CN112552395A - 一种快速分离富集乳制品中乳铁蛋白的方法 - Google Patents

一种快速分离富集乳制品中乳铁蛋白的方法 Download PDF

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Abstract

一种快速分离富集乳制品中乳铁蛋白的方法属于纳米材料和分析技术领域。本发明制备了一种硼酸官能化聚合物材料用于选择性富集乳制品中乳铁蛋白,可将此材料填充于固相萃取小柱，进行样品前处理，采用液相色谱‑紫外检测法测定乳制品中的乳铁蛋白。该高分子材料含有多个氨基可结合多个硼酸位点，并具有高度亲水性，提高富集效果。本发明的亲水性苯硼酸功能化材料可用于特异性识别、分离、富集邻二羟基化合物。故本方法适用于乳制品中糖蛋白的同时检测，可较好的适用于乳制品领域，特别适用于牛奶、奶粉中乳铁蛋白的检测，具有快速，操作简单，特异性强等优点，结果准确。

Description

一种快速分离富集乳制品中乳铁蛋白的方法
技术领域：
本发明属于纳米材料和分析技术领域，具体涉及一种硼酸修饰聚合物纳米粒子的制备方法及其应用。
背景技术：
乳铁蛋白(Lf)是一种天然蛋白质，广泛存在于动物乳汁中，是一种双叶铁结合的球状糖蛋白。因其具有广谱抗菌、抗氧化、抗癌、调节免疫系统等强大生物功能，欧盟已批准牛乳铁蛋白作为新型食品成分，而中国政府当局已规定乳制品中牛乳铁蛋白的浓度限值应为1.0g/kg，婴儿配方食品中的牛乳铁蛋白剂量为1.0g/L。通常采用色谱法、超滤法、盐析法和酸沉降法分离乳铁蛋白。目前,报道的乳制品中乳铁蛋白检测方法包括酶联免疫法、高效毛细管电泳法、生物传感测定法、高效液相色谱法、高效液相-质谱联用法等。
由于牛奶基质的复杂性，与其他蛋白质和脂肪相比，乳铁蛋白浓度较低，对其的检测存在一定困难。目前，通常用肝素亲和柱对牛奶中的乳铁蛋白进行萃取，但是肝素亲和柱价格昂贵，且不能多次循环利用，存在一定局限性。
聚合物纳米材料是单体和交联剂在自由基反应引发剂引发下反应形成交联的骨架结构的一种多孔材料。通过选择特定的单体和交联剂种类，在合适的用料比例下，形成的具有亲水性强、比表面积大、均匀的孔径，良好的稳定性，表面易于修饰等优点的一种纳米材料。由于其制备简单，价格低廉，在材料修饰和分析检测等领域都得到了广泛的关注。
因此，本发明将硼酸亲和与聚合物材料相结合，设计了一种氨基化的聚合物纳米粒子并在表面接枝苯硼酸，基于硼酸与顺式邻二羟基之间的亲和作用，将其用于糖蛋白的分离富集。该方法对乳制品中的乳铁蛋白有较好的分离富集效果。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种亲水性的硼酸功能化聚合物材料。
本发明的目的在于提供所述亲水性硼酸功能化聚合物材料的制备方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种亲水性的硼酸功能化聚合物材料，其特征在于该纳米粒子由内至外依次是聚合物内核、连接层和苯硼酸外层，层与层之间通过化学键键合。具体步骤如下：
(1)将单体甲基丙烯酸缩水甘油酯GMA,甲基丙烯酸甲酯MMA,苯乙烯ST和交联剂二乙二醇二甲基丙烯酸酯DEGDMA混合，加入致孔剂甲苯，正己烷，正癸醇超声。在混合物中加入偶氮二异丁腈AIBN引发剂超声。用氮气吹扫后反应一定时间。反应结束后，将材料冷却至室温，研磨成粉末，用甲醇洗涤，将所得产物真空干燥。
