一種交聯γ-聚谷氨酸及其制備和應用的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種交聯γ-聚谷氨酸。本發明所述的交聯γ-聚谷氨酸，它是通過γ-聚谷氨酸或γ-聚谷氨酸鈉或兩者的混合物與活性硅藻土在交聯劑的作用下交聯而制備的。本發明所述的交聯γ-聚谷氨酸具有致密的三維網狀結構，具有極強的吸水性和保水性，可以作為(土壤)保水劑，防止水分流失。并且，本發明所述的交聯γ-聚谷氨酸還可以作為肥料增效劑，將其添加到肥料中，能夠顯著提高作物產量。
【專利說明】一種交聯Y-聚谷氨酸及其制備和應用
【技術領域】
[0001] 本發明屬于生物高分子材料領域，涉及一種交聯聚谷氨酸。
【背景技術】
[0002] Υ -聚谷氨酸（Y -PGA)是一種氨基酸聚合物，由D-和L-谷氨酸通過α -氨基和 羧基聚合而成（Bajaj et al.2011)。γ-PGA易溶于水，可被生物降解，可食用，對人 體和環境無危害。Y-PGA的應用極其廣泛，如作為緩釋材料、藥物載體（Li et al. 1998; Sonaje et al. 2010)，藥物納米緩釋顆粒（Zhang et al. 2013)，醫用生物膠（Richard et al.2001)，可生物降解的高度吸水凝膠，絮凝劑（Shih et al.2001)。而且，γ-PGA對 重金屬有極強的吸收能力（Bhattacharyya et al.l"8;Mark et al.2〇〇6;Inbaraj et al. 2009)。在農業領域，γ -PGA被用作肥料增效劑，提高作物對肥料的吸收效率，提高作物 產量（Wang et al· 2008)。
[0003] 交聯聚谷氨酸是利用聚谷氨酸為主要原料，在交聯劑的作用下交聯形成 的具有三維網狀結構的凝膠。到目前為止，主要有兩種制備交聯聚谷氨酸的方法。第 一種方法以縮水甘油醚作為交聯劑，Υ -聚谷氨酸可以形成穩定的，具有三維網狀結構的凝 膠（Ho et al. 2008)。第二種方法采用水溶性碳化二亞胺作為交聯劑，Y-PGA和明膠可以 交聯形成穩定的水凝膠（Otani et al· 1996 ;Iwata et al· 1998 ;Hsu et al· 2007)。
【發明內容】
[0004] 本發明目的在于提供一種新型的交聯Y-聚谷氨酸，及其制備和應用。
[0005] 為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：
[0006] 本發明通過聚谷氨酸或聚谷氨酸鈉或兩者的混合物與活性硅藻土在交聯 劑的作用下交聯制得具有三維網狀結構的交聯Υ-聚谷氨酸。
[0007] 其中，Υ -聚谷氨酸、Υ -聚谷氨酸鈉 、Υ -聚谷氨酸和Υ -聚谷氨酸鈉的混合物與 活性硅藻土的質量比1-10:10。
[0008] Υ -聚谷氨酸或Υ -聚谷氨酸鈉的分子量為10-200萬Da。
[0009] 交聯的制備過程：
[0010] ⑴取Ι-lOgY-聚谷氨酸或聚谷氨酸鈉或兩者的混合物，溶于50-100mL蒸餾 水中，加入l〇g制備的活性硅藻土，攪拌均勻；
[0011] (2)加入l-5mLl-10mg/mL的交聯劑，充分混合后室溫放置l-2h進行交聯；
[0012] (3)將交聯所得產物在真空度20-50pa，溫度-50°C至_70°C，時間12-24h條件下， 冷凍干燥，所得產物即為交聯聚谷氨酸。
[0013] 最后可將所得的交聯Y -聚谷氨酸研磨成顆粒度為20-100 μ m的粉狀。
[0014] 交聯劑為碳化二亞胺或羥基琥珀酰亞胺水溶液。
[0015] 其中活性硅藻土的制備方法：
[0016] (1)取10-20g娃藻土置于燒杯中，加入50-200mL0. 1-lmol/L的NaOH溶液，置于磁 力攪拌器攪拌2-4h，之后在離心機中以轉速5000rpm離心5min，收集下層娃藻土；
[0017] (2)在收集到的下層硅藻土中加入100-500mL蒸餾水浸泡10-30min，用于去除殘 留的NaOH，再次以5000rpm的轉速離心5min，重新收集下層娃藻土；
[0018] (3)在重新收集的下層硅藻土中加入100_200mL甲醇，磁力攪拌10-30min， 5000rpm離心5min收集下層娃藻土；
