CN115895046B - 一种生物降解促进剂及其制备方法与应用 - Google Patents
一种生物降解促进剂及其制备方法与应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115895046B CN115895046B CN202211489263.4A CN202211489263A CN115895046B CN 115895046 B CN115895046 B CN 115895046B CN 202211489263 A CN202211489263 A CN 202211489263A CN 115895046 B CN115895046 B CN 115895046B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- solution
- cellulose
- lipase
- enzyme
- biodegradation accelerator
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000006065 biodegradation reaction Methods 0.000 title claims abstract description 54
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 10
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 claims abstract description 75
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 claims abstract description 75
- MUBZPKHOEPUJKR-UHFFFAOYSA-N Oxalic acid Chemical compound OC(=O)C(O)=O MUBZPKHOEPUJKR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 66
- 239000004367 Lipase Substances 0.000 claims abstract description 58
- 102000004882 Lipase Human genes 0.000 claims abstract description 57
- 108090001060 Lipase Proteins 0.000 claims abstract description 57
- 235000019421 lipase Nutrition 0.000 claims abstract description 56
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 claims abstract description 50
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 claims abstract description 47
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 47
- 229920000728 polyester Polymers 0.000 claims abstract description 43
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims abstract description 39
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims abstract description 39
- 239000002159 nanocrystal Substances 0.000 claims abstract description 36
- 235000006408 oxalic acid Nutrition 0.000 claims abstract description 22
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 claims abstract description 15
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000004108 freeze drying Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000007865 diluting Methods 0.000 claims abstract description 12
- 239000005457 ice water Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims abstract description 9
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 61
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 claims description 12
- 239000004033 plastic Substances 0.000 claims description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 11
- 239000004594 Masterbatch (MB) Substances 0.000 claims description 9
- 229920003232 aliphatic polyester Polymers 0.000 claims description 7
- 239000007853 buffer solution Substances 0.000 claims description 6
- 239000008363 phosphate buffer Substances 0.000 claims description 6
- 229920000742 Cotton Polymers 0.000 claims description 3
- 229920006254 polymer film Polymers 0.000 claims description 3
