大孔球形纖維素陰離子交換樹脂PSC-AN對(duì)蛋白質(zhì)的吸附性能研究1

曾 淼， 陳中蘭， 朱 斌

（1. 阿壩師范學(xué)院，四川 汶川 623002；2. 西華師范大學(xué)，四川 南充 637002）

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大孔球形纖維素陰離子交換樹脂PSC-AN對(duì)蛋白質(zhì)的吸附性能研究1

曾 淼1， 陳中蘭2， 朱 斌1

（1. 阿壩師范學(xué)院，四川 汶川 623002；2. 西華師范大學(xué)，四川 南充 637002）

摘 要：以自制的大孔球形纖維素陰離子交換樹脂PSC-AN為吸附劑，以牛血清白蛋白（BSA）為目標(biāo)蛋白，考察了該陰離子交換樹脂對(duì)BSA的吸附性能，發(fā)現(xiàn)其對(duì)BSA的飽和吸附量為204.4 mg/mL，吸附行為滿足Freundlich方程，建立了大孔球形纖維素吸附樹脂PSC-AN吸附測(cè)定水中牛血清白蛋白含量的方法。

關(guān)鍵詞：大孔球形纖維素；陰離子樹脂；蛋白質(zhì)；吸附

球形纖維素吸附樹脂研制是指功能化球形纖維素，其目的是將各種功能基引到纖維素大分子結(jié)構(gòu)上，使改性后的吸附樹脂具有更大的吸附容量和更大的表面積，可用其來吸附處理各種無機(jī)有機(jī)物質(zhì)。其制備方法主要有酯化醚化法、親核取代法和接枝共聚法等[1]。球形纖維素具有良好的親水性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、比表面積較大以及低的非特異性吸附等優(yōu)點(diǎn)[2]，它價(jià)廉易得[3]，可用來分離純化蛋白質(zhì)氨基酸等生物大分子物質(zhì)。

本文選用自制的大孔球形纖維素陰離子交換樹脂 PSC-AN[4]，考察了它對(duì)牛血清白蛋白的吸附性能，建立了大孔球形纖維素吸附樹脂PSC-AN吸附測(cè)定水中牛血清白蛋白BSA含量的方法。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑及儀器

大孔球形纖維素陰離子交換樹脂PSC-AN（40目，自制[4]）；丙酮、氫氧化鈉、無水碳酸鈉、醋酸、醋酸鈉、氨水、氯化氨、氯化鈉、硫酸銅、酒石酸鉀鈉、鹽酸，均為A.R，成都科龍化學(xué)試劑公司；牛血清白蛋白（BSA，北京華美公司進(jìn)口分裝）。

UV-vis 2550型紫外可見分光光度計(jì)（日本島津公司），循環(huán)水式真空泵（鞏義市英峪予華儀器廠），SHZ-82恒溫震蕩，GZX-9140MI數(shù)顯鼓風(fēng)烘箱（上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠）。

1.2 大孔球形纖維素陰離子交換樹脂PSC-AN總交換容量的測(cè)定

大孔球形纖維素陰離子交換樹脂PSC-AN總交換容量的測(cè)定采用返滴定法[5]。在電子天平上準(zhǔn)確稱取0.100 0 g 左右的陰離子交換樹脂PSC-AN，放入帶塞錐形瓶中，加入0.100 0 mol/L 左右的標(biāo)準(zhǔn)HCl 溶液50 mL，加少許NaCl，放置24 h，不時(shí)振動(dòng)。然后吸取上層清液10.00 mL 用0.100 0 mol/L標(biāo)準(zhǔn)的NaOH溶液滴定，計(jì)算出總交換容量。按公式（1）進(jìn)行計(jì)算。

式中：Q為離子交換劑的總交換容量，mmol/g；CHCl為鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，mol/L；NNaOH為氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，mol/L；VNaOH為消耗氫氧化鈉的體積，mL；VHCl為消耗鹽酸的體積，mL；測(cè)得大孔球形纖維素基陰離子交換劑的總交換容量：Q前=1.04mmol/g。

