γ-聚谷氨酸/殼聚糖凝膠制備優(yōu)化及保水固沙性能

桑娜 汪建英 孫雨

摘要：以γ-聚谷氨酸（γ-PGA）和殼聚糖（CS）為原料制備一種用作保水固沙材料的凝膠，利用熱重分析研究結(jié)構(gòu)變化，以寧夏沙頭坡沙土為材料測(cè)試其保水性能和抗風(fēng)蝕性能。結(jié)果表明，最佳制備工藝為：γ-PGA與CS的添加比例為20 ∶ 80，其添加總量為3.0 g，乙酸濃度0.4 mol/L，乙酸添加量20 mL，此條件下吸水倍率為50.89±0.23。熱重分析表明，γ-PGA和CS間發(fā)生了相互作用。由保水試驗(yàn)和抗風(fēng)蝕試驗(yàn)可知，經(jīng)8 d后γ-PGA/CS凝膠仍有一定保水性能和抗風(fēng)蝕能力。使用γ-PGA/CS保水劑后土壤中水分蒸發(fā)速率明顯降低，空白組15 d累計(jì)蒸發(fā)率達(dá)到93%，使用γ-PGA/CS保水劑后8 d累計(jì)蒸發(fā)率為70%;γ-PGA/CS保水劑添加量為0.1%時(shí)，風(fēng)蝕模數(shù)從 35.6 g/（m2·min） 降低至27.3 g/（m2·min），固化層厚度為1.5 cm;使用γ-PGA/CS保水劑后土壤顆粒中>0.25 mm 團(tuán)聚體含量增加13.7%。

關(guān)鍵詞：γ-聚谷氨酸;殼聚糖;吸水倍率;土壤水分蒸發(fā)率;土壤團(tuán)聚體;風(fēng)蝕模數(shù)

中圖分類號(hào)：S157 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2019）01-0251-04

γ-聚谷氨酸（poly γ-glutamic acid，γ-PGA）是以枯草芽孢桿菌或地衣芽孢桿菌通過(guò)發(fā)酵技術(shù)制備的一種高分子化合物[1]，是由 L-谷氨酸、D-谷氨酸單體通過(guò)酰胺鍵聚合而成的一種多肽分子[2]，其分子鏈中有活性很強(qiáng)的—COOH基團(tuán)，有很多可利用的功能[3]，如吸水性、保濕性及吸附重金屬等，同時(shí)單體谷氨酸屬于氨基酸，降解后不會(huì)造成任何污染，是環(huán)境友好型材料。γ-聚谷氨酸由于含有較多的羧基和活性基團(tuán)[4]，故其具有較強(qiáng)的保水性和緩釋性，在農(nóng)業(yè)上有較大的應(yīng)用潛力[5]。

殼聚糖（chitosan，CS）側(cè)鏈含有氨基，酸性條件下氨基質(zhì)子化使其成為一種正電性的聚合物[6]。γ-聚谷氨酸由于其側(cè)鏈羧基的存在，是一種陰離子聚合物[7]。利用靜電相互作用，可以制備γ-聚谷氨酸/殼聚糖凝膠（γ-PGA/CS凝膠）。具有生物來(lái)源 γ-聚谷氨酸和殼聚糖制備的保水劑，相比于人工合成的高分子材料如聚丙烯酸等，具有更好的生物相容性，作為保水固沙材料更具環(huán)境友好性[8]。

本研究以γ-聚谷氨酸和殼聚糖為原材料制備一種可用于作保水固沙材料的凝膠[9]。通過(guò)吸水倍率測(cè)試、熱重分析，研究材料結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性;通過(guò)保水試驗(yàn)和抗風(fēng)蝕試驗(yàn)研究材料的保水性能和抗風(fēng)蝕性能[10]。本研究為實(shí)現(xiàn)γ-聚谷氨酸/殼聚糖凝膠作保水固沙材料的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

γ-聚谷氨酸（γ-PGA），購(gòu)自北洋百川生物技術(shù)有限公司;殼聚糖（CS），購(gòu)自河南金誠(chéng)生物科技有限公司;冰乙酸，購(gòu)自博歐特（天津）化工貿(mào)易有限公司。TGA-Q50熱重分析儀，購(gòu)自美國(guó)TA公司;磁力攪拌器，購(gòu)自天津市歐諾儀器表有限公司。