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims 1
- 229920005597 polymer membrane Polymers 0.000 claims 1
- 102000004190 Enzymes Human genes 0.000 abstract description 49
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 abstract description 49
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 abstract description 18
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 15
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 14
- 238000003756 stirring Methods 0.000 abstract description 10
- 230000002411 adverse Effects 0.000 abstract description 5
- 229920006237 degradable polymer Polymers 0.000 abstract description 3
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 abstract description 3
- 238000001338 self-assembly Methods 0.000 abstract description 2
- 235000010980 cellulose Nutrition 0.000 description 60
- 229920001610 polycaprolactone Polymers 0.000 description 29
- 239000004632 polycaprolactone Substances 0.000 description 29
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 21
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 18
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 14
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 description 13
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 11
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 10
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 9
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 9
- 238000003760 magnetic stirring Methods 0.000 description 8
- 229920006267 polyester film Polymers 0.000 description 8
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 8
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 7
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 7
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 7
- 238000005469 granulation Methods 0.000 description 7
- 230000003179 granulation Effects 0.000 description 7
- 229920006238 degradable plastic Polymers 0.000 description 6
- 238000000502 dialysis Methods 0.000 description 6
- 238000011010 flushing procedure Methods 0.000 description 6
- 238000010907 mechanical stirring Methods 0.000 description 6
- 150000007524 organic acids Chemical class 0.000 description 6
- 238000000967 suction filtration Methods 0.000 description 6
- 229920002521 macromolecule Polymers 0.000 description 5
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 5
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- 241000589513 Burkholderia cepacia Species 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 3
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 3
- 229920000747 poly(lactic acid) Polymers 0.000 description 3
- 239000004626 polylactic acid Substances 0.000 description 3
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 3
- 230000004580 weight loss Effects 0.000 description 3
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 2
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 2
