SA/CTS復(fù)合吸附微球制備工藝的響應(yīng)面優(yōu)化研究

喻珍林， 李 曉， 羅錫恒， 張衛(wèi)英， 葉卓亮

(福州大學(xué)石油化工學(xué)院， 福建 福州 350116)

0 引言

海藻酸鈉(SA)是一種存在于褐藻中的陰離子多糖， 溶于水可形成帶負(fù)電荷的羧基， 殼聚糖(CTS)系甲殼素脫乙酰而來， 溶于稀的醋酸溶液可形成帶正電荷的氨基， 因此CTS和SA可通過正負(fù)電荷作用形成復(fù)合凝膠材料[1-2]. SA/CTS復(fù)合凝膠材料帶有-OH、 -COOH、 -NH2等活潑官能團(tuán)， 易與許多物質(zhì)發(fā)生化學(xué)或物理作用， 且易降解、 無毒、 價(jià)格低廉， 所以在生物醫(yī)藥、 環(huán)境治理等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3-6].

SA/CTS復(fù)合凝膠材料的制備方法大致可以分為兩種， 一種是將殼聚糖乙酸溶液和海藻酸鈉的鹽水溶液直接混合進(jìn)而交聯(lián)形成凝膠[7]， 另一種是先制備SA微球(或CTS微球)， 再將微球轉(zhuǎn)移至CTS溶液(或SA溶液)中復(fù)合制得[8]. 以SA/CTS復(fù)合凝膠材料作為藥物載體的研究較多[3-4,9-10]， 作為吸附材料的報(bào)導(dǎo)較少[6,11-12]， 而且CTS和SA在水中使用存在易溶脹流失的問題. 因此本文采用成球-復(fù)合-交聯(lián)的方法， 先引入鈣離子使SA形成蛋盒結(jié)構(gòu)[13]， 再將CTS與SA復(fù)合， 最后再施以后交聯(lián)， 制備穩(wěn)定的SA/CTS復(fù)合凝膠微球， 并將其用于吸附水中的鉛離子.

本文在制備SA/CTS復(fù)合吸附微球的基礎(chǔ)上， 采用響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方法， 以Box-Behnken中心組合原理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)， 探究合適的微球制備工藝條件， 制備穩(wěn)定性良好、 吸附量較高的SA/CTS復(fù)合吸附微球.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料與儀器

殼聚糖(CTS， BR)由國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供； 海藻酸鈉(SA， CP)由國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供； 氯化鈣(CaCl2， AR)由中國上海試劑總廠提供； 戊二醛 (GA， AR)由天津市福晨化學(xué)試劑廠提供； 原子吸收分光光度計(jì)(A3AFG-12)購自北京普析通用儀器有限責(zé)任公司； 傅立葉變換紅外光譜儀(Spectrum-2000)購自美國Perkin-Elmer公司； 連續(xù)變倍體視光學(xué)顯微鏡(ZSA302)購自重慶光電儀器有限公司； 掃描電鏡(HIROX SH-4000M)購自科士達(dá)中國.

1.2 SA/CTS復(fù)合吸附微球的制備

采用成球-復(fù)合-交聯(lián)的合成方法， 先將SA溶液滴注到CaCl2溶液中得到海藻酸鈣微球， 用去離子水洗去海藻酸鈣微球表面的Cl-， 過濾后轉(zhuǎn)移至CTS溶液中， 通過靜電吸附作用進(jìn)行復(fù)合， 然后再用GA交聯(lián). 以對(duì)Pb2+吸附量和在水中溶脹度作為指標(biāo)， 來研究SA/CTS復(fù)合吸附微球的吸附性能和溶脹性能.

1.3 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

表1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)因素和水平表

以SA/CTS復(fù)合吸附微球?qū)b2+吸附量和在水中溶脹度為響應(yīng)值， 選擇SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)(A)、 CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)(B)、 CTS質(zhì)量分?jǐn)?shù)(C)為工藝參數(shù)， 運(yùn)用Design-Expert8.05b響應(yīng)面軟件， 采用Box-Behnken中心組合原理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)， 進(jìn)行3因素3水平的響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)， 建立響應(yīng)值與因素間的預(yù)測(cè)模型以確定最佳制備工藝條件. 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)因素與水平見表1.

1.4 性能測(cè)試

1.4.1 Pb2+吸附量的測(cè)定

稱取約0.05 g干燥的復(fù)合吸附微球， 將微球加入到裝有50 mL Pb2+溶液的錐形瓶中， 置于80 r·min-1空氣恒溫振蕩器上， 恒溫25 ℃， 振蕩吸附24 h后取樣稀釋100倍， 利用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定其吸附后溶液中的Pb2+濃度， 計(jì)算平衡吸附量Qe(mg·g-1).

