玻璃纖維偶聯(lián)劑改性制備固定化載體

王 長(zhǎng) 偉, 陳 敏, 李 家 桐, 孫 玉梅, 張 瑤 瑤

( 1.大連工業(yè)大學(xué) 紡織與材料工程學(xué)院, 遼寧 大連 116034; 2.大連工業(yè)大學(xué) 生物工程學(xué)院, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

生物固定化技術(shù)是現(xiàn)代生物工程領(lǐng)域中的一項(xiàng)新興技術(shù)。載體材料的選擇及表面改性方法是該技術(shù)的關(guān)鍵。載體材料應(yīng)自身帶有或通過(guò)表面改性產(chǎn)生能與固定化物反應(yīng)的官能團(tuán),比表面積大、機(jī)械剛性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、耐微生物降解等。適于生物固定化的載體種類很多,如天然高分子材料、合成高分子材料、無(wú)機(jī)材料、復(fù)合材料和新型材料[1]等,其中無(wú)機(jī)材料中應(yīng)用較多的是硅藻土、多孔玻璃、玻璃纖維等。玻璃纖維用作載體材料的研究集中在兩個(gè)方面,一是研制兼具高比表面積和高力學(xué)強(qiáng)度的多孔玻璃纖維,根據(jù)活性材料類型采用傳統(tǒng)方法直接把活性材料沉積在纖維表面上[2]；另一種則是以玻璃纖維為底,通過(guò)表面改性沉積活性材料[2]。玻璃纖維的表面改性方法主要有偶聯(lián)劑改性[3-4]、等離子體改性[5]、稀土元素改性[6]和表面二次接枝改性[7]等。前人研究多集中在偶聯(lián)劑改性在復(fù)合材料中的應(yīng)用,本文將著重研究偶聯(lián)劑改性制備生物固定化載體,討論了該過(guò)程中不同工藝條件對(duì)玻璃纖維自身改性效果及改性玻璃纖維對(duì)脂肪酶固載率的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

所用載體材料為E-玻璃纖維織物,重慶國(guó)際復(fù)合材料有限公司；硅烷偶聯(lián)劑為γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)和γ-縮水甘油基丙基三甲氧基硅烷(KH-560),遼寧蓋州化學(xué)工業(yè)有限責(zé)任公司；固定化酶為L(zhǎng)VK-F100脂肪酶,深圳市綠維康生物工程有限公司。

1.2 固定化載體的制備

載體的制備主要是通過(guò)對(duì)玻璃纖維織物的偶聯(lián)劑改性來(lái)完成的,硅烷偶聯(lián)劑水解生成的硅醇基和玻璃纖維表面的羥基反應(yīng)而連接。為了盡可能增加玻纖表面羥基數(shù)量,提高反應(yīng)效率,實(shí)驗(yàn)采用堿預(yù)處理和偶聯(lián)劑改性相結(jié)合的方法對(duì)玻璃纖維進(jìn)行改性。將經(jīng)過(guò)清洗的玻璃纖維織物用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的NaOH溶液預(yù)處理30 min,去離子水沖洗至洗液呈中性,干燥后浸于一定濃度的硅烷偶聯(lián)劑水溶液中一段時(shí)間,取出置于恒溫干燥箱中120 ℃下烘干,冷卻制得固定化載體。

1.3 載體固定化脂肪酶

按1 g脂肪酶與10 mL去離子水的比例配置酶液,將改性前后玻璃纖維織物樣品,分別浸漬在等量酶液中,置于搖床上固定化2 h (溫度為30 ℃,轉(zhuǎn)速為160 r/min)。

1.4 載體性能測(cè)試

用JYSP-360a型接觸角測(cè)定儀測(cè)定了玻璃纖維織物改性前后對(duì)去離子水接觸角(θ)的變化,以表征偶聯(lián)劑改性對(duì)載體表面潤(rùn)濕性的影響；用 Spectrum One-B型傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)定玻璃纖維表面官能團(tuán)的變化,以表征載體表面微結(jié)構(gòu)的變化；以牛血清蛋白(BSA)為標(biāo)準(zhǔn)液,采用Bradford法[8]測(cè)定載體對(duì)脂肪酶固定化前后酶液中蛋白質(zhì)含量,計(jì)算出脂肪酶固載率,通過(guò)固載率的變化表征偶聯(lián)劑對(duì)玻璃纖維的改性效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 玻璃纖維表面潤(rùn)濕性的變化

