CN105854839B - 酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶材料及其制备方法与应用 - Google Patents

酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶材料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶材料及其制备方法与应用，属于环境科学领域。本发明首先利用谷氨酰胺转胺酶的底物选择性制备出磁性明胶颗粒，酶交联的明胶外壳有效地避免了铁离子的渗漏，同时由于仅发生明胶谷氨酰/赖氨酸的交联，在维系机械稳定性的同时，磁性明胶颗粒保留了大量的氨基基团用以螯合金属离子。随后，将聚乙烯亚胺/壳聚糖共聚物修饰在磁性明胶材料表面，以几何倍数提升氨基数量，获得吸附容量和机械化学稳定性兼容的酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶材料。本发明的明胶材料有快速的磁分离特性、高效的吸附容量、快速的质量传递、绿色无毒、成本低廉等优点，能够高效去除水中的重金属离子。

Description

酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶材料及其制备方 法与应用
技术领域
本发明涉及环境科学领域，具体涉及一种酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶材料及其制备方法与应用。
背景技术
近几年来，我国重金属污染事件层出不穷，究其原因主要来自于重金属的随意排放和渗漏。饮用水中重金属离子的净化去除是关乎人群健康的重大问题。重金属离子只要微量浓度即产生毒性效应，且具有持续性和富集作用。相关文献指出，常规饮水机对重金属离子的吸附容量偏低，去除效率仅维持在30%左右。因此，发展高效去除饮用水中重金属离子技术至关重要，而绿色环保、高吸附容量的吸附剂是首要条件。
目前，水中重金属离子的净化处理方法主要采用吸附处理、化学沉淀、离子交换、膜过滤和电化学处理。其中，吸附处理法由于吸附剂来源广泛、经济可行、工艺简单，已成为工业废水中重金属离子净化处理的主要技术之一。然而，大多数吸附剂对金属的去除机理均依赖于氨基的螯合作用，而氨基本身也是这些吸附剂维持机械稳定性的交联基团，导致这些吸附剂存在吸附容量和机械稳定性不能同时兼容的弊端，在实际应用中带来极大的威胁。
谷氨酰胺转氨酶是由331个氨基酸组成的单体蛋白质，可催化蛋白质、多肽发生分子内和分子间的共价交联、蛋白质和氨基酸之间的交联以及蛋白质分子内谷氨酰胺残基的水解。其交联机理是催化谷氨酰胺残基的γ-酰胺基和赖氨酸的ε-氨基之间进行酰胺基转移反应，形成ε-(γ-谷酰胺)-赖氨酸的异型肽键，而不影响其他氨基酸所携带的氨基和羧基。
发明内容
为解决常规吸附剂的吸附容量和机械稳定性不能兼容的不足，本发明的目的在于提供了一种酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶材料及其制备方法与应用。本发明基于一种新型酶交联策略，交联机理涉及明胶分子的赖氨酸和谷氨酰胺，而不影响其他氨基酸残基，同时可提高吸附材料的吸附容量和机械稳定性。此外，聚乙烯亚胺的修饰能够提供大量氨基，有助于提高吸附剂对重金属的吸附容量和去除效率；而磁性的修饰能够实现吸附剂的快速回收，有助于目标物的萃取和检测，提高实际应用前景。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶的制备方法，包括如下步骤：
（1）制备酶交联型磁性明胶
1.1）将明胶溶解于水中，获得明胶溶液。
1.2）向明胶溶液中加入三氯化铁和硫酸铁后加热至50-80℃，再加入氨水，进行搅拌获得磁性明胶。
1.3）所获得的磁性明胶洗涤后分散到水中，加入谷氨酰胺转氨酶，在4-30℃条件下使明胶分子中谷氨酰胺和赖氨酸进行交联，得到酶交联型磁性明胶。
（2）制备壳聚糖/聚乙烯亚胺共聚物
2.1）将壳聚糖溶于酸性水溶液中，得到壳聚糖溶液。
2.2）往壳聚糖溶液中加入高碘酸钾，0-4℃搅拌12-20h后，用透析袋去除小分子干扰物，冷冻干燥得到氧化壳聚糖粉末。
2.3）将所得到的氧化壳聚糖粉末溶解在水中，加入聚乙烯亚胺和硼氢化钠，0-4℃搅拌12-20h后，用透析袋去除小分子干扰物，冷冻干燥得到壳聚糖/聚乙烯亚胺共聚物粉末。
（3）制备酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶
将步骤（1）得到的酶交联型磁性明胶分散到水中，加入1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺、N-羟基丁二酰亚胺和步骤（2）得到的壳聚糖/聚乙烯亚胺共聚物，混匀后调整溶液pH至5.0-6.5在20-40℃反应10-24h，得到酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶。
优选的，步骤（1）中所述的明胶溶液的浓度为0.05-0.5%。
优选的，步骤（1），三氯化铁、硫酸铁和明胶的质量比为（1-4）:（1-4）:5；所述的氨水为28-30%的氨水，其加入量占明胶溶液体积的6-20%。
