可德膠的磺酸化改性及產物物化性能的研究【畢業(yè)論文】

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　　（20 屆）</b></p><p>　　可德膠的磺酸化改性及產物物化性能的研究</p><p><b>　　專業(yè)：應用化學</b></p><p>　　摘 要：可德膠是一種由微生物發(fā)酵得到天然

2、的直鏈型多糖。其在不同溫度下受熱，膠可形成熱可逆及熱不可逆凝膠，在食品及醫(yī)藥等領域有重要的應用。但可德膠不溶于水，這限制了它的廣泛應用。因此對可德膠進行化學改性來擴大其應用范圍，成為可德膠生物活性研究的重要方向之一。本實驗通過磺酸對這種不溶于水的葡聚糖進行化學改性。通過紅外和DSC的實驗手段來表征衍生物的結構并分析，以及對可德膠衍生物性能的了解。</p><p>　　關鍵詞：可德膠；改性；磺酸化；表征</p

3、><p>　　Prepareation on Curdlan Modified by Sulphonic Acid and Study on Its Physical and Chemical Properties </p><p>　　Abstract：Curdlan is a kind of natural straight chain polysaccharide which is pr

4、oduced by microbes fermention. When it is heated at different temperatures, curdlan can form thermal reversible or irreversible gel. It has been widely used in many important fields, such as food and medicine areas. But

5、curdlan is insoluble in water, which restricts it's the better application. For this reason, in order to expand its scope of application, chemical modification of curdlan has been an important research</p><

6、;p>　　Key words：Curdlan；prepareation；sulphonic acid；characterization</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 概述1</b></p><p>　　1.1 可德膠的性質1</p><p>

7、　　1.2 可德膠的應用1</p><p>　　1.2.1食品工業(yè)2</p><p>　　1.2.2醫(yī)藥行業(yè)2</p><p>　　1.2.3其他工業(yè)2</p><p>　　1.3可德膠化學改性的研究進展3</p><p>　　1.3.1可德膠主鏈水解3</p><p>　　1.3.

8、2磺酸化衍生物3</p><p>　　1.3.3羧甲基化衍生物3</p><p><b>　　2實驗部分3</b></p><p>　　2.1實驗藥品和儀器3</p><p><b>　　2.2實驗步驟4</b></p><p>　　2.2.1可德膠溶劑DMSO的干

9、燥4</p><p>　　2.2.2可德膠衍生物的制備4</p><p>　　2.2.3紅外光譜分析5</p><p>　　2.2.4熱分析5</p><p>　　2.2.5改性產物溶解性測試6</p><p><b>　　3 結果與討論6</b></p><p&g

10、t;　　3.1紅外光譜分析6</p><p>　　3.2 樣品的DSC分析6</p><p>　　3.3衍生物反應條件及溶解性7</p><p><b>　　4 結論8</b></p><p><b>　　參考文獻：8</b></p><p>　　致謝錯誤!未定義

11、書簽。</p><p><b>　　1 概述</b></p><p>　　1.1 可德膠的性質</p><p>　　多糖是一類重要的生物大分子，其資源豐富、來源廣泛，可從陸地植物、海藻中提取。植物的骨架維素、糖原、昆蟲與節(jié)肢動物的甲殼質、植物的粘液、樹膠和果膠等許多物質都是由多糖組成的。多糖在生物體內發(fā)揮著極其重要的功能。多糖種類繁多，可德膠（

12、Curdlan）是由產堿桿菌（Alcaligenes faecalis）發(fā)酵產生的微生物多糖[1]。該多糖無支鏈，是直鏈型的一種全部由1,3-β-D-葡聚糖苷建組成的聚合物。其具有生物活性已被廣泛認為是葡聚糖的通性。在自然狀態(tài)下，可德膠是以圓環(huán)狀的小顆粒形式存在的，與淀粉的結構相類似?？傻履z工藝流程的通常制備方法：培養(yǎng)基發(fā)酵→溶于堿溶液→純化→干燥→可德膠[2]。其分子式為(C6H12O6)n，相對分子量約為7.4×104，平