1.3 大孔球形纖維素陰離子交換樹脂PSC-AN對(duì)BSA的吸附實(shí)驗(yàn)

取0.05 g PSC-AN（濕態(tài)）于錐形瓶中，加入不同濃度的蛋白質(zhì)溶液50 mL溶液，充分混合均勻，恒溫震蕩3 h，測(cè)定上清液中蛋白質(zhì)濃度，根據(jù)式（2）計(jì)算。

式中，Q為飽和吸附量（mg/g），C0、Ce為分別表示吸附前后BSA的濃度（mg/mL），V為溶液的體積（mL），W為吸附劑的濕重（g），0.05 g計(jì)算吸附量。

1.3.1 不同BSA濃度對(duì)吸附的影響

不同吸附濃度下，PSC-AN吸附容量的測(cè)定：在常溫下，用0.05 g PCS-AN（濕態(tài)）對(duì)起始濃度分別為1、2、3、4 mg/mL的牛血清白蛋白（pH=7）震蕩吸附3 h，直到吸附達(dá)到平衡，測(cè)定吸附量。

1.3.2 不同pH對(duì)吸附的影響

在常溫下，分別在pH=3、5、7、9、11下，用0.05 g PCS-AN（濕態(tài)）對(duì)起始濃度3 mg/mL 的牛血清白蛋白吸附震蕩3 h，直到吸附達(dá)到平衡，測(cè)定吸附量。

1.3.3 不同離子強(qiáng)度對(duì)吸附的影響

在常溫下，用0.05 g PCS-AN（濕態(tài)）對(duì)起始濃度為3 mg/mL的牛血清白蛋白（pH=5），加入5 mL 1%NaCl、1.5%NaCl、2%NaCl、2.5%NaCl、3%NaCl，進(jìn)行吸附震蕩3 h，測(cè)定其飽和吸附量。

1.3.4 不同時(shí)間對(duì)吸附的影響

在常溫下，用0.05 g PCS-AN（濕態(tài)）對(duì)起始濃度為3 mg/mL的牛血清白蛋白（pH=5），進(jìn)行吸附震蕩3 h，每30 min取樣測(cè)定其剩余蛋白濃度，測(cè)定其飽和吸附量。

1.3.5 不同溫度對(duì)吸附的影響

在不同溫度下，用0.05 g PCS-AN（濕態(tài)）對(duì)起始濃度為3 mg/mL的牛血清白蛋白（pH=5），進(jìn)行吸附震蕩150 min取樣測(cè)定其剩余蛋白濃度，測(cè)定其飽和吸附量。

1.3.6 吸附等溫線的建立Freundlich方程

用 0.05 g PSC-AN（濕態(tài)）對(duì)起始濃度分別為 0.5、1、1.5、2.0、3.0 mg/mL的標(biāo)準(zhǔn)牛血清白蛋白（50.00 mL溶液）在pH=5.0、Te=30℃進(jìn)行震蕩吸附150 min。測(cè)定其對(duì)BSA的吸附量，根據(jù)Freundlich方程用InQ對(duì)InC作圖，得BSA的吸附平衡等溫線見后圖6。

1.3.7 蛋白質(zhì)的洗脫及大孔球形纖維素陰離子交換樹脂的重復(fù)使用性能

選擇2%NaCl作為洗脫，進(jìn)行洗脫再生實(shí)驗(yàn)。第一次洗脫再生：取10 mL洗脫液（2% NaCl），在30℃下震蕩150 min，測(cè)蛋白質(zhì)濃度。第二次吸附：在最優(yōu)條件下進(jìn)行吸附，測(cè)定其剩余蛋白質(zhì)濃度。第二次洗脫：取10 mL洗脫液（2% NaCl），在30℃下震蕩150 min，測(cè)蛋白質(zhì)濃度。第三次吸附：在最優(yōu)條件下進(jìn)行吸附，測(cè)定其剩余蛋白質(zhì)濃度。第三次洗脫：重復(fù)第二次的操作。其數(shù)據(jù)如表1所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同BSA濃度對(duì)吸附的影響