- 229920000229 biodegradable polyester Polymers 0.000 description 2
- 239000004622 biodegradable polyester Substances 0.000 description 2
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 2
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 2
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 2
- 238000009264 composting Methods 0.000 description 2
- 230000003100 immobilizing effect Effects 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 239000008055 phosphate buffer solution Substances 0.000 description 2
- -1 polyethylene Polymers 0.000 description 2
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 2
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 241001148471 unidentified anaerobic bacterium Species 0.000 description 2
- ZMKVBUOZONDYBW-UHFFFAOYSA-N 1,6-dioxecane-2,5-dione Chemical compound O=C1CCC(=O)OCCCCO1 ZMKVBUOZONDYBW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- SXRSQZLOMIGNAQ-UHFFFAOYSA-N Glutaraldehyde Chemical compound O=CCCCC=O SXRSQZLOMIGNAQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000168 Microcrystalline cellulose Polymers 0.000 description 1
- 229910019142 PO4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 238000010306 acid treatment Methods 0.000 description 1
- 241001148470 aerobic bacillus Species 0.000 description 1
- 239000000872 buffer Substances 0.000 description 1
- 125000003178 carboxy group Chemical group [H]OC(*)=O 0.000 description 1
- 150000001732 carboxylic acid derivatives Chemical class 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 239000002361 compost Substances 0.000 description 1
- 238000007334 copolymerization reaction Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 229920000140 heteropolymer Polymers 0.000 description 1
- 230000002779 inactivation Effects 0.000 description 1
- 238000009830 intercalation Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 235000019813 microcrystalline cellulose Nutrition 0.000 description 1
- 239000008108 microcrystalline cellulose Substances 0.000 description 1
- 229940016286 microcrystalline cellulose Drugs 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 229920005615 natural polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000005022 packaging material Substances 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K phosphate Chemical compound [O-]P([O-])([O-])=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 239000010452 phosphate Substances 0.000 description 1
- 238000002464 physical blending Methods 0.000 description 1
- 239000002985 plastic film Substances 0.000 description 1
- 229920005586 poly(adipic acid) Polymers 0.000 description 1
- 229920001707 polybutylene terephthalate Polymers 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 238000010094 polymer processing Methods 0.000 description 1