优选的，步骤（2）中所述的壳聚糖溶液的浓度为30-60mg/mL；所述的酸性水溶液为醋酸溶液。
优选的，步骤（2）中，高碘酸钾的加入量为壳聚糖质量的0.1-0.5%，硼氢化钠的加入量为壳聚糖质量的1-5%，壳聚糖和聚乙烯亚胺的质量比为1:（0.5-5）；所述的透析袋的截留分子量为3500。
优选的，步骤（3）中，酶交联型磁性明胶、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺、N-羟基丁二酰亚胺、壳聚糖/聚乙烯亚胺共聚物的质量比为（1-10）:2:1:（5-50）。
一种酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶，通过上述方法制备得到。
所述的酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶可用于含重金属离子水的净化处理，特别是饮用水的净化处理。所述的重金属离子包括Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)。
所述的酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶可用于制备重金属离子吸附剂。
一种重金属离子吸附剂，包含上述酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶。
本发明所用材料绿色、环保、无毒，首先利用谷氨酰胺转胺酶的底物选择性制备出磁性明胶颗粒。磁性有利于吸附剂的快速回收，酶交联的明胶外壳有效地避免了铁离子的渗漏，同时由于仅发生了明胶谷氨酰/赖氨酸的交联，在维系机械稳定性的同时，磁性明胶颗粒保留了大量的氨基基团用以螯合金属离子。随后，将聚乙烯亚胺/壳聚糖共聚物修饰在磁性明胶材料表面，以几何倍数提升氨基数量，获得吸附容量和机械化学稳定性兼容的酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶材料。所得到的明胶材料有快速的磁分离特性、高效的吸附容量、快速的质量传递、绿色无毒、成本低廉等优点，能够高效去除水（饮用水）中的重金属离子。
由此可见，本发明制备的酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶具有吸附容量高、机械稳定性好、便于回收、价格低廉、绿色无毒的优势，能够实现水（饮用水）中重金属离子的去除。
附图说明
图1是酶交联型磁性明胶的电镜图。
图2是用不同交联剂制备的磁性明胶吸附性能研究的结果图。
图3是酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶的电镜图。
图4是酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶磁强度分析的结果图。
图5是酶交联型磁性明胶和酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶吸附性能研究的结果图。
图6是酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶吸附动力学研究的结果图。
图7酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶对饮用水净化容量研究的结果图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1 磁性明胶材料的制备及其吸附性能研究
将3g明胶溶解在50mL纯水中，常温下孵育30分钟后，加热溶解明胶，随后加入质量比为2/1的三氯化铁和硫酸铁2.1g（三氯化铁1.4g，硫酸铁0.7g）。将溶液温度升到80℃后，逐滴加入5mL氨水（28-30%），并在此温度下机械搅拌5小时。随后，将得到的沉淀物用水清洗三次后，重新分散到10mL水中，加入0-30mg交联剂（谷氨酰胺转氨酶、戊二醛或京尼平），在4℃环境中搅拌12小时，最后分别用乙醇、水洗涤沉淀物，得到不同交联型磁性明胶材料。其中，25mg谷氨酰胺转氨酶作为交联剂制备的酶交联型磁性明胶的电镜图见图1，可以看出由于明胶交联，使得磁性纳米材料表面富含大量的功能基团，因而不会聚集团聚，平均粒径为15nm。
测定上述不同交联型磁性明胶对重金属离子（二价镉Cd(II)、二价铅Pb(II)）的吸附容量，方法为：分别将20mg不同的磁性明胶加入到20mL重金属离子浓度为100mg/L的水溶液中，在25℃条件下振荡吸附12小时，振荡速率为200rpm。离心沉淀磁性明胶后，采用原子吸收光谱测定上清液中重金属离子的含量，计算出磁性明胶材料对重金属离子的吸附容量。结果如图2所示，谷氨酰胺转氨酶作为交联剂制备的磁性明胶对重金属离子的吸附容量高于戊二醛或京尼平。
上述结果显示谷氨酰胺转氨酶可以作为交联剂，将磁性颗粒交联在明胶材料中，形成黑色纳米颗粒；此外，由于明胶富含氨基基团，因而纳米颗粒的分散性良好。传统交联剂（戊二醛和京尼平）对明胶/壳聚糖的交联依赖于氨基基团，因而，随着交联剂浓度的增加，机械稳定性增强的同时氨基数量逐步降低，导致吸附容量也随之降低。谷氨酰胺转胺酶具有底物选择性，仅能催化谷氨酰胺/赖氨酸之间发生分子内和分子间的共价交联，因而能够兼容机械稳定性和吸附容量，所以随着浓度的增加，吸附容量逐渐增强。
