殼聚糖基復(fù)合膜的合成及對蛋白質(zhì)吸附能力的對比研究

劉佳鑫，湯琦龍，趙珺*，劉夢林，李瑞雪

長春大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院（長春 130022）

民以食為天，近年來食品工業(yè)迅速發(fā)展，隨之而來的食品加工廢水排放量也日益加大，例如生產(chǎn)加工豆制品時會排放大量高濃度有機廢水，馬鈴薯加工淀粉過程中同樣也會產(chǎn)生大量有機廢水，這類廢水中含有大量蛋白質(zhì)，長期排放會造成水體污染和富營養(yǎng)化等，而且食品廢水中的蛋白質(zhì)還能為許多藻類和浮游類生物提供生長能源，引起藻類大量繁殖，水體溶氧量下降，水質(zhì)惡化，導(dǎo)致魚類和其他水中生物大量死亡[1-3]。目前，去除食品加工廢水中蛋白質(zhì)的常用方法有蒙脫土吸附法、等電點沉淀法、自然沉淀法、泡沫分離法、超濾法等[4-5]，但這些方法存在操作復(fù)雜、成本高、處理效率低、耗時長等問題。由于殼聚糖具有吸附作用且不會造成二次污染，近年來，常被用于處理含陰離子[6]、蛋白質(zhì)、染料和重金屬離子[7-10]等生活和工業(yè)廢水。

殼聚糖是一種天然的生物高分子聚合物，由甲殼素脫乙?；a(chǎn)生，在自然界大量存在，具有天然、無毒、易溶于水、對人體健康和自然環(huán)境無損害等特性[11-13]。在水處理中對蛋白質(zhì)等有機物有很強的絮凝作用，可用來回收食品加工廢水中的蛋白質(zhì)，但殼聚糖的抗水性差，用它制成的膜在酸性溶劑中很容易被溶解[14]；可溶性淀粉空間構(gòu)象卷曲成螺旋形，具有近似纖維的性能，用它制成的薄膜，具有良好的透明度、柔韌性、抗張強度和水不溶性；竣甲基纖維素是纖維素通過羧甲基化改性后的產(chǎn)物，具有良好的成膜性、生物降解性和低毒性等特點，且親水性強，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能很好地增強復(fù)合膜性能[15-16]。

殼聚糖、淀粉和羧甲基纖維素安全、無毒，在水處理過程中對環(huán)境無污染，因此分別將可溶性淀粉和羧甲基纖維素交聯(lián)至殼聚糖分子鏈上，得到殼聚糖/淀粉復(fù)合膜和殼聚糖/羧甲基纖維素復(fù)合膜，用以處理廢水中的蛋白質(zhì)，以降低廢水中蛋白質(zhì)的含量，使水資源得到凈化，綜合開發(fā)利用，實現(xiàn)環(huán)境經(jīng)濟雙贏[17]。

1 材料和方法

1.1 主要材料與試劑

可溶性淀粉，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司；羧甲基纖維素鈉，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；殼聚糖（脫乙酰度80.0%～95.0%），國藥集團化學(xué)試劑有限公司；戊二醛，天津市光復(fù)精細化工研究所；丙三醇、檸檬酸，北京化工廠；牛血清白蛋白，美倫生物；蒸餾水、氫氧化鈉、丙三醇、檸檬酸，均為分析純。

1.2 主要設(shè)備與儀器

HH-ZK1恒溫水浴鍋（鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司）；AM-3250A磁力攪拌恒溫器（上海碩光電子科技有限公司）；JJ-1BA攪拌器（常州潤華電器有限公司）；GFL-230鼓風(fēng)干燥箱（天津市萊玻特瑞儀器設(shè)備有限公司）；AUW120電子天平（日本島津儀器有限責(zé)任公司）；JW-1048低速離心機（安徽嘉文儀器裝備有限公司）；NTS-4000B恒溫震蕩水槽（日本東京理化械株式會社）；Nicolet iS5傅里葉紅外光譜儀（日本島津儀器有限責(zé)任公司）；PHS-3C pH計（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司）；JSM-6510LA掃描電鏡（日本電子株式會社）。