[0019] (4)在所得的硅藻土中加入100-200mL10% (v/v)3-氨基丙基三乙氧基硅烷溶液， 于磁力攪拌器中，溫度40°C下，磁力攪拌20min，再以轉速5000rpm離心5min，收集下層活性 娃藻土；
[0020] (5)在收集到的下層活性硅藻土中加入100-200mL甲醇，磁力攪拌10-30min， 5000rpm離心5min重新收集下層活性娃藻土，50°C干燥30-90min。
[0021] 所述的交聯Y -聚谷氨酸用于肥料增效劑和/或土壤保水劑。
[0022] 所述的交聯聚谷氨酸用于肥料增效劑，其添加量為肥料質量的0. l-2wt%。
[0023] 本發明所具有的優點
[0024] 本發明開發了一種全新的交聯聚谷氨酸，它是通過聚谷氨酸或聚谷 氨酸鈉或兩者混合物與活性硅藻土在交聯劑的作用下交聯而制備的。
[0025] (1)本發明制備的交聯聚谷氨酸具有致密的三維網狀結構，具有極強的吸水 性和保水性，可以作為保水劑，防止水分流失。
[0026] (2)本發明制備的交聯聚谷氨酸可以作為肥料增效劑，將其添加到肥料中，能 夠顯著提高作物產量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027] 圖1交聯聚谷氨酸傅里葉紅外光譜圖（FTIR);
[0028] (a):交聯反應 30min ; (b):交聯反應 Omin ;
[0029] 圖2交聯Y -聚谷氨酸斷面結構掃描電子顯微圖；
[0030] 圖3交聯聚谷氨酸吸水膨脹后內部結構掃描電子顯微圖。
【具體實施方式】
[0031] 以下實施例用于進一步詳細描述本發明，但不構成對本發明的限制，本發明的具 體數據絕非僅限于這些實施例。
[0032] 實施例1 :交聯Y -聚谷氨酸的制備
[0033] (1)交聯聚谷氨酸的制備
[0034] ①活性硅藻土的制備：
[0035] 取10g娃藻土置于燒杯中，加入100mLlmol/L NaOH溶液，置于磁力攪拌器攪拌4h, 5000rpm離心5min,收集下層娃藻土，加入100mL蒸饋水浸泡10min用于去除殘留的NaOH, 5000rpm離心5min重新收集下層娃藻土，加入100mL甲醇，磁力攪拌lOmin, 5000rpm離心 5min收集，加入lOOmLIO % (v/v) 3-氨基丙基三乙氧基硅烷溶液，40°C，磁力攪拌20min， 5000rpm離心5min收集下層活性娃藻土，加入100mL甲醇，磁力攪拌10min，5000rpm離心 5min重新收集下層活性硅藻土，50°C干燥30min，備用。
[0036] ②交聯：取5g γ -聚谷氨酸，溶于50mL蒸餾水，加入10g上述制備的活性硅藻土， 攪拌均勻，加入5mL10mg/mL的交聯劑（碳化二亞胺或輕基琥拍酰亞胺水溶液，在此為碳化 二亞胺水溶液），充分混合后室溫放置lh進行交聯，隨后冷凍干燥（真空度30pa，凍干溫 度-50°C，凍干時間24h)，最后研磨成粉（顆粒度50 μ m)。
[0037] (2)傅里葉紅外光譜（FTIR)分析
[0038] 采用Nicolet6700FT - IR型紅外光譜分析儀分析γ -聚谷氨酸與活性硅藻土之間 發生的交聯反應。交聯聚谷氨酸樣品與KBr按照1:100的比例混合，25°C壓膜，波數范 圍為 4000 - 400CHT1。
[0039] FTIR分析結果如圖1所示：3433(^1譜帶是γ -聚谷氨酸的C00H基團中0H的拉 伸譜帶，隨著Y -聚谷氨酸與活性硅藻土交聯反應的進行，該譜帶由寬變窄，這是由于交聯 導致了氫鍵目數的減少，而氫鍵的減少會導致譜帶由寬變窄。1636CHT 1譜帶是C00H基團中 C = 0的拉伸譜帶；1267cm-1譜帶是C00H基團中C - 0的拉伸譜帶；1405CHT1譜帶是0H的彎 曲震動譜帶，上述3條譜帶強度均隨著γ-聚谷氨酸與活性硅藻土交聯反應的進行而減弱， 說明Y -聚谷氨酸分子中的C00H基團與活性硅藻土中的NH2基團形成酰胺鍵，交聯產生。
[0040] (3)掃描電子顯微分析（SEM)
[0041] 采用掃描電子顯微（SEM)分析交聯聚谷氨酸斷面結構和吸水膨脹后的內部結 構。
[0042] 將交聯聚谷氨酸放入蒸餾水中，25°C放置24h，充分吸水膨脹，然后用液氮迅 速冷凍，取斷裂面冷凍干燥，斷裂面噴金，采用Quanta250型掃面電子顯微鏡觀察斷裂面表 面形態。吸水膨脹的交聯聚谷氨酸樣品也進行掃描電鏡觀察，條件為：壓強72Pa，溫度 3 °C，相對濕度95%。
