酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠材料及其制備方法與應用
【專利摘要】本發明公開了一種酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠材料及其制備方法與應用，屬于環境科學領域。本發明首先利用谷氨酰胺轉胺酶的底物選擇性制備出磁性明膠顆粒，酶交聯的明膠外殼有效地避免了鐵離子的滲漏，同時由于僅發生明膠谷氨酰/賴氨酸的交聯，在維系機械穩定性的同時，磁性明膠顆粒保留了大量的氨基基團用以螯合金屬離子。隨后，將聚乙烯亞胺/殼聚糖共聚物修飾在磁性明膠材料表面，以幾何倍數提升氨基數量，獲得吸附容量和機械化學穩定性兼容的酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠材料。本發明的明膠材料有快速的磁分離特性、高效的吸附容量、快速的質量傳遞、綠色無毒、成本低廉等優點，能夠高效去除水中的重金屬離子。
【專利說明】酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠材料及其制備方法與應用
[0001]
技術領域
[0002]本發明涉及環境科學領域，具體涉及一種酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠材料及其制備方法與應用。
【背景技術】
[0003]近幾年來，我國重金屬污染事件層出不窮，究其原因主要來自于重金屬的隨意排放和滲漏。飲用水中重金屬離子的凈化去除是關乎人群健康的重大問題。重金屬離子只要微量濃度即產生毒性效應，且具有持續性和富集作用。相關文獻指出，常規飲水機對重金屬離子的吸附容量偏低，去除效率僅維持在30%左右。因此，發展高效去除飲用水中重金屬離子技術至關重要，而綠色環保、高吸附容量的吸附劑是首要條件。
[0004]目前，水中重金屬離子的凈化處理方法主要采用吸附處理、化學沉淀、離子交換、膜過濾和電化學處理。其中，吸附處理法由于吸附劑來源廣泛、經濟可行、工藝簡單，已成為工業廢水中重金屬離子凈化處理的主要技術之一。然而，大多數吸附劑對金屬的去除機理均依賴于氨基的螯合作用，而氨基本身也是這些吸附劑維持機械穩定性的交聯基團，導致這些吸附劑存在吸附容量和機械穩定性不能同時兼容的弊端，在實際應用中帶來極大的威脅。
[0005]谷氨酰胺轉氨酶是由331個氨基酸組成的單體蛋白質，可催化蛋白質、多肽發生分子內和分子間的共價交聯、蛋白質和氨基酸之間的交聯以及蛋白質分子內谷氨酰胺殘基的水解。其交聯機理是催化谷氨酰胺殘基的γ -酰胺基和賴氨酸的ε-氨基之間進行酰胺基轉移反應，形成ε-(γ-谷酰胺)_賴氨酸的異型肽鍵，而不影響其他氨基酸所攜帶的氨基和羧基。
【發明內容】
[0006]為解決常規吸附劑的吸附容量和機械穩定性不能兼容的不足，本發明的目的在于提供了一種酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠材料及其制備方法與應用。本發明基于一種新型酶交聯策略，交聯機理涉及明膠分子的賴氨酸和谷氨酰胺，而不影響其他氨基酸殘基，同時可提高吸附材料的吸附容量和機械穩定性。此外，聚乙烯亞胺的修飾能夠提供大量氨基，有助于提高吸附劑對重金屬的吸附容量和去除效率;而磁性的修飾能夠實現吸附劑的快速回收，有助于目標物的萃取和檢測，提高實際應用前景。
[0007]本發明的目的通過下述技術方案實現:
一種酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠的制備方法，包括如下步驟:
(I)制備酶交聯型磁性明膠
1.1)將明膠溶解于水中，獲得明膠溶液。
[0008]1.2)向明膠溶液中加入三氯化鐵和硫酸鐵后加熱至50_80°C，再加入氨水，進行攪拌獲得磁性明膠。
[0009]1.3)所獲得的磁性明膠洗滌后分散到水中，加入谷氨酰胺轉氨酶，在4_30°C條件下使明膠分子中谷氨酰胺和賴氨酸進行交聯，得到酶交聯型磁性明膠。
[0010](2)制備殼聚糖/聚乙烯亞胺共聚物
2.1)將殼聚糖溶于酸性水溶液中，得到殼聚糖溶液。
[0011]2.2)往殼聚糖溶液中加入高碘酸鉀，0-4°C攪拌12-20h后，用透析袋去除小分子干擾物，冷凍干燥得到氧化殼聚糖粉末。
[0012]2.3)將所得到的氧化殼聚糖粉末溶解在水中，加入聚乙烯亞胺和硼氫化鈉，0_4°C攪拌12-20h后，用透析袋去除小分子干擾物，冷凍干燥得到殼聚糖/聚乙烯亞胺共聚物粉末。
