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适读人群 :本书内容既包含了近年来发展起来的一些多糖及其改性材料的基础理论和方法、同时也反映了一些最新前沿研究成果、适合高分子化学与物理、高分子材料与工程、胶体化学、食品科学与工程、农林、医药及生物学等专业的本科生、研究生、教师及相关专业科技人员参考学习 本书为《天然高分子新材料系列丛书》之一。基于天然高分子和高分子物理以及材料科学基本概念和理论,本书全面系统地论述了几类典型的、不同来源的重要工业化多糖的结构、性能、改性和应用,所涉及的多糖主要为透明质酸、结冷胶、可德胶(可得然胶)、黄原胶、果胶、魔芋葡甘露聚糖、阿拉伯胶和海藻酸盐。本书还介绍了这些多糖及其改性材料特别是水凝胶的研究热点和新进展,以及它们在食品、医药、生物组织工程、材料、石油化工、化妆品等诸多工业领域的实际应用及应用前景。
本书内容既包含了近年来发展起来的一些多糖及其改性材料的基础理论和方法,同时也反映了一些新前沿研究成果,适合高分子化学与物理、高分子材料与工程、胶体化学、食品科学与工程、农林、医药及生物学等专业的本科生、研究生、教师及相关专业科技人员参考。
《天然高分子基新材料》丛书由天然高分子基新材料领域院士、长江学者核心专家团队撰写。
丛书共包括如下10个分册,建议您一并关注:
内容简介
本书为《天然高分子基新材料》丛书之一。基于天然高分子和高分子物理以及材料科学基本概念和理论,本书全面系统地论述了几类典型的、不同来源的重要工业化多糖的结构、性能、改性和应用,所涉及的多糖主要为透明质酸、结冷胶、可德胶(可得然胶)、黄原胶、果胶、魔芋葡甘聚糖、阿拉伯胶和海藻酸盐。本书还介绍了这些多糖及其改性材料,特别是水凝胶的研究热点和新进展,以及它们在食品、医药、生物组织工程、材料、石油化工、化妆品等诸多工业领域的实际应用及应用前景。
本书内容既包含了近年来发展起来的一些多糖及其改性材料的基础理论和方法,同时也反映了一些新前沿研究成果,适合高分子化学与物理、高分子材料与工程、胶体化学、食品科学与工程、农林、医药及生物学等专业的本科生、研究生、教师及相关专业科技人员参考学习。
作者简介
张洪斌,研究员,博士生导师
1987年本科毕业于复旦大学物理二系,研究生毕业于上海交通大学,1995年获应用化学硕士学位,1998年获材料学博士学位,1998-2000年于日本大阪市立大学从事博士后研究工作,1999年间于英国Unilever Research生物大分子研究室做访问学者。2000年起任职上海交通大学化学化工学院高分子科学与工程系副教授,2004年任研究员、博士生导师,现为上海交通大学流变学研究所副所长、、国际学术期刊FoodHydrocolloids编委、亲水胶体国际会议理事会理事。2010年曾担任第十届亲水胶体国际会议(ThelOthInternationalHydrocolloidsConference)大会主席。
2007年获上海市育才奖,第十届明治乳业生命科学奖。
长期从事高分子材料物理化学、天然高分子和合成高分子流变学、天然高分子物理、工业多糖胶体化学、多糖类生物活性大分子水凝胶、天然产物和食品亲水胶体的改性和功能化、多糖的稳定性作用等研究。在学术刊物上发表论文90余篇,申请专利10余项,获专利授权10项。先后主持和完成了多项国家自然科学基金面上项目、上海市白玉兰科技人才基金及一系列国内外知名企业委托合作开发项目,同时参加了多项国家自然科学基金重大项目、国家重点基5出研究发展计划(973计划)等研究。
目录
第1章 绪论 001
1.1 引言 002
1.1.1 天然高分子和天然高分子材料 002
1.1.2 多糖类天然大分子研究概况 003
1.2 糖的分类 004
