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论文(2)

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Ｃ-2位上的氨基反应活性大于〃ＯＨ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, 搅拌均匀后放臵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, 臵于微波炉中, 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壳聚糖样品臵于250ml锥形瓶中，加入标准0.1mol/L盐酸溶液20ml.将锥形瓶臵于电磁搅拌器座上，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)×0.016]／[G×﹙100-W﹚]×100％

式中，C1为盐酸的标准溶液浓度（moL／L） C2为氢氧化钠的标准溶液浓度（moL／L） 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1moL／L盐酸溶液相当的氨基量（g） 脱乙酰度=[氨基含量（％﹚]／﹙9.94％﹚×100％ 1. 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1.0g／L.在25℃下测定，求出特性粘度[η]，按下式计算年均分子量M： [η]=1.81×10-3M0..93 1. 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

因素

-1

X1时间/min

X2功率/w X3酸碱度/1

0.5 136 7

水平

0 1 528 7.5

1 1.5 800 8

1.2 结果与分析

表 2 响应面设计方案及分析结果

试验号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

X1时间/h

X2功率/w

X3酸碱度/1

Y脱乙酰度（%）

82

76 80 92 88 84 91 87 71 76 87 76 93 85 94 99 89

0 0 0 -1 -1 1 0 -1 -1 0 -1 0 1 1 1 1 0

-1 0 1 0 -1 1 -1 0 -1 0 1 0 0 -1 0 0 1 1 0 -1 -1 0 0 -1 1 -1 0 0 0 -1 0 1 0 1

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 =+89.75－0.63×X1+2.00×X2－

222 1.63×X3+2.75×X1×X2+1.50×X1×X3－0.25×X2×X3+4.13×X1－10.62×X2－2.88×X3

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 SS df MF F P 模型 648.44 9 72.05 1.61 0.00289 X1 3.13 1 3.13 0.070 0.01801 X2 32.00 1 32.00 0.72 0.00432 X3 21.13 1 21.13 0.47 0.0577 X1 X2 30.25 1 30.25 0.68 0.00444 X1 X3 9.00 1 9.00 0.20 0.00696 X2X3 0.25 1 0.25 0.87 0.0948 X1 X1 68.06 1 68.06 1.52 0.00236 X2 X2 451.56 1 451.56 10.09 0.0192 X3 X3 33.06 1 33.06 0.74 0.0642 残差 268.50 7 44.75 失拟 69.75 3 23.25 纯误差 0.000 4 0.000 总和 718.19 16

显著性 极显著

显著 极显著 不显著 极显著 极显著

不显著 极显著 显著 不显著

p < 0.01 为极显著水平； 0.01 < p < 0.05 为显著水平；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

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