兩性離子表面溫敏膜的制備及在多糖分離中的應用

陳鋒，馮思敏,2*，邵平,2*

1(浙江工業大學 食品科學與工程學院，浙江 杭州，310000) 2(中國輕工業食品大分子資源加工技術研究重點實驗室(浙江工業大學)，浙江 杭州，310000)

黃精是一種藥食兩用的傳統中藥，多糖是其主要的活性成分之一，擁有多種生理功效，備受人們青睞[1]。傳統的多糖提取方法包括酶解提取法、超高壓提取法、亞臨界流體提取法等，然而這些方法往往存在成本昂貴、耗能高、引入雜質等問題[2]。膜分離法是典型的非熱分離技術，具有能耗低、操作簡便、環境友好的獨特優勢，被廣泛應用于食品加工、醫療保健、水凈化和廢水處理等領域[3]。聚合物基超濾膜具有機械強度高、穩定性好、滲透性和選擇性優異，同時價格低廉等特點[4]，近年來越來越多地被應用到多糖的分離純化中。

然而聚合物基的分離膜具有固有的疏水性，污染物易于在膜表面及孔道內部形成結垢，導致通量下降，大大增加了能耗和運行成本[5]。目前，通過共混或接枝功能性聚合物以提高超濾膜的親水性是增強抗污染性能的常用策略[6]。擁有親水基團的聚合物能夠在氫鍵作用下吸引水分子聚集，于膜表面構建水合層，進而阻礙污染物在膜表面聚集，降低膜結垢形成的可能，但親水性高分子的直接引入容易造成膜基體溶脹度增大，結構穩定性降低[7]。因而尋找一種間接構建親水孔道表面的方法為增強膜分離效率提供了思路。

近年來，刺激響應型聚合物逐漸被應用于膜的結構和性能的優化，響應膜的形態和特性能夠根據外部環境的刺激實現響應性變化，由此形成的膜的可變表面結構有助于去除黏附在膜表面的污染物，實現膜的自清潔性能[8]。通過簡單的物理共混及酸誘導表面偏析效應，將刺激響應性微凝膠自組裝于膜的表面和孔道內，其能隨環境條件變化而改變縮放狀態，從而促使吸附的污染物松動甚至脫落，實現通量恢復[8]。然而，此類微凝膠普遍含有帶正電荷的功能基團，微凝膠納米粒子自身對污染物阻礙能力較弱[9]。因此，設計了一種兼具兩性離子和溫敏性的雙重特性的納米微凝膠，并將其用于新型超濾膜的制備中，以期減輕膜污染程度，提升多糖溶液的通量，獲得更優秀的分離效率。

本研究以聚(N-異丙基丙烯酰胺)[poly(N-isopropyl acrylamide)， PNIPAM]溫敏微凝膠為主體核，通過自由基聚合在微凝膠球體表面生成聚(N,N-二甲基氨基-2-乙基甲基-丙烯酸酯)[poly(N,N-dimethylaminoethyl methacrylate)， PDMAEMA]殼層，制得具有核殼結構的微凝膠。接著通過非溶劑誘導相分離法，在相轉化過程中將微凝膠原位表面偏析，使其均勻地裝飾在膜表面和孔道上。最后以1,3-丙烷磺酸內酯(1, 3-propane sulfonide，1,3-PS)作為季銨化試劑，將裸露在外的納米凝膠外層轉化為聚兩性離子，用以提高其在黃精多糖中的分離效率。

1 材料與方法

1.1 材料

N-異丙基丙烯酰胺(N-isopropyl acrylamide, NIPAM)純度98%，含穩定劑對羥基苯甲醚(hydroquinone monomethyl ether，MEHQ)，N,N-亞甲基雙丙烯酰胺(methylene-bis-acrylamide, MBA)[分子生物學級，≥99.0%(T)]、十二烷基磺酸鈉(SDS，AR，98.0%)、過硫酸銨(ammonium persulfate, APS)(AR，≥98%)、甲基丙烯酸二甲氨乙酯 (99%，含1×10-3MEHQ穩定劑，DMAEMA)、1,3-丙磺酸內酯(99%)、N,N-二甲基甲酰胺(N,N-dimethylformamide，DMF，分子生物學級，≥99.9%)以及牛血清白蛋白(bovine serum albumin，BSA，98%)，aladdin化學試劑有限公司；聚乙二醇(polyethylene glycol，PEG,平均分子質量為2 000)，Sinoharm化學試劑有限公司；聚醚砜(polyether sulfone，PES,PESU3000P，Solvay)，碩豐工程塑料有限公司；黃精粉末，阿里健康大藥房，黃精多糖通過水提醇沉法自行制備。其他化學藥品均為分析純試劑，所有溶液均使用超純水制備。

