CN116786085A - 一种生物质纤维基三维体型层析材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生物质纤维基三维体型层析材料及其制备方法。该层析材料的制备方法是先从天然植物杆茎中提取生物质纤维，并对生物质纤维进行均质分散处理，从而获得生物质短纤维；之后将生物质短纤维与天然高分子多糖进行共分散以制备生物质纤维复合浆液，并对复合浆液进行冷冻干燥处理，得到生物质纤维三维体型前驱体材料；最后，对前驱体材料进行改性处理，最终制备得到具有稳定三维体型结构的生物质纤维基层析材料。本发明制备得到的三维体型层析材料兼具高蛋白质吸附容量和处理通量，可实现高效蛋白质分离纯化。
Description
技术领域
本发明涉及功能纺织材料领域，具体是一种生物质纤维基三维体型层析材料及其制备方法。
背景技术
蛋白质在生物医药、科学研究、食品工程等领域具有及其广泛且重要的应用。蛋白质的纯度和生物活性是保障其实际应用性能的关键，而蛋白质产品生产所用的原材料中蛋白质的含量通常较低（小于1%），因此实现蛋白质的高效分离纯化极为关键。在众多的蛋白质分离纯化方法中，吸附分离法因具有易于操作、处理效率高、成本低的优点而被广泛应用。吸附层析介质作为蛋白质吸附分离纯化技术的核心，其直接决定了蛋白质吸附分离的效率和成本，因此开发高效蛋白质吸附分离层析介质对于推动蛋白质分离纯化技术领域的发展具有重要意义。
蛋白质吸附分离层析介质通常为功能化多孔树脂凝胶微球或无机微米颗粒材料，其内部丰富的多孔结构使其具有较高的蛋白质吸附容量，但通常面临传质阻力大、分离纯化效率低、能耗大等不足。与传统的多孔微球层析介质相比，纤维具有较大的长径比，且其表面吸附特性使其具有高效快速的蛋白质吸附传质能力，将纤维构筑成三维体型多孔材料有望获得更为优异的蛋白质吸附性能。目前，已有科研人员在蛋白质吸附分离用三维体型纤维材料开展一定的研究，并取得一定的研究进展。但所用的纤维原料多为通过静电纺丝、水热合成等技术制备的纳米纤维，存在制备工艺复杂、生产效率低、有机溶剂使用等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种生物质纤维基三维体型层析材料及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种生物质纤维基三维体型层析材料，具有由生物质纤维、天然高分子多糖粘结剂构成的纤维框架多孔结构，采用以下步骤制备得到：
步骤1，从天然植物杆茎中提取生物质纤维，并对所得的生物质纤维进行均质分散处理，得到生物质短纤维；
所述天然植物杆茎为芭蕉杆、藕杆或芋杆；
步骤2，将步骤1制得的生物质短纤维与天然高分子多糖进行均质共分散以获得生物质纤维复合浆液，随后对复合浆液进行冷冻干燥，得到生物质纤维三维体型前驱体材料；
所述天然高分子多糖为壳聚糖、明胶、海藻酸钠、黄原胶中的一种或多种；
所述生物质纤维复合浆液中，生物质短纤维的浓度为0.1~5%，天然高分子多糖的浓度为0.05~2%；
步骤3，将步骤2得到的前驱体材料前浸渍于改性溶液中，随后对浸渍后的前驱体材料进行冷冻干燥，冷冻干燥后进行热处理并水洗至中性，得到生物质纤维基三维体型层析材料；
所述改性溶液为柠檬酸和催化剂的混合溶液，柠檬酸的浓度为0.1~20%，催化剂为浓硫酸或多聚磷酸。
进一步地，步骤1中采用抽取法从天然植物杆茎的横断面中抽取生物质纤维。
进一步地，步骤1中的均质分散处理是将生物质纤维分散在去离子水中，然后剪切分散，剪切分散机的转速为1000~10000转/分钟，分散时间为30~120分钟。
进一步地，步骤1中所述生物质短纤维的长度为10~200μm。
进一步地，步骤2均质分散的条件为1000~5000转/分钟，分散时间为10~60分钟。
进一步地，步骤2中冷冻干燥的条件为温度-20~-80℃、真空度为1~100Pa。