[0013](3)制備酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠
將步驟(I)得到的酶交聯型磁性明膠分散到水中，加入1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺、N-羥基丁二酰亞胺和步驟(2)得到的殼聚糖/聚乙烯亞胺共聚物，混勻后調整溶液pH至5.0-6.5在20-40 °C反應10-24h，得到酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠。
[0014]優選的，步驟(I)中所述的明膠溶液的濃度為0.05-0.5%。
[0015]優選的，步驟(I)，三氯化鐵、硫酸鐵和明膠的質量比為(1-4): (1-4): 5;所述的氨水為28-30%的氨水，其加入量占明膠溶液體積的6-20%。
[0016]優選的，步驟(2)中所述的殼聚糖溶液的濃度為30-60mg/mL;所述的酸性水溶液為醋酸溶液。
[0017]優選的，步驟(2)中，高碘酸鉀的加入量為殼聚糖質量的0.1-0.5%，硼氫化鈉的加入量為殼聚糖質量的1_5%，殼聚糖和聚乙烯亞胺的質量比為1:(0.5-5);所述的透析袋的截留分子量為3500。
[0018]優選的，步驟(3)中，酶交聯型磁性明膠、1-(3-二甲氨基丙基)-3_乙基碳二亞胺、N-羥基丁二酰亞胺、殼聚糖/聚乙烯亞胺共聚物的質量比為(1-10): 2:1: (5-50)。
[0019]一種酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠，通過上述方法制備得到。
[0020]所述的酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠可用于含重金屬離子水的凈化處理，特別是飲用水的凈化處理。所述的重金屬離子包括Pb( Π )、Cd( Π )。
[0021]所述的酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠可用于制備重金屬離子吸附劑。
[0022]一種重金屬離子吸附劑，包含上述酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠。
[0023]本發明所用材料綠色、環保、無毒，首先利用谷氨酰胺轉胺酶的底物選擇性制備出磁性明膠顆粒。磁性有利于吸附劑的快速回收，酶交聯的明膠外殼有效地避免了鐵離子的滲漏，同時由于僅發生了明膠谷氨酰/賴氨酸的交聯，在維系機械穩定性的同時，磁性明膠顆粒保留了大量的氨基基團用以螯合金屬離子。隨后，將聚乙烯亞胺/殼聚糖共聚物修飾在磁性明膠材料表面，以幾何倍數提升氨基數量，獲得吸附容量和機械化學穩定性兼容的酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠材料。所得到的明膠材料有快速的磁分離特性、高效的吸附容量、快速的質量傳遞、綠色無毒、成本低廉等優點，能夠高效去除水(飲用水)中的重金屬離子。
[0024]由此可見，本發明制備的酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠具有吸附容量高、機械穩定性好、便于回收、價格低廉、綠色無毒的優勢，能夠實現水(飲用水)中重金屬離子的去除。
【附圖說明】
[0025]圖1是酶交聯型磁性明膠的電鏡圖。
[0026]圖2是用不同交聯劑制備的磁性明膠吸附性能研究的結果圖。
[0027]圖3是酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠的電鏡圖。
[0028]圖4是酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠磁強度分析的結果圖。
[0029]圖5是酶交聯型磁性明膠和酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠吸附性能研究的結果圖。
[0030]圖6是酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠吸附動力學研究的結果圖。
[0031 ]圖7酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠對飲用水凈化容量研究的結果圖。
【具體實施方式】
[0032]下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限于此。
[0033]實施例1磁性明膠材料的制備及其吸附性能研究
將3g明膠溶解在50mL純水中，常溫下孵育30分鐘后，加熱溶解明膠，隨后加入質量比為2/1的三氯化鐵和硫酸鐵2.1g(三氯化鐵1.4g，硫酸鐵0.7g)。將溶液溫度升到80°C后，逐滴加入5mL氨水(28-30%)，并在此溫度下機械攪拌5小時。隨后，將得到的沉淀物用水清洗三次后，重新分散到1mL水中，加入0-30mg交聯劑(谷氨酰胺轉氨酶、戊二醛或京尼平)，在4°C環境中攪拌12小時，最后分別用乙醇、水洗滌沉淀物，得到不同交聯型磁性明膠材料。其中，25mg谷氨酰胺轉氨酶作為交聯劑制備的酶交聯型磁性明膠的電鏡圖見圖1，可以看出由于明膠交聯，使得磁性納米材料表面富含大量的功能基團，因而不會聚集團聚，平均粒徑為15nm0
[0034]測定上述不同交聯型磁性明膠對重金屬離子(二價鎘Cd(II)、二價鉛Pb(II))的吸附容量，方法為:分別將20mg不同的磁性明膠加入到20mL重金屬離子濃度為100mg/L的水溶液中，在25°C條件下振蕩吸附12小時，振蕩速率為200rpm。離心沉淀磁性明膠后，采用原子吸收光譜測定上清液中重金屬離子的含量，計算出磁性明膠材料對重金屬離子的吸附容量。結果如圖2所示，谷氨酰胺轉氨酶作為交聯劑制備的磁性明膠對重金屬離子的吸附容量高于戊二醛或京尼平。
[0035]上述結果顯示谷氨酰胺轉氨酶可以作為交聯劑，將磁性顆粒交聯在明膠材料中，形成黑色納米顆粒;此外，由于明膠富含氨基基團，因而納米顆粒的分散性良好。傳統交聯劑(戊二醛和京尼平)對明膠/殼聚糖的交聯依賴于氨基基團，因而，隨著交聯劑濃度的增加，機械穩定性增強的同時氨基數量逐步降低，導致吸附容量也隨之降低。谷氨酰胺轉胺酶具有底物選擇性，僅能催化谷氨酰胺/賴氨酸之間發生分子內和分子間的共價交聯，因而能夠兼容機械穩定性和吸附容量，所以隨著濃度的增加，吸附容量逐漸增強。
[0036]實施例2酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠材料的制備 (I)酶交聯型磁性明膠的制備
將3g明膠溶解在50mL純水中，常溫下孵育30分鐘后，加熱溶解明膠，隨后加入質量比為2/1的三氯化鐵和硫酸鐵2.1g。將溶液溫度升到80°C后，逐滴加入5mL氨水(28-30%)，并在此溫度下機械攪拌5小時。隨后，將得到的沉淀物用水清洗三次后，重新分散到1mL水中，加入25mg谷氨酰胺轉氨酶，在4°C環境中攪拌12小時，最后分別用乙醇、水洗滌沉淀物，得到酶交聯型磁性明膠材料。
[0037](2)殼聚糖/聚乙烯亞胺共聚物的制備
將殼聚糖溶解在1mL醋酸溶液(0.lmmol/L)中使殼聚糖濃度達到60mg/mL，然后加入
0.6mg高碘酸鉀，在0°C條件下攪拌過夜。將反應產物導入透析袋(截留分子量3500)中，在純水環境下透析3天，去除小分子干擾物。通過冷凍干燥得到氧化殼聚糖白色粉末。隨后，將氧化殼聚糖重新溶解在1mL水中，加入0.5g聚乙烯亞胺和30mg硼氫化鈉，在(TC條件下攪拌過夜。同樣將反應產物導入透析袋(截留分子量3500)中，去除小分子干擾物。通過冷凍干燥得到殼聚糖/聚乙烯亞胺共聚物粉末。
[0038](3)酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠材料的制備
將0.25g(l)制備的酶交聯型磁性明膠分散到20mL水中，分別加入0.1g 1_(3_二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺、0.05g N-羥基丁二酰亞胺以及0.5g(2)制備的殼聚糖/聚乙烯亞胺共聚物，混勻后調整溶液PH至6.5在40°C振蕩反應24h。最后用利用磁鐵回收復合材料，并用水反復洗滌，得到酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠材料。所得酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠的電鏡圖見圖3，酶交聯型磁性明膠含有羧基基團，而殼聚糖/聚乙烯亞胺是氨基基團，通過離子間作用力，可以交聯形成一種片層狀復合材料。
[0039]對本實施例所得所制備的酶交聯型磁性明膠和酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠進行磁強度分析，結果(圖4)顯示酶交聯型磁性明膠的磁飽和強度為60emu/g，而由于殼聚糖/聚乙烯亞胺共聚物的修飾，酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠的磁飽和強度有所下降，但是能達到39emu/g。表明酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠能夠通過外加磁場很快的回收，具有較好實際應用前景。
[0040]實施例3酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠材料的性能研究
(I)吸附性能研究
測定實施例2所制備的酶交聯型磁性明膠或酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠對重金屬離子(二價鎘Cd(II)、二價鉛Pb(II))的吸附容量，方法為:分別將20mg不同的磁性明膠加入到20mL含不同濃度(濃度范圍為0-100mg/L)重金屬離子的水溶液中，在25°C條件下振蕩吸附12小時，振蕩速率為200rpm。離心沉淀磁性明膠后，采用原子吸收光譜測定上清液中重金屬離子的含量，計算出磁性明膠材料對重金屬離子的吸附容量。
[0041]結果如圖5所示，酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠的吸附容量遠遠大于酶交聯型磁性明膠，這是由于接枝聚乙烯亞胺/殼聚糖共聚物后，其氨基數量幾何倍數的增加，吸附能力也得到提高。酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠的吸附容量能達到66.lmg/g(鎘離子)和65.2mg/g(鉛離子)。評價結果符合Langmuir(朗繆爾)吸附模型，且理論最大吸附容量分別為341mg/g(鎘離子)和321mg/g(鉛離子)。
[0042](2)吸附動力學研究
測定實施例2所制備的酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠對重金屬離子(二價鎘Cd (I I)、二價鉛Pb (I I))的吸附速率，方法為:將20mg酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠加入到20mL濃度為100mg/L的重金屬離子水溶液中，在25°C條件下振蕩吸附，振蕩速率為200rpm。每隔固定時間，取出ImL混合液，離心沉淀磁性明膠后，采用原子吸收光譜測定上清液中重金屬含量，計算酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠對重金屬離子的去除效率。結果如圖6所示，酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠在45分鐘內即可達到吸附平衡，遠低于文獻報道的鉛離子印跡聚合物的動力學時間(60-100分鐘)，且動力學評價結果符合二階動力學模型。
[0043]實施例4酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠對飲用水凈化容量的研究重金屬離子以多種形態存在于飲用水中，只要微量濃度即產生毒性效應，一般實際濃度不高于200ng/mL。將20mg實施例2所制備的酶交聯型殼聚糖/聚乙稀亞胺接枝磁性明膠(作為吸附劑)填充到玻璃小柱內，將200ng/mL的重金屬離子(Cd(II)或Pb(II))水溶液以lmL/min的流速通過填充柱，分別在10min、300min、500min、700min、100min時，各收集流出液lmL，采用原子吸收光譜測定流出液中的重金屬離子含量，研究酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠對加標水體(200ng/mL)中鉛離子和鎘離子的去除效果。結果如圖7所示，按照WHO飲用水質標準(鉛離子低于10ng/mL，鎘離子低于5ng/mL)，10mg的酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠料能夠凈化0.8L飲用水中的鉛離子和0.4L飲用水中的鎘離子。
[0044]雖然上面結合本發明的優選實施例對本發明的原理進行了詳細的描述，本領域技術人員應該理解，上述實施例僅僅是對本發明的示意性實現方式的解釋，并非對本發明包含范圍的限定。實施例中的細節并不構成對本發明范圍的限制，在不背離本發明的精神和范圍的情況下，任何基于本發明技術方案的等效變換、簡單替換等顯而易見的改變，均落在本發明保護范圍之內。
