CN1730105A - 用微生物发酵合成的聚谷氨酸制备超强吸水剂的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明用微生物发酵合成的聚谷氨酸制备吸水剂的方法涉及用粒子辐射处理高分子物质，其操作步骤如下：配制重量百分比浓度为1～10％的用微生物发酵合成的聚谷氨酸的水溶液；以钴源60Co为γ射线辐射源，在充氮保护条件下对第一步中配制的用微生物发酵合成的聚谷氨酸的水溶液进行辐射，辐射剂量率为0.5kGy/小时～5.0kGy/小时，辐射总剂量为2～150kGy；辐射后凝胶在2～8℃下充分溶胀，溶胀时间为4～8天，每天更换一次作为溶胀介质的水，以除去没有交联的单体和凝胶中的杂质；在普通的真空干燥机中冷冻干燥至恒重，即制得吸水剂。该方法生产过程简单，不造成环境污染，产品稳定性好且吸水率高。
Description
技术领域
本发明的技术方案涉及用粒子辐射处理高分子物质，具体地说是用γ射线辐射处理微生物发酵合成的聚谷氨酸制备超强吸水剂的方法。
背景技术
γ-聚谷氨酸(γ-PGA)是通过微生物发酵合成的胞外粘性物质，由谷氨酸单体通过γ肽键结合形成。它可生物降解、溶于水、可食、无毒，具有良好的生物相容性，被广泛应用于医药、纺织、食品、化妆品、环境、农业等领域。
水凝胶是能大量吸水，却不能溶解于水的一类物质。亲水的小分子能够在水凝胶中扩散。水凝胶具有良好的生物相容性，与疏水聚合物相比，同被固定化的酶或细胞只有弱得多的相互作用，固定于水凝胶中的酶或细胞能较长时间地保持生物分子活性，同时它还可以吸收一定量的血液、尿液、生理盐水和组织液。因此水凝胶在生物化学、医学领域有许多用途。
传统制备吸水性水凝胶的方法是使用经丙稀交联的淀粉和纤维素以形成丙稀酸化合物系的吸水性水凝胶。这些丙烯酸系水凝胶的价格虽然便宜，却无法被土壤中的微生物部分地分解，而且面临废弃物处理的困难性和对人体呈毒性的问题。由于水凝胶在生物领域中的应用和人们对环保问题的关心，促进了对生物可降解水凝胶的研究。传统的技术是选用生物可降解的淀粉系、玻璃糖醛酸系或聚氨基酸系材料作为制备生物可降解的吸水性水凝胶所用的原材料，应用化学交联法来合成对生物可降解的水凝胶。传统的技术不仅生产过程复杂，并且由此制得的水凝胶吸水率很低，还造成环境污染。
自上世纪九十年代起，科技工作者开始研究用γ-聚谷氨酸为原料来制备生物可降解的吸水性水凝胶，合成的方法有化学交联法和物理交联法两种方法。张新民等(高分子材料科学与工程，2003，19(2)：203-205)利用化学交联法，以聚谷氨酸12％，交联剂用量为聚谷氨酸量的18.75％，pH 5左右，40℃水浴恒温振荡反应48小时，所得树脂的最高吸水率达1600g/g。CN 200410004665.6公开了通过三维交联作用所得的稳定且生物可降解的高吸水性γ-聚谷氨酸水凝胶及其制备方法，使用具有三个或更多个官能基的化合物或具有三个或更多个官能基的化合物与具有两个官能基的化合物的混合物作为交联剂。化学交联法操作方法复杂、反应步骤多、作用时间长、作用温度较高、产物产率低且生物相容性差、凝胶吸水率一般都不高，大量化学交联剂的使用造成环境污染。Choi and Kunioka(Radia.Phys.Chem.1995，46(2)：175-179)介绍了采用一种制备超强吸水性聚谷氨酸水凝胶的物理交联方法，但所得产品的吸水率最高仅为1400，且质地较脆。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种生产过程简单，不造成环境污染的用微生物发酵合成的聚谷氨酸制备超强吸水剂的方法。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：用微生物发酵合成的聚谷氨酸制备超强吸水剂的方法，其操作步骤如下：
第一步，配制重量百分比浓度为1～10％的用微生物发酵合成的聚谷氨酸的水溶液；
第二步，以钴源60Co为γ射线辐射源，在充氮保护条件下对第一步中配制的用微生物发酵合成的聚谷氨酸的水溶液进行辐射，辐射剂量率为0.5kGy/小时～5.0kGy/小时，辐射总剂量为2～150kGy；