实施例2 酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶材料的制备
（1）酶交联型磁性明胶的制备
将3g明胶溶解在50mL纯水中，常温下孵育30分钟后，加热溶解明胶，随后加入质量比为2/1的三氯化铁和硫酸铁2.1g。将溶液温度升到80℃后，逐滴加入5mL氨水（28-30%），并在此温度下机械搅拌5小时。随后，将得到的沉淀物用水清洗三次后，重新分散到10mL水中，加入25mg谷氨酰胺转氨酶，在4℃环境中搅拌12小时，最后分别用乙醇、水洗涤沉淀物，得到酶交联型磁性明胶材料。
（2）壳聚糖/聚乙烯亚胺共聚物的制备
将壳聚糖溶解在10mL醋酸溶液（0.1mmol/L）中使壳聚糖浓度达到60mg/mL，然后加入0.6mg高碘酸钾，在0℃条件下搅拌过夜。将反应产物导入透析袋（截留分子量3500）中，在纯水环境下透析3天，去除小分子干扰物。通过冷冻干燥得到氧化壳聚糖白色粉末。随后，将氧化壳聚糖重新溶解在10mL水中，加入0.5g聚乙烯亚胺和30mg硼氢化钠，在0℃条件下搅拌过夜。同样将反应产物导入透析袋（截留分子量3500）中，去除小分子干扰物。通过冷冻干燥得到壳聚糖/聚乙烯亚胺共聚物粉末。
（3）酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶材料的制备
将0.25g（1）制备的酶交联型磁性明胶分散到20mL水中，分别加入0.1g 1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺、0.05g N-羟基丁二酰亚胺以及0.5g（2）制备的壳聚糖/聚乙烯亚胺共聚物，混匀后调整溶液pH至6.5在40℃振荡反应24h。最后用利用磁铁回收复合材料，并用水反复洗涤，得到酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶材料。所得酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶的电镜图见图3，酶交联型磁性明胶含有羧基基团，而壳聚糖/聚乙烯亚胺是氨基基团，通过离子间作用力，可以交联形成一种片层状复合材料。
对本实施例所得所制备的酶交联型磁性明胶和酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶进行磁强度分析，结果（图4）显示酶交联型磁性明胶的磁饱和强度为60emu/g，而由于壳聚糖/聚乙烯亚胺共聚物的修饰，酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶的磁饱和强度有所下降，但是能达到39emu/g。表明酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶能够通过外加磁场很快的回收，具有较好实际应用前景。
实施例3 酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶材料的性能研究
（1）吸附性能研究
测定实施例2所制备的酶交联型磁性明胶或酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶对重金属离子（二价镉Cd(II)、二价铅Pb(II)）的吸附容量，方法为：分别将20mg不同的磁性明胶加入到20mL含不同浓度（浓度范围为0-100mg/L）重金属离子的水溶液中，在25℃条件下振荡吸附12小时，振荡速率为200rpm。离心沉淀磁性明胶后，采用原子吸收光谱测定上清液中重金属离子的含量，计算出磁性明胶材料对重金属离子的吸附容量。
结果如图5所示，酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶的吸附容量远远大于酶交联型磁性明胶，这是由于接枝聚乙烯亚胺/壳聚糖共聚物后，其氨基数量几何倍数的增加，吸附能力也得到提高。酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶的吸附容量能达到66.1mg/g（镉离子）和65.2mg/g（铅离子）。评价结果符合Langmuir（朗缪尔）吸附模型，且理论最大吸附容量分别为341mg/g（镉离子）和321mg/g（铅离子）。
（2）吸附动力学研究
测定实施例2所制备的酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶对重金属离子（二价镉Cd(II)、二价铅Pb(II)）的吸附速率，方法为：将20mg酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶加入到20mL浓度为100mg/L的重金属离子水溶液中，在25℃条件下振荡吸附，振荡速率为200rpm。每隔固定时间，取出1mL混合液，离心沉淀磁性明胶后，采用原子吸收光谱测定上清液中重金属含量，计算酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶对重金属离子的去除效率。结果如图6所示，酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶在45分钟内即可达到吸附平衡，远低于文献报道的铅离子印迹聚合物的动力学时间（60-100分钟），且动力学评价结果符合二阶动力学模型。