其中，所述单体甲基丙烯酸缩水甘油酯，甲基丙烯酸甲酯和苯乙烯的质量比为3:3:2，致孔剂甲苯，正己烷和正癸醇的质量比为3:3:2，单体与致孔剂的体积比为1:5，交联剂二乙二醇二甲基丙烯酸酯与致孔剂的质量比为1.18:1，加入的偶氮二异丁腈质量为单体质量的1％。超声时间为5-15min，反应温度为60℃-90℃，反应时间为4-8h。
(2)将聚合物材料加入到聚乙烯亚胺的甲醇溶液中，在一定温度下进行磁力搅拌。
其中，所述聚合物和聚乙烯亚胺的质量比为1:5，聚乙烯亚胺在甲醇溶液中的浓度为100mg/mL。所述反应温度为65℃，反应时间为5-12h。
(3)将GMA-MMA-DEGDMA@PEI纳米颗粒分散在甲醇/乙酸溶液中，先后加入与GMA-MMA-DEGDMA@PEI纳米粒子材料质量1-1.2倍的4-甲酰基苯硼酸和氰基硼氢化钠，在30-50℃条件下反应8-12个小时。用水和乙醇依次洗涤2-3次并干燥，得到最终产物。
其中，甲醇与乙酸的体积比为148.8:1.2，加入的GMA-MMA-DEGDMA@PEI纳米粒子在甲醇/乙酸混合溶液中的浓度为0.67mg/mL。
本发明另一目的是将上述合成的硼酸功能化聚合物纳米材料用于乳制品中乳铁蛋白的分离与富集，并提供一种乳制品中乳铁蛋白的检测方法。
作为本发明进一步的方案：所述样品为牛奶，牛奶样品中乳铁蛋白的萃取方法为：将10mL牛奶样品在9000r下离心20min得到脱脂奶。用pH＝7-9的缓冲液将脱脂奶稀释，将2-10mg纳米颗粒加入到含有5-30μg/mL乳铁蛋白的脱脂奶中并振荡，离心，弃去上清液，依次加入pH＝7-9的缓冲液和水洗涤3次。离心后弃去上清液，加入pH＝1.5-3的甲酸水溶液并振荡以洗脱结合的乳铁蛋白，离心，过0.22μm聚醚砜滤膜，滤液上机测试。
样品检测的超高效液相色谱-紫外检测器条件为：色谱柱为Waters AcquityProtein BEH C4，规格(2.1mm×100mm，1.7μm)，流动相A为0.1％的甲酸水溶液，流动相B为含0.075％甲酸的乙腈和水溶液(71.4:28.6v/v)，柱温为30℃，流速为0.3mL/min，样品进样量为2μL，洗脱方式为梯度洗脱，检测波长为205nm。梯度洗脱程序如下：0-5.5min，28-100％B；5.5-8min，100％B；8-8.2min，100-28％B；8.2-9min，28％B。
本发明的有益效果是：
(1)使用的单体和交联剂为不含苯环的甲基丙烯酸缩水甘油酯,甲基丙烯酸甲酯和二乙二醇二甲基丙烯酸酯，提高了材料的亲水性，有利于乳铁蛋白的吸附。(2)该高分子材料中聚乙烯亚胺含有多个氨基可结合多个硼酸位点从而提高糖蛋白的富集能力。(3)聚合物纳米材料具有较大的比表面积，均匀的孔径，良好的化学稳定性，且生产成本低，制备简单。(4)本发明考虑到吸附和解吸附效果会随着时间的延长而提升的效果以及考虑到时间成本，考察了10-60min不同时间的吸附和解吸附效果，在40min内可得到较好的吸附效率，在40min内可得到较好的解吸附效率，选择该吸附和解吸附时间既能得到较好的效果又节约了时间。相比于其它的硼酸功能化材料，选择该吸附材料所需时间较短。(5)本发明的检测方法操作简单、分析快速、结果准确，值得推广应用。
附图说明：
图1为本发明的亲水性硼酸功能化聚合物材料的扫描电镜图，其中：图1(a)为放大30000倍,图1(b)为放大60000倍。
图2为亲水性硼酸功能化聚合物材料的红外表征图，其中(a)为GMA-MMA-DEGDMA；(b)为GMA-MMA-DEGDMA@PEI；(c)GMA-MMA-DEGDMA@PEI-FPBA。1358cm-1处的峰属于C-B振动峰，表明聚合物表面存在4-甲酰基苯硼酸。
