TEMPO氧化几丁质纳米纤维与海藻酸钠复合凝胶的制备与分析开题报告

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1. 研究目的与意义

目的是探究不同的纳米纤维添加量对凝胶网络结构的改善情况和对固定化酶产乙醇的得率或效率的改善情况。

意义是制备并优化几丁质复合凝胶，以备固定化酶之用。

2. 国内外研究现状分析

纳米纤维通常是被定义为直径小于100纳米径向比大于100的纤维。由于纳米纤维具有极大的比表面积并且形成高度多孔网状结构，所以它们与微尺寸结构的纤维具有很大不同。纳米纤维特别的三维尺寸、光学、机械以及其他性能使它们可以应用于许多高级材料中，因此制备纳米纤维越来越称为一个非常重要的课题方向。一般纳米纤维是通过静电纺丝制备的。然而这一过程的环境污染是很高的。因为天然高分子具有环境友好的特性譬如生物可降解性，生物相容性，可再生，以及可持续性，所以以天然高分子制备纳米纤维受到越来越多的关注[54]。几丁质晶体纤维截面直径从 2.5 到 50 nm不等[55]，在生物体内形成高级层次结构，具有被单离为纳米纤维的潜力。几丁质纳米晶体已经通过酸解半结晶几丁质的无定型区得到。 通常这一方法是将几丁质分散在强酸溶液中（例如3 m的hcl）。在煮沸条件下反应一定时间（1.5-1.6 h）后，分散液用蒸馏水稀释停止反应，经过一系列的洗涤和离心过程将残留的酸洗净，之后用透析袋透析得到几丁质纳米材料。但这种剧烈的酸处理方法会引起几丁质的大量降解损失，并且操作过程复杂繁琐。因此，探索更高效简单环保的几丁质纳米纤维制备方法意义长远[56，57]。在2010年范一民报道了另一种制备几丁质纳米晶体的方法，主要是将几丁质纤维部分脱乙酰并伴随在低ph条件下机械处理[58]。在这一过程中部分脱乙酰几丁质表面氨基的质子化提升了纤维之间的静电斥力并且在之后的机械处理过程中促进了几丁质纤维的崩解从而得到几丁质纳米晶体。这一过程主要包括三个阶段（1）α-几丁质的部分脱乙酰处理。（2）在ph 3-4条件下机械处理。（3）超声处理得到几丁质纳米分散液。这一方法得到的几丁质纳米晶体尺寸大致在6.21.1nm宽，250140nm长。酵母细胞产乙醇

2.1.1菌种

树干毕赤酵母p2，来源于美国标准菌库藏菌种pichiastipitiscbs5776.酵母菌p2为南京林业大学生物化工研究所通过对pichiastipitiscbs5776长期的定向驯化和诱变所得。

传统的酿酒酵母(saccharomycescerevisiae)由于具有较高的乙醇产率、成熟的分子改造手段等一系列优点而成为乙醇工业化生产的最佳模式微生物。乙醇生产的另一种优势菌株是运动发酵单胞菌（zymomonasmobilis），其最高乙醇得率可达理论得率的97%，且对乙醇的耐受性高达120g/l。但对于纤维素乙醇的生产，上述2种微生物均存在的一个难以克服的缺陷，即不能天然发酵戊糖（半纤维素的主要成分）。尽管大量代谢工程改造工作以尝试导入木糖代谢途径，但是效果却不够理想[1-3]。

3. 研究的基本内容与计划

结合海藻酸钠的负电特性，本实验采用tempo催化法制备具有负电特性的几丁质纳米纤维。

几丁质的tempo触媒氧化步骤为：（1）向100ml蒸馏水中（含0.016 g/0.1 mmol tempo、0.1 g/1 mmol nabr）加入1 g几丁质（干重）；（2）分散均匀后向体系加入5 mmol/g 几丁质的naclo开始氧化；（3）室温下，用ph滴定系统向体系中滴加0.5 m naoh将ph维持的10；（4）当体系不再消耗naoh时，加入几滴乙醇终止反应；（5）用0.5 m hcl将溶液ph调至7，1200转5min重复离心洗涤至中性，倾注法去除上清液，得到水不溶部分；（6）得到的水不溶部分称重、测水分、计算得率，剩余的4 ℃保存；（7）羧基浓度测定：同滴定法测氨基浓度的。

带负电荷纳米分散液的制备步骤为：（1）配置质量比为0.5%的几丁质 水体系进行超声波分散；（2）离心分离残余固体和清液，固体进行称重、测水分、计算得率；液体回收测ph、ec、吸光度等，4 ℃保存。

4. 研究创新点

本实验利用几丁质纳米纤维材料和海藻酸钠制备得到复合凝胶颗粒，并进行进一步的酵母细胞固定化产乙醇实验，探索几丁质纳米纤维强化的凝胶材料对还原糖利用率、乙醇得率、载体稳定性等方面的影响。

（1）随着发酵时间的延长，固定化酵母的葡萄糖利用率逐渐降低，木糖利用率有所提高。

（2）随着发酵时间的延长，乙醇产量逐渐降低，但是当几丁质纳米纤维的添加比例为9:1时，乙醇得率明显优于单纯的海藻酸钠固定微球。