席夫碱中间体法制备壳聚糖衍生物及其抗菌活性研究

论文摘要

壳聚糖具有良好的生物特性和难溶于水的特点,经过酯化、季铵化等反应改性后得到的壳聚糖衍生物不仅水溶性更好,而且具有更高的抗菌活性。本实验采用席夫碱中间体法制备了两类共四种新型壳聚糖衍生物,一类为羟基取代壳聚糖衍生物,包括对氨基苯甲酸壳聚糖酯（ABCTSE）和O-羧甲基壳聚糖（OCMC）;一类为壳聚糖季铵盐,包括N-对苯甲氧基甲基壳聚糖季铵盐（NM-chitosan）和N-对苯羟基甲基壳聚糖季铵盐（NH-chitosan）。壳聚糖酯化及羧甲基化产物既具备壳聚糖天然抗菌性,又包含对氨基苯甲酸及羧酸的特性,而壳聚糖季铵化衍生物包含了壳聚糖及季铵盐的抗菌性能。即两类产物兼具壳聚糖的天然生物性能及其取代单体杀菌效率高且易溶于水的优点。本论文针对壳聚糖及其化学改性和食品防腐抗菌剂的发展趋势,研究了四种新型壳聚糖衍生物的合成路线,在保持一定投料比和反应时间条件下,通过单因素变化得到最佳合成温度;室温下,比较了壳聚糖及其衍生物在水和几种有机溶剂中的溶解性;并对产物作了FT-IR,1H NMR,元素分析和热重分析研究以表征其结构和性能,由元素分析结果根据新推导的取代度计算公式得到壳聚糖衍生物的取代度,同时由氯化碘定量法测得壳聚糖季铵盐的季铵化度,其中对壳聚糖酯还作了13C NMR分析;研究了不同浓度壳聚糖及其衍生物对金黄色葡萄球菌和黑曲霉的抑菌性能,得到抑菌率曲线,分别比较了两种羟基取代壳聚糖衍生物和两种壳聚糖季铵盐的抑菌性;在保持样品浓度一定的条件下,得到壳聚糖及其衍生物对金黄色葡萄球菌和黑曲霉的生长抑制曲线,并对两类壳聚糖衍生物分别作了比较。主要结论如下:1.羟基取代壳聚糖衍生物的制备,表征及其抗菌活性壳聚糖在氨基受保护的前提下,与对氨基苯甲酰氯合成了对氨基苯甲酸壳聚糖酯;其结构由FT-IR,1H NMR和13C NMR得到证实;结果表明产物在40℃时产物有最大取代度为40.4%;新制得的壳聚糖酯在室温条件下比壳聚糖表现出更好的溶解性,而产物热稳定性较小,受热失重率较大。壳聚糖在席夫碱化并被引入氯乙酸后,除去壳聚糖的氨基保护得到了O-羧甲基壳聚糖;其分子结构由FT-IR和1H NMR得到证实,反应温度为60℃时产物有最大取代度达到82.6%;产物室温下溶解性较好;而热重分析表明O-羧甲基壳聚糖热稳定性比壳聚糖高,且在不同的分解温度下,分解速率并不均匀。对氨基苯甲酸壳聚糖酯和O-羧甲基壳聚糖对金黄色葡萄球菌和黑曲霉菌的抑制效果均较好,其对金黄色葡萄球菌最低抑菌浓度分别为0.1%和0.5%,对黑曲霉菌分别为0.25%和1%。生长抑制实验表明,对氨基苯甲酸壳聚糖酯对金黄色葡萄球菌的生长抑制作用比O-羧甲基壳聚糖更强,而后者对黑曲霉的生长抑制作用更强。2.壳聚糖季铵盐的制备,表征及其抗菌活性两种醛类分别将壳聚糖席夫碱化并被硼氢化钠还原为N-烷基产物后,引入碘甲烷制得了壳聚糖季铵盐;其分子结构由FT-IR和1H NMR得到证实;两种产物取代度与季铵化度均相差不大;在室温条件下,新制得的两种壳聚糖季铵盐比壳聚糖溶解性更好;热重分析表明,N-对苯羟基甲基壳聚糖季铵盐热稳定性比壳聚糖较低,而N-对苯甲氧基甲基壳聚糖季铵盐热稳定性较好,在高温下的失重率也较小。壳聚糖季铵盐对两种菌类的抑制效果较壳聚糖更好,NH-chitosan对实验菌种的抑制能力更强,其对金黄色葡萄球菌和黑曲霉的最小抑菌浓度分别达到0.1%和0.25%,而NM-chitosan则都为0.5%。生长抑制实验表明,添加NH-chitosan后微生物的生长繁殖更加缓慢,生长曲线趋于平稳,表明其抑制能力较高,优于壳聚糖和NM-chitosan。结果表明两种壳聚糖季铵盐提高了抑菌活性,并且拓宽了抗菌谱。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 0 前言
• 1 文献综述
• 1.1 甲壳素和壳聚糖的物理性质
• 1.1.1 甲壳素和壳聚糖的不同
• 1.1.2 壳聚糖的制备方法及其性能指标
• 1.2 壳聚糖的性质
• 1.2.1 生物适应性
• 1.2.2 吸湿保湿性
• 1.2.3 成膜性和通透性
• 1.2.4 凝胶性和粘稠性
• 1.2.5 絮凝性
• 1.2.6 金属离子络合性
• 1.3 壳聚糖的化学改性
• 1.4 壳聚糖的化学改性方法
• 1.4.1 酰化反应
• 1.4.2 羧基化反应
• 1.4.3 醚化反应
• 1.4.4 席夫碱化反应
• 1.4.5 N-烷基化反应
• 1.4.6 季铵化反应
• 1.4.7 交联和接枝共聚反应
• 1.4.8 酯化反应
• 1.5 壳聚糖及其衍生物的结构表征
• 1.5.1 红外光谱
• 1.5.2 核磁共振
• 1.5.3 X-射线衍射（XRD）
• 1.5.4 热重分析
• 1.6 壳聚糖的应用研究现状
• 1.6.1 壳聚糖及其衍生物在食品工业中的应用
• 1.6.2 在日用化学方面的应用
• 1.6.3 在医药行业方面的应用
• 1.6.4 在环保方面的应用
• 1.6.5 在轻工业方面的应用
• 1.7 作为抗菌剂的使用
• 1.7.1 影响抗菌性因素
• 1.7.2 目前常用抗菌剂的优缺点
• 1.7.3 壳聚糖衍生物的抗菌活性
• 1.8 研究开发和意义
• 1.9 本文研究的主要内容
• 2 羟基取代壳聚糖衍生物的制备和表征
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 原料与仪器
• 2.1.2 实验方法
• 2.2 羟基取代壳聚糖衍生物的表征
• 2.2.1 溶解性能的测定
• 2.2.2 红外分析
• 2.2.3 元素分析
• 1H NMR 和¹³C NMR'>2.2.4¹H NMR 和¹³C NMR
• 2.2.5 TG 和DTG
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 实验最佳温度条件探索
• 2.3.2 溶解性分析
• 2.3.3 红外分析
• H NMR 和¹³C NMR 图谱分析'>2.3.4 1^H NMR 和¹³C NMR 图谱分析
• 2.3.5 TG 和DTG 谱图分析
• 2.4 小结
• 3 壳聚糖季铵盐的制备及表征
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 原料与仪器
• 3.1.2 实验方法
• 3.2 壳聚糖季铵盐的表征
• 3.2.1 红外分析
• 3.2.2 溶解性测定
• 3.2.3 元素分析法
• 3.2.4 氯化碘定量法
• 1H NMR'>3.2.5¹H NMR
• 3.2.6 TG 和DTG 分析
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 实验最佳温度条件探索
• 3.3.2 溶解性分析
• 3.3.3 红外分析
• 1H NMR 谱图分析'>3.3.4¹H NMR 谱图分析
• 3.3.5 TG 和DTG 谱图分析
• 3.4 小结
• 4 壳聚糖衍生物抗菌活性研究
• 4.1 原料与仪器
• 4.1.1 主要实验原料
• 4.1.2 主要实验仪器及型号
• 4.2 实验方法
• 4.2.1 试验菌种
• 4.2.2 培养基
• 4.2.3 供试实验菌种的活化及菌悬液的制备
• 4.2.4 抑菌率的测定
• 4.2.5 生长抑制试验
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 壳聚糖及其衍生物的抑菌率
• 4.3.2 壳聚糖及衍生物对微生物的生长抑制影响
• 4.4 小结
• 5 论文主要结论与前景
• 5.1 壳聚糖衍生物的制备，表征和抑菌活性
• 5.2 主要创新点
• 5.3 研究前景
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 硕士期间发表的学术论文与研究成果