图3(a)空白溶剂色谱图，图3(b)乳铁蛋白色谱图
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行详细地描述，需要指出的是，以下说明仅仅是对本发明要求保护的技术方案的举例说明，并非对这些技术方案的任何限制。在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。
实施例1
硼酸功能化聚合物纳米粒子GMA-MMA-DEGDMA@PEI-FPBA的合成：
(1)GMA-MMA-DEGDMA聚合物的制备
将单体348.7μL甲基丙烯酸缩水甘油酯GMA，384.9μL甲基丙烯酸甲酯MMA，266.5μL苯乙烯ST和交联剂4.1776mL二乙二醇二甲基丙烯酸酯DEGDMA混合，加入5mL致孔剂分别为1.6639mL甲苯，2.1832mL正己烷，1.1577mL正癸醇，超声10min。在混合物中加入9.69mgAIBN引发剂，超声10min。用氮气吹扫后密封，在烘箱中75℃加热2.5h，85℃加热2.5h。将材料冷却至室温，研磨成粉末，用甲醇洗涤以除去残留的致孔剂和未反应的单体，并将所得产物放入真空干燥箱中80℃干燥12h。
(2)聚乙烯亚胺修饰的聚合物的制备
将600mg聚合物添加到30mL含3g PEI的甲醇中，并在65℃磁力搅拌12h。离心收集产物，用甲醇洗涤4次，将所得产物放入真空干燥箱中80℃干燥12h。
(3)苯硼酸功能化的聚合物的制备
将100mg GMA-MMA-DEGDMA@PEI纳米颗粒分散在148.8mL甲醇和1.2mL乙酸的混合溶液中，然后添加100mg 4-FPBA。改性反应在40℃下进行10小时。之后，加入100mgNaBH3CN，在40℃下磁力搅拌还原10小时。并用水和乙醇依次洗涤3次，将所得产物放入真空干燥箱中80℃干燥12h。
实施例2
分散固相萃取法吸附乳铁蛋白：
(1)0.2mol/L磷酸氢二钠溶液的配制：称取28.4g磷酸氢二钠，加1000mL水溶解。
0.2mol/L磷酸二氢钠溶液的配制：称取31.202g二水合磷酸二氢钠，加1000mL水溶解。
pH＝7的磷酸盐缓冲液的配制：取39.0mL的0.2mol/L磷酸二氢钠溶液和61.0mL的0.2mol/L磷酸氢二钠溶液，混合即得。
pH＝8的磷酸盐缓冲液的配制：取5.3mL的0.2mol/L磷酸二氢钠溶液和94.7mL的0.2mol/L磷酸氢二钠溶液，混合即得。
pH＝8.5的三(羟甲基)氨基甲烷-盐酸缓冲液的配制：取50mL 0.1mol/L三羟甲基氨基甲烷(Tris)溶液与14.7mL 0.1mol/L盐酸混匀后，加水稀释至100mL。
pH＝9的三(羟甲基)氨基甲烷-盐酸缓冲液的配制：取50mL 0.1mol/L三羟甲基氨基甲烷(Tris)溶液与5.7mL 0.1mol/L盐酸混匀后，加水稀释至100mL。(2)在不同的pH条件下苯硼酸功能化聚合物对乳铁蛋白的吸附效果
将乳铁蛋白分别在pH为7-9的缓冲液中稀释。将10mg苯硼酸功能化聚合物添加到0.1mg/mL乳铁蛋白溶液中。混合物通过超声处理分散5分钟，然后振荡吸附60min。8000r离心10min后，收集沉淀和上清液，上清液过0.22μm聚醚砜滤膜。通过UPLC-TUV测定上清液中乳铁蛋白的浓度，并计算乳铁蛋白的吸附率。表1为不同pH苯硼酸功能化聚合物对乳铁蛋白的吸附效率。不难看出，在pH＝8.5时，苯硼酸功能化聚合物对乳铁蛋白的吸附效率最高，故其为最佳吸附pH。