Qe=[V(C0-Ce)]/1 000m

(1)

式中：Qe為靜態(tài)平衡吸附量(mg·g-1)；C0為吸附液的初始濃度(μg·mL-1)；Ce為吸附平衡時(shí)吸附液的濃度(μg·mL-1)；V為吸附液的體積(mL)；m為吸附劑的質(zhì)量(g).

1.4.2 溶脹度的測(cè)定

準(zhǔn)確稱取約0.5 g的干態(tài)復(fù)合吸附微球， 置于50 mL的去離子水中溶脹24 h后， 抽濾并用濾紙吸去微球表面的水分， 稱量， 計(jì)算溶脹度S(%).w0和w分別為微球溶脹前后的質(zhì)量(g).

S(%)=[(w-w0)/w0]×100

(2)

2 結(jié)果與討論

2.1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

對(duì)于作為重金屬吸附材料的SA/CTS復(fù)合吸附微球， 必須充分利用復(fù)合微球上的功能基團(tuán)使之與Pb2+有效結(jié)合， 提高復(fù)合微球?qū)λh(huán)境中鉛離子的吸附量， 同時(shí)要求復(fù)合微球具有良好的穩(wěn)定性， 保證可多次再生重復(fù)利用. 因此， 本實(shí)驗(yàn)以Pb2+吸附量Q( mg·g-1)來評(píng)價(jià)復(fù)合微球吸附鉛離子的能力， 其值越大越好； 用溶脹度S(%)來評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性， 其值越小越好. 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表2所示.

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

利用Design-Expert8.05b響應(yīng)面軟件對(duì)表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(吸附量Q)進(jìn)行二元回歸擬合， 得到SA/CTS復(fù)合吸附微球鉛離子吸附量(Q)的預(yù)測(cè)方程：

Q=30.78+2.89×A-0.41×B+2.40×C-0.59×A×B-1.39×A×C-0.55×B×C-1.93×A2-0.20×B2-1.62×C2

回歸模型的方差分析如表3所示. 由表3可看出， 模型的F值是11.22，P<0.005， 意味著模型是顯著的， 相關(guān)系數(shù)R2為0.935 1， 說明模型的擬合效果較好， 因此二次模型成立. 從回歸方程的F值和P值可看出， 一次項(xiàng)A、C對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響極顯著(P<0.01)， 二次項(xiàng)A2、C2對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響顯著(P<0.05)， 交互項(xiàng)AB、AC、BC對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響不顯著(P>0.05)， 說明各因素與鉛離子吸附量之間不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系， 影響產(chǎn)物吸附量的主次因素為： SA質(zhì)量分?jǐn)?shù) > CTS質(zhì)量分?jǐn)?shù) > 氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù).

表3 響應(yīng)值(吸附量Q)的二次回歸模型方差分析

利用Design-Expert8.05b響應(yīng)面軟件對(duì)表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(溶脹度S)進(jìn)行二元回歸擬合， 得到產(chǎn)物溶脹度(S)的預(yù)測(cè)方程：

S=91.91+9.81×A-0.92×B+32.09×C-3.03×A×B-6.88×A×C+3.43×B×C+1.46×A2+19.06×B2+33.97×C2

回歸模型的方差分析如表4所示. 由表4可看出， 模型的F值是14.66，P=0.000 9， 意味著模型是顯著的， 相關(guān)系數(shù)R2為0.949 6， 說明模型的擬合效果較好， 因此二次模型成立. 從回歸方程的F值和P值可看出， 一次項(xiàng)C(CTS質(zhì)量分?jǐn)?shù))， 二次項(xiàng)B2、C2對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響極顯著(P<0.01)， 一次項(xiàng)A(SA質(zhì)量分?jǐn)?shù))對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響顯著(P<0.05)， 交互項(xiàng)AB、AC、BC對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響不顯著(P>0.05)， 說明各因素與微球在水中溶脹度之間不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系， 影響產(chǎn)物吸附量的主次因素為： CTS質(zhì)量分?jǐn)?shù) > SA質(zhì)量分?jǐn)?shù) > 氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù).

綜上所述， 利用響應(yīng)面法建立的回歸模型擬合度高， 可較好地描述各因素與響應(yīng)值之間的關(guān)系.

表4 響應(yīng)值(溶脹度S)的二次回歸模型方差分析

2.2 響應(yīng)面分析

根據(jù)表3和表4作出的響應(yīng)面分析圖如圖1、 圖2所示. 從圖1(a)可知， 響應(yīng)面為開口向下的凸形曲面， SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)和CTS質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的交互作用明顯， 固定氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)， 改變SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)和CTS質(zhì)量分?jǐn)?shù)能夠確定一組最佳的SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)和CTS質(zhì)量分?jǐn)?shù). 同理從圖1(b)中可得出一組最佳的CTS質(zhì)量分?jǐn)?shù)和氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)， 且CTS質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)吸附量的影響比氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著. 由圖1(c)可得出一組最佳的SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)和氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)， 且SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響明顯大于氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù).

