本科毕业论文---用响应面法优化在微波辐射下壳聚糖降解性能的研究.doc

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 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：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。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（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；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日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STUDY ON THE DEGRADABILITY OF CHITOSANUNDER MICROWAVE IRRADIATION*AbstractThe degradability of chitosan was studied under micro wave irradiation. The factors, such as the micro wave irradiating power, the irradiating time, and the pH, would influence the preparation of low-molecular weight chitosan. The results show that chitosan can be degraded into low-molecular weight chitosan which is less than 3000 under the condition that the pH was 7.6, the micro wav e irradiating power w as about 528W, and the irradiating time was 1.5 hours. The product possessed good property of repetition。Key words: micro wave irradiation，low-molecular weight chitosan;，the degree of deacetylation目录引言11 实验部分21. 1 实验仪器及药品21. 2 实验方法21. 2. 1 壳聚糖溶液的制备21. 2. 2 壳聚糖的微波降解21. 2. 3 脱乙酰度的测定21. 2. 4 相对分子质量的测定731. 2. 5 响应面分析因素水平的选取31.2 结果与分析32 结果与讨论62. 1 辐射功率对壳聚糖降解性能的影响62. 2 辐射时间对壳聚糖降解性能的影响62. 3 pH 值对壳聚糖降解性能的影响72. 4 pH 值为7 8 时反应时间对降解的影响72. 5 微波促进壳聚糖降解机理的探讨73 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-2位上的氨基反应活性大于基，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0.1mol/L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（1g/1L 甲基橙：1g/1L 苯胺蓝=1：2，体积比，其中苯胺蓝为水溶性）。用标准0.1mol/L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)0.016G100-W100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（9.941001. 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，按下式计算年均分子量M： =1.8110-3M0.931. 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-101X1时间/minX2功率/w X3酸碱度/10.5136715287.51.580081.2 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/hX2功率/wX3酸碱度/1Y脱乙酰度（%）10-1182200076301-1804-10-1925-1-108861108470-1-1918-101879-1-1-171100007611-1108712000761310-193141-1085151019416100991701189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 =+89.750.63X1+2.00X21.63X3+2.75X1X2+1.50X1X30.25X2X3+4.13X1210.62X222.88X32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, R2ad j= 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SSdfMFFP显著性模型648.44972.051.610.00289极显著X13.1313.130.0700.01801显著X232.00132.000.720.00432极显著X321.13121.130.470.0577不显著X1 X230.25130.250.680.00444极显著X1 X39.001 9.000.200.00696极显著X2X30.2510.250.870.0948不显著X1 X168.06168.061.520.00236极显著X2 X2451.561451.56 10.09 0.0192显著X3 X333.06133.060.740.0642不显著残差268.50744.75失拟69.75323.25纯误差0.00040.000总和718.1916p 0.01 为极显著水平； 0.01 p 0.05 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46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7.52 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t/min0135918306090脱乙酰度/ %51.256.372.979.493.796.999.8100100粘度/ ( mPas)10.29.88.57.87.57.06.86.56.1相对分子质量10-453.350.147.636.825.713.478.805.734.01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. 3 pH 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4 pH 值对壳聚糖降解性能的影响PH值1.632.304.285.507.277.427.979.4810.0013.6相对分子质量84.562.740.111.82.032.663.3714.320.726.9脱乙酰度100100100100100100100100100100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. 4 pH 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5 pH 值为7- 8 时反应时间对壳聚糖降解性能的影响t/min18306090pH值7.327.417.267.36相对分子质量74.39.195.372.45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) ： 84 89.4 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) ： 1 5.5 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( 1) ： 63 65.6 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。毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：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。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（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；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日致 谢时间飞逝，大学的学习生活很快就要过去，在这四年的学习生活中，收获了很多，而这些成绩的取得是和一直关心帮助我的人分不开的。首先非常感谢学校开设这个课题，为本人日后从事计算机方面的工作提供了经验，奠定了基础。本次毕业设计大概持续了半年，现在终于到结尾了。本次毕业设计是对我大学四年学习下来最好的检验。经过这次毕业设计，我的能力有了很大的提高，比如操作能力、分析问题的能力、合作精神、严谨的工作作风等方方面面都有很大的进步。这期间凝聚了很多人的心血，在此我表示由衷的感谢。没有他们的帮助，我将无法顺利完成这次设计。首先，我要特别感谢我的知道郭谦功老师对我的悉心指导，在我的论文书写及设计过程中给了我大量的帮助和指导，为我理清了设计思路和操作方法，并对我所做的课题提出了有效的改进方案。郭谦功老师渊博的知识、严谨的作风和诲人不倦的态度给我留下了深刻的印象。从他身上，我学到了许多能受益终生的东西。再次对周巍老师表示衷心的感谢。其次，我要感谢大学四年中所有的任课老师和辅导员在学习期间对我的严格要求，感谢他们对我学习上和生活上的帮助，使我了解了许多专业知识和为人的道理，能够在今后的生活道路上有继续奋斗的力量。另外，我还要感谢大学四年和我一起走过的同学朋友对我的关心与支持，与他们一起学习、生活，让我在大学期间生活的很充实，给我留下了很多难忘的回忆。最后，我要感谢我的父母对我的关系和理解，如果没有他们在我的学习生涯中的无私奉献和默默支持，我将无法顺利完成今天的学业。致 谢四年的大学生活就快走入尾声，我们的校园生活就要划上句号，心中是无尽的难舍与眷恋。从这里走出，对我的人生来说，将是踏上一个新的征程，要把所学的知识应用到实际工作中去。回首四年，取得了些许成绩，生活中有快乐也有艰辛。感谢老师四年来对我孜孜不倦的教诲，对我成长的关心和爱护。学友情深，情同兄妹。四年的风风雨雨，我们一同走过，充满着关爱，给我留下了值得珍藏的最美好的记忆。在我的十几年求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，无私的付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成完成学业，感激他们一直以来对我的抚养与培育。最后，我要特别感谢我的导师刘望蜀老师、和研究生助教吴子仪老师。是他们在我毕业的最后关头给了我们巨大的帮助与鼓励，给了我很多解决问题的思路，在此表示衷心的感激。老师们认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅。他无论在理论上还是在实践中，都给与我很大的帮助，使我得到不少的提高这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助，感谢他耐心的辅导。在论文的撰写过程中老师们给予我很大的帮助，帮助解决了不少的难点，使得论文能够及时完成，这里一并表示真诚的感谢。13