进一步地，步骤3中热处理的温度为90~140℃、时间为30~120分钟。
本发明的生物质纤维基三维体型层析材料，体积密度为2~100mg/cm3，水中循环压缩塑性形变小于10%，对蛋白质的吸附容量为1000~3000mg/g。
本发明有益的技术效果在于：
本发明以从天然植物杆茎中提取生物质纤维为原料，通过对生物质纤维进行剪切分散处理制备生物质短纤维，并将生物质短纤维与天然高分子多糖进行均质共分散，结合冷冻干燥和表面改性的方法，制备得到三维体型层析材料。所制备的生物质纤维基三维体型层析材料具有连通且规则的纤维框架结构，并且具有良好水下压缩力学性能和蛋白质吸附分离性能，其静态蛋白质吸附容量可达3000mg/g。此外，通过将获得的生物质纤维基三维体型层析材料填充到空层析柱中，可以制备成商品化蛋白质分离纯化层析柱。
本发明提供的制备方法所采用的材料均为天然生物质原料，且其制备过程简单，是一种绿色环保的生产方法。
实施方式
下面将结合实施例对本发明的优选实施方式进行详细说明。需要理解的是以下实施例的给出仅是为了起到说明的目的，并不是用于对本发明的范围进行限制。本领域的技术人员在不背离本发明的宗旨和精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和替换。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
一种生物质纤维基三维体型层析材料及其制备方法，包括如下步骤：
（1）从天然芭蕉杆茎中提取生物质芭蕉芯长纤维，采用小型裁剪机将芭蕉芯长纤维切短，随后以去离子水为溶剂，通过剪切分散机对芭蕉芯长纤维进行分散，分散处理过程中剪切分散机的转速为2000转/分钟，分散时间为30分钟，随后对纤维分散液进行干燥处理，得到纤维平均长度为150μm的芭蕉芯纤维短纤维。
（2）将一定量的芭蕉芯纤维短纤与海藻酸钠在去离子水中进行均质分散制备纤维分散液，其中生物质短纤维的浓度为0.5%，海藻酸钠的浓度为0.1%，分散过程中均质分散机的转速为1000转/分钟，分散时间为60分钟；将制备得到的纤维分散液倒入模具中，随后对其进行冷冻-干燥处理，冷冻温度为-80℃，真空度为10Pa，得到芭蕉芯纤维/海藻酸钠三维体型前驱体材料。
（3）以去离子水为溶剂，配置浓度为5%的柠檬酸改性溶液，改性溶液中添加0.1%浓硫酸为催化剂，将10cm3上述得到的芭蕉芯纤维/海藻酸钠三维体型前驱体材料浸渍于50mL改性溶液中，随后对浸渍改性溶液的芭蕉芯纤维/海藻酸钠三维体型前驱体材料进行冷冻干燥处理，冷冻干燥处理后的材料在100℃温度下加热处理50分钟，并水洗至中性，最终得到生物质纤维基三维体型层析材料。
制备得到的生物质纤维基三维体型层析材料的体积密度为7.2mg/cm3，水中循环压缩塑性形变为7.2%，对模板蛋白质溶菌酶的吸附容量为1080mg/g。
实施例2
一种生物质纤维基三维体型层析材料及其制备方法，包括如下步骤：
（1）从天然芭蕉杆茎中提取生物质芭蕉芯长纤维，采用小型裁剪机将芭蕉芯长纤维切短，随后以去离子水为溶剂，通过剪切分散机对芭蕉芯长纤维进行分散，分散处理过程中剪切分散机的转速为5000转/分钟，分散时间为60分钟，随后对纤维分散液进行干燥处理，得到纤维平均长度为120μm的芭蕉芯纤维短纤维。
（2）将一定量的芭蕉芯纤维短纤与海藻酸钠在去离子水中进行均质分散制备纤维分散液，其中生物质短纤维的浓度为1.5%，海藻酸钠的浓度为0.5%，分散过程中均质分散机的转速为2000转/分钟，分散时间为50分钟；将制备得到的纤维分散液倒入模具中，随后对其进行冷冻-干燥处理，冷冻温度为-80℃，真空度为10Pa，得到芭蕉芯纤维/海藻酸钠三维体型前驱体材料。
（3）以去离子水为溶剂，配置浓度为10%的柠檬酸改性溶液，改性溶液中添加0.2%的浓硫酸为催化剂，将10cm3上述得到的芭蕉芯纤维/海藻酸钠三维体型前驱体材料浸渍于50mL改性溶液中，随后对浸渍改性溶液的芭蕉芯纤维/海藻酸钠三维体型前驱体材料进行冷冻干燥处理，冷冻干燥处理后的材料在110℃温度下加热处理60分钟，并水洗至中性，最终得到生物质纤维基三维体型层析材料。
制备得到的生物质纤维基三维体型层析材料的体积密度为28.6mg/cm3，水中循环压缩塑性形变为3.9%，对模板蛋白质溶菌酶的吸附容量为2300mg/g。
实施例3
一种生物质纤维基三维体型层析材料及其制备方法，包括如下步骤：
（1）从天然芭蕉杆茎中提取生物质芭蕉芯长纤维，采用小型裁剪机将芭蕉芯长纤维切短，随后以去离子水为溶剂，通过剪切分散机对芭蕉芯长纤维进行分散，分散处理过程中剪切分散机的转速为8000转/分钟，分散时间为100分钟，随后对纤维分散液进行干燥处理，得到纤维平均长度为100μm的芭蕉芯纤维短纤维。
（2）将一定量的芭蕉芯纤维短纤与海藻酸钠在去离子水中进行均质分散制备纤维分散液，其中生物质短纤维的浓度为1.5%，海藻酸钠的浓度为1%，分散过程中均质分散机的转速为4000转/分钟，分散时间为10分钟；将制备得到的纤维分散液倒入模具中，随后对其进行冷冻-干燥处理，冷冻温度为-80℃，真空度为10Pa，得到芭蕉芯纤维/海藻酸钠三维体型前驱体材料。
（3）以去离子水为溶剂，配置浓度为10%的柠檬酸改性溶液，改性溶液中添加浓度为0.2%的多聚磷酸为催化剂，将10cm3上述得到的芭蕉芯纤维/海藻酸钠三维体型前驱体材料浸渍于50mL改性溶液中，随后对浸渍改性溶液的芭蕉芯纤维/海藻酸钠三维体型前驱体材料进行冷冻干燥处理，冷冻干燥处理后的材料在115℃温度下加热处理90分钟，并水洗至中性，最终得到生物质纤维基三维体型层析材料。
制备得到的生物质纤维基三维体型层析材料的体积密度为32.3mg/cm3，水中循环压缩塑性形变为4.7%，对模板蛋白质溶菌酶的吸附容量为2800mg/g。
Claims (7)
1.一种生物质纤维基三维体型层析材料，其特征在于，采用以下步骤制备得到：
步骤1，从天然植物杆茎中提取生物质纤维，并对所得的生物质纤维进行均质分散处理，得到生物质短纤维；
所述天然植物杆茎为芭蕉杆、藕杆或芋杆；
步骤2，将步骤1制得的生物质短纤维与天然高分子多糖进行均质共分散以获得生物质纤维复合浆液，随后对复合浆液进行冷冻干燥，得到生物质纤维三维体型前驱体材料；
所述天然高分子多糖为壳聚糖、明胶、海藻酸钠、黄原胶中的一种或多种；
所述生物质纤维复合浆液中，生物质短纤维的浓度为0.1~5%，天然高分子多糖的浓度为0.05~2%；
步骤3，将步骤2得到的前驱体材料前浸渍于改性溶液中，随后对浸渍后的前驱体材料进行冷冻干燥，冷冻干燥后进行热处理并水洗至中性，得到生物质纤维基三维体型层析材料；
所述改性溶液为柠檬酸和催化剂的混合溶液，柠檬酸的浓度为0.1~20%，催化剂为浓硫酸或多聚磷酸。
2.根据权利要求1所述的生物质纤维基三维体型层析材料，其特征在于，步骤1中采用抽取法从天然植物杆茎的横断面中抽取生物质纤维。
3.根据权利要求1所述的生物质纤维基三维体型层析材料，其特征在于，步骤1中的均质分散处理是将生物质纤维分散在去离子水中，然后剪切分散，剪切分散机的转速为1000~10000转/分钟，分散时间为30~120分钟。
4.根据权利要求1所述的生物质纤维基三维体型层析材料，其特征在于，步骤1中所述生物质短纤维的长度为10~200μm。
5.根据权利要求1所述的生物质纤维基三维体型层析材料，其特征在于，步骤2均质分散的条件为1000~5000转/分钟，分散时间为10~60分钟。
6.根据权利要求1所述的生物质纤维基三维体型层析材料，其特征在于，步骤2中冷冻干燥的条件为温度-20~-80℃、真空度为1~100Pa。
7.根据权利要求1所述的生物质纤维基三维体型层析材料，其特征在于，步骤3中热处理的温度为90~140℃、时间为30~120分钟。
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