1.2.1 单糖和双糖 004
1.2.2 低聚糖和多糖 006
1.2.3 糖复合物 006
1.3 多糖概述 006
1.3.1 多糖的来源 006
1.3.2 多糖的主要特性 008
1.4 多糖的多级结构 008
1.4.1 多糖的化学结构 009
1.4.2 多糖的高级结构 010
1.5 多糖水凝胶 010
1.5.1 高含水多糖水凝胶的类固(solid-like)特征 011
1.5.2 水凝胶的网络结构 013
1.5.3 凝胶的黏弹性与流变学表征 014
1.5.4 化学凝胶和物理凝胶 016
1.5.5 多糖水凝胶材料的功能和应用 023
1.6 多糖和改性多糖的功效和应用 025
1.6.1 食品工业中的应用 025
1.6.2 多糖的健康作用 027
1.6.3 纳米材料领域中的应用 028
1.6.4 作为功能核苷酸的传递载体 034
1.7 多糖及其改性材料展望 036
参考文献 037
第2章 透明质酸 041
2.1 引言 042
2.2 透明质酸的结构及性质 042
2.2.1 透明质酸的来源和制备 042
2.2.2 透明质酸在组织中的分布及其生理功能 043
2.2.3 透明质酸的化学结构 044
2.2.4 透明质酸的分子构象 044
2.3 透明质酸的分子表征 047
2.3.1 透明质酸的分子表征方法 048
2.3.2 不同技术手段的表征结果比较 055
2.4 透明质酸溶液的流变学性质 059
2.5 透明质酸水凝胶材料 063
2.5.1 化学凝胶和物理凝胶 063
2.5.2 透明质酸冷冻解冻凝胶的微结构和凝胶机理 064
2.5.3 透明质酸与其他聚合物形成的复合凝胶 067
2.6 透明质酸的改性及其改性材料 068
2.6.1 交联改性 069
2.6.2 非交联改性 072
2.6.3 复合改性 075
2.7 透明质酸参与构建的功能性无机纳米材料 077
2.8 透明质酸及其基于透明质酸的功能性材料的应用 081
2.8.1 医药领域中的应用 081
2.8.2 食品领域中的应用 083
2.8.3 化妆品及其他领域中的应用 083
2.9 结语 084
参考文献 085
第3章 可德胶 089
3.1 引言 090
3.2 可德胶的来源和分子结构 091
3.3 可德胶的物理性质 092
3.3.1 溶解性 092
3.3.2 染色性 093
3.3.3 旋光性 093
3.4 可德胶的分子构象 093
3.4.1 固体状态下的分子构象 093
3.4.2 溶液中的分子构象 094
3.4.3 可德胶链的柔顺性和分子参数 095
3.5 可德胶水凝胶 097
3.5.1 热致凝胶 097
3.5.2 非热致凝胶 099
3.5.3 凝胶抗脱水性和冷冻解冻性质 100
3.6 可德胶的应用 100
3.6.1 食品工业方面的应用 100
3.6.2 医药方面的应用 102
3.7 可德胶的化学改性及改性材料的应用 103
3.7.1 主链水解 103
3.7.2 磺酸化衍生物 104
3.7.3 羧甲基化衍生物 107
3.7.4 其他类型改性衍生物 108
3.7.5 “点击化学”在可德胶改性中的应用 109
3.7.6 两亲性衍生物 110
3.8 展望 113
参考文献 114
第4章 结冷胶 117
4.1 引言 118
4.1.1 结冷胶的来源和生理特性 118
4.1.2 结冷胶的化学组成和结构 119
4.1.3 结冷胶在溶液中的构象和构象转变 120
4.2 结冷胶水凝胶 123
4.2.1 水凝胶的制备 123
4.2.2 结冷胶的凝胶化及其影响因素 125
4.2.3 高酰基和低酰基结冷胶的混合凝胶 136
4.2.4 结冷胶水凝胶的凝胶化模型 136
4.3 结冷胶的改性及其改性材料 137
