殼聚糖基復合膜的制備及其對蛋白質的吸附

劉佳鑫，張莉弘，傅晶依，丁修慶，王思琪，趙珺*

長春大學食品科學與工程學院（長春 130022）

豆腐是我國常見的傳統食品，它含有豐富的蛋白質、維生素和礦物質等營養物質，是人們餐桌上必不可少的食物[1]，但在生產過程中會產生大量的廢水，其中蛋白被凝固劑凝結成固體豆腐時，過濾出來的廢水便是我們熟知的黃漿水[2]。通常人們將黃漿水直接排放到下水道里，由于黃漿水中含有一定量的蛋白質，長期排放易造成水體富營養化，污染水質，對水生動植物危害極大[3-4]。目前，去除廢水中蛋白質的方法有泡沫分離法[5]、等電點沉淀法[6]和超濾法[7]等，但這些方法存在操作復雜、設備價格昂貴、能耗較高和易造成環境污染等問題。而吸附法因其操作簡單、成本低、可重復利用，近年來常被應用在處理食品工業廢水中[8]。

CTS是唯一一種天然的堿性多糖[9]，在自然界中大量存在，且具有無毒、可生物降解、成膜性等特點[10]，并對蛋白質有一定的絮凝作用[11]。但CTS在酸溶液中不穩定，易溶解[9]，對CTS進行改性處理能較好地提高CTS吸附材料的穩定性。β-CD具有特殊的內疏水外親水空腔結構，能包絡大小合適的有機物[12]，將蛋白質從水溶液體系中提取出來，從而降低廢水中蛋白質的含量，但β-CD具有高水溶性且無成膜性的特點[13]，因此將β-CD交聯至CTS分子鏈上，可制備出性能穩定、機械強度高、操作簡單、安全無毒、吸附后易分離的CTS/β-CD復合膜，用于處理黃漿水中蛋白質，以提高吸附效率、降低蛋白質的含量。

此次試驗采用流延法，通過交聯劑戊二醛，將CTS與β-CD進行交聯，制備出CTS/β-CD復合膜；對CTS/β-CD復合膜進行FT-IR、SEM表征，對溶脹度、透射率等基本性能的測定，并以黃漿水中蛋白質吸附量為考察指標，優化不同制備條件和吸附條件下CTS/β-CD復合膜對蛋白質的吸附量，根據最優吸附量篩選出最佳制備條件和吸附條件。

1 材料和方法

1.1 主要材料與試劑

黃漿水（豆腐坊）；β-CD（上海惠世生化試劑有限公司）；CTS（脫乙酰度80.0%～95.0%，國藥集團化學試劑有限公司）；戊二醛、蒸餾水、冰乙酸、甘油、NaOH、乙醇、檸檬酸、考馬斯亮藍（北京化工廠）。

1.2 主要設備與儀器

AM-3250A型磁力攪拌恒溫器（上海碩光電子科技有限公司）；HH-ZK1型恒溫水浴鍋（鞏義市予華儀器有限責任公司）；GZX-9070MBE型電熱鼓風干燥箱（上海博迅實業有限公司醫療設備廠）；AUW120型電子天平（日本島津儀器有限責任公司）；PHS-3C型pH劑（上海儀電科學儀器股份有限公司）；TDL-50B型低速離心機（上海安亭科學儀器廠）；NTS-4000B型恒溫振蕩水槽（日本東京理化械株式會社）；Nicolet iS5型傅里葉紅外光譜儀（日本島津儀器有限責任公司）；JSM-6510LA掃描電鏡（日本電子株式會社）；JJ-1BA型攪拌器（常州潤華電器有限公司）；UV-2700紫外可見分光光度計（島津儀器有限公司）。

1.2.1 CTS/β-CD復合膜的制備

稱取CTS溶于乙酸溶液中，緩慢滴加0.1 g甘油，恒溫攪拌10 min后，滴加0.25%戊二醛溶液，稱取β-CD溶于蒸餾水中，將兩種溶液倒入燒杯中混勻，恒溫攪拌，制得CTS/β-CD鑄膜液。待反應結束后離心，采用流延法將CTS/β-CD鑄膜液平鋪在平板上，于50 ℃烘干，揭膜后放入NaOH溶液中浸泡1 h，烘干，揭膜，制得CTS/β-CD復合膜[14]。

1.2.2 FT-IR表征

將CTS膜和CTS/β-CD復合膜經溴化鉀壓片，用FT-IR儀進行測定[15]。掃描范圍為4 000～500 cm-1，分析各物質紅外光譜，以判斷樣品表面基團的變化。