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000019491 signal transduction Effects 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 125000001273 sulfonato group Chemical group [O-]S(*)(=O)=O 0.000 description 1
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
- 238000004506 ultrasonic cleaning Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Biological Depolymerization Polymers (AREA)
- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
Abstract
本发明提供一种新型生物降解促进剂的制备方法，包括：向草酸溶液中加入纤维素颗粒，水解反应，获得纤维素纳米晶，将纤维素纳米晶用去离子水稀释，分散处理，再调节pH值至7，获得纤维素纳米晶溶液；将脂肪酶溶液中加入纤维素纳米晶溶液，于冰水浴中搅拌条件下固定化反应获得产物，将产物稀释，再冷冻干燥，即得到新型生物降解促进剂。本发明还提供该生物降解促进剂在可控降解的嵌入酶‑聚酯高分子材料制备中的应用。本发明通过CNC‑脂肪酶水相自组装固定脂肪酶，突破了酶的高温加工限制，在充分保留酶的活性的同时，有效降低对聚合物性能的不利影响，实现可降解聚合物在合适条件下的快速降解，具备推广及应用价值。
Description
技术领域
本发明属于可降解材料技术领域，具体涉及一种新型生物降解促进剂及其制备方法，还涉及一种新型生物降解促进剂的应用。
背景技术
以聚乳酸、聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯、聚丁二酸丁二醇酯等为代表的生物基可降解聚酯发展迅速，由于其相对较短的环境降解周期，已可部分代替不可降解塑料(如聚乙烯，聚丙烯等)，广泛地应用于生物医药，农用地膜，包装材料等领域。随着可降解塑料膜的推广应用，其降解周期与塑料垃圾处理能力不匹配的问题日益凸显，可降解塑料仍然需要被当作不可降解塑料垃圾进行处理，无法与有机质(如厨余垃圾等)同时进行简单的堆肥降解。目前，我国的工业垃圾堆肥处理过程多为在50～55摄氏度以内无氧处理(周期在30至40天)，这与可降解材料的好氧降解条件并不匹配。设计适合不同降解环境的完全降解材料是解决一次性塑料环境累积的有效途径。
现有技术多采用与天然高分子共混、共聚改性等方法来调控合成脂肪族聚酯高分子的降解周期，但以上方法对材料基本物理化学性质影响较大，难以平衡优异性能和可生物降解性；也有技术采用复合生物降解促进剂(包含降解促进剂、厌氧菌信号传导分子)与聚乳酸材料共混，诱导厌氧菌在高分子表面的聚集，提高聚乳酸厌氧环境下的降解性能，但考虑到合成聚酯高分子多被好氧菌降解且生物酶降解具有特异性等问题，该体系生物降解性能调控有待深入研究。
“嵌入酶”聚合物体系是指将脂肪酶引入聚合物内，来控制聚合物后期降解。现有嵌入酶制备方法包括：(1)酶直接与高分子熔融共混；(2)小分子表面活性剂修饰酶，与高分子熔融共混；(3)高分子杂聚链包裹脂肪酶，与高分子熔融共混。其中，方法(1)、(2)难以保证酶的高温加工稳定性，通常需要加入大量的酶，且酶与高分子相容性差，降解过程中酶易损失，造成降解中止；方法(3)杂聚链包裹酶可有效提高酶的热稳定性，但杂聚链为高分子柔性链段，加工过程中，易于酶分离，无法调控酶在高分子基体中的分布，导致酶催化缺乏持续底物供应而中止降解。
基于此，在聚合物中建立一种“高温加工不失活与降解周期可调控”的嵌入酶体系，充分保留酶的活性的同时，降低添加成分对聚合物自身性能的不利影响，并能够实现可降解聚合物在合适条件下的快速降解，是亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种在充分保留酶的活性的同时，有效降低对聚合物性能的不利影响，有助于实现可降解聚合物在合适条件下的快速降解的新型生物降解促进剂及其制备方法。
本发明的目的之二在于提供一种新型生物降解促进剂在制备可控降解的嵌入酶-聚酯高分子材料中的应用。
本发明实现目的之一采用的技术方案是：提供一种新型生物降解促进剂的制备方法，包括如下步骤：
向草酸溶液中加入纤维素颗粒，水解反应，获得纤维素纳米晶，将所述纤维素纳米晶用去离子水稀释，分散处理，再调节pH值至7，获得纤维素纳米晶溶液；
将脂肪酶溶解于缓冲溶液中配制脂肪酶溶液，按照纤维素纳米晶与脂肪酶的质量比为3:1～10:1，向所述脂肪酶溶液中加入所述纤维素纳米晶溶液，于2～6℃冰水浴中搅拌条件下固定化反应0.5～6小时获得产物，将产物利用缓冲溶液稀释，再冷冻干燥，即得到新型生物降解促进剂。
在本发明中，以纤维素纳米晶和脂肪酶等为主要原料，采取酶的固定嵌入的方式制备嵌入酶/聚己内酯复合体系，利用纤维素纳米晶的异相成核的特性，对聚己内酯进行增强改性，并且借助纤维素纳米晶的纳米级分散，打破脂肪酶的催化降解的表面降解限制，大幅加速了降解过程。本发明以纤维素纳米晶(CNC)为载体对脂肪酶进行固定，能够提高脂肪酶在高分子加工中的耐热性与耐高剪切作用，保证酶高温加工不失活，并可通过调节纤维素纳米晶与脂肪酶的质量比在3:1～10:1之间，实现对于聚酯降解周期的调节。此外，CNC具有高模量，高吸水性，且对高分子基体具有异相成核作用，可调控高分子晶体结构，构筑稳定的微环境，提供酶催化反应所需的水和底物。本发明以纤维素纳米晶为嵌入酶的载体能在提高聚合物性能的同时提升生物降解速率，实现了聚酯降解/增强“双调控”。
在本发明中，纤维素纳米晶对脂肪酶进行固定采用了2～6℃冰水浴条件下，搅拌条件下固定化反应0.5～6h的方式进行。2～6℃冰水浴环境下充分保留了酶的活性，与添加固化剂(如戊二醛等)的固化方式相比，物理吸附的方式反应条件更为温和，能够避免固化过程对酶的活性造成损失。优选地，固定化反应的时间为3h，充足的混合时间能够保证酶的吸附固定实现平衡。优选地，所述搅拌条件采用转速为300rpm的磁力搅拌进行。
优选地，所述草酸溶液的质量浓度为50～80％。所述水解反应的温度为80～120℃，水解反应的时间为2～4h。上述条件有助于获得高羧酸含量且纳米尺寸均一的纤维素纳米晶。优选地，所述草酸溶液的质量浓度为80％，所述水解反应的温度为105℃，水解反应的时间为4h。进一步的，纤维素颗粒与草酸溶液的质量比为1:8～1:10。