第三步，辐射后凝胶在2～8℃下充分溶胀，溶胀时间为4～8天，每天更换一次作为溶胀介质的水，以除去没有交联的单体和凝胶中的杂质；
第四步，在普通的真空干燥机中冷冻干燥至恒重，即制得超强吸水剂。
上述的Gy是国际通用的辐射剂量单位，中文译名为戈瑞，kGy为千戈瑞。
上述方法中，更加优选的做法是：在上述方法的第一步中，所选用的用微生物发酵合成的聚谷氨酸的重均分子量Mw＞1,000,000；或在上述方法的第二步中，先在由第一步配制的用微生物发酵合成的聚谷氨酸的水溶液中加入用量为该水溶液重量的0.01～1.00％的化学交联剂乙二醇缩水甘油醚、环氧树脂、二元胺、或二卤代烷，然后再以同样的条件对其进行辐射；所用氮气的纯度≥99.99％。
本发明的有益效果是：本发明方法操作简单，主要工艺步骤就是一步，即利用γ射线辐射交联聚谷氨酸使其形成高吸水性的聚谷氨酸水凝胶，完全不需要化学交联法的多步反应和工艺复杂，辐照时间比化学交联作用时间短，在室温下即可进行，辐照法对产品的生物相容性不受影响，因此生产过程简单、生产效率高、能耗低、且产品质量好；本发明的方法中不需添加任何化学交联剂，或者只是在γ射线辐射交联聚谷氨酸时加入极其少量，即只有原料聚谷氨酸水溶液重量的0.01～1.00％的化学交联剂，因此产品不需额外消毒，没有二次污染，也不造成环境污染；在实际生产中，本发明方法使用的原料聚谷氨酸的量较少，大大节约了生产成本；本发明方法制备的聚谷氨酸凝胶具有较好的稳定性，在4℃下放置15天仍不发生崩解，同时具有较强的耐压和耐温保水性；本发明方法中用重均分子量高于1,000,000的聚谷氨酸直接经γ射线辐射交联可以形成吸水率高达5,000倍的超强吸水剂；试验证明，在进行γ射线辐射交联的同时加入极少量的化学交联剂不但不会造成环境污染和二次污染，而是进一步缩短了交联所用的时间，增加了交联度，进一步提高了凝胶的吸水率。
成功开发用γ射线辐射处理微生物发酵合成的聚谷氨酸制备超强吸水剂的难度很大，包括在实践中探索和理论上研究形成聚谷氨酸水凝胶的辐射条件：(1)聚谷氨酸水溶液最适浓度的选择、(2)γ射线最适总剂量的选择和(3)γ射线最适剂量率的选择。发明人是经过长期艰苦的工作才最终获得成功的。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是用本发明方法制备的超强吸水剂吸水前后的实物照片。
图中，1.本发明方法制备的超强吸水剂吸水前的实物照片、2.本发明方法制备的超强吸水剂吸水后的实物照片。
具体实施方式
实施例1
在10ml带螺帽的辐照管中加入2ml去离子水，溶解用微生物发酵合成的聚谷氨酸20mg，配制得重量百分比浓度为1％的聚谷氨酸水溶液；以钴源60Co为γ射线辐射源，在充氮保护条件下对上述辐照管中的聚谷氨酸的水溶液进行辐射，辐射剂量率为0.5kGy/小时，辐射总剂量为2kGy；辐射后的凝胶在2℃下充分溶胀4天，每天更换一次溶胀介质水，以除去没有交联的单体和凝胶中的杂质；在普通的真空干燥机中冷冻干燥，真空度为操作时间为12小时至恒重，即制得超强吸水剂。经检测，该超强吸水剂的吸水率为90倍。
实施例2
在10ml带螺帽的辐照管中加入2ml去离子水，溶解用微生物发酵合成的聚谷氨酸80mg，配制得重量百分比浓度为4％的聚谷氨酸水溶液；以钴源60Co为γ射线辐射源，在充氮保护条件下对上述辐照管中的聚谷氨酸的水溶液进行辐射，辐射剂量率为1.2kGy/小时，辐射总剂量为40kGy；辐射后的凝胶在3℃下充分溶胀5天，每天更换一次溶胀介质水，以除去没有交联的单体和凝胶中的杂质；在普通的真空干燥机中冷冻干燥，真空度为操作时间为18小时至恒重，即制得超强吸水剂。经检测，该超强吸水剂的吸水率为480倍。
实施例3