1.3 試驗方法

1.3.1 殼聚糖基復(fù)合膜的制備

稱取2份0.6 g殼聚糖分別溶解于20 mL 2%乙酸溶液中，再分別稱取不同質(zhì)量的淀粉和羧甲基纖維素鈉分別溶于20 mL蒸餾水中，待完全溶解后，分別將兩種溶液倒入燒杯中混勻，再向燒杯中緩慢滴加0.1 g甘油，放入水浴磁力攪拌鍋中，在一定溫度下攪拌10 min，再緩慢滴加2 mL 0.25%的戊二醛溶液，恒溫攪拌1 h，待反應(yīng)結(jié)束后離心，取25 g上清液，采用流延法鋪平，放入50 ℃烘箱中烘至恒重，然后將所得的膜用30 mL一定濃度的氫氧化鈉溶液浸泡1 h，浸泡完用蒸餾水沖洗干凈，放入50 ℃烘箱恒溫烘干[18-19]，即得殼聚糖/淀粉復(fù)合膜和殼聚糖/羧甲基纖維素復(fù)合膜。

1.3.2 FT-IR表征

分別將殼聚糖膜、殼聚糖/淀粉復(fù)合膜和殼聚糖/羧甲基纖維素復(fù)合膜分別剪成細小的片狀，加入溴化鉀、研磨、制片，放于紅外掃描槽內(nèi)進行掃描[20]。

1.3.3 SEM表征

分別將殼聚糖膜、殼聚糖/淀粉復(fù)合膜和殼聚糖/羧甲基纖維素復(fù)合膜進行噴金處理，在1 000倍放大倍數(shù)下觀察其形貌[21]。

1.3.4 拉伸強度的測定

選擇平整、無破損、整潔的殼聚糖膜、殼聚糖/淀粉復(fù)合膜樣品和殼聚糖/羧甲基纖維素復(fù)合膜，裁成長30 mm、寬10 mm的長條狀，用質(zhì)構(gòu)儀夾持探頭平整垂直地固定夾緊膜樣品。參數(shù)設(shè)置：返回距離60 mm，速度300 mm/min，觸發(fā)力5 N，有效拉伸距離80 mm。當(dāng)膜試樣條中間斷裂時，記錄最大拉力。每個膜樣品做平行測定3次，最終取其平均值[22]。拉伸強度按式（1）計算。

式中：Ts為拉伸強度，MPa；F為斷裂時最大拉力，N；S為試樣的截面積（寬度×厚度），m2。

1.3.5 溶脹度的測定

取干燥后的膜樣品，剪成30 mm×10 mm的長條狀，稱定膜的質(zhì)量M，然后在去離子水中浸泡24 h，使其充分溶脹，然后用濾紙快速地吸除膜樣品表面的水分，稱定膜的質(zhì)量M0，平行測量3次，取其算術(shù)平均值[23]。溶脹度（Sd）按式（2）計算。

1.3.6 吸附對比試驗

1.3.6.1 蛋白質(zhì)標準曲線的制作

采用考馬斯亮藍法測定廢水中蛋白質(zhì)的質(zhì)量濃度，首先繪制標準曲線如圖1所示。

圖1 蛋白質(zhì)標準曲線

1.3.6.2 吸附量和吸附率的測定

將進行吸附操作的蛋白溶液在100 r/min轉(zhuǎn)速下25 ℃恒溫振蕩2 h，離心并取上清液測定吸光度，通過蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度標準曲線方程計算上清液的質(zhì)量濃度Ct值，并按式（3）和（4）計算蛋白質(zhì)的吸附率和吸附量。

式中：C0為蛋白初始質(zhì)量濃度，μg·mL-1；Ct為恒溫振蕩2 h后蛋白質(zhì)量濃度，μg·mL-1；V為蛋白質(zhì)溶液的體積，mL；m為吸附時所用復(fù)合膜的質(zhì)量，g。