1.2 儀器與設備

Nano nova 450掃描電子顯微鏡、Bechman Allegra高速冷凍臺式離心機，日本Hitachi公司；Nicolet 6700傅里葉紅外光譜分析儀，美國Thermo Nicolet公司；CMT6023電子拉伸試驗機，深圳市世紀天源儀器有限公司；Millipore-8010微型膜片測試儀，浙江賽藍膜科技研發有限公司；DK-S24型電熱恒溫水浴鍋，上海森信實驗儀器有限公司。

1.3 核/殼微凝膠顆粒的制備

PNIPAM核/PDMAEMA殼微凝膠是采用自由基乳液聚合工藝制備的[10]。在250 mL三頸燒瓶中，首先將0.106 9 g的MBA和0.040 0 g的SDS溶解在200 mL預脫氧的純水中，在N2保護下加熱至40 ℃，穩定后繼續通N215 min后停止攪拌。從三頸燒瓶中吸取10 mL反應溶液與1.584 3 g的NIPAM混合后，再將其加入三頸燒瓶中，并加熱至75 ℃。開啟攪拌，在500 r/min的攪拌下加入0.114 1 g的APS。聚合4 h后得到的PNIPAM微凝膠以球狀顆粒的形態分散在溶液中。緩慢加入含 DMAEMA、MBA和SDS的混合水溶液，控制加入時間10 min，然后再次加入APS，其比例如上一步操作，繼續進行聚合反應3 h，此時PDMAEMA會優先在PNIPAM微凝膠顆粒表面生長，最終形成核殼結構的復合微凝膠。

將獲得的溶液冷卻至室溫并用離心管分裝，然后以10 800 r/min的速度離心30 min，去除上清液，并再次加入高純水，通過3次離心/再分散循環純化微凝膠。在-80 ℃下冷凍干燥48 h，便可獲得PNIPAM核/PDMAEMA殼微凝膠。

1.4 超濾膜的制備

通過非溶劑誘導相分離(non-solvent induced phase separation, NIPS)的方法制備溫敏性超濾膜。首先將0.6 g微凝膠分散在32.8 mL的DMF中，500 r/min攪拌30 min后，往溶液中加入6 g PES，轉移至75 ℃油浴鍋中攪拌4 h，然后撥高攪拌槳使其脫離液面，隨后室溫放置3 h以完全脫除鑄膜液內的氣泡。

用厚度為200 μm的鋼刮刀將均勻的鑄膜液流延到玻璃板上。平穩地將濕膜與玻璃板一起浸入純水凝固浴中15 min，然后轉移至新鮮的去離子水中以除去過量的溶劑，從而制得溫敏膜(polyethersulfone-co-gel，PCG)，用超純水儲存。

將PCG膜浸入30 mL含5 g 1,3-PS的乙醇溶液中，60 ℃的水浴中反應1 h，制得擁有兩性離子表層的溫敏膜(sulfonated polyethersulfone-co-gel，SPG)。然后通過用乙醇和去離子水反復充分漂洗除去膜上殘留的物質，最后將所得膜干燥至恒重。

1.5 改性膜的物理結構表征

使用掃描電子顯微鏡在15.00 kV的加速電壓下觀察微凝膠的表面形貌和改性膜的表面形貌與截面形貌。使用傅里葉紅外光譜分析儀對樣品的官能團進行測量。在室溫下，使用拉伸速率為10 mm/min的電子拉伸試驗機。

1.6 改性膜的純水通量、刺激響應性能與熱穩定性

使用微型膜片測試儀，以錯流過濾的方式測定膜的多糖溶液通量。分別選取PES膜，PCG膜，以及SPG膜各1組，每個膜在測試前于0.2 MPa下純水預壓約1 h，通量基本穩定后將進料液替換為質量分數5%黃精多糖溶液，繼續測定通量，持續80 min。

