培養(yǎng)本科生科研創(chuàng)新能力的探索型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

張琦弦

(四川大學(xué) 輕紡與食品學(xué)院, 四川 成都 610065)

21世紀(jì)高等教育的戰(zhàn)略目標(biāo)是培養(yǎng)具有一定科研創(chuàng)新能力的人才,因此,培養(yǎng)本科生的科研能力和創(chuàng)新能力具有重要意義[1-2]。輕化工程專業(yè)涉及制漿造紙、精細(xì)化工、紡織染整和皮革等行業(yè)。我校輕化工程專業(yè)以皮革方向?yàn)橹?其皮革化學(xué)與工程是國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科,建設(shè)有皮革化學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和制革清潔技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,在我國(guó)皮革行業(yè)中占據(jù)著重要地位。

結(jié)合行業(yè)的研究熱點(diǎn)和自身的研究特長(zhǎng),針對(duì)我校輕化工程專業(yè)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué),設(shè)計(jì)了一項(xiàng)探索型實(shí)驗(yàn),題為“用于分離黃酮苷元的膠原纖維層析材料的改進(jìn)”。本實(shí)驗(yàn)分析了原有的膠原纖維層析材料用于分離黃酮苷元時(shí)存在的問(wèn)題,提出利用金屬離子優(yōu)良的配位性能,在膠原纖維上固載一部分金屬離子,增加膠原纖維層析材料與黃酮苷元的結(jié)合能力,以期提高對(duì)黃酮苷元的分離效率。實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便,適合作為本科生初次接觸科研的嘗試。而且,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)涉及到多種高端儀器的使用,如紅外光譜、電感耦合等離子體發(fā)射光譜、掃描電鏡、紫外—可見(jiàn)光譜、高效液相色譜等,可為本科生對(duì)于儀器分析提供更直觀的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。

1 設(shè)計(jì)背景

膠原纖維是構(gòu)成動(dòng)物皮的主要成分,在動(dòng)物皮高附加值利用的課題研究中,膠原纖維已被開發(fā)成為層析材料來(lái)分離黃酮類化合物。黃酮類化合物在植物中分布很廣,具有顯著的生物活性,是天然產(chǎn)物研究和開發(fā)的重點(diǎn)。黃酮類化合物在植物體內(nèi)常以游離態(tài)的黃酮苷元和與糖結(jié)合形成的黃酮苷的形式存在。為了更好地研究和利用這一類生物活性物質(zhì),必須對(duì)其進(jìn)行有效的分離和純化。

基于膠原纖維開發(fā)的層析材料對(duì)不帶糖基的黃酮苷元的分離效果并不理想,遠(yuǎn)不如其對(duì)帶有糖基的黃酮苷的分離效果,這是因?yàn)槟z原纖維主要以氫鍵作用與黃酮類化合物結(jié)合,而黃酮苷元不含有糖基,可參與形成氫鍵的基團(tuán)較少,因而與膠原纖維的氫鍵作用力很弱。分離黃酮苷元所需的膠原纖維層析柱的長(zhǎng)徑比是分離黃酮苷所需長(zhǎng)徑比的3倍[3-5]。當(dāng)層析柱的直徑一定,長(zhǎng)徑比越大,材料用量越多,耗時(shí)越長(zhǎng),分離效率越低。因此,需要對(duì)膠原纖維層析材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn),提高其對(duì)黃酮苷元的分離效率。

本實(shí)驗(yàn)采用具有良好配位能力的鋯離子(Zr(IV))對(duì)原有的膠原纖維層析材料進(jìn)行改性,Zr(IV)可以通過(guò)配位交聯(lián)作用被牢固固定在膠原纖維上。黃酮苷元具有一定的配位活性,可以與Zr(IV)發(fā)生配位反應(yīng)[6]。所以,利用固載到膠原纖維上的Zr(IV)對(duì)黃酮苷元的配位作用,以及膠原纖維自身對(duì)黃酮苷元的氫鍵作用,有望增大膠原纖維層析材料對(duì)黃酮苷元的作用強(qiáng)度,從而提高其分離性能。目前,已有研究采用固載Zr(IV)的膠原纖維吸附廢水中的有機(jī)酸和染料以及分離蛋白質(zhì)和微生物[7-11]。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 膠原纖維層析材料的改性

膠原纖維層析材料的改性是以原有的膠原纖維層析材料為原料,加入一定量Zr(IV)與其進(jìn)行配位反應(yīng),根據(jù)制革鞣制理論,Zr(IV)可以與膠原纖維上的氨基等基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)。原有的膠原纖維層析材料是將戊二醛與膠原纖維粉末進(jìn)行共價(jià)交聯(lián)反應(yīng),戊二醛主要與膠原纖維上的氨基發(fā)生反應(yīng),目的是使膠原纖維得以分散和定型,并且提高膠原纖維的耐濕熱穩(wěn)定性和耐化學(xué)試劑及微生物作用的能力。膠原纖維層析材料改性的原理如圖1所示。