经研究发现，如采用硫酸溶液进行纤维素纳米晶的制备，虽然能够获得类似的产物，但硫酸酸解得到的CNC由于表面含有磺酸酯基，高温易黄变，耐热性较差，会影响与高分子的共混效果。因此，本发明优选草酸作为酸解原料来制备纤维素纳米晶。草酸处理后的纤维素纳米晶表面含有羧基基团，采用超声细胞破碎仪对纤维素纳米晶进行处理，实现纤维素纳米晶的纳米级分散，更加有利于脂肪酶的吸附和固定。此外，酶吸附于纤维素纳米晶的表面，也能够有效抑制纤维素纳米晶在冷冻干燥处理时团聚的现象，有利于获得纳米尺寸的嵌入酶产物。
进一步的，所述分散处理可采用超声波细胞破碎仪或超声清洗机进行。优选地，超声波细胞破碎仪进行分散处理的功率为500W，时间为10～15min，分散处理采用超声0.1s，间歇0.2s的方式进行；所述超声清洗机进行分散处理的时间为15min，频率为40kHz，功率240W。
进一步的，所述纤维素纳米晶溶液中，纤维素纳米晶的长度为200～500nm，直径为50～80nm。
进一步的，所述缓冲溶液选自去离子水或磷酸盐缓冲液。在本发明中，去离子水或磷酸盐缓冲液都能够提供稳定的介质pH值，但是考虑到后期酶的应用环境，降低磷酸盐的使用对聚酯性能带来的不利影响，本发明优选去离子水作为缓冲液。
进一步的，所述纤维素选自棉纤维微晶。在一些较好的实施方式中，所述脂肪酶为Lipase PS from Burkholderia cepacia(厂家阿拉丁，产酶菌株为Burkholderiacepacia)，其活性≥23000U/g，最适条件pH＝7.0，50℃。
优选地，所述冷冻干燥的温度为-80～-50℃，冷冻干燥的时间为24～48h。
本发明实现目的之二采用的技术方案是：提供一种根据本发明目的之一所述的制备方法制得的新型生物降解促进剂的应用。该应用的方法包括：将所述新型生物降解促进剂按照2～3wt％的加入量，与脂肪族聚酯塑料母粒熔融共混、挤出造粒，再热压成膜，获得一种可控降解的嵌入酶-聚酯高分子膜材料。
优选地，所述新型生物降解促进剂在脂肪族聚酯中的加入量为2.2～2.7wt.％，且所述新型生物降解促进剂中纤维素纳米晶的重量占脂肪族聚酯总重量的2wt％。
在本发明中，可以根据可降解塑料母粒的种类不同，为其匹配特异性的酶。在一些较好的实施方式中，所述脂肪族聚酯为聚己内酯。
进一步的，所述挤出造粒的温度为80℃，挤出机的螺杆转速为50rpm；所述热压成膜的热压温度为80～150℃。在本发明中，由于纤维素纳米晶对脂肪酶进行了固定，提高了脂肪酶在高分子加工中的耐热性与耐高剪切作用，保证酶在80～150℃的高温加工中不会失活。脂肪酶以生物降解促进剂的形式添加于聚酯的热压成膜过程中，一方面可以在固相下催化降解聚酯高分子，另一方面可起到纤维素纳米晶和聚酯界面相容剂的作用，提高纤维素纳米晶与聚酯的相容性，有利于嵌入酶-聚酯复合材料韧性的提高。
优选地，所述热压成膜中，预热时间为3min，热压时间为1min，冷压时间为2min；所述可控降解的嵌入酶-聚酯高分子膜材料的厚度为200～300μm。在本发明中，通过对上述加工条件进行优化，使得制备出聚酯高分子材料膜具有尺寸均一、无气泡等缺陷的优势，并确保各批次产品的稳定性和可重复加工性能。此外，聚酯膜的厚度也是影响其降解速率的重要因素之一，将聚酯膜的厚度控制在200～300μm，有助于其在合适的降解周期内实现完全分解。
进一步的，本发明制得的嵌入酶-聚酯复合材料的降解温度为30～50℃，在纯水溶液/高湿条件下降解周期为3～30天。
本发明与直接添加酶与聚酯共混的方式相比，由于酶的固相催化效率高，脂肪酶的添加量更低，对基体材料性能的负面影响更小，避免了酶的加入对聚酯拉伸强度、断裂伸长率等性能带来的不利影响。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明提供的一种新型生物降解促进剂及其制备方法，通过CNC-脂肪酶水相自组装固定脂肪酶，再将其作为生物降解促进剂嵌入聚酯高分子，所构建的载酶聚酯复合体系在仅有一定量水和适宜温度条件下实现聚酯快速降解。降解过程无需加入其他化学/生物试剂，可有效解决现有可降解塑料降解周期与塑料处理能力不匹配的问题。本发明符合当下绿色发展理念，同时突破了酶的高温加工限制，实现“高温加工不失活与降解周期可调控”的目标，进一步扩大了生物降解材料的应用前景，具有实际应用价值。
(2)本发明制得的新型生物降解促进剂，通过纤维素纳米晶固定脂肪酶制备新型生物降解促进剂，在脂肪族聚酯高分子熔融加工过程中加入该降解促进剂形成载酶聚酯复合体系，一方面实现在水和堆肥温度(50～55℃)下聚酯快速降解，另一方面利用纤维素纳米晶的异相成核作用，诱导聚酯结晶增强，并且借助酶对纤维素纳米晶表面修饰作用，解决未修饰纤维素纳米晶对聚酯韧性影响。此外，脂肪酶作为纤维素纳米晶和聚酯高分子界面相容剂，对聚酯起到了增强增韧的效果。
附图说明
图1为本发明实施例1和7制得的生物降解促进剂应用于纯聚酯膜降解的失重曲线；
图2为本发明实施例1-6制得的聚酯复合膜的降解失重曲线；
图3为本发明实施例1与对比例1和3制得的聚酯复合膜拉伸曲线例图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本发明实施例1-7涉及的主要原料及参数如下表1所示。
表1
上表中，纤维素纳米晶的制备原料纤维素选自棉纤维的微晶纤维素；脂肪酶为阿拉丁的PS脂肪酶Lipase PS from Burkholderia cepacia(≥23000U/g，最适条件pH＝7.0，50℃)。
实施例1
步骤1：制备纤维素纳米晶：取草酸在105℃下机械搅拌充分溶解，配制80％草酸溶液，在其中加入纤维素颗粒，在105℃油浴中，水解反应4h；反应结束后，取80℃去离子水快速冲洗，通过真空抽滤分离水解后的纤维素纳米晶(CNC)，并进行透析处理去除多余有机酸；取定量CNC溶液，用去离子水稀释，并用超声波细胞破碎仪进行分散，调节pH值至7；
步骤2：物理吸附固定脂肪酶：取干净烧杯加入11mL的2％CNC溶液(含CNC 300mg)和20mL去离子水并用超声波清洗机超声震荡10min进行分散。调节混合溶液pH至7左右，将体系标定为40mL，进行磁力搅拌。取100mg脂肪酶溶解于10mL去离子水中，加入CNC溶液中。将混合溶液在4℃的冰水浴中进行6h的恒温磁力搅拌，得到脂肪酶-CNC溶液，加入去离子水进行稀释，随后于-80℃冷冻干燥24h，得到生物降解促进剂(即固定化脂肪酶粉末)。
步骤3：生物降解促进剂与聚己内酯熔融共混：按照2.67wt.％的添加量，将生物降解促进剂与聚己内酯(PCL)塑料母粒进行熔融共混，在80℃、螺杆转速为50rpm的条件下挤出造粒，再于80℃下预热3min、热压1min、冷压2min，得到200～300μm聚酯复合膜样品。
实施例2
步骤1：制备纤维素纳米晶：取草酸在80℃下机械搅拌充分溶解，配制50％草酸溶液，在其中加入纤维素颗粒，在80℃油浴中，水解反应4h；反应结束后，取60℃去离子水快速冲洗，通过真空抽滤分离水解后的纤维素纳米晶(CNC)，并进行透析处理去除多余有机酸；取定量CNC溶液，用去离子水稀释，并用超声波细胞破碎仪进行分散，调节pH值至7；