表1.不同pH下硼酸功能化聚合物对乳铁蛋白的吸附效率
pH 吸附效率(％)
7 68.2
8 90.4
8.5 96.8
9 92.2
(3)在不同的吸附时间下苯硼酸功能化聚合物对乳铁蛋白的吸附效果
将乳铁蛋白在pH＝8.5的缓冲液中稀释。将10mg苯硼酸功能化聚合物添加到0.1mg/mL乳铁蛋白溶液中。混合物通过超声处理分散5分钟，然后分别振荡吸附10-60min的不同时间。8000r离心10min后，收集沉淀和上清液，上清液过0.22μm聚醚砜滤膜。通过UPLC-TUV测定上清液中乳铁蛋白的浓度，并计算乳铁蛋白的吸附率。表2为不同吸附时间下苯硼酸功能化聚合物对乳铁蛋白的吸附效率。不难看出，在吸附了将近60分钟之后，吸附效率几乎不再上升，综合考虑后其为最佳吸附时间。
表2.不同吸附时间下硼酸功能化聚合物对乳铁蛋白的吸附效率
时间(min) 吸附效率(％)
10 60.3
20 78.4
40 93.6
60 96.8
实施例3
苯硼酸功能化聚合物的解吸附条件：
(1)在不同的pH条件下的解吸效果
将乳铁蛋白在pH＝8.5的缓冲液中稀释。将10mg苯硼酸功能化聚合物添加到0.1mg/mL乳铁蛋白溶液中。混合物通过超声处理分散5分钟，然后振荡吸附60min。8000r离心10min后，收集沉淀和上清液。上清液过0.22μm聚醚砜滤膜。沉淀分别用pH为1.5-3的甲酸溶液振荡60min以洗脱结合的乳铁蛋白，离心，上清液过0.22μm聚醚砜滤膜。通过UPLC-TUV测定两个滤液中乳铁蛋白的浓度，并计算乳铁蛋白的解吸附率。表3为不同pH苯硼酸功能化聚合物对乳铁蛋白的解吸效率。不难看出，在pH＝2时，苯硼酸功能化聚合物对乳铁蛋白的解吸附效率最高，故其为最佳解吸附pH。
表3.不同pH下硼酸功能化聚合物对乳铁蛋白的解吸效率
pH 解吸效率(％)
1.5 89.0
2 100.0
2.5 95.1
3 73.3
(2)在不同的洗脱时间下的解吸效果
将乳铁蛋白在pH＝8.5的缓冲液中稀释。将10mg苯硼酸功能化聚合物添加到0.1mg/mL乳铁蛋白溶液中。混合物通过超声处理分散5分钟，然后振荡吸附60min。8000r离心10min后，收集沉淀和上清液。上清液过0.22μm聚醚砜滤膜。沉淀用2％甲酸溶液分别洗脱10-60min的不同时间，离心，上清液过0.22μm聚醚砜滤膜。通过UPLC-TUV测定两个滤液中乳铁蛋白的浓度，并计算乳铁蛋白的解吸附率。表4为不同洗脱时间下苯硼酸功能化聚合物对乳铁蛋白的解吸效率。不难看出，在洗脱了60分钟之后，解吸附效率最高，故其为最佳洗脱时间。
表4.不同洗脱时间下硼酸功能化聚合物对乳铁蛋白的解吸效率
时间(min) 解吸效率(％)
10 68.7
20 88.6
40 96.4
60 100.0
实施例4
GMA-MMA-DEGDMA@PEI@FPBA用于牛奶中乳铁蛋白的富集：
将10mL牛奶样品在9000r下离心20min得到脱脂奶。用pH＝8.5的缓冲液将脱脂奶稀释，将10mg纳米颗粒加入到含有5-30μg/mL乳铁蛋白的脱脂奶中并振荡1小时，离心5分钟，收集沉淀并依次加入pH＝8.5的缓冲液和水洗涤3次。离心收集沉淀用2％的甲酸溶液振荡1小时以洗脱结合的乳铁蛋白。离心，上清液过0.22μm聚醚砜滤膜，溶液用UPLC-TUV在205nm处检测。本方法检测牛奶中乳铁蛋白的检出限是2.5μg/mL。

Claims (6)

1.一种硼酸功能化聚合物材料，其特征在于，所述材料的内核为聚合物纳米粒子，中间的连接层为聚乙烯亚胺，外层为苯硼酸，层与层之间通过化学键键合。
