磁性大孔樹脂對血紅素吸附性能研究*

王 磊，孫 月，胡 宇，紀(jì)登杰，陳 麗

(1 江蘇海洋大學(xué)藥學(xué)院，江蘇 連云港 222005；2 江蘇海洋大學(xué)江蘇省海洋資源開發(fā)研究院，江蘇 連云港 222005；3 江蘇省海洋生物產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 連云港 222005)

血紅素(heme)是由原卟啉 IX 與 Fe2 +結(jié)合而成，與珠蛋白結(jié)合成血紅蛋白[1]，負(fù)責(zé)運輸氧氣，并在某些酶蛋白中作為電子傳遞反應(yīng)的載體。血紅素作為重要的生化藥品，用于制備抗癌藥血卟啉[2]、輔助治療鉛中毒和缺鐵性貧血[3]，還可以用作發(fā)色劑及人工色素的替代品[4]，在食品與醫(yī)藥和化工等行業(yè)的應(yīng)用頗多。

大孔樹脂是一種利用分子間作用力進(jìn)行吸附的非離子型多孔性高聚物吸附劑[5]，因其具有穩(wěn)定、不溶解酸堿以及有機溶劑等特性，常被應(yīng)用于有機化合物的分離和富集[6-9]。

磁性大孔樹脂是利用無機磁性納米顆粒以及高分子聚合物復(fù)合而成, 具有較好順磁性能, 并具有良好分散性, 比表面積大的特點。

磁性大孔樹脂是用無機磁性納米顆粒與高分子聚合物復(fù)合而成，這種改性物質(zhì)具有很好的順磁性和較好分散性、比表面積大，可偶聯(lián)生物分子容量大，生物相容性好，可以外加磁場吸引等特性，同時具有磁性材料和一般樹脂的優(yōu)點[10-13]。本論文制備了磁性大孔樹脂，并比較了其與5種普通樹脂對血紅素的吸附性能，為血紅素的進(jìn)一步利用和功能開發(fā)提供基礎(chǔ)。

1 實 驗

1.1 材 料

實驗試劑：血紅素標(biāo)準(zhǔn)品；FeCl3·6H2O、FeCl2·4H2O、油酸、液體石蠟、無水乙醇、甲苯、span-80、過氧化苯甲酰、NaOH、苯乙烯、二乙烯苯、冰乙酸為分析純。

大孔樹脂：D101樹脂、ASD60樹脂、001*7樹脂、201*7樹脂、AB-8樹脂，陜西領(lǐng)盛材料科技有限公司。

實驗儀器：GZX-9240型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱烘箱;BS224S型電子分析天平;HH-6型恒溫水浴鍋;MR-96A型酶標(biāo)儀;HZQ-X100型恒溫振蕩箱;JJ-1型機械攪拌器;DZF型真空干燥箱。

1.2 方 法

1.2.1 血紅素標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制

取適量的血紅素標(biāo)準(zhǔn)品，在105 ℃烘干至恒重。精確稱取2.0 mg，0.1 mol/L的NaOH溶液溶解并定容至100 mL。

分別量取0.05、0.1、0.2、0.4、0.8、1.6、3.2 mL血紅素儲備液，分別置于10 mL容量瓶內(nèi)，用0.1 mol/L的NaOH定容至刻度，搖勻。以0.1 mol/L的NaOH為空白樣，以385 nm處測的吸光值繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y=0.0867x+0.0019，R2=0.9999。

1.2.2 磁性大孔樹脂的制備

稱取5.9 g FeCl3·6H2O和2.15 g FeCl2·4H2O溶解在200 mL去離子水中，通入N2保護(hù)，在80 ℃水浴下攪拌并加入NH3·H2O，調(diào)節(jié)pH至10，反應(yīng)30 min后，加入4.5 mL油酸，得到改性的Fe3O4，用去離子水洗滌，于50 ℃真空干燥，保存?zhèn)溆肹14-15]。

取500 mL三口燒瓶中，加入0.460 g過氧化苯甲酰和200 mL水，50 ℃水浴加熱，并進(jìn)行機械攪拌溶解，恒溫20 min。將1.8 mL苯乙烯、1.8 mL二乙烯苯、26.8 mL甲苯和2.2 mL span-80置于燒杯中，超聲使其分散均勻。將燒杯中的混合液加入到上述三口燒瓶中，并通入N2，于25 ℃水浴，緩緩滴加0.3 g的改性Fe3O4納米顆粒，滴加完畢，溫度升至75 ℃，恒溫反應(yīng)5 h后，冷卻至室溫，磁分離，使用無水乙醇洗滌3次，50 ℃真空干燥，得到磁性大孔樹脂[16-17]。

