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1、1 实验题目微波辅助过氧化氢催化氧化降解壳聚糖2 实验目的在非均相体系中弱酸性条件下，双氧水氧化降解壳聚糖制备低分子量壳聚糖的过程考察了双氧水用量、微波温度、时间等条件对壳聚糖降解的影响3 实验原理在弱酸性条件下非均相体系中，微波辅助双氧水催化氧化降解法是壳聚糖制备的一种高效的方法，通过正交试验得到了制备窄分子量低聚壳聚糖影响顺序为：反应温度H2O2 用量 反应时间。降解各条件对分布指数的影响顺序是：H2O2 用量反应温度反应时间。从分布指数角度考虑最优条件是2g壳聚糖，双氧水用量4mL,微波温度90和微波时间50 min。核磁共振波谱分析和红外光谱分析证明，低分子量壳聚糖的结构相对于壳聚糖原
2、料并未发生变化。双氧水氧化降解壳聚糖的过程是-1, 4糖苷键的断裂过程。4 实验器材 实验仪器仪器型号生产单位双向磁力加热搅拌器78-2金坛市杰瑞尔电器有限公司微波催化合成/萃取仪XH100B北京祥鹄科技有限公司循环水式真空泵SHZ-D（）巩义市予华仪器有限责任公司旋转蒸发器RE52CS上海亚荣生化仪器厂恒温水浴锅B-220上海亚荣生化仪器厂电热恒温鼓风干燥箱DHG-9140A上海一恒科学仪器有限公司电子天平BS110S北京赛多利斯天平有限公司荧光分光光度计970CRT上海精密科学仪器有限公司超级恒温槽NTT-2100EYELA，日本pH计320-S上海梅特勒-托利多仪器有限公司高效液相色谱仪
3、P3000自组装色谱柱G4000/6000 PWXLTSK-GEL示差检测器RI K-2301KMAUER5 实验步骤及实验现象5.1 0.5%醋酸溶液的配制用5mL吸量管取冰乙酸5mL，转移至1000mL容量瓶，定容，待用。5.2 2mol/LKOH溶液的配制用电子天平称取28.0000g氢氧化钾固体，倒入小烧杯中，加入适量蒸馏水使其溶解，边加边搅拌，待溶解后，将溶液转移至250mL容量瓶中，将烧杯洗涤23次，也转移至容量瓶，定容，待用。5.3 正交实验因素水平的确定本实验采用正交试验法安排整个实验过程。正交试验法又叫正交试验设计法，它是用“正交表”来安排和分析多因素问题试验的一种数理统计方
4、法。这种方法的优点是试验次数少，方法简单，使用方便，效率高，并且在将实验次数降至最低的情况下，不影响实验结果的准确性。5.3.1 降解反应温度的选择当温度低于50时，氧化降解壳聚糖的反应非常缓慢，水溶性壳聚糖的产率非常低，因此本实验反应温度下限选择为50。较高的反应温度有利于制备水溶性低聚糖，随着反应温度的升高，水溶性产物的收率大大增加，但是随着反应温度的升高，水溶性壳聚糖的颜色逐渐变深，当温度升至90时，水溶性低分子量壳聚糖固体的颜色已经是棕黄色。鉴于对低分子量壳聚糖的质量要求，反应温度不能太高，以免影响色泽。所以降解反应的最高温度在正交设计时以选择7090为宜。5.3.2 降解反应时间的选
5、择低分子量壳聚糖的制备要实现工业化生产，生产效率是一个不容忽视的因素，在不影响低分子量壳聚糖的产率的情况下，应该尽量缩短反应时间，所以选择降解反应时间的各水平为30分钟、50分钟、70分钟。5.3.3 双氧水用量的选择按照生产过程中成本最低化的原则，反应过程中应该使双氧水的用量最少。根据实验测定，H2O2的用量少于2mL时，壳聚糖反应率较低，不能满足本实验的要求，因此选择H2O2的用量为2mL、4mL、6mL。表2.3 微波辅助H2O2催化氧化降解壳聚糖因素水平表Table 2.3 The factors level of H2O2 catalytic degradate chitosan b
6、y microwave assistant因素1水平2水平3水平H2O2/mL (A)246反应温度/ (B)708090反应时间/min (C)3050705.4 低聚合度壳聚糖的制备制备窄分子量分布的低聚合度壳聚糖，实验步骤如下：（1）称取2.00g壳聚糖，加到三颈烧瓶内；（2）在三口烧瓶中加入配制好的0.5%的醋酸溶液，用磁力搅拌器搅拌约10分钟；（3）再往其中加入一定量的30%双氧水，搅拌约3分钟；（4）将溶液放入微波催化合成仪中进行微波处理，设置一定的参数，处理一定的时间后取出，冷却；（5）向冷却后的溶液中加入配制好的2mol/L的KOH溶液调节PH值至7.0；（6）抽滤，将滤液倒入
7、大烧瓶内旋转蒸发浓缩至适量体积，加入乙醇，醇沉静置，抽滤，用乙醇洗涤大烧瓶23次，再加入乙醚洗涤，吸收水分，即得低聚壳聚糖。6 数据处理6.1 正交分析 L9(33)试验结果分析实验号H2O2/mL(A)反应温度（B）反应时间（C）平均分子量a分布指数b111169771933.962122539015.5313133221817.89421273859.63522316732.88623115952.51731325899.36832126619.67933217472.73Ta1145851695111233Ta210653972414522Ta3699755606480a13241376