2.1.1 不同試劑處理對(duì)接觸角的影響

在前人研究[9-10]和前期實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,本實(shí)驗(yàn)采用NaOH預(yù)處理玻璃纖維以增加其表面參與反應(yīng)的羥基數(shù)量,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%,處理時(shí)間為 30 min；偶聯(lián)劑改性則用體積分?jǐn)?shù)為3%的KH-550、KH-560水溶液處理10 min。玻璃纖維樣品分別經(jīng)過(guò)不同處理所得接觸角如表1,其中所列試劑均包含選定的濃度和時(shí)間。

表1 不同試劑處理對(duì)接觸角的影響

由表1可以看出,經(jīng)各種試劑處理后接觸角都比空白樣明顯增大,NaOH預(yù)處理和硅烷改性的協(xié)同處理對(duì)玻璃纖維表面的潤(rùn)濕性改變效果最顯著,明顯優(yōu)于任何一種試劑單獨(dú)處理。主要是由于NaOH中的 OH-離子破壞表面硅氧骨架,同時(shí)Na+對(duì)玻纖表面吸附能力較強(qiáng),形成的硅酸鈉溶解度很大[11]；NaOH使玻纖表面產(chǎn)生了更多的反應(yīng)性基團(tuán)-羥基,有利于提高玻纖與硅烷偶聯(lián)劑鍵接數(shù)量和效率。另外,從表1還可看出兩種偶聯(lián)劑對(duì)玻璃纖維潤(rùn)濕性的改變效果相近。這可從偶聯(lián)劑的改性機(jī)理來(lái)解釋,硅烷偶聯(lián)劑含有兩種不同的化學(xué)官能團(tuán),一端親無(wú)機(jī)物,另一端親有機(jī)物。親無(wú)機(jī)端能水解生成硅醇,與表面帶有羥基的玻璃纖維表面通過(guò)氫鍵相連[12]；親有機(jī)端則可與各種有機(jī)官能團(tuán)生成穩(wěn)定共價(jià)鍵,從而起到偶聯(lián)效果。兩種偶聯(lián)劑水解生成的硅醇數(shù)量相同,故改性效果非常接近。

2.1.2 硅烷偶聯(lián)劑溶液浸漬時(shí)間對(duì)潤(rùn)濕性的影響

將經(jīng)預(yù)處理的樣品浸于體積分?jǐn)?shù)為3% 的KH-550和KH-560溶液中不同時(shí)間,得到不同浸漬時(shí)間對(duì)玻璃纖維表面潤(rùn)濕性的影響如圖1所示。

圖1 偶聯(lián)劑溶液浸漬時(shí)間對(duì)接觸角的影響

Fig.1 The effect of dipping time of coupling agent on contact angle

由圖1可見(jiàn),接觸角在0～10 min內(nèi)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)迅速增大,10 min后增大趨勢(shì)趨于平穩(wěn),可見(jiàn)硅烷偶聯(lián)劑對(duì)玻璃纖維表面改性效果在10 min 時(shí)就可達(dá)到非常高,而之后隨著時(shí)間的延長(zhǎng)表面性質(zhì)已無(wú)明顯變化,因而本實(shí)驗(yàn)工藝條件下浸漬時(shí)間選擇10 min。

2.1.3 硅烷偶聯(lián)劑溶液體積分?jǐn)?shù)對(duì)潤(rùn)濕性的影響

將經(jīng)預(yù)處理的樣品浸于不同體積分?jǐn)?shù)的KH-550和KH-560溶液中10 min,偶聯(lián)劑的種類和溶液體積分?jǐn)?shù)對(duì)潤(rùn)濕性的影響趨勢(shì)如圖2所示。

圖2 偶聯(lián)劑溶液體積分?jǐn)?shù)對(duì)接觸角的影響

Fig.2 The effect of concentration of coupling agent to contact angle

由圖2可見(jiàn),接觸角在溶液體積分?jǐn)?shù)為3%以內(nèi)隨著體積分?jǐn)?shù)的增大而迅速變大,且在同一體積分?jǐn)?shù)下KH-560改性后的接觸角比KH-550大；大于3%時(shí),接觸角隨體積分?jǐn)?shù)增大而減小,同一體積分?jǐn)?shù)下KH-550改性后的接觸角比KH-560大。這說(shuō)明兩種不同偶聯(lián)劑對(duì)潤(rùn)濕性的影響趨勢(shì)相同,只是程度有異,本實(shí)驗(yàn)工藝條件下選定偶聯(lián)劑溶液體積分?jǐn)?shù)為3%。

