戊二醛改性殼聚糖的制備及其對雌激素吸附性能研究

馬悅，戴炳業(yè),胡燕，喬旭光，張麗敏，徐志祥*

1. 山東農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院，山東 泰安 271018 2. 中國農(nóng)村技術開發(fā)中心，北京 1000453 3.泰安市中心醫(yī)院，山東 泰安 271000

近年來，環(huán)境中廣泛存在的具有干擾內(nèi)分泌系統(tǒng)功能的甾體類雌激素物質(zhì)研究受到了廣泛關注。一些天然甾體類雌激素如17β-雌二醇(E2)、雌三醇(E3)和己烯雌酚(DES)進入機體后，能干擾體內(nèi)內(nèi)分泌物質(zhì)的合成、釋放、運輸、代謝、結(jié)合等過程，激活或抑制內(nèi)分泌系統(tǒng)的功能，破壞機體內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定[1-2]。這類外源性化學物質(zhì)不僅影響人類健康，也嚴重威脅到自然界中生物種族的生存，已成為一個全球性的重大問題[3-4]。因此，如何去除環(huán)境內(nèi)分泌干擾物，成為水處理領域研究的熱點。

殼聚糖是一種資源豐富、價格低廉、性質(zhì)優(yōu)良的天然高分子，無毒無害，易降解，具有良好的抗菌性、吸濕保濕性、生物相容性，在輕工、食品，醫(yī)藥以及化工等行業(yè)具有廣泛的應用[5]。但殼聚糖中的大分子具有穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，且大分子之間存在較強的氫鍵，因此該物質(zhì)具有穩(wěn)定的物理、化學性質(zhì)，常溫下不溶于水、稀堿和有機溶劑，使得殼聚糖的應用受到極大的限制[6]。殼聚糖通過不同方法改性處理，可以獲得某一種或某幾種特性得到加強，甚至具有新特性的衍生物。殼聚糖交聯(lián)是殼聚糖化學改性的主要方法之一，交聯(lián)后的殼聚糖是一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子聚合物，具有較好的吸附性能和溶解性。目前有關改性殼聚糖對雌激素的吸附性能及其應用研究未見報道。

本文采用戊二醛作為交聯(lián)劑，對殼聚糖進行了改性研究，并對制備的改性殼聚糖微球?qū)Υ萍に氐奈叫阅苓M行了評價，從而為改性殼聚糖在環(huán)境雌激素去除中的應用提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與儀器

1.1 材料和試劑

殼聚糖，上海伯奧生物科技有限公司；乙酸乙酯、三聚磷酸鈉、冰乙酸，天津市凱通化學試劑有限公司；50%戊二醛，天津市大茂化學試劑廠；17β-雌二醇、雌三醇、己烯雌酚，武漢遠城科技有限公司。

1.2 儀器與設備

UV-1601PC 型紫外可見分光光度計，日本島津公司；Quanta 200E型掃描電鏡，荷蘭FEI公司； JJ-1型精密增力電動攪拌器，常州國華電器有限公司；DZF-6030A型真空干燥箱，上海一恒科技有限公司；SHB-IV雙A循環(huán)水式多用真空泵，鄭州長城科工貿(mào)有限公司；KQ-5200E型超聲清洗器，昆山市超聲儀器有限公司。

2 實驗方法

2.1 殼聚糖溶液的制備

稱取3g殼聚糖，加入到100 mL 2%的乙酸溶液中，攪拌溶脹2 h，靜置12 h，備用。

2.2 殼聚糖微球的制備[7]

取15 mL殼聚糖溶液，超聲10 min。采用滴加法，將殼聚糖溶液用醫(yī)用針頭滴入到100 mL 3%的三聚磷酸鈉溶液中，制得殼聚糖微球。靜置2 h后，用無水乙醇抽濾3次。將抽濾后的殼聚糖微球40 ℃真空干燥10 h，備用。

