壳聚糖的等离子体降解动力学模型及结构表征与生物活性

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近年来,低聚壳聚糖的应用价值受到越来越多的关注,但是,传统壳聚糖降解方法存在成本高、污染环境等缺点,因此,研究一种经济、环保的壳聚糖降解技术,加强壳聚糖在医药领域的应用,对保障人类健康、提高生存质量具有重大意义。脉冲放电等离子体技术作为一种新兴电处理技术,由于具有处理效率高、温度低、速度快、能耗低、无副产物等优点而被广泛研究。本论文研制脉冲放电等离子体发生装置,以脉冲放电等离子体和脉冲放电等离子体与H2O2协同(简称“H2O2协同”)为处理技术,对壳聚糖降解工艺、降解数值模拟和·OH产量与壳聚糖降解率相关性进行研究,并对壳聚糖降解产物进行功能特性分析和结构表征。本研究研制脉冲放电等离子体发生装置,以针-板、板-板、线-线、填充床为极板类型,进行脉冲放电等离子体降解壳聚糖试验研究。结果表明,针-板电极降解效果最好,并且该装置能有效产生·OH。以壳聚糖降解率为指标,极板间距、H2O2浓度、壳聚糖浓度、乙酸浓度、乙酸钠浓度、处理时间为影响因素,进行脉冲放电等离子体和H2O2协同降解壳聚糖工艺研究。结果表明,脉冲放电等离子体处理技术对壳聚糖具有很好的降解作用,对壳聚糖的降解率最大值为72.63%,黏均分子量最低值为311.5kDa;H2O2对降解效果有显著地促进作用,H2O2协同对壳聚糖的降解率最大值97.97%,黏均分子量最低值为23.1kDa;在同等工艺条件下,H2O2协同条件下的壳聚糖降解率较脉冲放电等离子体提高了32.61%。在降解工艺研究基础上,进行壳聚糖降解动力学分析和降解数值模拟。结果表明,H2O2协同条件下的壳聚糖降解速率为脉冲放电等离子体的25倍,壳聚糖降解反应符合无规则一级降解反应。并且在动力学分析基础上,以极板间距、壳聚糖浓度、处理时间和H2O2浓度为影响因素,建立降解数学模型,进行降解数值模拟。结果表明,本研究进行的脉冲放电等离子体和H2O2协同降解壳聚糖数值模拟能准确预测试验结果。以·OH产量和壳聚糖降解率为指标,进行相关性分析。结果表明,·OH为脉冲放电等离子体降解主导因素,·OH和·O可能是H2O2协同降解主导因素。通过MALDI-TOF质谱分析发现,脉冲放电等离子体制备得壳聚糖降解产物主要由(GlcN)x低聚糖分子组成,脉冲放电等离子体降解处理主要通过切断GLcN-GLcN糖苷键实现壳聚糖降解;H2O2协同制备得壳聚糖降解产物主要由(GlcN)x-(GlcNAc)和(GlcN)x-(GlcNAc)2两种低聚糖分子组成,H2O2协同降解处理主要通过切断GLcN-GLcNAc和GLcNAc-GLcN糖苷键实现壳聚糖降解。在降解壳聚糖最优工艺条件下,制备处理时间分别为60、120、180min条件下的壳聚糖降解产物,对降解产物进行UV、FTIR、NMR、X-衍射、SEM、TG、溶解性分析。结果表明,降解处理对壳聚糖主要环状结构没有影响,降解处理使壳聚糖结晶结构被显著破坏,热稳定性降低,溶解性提高。以自由基(DPPH、ABTS)清除能力、还原能力、脂质过氧化抑制能力为指标,研究降解产物抗氧化能力;以大肠杆菌、金黄葡萄球菌、枯草芽孢杆菌为试验菌种,研究降解产物抑菌能力。结果表明,脉冲放电等离子体和H2O2协同制备得壳聚糖降解产物抗氧化能力和抑菌作用较壳聚糖原料有显著提高,H2O2协同促进作用较脉冲放电等离子体显著。
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