供試土壤采自寧夏沙頭坡。試驗(yàn)時(shí)間為2017年2—5月。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 γ-PGA/CS凝膠制備 稱取0.4 g γ-PGA粉末溶于蒸餾水中，攪拌均勻后加入1.6 g殼聚糖粉末，充分?jǐn)嚢枋箽ぞ厶欠勰┚鶆虻胤稚⒃讦?聚谷氨酸溶液中，再加入20 mL濃度為0.4 mol/L的乙酸溶液，整個(gè)反應(yīng)體系共60 mL，反應(yīng)得到γ-PGA/CS凝膠，去離子水多次洗滌至中性，真空干燥箱干燥材料，粉碎成粉末狀[11]。

1.2.2 吸水倍率的測(cè)定 稱取一定質(zhì)量的干凝膠，將其置于去離子水中，室溫溶脹至平衡（5 h）。吸水倍率結(jié)果按公式（1）計(jì)算[12-13]。

吸水倍率=（m-m0）/m0。

1.2.3 γ-PGA/CS凝膠制備工藝條件的優(yōu)化 單因素試驗(yàn)：（1）γ-PGA與CS的添加比例。分析γ-PGA與CS的添加比例分別為0 ∶ 100、5 ∶ 95、15 ∶ 85、20 ∶ 80、30 ∶ 70、50 ∶ 50對(duì)吸水倍率的影響。（2）γ-PGA與CS的添加總量。分析添加總量分別為0.6、1.2、2.4、3.0、3.6、4.8 g對(duì)吸水倍率的影響。（3）乙酸濃度。分析乙酸濃度分別為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 mol/L 對(duì)吸水倍率的影響。（4）乙酸添加量。分析分別添加乙酸20、30、40、50、60 mL對(duì)吸水倍率的影響。

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行正交試驗(yàn)。選用L9（34）正交表進(jìn)行試驗(yàn)，以吸水倍率為響應(yīng)值，通過(guò)正交試驗(yàn)確定 γ-PGA/CS 凝膠最佳的制備條件，試驗(yàn)因素水平見表1，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.2.4 熱重分析（TGA） 利用TGA-Q50熱重分析儀[14]。

1.2.5 保水性能試驗(yàn) 取平行的沙樣，在土壤表面噴灑相同量的自來(lái)水，將土壤水含量調(diào)節(jié)至土壤飽和含水率，然后施用保水劑，施加量選定為2 kg/m2，記錄樣品質(zhì)量;然后置于相同的環(huán)境條件（40 ℃放置6 h，20 ℃放置18 h，空氣濕度20%）下，每隔24 h稱質(zhì)量，計(jì)算每天水分蒸發(fā)量并繪制出土壤水分蒸發(fā)率曲線 [15-16]。

1.2.6 土壤團(tuán)聚體含量 將沙土置于20 cm×35 cm淺盤內(nèi)，在其表面均勻?yàn)⑸鲜孪扰渲坪玫摩?PGA/CS凝膠（2 kg/m2），待水凝膠完全滲透后放入60 ℃鼓風(fēng)烘箱內(nèi)烘干。通過(guò)篩分法測(cè)定各粒徑下團(tuán)粒體占沙土總質(zhì)量的含量來(lái)評(píng)價(jià)沙土穩(wěn)定性團(tuán)粒結(jié)構(gòu)[17]。

1.2.7 抗風(fēng)蝕試驗(yàn) 利用實(shí)驗(yàn)室自制風(fēng)洞進(jìn)行固沙樣品耐風(fēng)蝕性能的測(cè)定。每次試驗(yàn)前先稱量固沙樣品質(zhì)量計(jì)為m1（g），根據(jù)風(fēng)蝕情況控制風(fēng)蝕時(shí)間在3～10 min。試驗(yàn)結(jié)束后再次稱量樣品質(zhì)量計(jì)為m2（g），風(fēng)蝕時(shí)間計(jì)為t（min），根據(jù)公式（2）計(jì)算樣品風(fēng)蝕模數(shù)[g/（m2·min）]。