對比研究最佳制備條件下殼聚糖/淀粉復(fù)合膜和殼聚糖/羧甲基纖維素復(fù)合膜對蛋白質(zhì)吸附效率。

2 結(jié)果與分析

2.1 FT-IR結(jié)果與分析

采用FT-IR對殼聚糖膜、殼聚糖/淀粉復(fù)合膜和殼聚糖/羧甲基纖維素復(fù)合膜進行結(jié)構(gòu)表征，其結(jié)果如圖2所示。

圖2 殼聚糖膜、殼聚糖/淀粉復(fù)合膜和殼聚糖/羧甲基纖維素復(fù)合膜FT-IR圖

由圖2可知，a圖中3 448 cm-1是殼聚糖膜的—OH的伸縮振動吸收峰，2 918 cm-1和2 862 cm-1處是殼聚糖膜的—CH3和—CH的伸縮振動峰，1 634 cm-1是CO—NH—振動峰；3 423 cm-1是殼聚糖/淀粉復(fù)合膜的—OH的伸縮振動吸收峰，2 918 cm-1和2 830 cm-1處是殼聚糖/淀粉復(fù)合膜的—CH3和—CH的伸縮振動峰。此外，殼聚糖/淀粉復(fù)合膜在1 626 cm-1處CO—NH—振動峰比殼聚糖膜在該波數(shù)附近的振動峰更強，這是由于復(fù)合膜中淀粉和殼聚糖均在該波數(shù)附近存在此振動峰，殼聚糖與淀粉之間強烈的相互作用使溶液中的分子發(fā)生重排，并使各組分之間有更好的相容性，因此可推斷合成了殼聚糖/淀粉復(fù)合膜。b圖中，殼聚糖膜和殼聚糖/羧甲基纖維素復(fù)合膜的紅外吸收光譜圖大體相似，3 448 cm-1是殼聚糖膜的—OH的伸縮振動吸收峰，2 918 cm-1和2 862 cm-1處是殼聚糖膜的—CH3和—CH的伸縮振動峰，1 634 cm-1是CO—NH—振動峰；殼聚糖/羧甲基纖維素復(fù)合膜對應(yīng)的特征吸收峰向低波數(shù)發(fā)生了不同程度的偏移，3 432 cm-1是殼聚糖/羧甲基纖維素復(fù)合膜的—OH的伸縮振動吸收峰，2 902 cm-1和2 854 cm-1處是殼聚糖/纖維素復(fù)合膜的—CH3和—CH的伸縮振動峰，1 626 cm-1是CO—NH—振動峰，這是因為殼聚糖和羧甲基纖維素分子間生成氫鍵，產(chǎn)生了強烈的相互作用，因此可推斷合成了殼聚糖/羧甲基纖維素復(fù)合膜。

2.2 SEM結(jié)果與分析

采用SEM對殼聚糖膜、殼聚糖/淀粉復(fù)合膜和殼聚糖/羧甲基纖維素復(fù)合膜進行樣品形貌的分析，其結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，a為殼聚糖膜，表面光滑較少褶皺；b為殼聚糖/淀粉復(fù)合膜，其表面較殼聚糖膜粗糙，并附有多顆粒狀淀粉，說明淀粉顆粒復(fù)合到殼聚糖膜表面合成了殼聚糖/淀粉復(fù)合膜；c為殼聚糖/羧甲基纖維素復(fù)合膜，表面粗糙細密，比表面積大，說明羧甲基纖維素附著在殼聚糖膜表面，并有利于吸附。

圖3 殼聚糖膜、殼聚糖/淀粉復(fù)合膜和殼聚糖/羧甲基纖維素復(fù)合膜SEM圖

2.3 拉伸強度結(jié)果與分析

如表1和圖4所示，殼聚糖膜的拉伸強度為2 179.49 MPa、殼聚糖/淀粉復(fù)合膜為1 824.43 MPa、殼聚糖/羧甲基纖維素復(fù)合膜為3 490.14 MPa。這是因為加入淀粉后，其羥基與殼聚糖的基團相互作用，從而減少了殼聚糖分子間的氫鍵，使得殼聚糖分子結(jié)構(gòu)排列雜亂無序，降低了殼聚糖/淀粉復(fù)合膜的拉伸強度，但無序的結(jié)構(gòu)使得復(fù)合膜具有更多孔隙，增加了殼聚糖/淀粉復(fù)合膜的吸附能力；而殼聚糖/羧甲基纖維素復(fù)合膜的拉伸強度大于殼聚糖膜這是因為羧甲基纖維素同殼聚糖一樣具有成膜性并且自身具有穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此同殼聚糖復(fù)合后會增加膜的拉伸強度，這將增加在廢水處理過程時膜的耐受程度。

