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针对壳聚糖季铵盐的衍生化修饰及生物活性研究

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  • 【题名】:针对壳聚糖季铵盐的衍生化修饰及生物活性研究
  • 【年度】:2019
  • 【作者】:魏丽杰
  • 【关键词】:壳聚糖  化学修饰  季铵盐  抗氧化  抑菌
  • 【摘要】:甲壳素是自然界中来源广泛、储存量丰富的一种天然含氮多糖,具有良好的生物相容性、生物可降解性等特性,甲壳素经脱乙酰得到壳聚糖。壳聚糖是自然界中唯一的一种天然碱性多糖,具有无毒性、成膜性、吸湿保湿性、抗氧化、抑菌等独特的生物活性,但是由于其分子内及分子间的氢键使分子的刚性结构增强,导致壳聚糖在水或者碱性溶液中溶解性较差,另外,壳聚糖本身的抑菌和抗氧化活性较弱,不能满足高效地发展需求。化学改性是改善壳聚糖水溶性、提高其生物活性的有效手段之一,如酰基化、季铵化、磷酸化等修饰方法,其中,季铵化改性产物由于具有良好的水溶性和高的生物活性而受到广泛关注。本文综合采用了制备壳聚糖季铵盐的两种途径,在壳聚糖季铵盐的基础上,进行季铵化再修饰,合成了一系列含有不同季铵盐数目、不同活性官能团的壳聚糖季铵盐的衍生物,利用红外、核磁共振和元素分析等手段对产物的结构进行表征,通过清除超氧阴离子自由基、DPPH自由基和羟基自由基测试壳聚糖季铵盐的衍生物的抗氧化活性,利用生长速率抑制法测定壳聚糖季铵盐的衍生物对灰葡萄孢菌、芦笋茎枯致病菌、玉蜀黍赤霉、梨轮纹病菌、黄瓜枯萎致病菌及西瓜枯萎致病菌等几种常见植物致病菌的抑菌能力大小,从而筛选出具有高抗氧化活性和高抑菌活性的壳聚糖衍生物。氨基多糖往往具有特殊的生理活性,例如抗氧化、抑菌、抗肿瘤、抗凝血等。在本论文中,首先对壳聚糖2位氨基烷基化得到N,N-三甲基壳聚糖衍生物(TMC),不仅增加了壳聚糖的正电荷密度,同时也增加了产物的溶解性,利于反应的进一步进行。在TMC的基础上,利用含氮亲核试剂分别将氨乙基以O和N两种不同的连接方式引入到壳聚糖6位羟基位置,得到了N,N-三甲基-6-0/N-氨乙基壳聚糖季铵盐的衍生物,并对其抗氧化活性和抑菌活性进行了测试。抗氧化结果表明,在1.6 mg/mL样品浓度下,与壳聚糖相比,NNN-三甲基-6-N-氨乙基壳聚糖衍生物和N,N-三甲基-6-0-氨乙基壳聚糖衍生物对超氧阴离子自由基和DPPH自由基的清除率均提高了 40.0%左右,在轻基自由基清除过程中,N,N-三甲基-6-N-氨乙基壳聚糖衍生物对其清除率大于90.0%。与TMC相比,两种产物的抗氧化活性降低了。抑菌活性测试结果表明,与壳聚糖相比,N;N;N-三甲基-6-O/N-氨乙基壳聚糖季铵盐的衍生物抑菌活性显著增强,例如在1.0 mg/mL浓度下,N,N,N-三甲基-6-N-氨乙基壳聚糖衍生物对灰葡萄孢菌的抑菌率可以达到90.0%。另外,与TMC相比,NNN-三甲基-6-O/N-氨乙基壳聚糖季铵盐的衍生物的抑菌活性得到进一步增强。在壳聚糖衍生物中,杂环结构往往具有良好的生物活性,例如含N杂环吡啶因其良好的抑菌性而被广泛应用到农药领域。