1.2.3 大孔樹脂預(yù)處理

各取適量5種大孔樹脂置于燒杯中，分別用無水乙醇、5%NaOH和5%乙酸浸泡12 h，去離子水洗滌至中性，干燥備用。

1.2.4 血紅素的吸附性能比較

準(zhǔn)確稱取預(yù)處理過的磁性大孔樹脂和大孔樹脂D101、ASD60、001*7、201*7和AB-8 1.0 g分別置于試管中，加入5 mg/L血紅素溶液20 mL，在溫度35 ℃、振蕩速度150 r/min條件下進(jìn)行反應(yīng)，分別在0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h時，采用磁分離，取上清液，測定血紅素濃度。吸附率(%)計算公式如下：

式中：C0——血紅素溶液初始濃度,mg/L

Ce——上清液中血紅素濃度,mg/L

V0——初始溶液體積,L

V1——取完上清液后溶液剩余體積,L

1.2.5 磁性大孔樹脂吸附血紅素的條件研究

(1)不同濃度的血紅素對吸附量的影響

稱取0.2 g磁性大孔樹脂置于錐形瓶中，分別加入濃度為2、4、6、8、10、12、15、20 mg/L的血紅素60、30、20、15、12、10、8、6 mL，置于恒溫振蕩器，溫度25 ℃、振蕩速度150 r/min，6 h后取上清液，測定溶液中血紅素含量，計算吸附量。吸附量(mg/g)計算公式如下：

式中：C0——初始血紅素的濃度,mg/L

C1——吸附后上清液血紅素的濃度,mg/L

V0——初始溶液體積,L

M——樹脂質(zhì)量,g

(2)不同反應(yīng)時間對吸附量的影響

稱取0.2 g磁性大孔樹脂置于錐形瓶中，加入10 mL濃度為12 mg/L的血紅素溶液，置于恒溫振蕩器，溫度25 ℃、振蕩速度150 r/min，分別在0.5、1、2、3、4 h，測定溶液中血紅素含量，計算吸附量。

(3)不同反應(yīng)溫度對吸附量的影響

稱取0.2 g磁性大孔樹脂置于錐形瓶中，加入10 mL濃度為12 mg/L的血紅素溶液，置于恒溫振蕩器，溫度分別設(shè)置為15、25、35、45、55、65 ℃，振蕩速度150 r/min，1.0 h后取上清液，測定溶液中血紅素含量，計算吸附量。

1.2.6 響應(yīng)面優(yōu)化磁性大孔樹脂吸附血紅素

根據(jù)單因素實驗結(jié)果，將料液濃度、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間作為吸附考察的3個因素，采取每個因素3個水平，使用Design-Expert 8.0.6軟件中響應(yīng)面設(shè)計程序的Box-Behnken設(shè)計，產(chǎn)生17個試驗。

2 結(jié)果分析

2.1 吸附性能比較結(jié)果

6種樹脂對血紅素吸附性能進(jìn)行比較，結(jié)果見圖1。

圖1 磁性大孔樹脂和D101大孔樹脂對血紅素的靜態(tài)吸附曲線Fig.1 The static adsorption curve of heme by magnetic macroporous resin and D101 macroporous resin

圖1顯示6種樹脂對血紅素的靜態(tài)吸附總體趨勢相同，吸附率隨著時間的增長而逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定。磁性大孔樹脂吸附率明顯高于其他5種樹脂，且在吸附1 h后即可達(dá)到吸附平衡狀態(tài)，這表明磁性大孔樹脂具有更強的吸附能力。

2.2 磁性大孔樹脂吸附血紅素的條件研究結(jié)果

2.2.1 不同濃度的血紅素對吸附量的影響

圖2 不同濃度的血紅素對吸附量的影響Fig.2 The effect of different concentrations of heme on the adsorption capacity

圖2表明在料液濃度小于12 mg/L時，吸附量隨著料液料液濃度的增大而升高，料液濃度大于12 mg/L時，吸附量基本達(dá)到平衡，此時吸附量為0.5247 mg/g。這可能是由于樣液濃度升高到一定程度，磁性大孔樹脂表面接觸到的血紅素的量過多，從而影響血紅素在樹脂內(nèi)部的擴(kuò)散，導(dǎo)致吸附量有所下降。

2.2.2 不同反應(yīng)時間對吸附量的影響

圖3表明隨著吸附時間的增加，吸附量在不斷升高，當(dāng)吸附時長達(dá)到1.0 h后，吸附量基本達(dá)到穩(wěn)定，此時吸附量為0.5179 mg/g。

圖3 不同反應(yīng)時間對吸附量的影響Fig.3 The influence of different reaction time on the adsorption capacity