圖1 不同因素交互影響吸附量的響應(yīng)面曲線圖Fig.1 Response surface of interactions of different factors on adsorption capacity (Q)

由圖2(a)可看出， 響應(yīng)面為開口向下的凸形曲面， 能夠確定一組最佳的SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)和氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)， 并可看出SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響略強(qiáng)于氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù). 同理， 由圖2(b)可得出一組最佳的SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)和CTS質(zhì)量分?jǐn)?shù)， 此時(shí)CTS質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響明顯大于SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)； 由圖2(c)可得出一組最佳的CTS質(zhì)量分?jǐn)?shù)和氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)， CTS質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響同樣明顯大于氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù).

圖2 不同因素交互影響溶脹度的響應(yīng)面曲線圖Fig.2 Response surface of interactions of different factors on swelling degree

2.3 合成工藝參數(shù)的結(jié)果驗(yàn)證

綜合吸附量和溶脹度這兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)以及交互作用的影響趨勢(shì)， 利用Design-Expert8.0b軟件， 結(jié)合二次回歸分析， 得出最佳合成工藝參數(shù)為： SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.68%， CTS質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.94%， 氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.43%， 此時(shí)吸附量的預(yù)測(cè)值為31.48 mg·g-1， 水中溶脹度的預(yù)測(cè)值為93.7%. 為了驗(yàn)證響應(yīng)面法的可靠性， 在最佳合成工藝條件下平行實(shí)驗(yàn)三次， 測(cè)得吸附量為30.09 mg·g-1， 水中溶脹度為97.5%， 與預(yù)測(cè)值基本一致， 說明該方程擬合程度較好， 能夠反映實(shí)際情況， 可用于對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè).

2.4 復(fù)合吸附微球形貌

在水中溶脹后的SA/CTS復(fù)合吸附微球的體視光學(xué)顯微鏡觀察結(jié)果如圖3中(a)(b)所示， 可明顯看出復(fù)合微球?yàn)樗z狀態(tài)， 具有一定的含水量， 表面光滑， 大小均勻. 干態(tài)復(fù)合吸附微球的掃描電鏡形貌觀測(cè)結(jié)果見圖3中的(c)(d)， 可看出復(fù)合微球的表面存在不同程度的褶皺.

圖3 SA/CTS復(fù)合吸附微球的表觀形貌Fig.3 SA/CTS complex adsorbent spheres images

2.5 傅里葉紅外測(cè)試

圖4 紅外光譜圖 Fig.4 FTIR spectra

對(duì)SA/CTS復(fù)合吸附微球進(jìn)行紅外測(cè)試， 其譜圖如圖4所示. 從圖4可以看出， SA/CTS復(fù)合微球的紅外譜圖與SA較為相似， 說明復(fù)合微球的主要成分為海藻酸鹽. 譜圖中在波數(shù)947.08 cm-1處存在一個(gè)峰， 該峰為羧酸二聚物的特征吸收峰， 說明復(fù)合微球中的-COO-在復(fù)合過程中參與了靜電反應(yīng). 而對(duì)于CTS， -OH及-C-H的伸縮振動(dòng)峰分別為3 440.32 cm-1及2 875.59 cm-1， 當(dāng)CTS與SA復(fù)合后， 兩個(gè)特征吸收峰峰位移至3 445.22 cm-1及2 925.29 cm-1， 1 656.76 cm-1和1 590.66 cm-1為殼聚糖中由于脫乙?；煌耆嬖诘孽０坊奶卣魑辗? 從紅外譜圖可得出， SA/CTS復(fù)合吸附微球成分中海藻酸鹽占主體部分， SA和CTS兩種材料通過離子間的作用復(fù)合到一起.

3 結(jié)語

以SA和CTS為主要材料， 通過成球-復(fù)合-交聯(lián)的合成方法制備穩(wěn)定的SA/CTS復(fù)合吸附微球， 采用響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)考察SA/CTS復(fù)合吸附微球的制備工藝條件， 分別針對(duì)鉛離子吸附量和水中溶脹度建立二次回歸方程， 通過方差分析和響應(yīng)面分析確定主次因素， 得出最佳制備工藝參數(shù)， 即SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.68%、 CTS質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.94%、 氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.43%， 此時(shí)吸附量的預(yù)測(cè)值為31.48 mg·g-1， 水中溶脹度的預(yù)測(cè)值為93.7%， 與實(shí)測(cè)值基本一致， 說明回歸方程能夠反映并預(yù)測(cè)實(shí)際情況. 最后對(duì)制備的復(fù)合吸附微球進(jìn)行FTIR和形貌表征.

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