1.2.3 SEM表征

將CTS膜和CTS/β-CD復合膜放在銅臺上噴金，在加速電壓5.0 kV、電流10 mA的條件下進行形貌觀察[16]。

1.2.4 樣品基本性能的測定

1) 溶脹度的測定[17]：裁取1 cm×1 cm CTS/β-CD復合膜，稱定此膜的質量，然后浸入去離子水中24 h使其充分溶脹，用濾紙快速地吸去膜樣品表面水分，稱定膜的質量。試驗平行測3次，取平均值。溶脹度按式（1）計算。

式中：Sd為溶脹度；Mw為膜樣品濕質量，g；Md為膜樣品干質量，g。

2) 透射率的測定[17]：采用紫外分光光度計進行掃描，測定膜樣品透射率。

1.2.5 吸附試驗

1) 蛋白質質量濃度的計算：采用考馬斯亮藍法測定廢水中蛋白質含量，首先配置500 μg/mL牛血清白蛋白標準溶液，分別稀釋至0，50，100，150，200和250 μg/mL蛋白質標準溶液，再放入到6支試管中，分別向每支試管中加入5 mL考馬斯亮藍，測其吸光度，繪制蛋白質標準曲線，如圖1所示。

圖1 蛋白質標準曲線

2) 吸附試驗：稱取0.2 g CTS/β-CD復合膜，分別加入到20 mL黃漿水溶液中，置于恒溫振蕩箱中，在溫度25 ℃、時間2 h、轉速100 r/min的條件下進行吸附試驗，離心后取上層清液，用紫外分光光度計測定質量濃度，按式（2）計算其吸附量。

式中：R為蛋白質吸附量，mg/g；C0為蛋白質初始質量濃度，μg/mL；Ct為吸附后蛋白質質量濃度，μg/mL；V為蛋白質溶液的體積mL；m為吸附時所用CTS/β-CD復合膜的質量，g。

1.2.6 CTS/β-CD復合膜制備條件優化

CTS/β-CD復合膜對蛋白質吸附量的多少取決于復合膜制備時的質量比、反應溫度、NaOH質量分數等因素。此次試驗對這些因素進行研究討論，以篩選出對蛋白質吸附量最高的CTS/β-CD復合膜制備條件，制備條件如表1所示。

表1 CTS/β-CD復合膜制備條件優化單因素試驗設計表

1.2.7 CTS/β-CD復合膜吸附條件優化

CTS/β-CD復合膜對蛋白質吸附量的多少還取決于吸附時黃漿水的pH和對黃漿水的稀釋倍數等因素，因此對吸附條件中這兩種因素進行試驗討論，以篩選出對蛋白質吸附量最高的吸附條件，其吸附條件如表2所示。

表2 CTS/β-CD復合膜吸附條件優化單因素試驗設計表

2 結果與分析

2.1 FT-IR結果與分析

如圖2所示，3 448 cm-1是CTS膜的—OH的伸縮振動吸收峰，2 918和2 862 cm-1處是CTS膜的—CH3和—CH的伸縮振動峰，1 634和1 580 cm-1是—H變形和N—H彎曲振動峰；同樣在CTS/β-CD復合膜中，3 420 cm-1是—OH的伸縮振動吸收峰，2 918和2 853 cm-1處是—CH3和—CH的伸縮振動峰，1 641和1 583 cm-1是N—H變形和N—H彎曲振動峰，而CTS/β-CD膜在1 741 cm-1處形成了席夫堿峰，此峰的形成可以說明殼聚糖的氨基和戊二醛發生了席夫堿反應，CTS/β-CD復合膜在合成過程中發生了交聯反應。

圖2 CTS膜和CTS/β-CD復合膜FT-IR圖

2.2 SEM結果與分析

由圖3可知，CTS膜表面較光滑、平整，無孔狀結構，CTS/β-CD膜表面結構與CTS膜相比，膜表面的光滑度稍有下降，表面有β-CD微粒，因此說明CTS膜表面附有β-CD。

圖3 CTS膜和CTS/β-CD復合膜SEM圖

2.3 溶脹度的結果與分析

由表3可知，CTS/β-CD復合膜的溶脹度為54.97%，CTS膜的溶脹度為71.20%，CTS/β-CD復合膜的溶脹度低于CTS膜的溶脹度，這是由于交聯劑戊二醛、β-CD的引入，使復合膜交聯度增大、溶脹平衡作用提高，故復合膜的溶脹度降低，穩定性增強，在廢水處理過程中膜性能更加穩定。

表3 CTS膜和CTS/β-CD復合膜溶脹度

2.4 透射率的結果與分析

由圖4可知，CTS/β-CD復合膜的透射率低于CTS膜的透射率，這是由于CTS/β-CD復合膜表面粗糙，帶有β-CD微粒，對光有一定的散射、反射、吸收等作用。這與CTS膜和CTS/β-CD復合膜SEM分析一致，進一步證明CTS/β-CD復合膜表面帶有β-CD微粒。