4.3.1 衍生化改性 138
4.3.2 疏水改性 141
4.3.3 交联改性 141
4.3.4 接枝共聚改性 145
4.4 双重互穿网络凝胶 146
4.5 复合改性 148
4.5.1 结冷胶与其他生物大分子的复合 148
4.5.2 结冷胶与其他化合物复合 150
4.6 结冷胶及其改性材料的应用 151
4.6.1 在食品工业中的应用 151
4.6.2 在生物医用领域的应用 152
参考文献 157
第5章 黄原胶 162
5.1 引言 163
5.2 黄原胶的来源和结构 163
5.2.1 黄原胶的来源 163
5.2.2 黄原胶的分子结构 163
5.2.3 黄原胶在溶液中的构象 165
5.3 黄原胶溶液的性质 167
5.3.1 黄原胶的水合和溶液的制备 167
5.3.2 黄原胶溶液的聚电解质行为 168
5.3.3 黄原胶溶液的流变学性质和触变性 168
5.3.4 黄原胶流变学性质的影响因素 171
5.3.5 黄原胶溶液的液晶行为 174
5.3.6 在多孔介质中的吸附 175
5.3.7 黄原胶的凝胶化 175
5.4 黄原胶的改性 176
5.4.1 黄原胶的复配改性 176
5.4.2 黄原胶的化学改性 181
5.5 黄原胶的应用 181
5.5.1 食品工业中的应用 182
5.5.2 石油工业中的应用 182
5.5.3 纺织印染工业中的应用 182
5.5.4 农业中的应用 183
5.5.5 医药工业中的应用 183
5.5.6 吞咽困难的饮食护理 183
5.5.7 牙膏工业及其他领域的应用 184
5.6 结语 185
参考文献 185
第6章 果胶 189
6.1 引言 190
6.2 果胶的生物功能性 190
6.3 果胶的来源和制备 191
6.4 果胶的分子结构和构象 192
6.4.1 分子结构 192
6.4.2 分子链的尺寸和构象 194
6.5 果胶的物化性质 196
6.6 果胶水分散体系的流变学性质 198
6.6.1 稀溶液性质 198
6.6.2 链间相互作用 200
6.6.3 溶液流动行为 201
6.7 果胶的凝胶特性 206
6.7.1 HM果胶和LM果胶的凝胶机理 206
6.7.2 凝胶强度的影响因素 208
6.8 果胶的改性 208
6.8.1 物理共混 209
6.8.2 化学改性 212
6.8.3 生物改性 213
6.9 果胶及其改性果胶的应用 213
6.9.1 食品领域中的应用 214
6.9.2 医药领域中的应用 215
6.9.3 水处理及其他领域中的应用 217
6.10 结语 217
参考文献 217
第7章 魔芋葡甘聚糖 222
7.1 概述 223
7.2 魔芋葡甘聚糖的来源、结构和性能 224
7.2.1 魔芋精粉 224
7.2.2 魔芋葡甘聚糖的结构和组成 225
7.2.3 魔芋葡甘聚糖的分子参数 226
7.2.4 魔芋葡甘聚糖的结晶行为 229
7.3 魔芋葡甘聚糖的水分散液和水凝胶 230
7.3.1 魔芋葡甘聚糖的水分散液 230
7.3.2 魔芋葡甘聚糖水凝胶 232
7.4 魔芋葡甘聚糖的物理改性 239
7.5 魔芋葡甘聚糖的化学改性及其改性材料 241
7.5.1 魔芋葡甘聚糖的化学改性 241
7.5.2 魔芋葡甘聚糖改性材料 242
7.6 魔芋葡甘聚糖及其改性材料的应用 244
7.6.1 魔芋葡甘聚糖作为食品添加剂 244
7.6.2 魔芋葡甘聚糖的健康促进作用 245
7.6.3 魔芋葡甘聚糖改性材料的应用 246
参考文献 246
第8章 阿拉伯胶 251
8.1 引言 252
8.2 阿拉伯胶的来源 252
8.3 阿拉伯胶的生产与加工 254
8.4 阿拉伯胶的组成、结构及性质 255