步骤2：物理吸附固定脂肪酶：取干净烧杯加入11mL的2％CNC溶液(含CNC 300mg)和20mL去离子水并用超声波清洗机超声震荡10min进行分散。调节混合溶液pH至7左右，将体系标定为40mL，进行磁力搅拌。取50mg脂肪酶溶解于10mL去离子水中，加入CNC溶液中。将混合溶液在2℃的冰水浴中进行6h的恒温磁力搅拌，得到脂肪酶-CNC溶液，加入去离子水进行稀释，随后于-80℃冷冻干燥24h，得到生物降解促进剂(即固定化脂肪酶粉末)。
步骤3：生物降解促进剂与聚己内酯熔融共混：按照2.33wt.％的添加量，将生物降解促进剂与聚己内酯(PCL)塑料母粒进行熔融共混，在80℃、螺杆转速为50rpm的条件下挤出造粒，再于80℃下预热3min、热压1min、冷压2min，得到200～300μm聚酯复合膜样品。
实施例3
步骤1：制备纤维素纳米晶：取草酸在100℃下机械搅拌充分溶解，配制70％草酸溶液，在其中加入纤维素颗粒，在100℃油浴中，水解反应4h；反应结束后，取80℃去离子水快速冲洗，通过真空抽滤分离水解后的纤维素纳米晶(CNC)，并进行透析处理去除多余有机酸；取定量CNC溶液，用去离子水稀释，并用超声波细胞破碎仪进行分散，调节pH值至7；
步骤2：物理吸附固定脂肪酶：取干净烧杯加入11mL的2％CNC溶液(含CNC 300mg)和20mL去离子水并用超声波清洗机超声震荡10min进行分散。调节混合溶液pH至7左右，将体系标定为40mL，进行磁力搅拌。取30mg脂肪酶溶解于10mL去离子水中，加入CNC溶液中。将混合溶液在2℃的冰水浴中进行6h的恒温磁力搅拌，得到脂肪酶-CNC溶液，加入去离子水进行稀释，随后于-50℃冷冻干燥48h，得到生物降解促进剂(即固定化脂肪酶粉末)。
步骤3：生物降解促进剂与聚己内酯熔融共混：按照2.2wt.％的添加量，将生物降解促进剂与聚己内酯(PCL)塑料母粒进行熔融共混，在80℃、螺杆转速为50rpm的条件下挤出造粒，再于80℃下预热3min、热压1min、冷压2min，得到200～300μm聚酯复合膜样品。
实施例4
步骤1：制备纤维素纳米晶：取草酸在105℃下机械搅拌充分溶解，配制80％草酸溶液，在其中加入纤维素颗粒，在105℃油浴中，水解反应4h；反应结束后，取80℃去离子水快速冲洗，通过真空抽滤分离水解后的纤维素纳米晶(CNC)，并进行透析处理去除多余有机酸；取定量CNC溶液，用去离子水稀释，并用超声波细胞破碎仪进行分散，调节pH值至7；
步骤2：物理吸附固定脂肪酶：取干净烧杯加入11mL的2％CNC溶液(含CNC 300mg)和20mL去离子水并用超声波清洗机超声震荡10min进行分散。调节混合溶液pH至7左右，将体系标定为40mL，进行磁力搅拌。取100mg脂肪酶溶解于10mL去离子水中，加入CNC溶液中。将混合溶液在4℃的冰水浴中进行3h的恒温磁力搅拌，得到脂肪酶-CNC溶液，加入去离子水进行稀释，随后于-80℃冷冻干燥24h，得到生物降解促进剂(即固定化脂肪酶粉末)。
步骤3：生物降解促进剂与聚己内酯熔融共混：按照2.67wt.％的添加量，将生物降解促进剂与聚己内酯(PCL)塑料母粒进行熔融共混，在80℃、螺杆转速为50rpm的条件下挤出造粒，再于100℃下预热3min、热压1min、冷压2min，得到200～300μm聚酯复合膜样品。
实施例5
步骤1：制备纤维素纳米晶：取草酸在115℃下机械搅拌充分溶解，配制80％草酸溶液，在其中加入纤维素颗粒，在115℃油浴中，水解反应2h；反应结束后，取80℃去离子水快速冲洗，通过真空抽滤分离水解后的纤维素纳米晶(CNC)，并进行透析处理去除多余有机酸；取定量CNC溶液，用去离子水稀释，并用超声波细胞破碎仪进行分散，调节pH值至7；
步骤2：物理吸附固定脂肪酶：取干净烧杯加入11mL的2％CNC溶液(含CNC 300mg)和20mL去离子水并用超声波清洗机超声震荡10min进行分散。调节混合溶液pH至7左右，将体系标定为40mL，进行磁力搅拌。取100mg脂肪酶溶解于10mL去离子水中，加入CNC溶液中。将混合溶液在2℃的冰水浴中进行3h的恒温磁力搅拌，得到脂肪酶-CNC溶液，加入去离子水进行稀释，随后于-50℃冷冻干燥48h，得到生物降解促进剂(即固定化脂肪酶粉末)。
步骤3：生物降解促进剂与聚己内酯熔融共混：按照2.67wt.％的添加量，将生物降解促进剂与聚己内酯(PCL)塑料母粒进行熔融共混，在80℃、螺杆转速为50rpm的条件下挤出造粒，再于120℃下预热3min、热压1min、冷压2min，得到200～300μm聚酯复合膜样品。
实施例6
步骤1：制备纤维素纳米晶：取草酸在100℃下机械搅拌充分溶解，配制70％草酸溶液，在其中加入纤维素颗粒，在100℃油浴中，水解反应4h；反应结束后，取80℃去离子水快速冲洗，通过真空抽滤分离水解后的纤维素纳米晶(CNC)，并进行透析处理去除多余有机酸；取定量CNC溶液，用去离子水稀释，并用超声波细胞破碎仪进行分散，调节pH值至7；
步骤2：物理吸附固定脂肪酶：取干净烧杯加入11mL的2％CNC溶液(含CNC 300mg)和20mL去离子水并用超声波清洗机超声震荡10min进行分散。调节混合溶液pH至7左右，将体系标定为40mL，进行磁力搅拌。取100mg脂肪酶溶解于10mL去离子水中，加入CNC溶液中。将混合溶液在4℃的冰水浴中进行3h的恒温磁力搅拌，得到脂肪酶-CNC溶液，加入去离子水进行稀释，随后于-80℃冷冻干燥24h，得到生物降解促进剂(即固定化脂肪酶粉末)。
步骤3：生物降解促进剂与聚己内酯熔融共混：按照2.67wt.％的添加量，将生物降解促进剂与聚己内酯(PCL)塑料母粒进行熔融共混，在80℃、螺杆转速为50rpm的条件下挤出造粒，再于150℃下预热3min、热压1min、冷压2min，得到200～300μm聚酯复合膜样品。
实施例7
步骤1：制备纤维素纳米晶，方法同实施例1；
步骤2：物理吸附固定脂肪酶：取干净烧杯加入11mL的2％CNC溶液(含CNC 300mg)和20mL去离子水并用超声波清洗机超声震荡10min进行分散。调节混合溶液pH至7左右，将体系标定为40mL，进行磁力搅拌。取100mg脂肪酶溶解于10mL磷酸盐缓冲液中，加入CNC溶液中。将混合溶液在4℃的冰水浴中进行6h的恒温磁力搅拌，得到脂肪酶-CNC溶液，加入磷酸盐缓冲液进行稀释，随后于-80℃冷冻干燥24h，得到生物降解促进剂(即固定化脂肪酶粉末)。
对比例1
将聚己内酯(PCL)塑料母粒在80℃下预热3min、热压1min、冷压2min，得到200～300μm聚酯复合膜样品。
对比例2
