壳聚糖基生物功能材料研究及其应用

发布时间：2016-11-19 13:45

  本文关键词：半纤维素—壳聚糖基生物功能材料研究及其应用，由笔耕文化传播整理发布。

《武汉大学》 2014年

半纤维素—壳聚糖基生物功能材料研究及其应用

吴述平  

【摘要】：木质纤维素由纤维素、木质素和半纤维素组成,是自然界最丰富的生物资源。半纤维素是连接纤维素和木质素的一类杂聚多糖,由于其分子的异质性、多分散性,分枝度高和无定形结构,从而造成半纤维素基础理论研究的困难,限制了它的研究与开发。另一方面,壳聚糖是第二大生物资源甲壳素的N-脱乙酰基的产物,是唯一大量存在的碱性多糖。由于它具有抗菌、无毒、生物相容性和可生物降解等优点而广泛应用于医药、食品、化妆品、农业、环保和纺织等领域。因此,利用壳聚糖改性半纤维素,将为后继的高值化利用开辟新途径。本论文基于壳聚糖分子中活性氨基可与半纤维素分子的末端还原羰基发生美拉德反应(Maillard reaction),通过调控反应过程得到具有新功能的生物基材料和生化制品。进一步拓宽半纤维素的深入研发与应用范围。 本文主要以半纤维素木聚糖和壳聚糖及其衍生物为原料,通过调控美拉德反应构建新产物,并研究复合材料结构与性能的构效关系。本论文的主要创新点包括：(1)考察四种不同来源半纤维素的分子结构特性,首次确证了玉米芯中半纤维素的支链杂多糖其支化度为最低,分子量较小,导致空间位阻小,从而有利于进行Maillard反应；(2)成功实现了半纤维素和壳聚糖及其衍生物的Maillard反应,并通过调控实验参数首次制备出优良抗菌、抗氧化性能的半纤维素-壳寡糖-锌复合物；(3)基于半纤维素与壳聚糖(或羧甲基壳聚糖)的席夫碱反应和固液界面白组装成胶束的作用构建出具有高效止血和广谱抗菌功能的半纤维素／壳聚糖(或羧甲基壳聚糖)／纳米Ti02杂化材料；(4)基于Ti02纳米粒子的多孔结构和亲合性,创建具有高效重金属吸附能力的半纤维素／壳聚糖／纳米Ti02复合物,该材料显示出对多元素重金属复合污染,特别是对Cr6+和Hg2+的高效去除能力。 本学位论文主要研究内容与结果包括以下四部分。 不同来源半纤维素的分离、纯化及结构鉴定为筛选适合Maillard反应的半纤维素,采用碱液溶解法分别从玉米芯、竹木、杉木和黑杨植物中提取出半纤维素,并用15%～90%的乙醇溶液对半纤维素进行分级沉淀,得到17种组分。通过高效阴离子交换色谱(HPAEC),凝胶渗透色谱(GPC),静态光散射(SLS),红外光谱(FT-IR),核磁共振(1H、13CNMR)以及热重分析(TGA)等技术分析半纤维素的化学成分,分子量,结构和热稳定性。结果表明,四种来源的半纤维素均以D-木糖基为主链,而侧链和支化度则有显著差异。其中,玉米芯半纤维素的侧链基主要为阿拉伯糖-4-O-甲基葡萄糖醛酸,竹木半纤维素以阿拉伯糖基为侧链,杉木半纤维素的侧链主要为L-阿拉伯糖基-4-O-甲基葡萄糖醛酸,杨木半纤维素以O-乙酰基-4-0-甲基葡萄糖醛酸基团为侧链。在所分离的几种半纤维素中,玉米芯半纤维素葡萄糖醛酸与木糖比值最小,具有较低的分枝度和分子量,显示较小的空间位阻能顺利进行Maillard反应。从而选定玉米芯直链性半纤维素作为反应物。此外,还发现木材中半纤维素的热稳定性要高于禾本科植物并随分子量增加而增加。 美拉德反应产物(MRPs)的抗氧化与抗菌活性研究首次成功实现了玉米芯半纤维素与壳聚糖及其衍生物的Maillard反应,并制备出木聚糖-壳聚糖,木聚糖-壳寡糖,木聚糖-氨基葡萄糖盐酸盐,木聚糖-牛磺酸与木聚糖-壳寡糖-锌复合材料,通过紫外吸收光谱(UV),褐变强度(Browning intensity),荧光变化(Fluorescence changes),红外光谱(FT-IR), X射线衍射(XRD),抗氧化能力(Antioxidant activity)和抗菌活性(Antimicrobial assessment)等方法研究了反应动力学及产物的结构与性能,并探讨了不同反应单体的分子量对Maillard反应及产物性能的影响。结果表明反应单体分子量越低,越有利于Maillard反应的进行。然而,反应单体分子量越高,产物的抗氧化能力越强。尤其,产物的抗菌活性随氨基含量的降低而下降。通过优化反应条件,得到抗菌、抗氧化性能优异的木聚糖-壳寡糖-锌复合物(XCGZC)。其抗氧化能力和抗菌活性分别是壳寡糖的2.5倍和5倍。木聚糖-壳寡糖-锌复合物对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌、沙门氏菌和巨大芽孢杆菌具有优良的抗菌性,其半数清除能力IC50为5.37mg/mL。由此,本工作为半纤维素的深入研发开辟了一条新路径。 半纤维素／壳聚糖复合材料构建及止血和抗菌功能利用壳聚糖及羧甲基壳聚糖分子链上氨基与半纤维素分子链上末端还原羰基发生席夫碱反应生成交联网络结构,然后与经表面活性剂十二烷基硫酸钠改性纳米二氧化钛复合构建新材料。该材料显示出优良的止血功能和抗菌活性。其中,半纤维素-壳聚糖-Ti02作为止血材料对兔耳动脉创面止血时间为1分钟,出血量仅为0.08g,明显优于市场上同类产品明胶海绵和止血海绵。实验证明该杂化材料的两组分协同叠加效应从而使其凝血和抗菌功能大为增强。同时,生物相容性试验显示该复合材料对人胚肺成纤维细胞(2BS)无细胞毒性,呈良好的生物相容性,对肺炎双球菌处理2小时后,其抑菌率接近100%。对金黄色葡萄球菌处理2小时,抑菌率为76%,而处理4小时,抑菌率达到接近100%。尤其,对巨大芽孢杆菌和变形杆菌处理2-4小时后,其抑菌率分别为84.93～86.76%和84.23～88.46%。大大拓宽了半纤维素在生物医用领域的应用。 基于半纤维素的多元素重金属多孔高效吸附材料的构建通过壳聚糖分子链上的氨基和木聚糖分子链末端还原羰基反应成功制备出木聚糖-壳聚糖-纳米Ti02杂化材料,它具有多重结构和众多吸附位点,而且改变Ti02纳米颗粒填料的含量可以改善木聚糖-壳聚糖的三维空间结构并增加复合物的吸附比表面积,构建出高效吸附材料。同时,利用FT-IR、TGA,比表面积测定仪(Brunauer-Emmett-Teller, BET),扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)研究木聚糖-壳聚糖-纳米Ti02杂化材料结构和性能。尤其,研究了木聚糖-壳聚糖-纳米TiO2杂化材料的溶胀性和对重金属离子Cu2+, Cr6+, Ni2+ , Cd2+和Hg2+的吸附功能,并探讨了pH,温度,接触时间和金属离子的初始浓度对这些重金属离子吸附的影响。最后通过Langmuir和Freundlich吸附模型分析吸附等温线和解释其吸附机理。发现木聚糖-壳聚糖-纳米Ti02杂化材料具有高度多孔结构,较大的比表面积以及对盐、pH的敏感性和高效吸附能力。用Langmuir模型证明该复合杂化材料的重金属吸附为单分子层吸附,而Freundlich参数n表明该杂化材料对金属离子在高浓度的条件下吸附更加有利。热动力学参数证明吸附过程是自然发生和吸热的,而且为准二级动力学模型表明化学吸附为离子扩散控制步骤。并且对多种元素复合物Cu2+, Cr6*, Ni2+, Cd2+和Hg2+等重金属离子具有优良吸附能力,其最大吸附量分别为158.7,97.1,96.2,78.1和76.3mg/g。同时经过四次吸附-解吸附循环后,对重金属吸附能力仍能保持80%。该杂化材料是一种可循环再生、高效、可选择性吸附的优良候选者,有望在废水处理和重金属污染的土壤修复等领域的应用。 本学位论文结合半纤维素与壳聚糖各自分子结构的特点及优势,成功利用Maillard反应构建出一系列半纤维素-壳聚糖基功能材料。同时弄清了复合材料的结构与性能之间的构效关系。这些基础研究结果为如何有效、高值化利用半纤维素构建新材料、生化制品提供新的方法和科学依据,显著拓宽了半纤维素在食品、生物医用、水处理等领域的应用。因此,本工作具有创新性、重要的学术价值和应用前景。

【关键词】：
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TB34
【目录】：

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本文编号：182702