8.4.1 组成和化学结构 255
8.4.2 物理性质和溶液行为 260
8.4.3 乳化性能 264
8.5 阿拉伯胶的物理改性和化学改性 265
8.5.1 “熟化”处理对阿拉伯胶乳化性能的影响 265
8.5.2 阿拉伯胶静电复合物对阿拉伯胶乳化性能的影响 268
8.5.3 阿拉伯胶的化学改性 269
8.6 阿拉伯胶的应用 270
8.6.1 阿拉伯胶在食品中的应用 270
8.6.2 阿拉伯胶的健康作用 272
8.6.3 阿拉伯胶在医药工业中的应用 274
8.6.4 阿拉伯胶在材料科学中的应用 275
8.6.5 阿拉伯胶在其他工业中的应用 277
8.7 结语 278
参考文献 278
第9章 海藻酸盐 282
9.1 引言 283
9.2 来源和制备 284
9.3 海藻酸盐的分子组成和分子构象 285
9.3.1 海藻酸盐的化学结构和分子链中的糖单元序列 285
9.3.2 海藻酸盐的分子参数和构象 286
9.4 海藻酸盐的物化性质 286
9.4.1 海藻酸盐与金属离子的结合 286
9.4.2 海藻酸盐的溶解性 287
9.4.3 海藻酸盐的溶液性质 288
9.5 海藻酸的凝胶化 288
9.5.1 海藻酸凝胶 288
9.5.2 钙离子型海藻酸凝胶 289
9.6 海藻酸盐的化学改性 292
9.6.1 对羟基的化学修饰 292
9.6.2 对羧基的化学改性 295
9.7 海藻酸盐及基于海藻酸盐凝胶材料的应用 296
9.7.1 食品工业中的应用 297
9.7.2 生物医药领域的应用 297
9.8 展望 301
参考文献 302
前言/序言
天然高分子基新材料丛书:多糖及其改性材料 丛书总序:迈向可持续的材料未来 在人类社会对可持续发展和环境保护的需求日益迫切的今天,基于可再生资源的天然高分子材料正成为新材料科学研究与应用的前沿热点。传统的高分子材料大多依赖石油化工,其不可再生性和环境持久性已成为制约行业发展的两大瓶颈。天然高分子,如纤维素、淀粉、蛋白质、几丁质等,以其储量丰富、来源广泛、结构可调控、生物相容性及可降解性等突出优势,为我们提供了一条通往绿色、低碳、可持续材料体系的有效路径。 “天然高分子基新材料丛书”旨在系统梳理和深入探讨近年来以天然高分子为核心构建模块所取得的理论突破与工程应用进展。丛书将聚焦于这些天然“宝藏”的结构解析、性能调控、功能化改性及其在生物医学、环境科学、能源、信息技术等关键领域的创新应用。我们希望通过这一系列深入浅出的专业著作,为高分子化学家、材料科学家、生物工程师以及相关产业的研究人员提供一个全面、权威的学习与参考平台,共同推动天然高分子材料的理论创新和产业化进程,助力构建一个人与自然和谐共存的材料世界。 --- 单行本聚焦:多糖及其改性材料 书籍名称: 天然高分子基新材料丛书:多糖及其改性材料 作者群: [此处填写主要作者及合作机构名称,以增强专业性] 出版信息: [此处填写出版年份与出版社信息] 内容提要: 导言:多糖——地球上最丰富的生物聚合物家族 多糖,作为地球上储量最为丰富的生物聚合物,是构成植物、动物和微生物细胞壁、细胞外基质及能量储存系统的关键物质。它们由单糖单元通过糖苷键连接而成,结构复杂多样,功能性极强。本书深入剖析了多糖在自然界中的多样性、化学结构特征(包括线性、支链、稠环结构)及其在生物体内的核心生理功能。不同于传统的纤维素和淀粉研究范畴,本书侧重于那些在功能材料领域展现出巨大潜力的特种多糖,如透明质酸(HA)、壳聚糖(CS)、海藻酸盐(SA)、葡聚糖以及结构复杂的植物胶等。理解其固有的生物活性、分子间作用力及微观结构是进行功能化设计的基石。 第一部分:多糖的结构解析与物理化学性质 本部分详细阐述了从天然源中提取和纯化多糖的关键技术,并侧重于现代分析手段在多糖结构确证中的应用。 