13、均聚合度約為450。</p><p>　　根據(jù)其在不同溫度下加熱，可德膠可形成熱可逆及熱不可逆凝膠[3]。在干燥的狀態(tài)下可德膠是一種流動性極好的無臭、無味、無毒的白色或灰白色粉末固體?？砷L期存在于聚乙烯袋中，不會失去凝膠化特性。但可德膠不能被人體吸收、消化，不產生熱量。研究表明[4]，可德膠本身是否致癌，有沒有動物體突變反應等問題進行了安全性測試。證實了人體食用可德膠也不會導致癌變及誘變性等疾病的發(fā)生。</

14、p><p>　　圖1-1 可德膠的分子結構式</p><p>　　可德膠具有抗凍融性，在冷凍和解凍下均能保持穩(wěn)定的特性，從而使其在眾多的膠凝劑中脫穎而出。同時與其他凝膠類物質相比，可德膠得到的凝膠具有較好的抗脫水性?？傻履z還具有極好的高熱穩(wěn)定性，在130℃長時間加熱不破壞膠質，熔點高達140℃。不會變質、變味，這使得可德膠適合高溫殺菌食品和高溫下要求保持固定形狀的食品。</p>

15、<p>　　可德膠不溶于水、醇類等有機溶劑，但可溶于堿液、二甲基亞砜等中?？傻履z不溶于水，這限制了它的廣泛應用。因此對可德膠進行化學改性來擴大其應用范圍，成為可德膠生物活性研究的重要方向之一。</p><p>　　1.2 可德膠的應用</p><p>　　近年來可德膠已在醫(yī)藥、食品、其他工業(yè)等領域顯示出其獨特的應用價值。特別是在醫(yī)藥方面，自然界存在的多糖并不是都具有生物活性的。多

16、糖的生物活性可取決于多糖中一些特定的官能團，往往可以通過一定的化學改性方式進行添加或取消官能團。一些原來沒有活性的多糖經過衍生化后活性大大提高。近年來，對改善可德膠的水溶性的方法有很多，常用的可德膠的化學改性方法有磺酸化以及羧甲基化改性。對于這兩種改性的衍生物，已經被廣泛的用于抗腫瘤、抗HIV以及提高免疫力等許多領域。另外，羥乙基以及羥丙基化改性對于一些多糖而言也能夠增強水溶性以及提高抗腫瘤活性。</p><p>

17、;<b>　　1.2.1食品工業(yè)</b></p><p>　　可德膠由于自身的特性已被廣泛應用于食品工業(yè)各個領域中。一、可德膠凝膠與其它食品凝膠相比具有高熱穩(wěn)定性和抗凍融性，這些特性可使其在用于面條、火腿、果凍、油炸食品、冷凍食品等制作中可作為凝膠劑、粘合劑、增稠劑、穩(wěn)定劑等。比如在肉類制品加工的應用中，可以增加產量，減少加熱濕氣和細切片的裂縫；改善口感，使肉質更嫩軟，保持多汁的口感；減少脂

18、肪，使得肉更具彈性的口感，維持強化[5-6]。二、可德膠在高溫下仍可保持良好的形狀和特性。其應用于掛面時，不同添加量對于掛面質構、韌性都有一定的影響。實驗證明，采用食品物性測定儀研究發(fā)現(xiàn)掛面中添加可德膠可改善其咀嚼性、彈性以及韌性[7]。三、可德膠的熱穩(wěn)定性應用于冰淇淋，可穩(wěn)固其形狀。可德膠同時具有良好的耐冷凍性，可用于食用中的蔬菜、水果等食品的冷凍儲藏。由于可德膠不能直接被人體吸收利用，添加于食品中可降低熱量。</p>

19、<p><b>　　1.2.2醫(yī)藥行業(yè)</b></p><p>　　在我們的日常生活中，眾所周知糖是人類的能量物質和結構物質?？傻履z是多糖家族中的重要成員之一，目前對其分子機理并不清晰，但具有生物活性已被廣泛認為是該類多糖的通性。如具有抗腫瘤、抗細菌、抗病毒以及提高機體免疫力的生理功能?？梢杂绊懼惖拇x、盲腸內的微生物發(fā)酵及糞便內膽汁酸的排泄，從而降低血脂及體內膽固醇含量，同時對

