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試其保水性能和抗風蝕性能。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。由保水試驗和抗風蝕試驗可知，經(jīng)8 d后γ-PGA/CS凝膠仍有一定保水性能和抗風蝕能力。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累計蒸發(fā)率達到93%，使用γ-PGA/CS保水劑后8 d累計蒸發(fā)率為70%;γ-PGA/CS保水劑添加量為0.1%時，風蝕模數(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;土壤團聚體;風蝕模數(shù)

中圖分類號：S157 文獻標志碼： A 文章編號：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的—COOH基團，有很多可利用的功能[3]，如吸水性、保濕性及吸附重金屬等，同時單體谷氨酸屬于氨基酸，降解后不會造成任何污染，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[4]，故其具有較強的保水性和緩釋性，在農(nóng)業(yè)上有較大的應用潛力[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]。通過吸水倍率測試、熱重分析，研究材料結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性;通過保水試驗和抗風蝕試驗研究材料的保水性能和抗風蝕性能[10]。本研究為實現(xiàn)γ-聚谷氨酸/殼聚糖凝膠作保水固沙材料的應用提供了理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

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

供試土壤采自寧夏沙頭坡。試驗時間為2017年2—5月。

1.2 試驗方法

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，充分攪拌使殼聚糖粉末均勻地分散在γ-聚谷氨酸溶液中，再加入20 mL濃度為0.4 mol/L的乙酸溶液，整個反應體系共60 mL，反應得到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：（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對吸水倍率的影響。

在單因素試驗基礎(chǔ)上進行正交試驗。選用L9（34）正交表進行試驗，以吸水倍率為響應值，通過正交試驗確定 γ-PGA/CS 凝膠最佳的制備條件，試驗因素水平見表1，每組試驗重復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 取平行的沙樣，在土壤表面噴灑相同量的自來水，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 土壤團聚體含量 將沙土置于20 cm×35 cm淺盤內(nèi)，在其表面均勻灑上事先配制好的γ-PGA/CS凝膠（2 kg/m2），待水凝膠完全滲透后放入60 ℃鼓風烘箱內(nèi)烘干。通過篩分法測定各粒徑下團粒體占沙土總質(zhì)量的含量來評價沙土穩(wěn)定性團粒結(jié)構(gòu)[17]。

1.2.7 抗風蝕試驗 利用實驗室自制風洞進行固沙樣品耐風蝕性能的測定。每次試驗前先稱量固沙樣品質(zhì)量計為m1（g），根據(jù)風蝕情況控制風蝕時間在3～10 min。試驗結(jié)束后再次稱量樣品質(zhì)量計為m2（g），風蝕時間計為t（min），根據(jù)公式（2）計算樣品風蝕模數(shù)[g/（m2·min）]。