1. 结构表征的挑战与进展: 探讨了凝胶渗透色谱(GPC)、核磁共振波谱(NMR,尤其是二维谱技术)以及高级显微成像技术(如原子力显微镜AFM)如何揭示多糖的分子量分布、主链构象、取代基位置和微晶结构。特别关注了分子链间氢键网络对外在力学性能和溶解性的影响机制。 2. 流变学行为: 多糖水溶液常表现出显著的非牛顿流体特性,这直接决定了其在成膜、纺丝和生物注射等过程中的适用性。本书系统分析了浓度、pH值、离子强度对多糖溶液粘弹性(储能模量G'与损耗模量G'')的影响规律,并介绍了构建特定剪切变稀或触变性流体的设计策略。 3. 自组装行为与超分子结构: 阐述了多糖分子链间通过疏水相互作用、π-π堆积、氢键或离子交联形成的二级和三级结构,如纳米纤维、胶束和水凝胶的形成机理。对分子间相互作用的精确调控是实现从分子到宏观性能跨越的关键。 第二部分:多糖的功能化修饰策略 天然多糖虽然优异,但其应用常受限于亲水性过强、机械强度不足或缺乏特定的化学反应位点。本部分聚焦于如何通过化学、物理或酶促方法,对多糖进行“量体裁衣”式的性能改造。 1. 化学接枝与共聚: 详细介绍了通过羟基、氨基或羧基等活性位点进行的化学修饰,包括醚化、酯化、氧化以及与合成聚合物(如聚乙二醇PEG、聚乳酸PLA)的共聚反应。重点讨论了如何通过引入疏水性链段来调节材料的亲疏水平衡,以及如何通过引入光敏基团实现光响应性。 2. 交联技术与水凝胶的构建: 阐述了构建高稳定性、高强度的多糖水凝胶所需的交联技术,涵盖了共价交联(如引入二醛或环氧基团)、离子交联(如海藻酸盐与二价阳离子)以及更具生物学意义的酶促交联体系。深入分析了交联密度与水凝胶的溶胀性能、降解速率和机械模量之间的定量关系。 3. 纳米化与复合改性: 探讨了将多糖与无机纳米颗粒(如二氧化硅、羟基磷灰石)或功能性碳材料(如石墨烯氧化物GO)进行复合的策略,旨在提升复合材料的导电性、阻隔性或耐磨性。 第三部分:多糖基改性材料的应用前沿 本部分将理论研究与工程实践紧密结合,展示了经过精确改性的多糖材料在多个高价值领域的突破性应用。 1. 生物医学与药物递送系统: 深入探讨了多糖基水凝胶、微球和纳米粒作为靶向药物载体的设计原则。重点分析了pH敏感、温度敏感或酶解敏感型多糖衍生物在肿瘤微环境或特定组织中实现“按需释放”的机制。此外,在组织工程支架的构建中,多糖衍生物如何通过模拟细胞外基质(ECM)环境来促进细胞粘附、增殖和分化。 2. 环境修复与分离技术: 介绍了高吸附容量的多糖基吸附剂在重金属离子、有机污染物和染料去除中的高效性能。讨论了如何通过化学改性(如引入螯合基团)来增强对特定污染物的选择性吸附能力,并阐述了其在膜分离技术(如超滤膜、纳滤膜)中的应用,以实现高效的水净化和资源回收。 3. 功能性包装与涂层: 分析了多糖(如壳聚糖和淀粉衍生物)在开发可食性涂层和生物降解包装材料中的潜力。重点关注通过交联和添加抗氧化剂,如何显著提高这些材料的阻氧性、阻水性和保鲜性能,以延长食品和农产品的货架期。 结论与展望: 本书最后总结了多糖材料目前面临的挑战,如批次间稳定性、大规模制备的成本控制以及功能验证的标准化问题。同时,展望了人工智能(AI)和高通量筛选技术在加速新型多糖衍生物设计和性能预测方面的广阔前景,指明了未来多糖材料向智能化、多功能化和产业化深度融合的方向。 --- 本书特色: 深度聚焦: 摆脱泛泛而谈,专注于多糖分子结构与宏观功能之间的精确构效关系。 理论与实践结合: 既有深入的化学反应机理分析,也详尽介绍了材料的制备工艺和性能测试方法。 前沿视角: 大量收录近年来在国际顶尖期刊上发表的创新性研究成果,保持内容的先进性。 面向应用: 覆盖生物医药、环境工程和先进功能材料三大核心应用领域,具有极强的指导价值。