存放时间和测定温度相同的条件下，壳聚糖分子量的降低反映在溶液粘度的降低。表 1（a）及表1（b）说明，超声作用因素显著性从大到小依次为；超声作用强度、作用频率、作用温度和作用时间，即X3X2X1X4根据表1（b），可以看出，以上实验处理中，最佳实验为5号试验，即当温度T为45，频率为18khz，功率为125W，时间为15min时时壳聚糖的粘度最高，达到5.6pa.s。粘度最低的为28号试验，当温度为60，频率为18khz，功率为125W，时间为30min时，壳聚糖的粘度为1.3pa.s。图3和图4图5表明超声作用强度的增大、作用频率的增加以及作用时间的延长将促进壳聚糖的降解。但是，如果将壳聚糖溶液粘度降低程度用 1/ G 表示，即超声作用后得到的粘度值 G越小，溶液粘度降低的程度越大。聚合物的降解意味着一条长分子链的断裂，壳聚糖大分子靠14苷键联结而成，14苷键大分子具有缩醛键的性质，对酸敏感，在酸性介质中易发生断裂。已经有实验证明，在未加声场作用的情况下，壳聚糖在酸性介质中的降解确是发生在 1-4 苷键上。目前，有两种观点解释声波的降解机制11 ，一种观点认为在声波作用下， 溶剂分子高速运动，对键发生剪切作用；另一种观点认为，是空腔爆裂时释放的冲击波能量才使聚合物降解，这两种机制都不能预言聚合物在声场作用下的断裂就一定在弱键上进行。在随后的试验中将证实声波对壳聚糖的降解作用，是否是由于强化了弱键的断裂。表1（c）响应面设计方案及分析结果变异来源平方和（SS）自由度（df）MFFP显著性X13.2113.211.120.0001X230.2130.212.700.0015X31600.00123.57.800.0001X416.8116.85.360.0003X1 X216.00116.005.320.1116X1 X31.0011.000.370.0032x1x44.0014.001.360.2762X2X352.36152.3616.800.0124X1 X142.28142.2813.250.5324X2 X231.56131.5610.370.3222X4 X485.32185.3228.370.0003X3 X469.23169.2323.650.0007模型683.001352.5418.260.0001残差16.0082.61失拟16.0043.45纯误差0.00020.000总和39p 0.01 为极显著水平，注为； 0.01 p 0.05 为不显著。2.4用响应面法来分析壳聚糖在乙酸溶液中溶解性的试验数据，得出如下的图标：图6：在响应面法中，超声波的频率F和温度T之间对壳聚糖溶解性的关系图7：在响应面法中超声波的作用温度T和作用时间t之间对壳聚糖溶解性的关系图8：在响应面法中超声波的作用功率P和作用频率F之间对壳聚糖溶解性的关系图9：在响应面法中，超声波的作用时间T和作用功率P之间对壳聚糖溶解性的关系图10：在响应面法中超声波的作用时间t和作用频率F之间对壳聚糖溶解性的关系3 小结（1）超声波对水介质中的脱乙酰反应作用比在乙醇中更加显著，反应6h， 脱乙酰度可高达 98 .2%。(2) 适当控制反应时间(6h)，可以取得很好的脱乙酰效果。(3) 超声作用能显著地促进壳聚糖在乙酸中的降解。(4) 在 4 个影响壳聚糖降解的超声作用因素中，影响度最大的是超声作用强度，其次为作用频率、作用温度和作用时间。(5) 壳聚糖降解程度随超声作用强度、声波频率以及作用时间的增加而增加； 随着温度的提高先降低后增加，即存在一个温度区（56左右)对壳聚糖的降解最有利。（6）经响应面法处理数据，得出在超声波环境中壳聚糖溶解性的最佳的作用系数为：最佳作用温度为56.25，最佳作用功率为97.43W，最佳作用频率为19.81KHZ，最佳作用时间为53.75min。参考文献1蒋挺大.壳聚糖M.北京市：化学工业出版社，2007：9-10.2壳聚糖. J.中国化工制造网.2013-01-8.3中国饲料工业网.壳聚糖及其在饲料工业中的应用前景M. 2003-08-26.4梁亮，崔英德，罗宗铭.微波新技术制备壳聚糖的研究J.广东工业大学学报， 1999， 16 ( 1) ：63 65.5王爱勤，俞贤达.溶解沉淀法制备高脱乙酰度壳聚糖J.精细化化工，1998，15 ( 6) ：17 19.6蔡中丽，马晓红，李细峰. J.低碱度甲壳素脱乙酰工艺及动力学研究 ，1998， ( 7) ：352 354.7汪志君.碱量法测定壳聚糖中的胺基M.化学世界，1986，( 1) ，22 23.8陈振宇，郭慎满.碱量法测定壳聚糖中胺基方法的改进J.化学通报，1990， ( 10) ：42 43.9郑连英，姚恕，刘茉娥.壳聚糖的质量分析和标准J.精细化工，1993，10 ( 1) ： 16 18.10王爱勤.水溶性甲壳素甲壳胺及其衍生物的制备与应用J.中国海洋药物， 1996，15( 3) ：3136.11傅献彩，陈瑞化.物理化学 M .人民教育出版社，1980：479. 致谢词在本论文完成之际，我要向所有帮助过我的老师、学长、同学表示衷心的感谢！首先，我要感谢我的导师陈春刚老师！本论文在写作过程中，自始至终都得到了陈老师的悉心指导。陈老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从外出实习到查阅资料，论文设计的确定和修改，整理中期检查，后期详细设计等整个过程中都给予了我悉心的指导。还要感谢大学四年来所有的老师这四年来对我的热心帮助和悉心教诲；同时感谢我亲爱的同窗好友们，正是由于你们的支持和鼓励，此次毕业设计才会顺利完成；最后要感谢河南科技学院四年来对我的大力栽培，在这里请接受我真诚的谢意诚挚的祝福！论文的完成是大学四年学术生活的一个句点，回顾四年以来，真是庆幸遇见了诲人不倦的老师、同舟共济的同学，你们的指导与帮助我会永远铭记！论文还存在不足之处，恳请老师给予批评、指正！10