2.2.3 不同反應(yīng)溫度對吸附量的影響

圖4表明隨著溫度升高，吸附量先增大后略微降低，在35 ℃時吸附量達(dá)到最大值為0.5389 mg/g，這可能是由于吸附達(dá)到了平衡，溫度的升高會使吸附量略微下降。在低溫條件下，短時間內(nèi)吸附達(dá)不到平衡，而升高溫度會使吸附速率加快，并出現(xiàn)吸附量增加的情況。

圖4 不同反應(yīng)溫度對吸附量的影響Fig.4 The influence of different reaction temperatures on the adsorption capacity

2.3 響應(yīng)面優(yōu)化磁性大孔樹脂吸附血紅素

2.3.1 響應(yīng)面數(shù)據(jù)分析

根據(jù)上述磁性大孔樹脂對血紅素的吸附的單因素實驗，確定吸附條件優(yōu)化因素水平見表1，采用響應(yīng)面曲面法優(yōu)化，方案及結(jié)果見表2。經(jīng)多元擬合得到磁性大孔樹脂吸附血紅素的回歸方程為：

Y=0.58+0.023A+0.018B+0.01C+(5.125×10-3)AB-(3.5×10-4)AC+(1.75×10-3)BC-0.033A2-0.034B2-0.049C2

使用響應(yīng)面優(yōu)化法研究各個影響因素對磁性大孔樹脂吸附效果的影響，結(jié)合方差分析。

表1 磁性大孔樹脂吸附條件優(yōu)化因素水平Table 1 Optimization factor level of magnetic macroporous resin adsorption conditions

表2 磁性大孔樹脂吸附優(yōu)化試驗表Table 2 Magnetic macroporous resin adsorption optimization test table

表3和表4是吸附量方差分析及回歸方程可信度的結(jié)果。表3中的P值表示影響因素對模型的顯著性，該回歸模型的P<0.01，失擬項P>0.05，說明該模型的回歸方程具有較高的擬合度，并且誤差小，可以用來對不同吸附條件下吸附效果進(jìn)行分析和預(yù)測。通過F值可以看出各因素的影響程度為：料液濃度(A)>反應(yīng)溫度(B)>反應(yīng)時間(C)，即對吸附效果最有影響的因素是料液濃度，其次是反應(yīng)溫度，反應(yīng)時間影響最小。

表4中擬合度R2是代表回歸方程的可靠性，該值越接近1，方程的越可靠，該模型R2為0.9749，說明該模型回歸方程可靠性較高。解釋度R2adj是回歸方程的校正后可以解釋的響應(yīng)值變化。回歸方程信噪比(Adeq Precision)=14.481>4，表明該回歸方程較好，完全有效。

表3 磁性大孔樹脂吸附量響應(yīng)面曲面方差分析表Table 3 Variance analysis table of response surface surface of magnetic macroporous resin adsorption capacity

表4 回歸方程可信度Table 4 Reliability of regression equation

2.3.2 響應(yīng)面模型分析

各個因素之間的交互作用響應(yīng)面圖如圖5所示，從3D圖可以看出隨著反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、料液濃度3個因素的增長，比吸附量出現(xiàn)先升高后下降的趨勢，3D圖出現(xiàn)陡峭，說明3個因素之間交互影響明顯。

圖5 交互作用的響應(yīng)面圖Fig.5 Response surface diagram of the interaction

2.3.3 模型驗證

利用響應(yīng)面軟件分析得到最佳吸附條件為反應(yīng)溫度38.60 ℃、料液濃度10.76 mg/L、反應(yīng)時間1.08 h，此時有最佳吸附量0.5891 mg/g。與單因素實驗得出的反應(yīng)溫度35 ℃、料液濃度12 mg/L、反應(yīng)時間1 h，最佳吸附量0.5326 mg/g，高出9.60%。為了驗證試驗的可行性，結(jié)合實驗的客觀可操作性，按照反應(yīng)溫度39 ℃、料液濃度11 mg/L、反應(yīng)時間1.1 h進(jìn)行3次平行試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，血紅素的吸附量在(0.5907±0.007)mg/g，與響應(yīng)面模型預(yù)測結(jié)果基本相同。

3 結(jié) 論

該實驗通過制備磁性大孔樹脂，研究其對血紅素的吸附性能。與5種普通樹脂進(jìn)行吸附性能對比發(fā)現(xiàn)：磁性大孔樹脂吸附1.0 h達(dá)到平衡，吸附率為90.21%，吸附性能高于其他5種普通樹脂。通過單因素和響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果來看，當(dāng)反應(yīng)溫度在39 ℃、料液濃度為11 mg/L、反應(yīng)時間為1.1 h時，磁性大孔樹脂吸附血紅素吸附量達(dá)到(0.5907±0.007)mg/g，與理論值誤差為0.27%。