在10ml带螺帽的辐照管中加入2ml去离子水，溶解用微生物发酵合成的聚谷氨酸120mg，配制得重量百分比浓度为6％的聚谷氨酸水溶液；以钴源60Co为γ射线辐射源，在充氮保护条件下对上述辐照管中的聚谷氨酸的水溶液进行辐射，辐射剂量率为1.0kGy/小时，辐射总剂量为10kGy；辐射后的凝胶在4℃下充分溶胀6天，每天更换一次溶胀介质水，以除去没有交联的单体和凝胶中的杂质；在普通的真空干燥机中冷冻干燥，真空度为操作时间为22小时至恒重，即制得超强吸水剂。经检测，该超强吸水剂的吸水率为2100倍。图1正是本实施例的超强吸水剂吸水前后的实物照片，照片中吸水后的凝胶(2)的重量是吸水前的凝胶(1)的2100倍。
实施例4
在10ml带螺帽的辐照管中加入2ml去离子水，溶解用微生物发酵合成的聚谷氨酸160mg，配制得重量百分比浓度为8％的聚谷氨酸水溶液；以钴源60Co为γ射线辐射源，在充氮保护条件下对上述辐照管中的聚谷氨酸的水溶液进行辐射，辐射剂量率为2.5kGy/小时，辐射总剂量为100kGy；辐射后的凝胶在6℃下充分溶胀7天，每天更换一次溶胀介质水，以除去没有交联的单体和凝胶中的杂质；在普通的真空干燥机中冷冻干燥，真空度为操作时间为28小时至恒重，即制得超强吸水剂。经检测，该超强吸水剂的吸水率为125倍。
实施例5
在10ml带螺帽的辐照管中加入2ml去离子水，溶解用微生物发酵合成的聚谷氨酸100mg，配制得重量百分比浓度为5％的聚谷氨酸水溶液；以钴源60Co为γ射线辐射源，在充氮保护条件下对上述辐照管中的聚谷氨酸的水溶液进行辐射，辐射剂量率为4.0kGy/小时，辐射总剂量为20kGy；辐射后的凝胶在8℃下充分溶胀8天，每天更换一次溶胀介质水，以除去没有交联的单体和凝胶中的杂质；在普通的真空干燥机中冷冻干燥，真空度为操作时间为36小时至恒重，即制得超强吸水剂。经检测，该超强吸水剂的吸水率为2000倍。
实施例6
在10ml带螺帽的辐照管中加入2ml去离子水，溶解用微生物发酵合成的重均分子量Mw＞1,000,000的聚谷氨酸110mg，配制得重量百分比浓度为5.5％的聚谷氨酸水溶液；以钴源60Co为γ射线辐射源，在所用氮气的纯度≥99.99％的充氮保护条件下对上述辐照管中的聚谷氨酸的水溶液进行辐射，辐射剂量率为2.0kGy/小时，辐射总剂量为8kGy；辐射后的凝胶在4℃下充分溶胀6天，每天更换一次溶胀介质水，以除去没有交联的单体和凝胶中的杂质；在普通的真空干燥机中冷冻干燥，真空度为操作时间为22小时至恒重，即制得超强吸水剂。经检测，该超强吸水剂的吸水率为5000倍。
实施例7
在10ml带螺帽的辐照管中加入2ml去离子水，溶解用微生物发酵合成的聚谷氨酸80mg，配制得重量百分比浓度为4％的聚谷氨酸水溶液；在该聚谷氨酸的水溶液中加入用量为该水溶液重量的0.01％的化学交联剂乙二醇缩水甘油醚，再以钴源60Co为γ射线辐射源，在所用氮气的纯度≥99.99％的充氮保护条件下对上述辐照管中的聚谷氨酸的水溶液进行辐射，辐射剂量率为5kGy/小时，辐射总剂量为40kGy；辐射后的凝胶在3℃下充分溶胀5天，每天更换一次溶胀介质水，以除去没有交联的单体和凝胶中的杂质；在普通的真空干燥机中冷冻干燥，真空度为操作时间为18小时至恒重，即制得超强吸水剂。经检测，该超强吸水剂的吸水率为3500倍。
实施例8
在10ml带螺帽的辐照管中加入2ml去离子水，溶解用微生物发酵合成的聚谷氨酸80mg，配制得重量百分比浓度为4％的聚谷氨酸水溶液；在该聚谷氨酸的水溶液中加入用量为该水溶液重量的0.25％的化学交联剂环氧树脂，再以钴源60Co为γ射线辐射源，在充氮保护条件下对上述辐照管中的聚谷氨酸的水溶液进行辐射，辐射剂量率为5kGy/小时，辐射总剂量为80kGy；辐射后的凝胶在6℃下充分溶胀4天，每天更换一次溶胀介质水，以除去没有交联的单体和凝胶中的杂质；在普通的真空干燥机中冷冻干燥，真空度为操作时间为30小时至恒重，即制得超强吸水剂。经检测，该超强吸水剂的吸水率为3100倍。
实施例9
在10ml带螺帽的辐照管中加入2ml去离子水，溶解用微生物发酵合成的聚谷氨酸80mg，配制得重量百分比浓度为4％的聚谷氨酸水溶液；在该聚谷氨酸的水溶液中加入用量为该水溶液重量的0.5％的化学交联剂乙二醇缩水甘油醚，再以钴源60Co为γ射线辐射源，在充氮保护条件下对上述辐照管中的聚谷氨酸的水溶液进行辐射，辐射剂量率为1kGy/小时，辐射总剂量为4kGy；辐射后的凝胶在6℃下充分溶胀4天，每天更换一次溶胀介质水，以除去没有交联的单体和凝胶中的杂质；在普通的真空干燥机中冷冻干燥，真空度为操作时间为12小时至恒重，即制得超强吸水剂。经检测，该超强吸水剂的吸水率为4500倍。