将脂肪酶与纤维素纳米晶分别按照0.67wt.％和2wt.％的添加量与聚己内酯进行物理共混，在80℃、螺杆转速为50rpm的条件下挤出造粒，再于80℃下预热3min、热压1min、冷压2min，得到200～300μm聚酯复合膜样品。
对比例3
将纤维素纳米晶按照2wt.％的添加量与聚己内酯进行物理共混，在80℃、螺杆转速为50rpm的条件下挤出造粒，再于80℃下预热3min、热压1min、冷压2min，得到200～300μm聚酯复合膜样品。
性能测试
(一)生物降解促进剂中酶的活性的测试
对实施例1和7制得的生物降解促进剂(固定化脂肪酶粉末)中酶的活性进行测试。测试方法如下：将上述生物降解促进剂按照(0.5mg/ml酶/磷酸盐缓冲液)的比例配置酶溶液，分别加入纯聚酯膜中，在40rpm、50℃的水浴摇床条件下，测试纯聚酯膜降解速率，降解失重曲线如图1所示。
由图1可知，实施例1和7在酶的固定过程中选用的介质(去离子水或磷酸盐缓冲液)对酶的活性影响较小，经固定化反应后，生物降解促进剂中的脂肪酶仍保持较高的活性。
(二)降解速率与降解效率
测试实施例1-6以及对比例1和2在50℃的磷酸盐缓冲液中聚己内酯复合膜降解速率与效率(降解速率为降解失重曲线的斜率；降解效率为降解速率与酶添加量的比值)，结果如下表2所示。
表2
由上表可知，
实施例1-6添加了生物降解促进剂的聚酯膜的降解速率远高于未添加生物降解促进剂(对比例1和2)，且可通过调整生物促进剂中酶的固定比例，实现在0.28～1.77％/小时范围内调控聚酯高分子降解速率。根据实施例1-6的降解速率与降解效率结果可知，在本发明中通过添加生物降解促进剂与聚酯熔融共混制备聚酯复合膜，能够实现在50℃水环境中三天内完全降解。
进一步的，通过比较实施例4-6的降解结果可知，在测试的热压成膜加工温度范围内，随着温度的提高，降解速率出现先增加后减少的趋势，但即使实施例6在150℃的高温加工后混合体系的降解效率远高于对比例2中未固定的酶，可见酶在该温度下仍然保持的较好催化活性。
(三)力学强度与韧性
分别对实施例1、对比例1和对比例3制得的聚酯复合膜进行力学强度和韧性测试，测试结果如下表3所示：
表3
由上表可知，在聚己内酯基体中加入纤维素纳米晶和载酶纤维素纳米晶都一定程度增强了聚己内酯的拉伸强度和模量，而脂肪酶的存在可有效弥补纤维素纳米晶的加入对聚己内酯基体拉伸韧性的影响，有效提高复合体系的断裂伸长率。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种生物降解促进剂的应用，其特征在于，将生物降解促进剂按照2wt.％～3wt.％的加入量，与脂肪族聚酯塑料母粒熔融共混、挤出造粒，再热压成膜，获得一种可控降解的嵌入酶-聚酯高分子膜材料；
所述生物降解促进剂的制备方法包括以下步骤：向草酸溶液中加入纤维素颗粒，水解反应，获得纤维素纳米晶，将所述纤维素纳米晶用去离子水稀释，分散处理，再调节pH值至7，获得纤维素纳米晶溶液；将脂肪酶溶解于缓冲溶液中配制脂肪酶溶液，按照纤维素纳米晶与脂肪酶的质量比为3:1～10:1，向所述脂肪酶溶液中加入所述纤维素纳米晶溶液，于2～6℃冰水浴中搅拌条件下固定化反应0.5～6小时获得产物，将产物利用缓冲溶液稀释，再冷冻干燥，即得到生物降解促进剂。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述纤维素颗粒与所述草酸溶液的质量比为1:8～1:10。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述草酸溶液的质量浓度为50％～80％；所述水解反应的温度为80～120℃，水解反应的时间为2～4h。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述纤维素纳米晶溶液中，纤维素纳米晶的长度为200～500nm，直径为50～80nm。
5.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述缓冲溶液选自去离子水或磷酸缓冲液。
6.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述纤维素颗粒选自棉纤维微晶。
7.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述热压成膜的热压温度为80～150℃。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述热压成膜中，预热时间为3min，热压时间为1min，冷压时间为2min；所述可控降解的嵌入酶-聚酯高分子膜材料的厚度为200～300μm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211489263.4A CN115895046B (zh) | 2022-11-25 | 2022-11-25 | 一种生物降解促进剂及其制备方法与应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211489263.4A CN115895046B (zh) | 2022-11-25 | 2022-11-25 | 一种生物降解促进剂及其制备方法与应用 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115895046A CN115895046A (zh) | 2023-04-04 |
| CN115895046B true CN115895046B (zh) | 2024-03-19 |
Family
ID=86480160
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211489263.4A Active CN115895046B (zh) | 2022-11-25 | 2022-11-25 | 一种生物降解促进剂及其制备方法与应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115895046B (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101029143A (zh) * | 2007-03-06 | 2007-09-05 | 天津大学 | 可控生物降解的聚酯超细纤维膜材料 |
| CN103709422A (zh) * | 2013-12-20 | 2014-04-09 | 华南理工大学 | 一种磁性纤维素纳米晶的制备方法 |
| CN105543211A (zh) * | 2016-02-29 | 2016-05-04 | 华南理工大学 | 一种固定化葡萄糖氧化酶及其制备方法与应用 |