測定不同溫度下分離膜對多糖溶液的分離效率，配制5%黃精多糖溶液為進料液，測定方法同上。

2 結果和討論

2.1 兩性離子表層溫敏膜的制備

為了制備雙重抗污染超濾膜，設計了攜帶雙性離子的核殼結構的溫敏性微凝膠，并將其偏析在膜表面和孔道內部。先通過乳液聚合得到NIPAM微凝膠，再通過表面二次自由基聚合[11]，再外層包覆聚(甲基丙烯酸二甲氨乙酯)，形成核殼結構的微凝膠。隨后，將制備的核殼結構微凝膠共混到鑄膜液中，通過非溶劑誘導相分離法制備超濾膜[12]。

NIPAM是典型的溫敏性微凝膠，呈現典型的穩定球狀顆粒(圖1-a)，且較為均勻地分布在溶液中。它的特點是能在臨界轉變溫度(lowe critical solution temperature，LCST)左右發生形態變化，當溫度高于LCST時，聚甲基丙烯酰胺分子內氫鍵作用力較強，分子鏈呈現穩定的收縮狀態，粒徑較??；而溫度低于LCST時，水分子與酰胺官能團之間的氫鍵作用力增強，聚合物鏈因為水分子的結合呈現擴展無規卷曲狀態，粒徑增大[13]。

經過二次自由基聚合反應，由于穩定的球形微凝膠顆粒地存在，聚(甲基丙烯酸二甲氨乙酯)自發地在核心球體表面生長，最終將其完全包被，形成核殼結構的復合微凝膠。PNIPAM核/PDMAEMA殼微凝膠具有較為規整的球形結構(圖1-b)，但粒徑明顯增大，核心球體表面有明顯不同的粗糙外殼。

a-PNIPAM微凝膠；b-核殼結構微凝膠；c-純PES膜截面；d-SPG膜截面圖1 核心微凝膠、核殼結構微凝膠、PES膜截面、SPG膜截面的微觀結構Fig.1 Microstructure of core microgel, core-shell microgel, PES film cross section and SPG film cross section

微凝膠具有親水性嵌段，在非溶劑誘導的相分離過程中，微凝膠通過表面偏析會分布在膜表面和通道內表面上[14]。由于聚(甲基丙烯酸二甲氨乙酯)具有叔胺基團，能夠與丙磺酸內酯進行開環季銨化反應，使得叔胺基團轉化為帶正電荷的季銨基團，同時又引入了帶負電的磺酸基團，從而構建兩性離子表層[15]。

2.2 膜的結構表征

為了探索微凝膠的加入對膜微觀結構的影響，采用掃描電鏡對其表面和斷面進行了表征。圖1-c、圖1-d揭示了各種膜的橫截面形態。原始膜的橫截面顯示出具有代表性的不對稱結構，呈現典型的指狀孔結構，孔道內壁光滑而平整。隨著微凝膠納米顆粒的加入，膜的橫截面從指狀孔結構轉變為多孔隙的指狀孔結構，可以明顯地看到，膜孔道內部分布著大量的球形微凝膠顆粒。

兩性離子改性的微凝膠的引入不僅會改變膜表面的微結構，也會對分離膜的機械性能造成影響，從表1可以看出，添加溫敏性微凝膠后的改性膜所能承受的最大應力與原始膜較為接近，兩者的斷裂拉伸率亦在二者的誤差范圍內，可見在鑄膜液中共混微凝膠沒有對分離膜的機械性能造成明顯影響，這是因為微凝膠在膜孔道表面制造空隙的同時，自身也鑲嵌在膜內，使得分離膜的機械強度未能發生顯著變化。

表1 改性膜的機械強度Table 1 Mechanical strength of modified membranes

圖2 NIPAM單體、DMEAMA單體、核殼結構微凝膠(a)、PES膜、PCG膜、SPG膜的紅外圖像(b)Fig.2 FTIR of NIPAM, DMAEMA， core-shell microgel (a) and PES, PCG, SPG (b)

2.3 改性膜的滲透性、刺激響應特性和穩定性

從圖3-a中可以看出，添加了核殼結構微凝膠的PCG膜與擁有兩性離子表層的SPG膜的純水通量得到了有效改善。在30 ℃條件下，與純PES膜相比，PCG的純水通量從(156.49±13.06)L/(m2·h)增加到(179.08±5.34)L/(m2·h)，由于季銨化后構建了兩性離子，SPG膜的親水性進一步增強，水通量增加到(228.44±5.22)L/(m2·h)。