实施例10
在10ml带螺帽的辐照管中加入2ml去离子水，溶解用微生物发酵合成的聚谷氨酸80mg，配制得重量百分比浓度为4％的聚谷氨酸水溶液；在该聚谷氨酸的水溶液中加入用量为该水溶液重量的1.00％的化学交联剂二氯乙烷，再以钴源60Co为γ射线辐射源，在充氮保护条件下对上述辐照管中的聚谷氨酸的水溶液进行辐射，辐射剂量率为5kGy/小时，辐射总剂量为40kGy；辐射后的凝胶在3℃下充分溶胀5天，每天更换一次溶胀介质水，以除去没有交联的单体和凝胶中的杂质；在普通的真空干燥机中冷冻干燥，真空度为操作时间为18小时至恒重，即制得超强吸水剂。经检测，该超强吸水剂的吸水率为2500倍。
实施例11
在10ml带螺帽的辐照管中加入2ml去离子水，溶解用微生物发酵合成的重均分子量Mw＞1,000,000的聚谷氨酸80mg，配制得重量百分比浓度为4％的聚谷氨酸水溶液；在该聚谷氨酸的水溶液中加入用量为该水溶液重量的0.05％的化学交联剂己二胺，再以钴源60Co为γ射线辐射源，在所用氮气的纯度≥99.99％的充氮保护条件下对上述辐照管中的聚谷氨酸的水溶液进行辐射，辐射剂量率为0.5kGy/小时，辐射总剂量为2kGy；辐射后的凝胶在2℃下充分溶胀4天，每天更换一次溶胀介质水，以除去没有交联的单体和凝胶中的杂质；在普通的真空干燥机中冷冻干燥，真空度为操作时间为12小时至恒重，即制得超强吸水剂。经检测，该超强吸水剂的吸水率为1700倍。
上述实施例中，凝胶含量是在室温下采用重量分析的方法检测的，即用滤纸擦去凝胶表面水分称重得到的。凝胶含量和特定水含量采用下面的公式计算：凝胶含量(％)＝Wd/Ws×100；特定水含量＝(Wo-Wd)/Wd。其中Wd和Ws分别代表凝胶干重和辐射前溶液中存在的PGA含量；Wo表示用去离子水溶胀后的凝胶重量。由此检测得到吸水剂的吸水率。
Claims (5)
1.用微生物发酵合成的聚谷氨酸制备超强吸水剂的方法，其特征在于：操作步骤如下：
第一步，配制重量百分比浓度为1～10％的用微生物发酵合成的聚谷氨酸的水溶液；
第二步，以钴源60Co为γ射线辐射源，在充氮保护条件下对第一步中配制的用微生物发酵合成的聚谷氨酸的水溶液进行辐射，辐射剂量率为0.5kGy/小时～5.0kGy/小时，辐射总剂量为2～150kGy；
第三步，辐射后凝胶在2～8℃下充分溶胀，溶胀时间为4～8天，每天更换一次作为溶胀介质的水，以除去没有交联的单体和凝胶中的杂质；
第四步，在普通的真空干燥机中冷冻干燥至恒重，即制得超强吸水剂。
2.根据权利要求1所述的用微生物发酵合成的聚谷氨酸制备超强吸水剂的方法，其特征在于：所用的用微生物发酵合成的聚谷氨酸的重均分子量Mw＞1,000,000。
3.根据权利要求1所述的用微生物发酵合成的聚谷氨酸制备超强吸水剂的方法，其特征在于：配制聚谷氨酸水溶液用的水为去离子水。
4.根据权利要求1所述的用微生物发酵合成的聚谷氨酸制备超强吸水剂的方法，其特征在于：先在由第一步配制的用微生物发酵合成的聚谷氨酸的水溶液中加入用量为该水溶液重量的0.01～1.00％的化学交联剂乙二醇缩水甘油醚、环氧树脂、二元胺、或二卤代烷，然后再以同样的条件对其进行辐射。
5.根据权利要求1所述的用微生物发酵合成的聚谷氨酸制备超强吸水剂的方法，其特征在于：所用氮气的纯度≥99.99％。
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| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20070509 Termination date: 20150811 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |