戊二醛改性殼聚糖的制備及其對(duì)雌激素吸附性能研究

馬悅，戴炳業(yè),胡燕，喬旭光，張麗敏，徐志祥*

1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東 泰安 271018 2. 中國農(nóng)村技術(shù)開發(fā)中心，北京 1000453 3.泰安市中心醫(yī)院，山東 泰安 271000

近年來，環(huán)境中廣泛存在的具有干擾內(nèi)分泌系統(tǒng)功能的甾體類雌激素物質(zhì)研究受到了廣泛關(guān)注。一些天然甾體類雌激素如17β-雌二醇(E2)、雌三醇(E3)和己烯雌酚(DES)進(jìn)入機(jī)體后，能干擾體內(nèi)內(nèi)分泌物質(zhì)的合成、釋放、運(yùn)輸、代謝、結(jié)合等過程，激活或抑制內(nèi)分泌系統(tǒng)的功能，破壞機(jī)體內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定[1-2]。這類外源性化學(xué)物質(zhì)不僅影響人類健康，也嚴(yán)重威脅到自然界中生物種族的生存，已成為一個(gè)全球性的重大問題[3-4]。因此，如何去除環(huán)境內(nèi)分泌干擾物，成為水處理領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

殼聚糖是一種資源豐富、價(jià)格低廉、性質(zhì)優(yōu)良的天然高分子，無毒無害，易降解，具有良好的抗菌性、吸濕保濕性、生物相容性，在輕工、食品，醫(yī)藥以及化工等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用[5]。但殼聚糖中的大分子具有穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，且大分子之間存在較強(qiáng)的氫鍵，因此該物質(zhì)具有穩(wěn)定的物理、化學(xué)性質(zhì)，常溫下不溶于水、稀堿和有機(jī)溶劑，使得殼聚糖的應(yīng)用受到極大的限制[6]。殼聚糖通過不同方法改性處理，可以獲得某一種或某幾種特性得到加強(qiáng)，甚至具有新特性的衍生物。殼聚糖交聯(lián)是殼聚糖化學(xué)改性的主要方法之一，交聯(lián)后的殼聚糖是一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子聚合物，具有較好的吸附性能和溶解性。目前有關(guān)改性殼聚糖對(duì)雌激素的吸附性能及其應(yīng)用研究未見報(bào)道。

本文采用戊二醛作為交聯(lián)劑，對(duì)殼聚糖進(jìn)行了改性研究，并對(duì)制備的改性殼聚糖微球?qū)Υ萍に氐奈叫阅苓M(jìn)行了評(píng)價(jià)，從而為改性殼聚糖在環(huán)境雌激素去除中的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與儀器

1.1 材料和試劑

殼聚糖，上海伯奧生物科技有限公司；乙酸乙酯、三聚磷酸鈉、冰乙酸，天津市凱通化學(xué)試劑有限公司；50%戊二醛，天津市大茂化學(xué)試劑廠；17β-雌二醇、雌三醇、己烯雌酚，武漢遠(yuǎn)城科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

UV-1601PC 型紫外可見分光光度計(jì)，日本島津公司；Quanta 200E型掃描電鏡，荷蘭FEI公司； JJ-1型精密增力電動(dòng)攪拌器，常州國華電器有限公司；DZF-6030A型真空干燥箱，上海一恒科技有限公司；SHB-IV雙A循環(huán)水式多用真空泵，鄭州長城科工貿(mào)有限公司；KQ-5200E型超聲清洗器，昆山市超聲儀器有限公司。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 殼聚糖溶液的制備

稱取3g殼聚糖，加入到100 mL 2%的乙酸溶液中，攪拌溶脹2 h，靜置12 h，備用。

2.2 殼聚糖微球的制備[7]

取15 mL殼聚糖溶液，超聲10 min。采用滴加法，將殼聚糖溶液用醫(yī)用針頭滴入到100 mL 3%的三聚磷酸鈉溶液中，制得殼聚糖微球。靜置2 h后，用無水乙醇抽濾3次。將抽濾后的殼聚糖微球40 ℃真空干燥10 h，備用。

2.3 改性殼聚糖微球的制備

2.4 改性殼聚糖對(duì)三種雌激素吸附性能研究

50 mL容量瓶中分別加入60 mg改性殼聚糖微球和10 mL 100 mg/L的雌二醇、雌三醇和己烯雌酚標(biāo)準(zhǔn)溶液，振蕩4 h，4000 r/min離心30 min。取上清液，分別在280 nm、279 nm和259 nm下測(cè)定吸光度，計(jì)算改性殼聚糖微球?qū)θN雌激素的吸附容量。