PSC-AN對(duì)不同吸附濃度的牛血清白蛋白進(jìn)行吸附，其吸附容量與吸附濃度關(guān)系如圖1所示。從圖1中可以看出，PSC-AN對(duì)牛血清白蛋白的吸附隨著吸附濃度的增加而增大，在C0=3 mg/mL時(shí)達(dá)到峰，C0繼續(xù)增大其吸附量反而下降。故選擇最佳吸附濃度C0=3 mg/mL。

圖1 濃度對(duì)BSA吸附量的影響

2.2 不同pH對(duì)吸附的影響

PSC-AN對(duì)不同pH的牛血清白蛋白進(jìn)行吸附，其吸附容量與pH關(guān)系如圖2所示。從圖2中可以看出，PSC-AN對(duì)牛血清白蛋白的吸附在pH=5.0時(shí)達(dá)到峰值， 這可能是因?yàn)锽SA的等電點(diǎn)為4.8，在pH=5.0時(shí)蛋白質(zhì)分子上沒有凈電荷，因此達(dá)到最大平衡吸附量。而pH不等于5.0時(shí)，由于靜電排斥作用的影響，導(dǎo)致BSA吸附量降低。pH選擇5.0進(jìn)行吸附。

圖2 pH對(duì)BSA吸附量的影響

2.3 不同離子強(qiáng)度對(duì)吸附的影響

PSC-AN對(duì)不同離子強(qiáng)度的牛血清白蛋白進(jìn)行吸附，其吸附容量與離子強(qiáng)度關(guān)系如圖3所示。從圖3中可以看出，離子強(qiáng)度對(duì)吸附是不利的，PSC-AN對(duì)牛血清白蛋白的吸附在離子強(qiáng)度為2% NaCl時(shí)不吸附牛血清白蛋白，這可能是靜電排斥作用的影響，導(dǎo)致BSA吸附量降低。這里選擇2% NaCl作為洗脫液。

圖3 離子強(qiáng)度對(duì)BSA吸附量的影響

2.4 不同時(shí)間對(duì)吸附的影響

PSC-AN對(duì)上述最佳條件下的牛血清白蛋白進(jìn)行吸附，其吸附容量與時(shí)間如圖4所示。從圖4中可以看出，吸附150 min達(dá)到吸附平衡，故選擇吸附150 min。

圖4 時(shí)間對(duì)BSA吸附量的影響

2.5 不同溫度對(duì)吸附的影響

PSC-AN對(duì)上述最佳條件下的牛血清白蛋白進(jìn)行吸附，其吸附容量與溫度如圖5所示。從圖5中可以看出，30℃吸附最大，溫度過低或過高均不利于吸附。這是因?yàn)闇囟葘?duì)吸附量具有較大的影響，一方面溫度上升有利于纖維素球與牛血清白蛋白間的相互作用力；另一方面，溫度升高又有利于分子熱運(yùn)動(dòng)。在30℃，纖維素球與牛血清白蛋白間的相互作用力占優(yōu)勢(shì)，故吸附量最大，選擇30℃為吸附溫度。

圖5 溫度對(duì)BSA吸附量的影響

2.6 吸附等溫線的建立Freundlich方程

BSA的吸附平衡等溫線如圖6所示。由Freundlich方程lgQ=lgK+1/n lgC（其中K、n為Freundlich 特征常數(shù)），通過線形擬合得到回歸方程lgQ=1.669 26+1.465 54 lgC，r=0.990 4，求K=46.69、n=0.682 3，證明該方程可以用Freundlich方程描述，這說明該吸附過程中既有物理吸附又有化學(xué)吸附。K值較大，說明PSC-AN對(duì)BSA的吸附量較大；0.5＜n＜1 ，說明吸附過程比較容易，吸附過程為非優(yōu)惠吸附（即吸附過程吸熱）[6]，在高溫下進(jìn)行的過程樹脂吸附能力更大，以上的溫度吸附量實(shí)驗(yàn)也證明了這點(diǎn)。