2.制备如权利要求1所述的硼酸功能化聚合物材料的方法，其特征在于，具体操作步骤如下：
(1)合成聚合物纳米粒子GMA-MMA-DEGDMA NPs：
将一定量的单体甲基丙烯酸缩水甘油酯GMA,甲基丙烯酸甲酯MMA,苯乙烯ST和交联剂二乙二醇二甲基丙烯酸酯DEGDMA混合，加入致孔剂甲苯，正己烷，正癸醇超声5-15min；在混合物中加入偶氮二异丁腈AIBN作为自由基反应引发剂，超声5-15min；用氮气吹扫后密封于60℃-90℃反应4-8h；反应结束后，将材料冷却至室温，研磨成粉末，用甲醇洗涤4-6次，将所得产物真空干燥，得到GMA-MMA-DEGDMA NPs；
(2)制备氨基化聚合物纳米粒子GMA-MMA-DEGDMA@PEI NPs：
将聚合物添加到聚乙烯亚胺的甲醇溶液中，聚合物和聚乙烯亚胺的质量比为1:5，在65℃下磁力搅拌5-12h；离心收集产物，用甲醇洗涤3-6次并干燥，得到GMA-MMA-DEGDMA@PEINPs；
(3)制备硼酸修饰的聚合物纳米粒子GMA-MMA-DEGDMA@PEI-FPBA NPs：
将GMA-MMA-DEGDMA@PEI纳米颗粒分散在甲醇/乙酸溶液中，加入与GMA-MMA-DEGDMA@PEI纳米粒子材料质量1-1.2倍的4-甲酰基苯硼酸，加入与GMA-MMA-DEGDMA@PEI纳米粒子材料质量1-1.2倍的氰基硼氢化钠，在30-50℃条件下反应8-12个小时；用水和乙醇依次洗涤2-3次并干燥，得到最终产物；
步骤(1)中，单体甲基丙烯酸缩水甘油酯，甲基丙烯酸甲酯和苯乙烯的质量比为3:3:2，致孔剂甲苯，正己烷和正癸醇的质量比为3:3:2，单体与致孔剂的体积比为1:5，交联剂二乙二醇二甲基丙烯酸酯与致孔剂的质量比为1.18:1，加入的偶氮二异丁腈质量为单体质量的1％。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，步骤(2)中，聚乙烯亚胺在甲醇溶液中的浓度为100mg/mL。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，步骤(3)中，甲醇与乙酸的体积比为148.8:1.2，加入的GMA-MMA-DEGDMA@PEI纳米粒子在甲醇/乙酸混合溶液中的浓度为0.67mg/mL。
5.一种硼酸功能化聚合物材料作为吸附剂的应用，其特征在于：直接将上述制备的聚合物材料GMA-MMA-DEGDMA@PEI-FPBA NPs加入含有乳铁蛋白的复杂基质溶液中，进行乳铁蛋白的分离与富集，复杂基质溶液为牛奶；相对于含有1mg乳铁蛋白的牛奶溶液，所述聚合物材料的用量为25-100mg。
6.一种乳制品中乳铁蛋白的检测方法；其特征在于，采用分散固相萃取法分离富集乳制品中的乳铁蛋白，经超高效液相色谱-紫外检测法分析，根据组分峰面积定量；
所述的超高效液相色谱条件为：色谱柱为Waters Acquity Protein BEH C4，规格为2.1mm×100mm×1.7μm，流动相A为含有0.1％体积甲酸的水溶液，流动相B为含有0.075％体积甲酸的乙腈和水混合溶液，其中乙腈和水的体积比为71.4:28.6，柱温为30℃，流速为0.3mL/min，样品进样量为2μL，洗脱方式为梯度洗脱，检测波长为205nm；梯度洗脱程序如下：0-5.5min，28-100％B；5.5-8min，100％B；8-8.2min，100-28％B；8.2-9min，28％B。
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