2.2 玻璃纖維表面官能團(tuán)的變化

將玻璃纖維經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的NaOH溶液預(yù)處理30 min,再分別在體積分?jǐn)?shù)為3%的KH-550和KH-560溶液中處理10 min,所得樣品進(jìn)行紅外光譜測(cè)試,紅外譜圖見(jiàn)圖3、4。由圖3可以看出,經(jīng)體積分?jǐn)?shù)為3%的KH-550改性后樣品在1 630 cm-1處物理吸附水的紅外吸收峰消失,純KH-550在1 080 cm-1附近的Si—O振動(dòng)峰[13]雖在改性后玻璃纖維上消失,但在2 930 與2 854 cm-1處 —CH3和 —CH2— 吸收峰明顯增強(qiáng)[14],這說(shuō)明玻璃纖維表面已接上一定量的硅烷。由圖4可看出,KH-560改性后玻璃纖維在2 925 和2 855 cm-1附近出現(xiàn)了 —CH3和 —CH2— 伸縮振動(dòng)峰[15],1 450 cm-1處吸收峰增強(qiáng),這表明KH-560與玻璃纖維表面已形成一定的化學(xué)鍵連接。由此可知,KH-550和KH-560均能通過(guò)一定的化學(xué)鍵連接到玻璃纖維表面。

a,KH-550；b,未處理樣品；c,KH-550處理后樣品

圖3 KH-550及改性前后玻璃纖維的紅外光譜圖

Fig.3 Infrared spectrum of surface-modified and unmodified glass fiber and KH-550

a,KH-560；b,未處理樣品；c,KH-560處理后樣品

圖4 KH-560及改性前后玻璃纖維的紅外光譜圖

Fig.4 Infrared spectrum of surface-modified and unmodified glass fiber and KH-560

2.3 表面改性對(duì)生物固定化效率的影響

將玻璃纖維織物經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的NaOH溶液預(yù)處理30 min,再分別在體積分?jǐn)?shù)為3%的KH-550和KH-560溶液中處理10 min,所得樣品進(jìn)行脂肪酶固定化,測(cè)得固定化前后酶液的吸光度,由標(biāo)準(zhǔn)曲線確定酶液中蛋白質(zhì)含量,計(jì)算脂肪酶固載率,所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 偶聯(lián)劑改性對(duì)脂肪酶固定化的影響

Tab.2 Effect of different coupling agents on lipase immobilization

吸光度固載率/%固定化前酶液未改性玻纖固定化后酶液KH-550改性玻纖固定化后酶液KH-560改性玻纖固定化后酶液0.4950.4670.4290.382—14.033.056.5

由表2可以看出,經(jīng)兩種偶聯(lián)劑改性都能大幅提高玻璃纖維對(duì)脂肪酶的固載率,且KH-560改性對(duì)固載率的提高幅度又明顯大于KH-550,這可能與硅烷偶聯(lián)劑的種類、結(jié)構(gòu)及有機(jī)官能團(tuán)與酶的匹配有關(guān)。

3 結(jié) 論

采用硅烷偶聯(lián)劑通過(guò)浸漬法對(duì)經(jīng)預(yù)處理過(guò)的玻璃纖維表面進(jìn)行了偶聯(lián)劑改性,制備了固定化載體并對(duì)脂肪酶進(jìn)行了固定化,探討了不同工藝參數(shù)對(duì)載體表面潤(rùn)濕性能的影響,通過(guò)接觸角測(cè)量、紅外光譜測(cè)試及脂肪酶固載率的測(cè)試來(lái)表征改性后性能改善情況。研究表明:

(1) 玻璃纖維偶聯(lián)劑改性可制備出性能明顯改善的固定化載體。

(2) 硅烷偶聯(lián)劑種類、溶液的體積分?jǐn)?shù)及浸漬時(shí)間對(duì)玻璃纖維表面性能都有不同程度影響,本實(shí)驗(yàn)條件下選定的工藝為體積分?jǐn)?shù)為3%,浸漬時(shí)間10 min。

(3) 改性后載體表面潤(rùn)濕性能明顯改善,表面官能團(tuán)明顯變化,且對(duì)脂肪酶固定化效果明顯提高。

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