【主權項】
1.一種酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠的制備方法，其特征在于包括如下步驟: (1)制備酶交聯型磁性明膠 1.1)將明膠溶解于水中，獲得明膠溶液； 1.2)向明膠溶液中加入三氯化鐵和硫酸鐵后加熱至50-80°C，再加入氨水，進行攪拌獲得磁性明膠； 1.3)所獲得的磁性明膠洗滌后分散到水中，加入谷氨酰胺轉氨酶，在4-30°C條件下進行交聯，得到酶交聯型磁性明膠； (2)制備殼聚糖/聚乙烯亞胺共聚物 2.1)將殼聚糖溶于酸性水溶液中，得到殼聚糖溶液； 2.2)往殼聚糖溶液中加入高碘酸鉀，0-4 °C攪拌12-20h后，用透析袋去除小分子干擾物，冷凍干燥得到氧化殼聚糖粉末； 2.3)將所得到的氧化殼聚糖粉末溶解在水中，加入聚乙烯亞胺和硼氫化鈉，0-4°C攪拌12-20h后，用透析袋去除小分子干擾物，冷凍干燥得到殼聚糖/聚乙烯亞胺共聚物粉末； (3)制備酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠 將步驟(I)得到的酶交聯型磁性明膠分散到水中，加入1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺、N-羥基丁二酰亞胺和步驟(2)得到的殼聚糖/聚乙烯亞胺共聚物，混勻后調整溶液pH至5.0-6.5在20-40 °C反應10-24h，得到酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠。2.根據權利要求1所述的酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠的制備方法，其特征在于:步驟(I)中所述的明膠溶液的濃度為0.05-0.5%。3.根據權利要求1所述的酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠的制備方法，其特征在于:步驟(I)中，三氯化鐵、硫酸鐵和明膠的質量比為(1-4):(1-4):5，氨水的加入量占明膠溶液體積的6-20%。4.根據權利要求1所述的酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠的制備方法，其特征在于:步驟(2)中所述的殼聚糖溶液的濃度為30-60mg/ mL。5.根據權利要求1所述的酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠的制備方法，其特征在于:步驟(2)中，高碘酸鉀的加入量為殼聚糖質量的0.1-0.5%，硼氫化鈉的加入量為殼聚糖質量的1-5%，殼聚糖和聚乙烯亞胺的質量比為I: (0.5-5)。6.根據權利要求1所述的酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠的制備方法，其特征在于:步驟(3)中，酶交聯型磁性明膠、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺、N-羥基丁二酰亞胺、殼聚糖/聚乙烯亞胺共聚物的質量比為(1-10): 2:1: (5-50)。7.—種酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠，其特征在于:通過權利要求1-5任一項所述的方法制備得到。8.權利要求7所述的酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠在含重金屬離子水的凈化處理中的應用，其特征在于:所述的重金屬離子包括Pb( Π )、Cd( Π )。9.權利要求7所述的酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠在制備重金屬離子吸附劑中的應用。10.一種重金屬離子吸附劑，其特征在于:包含權利要求7所述的酶交聯型殼聚糖/聚乙烯亞胺接枝磁性明膠。
【文檔編號】B01J20/30GK105854839SQ201610235308
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月15日
【發明人】方敏, 宮智勇, 喬曉婷, 吳永寧
【申請人】武漢輕工大學