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葡甘聚糖类半纤维素的分离、表征与功能化应用研究认领

作者：

胡亚洁

学位授予单位：

北京林业大学

摘要：

半纤维素是一种天然高分子聚多糖,具有廉价易得、可再生、生物可降解等优点,可应用于食品乳化剂、食品包装材料、生物材料、吸附材料、3D打印材料等领域。本论文围绕葡甘聚糖类半纤维素(聚己糖)的分离、表征与功能化应用展开研究。利用多步碱法从辐射松中分离出两种不同分支度的葡甘聚糖类半纤维素,并对其结构和理化性能进行了详细分析。通过结构设计(化学改性)或组分调控(物理复合),开发了多种葡甘聚糖类半纤维素基功能材料,系统探索了其作为乳化剂、光热驱动器、应变传感器、热塑性材料的应用潜力,实现了功能性和实用性的统一。本研究为葡甘聚糖类半纤维素的多元化和高值化利用提供了新思路,论文的研究内容如下:(1)葡甘聚糖类半纤维素的分离与表征。本部分利用多步碱抽提法从辐射松中分离出两种不同分支度的葡甘聚糖类半纤维素,分别为葡萄糖甘露聚糖(GM)和半乳糖葡萄糖甘露聚糖(GGM)。两种葡甘聚糖的主要组分均为甘露糖、葡萄糖和半乳糖,分支度(半乳糖占葡萄糖和甘露糖总含量的比例)分别为3.2%和31.6%。X射线衍射图和水溶性实验发现分支度低的GM含有一定的结晶结构,水溶性较差;分支度高的GGM没有结晶结构,水溶性较好。(2)葡甘聚糖类半纤维素的乳化性能。本部分利用两种不同分支度的葡甘聚糖(GM和GGM)为原料,通过高速剪切和超声结合的办法制备出一系列水包油型乳状液。GM和GGM不仅可以降低乳状液体系中的液滴粒径和界面张力,还可以提高乳状液的Zeta电位绝对值和乳化能力,当GM和GGM浓度为1.5%时,乳化效果达到最佳。储存30天后,GM稳定的乳状液出现明显的破乳现象,而GGM稳定的乳状液仅有微弱的分层现象。将其与商用乳化剂(吐温-80和阿拉伯树胶)进行对比,证实了GGM作为天然食品乳化剂的应用可行性。(3)酯化改性增强葡甘聚糖类半纤维素的乳化性能。本部分利用辛烯基琥珀酸酐、邻苯二甲酸酐、丁二酸酐对GGM进行酯化改性,制备得到带有长链烷基、苯环、短链烷基的GGM酯化产物,以减弱GGM的强亲水性。通过高速剪切和超声结合的办法,制备出一系列GGM酯化产物稳定的水包油型乳状液。酯化改性可以有效改善GGM的乳化效果:与短链烷基相比,引入长链烷基和苯环后的GGM酯化产物具有更高的乳化增强效果和乳化稳定性。(4)葡甘聚糖类半纤维素/液态金属复合膜应用于光热驱动器和应变传感器。本部分利用氯乙酸钠对GM进行羧甲基改性,得到结晶度降低、可加工性增强的羧甲基葡甘聚糖(CGM)。利用超声作用,将液态金属(EGa In)在CGM水溶液中分散成微/纳米液滴(直径～500 nm),形成稳定的绿色CGM/EGa In水性墨水。CGM/EGa In墨水通过简单的溶剂蒸发法在室温下自沉积成多功能性Janus复合膜。该Janus复合膜具有优异的机械性能(断裂强度～94 MPa,模量～3.8 GPa)、各向异性的光热性能、高导电性、应变灵敏性(灵敏系数>500),这些特性使葡甘聚糖类半纤维素在光热驱动和应变传感等领域有较好的应用前景。(5)葡甘聚糖类半纤维素应用于热塑性膜材料。本部分利用丁基缩水甘油醚对GM进行醚化改性,制备出一系列丁基缩水甘油醚接枝的GM(BGM)。结构表征与性能测试发现,BGM具有增强的热稳定性和可加工性。利用热压工艺,可以将BGM构建成高性能的膜材料。该膜材料具有优异的弹性强度(37.10 MPa)、杨氏模量(1.27GPa)、紫外防护性能、可降解性,在包装或防晒领域具有一定的应用潜力。本研究为半纤维素基热塑性材料的开发提供了可行的策略。

摘要译文

关键词：

葡甘聚糖; 化学改性; 乳化剂; 光热驱动器; 应变传感器; 热塑材料

学位年度：

2022

学位类型：

博士

学科专业：

林产化学加工工程

导师：

彭锋

中图分类号：

TQ352.79[纤维素及其衍生物]

学科分类号：

081702[化学工艺];082902[林产化学加工工程];082905[生物质能源与材料]

D O I：

10.26949/d.cnki.gblyu.2022.001540