| CN112920438A (zh) * | 2021-01-27 | 2021-06-08 | 陕西科技大学 | 肌氨酸诱导增强细菌纳米纤维素手性液晶薄膜的制备方法 |
-
2022
- 2022-11-25 CN CN202211489263.4A patent/CN115895046B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101029143A (zh) * | 2007-03-06 | 2007-09-05 | 天津大学 | 可控生物降解的聚酯超细纤维膜材料 |
| CN103709422A (zh) * | 2013-12-20 | 2014-04-09 | 华南理工大学 | 一种磁性纤维素纳米晶的制备方法 |
| CN105543211A (zh) * | 2016-02-29 | 2016-05-04 | 华南理工大学 | 一种固定化葡萄糖氧化酶及其制备方法与应用 |
| CN112920438A (zh) * | 2021-01-27 | 2021-06-08 | 陕西科技大学 | 肌氨酸诱导增强细菌纳米纤维素手性液晶薄膜的制备方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Biocompatible cellulose nanocrystals as supports to immobilize lipase;Hyun Jung Kim等;《Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic》;第122卷;170-178 * |
| 朱谱新主编.《苎麻材料》.中国纺织出版社有限公司,2021,(第1版),227-229. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115895046A (zh) | 2023-04-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Sanhueza et al. | Polyhydroxyalkanoates as biomaterial for electrospun scaffolds | |
| Reshmy et al. | Bacterial nanocellulose: engineering, production, and applications | |
| CA2859889C (en) | Composition for embedded microbial culture | |
| JP6441680B2 (ja) | グラム陽性菌の微生物培養のためのマトリックス及び組成物 | |
| Eraslan et al. | Poly (3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate)(PHBH): Synthesis, properties, and applications-A review | |
| Radosavljević et al. | Immobilization of Lactobacillus rhamnosus in polyvinyl alcohol/calcium alginate matrix for production of lactic acid | |
| WO1999043748A1 (fr) | Matieres polymeres composites et leur procede de production | |
| CN114106541B (zh) | 一种环保食品包装材料、制备方法及应用 | |
| CA1210717A (en) | Immobilization of biocatalysts | |
| Li et al. | Polylactic acid (PLA) modified by polyethylene glycol (PEG) for the immobilization of lipase | |
| EP0091224A2 (en) | Process for producing a shaped article of beta-hydroxybutyrate polymer | |
| CN113980446B (zh) | 一种复合改性淀粉基环保材料、制备方法及应用 | |
| CN115895046B (zh) | 一种生物降解促进剂及其制备方法与应用 | |
| Cao et al. | Processing of β-glucosidase–silk fibroin nanoparticle bioconjugates and their characteristics | |
| CN109402106B (zh) | 一种聚乙烯醇-纤维素固定克雷伯氏菌的方法及其应用 | |
| Martínez-Barrera et al. | Green composites from sustainable cellulose nanofibrils | |
| CN110950719A (zh) | 包衣控释肥料及其制备方法 | |
| JPH0835155A (ja) | 固定化担体補強材 | |
| Siddiqui et al. | Plant Secondary Metabolites | |
| Reddy et al. | Bacterial Cellulose Fibers: Fibers from Biotechnology | |
| KR100453388B1 (ko) | 서방성 오ㆍ폐수처리 종균제 및 그의 제조방법 | |
| Saranya et al. | Production and characterization of bacterial cellulose scaffold from Acetobacter sp. for tissue engineering | |
| US20060183205A1 (en) | Method for controlling molecular weight and distribution of biopolymers | |
| Ida | Bacterial Cellulose as Secondary Metabolite: Production, Processing, and Applications | |
| CN114921071B (zh) | 一种抗菌纳米纤维素/phbv复合材料及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |