三种改性方法对几丁质结构的影响及其在几丁寡糖制备中的应用

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几丁质是自然界中产量仅次于纤维素的多糖,广泛存在于真菌细胞壁、节肢动物的外骨骼和甲壳类动物的外壳中。近年来,随着虾、蟹等甲壳类动物产量和消费量与日俱增,产生了大量的虾、蟹壳等副产物。这些副产物被丢弃在环境中,不仅浪费了几丁质资源,也造成了环境污染,所以,合理的开发和利用几丁质,不仅具有科学价值和经济效益,也有利于环境保护。然而,天然几丁质具有较高的分子量、大量的分子内和分子间氢键,以及致密的晶体结构,使其难溶于水、稀酸、稀碱和一般的有机溶剂,导致开发大受限制。因此,本研究利用超声(ultrasound,US)、超微粉碎(ultra-micro grinding,UMG)和高压均质(high-pressure homogenization,HPH)三种方法对几丁质进行改性处理,研究了单一改性方法和联合改性方法对几丁质的理化性质和微观结构的影响;并结合非特异性酶制剂,考察了改性处理对几丁质酶解的影响。主要内容及结果如下:(1)US、UMG和HPH三种改性方法对几丁质理化性质和微观结构的影响比较。采用三种改性方法,分别对几丁质进行处理,并测定了几丁质的理化性质和微观结构。研究发现,US和HPH能使几丁质变得更疏松多孔,而UMG能够使几丁质的颗粒更细化;UMG和HPH处理后的平均粒径和黏均分子量降低程度更高;HPH提高了几丁质的比表面积(1.3倍)),增大了孔隙体积(1.95倍);UMG降低几丁质结晶度的程度最高,在(110)平面和(020)平面分别降低了 20.04%和33.64%;几丁质的热稳定性在三种处理后都有所降低,其中UMG破坏稳定性的程度更高;傅里叶变换红外光谱显示,所有样品未形成新的吸收带,表明并未形成新的官能团,脱乙酰度没有降低,保证了高乙酰度几丁寡糖和其它几丁质衍生物制备的可能性。综上所述,在三种改性方法中,UMG和HPH在改善几丁质的理化性质和微观结构方面优于US。(2)UMG和HPH联合改性对几丁质理化性质及微观结构的影响研究。选用以上较优的两种改性方法UMG和HPH,对几丁质进行联合改性,并进行了一系列的理化性质测定和微观结构表征。结果显示,与未处理的几丁质相比,联合改性处理后的几丁质平均粒径减小了 99.71%,比表面积增加了 85.11%,孔隙体积增大了29.03%,黏均分子量降低了 85.80%,膨胀比增加了 2.02倍,氢键网络被破坏,未形成新的官能团,脱乙酰度没有明显变化,在(110)平面和(020)平面的结晶度均降低,热稳定性被破坏,结构变得疏松多孔,表明UMG和HPH联合处理是一种有效的几丁质改性新方法。(3)商品化非特异性酶制剂降解改性几丁质的能力及产物分析。首先筛选了一种具有高降解能力与经济效益的商品化非特异性酶制剂—木瓜蛋白酶;然后用此酶降解改性几丁质,探究木瓜蛋白酶对改性几丁质的降解作用。结果表明,UMG和HPH联合处理组较单独改性处理组的几丁质的降解率更高,表明联合改性较单一改性更能提高几丁质的酶解效率。木瓜蛋白酶降解几丁质的最佳条件:温度为50℃,pH为7.0,酶浓度为10 mg/mL,处理时间为14 h;在该条件下,木瓜蛋白酶降解联合改性的几丁质的还原糖产量比降解UMG改性的几丁质提高了 5.4%,比降解未处理的几丁质提高了 6.9%。薄层色谱结果显示,在酶解初期生成了聚合度为3-6的几丁寡糖,初步证明了木瓜蛋白酶可以降解几丁质制备几丁寡糖。综上所述,本研究比较了 US、UMG和HPH三种改性方法对几丁质的理化性质和微观结构的影响,表明UMG和HPH在改善几丁质的理化性质和微观结构方面优于US。选用UMG和HPH联合处理几丁质,得到粒径小、分子量低、结晶度低、热稳定性降低以及有较大比表面积和孔隙体积的改性几丁质。筛选出一种具有高降解能力与经济效益的商品化非特异性酶制剂。证明了 UMG和HPH联合改性处理提高了几丁质的可降解性,并优化了降解条件。本文研究结果为开发高效的几丁寡糖的制备方法提供了一定的理论支撑。
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