圖6 BSA的吸附平衡等溫線

2.7 蛋白質(zhì)的洗脫及大孔球形纖維素陰離子交換樹脂PSC-AN的重復(fù)使用性能

表1為PSC-AN的重復(fù)使用性能數(shù)據(jù)。

表1 PSC-AN的重復(fù)使用性能

從表1可以看出，第一次洗脫再生后，回收率和吸附率均在80%以上，洗脫再生能力較好。但使用三次后吸附明顯下降。

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)建立了大孔球形纖維素吸附樹脂PSC-AN吸附牛血清白蛋白含量的方法，該方法的最佳吸附條件為：吸附濃度C0=3 mg/mL、pH=5.0、吸附飽和時(shí)間150 min、吸附溫度30℃，PSC-AN對(duì)牛血清白蛋白的最大吸附量為200 mg/mL，吸附后選擇2%NaCl為洗脫液。李步海等[7]利用自制的磷酸化油菜秸稈纖維素生物吸附劑來吸附牛血清白蛋白，在最佳吸附條件下吸附容量為127.39 mg/g。該方法缺點(diǎn)是吸附時(shí)間長，需20 h才達(dá)到吸附平衡。王玉恒等[8]制備了一種大孔球形纖維素載體固定化單寧，并利用其來吸附牛血清白蛋白。該方法在pH=5、溫度為25℃下吸附25 h達(dá)到平衡，其缺點(diǎn)同樣是耗時(shí)長。羅曉剛[9]制備出新型磁性纖維素微球，該微球?qū)εＱ灏椎鞍孜搅己谩５摲椒ㄊ峭ㄟ^溶膠―凝膠轉(zhuǎn)相法、原位法合成，反應(yīng)條件苛刻、不利于大規(guī)模推廣。與其他方法相比，用自制 PSC-AN[4]吸附牛血清白蛋白的方法具有合成簡單、吸附快速等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是重復(fù)使用性能不好。

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[9] 羅曉剛. 再生纖維素微球的制備、結(jié)構(gòu)和功能[D]. 湖北: 武漢大學(xué), 2010.

中圖分類號(hào)：TQ352

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-8405(2016)02-0065-05

DOI:10.16561/j.cnki.xws.2016.02.10

收稿日期：2015-12-21

基金項(xiàng)目：阿壩師范學(xué)院青年基金項(xiàng)目（ASC10-12）；阿壩師范學(xué)院重點(diǎn)課題項(xiàng)目（ASA11-33）。

作者簡介：曾 淼（1982~），女，碩士；研究方向：纖維素改性及其在環(huán)保方面的應(yīng)用研究。664928619@qq.com

Adsorption Properties of BSA on Spherical Macroporous Cellulosic Anion Exchanger

ZENG Miao1, CHEN Zhong-lan2, ZHU Bin1
（1. ABA Teachers’ College, Wenchuan 623002, China; 2. China West Normal University, Nanchong 637002, China）

Abstract:Protein of spherical macroporous cellulosic anion exchanger (PSC-AN) was synthesized by macroporous cellulosic beads. The results showed the exchanger (PSC-AN) had a spherical appearance, narrow distribution of diameter. BSA was used as target proteins to examine the adsorption properties of the adsorbent. Under appropriate conditions, the adsorbent had a capacity of BSA was 204.4 mg/g. Adsorption isotherm could expressed by Freundlish adsorption equation. The PSC-AN was used to absorb food industry wastewater. The method used for determination of protein was established.

Key words:spherical macroporous cellulose; anion exchanger; protein; adsorption