2.3 改性殼聚糖微球的制備

2.4 改性殼聚糖對三種雌激素吸附性能研究

50 mL容量瓶中分別加入60 mg改性殼聚糖微球和10 mL 100 mg/L的雌二醇、雌三醇和己烯雌酚標準溶液，振蕩4 h，4000 r/min離心30 min。取上清液，分別在280 nm、279 nm和259 nm下測定吸光度，計算改性殼聚糖微球?qū)θN雌激素的吸附容量。

吸附容量Q的計算公式如下：

Q = (C0-C1) V / M

其中，C0和C1分別表示吸附前后溶液中雌激素的濃度，V表示標準溶液的體積，M表示改性殼聚糖的添加量。

2.5 改性殼聚糖吸附容量曲線

配制濃度分別為25，50，75，100，150和200 mg/L的雌三醇溶液，按照2.4所述的步驟，測定改性殼聚糖對不同濃度雌三醇的吸附容量。

2.6 改性殼聚糖吸附動力學

準確稱取60 mg改性殼聚糖微球于10 mL的容量瓶中，加入10 mL 130 mg/L的雌三醇溶液，室溫振蕩5，30，60，90，120，180和240 min，測定各個時間段改性殼聚糖對雌三醇的吸附容量。

3 結(jié)果與分析

3.1 改性條件優(yōu)化

3.1.1 乙酸乙酯的用量對改性殼聚糖吸附效果的影響 乙酸乙酯作為致孔劑，其用量多少對制備的改性殼聚糖的吸附性能有重要影響，本文對乙酸乙酯的用量進行了優(yōu)化。取四份15 mL殼聚糖溶液，分別加入0.2 mL，0.5 mL，1.0 mL和1.5 mL的乙酸乙酯，保持其他條件不變，進行單因素實驗，結(jié)果如圖1所示。

圖1 乙酸乙酯用量對改性殼聚糖吸附效果的影響Fig.1 Effect of the ethyl acetatelevel on the adsorptionability of themodified chitosan圖2 戊二醛的用量對改性殼聚糖吸附性能的影響Fig.2Effect of glutaraldehyde levelon the adsorptionability of the modified chitosan

從圖1中可以看出，乙酸乙酯的加入量太高或太低，改性殼聚糖的吸附容量都有明顯的下降。當加入的乙酸乙酯的量為0.5 mL時，得到的改性殼聚糖對80 mg/L雌三醇的吸附量達到最大值(1.39 mg/g)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因，可能是當乙酸乙酯的用量過低時，致孔不充分，導致吸附量較低；當乙酸乙酯用量過多時反而影響體系濃度。

為了快速檢測熱氮吹硫過程氣中H 2 S、SO 2、O2、H 2的含量，便于做出正確的操作判斷，提前采購部分氣體檢測管。具體情況如表1所示。

3.1.2 戊二醛用量對改性殼聚糖吸附效果的影響 取四份15 mL殼聚糖溶液，保持乙酸乙酯的用量及其他操作條件不變，分別加入0.5 mL，1.0 mL，1.5 mL和2.0 mL戊二醛，進行單因素實驗，結(jié)果如圖2所示：

從圖2可以看出，改性殼聚糖對雌三醇的吸附量隨戊二醛用量的增加出現(xiàn)先增后減的趨勢，并在加入1.5 mL戊二醛時吸附容量值達到最高。出現(xiàn)這種情況的原因可能是，當戊二醛的用量過少時，殼聚糖改性不完全，交聯(lián)度較低，導致部分尚未交聯(lián)的含有自由羥基較多的殼聚糖分子溶解并流失所致；當戊二醛用量過多時，戊二醛不僅與氨基反應，同時消耗了部分羥基，從而導致吸附容量下降。

根據(jù)以上結(jié)果，最終確定15 mL殼聚糖溶液中加入0.5 mL乙酸乙酯作為致孔劑，1.5 mL戊二醛作為交聯(lián)劑，即殼聚糖：乙酸乙酯：戊二醛=30: 1: 3(v/v/v)，制備改性殼聚糖。