[0043] 圖2為交聯Y -聚谷氨酸斷面結構。
[0044] 如圖3所示：吸水膨脹后的交聯聚谷氨酸內部具有明顯的三維網狀結構。
[0045] 實施例2 :肥料中添加交聯Y -聚谷氨酸對玉米的增產效果調查
[0046] (1)試驗材料與地點
[0047] 材料：尿素、重過磷酸鈣、氯化鉀、交聯Y -聚谷氨酸
[0048] 地點：黑龍江853農場
[0049] 作物：玉米（吉單519)
[0050] (2)試驗方法
[0051] 試驗采用小區試驗，小區面積39m2 (寬7. 5m,長5. 2m)，共設4個處理，3次重復， 處理如下：
[0052] 處理1:當地常規施肥
[0053] 處理2 :常規施肥+交聯γ -聚谷氨酸（按肥料質量的7%。添加）
[0054] 處理3 :常規施肥+交聯γ -聚谷氨酸（按肥料質量的9%。添加）
[0055] 處理4 :常規施肥+交聯γ -聚谷氨酸（按肥料質量的11%。添加）
[0056] 當地常規施肥：每畝施尿素17kg，重過磷酸鈣12kg，氯化鉀5kg。
[0057] (3)試驗結果
[0058] ①生育期株高調查
[0059] 表1玉米拔節期株高調查單位：cm
[0060]
【權利要求】
1. 一種交聯聚谷氨酸，其特征在于： 通過聚谷氨酸或聚谷氨酸鈉或兩者的混合物與活性硅藻土在交聯劑的作用下 交聯制得具有三維網狀結構的交聯聚谷氨酸。
2. 根據權利要求1所述的交聯Υ -聚谷氨酸：其特征在于： 其中，Υ -聚谷氨酸、Υ -聚谷氨酸鈉 、Υ -聚谷氨酸和Υ -聚谷氨酸鈉的混合物與活性 硅藻土的質量比為1-10:10 ; Υ -聚谷氨酸或Υ -聚谷氨酸鈉的分子量為10-200萬Da。
3. -種權利要求1所述的交聯γ-聚谷氨酸的制備方法，其特征在于： 交聯的制備過程： (1) 取l-10g Y -聚谷氨酸或Y -聚谷氨酸鈉或兩者的混合物，溶于50-100mL蒸餾水 中，加入10g制備的活性硅藻土，攪拌均勻； (2) 加入l-5mLl-10mg/mL的交聯劑，充分混合后室溫放置l-2h進行交聯； (3) 將交聯所得產物在真空度20-50pa，溫度-50°C至_70°C，時間12-24h條件下，冷凍 干燥，所得產物即為交聯聚谷氨酸； 最后可將所得的交聯Y -聚谷氨酸研磨成顆粒度為20-100 μ m的粉狀。
4. 根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于： 其中活性硅藻土的制備方法： (1) 取10_20g娃藻土置于燒杯中，加入50-200mL0. 1-lmol/L的NaOH溶液，置于磁力攪 拌器攪拌2-4h，之后在離心機中以轉速5000rpm離心5min，收集下層娃藻土； (2) 在收集到的下層硅藻土中加入100-500mL蒸餾水浸泡10-30min，用于去除殘留的 NaOH，再次以5000rpm的轉速離心5min，重新收集下層娃藻土； (3) 在重新收集的下層娃藻土中加入100-200mL甲醇，磁力攪拌10-30min，5000rpm離 心5min收集下層娃藻土； (4) 在所得的硅藻土中加入100_200mL10% (v/v)3-氨基丙基三乙氧基硅烷溶液，于磁 力攪拌器中，溫度40°C下，磁力攪拌20min，再以轉速5000rpm離心5min，收集下層活性娃藻 土； (5) 在收集到的下層活性娃藻土中加入100-200mL甲醇，磁力攪拌10-30min，5000rpm 離心5min重新收集下層活性娃藻土, 50°C干燥30-90min。
5. 根據權利要求1或3所述的交聯劑，其特征在于：交聯劑為碳化二亞胺或羥基琥珀 酰亞胺水溶液。
6. -種權利要求1所述的交聯聚谷氨酸用于肥料增效劑和/或土壤保水劑。
7. 根據權利要求6所述的交聯γ-聚谷氨酸用于肥料增效劑，其添加量為肥料質量的 0· l-2wt%。
【文檔編號】C05G3/00GK104109375SQ201410324554
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年7月8日 優先權日:2014年7月8日
【發明者】謝建飛, 盧宗云, 石元亮, 聶宏光 申請人:遼寧中科生物工程有限公司