核殼結構的微凝膠擁有裸露的酰胺基團，能夠與水分子形成一定的氫鍵作用力，因而能夠在純水凝固浴的誘導下偏析到膜表面[16]，進而在一定程度上提高了膜的親水性，形成了通量增加的現象。而通過在1,3-丙磺酸內酯溶液中進行季銨化反應后，微凝膠表層裸露的叔胺基團轉變為兩性離子基團，起到吸引水分子形成水合層的效果，進一步提高了膜的親水性[17]。

如圖3-c與圖3-d所示，在10～50 ℃，改性膜的純水通量隨著溫度的上升而不斷增大，表現出明顯的梯度變化，PCG膜的純水通量由(26.11±12.53)L/(m2·h)逐漸提升到(362.14±49.53)L/(m2·h)；SPG膜的純水通量由(141.08±35.46)L/(m2·h)增加到(450.48±31.24)L/(m2·h)，與此同時，圖3-b中純PES膜在不同溫度下的水通量較為接近，且在20 ℃及以下時表現出比改性膜更加優異的純水通量。如之前所提到的，通過NIPS制備分離膜時，微凝膠隨著熱力學運動偏析到孔道表面，導致孔道內徑變窄，通量有所降低[18]。

a-3種膜30 ℃下純水通量；b-PES膜不同溫度下純水通量；c-PCG膜不同溫度下純水通量；d-SPG膜不同溫度下純水通量；e-PCG膜的熱可逆測試；f-SPG膜的熱可逆測試圖3 PES、PCG、SPG膜滲透性、溫敏性測試和PCG、SPG膜的熱可逆性測試Fig.3 Permeability and temperature sensitivity test of PES, PCG, SPG membrane and the thermo reversible test of PCG, SPG注：圖中不同小寫字母代表差異顯著(P<0.05)

鑲嵌在孔道表面的溫敏性微凝膠在超過臨界轉變溫度時，酰胺基團與水分子之間的氫鍵作用力減弱，傾向于在分子內部形成氫鍵，使得分子鏈之間接觸更緊密，微凝膠體積縮小，此時反而造成了膜孔道內徑增大，水通量增大。相似的，當溫度低于進階溫度時，膜孔道內徑因為微凝膠體積增大而減小，水通量也隨之降低[19]。同理，經過季銨化反應構建兩性離子表層后的改性膜SPG也有相似的溫敏特性，并且兩性離子表層大大增強了膜的親水性[20]，使得其水通量較前兩者更好。

根據圖3-e與圖3-f可以看出，當溫度從50 ℃降低到20 ℃時，PCG的膜通量從(206.47±3.95)下降至(105.03±3.05)L/(m2·h)，重新升溫至50 ℃，水通量恢復到(183.17±5.11)L/(m2·h)。在一組溫度循環內，微凝膠的體積隨著溫度下降而增大，孔道內徑隨之減小，純水通量大幅下降；當溫度回復到初始溫度時，微凝膠的體積減小，釋放出孔道的空間，通量得到恢復。與之相似，經過季銨化處理的溫敏膜在一組溫度循環內的膜通量也呈現出較好的可逆變化趨勢，這說明溫度的循環變化并沒有使微凝膠出現大規模脫落。這是因為溫度上升引起微凝膠收縮的同時，膜基質也因為吸收熱能而膨脹，偏析在表面的微凝膠得以穩定地著床[12]。

