海藻酸钠—壳聚糖—海藻酸钠（ACA）液芯微胶囊制备工艺优化及性能研究

论文摘要

海藻酸盐／壳聚糖固芯微胶囊在生物细胞发酵领域虽然具有显著的优势,但仍存在一些不足：由于微胶囊内是固芯三维网状结构,使得细胞生长空间位阻较大,影响了细胞的大量增殖,同时固芯造成分子传质阻力大,微胶囊中心区域细胞不能及时获得营养物质和排出代谢产物,致使微囊化细胞生长和生产能力下降。针对这些不足,本文采用柠檬酸钠液化微胶囊的固芯,制得海藻酸钠／壳聚糖／海藻酸钠（ACA）液芯微胶囊。首先采用响应面优化法对液芯微胶囊的制备工艺条件进行优化,寻找制备具有较好机械强度的液芯微胶囊的工艺条件；然后考察液芯微胶囊的传质性能包括小分子物质通过膜的传质系数和微胶囊膜的截留分子量；最后对细胞进行微囊化培养,考察ACA液芯微囊化细胞的生长和代谢情况。旨在为ACA液芯微囊化技术在细胞发酵培养领域的应用奠定理论与实践基础。主要结论如下：1.对成膜材料壳聚糖进行改性,目的是提高壳聚糖的脱乙酰度和降低壳聚糖分子量。采用醇溶剂法制得具有高脱乙酰度（>90%）的壳聚糖,采用NaNO2氧化法降解高分子量壳聚糖制得一定低分子量范围的壳聚糖。2.通过单因素实验确定制备ACA液芯微胶囊的工艺条件范围：壳聚糖脱乙酰度>90%,壳聚糖分子量为30000～50000,壳聚糖的pH值5.0～6.3,壳聚糖浓度>5.0g/L成膜反应时间15 min～30min,柠檬酸钠的pH<6.5,液化时间>20 min。3.在单因素实验基础上,用膨胀率（Sw）来表征液芯微胶囊膜的机械强度,采用响应面优化法对ACA液芯微胶囊制备过程中11个因子进行优化实验,寻找显著影响因子,确定最优工艺条件。首先由Plackett-burman实验结果得到壳聚糖浓度、壳聚糖pH值和柠檬酸钠pH值是影响ACA液芯微胶囊膜强度的三个显著因子；然后由最陡爬坡实验逼近响应值最大的中心区域,确定中心点的条件为：壳聚糖浓度为5.5g/L,壳聚糖溶液pH为6.2,柠檬酸钠pH为6.0；最后由最陡爬坡实验的中心点设计中心组合实验,建立模型,绘制响应面曲线,计算最优化的制备条件为：壳聚糖浓度5.9g/L,壳聚糖溶液pH为6.22,柠檬酸钠pH为5.53。进行验证实验,实验结果与优化理论值相符。4.在优化条件的基础上制备ACA液芯微胶囊,考察液芯微胶囊的传质性能。首先建立传质模型,考察4种小分子底物（谷氨酸、L-苯丙氨酸、葡萄糖和乳糖）通过微胶囊膜的传质系数,通过实验数据拟合得到谷氨酸、L-苯丙氨酸、葡萄糖和乳糖的传质系数分别为0.0126,0.0110,0.0071及0.0049；其次,由一系列已知分子量的聚乙二醇作为模型分子确定液芯微胶囊膜的截留分子量为2000。5.在优化条件的基础上制备ACA液芯微胶囊并包埋大肠杆菌和酿酒酵母细胞,考察ACA液芯微囊化细胞的生长和代谢情况。首先比较了大肠杆菌和酿酒酵母细胞在ACA液芯微胶囊内和固芯微胶囊内的生长情况,其次考察了液芯微囊化酿酒酵母细胞的代谢和多批次培养情况。实验结果证明大肠杆菌和酿酒酵母细胞在液芯微胶囊内的生长情况良好,细胞密度比固芯微胶囊大；液芯微胶囊化酿酒酵母细胞代谢产物（酒精）浓度维持稳定,对细胞进行多批次培养,液芯微胶囊形态完好,细胞生长代谢维持稳定。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 固定化技术
• 1.1.1 固定化技术概论
• 1.1.2 固定化细胞方法
• 1.2 生物微胶囊技术
• 1.2.1 生物微胶囊概述
• 1.2.2 生物微胶囊材料
• 1.2.3 生物微胶囊制备方法
• 1.2.4 生物微胶囊的性能
• 1.3 海藻酸钠/壳聚糖/海藻酸钠（ACA）液芯微胶囊
• 1.3.1 ACA液芯微胶囊概述
• 1.3.2 海藻酸钠
• 1.3.3 壳聚糖
• 1.3.4 壳聚糖/海藻酸钠成膜机理
• 1.3.5 ACA液芯微胶囊的制备方法
• 1.4 壳聚糖的改性
• 1.4.1 壳聚糖脱乙酰化方法
• 1.4.2 壳聚糖分子量降解方法
• 1.5 响应面法优化工艺条件
• 1.5.1 Plackett-Burman实验设计法
• 1.5.2 最陡爬坡实验
• 1.5.3 Box-Benhnken中心组合实验
• 1.6 论文的研究思路和目标
• 第二章 壳聚糖的改性
• 2.1 实验
• 2.1.1 材料
• 2.1.2 装置及仪器
• 2.1.3 方法
• 2.1.4 测定与表征
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 测定方法验证
• 2.2.2 反应方式对脱乙酰度的影响
• 2.2.3 碱浓度对脱乙酰度的影响
• 2.2.4 反应时间对脱乙酰度的影响
• 2.2.5 脱乙酰化前后分子量的变化
• 2.2.6 降解前后分子量的变化
• 2.3 本章结论
• 第三章 ACA液芯微胶囊工艺条件筛选
• 3.1 实验
• 3.1.1 材料
• 3.1.2 装置及仪器
• 3.1.3 方法
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 壳聚糖脱乙酰度对膜强度的影响
• 3.2.2 壳聚糖分子量对膜强度的影响
• 3.2.3 壳聚糖pH值对膜强度的影响
• 3.2.4 壳聚糖浓度对膜强度的影响
• 3.2.5 成膜时间对膜强度的影响
• 3.2.6 液化pH值对膜强度的影响
• 3.2.7 液化时间对膜强度的影响
• 3.3 本章结论
• 第四章 响应面法优化ACA液芯微胶囊制备工艺
• 4.1 实验
• 4.1.1 材料
• 4.1.2 装置及仪器
• 4.2 实验设计
• 4.2.1 Plackett-Burman实验
• 4.2.2 最陡爬坡实验
• 4.2.3 中心组合实验
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 Plackett-Burman法确定显著影响因子
• 4.3.2 最陡爬坡实验
• 4.3.3 中心组合设计的响应面分析
• 4.4 验证实验
• 4.5 本章结论
• 第五章 ACA液芯微胶囊传质性能研究
• 5.1 实验
• 5.1.1 材料
• 5.1.2 装置及仪器
• 5.1.3 方法
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 囊芯液化对微胶囊传质性能的影响
• 5.2.2 小分子底物在ACA液芯微胶囊中的传质
• 5.2.3 小分子物质通过微囊膜的传质系数
• 5.2.4 ACA液芯微胶囊截留相对分子质量的测定
• 5.2 本章结论
• 第六章 ACA液芯微胶囊生物微囊化研究
• 6.1 实验
• 6.1.1 菌种及培养基
• 6.1.2 材料
• 6.1.3 置及仪器
• 6.1.4 方法
• 6.2 结果与讨论
• 6.2.1 囊芯液化对微囊化细胞生长特性的影响
• 6.2.2 囊芯液化对微囊化细胞代谢的影响
• 6.2.3 囊芯液化对微胶囊细胞多批次培养的影响
• 6.3 本章结论
• 第七章 总结
• 7.1 结论
• 7.2 创新点
• 7.3 后续工作建议
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的科研成果
• 致谢