8、72496a2236721613227a3155512361440Ra168625311056Tb11967.381952.951946.14Tb215.0228.0827.89Tb321.7623.1330.13X b1437.20433.99432.48X b23.346.246.20X b34.845.146.70Rb433.86428.85426.28注：a表示降解后的低聚壳聚糖的平均分子量，b表示降解后的低聚壳聚糖分子量的分布指数上表中，Ta1 、Ta2 、Ta3 分别表示各水平三次平均分子量之和， Ra 为 Xa1、Xa2 、Xa3 中的最大差；Tb1、Tb2、Tb3 分别表示各水
9、平三次分布指数之和，Rb 为Xb1、Xb2、Xb3 中的最大差。分析极差数据 Ra 可知，各降解条件对低聚壳聚糖的平均分子量的影响大小为：反应温度H2O2 用量 反应时间，所以反应中反应温度对壳聚糖降解产物的平均分子量大小的影响至关重要。分析极差数据 Rb 可知，降解各条件对分布指数的影响大小是：H2O2 用量反应温度反应时间。所以H2O2 用量越大，则产物分布指数随之发生较大的改变。6.2 低聚壳聚糖分子量的测算6.2.1 标准曲线的绘制测定分子量分别为2500，7100， 21400，41100，84400和133800的标准分子量样品及氨基葡萄糖盐酸盐的分子量分布，所得曲线如图6.1，各
10、样品平均保留时间列于表6.2，由平均保留时间得到的标准曲线及相关系数见图6.2。求得相关系数为0.9970，说明所测数据非常可靠。图6.1 不同标样的平均保留时间表6.3 标样的平均保留时间Mole weight of standard samplesAverage of ta1338008440041100214007100250018.94919.61020.85322.56123.96025.3546.2.2 低聚壳聚糖分子量的测定表6.4 低聚壳聚糖分子量的测定结果样品编号数均分子量（Mn）重均分子量（Mw）保留时间（t）分布指数B69771349320622.4171933.96C5
11、3908371424.84915.531D22183968825.63317.89E73857109424.0019.63F1673481225.6722.88G1595400025.6812.51H25892423125.1419.36I26612572825.0749.67J1747477725.7782.73图6.3 降解所得窄分子量低聚壳聚糖的GFC色谱图7 结果与讨论 红外光谱结果与分析讨论壳聚糖在H2O2氧化降解过程中除发生-1, 4糖苷键的断裂外，还可以存在开环等副反应，如果副反应过多而最终影响了壳聚糖的基本结构，那么将无法保持壳聚糖的原有性质，则降解过程是不可行的。图7.1和图
12、7.2是壳聚糖原料和降解后壳聚糖所制得的水溶性低分子量壳聚糖的红外光谱图。从图中可见，两谱图主要峰位置未发生变化，表明在降解反应前后，壳聚糖的化学结构并未发生大的改变。图7.1 壳聚糖原料的红外光谱图图7.2 低聚壳聚糖的红外谱图图7.2中3418cm-1左右是形成氢键缔合的-OH伸缩振动吸收峰与-NH的伸缩振动吸收峰重叠而增宽的多重吸收峰。壳聚糖分子中存在着大量的链内、链间氢键，因氢键的长短和强弱不等，使其伸缩峰出现在一较宽的频率范围内。在2880 cm-1左右处为C-H的伸缩振动吸收峰，1607cm-1处有较强的酰胺吸收峰。1381cm-1附近为CH3变形吸收峰，指纹区中，1072cm-1
13、附近为C-O伸缩振动的强吸收峰。结论1. 实验表明在弱酸性条件下非均相体系中，通过正交试验得到了制备窄分子量低聚壳聚糖影响顺序为：反应温度H2O2 用量 反应时间。降解各条件对分布指数的影响顺序是：H2O2 用量反应温度反应时间。从分布指数角度考虑最优条件是2g壳聚糖，双氧水用量4mL,微波温度90和微波时间50 min。2. 通过红外光谱图和核磁共振谱图对制备的低聚壳聚糖进行表征，可以得出所制备低聚壳聚糖与壳聚糖原料结构相符，低分子量壳聚糖的结构相对于壳聚糖原料并未发生变化。双氧水氧化降解壳聚糖的过程是-1, 4糖苷键的断裂过程。3. 微波辅助双氧水催化氧化降解法是壳聚糖制备的一种高效的方法
14、，其反应时间较常规的双氧水催化氧化降解法要短很多。8 参考文献1谢雅明可溶性甲壳质的制造和用途J化学世界，1983，（4）：118-1212严俊甲壳素的化学和应用J化学通报，1984，（11）：26-313魏新林，夏文水甲壳低聚糖的生理活性研究进展J中国药理学通报，2003，19 (6) ： 614 6174刘晓，石瑛，白雪芳等甲壳低聚糖的酸水解J 中国水产科学，2003，10(1)：69725Keisuke KuritaChemistry and application of chiti and chitosanJPolymer Degradation and Stability,1998,59：117