2.4 PES改性膜分離多糖溶液的通量

如圖4-a所示，在不同溫度下，將純PES膜用于多糖溶液分離，膜通量受到污染影響而不斷下降，然而20、30、40、50 ℃條件下多糖溶液通量的誤差始終低于5%，當分離時間90 min時，不同溫度條件下的膜通量為(23.29±0.547 4)L/(m2·h)。相比之下，圖4-b中添加了溫敏性微凝膠的PCG膜表現出明顯的溫度響應活性，在30、40、50 ℃之間膜通量差值接近5 L/(m2·h)，隨著微凝膠形體對溫度的響應，膜孔道內徑發生對應的變化，提高了多糖溶液的通量，對比圖4-a與圖4-b，可以觀察到50 ℃下溫敏改性膜通量更優，多糖通量達到24.74 L/(m2·h)，而其他溫度下PCG膜通量反而稍差，這一定程度上也是由于微凝膠的添加使得孔道內徑相對減小所致。與之相比，圖4-c所示的是擁有兩性離子表層的SPG膜不僅有著同樣的溫度響應能力，在40 ℃時擁有比PCG膜更高的多糖通量，這是由于兩性離子表層的形成大大提高了膜孔道表面的親水性[21]，促進了水分子的流通，從而充分提高膜的通量，從而提高了分離效率。大多數多糖都具有難溶于冷水的特點，這是由于多糖分子長鏈上具有豐富的羥基基團，容易形成分子內氫鍵[22]，在溫度升高到50 ℃時，大分子多糖內部的氫鍵受到破壞使得羥基等親水基團暴露出來，親水性增強，溶解度提高，多糖更容易吸附到SPG膜孔道表面，導致膜通量出現明顯下降。

a、b、c分別為PES膜、PCG膜、SPG膜在不同溫度下多糖通量；d-PCG、SPG膜的變溫過濾測試圖4 不同溫度下PES、PCG、SPG膜的多糖通量以及PCG、SPG膜的熱可逆變化Fig.4 Polysaccharide flux of PES， PCG, SPG at different temperature and the thermoreversible change of polysaccharide solution with PCG and SPG

同時還測定了2種改性膜在處理多糖溶液時的熱可逆穩定性，如圖4-d所示，將多糖溶液溫度從40 ℃降低到20 ℃ 30 min后，再恢復到40 ℃時，PCG膜與SPG膜的膜通量均出現明顯的恢復，其中SPG膜的通量恢復更為明顯，約為初始通量的106.38%。PCG膜與SPG膜中均引入了具有溫度響應能力的復合微凝膠，通過非熱誘導相分離法，復合微凝膠偏析到膜表面與孔道表面，在溫度變化時，溫敏性微凝膠的粒徑先增大后減小，在這一過程中引起了孔道表面形態的劇烈變化[12]，原本附著的污染物脫落，通量得到明顯恢復，SPG膜擁有兩性離子表層，相較PCG膜擁有更高的膜通量，受到溫敏過程影響的污染物更易隨著沖刷而脫落，相對PCG膜通量恢復率更高。

2.5 PES改性膜的抗污染性能

為評估改性PES膜經過1次水洗后的防污性能，進行純水和多糖溶液的變溫循環過濾測試。如圖5所示，純PES膜的初始多糖溶液通量遠低于共混核殼結構微凝膠的改性膜，如前文所述核殼結構的微凝膠表面擁有部分酰胺基團等親水性官能團，較純PES膜的表面親水性更強[23]。經過60 min水洗后再次測定多糖通量，純PES膜的多糖通量幾乎沒有得到恢復，而引入微凝膠的改性膜經過水洗后通量恢復到初始通量的85.73%，這是因為原始膜具有固有疏水性，吸附在膜表面及孔道表面的疏水性污染物難以隨著水洗脫落[24]，通量恢復不明顯；相比之下，改性兩性離子膜的親水性提升，在引起一部分親水性物質吸附的同時，水洗過程中這些污染物更容易隨著水流分離，使得通量得到明顯恢復，而之后的多糖通量測試也表現出與前90 min較為接近的下降趨勢。

a-PES膜；b-SPG膜圖5 PES膜與SPG膜過濾-水洗-過濾循環通量測試Fig.5 Filtration-washing-filtration cycle test of PES and SPG membrane

3 結論

該研究提出了一種制備兼具提高親水性與溫度響應性的超濾膜，與原始膜相比，30 ℃下純水通量提高了45.98%，多糖溶液通量提升10.80%。特別是改性膜SPG擁有溫度響應能力，溶液溫度從20 ℃提升至40 ℃時，多糖通量逐漸增大。兩性離子表層不僅能提高聚合膜的親水性，還能吸引水分子形成水合層以阻擋污染物吸附，在水洗環節后，帶有兩性離子表層的SPG改性膜通量恢復到初始通量的85.73%，有效提高了黃精多糖的分離效率，對多糖的膜分離提供了理論基礎，該膜分離技術在其他多糖分離中的應用有待進一步研究。