吸附容量Q的計(jì)算公式如下：

Q = (C0-C1) V / M

其中，C0和C1分別表示吸附前后溶液中雌激素的濃度，V表示標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，M表示改性殼聚糖的添加量。

2.5 改性殼聚糖吸附容量曲線

配制濃度分別為25，50，75，100，150和200 mg/L的雌三醇溶液，按照2.4所述的步驟，測(cè)定改性殼聚糖對(duì)不同濃度雌三醇的吸附容量。

2.6 改性殼聚糖吸附動(dòng)力學(xué)

準(zhǔn)確稱取60 mg改性殼聚糖微球于10 mL的容量瓶中，加入10 mL 130 mg/L的雌三醇溶液，室溫振蕩5，30，60，90，120，180和240 min，測(cè)定各個(gè)時(shí)間段改性殼聚糖對(duì)雌三醇的吸附容量。

3 結(jié)果與分析

3.1 改性條件優(yōu)化

3.1.1 乙酸乙酯的用量對(duì)改性殼聚糖吸附效果的影響 乙酸乙酯作為致孔劑，其用量多少對(duì)制備的改性殼聚糖的吸附性能有重要影響，本文對(duì)乙酸乙酯的用量進(jìn)行了優(yōu)化。取四份15 mL殼聚糖溶液，分別加入0.2 mL，0.5 mL，1.0 mL和1.5 mL的乙酸乙酯，保持其他條件不變，進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 乙酸乙酯用量對(duì)改性殼聚糖吸附效果的影響Fig.1 Effect of the ethyl acetatelevel on the adsorptionability of themodified chitosan圖2 戊二醛的用量對(duì)改性殼聚糖吸附性能的影響Fig.2Effect of glutaraldehyde levelon the adsorptionability of the modified chitosan

從圖1中可以看出，乙酸乙酯的加入量太高或太低，改性殼聚糖的吸附容量都有明顯的下降。當(dāng)加入的乙酸乙酯的量為0.5 mL時(shí)，得到的改性殼聚糖對(duì)80 mg/L雌三醇的吸附量達(dá)到最大值(1.39 mg/g)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因，可能是當(dāng)乙酸乙酯的用量過低時(shí)，致孔不充分，導(dǎo)致吸附量較低；當(dāng)乙酸乙酯用量過多時(shí)反而影響體系濃度。

為了快速檢測(cè)熱氮吹硫過程氣中H 2 S、SO 2、O2、H 2的含量，便于做出正確的操作判斷，提前采購部分氣體檢測(cè)管。具體情況如表1所示。

3.1.2 戊二醛用量對(duì)改性殼聚糖吸附效果的影響 取四份15 mL殼聚糖溶液，保持乙酸乙酯的用量及其他操作條件不變，分別加入0.5 mL，1.0 mL，1.5 mL和2.0 mL戊二醛，進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示：

從圖2可以看出，改性殼聚糖對(duì)雌三醇的吸附量隨戊二醛用量的增加出現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，并在加入1.5 mL戊二醛時(shí)吸附容量值達(dá)到最高。出現(xiàn)這種情況的原因可能是，當(dāng)戊二醛的用量過少時(shí)，殼聚糖改性不完全，交聯(lián)度較低，導(dǎo)致部分尚未交聯(lián)的含有自由羥基較多的殼聚糖分子溶解并流失所致；當(dāng)戊二醛用量過多時(shí)，戊二醛不僅與氨基反應(yīng)，同時(shí)消耗了部分羥基，從而導(dǎo)致吸附容量下降。

根據(jù)以上結(jié)果，最終確定15 mL殼聚糖溶液中加入0.5 mL乙酸乙酯作為致孔劑，1.5 mL戊二醛作為交聯(lián)劑，即殼聚糖：乙酸乙酯：戊二醛=30: 1: 3(v/v/v)，制備改性殼聚糖。

3.2 結(jié)構(gòu)分析

對(duì)制備的殼聚糖和改性殼聚糖微球的結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描電鏡分析，結(jié)果見圖3。