20、于結腸癌也有很好的預防效果?？傻履z盡管與多糖藥物-香菇多糖具有相似的主鏈結構，卻沒有后者所具有的生物活性[8]。</p><p>　　自然界中，并不是所有的多糖都具有活性?？傻履z雖然與多糖藥物-香菇多糖具有類似的主鏈結構，但卻沒有后者具有的生物活性。可德膠經過磺酸化改性后，為聚陰離子化合物。其C-6支鏈衍生物可溶于水，具有抑制艾滋病病毒HIV活性，與常規(guī)的抗HIV藥物相比具有活性高、抗凝血副作用低的特點?？傻履z還

21、具有低毒性和顯著的抗孢子侵襲活性使其成為潛在的治療嚴重瘧疾的輔助手段。另外，可德膠先羧甲基化后，再用磺脲取代，接著與半乳糖共軛，得到水凝膠納米粒子，是一種藥物載體?？煽刂瓶拱┧幬锏尼尫?。線性的可德膠磺酸化衍生物具有強烈的抗凝血作用，可用作血漿抗凝劑防治血栓癥。</p><p>　　另外，多糖的羧甲基化可提高其水溶性，活性也明顯增強了?？傻履z羥乙基化衍生物可用作蛋白質藥物的輸送載體。</p><

22、p><b>　　1.2.3其他工業(yè)</b></p><p>　　由于可德膠自身不溶于水，可作為粘合劑用于魚飼料中，可克服飼料在水中溶化從而影響水質和飼料的質量的缺點。可德膠具有一定的韌性，還可添加于卷煙紙中，是紙張具有防水性，同時還具有一定的強度。在一定ppm的可德膠水懸浮液可除去溶液中的懸浮物，可應用到化工廠廢水的凈化處理。為了混凝土中防止水泥和小石塊的分離，可德膠可作為粘結劑來提高

23、性能。還可以替代土壤來生長水稻等植物；活性炭中添加可德膠作為涂層，可使具有更高的吸附性；作為速食品的添加劑使用等等。隨著對可德膠不斷的深入研究，它的獨特性使其在食品、醫(yī)藥和其他工業(yè)方面的應用將會越來越廣泛[9]。</p><p>　　1.3可德膠化學改性的研究進展</p><p>　　可德膠不溶于水，使其不能得到廣泛的應用。可德膠自身并沒有生物活性，取決于多糖中一些特定的官能團，可德膠分子

24、中存在大量的羥基，可以通過一定的化學改性方法引入不同的基團。往往這些基團的引入，不僅可以改善其水溶性，而且還可以使可德膠具有更多的生物活性[10]?？傻履z化學改性主要分三種：主鏈水解、磺酸化衍生物、羧甲基化衍生物。</p><p>　　1.3.1可德膠主鏈水解</p><p>　　可德膠具有較大的分子尺寸，其在水溶液中具有高粘度，不溶于水，因而其應用受到了限制。可以通過降低分子尺寸，同時使

25、其水溶液粘度的下降，來提高可德膠的使用價值。使其具有更優(yōu)良的生物活性，利用多糖的水解制備具有生物活性的寡聚糖受到越來越多的關注。</p><p>　　可德膠分子鏈間通過氫鍵形成三螺旋結構，水解難度較大。之前采用化學和物理兩種降解方法，通過實驗比較化學降解方法中。結果表明酸降解法，鹽降解法得到產率不高[11]。酶降解法因其高效性和專一性，降解產率較高。除了上述方法還有物理降解法如超聲降解法，制備得到低分子量的衍生物

26、[12]。</p><p>　　1.3.2磺酸化衍生物</p><p>　　自1987年發(fā)現(xiàn)磺酸化多糖衍生物具有抑制艾滋病病毒HIV活性。同時具有活性高、抗凝血副作用低的特點[12]。1990年，Uryu等首次發(fā)現(xiàn)具有線性1,3-β-D-葡聚糖主鏈的可德膠的磺酸化衍生物對HIV 具有很強的抑制作用，并利用13C NMR方法研究了HIV病毒蛋白質序列與磺酸化可德膠之間的相互作用，發(fā)展了一種揭

27、示磺酸化可德膠抗HIV 活性的方法。同時與常規(guī)的抗HIV藥物相比，磺酸化可德膠具有活性高、抗凝血副作用低的特點。用吡啶-磺酸作為磺酸化試劑，將磺酸基團選擇性地接枝于低分子量可德膠的6-羥基上, 制備了僅在6位取代的磺酸化可德膠。</p><p>　　1.3.3羧甲基化衍生物</p><p>　　羧甲基化改性也是多糖常用的化學改性方法，被認為是另一種體現(xiàn)多糖功能性特性的途徑。目前，大部分文獻