圖4 殼聚糖膜、殼聚糖/淀粉復(fù)合膜和殼聚糖/羧甲基纖維素復(fù)合膜拉伸強度對比圖

表1 殼聚糖膜、殼聚糖/淀粉復(fù)合膜和殼聚糖/羧甲基纖維素復(fù)合膜的拉伸強度基本數(shù)據(jù)

2.4 溶脹度

由表2可以看出殼聚糖/淀粉復(fù)合膜和殼聚糖/羧甲基纖維素復(fù)合膜的溶脹度低于殼聚糖膜的溶脹度，這是由于交聯(lián)劑戊二醛、淀粉和纖維素的引入，使殼聚糖/淀粉復(fù)合膜和殼聚糖/羧甲基纖維素復(fù)合膜交聯(lián)度增大，溶脹平衡作用提高，增強了復(fù)合膜的穩(wěn)定性，方便了復(fù)合膜在吸附后的回收再利用。

表2 殼聚糖膜、殼聚糖/淀粉復(fù)合膜的溶脹度

2.5 殼聚糖/淀粉復(fù)合膜和殼聚糖/羧甲基纖維素復(fù)合膜對蛋白質(zhì)的吸附能力

根據(jù)試驗可知：當(dāng)殼聚糖與淀粉質(zhì)量比為3∶5、制備溫度為40 ℃、浸泡膜的NaOH濃度為4%、蛋白樣液稀釋倍數(shù)為1.0倍、廢水pH為9時，所得到復(fù)合膜對蛋白質(zhì)吸附率和吸附量達到最大；當(dāng)殼聚糖與羧甲基纖維素質(zhì)量比為3∶4、溫度為50 ℃、NaOH為濃度4%、稀釋倍數(shù)為2倍、pH為4時，所得到復(fù)合膜對蛋白的吸附率與吸附量最大。如圖5所示，在最佳條件下殼聚糖/淀粉復(fù)合膜對蛋白質(zhì)吸附率和吸附量分別為46.04%和9.56 mg/g，殼聚糖/羧甲基纖維素復(fù)合膜對蛋白質(zhì)吸附率和吸附量分別為26%和2.81 mg/g，這是由于殼聚糖和淀粉對廢水中蛋白質(zhì)起協(xié)同作用，增強了吸附效率，但羧甲基纖維素呈負電性，殼聚糖在弱酸性條件下成正電性，對于大多數(shù)呈現(xiàn)負電性的蛋白質(zhì)廢水吸附效率減弱，因此殼聚糖/淀粉復(fù)合膜對蛋白質(zhì)吸效率要高于殼聚糖/羧甲基纖維素復(fù)合膜。

圖5 殼聚糖膜、殼聚糖/淀粉復(fù)合膜和殼聚糖/羧甲基纖維素復(fù)合膜吸附能力對比圖

3 結(jié)論與討論

通過FT-IR和SEM表征得出殼聚糖同淀粉和羧甲基纖維素分別合成了殼聚糖/淀粉復(fù)合膜和殼聚糖/羧甲基纖維素復(fù)合膜。對膜樣品進行拉伸性能、溶脹度測試，其結(jié)果較單一殼聚糖膜具有更高穩(wěn)定性，利于吸附后回收。在最佳條件下殼聚糖/淀粉復(fù)合膜和殼聚糖/羧甲基纖維素復(fù)合膜對蛋白質(zhì)進行吸附效率對比，得出殼聚糖/淀粉復(fù)合膜對蛋白質(zhì)的吸附效率高于殼聚糖/羧甲基纖維素復(fù)合膜。由于殼聚糖、淀粉和羧甲基纖維素安全無毒，用來處理廢水不會對環(huán)境造成二次污染，因此對含蛋白食品工業(yè)廢水的處理具有極其重要的現(xiàn)實意義。