圖3 殼聚糖(a)和改性殼聚糖(b)掃描電鏡圖

由圖3(a)所示，殼聚糖表面相對(duì)比較光滑；改性后，殼聚糖表面有較多的褶皺，這可能是其具有較好吸附性能的主要原因。

3.3 改性殼聚糖對(duì)三種雌激素的吸附性能研究

取濃度均為100 mg/L三種雌激素標(biāo)準(zhǔn)溶液于50 mL容量瓶中，分別加入60 mg改性殼聚糖，振蕩4 h離心后測(cè)定上清液的吸光度值，根據(jù)公式計(jì)算出改性殼聚糖對(duì)三種雌激素的吸附容量。

圖4 改性殼聚糖對(duì)雌二醇、雌三醇和己烯雌酚的吸附容量

圖4可以看出，在溶液濃度為100 mg/L時(shí)，改性殼聚糖對(duì)三種雌激素均具有良好的吸附性能，因此制備的改性殼聚糖材料可作為新型吸附劑，以去除水環(huán)境中的雌激素。

另外，改性殼聚糖對(duì)雌三醇的吸附性能最佳，達(dá)到1.97 mg/g；而對(duì)己烯雌酚的吸附效果最差，吸附容量為1.10 mg/g。因此，在后續(xù)試驗(yàn)中，我們以雌三醇作為研究對(duì)象，對(duì)制備的改性殼聚糖的吸附容量曲線和吸附動(dòng)力學(xué)等吸附性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.4 殼聚糖改性前后對(duì)雌三醇的吸附性能比較

室溫下，研究了改性殼聚糖和未改性殼聚糖對(duì)25～200 mg/L濃度范圍內(nèi)雌三醇的吸附能力，結(jié)果如圖5所示。

圖5 殼聚糖改性前后對(duì)雌三醇的吸附容量曲線Fig.5Adsorption isotherms of modified chitosanand chitosan toward the estradiol圖6 改性殼聚糖對(duì)雌三醇的吸附動(dòng)力學(xué)曲線Fig.6Kinetic uptake plot of the modifiedchitosan toward the estradiol

由圖5可以看出，改性殼聚糖與未改性殼聚糖對(duì)雌三醇的吸附容量均隨雌三醇溶液濃度的增大而增大。當(dāng)雌三醇濃度低于50 mg/L時(shí)，改性殼聚糖與未改性殼聚糖對(duì)雌三醇的吸附量增加較為緩慢；當(dāng)雌三醇濃度在50-150 mg/L范圍時(shí)，改性殼聚糖與未改性殼聚糖對(duì)雌三醇的吸附量隨著雌三醇濃度的增大而迅速增加；當(dāng)雌三醇濃度高于150 mg/L時(shí)，改性殼聚糖與未改性殼聚糖對(duì)雌三醇的吸附速度趨于平緩。由于殼聚糖和改性殼聚糖對(duì)雌三醇的吸附主要是通過物理吸附作用或活性基團(tuán)的結(jié)合，因此兩者的吸附趨勢(shì)基本一致。

此外，改性殼聚糖對(duì)200 mg/L雌三醇的吸附容量為3.01 mg/g，而未改性殼聚糖對(duì)雌三醇的吸附容量為1.87 mg/g。因此，殼聚糖經(jīng)過改性之后，對(duì)雌激素的吸附性能有了顯著的改善和提高。

3.5 改性殼聚糖對(duì)雌三醇的吸附動(dòng)力學(xué)

本研究測(cè)定了不同吸附時(shí)間對(duì)雌三醇吸附量的變化趨勢(shì)，考察了改性殼聚糖對(duì)雌三醇的吸附速率，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出，改性殼聚糖對(duì)雌三醇的吸附量隨時(shí)間的增加而增加，吸附30 min，吸附容量為1.24 mg/L，達(dá)到最大吸附容量的48.4%；180 min時(shí)吸附基本達(dá)到平衡。

4 結(jié)論

對(duì)殼聚糖進(jìn)行交聯(lián)改性處理可顯著提高其吸附性能。以殼聚糖：乙酸乙酯：50%戊二醛為30: 1: 3(v/v/v)時(shí)，制得的改性殼聚糖微球吸附效果最佳。制備的改性殼聚糖對(duì)雌二醇、雌三醇和己烯雌酚具有良好的吸附性能和較快的吸附動(dòng)力學(xué)；對(duì)雌三醇的吸附效果最好，而對(duì)己烯雌酚的吸附效果最差。

制備的改性殼聚糖具有制備簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)，作為一種吸附劑具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用于水環(huán)境中雌激素的去除將具有重要意義。

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