28、所使用的羧甲基化方法都借鑒了Sasaki等的方法。常選用異丙醇作為溶劑，30%（wt）的氫氧化鈉溶液作為親核試劑，使可德膠在50 ℃左右與氯乙酸進行取代反應，用透析法來純化產品，最后采用冷凍干燥獲得最終產物。</p><p>　　可德膠經羧甲基化改性后，溶解性及生物活性都有明顯提高。羧甲基可德膠（CMC）被認為具有良好的抗腫瘤活性。直接作用于小鼠的腹膜巨噬細胞和小鼠淋巴瘤P388D1細胞，同時還具有較強的免疫特性

29、。在化妝品中，它是一種生物反應修飾因子，可提高人體自身的防御機制[13-16]。</p><p>　　本研究目的就是通過可德膠的磺酸化改性，改善可德膠的水溶性，拓寬可德膠的應用范圍。</p><p><b>　　2實驗部分</b></p><p>　　2.1實驗藥品和儀器</p><p><b>　　表2-1實

30、驗藥品</b></p><p><b>　　表2-2實驗儀器</b></p><p><b>　　2.2實驗步驟</b></p><p>　　2.2.1可德膠溶劑DMSO的干燥</p><p>　　實驗中使用磺酸化試劑三氧化硫-吡啶復合物，遇水發(fā)生劇烈反應，水解成強酸性吡啶鹽，需在無水條

31、件進行反應。二甲亞砜作為實驗溶劑，是分析純，水分≤0.50%。故要對DMSO進行干燥處理。</p><p>　　用適量的氧化鈣干燥DMSO 2個小時以上，注意保持DMSO處于液體狀態(tài)→過濾→除去固體物質→無水DMSO。</p><p>　　2.2.2可德膠衍生物的制備</p><p>　　圖2-1為化學改性路線圖[13]。惰性氣體（氮氣）條件下，在250 mL三頸瓶

32、中，加入50 mL DMSO、0.5 g的可德膠，溶液通過磁力攪拌器分別在40℃、50℃、60℃、65℃和70℃水浴下攪拌9 h。之后各緩慢加入0.5 g三氧化硫-吡啶，并維持體系的穩(wěn)定繼續(xù)攪拌2 h，各制備條件明細見表2-1。</p><p>　　反應結束后，用水將溶液冷卻至室溫，然后用0.5 mol/L氫氧化鈉溶液中和。在室溫條件下，將所得溶液放在去離子水中透析。取出透析液，在50℃下旋轉蒸發(fā)濃縮。最后放入冷

33、凍干燥，得到產物，產物依次標記為：1#、2#、3#、4#、5#。</p><p>　　↓SO3 Pyridine </p><p>　　圖2-1磺酸化可德膠衍生物的合成路線（R= SO3Na or H）</p><p>　　表2-1可德膠化學改性反應條件</p><p>　　2.2.3紅外光譜分析</p><p>　

34、　紅外光譜用來表征原料、中間產物及最終產物的結構和主要官能團，并由此檢驗每個反應步驟的進行情況。</p><p>　　將可德膠、磺酸化衍生物樣品進行紅外光譜分析。固體樣品用KBr壓片法制作：取少量樣品于瑪瑙研缽中，加干燥的KBr粉末（KBr占98-99%）混合研磨，在壓片機上壓片后，放入機器內進行紅外分析。紅外光譜的掃描精度為4cm-1，掃描次數(shù)為32次，掃描范圍為4000~500cm-1。</p>

35、<p><b>　　2.2.4熱分析</b></p><p>　　將可德膠、磺酸化衍生物樣品進行差示掃描量熱分析。精確稱1-5mg樣品，放入特制的鋁鍋中，封好口，放入機器中，在高純氮氣保護下，壓力指示0.1MPa。首先，將溫度從室溫升到150℃（升溫速率為10℃/min），在150℃恒溫保持5 min，然后再從150℃降到-30℃（降溫速率為10℃/min），最后從-30℃再一次

36、升高到300℃（升溫速率為10℃/min）。</p><p>　　2.2.5改性產物溶解性測試</p><p>　　稱取一定重量的衍生物，分別分散于去離子水、10%醋酸溶液、氯仿和DMSO中，常溫下充分攪拌后，通過觀察溶液澄清度，判斷產物溶解性。</p><p><b>　　3 結果與討論</b></p><p><

37、;b>　　3.1紅外光譜分析</b></p><p>　　將天然可德膠和樣品1-5#進行紅外光譜分析，在1-5#產物紅外譜圖中選取最佳一組4#與可德膠進行FI-IR光譜對比分析如圖3-1所示。圖中在3370 cm-1附近有一很寬的吸收峰對應于-OH的伸縮振動。對于可德膠磺酸化改性中，反應溫度在65℃下得到的磺酸化衍生物4#，在1250 cm-1以及815 cm-1處（用箭頭表示）出現(xiàn)兩個新的吸收

38、峰分別對應于S=O 以及C-S-O基團的吸收峰，表明磺酸化反應的成功。</p><p>　　圖3-1可德膠及衍生物樣品4#的紅外譜圖</p><p>　　3.2 樣品的DSC分析</p><p>　　圖3-2中，天然可德膠（curdlan）在260℃附近出現(xiàn)較弱吸熱峰，推測為受熱發(fā)生可逆交聯(lián)產生的吸熱過程，之后在275℃附近出現(xiàn)結晶放熱峰，應該為交聯(lián)后自由小鏈段重排

39、產生，290℃處出現(xiàn)另外一個較大的結晶放熱峰，推測為可德膠發(fā)生不可逆聚合交聯(lián)反應產生的放熱過程。與天然可德膠不同，4#和5#改性產物在250-280℃間并沒有顯著的吸放熱峰出現(xiàn)，推測是因為該兩個樣品制備溫度均為高于可德膠可逆交聯(lián)溫度，產物制備過程已經發(fā)生可逆交聯(lián)和部分不可逆交聯(lián)，因此DSC分析中無或僅有輕微可逆交聯(lián)發(fā)生，DSC曲線中僅有接近300℃時因發(fā)生不可逆交聯(lián)反應產生的吸熱趨勢出現(xiàn)。1#、2#和3#樣品制備溫度分別為40、50和6

40、0℃，產物僅發(fā)生可逆交聯(lián)，因此其DSC曲線變化趨勢與天然可德膠一致，峰的偏移推測與接枝率差異有關。</p><p>　　圖3-2 可德膠及其衍生物不同反應條件下的DSC譜圖</p><p>　　3.3衍生物反應條件及溶解性</p><p>　　6mg樣品1-5#可德膠磺酸化改性產物分別溶于6mL去離子水、10%醋酸溶液、DMSO和氯仿中，溶解試驗結果見表3-1。從表

41、3-1所示結果可以看出，不同制備的磺酸化改性可德膠在4種溶劑中的溶解性存在一定的差異。1#和4#產物在水中具有較好的溶解性，1#、4#和5#產物在10%醋酸溶液中具有較好的溶解性，1-5#產物均在氯仿中具有較好的溶解性，但1-5#產物在DMSO中溶解性普遍較差，這與天然可德膠能夠溶于DMSO差異顯著。綜合分析溶解性測試結果，可知1#和4#制備產物綜合溶解性較佳。由此得出，低溫條件下進行可德膠磺酸化改性得到產物的水溶性并不是最好的。<

42、;/p><p>　　表3-1不同溶劑下衍生物的溶解性</p><p><b>　　4 結論</b></p><p>　　綜合紅外、DSC和溶解性分析結果，初步認為成功制備了改變可德膠溶解性的磺酸化改性產物。在40℃下（1#）和65℃下（4#），均能夠制備出溶解性較好的磺酸化改性可德膠。且二者熱動力學性能存在一定的差異，有利于獲得多態(tài)性豐富的磺酸化改

43、性可德膠。進一步產率檢測及制備條件優(yōu)化還有待于開展，相信隨著化學改性方法的改善和優(yōu)化、生物活性機理的深入揭示和闡明，相信將會有更多的基于可德膠的生物活性衍生物被開發(fā)出來，在食品及藥物領域具有更好的應用前景。</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　[1] T Harada,M Masada,K Fujimori,I Meada.Produc

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