3.2 結(jié)構(gòu)分析

對制備的殼聚糖和改性殼聚糖微球的結(jié)構(gòu)進行掃描電鏡分析，結(jié)果見圖3。

圖3 殼聚糖(a)和改性殼聚糖(b)掃描電鏡圖

由圖3(a)所示，殼聚糖表面相對比較光滑；改性后，殼聚糖表面有較多的褶皺，這可能是其具有較好吸附性能的主要原因。

3.3 改性殼聚糖對三種雌激素的吸附性能研究

取濃度均為100 mg/L三種雌激素標準溶液于50 mL容量瓶中，分別加入60 mg改性殼聚糖，振蕩4 h離心后測定上清液的吸光度值，根據(jù)公式計算出改性殼聚糖對三種雌激素的吸附容量。

圖4 改性殼聚糖對雌二醇、雌三醇和己烯雌酚的吸附容量

圖4可以看出，在溶液濃度為100 mg/L時，改性殼聚糖對三種雌激素均具有良好的吸附性能，因此制備的改性殼聚糖材料可作為新型吸附劑，以去除水環(huán)境中的雌激素。

另外，改性殼聚糖對雌三醇的吸附性能最佳，達到1.97 mg/g；而對己烯雌酚的吸附效果最差，吸附容量為1.10 mg/g。因此，在后續(xù)試驗中，我們以雌三醇作為研究對象，對制備的改性殼聚糖的吸附容量曲線和吸附動力學等吸附性能進行評價。

3.4 殼聚糖改性前后對雌三醇的吸附性能比較

室溫下，研究了改性殼聚糖和未改性殼聚糖對25～200 mg/L濃度范圍內(nèi)雌三醇的吸附能力，結(jié)果如圖5所示。

圖5 殼聚糖改性前后對雌三醇的吸附容量曲線Fig.5Adsorption isotherms of modified chitosanand chitosan toward the estradiol圖6 改性殼聚糖對雌三醇的吸附動力學曲線Fig.6Kinetic uptake plot of the modifiedchitosan toward the estradiol

由圖5可以看出，改性殼聚糖與未改性殼聚糖對雌三醇的吸附容量均隨雌三醇溶液濃度的增大而增大。當雌三醇濃度低于50 mg/L時，改性殼聚糖與未改性殼聚糖對雌三醇的吸附量增加較為緩慢；當雌三醇濃度在50-150 mg/L范圍時，改性殼聚糖與未改性殼聚糖對雌三醇的吸附量隨著雌三醇濃度的增大而迅速增加；當雌三醇濃度高于150 mg/L時，改性殼聚糖與未改性殼聚糖對雌三醇的吸附速度趨于平緩。由于殼聚糖和改性殼聚糖對雌三醇的吸附主要是通過物理吸附作用或活性基團的結(jié)合，因此兩者的吸附趨勢基本一致。

此外，改性殼聚糖對200 mg/L雌三醇的吸附容量為3.01 mg/g，而未改性殼聚糖對雌三醇的吸附容量為1.87 mg/g。因此，殼聚糖經(jīng)過改性之后，對雌激素的吸附性能有了顯著的改善和提高。

3.5 改性殼聚糖對雌三醇的吸附動力學

本研究測定了不同吸附時間對雌三醇吸附量的變化趨勢，考察了改性殼聚糖對雌三醇的吸附速率，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出，改性殼聚糖對雌三醇的吸附量隨時間的增加而增加，吸附30 min，吸附容量為1.24 mg/L，達到最大吸附容量的48.4%；180 min時吸附基本達到平衡。

4 結(jié)論

對殼聚糖進行交聯(lián)改性處理可顯著提高其吸附性能。以殼聚糖：乙酸乙酯：50%戊二醛為30: 1: 3(v/v/v)時，制得的改性殼聚糖微球吸附效果最佳。制備的改性殼聚糖對雌二醇、雌三醇和己烯雌酚具有良好的吸附性能和較快的吸附動力學；對雌三醇的吸附效果最好，而對己烯雌酚的吸附效果最差。

制備的改性殼聚糖具有制備簡單、成本低等特點，作為一種吸附劑具有較強的優(yōu)勢，應用于水環(huán)境中雌激素的去除將具有重要意義。

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