在本论文中,通过希夫碱反应,将吡啶环引入到壳聚糖分子中,利用吡啶环上N原子的三级胺性质,对其进行烷基化,得到含有吡啶盐的壳聚糖双季铵盐衍生物。研究结果表明壳聚糖双季铵盐衍生物的抗氧化活性得到增强,特别是在样品浓度为1.6 mg/mL时,壳聚糖双季铵盐衍生物清除DPPH自由基的能力可以与Vc的媲美,同时,对轻基自由基也有较好的清除能力,特别是吡啶环上3位取代产物几乎可以完全清除羟基自由基。在抑菌活性测试中,研究结果表明,壳聚糖双季铵盐衍生物对黄瓜枯萎致病菌的抑菌率提升了 50.0%左右。在1.6 mg/mL样品浓度下,吡啶环上4位取代产物对芦笋茎枯致病菌和西瓜枯萎致病菌的抑菌率均达到了90.0%。综上所述,壳聚糖及壳聚糖衍生物的抗氧化及抑菌活性按以下顺序排列:壳聚糖双季铵盐衍生物>壳聚糖单季铵盐衍生物>壳聚糖。随着季铵盐数目的增加,壳聚糖衍生物的抗氧化和抑菌活性均得到有效增强。虽然壳聚糖双季铵盐衍生物的抗氧化活性和抑菌活性均得到了提高,但是仍有进步的空间。在壳聚糖双季铵盐衍生物的基础上,利用2,3-环氧丙基三甲基氯化铵将2-羟丙基三甲基氯化铵引入到壳聚糖6位羟基位置,进一步增加壳聚糖上季铵盐数目,得到壳聚糖三季铵盐衍生物。在抗氧化活性测试中,壳聚糖三季铵盐抗氧化活性得到进一步增强,在1.6 mg/mL样品浓度下,对超氧阴离子自由基的清除率提高到95.0%。在抑菌活性测试中,样品浓度为1.6 mg/mL时,壳聚糖三季铵盐衍生物对芦笋茎枯致病菌、黄瓜枯萎致病菌和西瓜枯萎致病菌三种常见植物致病菌的抑制率均达到了 93.0%以上。随着壳聚糖分子中季铵盐数目的进一步增加,得到了具有更高生物活性的产物。氯乙酰壳聚糖作为一种重要的反应中间体,可以参与三级胺的成盐过程。基于此,将含有不同烷基链长的叔胺及含有不同取代基团的咪唑以盐的形式引入到壳聚糖分子中,在增加壳聚糖季铵盐数目的同时,探究了不同取代基团对壳聚糖生物活性的影响。研究结果表明,与壳聚糖相比,所有含不同链长烷基链的壳聚糖季铵盐衍生物的抗氧化活性和抑菌活性均得到了显著地提高,并且有较短烷基链的产物清除自由基的能力相对较强,因为烷基链越长,供电子能力越强,正电荷密度降低,导致抗氧化活性减小。抑菌活性测试结果表明,在1.6 mg/mL样品浓度下,所得产物对梨轮纹病菌的抑菌率均大于90.0%。烷基链的脂溶性有助于壳聚糖衍生物与真菌细胞壁中脂溶性物质之间的疏水基-疏水基相互作用。在咪唑类壳聚糖季铵盐的衍生物中,咪唑盐基团的引入增强了壳聚糖衍生物的抗氧化和抑菌活性,特别是在咪唑环上含有氨基和烷基链取代基团的产物。在本论文中,在壳聚糖季铵盐的基础上进行再修饰,得到了一系列在不同取代位置,含有不同官能团,具有不同季铵盐数目的壳聚糖季铵盐的衍生物。测试结果表明,壳聚糖季铵盐的衍生物抗氧化活性和抑菌活性得到进一步增强,为壳聚糖在农药、医药等领域的开发和利用提供了应用研究的基础。
  • 【分类号】:Q53
  • 【学位名称】:博士
  • 【导师名称】:郭占勇
  • 【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院烟台海岸带研究所)
  • 【学位年度】:2019
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