实施例4 酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶对饮用水净化容量的研究
重金属离子以多种形态存在于饮用水中，只要微量浓度即产生毒性效应，一般实际浓度不高于200ng/mL。将20mg实施例2所制备的酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶（作为吸附剂）填充到玻璃小柱内，将200ng/mL的重金属离子（Cd(II)或Pb(II)）水溶液以1mL/min的流速通过填充柱，分别在100min、300min、500min、700min、1000min时，各收集流出液1mL，采用原子吸收光谱测定流出液中的重金属离子含量，研究酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶对加标水体（200ng/mL）中铅离子和镉离子的去除效果。结果如图7所示，按照WHO饮用水质标准（铅离子低于10ng/mL，镉离子低于5ng/mL），10mg的酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶料能够净化0.8L饮用水中的铅离子和0.4L饮用水中的镉离子。
虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)制备酶交联型磁性明胶
1.1)将明胶溶解于水中，获得明胶溶液；
1.2)向明胶溶液中加入三氯化铁和硫酸铁后加热至50-80℃，再加入氨水，进行搅拌获得磁性明胶；
1.3)所获得的磁性明胶洗涤后分散到水中，加入谷氨酰胺转氨酶，在4-30℃条件下进行交联，得到酶交联型磁性明胶；
(2)制备壳聚糖/聚乙烯亚胺共聚物
2.1)将壳聚糖溶于酸性水溶液中，得到壳聚糖溶液；
2.2)往壳聚糖溶液中加入高碘酸钾，0-4℃搅拌12-20h后，用透析袋去除小分子干扰物，冷冻干燥得到氧化壳聚糖粉末；
2.3)将所得到的氧化壳聚糖粉末溶解在水中，加入聚乙烯亚胺和硼氢化钠，0-4℃搅拌12-20h后，用透析袋去除小分子干扰物，冷冻干燥得到壳聚糖/聚乙烯亚胺共聚物粉末；
(3)制备酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶
将步骤(1)得到的酶交联型磁性明胶分散到水中，加入1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺、N-羟基丁二酰亚胺和步骤(2)得到的壳聚糖/聚乙烯亚胺共聚物，混匀后调整溶液pH至5.0-6.5在20-40℃反应10-24h，得到酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶。
2.根据权利要求1所述的酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，三氯化铁、硫酸铁和明胶的质量比为(1-4):(1-4):5，氨水的加入量占明胶溶液体积的6-20％。
3.根据权利要求1所述的酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的壳聚糖溶液的浓度为30-60mg/mL。
4.根据权利要求1所述的酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，高碘酸钾的加入量为壳聚糖质量的0.1-0.5％，硼氢化钠的加入量为壳聚糖质量的1-5％，壳聚糖和聚乙烯亚胺的质量比为1:(0.5-5)。
5.根据权利要求1所述的酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，酶交联型磁性明胶、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺、N-羟基丁二酰亚胺、壳聚糖/聚乙烯亚胺共聚物的质量比为(1-10):2:1:(5-50)。
6.一种酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶，其特征在于：通过权利要求1-5任一项所述的方法制备得到。
7.权利要求6所述的酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶在含重金属离子水的净化处理中的应用，其特征在于：所述的重金属离子包括Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)。
8.权利要求6所述的酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶在制备重金属离子吸附剂中的应用。
9.一种重金属离子吸附剂，其特征在于：包含权利要求6所述的酶交联型壳聚糖/聚乙烯亚胺接枝磁性明胶。
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