圖4 CTS膜和CTS/β-CD復合膜透射率

2.5 CTS/β-CD復合膜制備條件對蛋白質吸附量的影響

2.5.1 質量比對蛋白質吸附量的影響

由圖5可知，蛋白質吸附量隨著β-CD與CTS質量比的增加而不斷上升，當質量比達到1∶1時，蛋白質吸附量達到最高（1.139 mg/g）；之后隨著β-CD與CTS質量比的增大，吸附量逐漸減小。這是因為隨著質量比的不斷增加，CTS/β-CD復合膜中不斷增多的CTS會結合更多的蛋白質，但達到一定質量比后，過量的CTS會與交聯劑反應，占據氨基活性位點，導致吸附量下降。由此確定，β-CD與CTS質量比1∶1時制得的復合膜對蛋白質吸附量最高。

2.5.2 反應溫度對蛋白質吸附量的影響

由圖6可知，蛋白質吸附量隨著反應溫度升高而增加，當反應溫度達到45 ℃時，吸附量達到最高（4.046 mg/g），這是因為隨著溫度的升高，CTS和β-CD在戊二醛交聯下反應會更加完全，吸附量逐漸升高，但溫度過高會使CTS分子鏈發生斷裂，CTS/β-CD復合膜易脆，導致其對蛋白質的吸附量下降。由此確定，復合膜最佳制備反應溫度為50 ℃。

圖5 質量比對蛋白質吸附量的影響

圖6 反應溫度對蛋白質吸附量的影響

2.5.3 NaOH質量分數對蛋白質吸附率的影響

由圖7可知，蛋白質吸附量隨著NaOH質量分數的不斷增加而逐漸上升，當NaOH質量分數達到4%時，蛋白質吸附量達到最高（4.406 mg/g），這是因為增加NaOH質量分數能更好地結合復合膜上的乙酸，使復合膜在吸附過程中不易溶解，但高質量分數的NaOH會造成膜表面和內部結構差異大，膜增硬、發脆，導致吸附量下降。由此確定，最佳NaOH質量分數為4%。

圖7 NaOH質量分數對蛋白質的影響

由單因素試驗可知，當質量比為1∶1，反應溫度為45 ℃，NaOH質量分數為4%時，所制備的CTS/β-CD復合膜對黃漿水中蛋白質吸附量達到最佳，為4.406 mg/g。

2.6 CTS/β-CD復合膜吸附條件對蛋白質吸附量的影響

2.6.1 pH對蛋白質吸附量的影響

由圖8可知，蛋白質吸附量隨著pH的升高而逐漸增加，當pH達到5時，蛋白質吸附量最高（4.406 mg/g），這是因為隨著pH的升高，殼聚糖分子中氨基在弱酸性條件下容易發生質子化，呈現陽離子型電解質，復合膜表面帶有較多正電荷，可有效吸附水中帶負電的蛋白質膠粒，但pH超過5時溶液逐漸為堿性，正電荷數量減少，導致吸附量下降。由此確定，最佳吸附條件pH為5。

圖8 pH對蛋白質的影響

2.6.2 稀釋倍數對蛋白質吸附量的影響

由圖9可知，蛋白質吸附量隨著稀釋倍數的增加而逐漸上升，當稀釋倍數為1時，蛋白質吸附量達到最高（4.406 mg/g），這是因為隨著稀釋倍數的不斷增加，復合膜上的基團能與黃漿水中的蛋白質完全吸附，但過高的稀釋倍數使溶液中蛋白質濃度降低，導致吸附量下降。由此確定，最佳稀釋倍數為1。

圖9 稀釋倍數對蛋白質的影響

由單因素試驗可知，當pH為5，稀釋倍數為1時，CTS/β-CD復合膜對蛋白質吸附量達到最佳，為4.406 mg/g。

3 結論與討論

CTS/β-CD復合膜FT-IR中席夫堿峰的出現和SEM的表面帶有β-CD，說明合成了CTS/β-CD復合膜；CTS膜的溶脹度低于CTS/β-CD復合膜的溶脹度，說明CTS/β-CD復合膜在水處理過程中比CTS膜更加穩定；CTS膜的透射率低于CTS/β-CD復合膜的透射率，進一步證明復合膜表面粗糙并帶有β-CD微粒。

以蛋白質吸附量為考察指標，優化CTS/β-CD復合膜的制備和吸附條件，當質量比為1∶1，反應溫度為45 ℃，NaOH質量分數為4%，pH為5，稀釋倍數為1時，CTS/β-CD復合膜對黃漿水中蛋白質吸附量達到最佳，為4.406 mg/g。試驗證明CTS/β-CD復合膜對黃漿水蛋白質有較好的吸附效果。