圖1 膠原纖維層析材料改性示意圖

具體操作:將3 g原有膠原纖維層析材料放入60 mL蒸餾水中,用稀硫酸調(diào)節(jié)pH至1.8～2.0,并充分?jǐn)嚢瑁桓鶕?jù)前期Zr(IV)用量?jī)?yōu)化實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,加入0.36 g(1 mmol)硫酸鋯(Zr(SO4)2·4H2O),室溫反應(yīng) 2 h。用碳酸氫鈉溶液(15%,w/w)在 2 h 內(nèi)逐漸將反應(yīng)溶液的pH 提高至 4.0,再繼續(xù)反應(yīng) 2 h。過(guò)濾反應(yīng)產(chǎn)物并用去離子水充分洗滌,并在45 ℃下干燥12 h,得到Zr(IV)改性的膠原纖維層析材料。

2.2 膠原纖維層析材料的表征

用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-AES)檢測(cè)Zr(IV)在反應(yīng)溶液中的剩余量以及在吸附和分離過(guò)程中的逸出量,考察Zr(IV)在膠原纖維上的固載強(qiáng)度。

用紅外光譜儀(FT-IR)分別檢測(cè)原有的膠原纖維層析材料和改性的膠原纖維層析材料,對(duì)比二者的紅外譜圖,分析Zr(IV)與膠原纖維的反應(yīng)情況。

用掃描電鏡(SEM)觀察材料在改性前后的形態(tài)結(jié)構(gòu),分析Zr(IV)對(duì)膠原纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響。

用BET比表面儀測(cè)量材料在改性前后的比表面積,分析Zr(IV)對(duì)膠原纖維比表面積的影響。

2.3 對(duì)黃酮苷元吸附性能的考察

芹菜素、山奈酚、槲皮素、楊梅素都是典型的黃酮苷元,結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 黃酮苷元結(jié)構(gòu)

芹菜素、山奈酚、槲皮素、楊梅素在結(jié)構(gòu)上依次相差一個(gè)羥基(-OH),是比較難以分離的混合體系,因而被選作膠原纖維層析材料的吸附和分離對(duì)象。考察乙醇濃度、pH值和離子強(qiáng)度對(duì)吸附的影響,優(yōu)化出最佳的吸附和解析條件,為分離條件的選擇提供重要的參考,并與原有膠原纖維層析材料做對(duì)比。采用高效液相色譜(HPLC)檢測(cè)吸附前后溶液中4種黃酮苷元的濃度,從而根據(jù)式(1)計(jì)算出其在材料上的吸附率。

(1)

式中E為吸附率,C0為吸附前組分的濃度(mg/L),Ct為吸附后組分的濃度(mg/L)。

具體操作:配制芹菜素、山奈酚、槲皮素和楊梅素混合溶液100 mL,4種組分的濃度均為30 mg/L,對(duì)于考察乙醇濃度的影響,溶劑為50%、60%、70%、80%、90%、100%乙醇水溶液；對(duì)于考察pH值的影響,溶劑pH值為 3.0、5.0、7.0、9.0、11.0的50%乙醇水溶液；對(duì)于考察離子強(qiáng)度的影響,溶劑為NaCl濃度0.2 mol/L、0.4 mol/L、0.6 mol/L、0.8 mol/L、1.0 mol/L的50%乙醇水溶液,吸取各混合溶液15 mL,分別加入到裝有0.15 g改性膠原纖維層析材料和原有膠原纖維層析材料的碘量瓶中,水浴振蕩12 h后過(guò)濾(25 ℃,轉(zhuǎn)速120 r/min),對(duì)濾液進(jìn)行HPLC 分析。

2.4 對(duì)黃酮苷元分離性能的考察

分別取6 g原有膠原纖維層析材料和改性膠原纖維層析材料,濕法裝入層析玻璃柱中,用直尺測(cè)量層析柱的高度和直徑,計(jì)算其長(zhǎng)徑比,并與恒流泵以及自動(dòng)收集器連接。用純乙醇配制芹菜素、山奈酚、槲皮素和楊梅素混合溶液,4種組分的濃度均為5 mg/mL,吸取1 mL上柱,按照吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果推斷出的分離條件進(jìn)行分離實(shí)驗(yàn)。用自動(dòng)收集器收集分離洗脫液,每30 min收集10 mL洗脫液。用紫外—見(jiàn)分光光度計(jì)(UV-Vis)檢測(cè)洗脫液的吸光度,以時(shí)間為橫坐標(biāo),以吸光度為縱坐標(biāo),繪制分離洗脫曲線。將同一洗脫段液體收集,并通過(guò)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮或稀釋至100 mL,用高效液相色譜儀分析洗脫液中各組分的濃度,并根據(jù)式(2)和式(3)計(jì)算純度和回收率。

(2)

(3)

式中P為純度,R為回收率,M0為分離前目標(biāo)組分的質(zhì)量(mg),M1為分離后目標(biāo)組分的質(zhì)量(mg),M2為分離后非目標(biāo)組分的質(zhì)量(mg)。

3 結(jié)語(yǔ)

該探索型實(shí)驗(yàn)已在本科生創(chuàng)新實(shí)踐和科研訓(xùn)練課程中順利開展,學(xué)生既參與了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析,又學(xué)習(xí)了多種高端科研檢測(cè)儀器的使用,由此激發(fā)了學(xué)生對(duì)科學(xué)研究的興趣,培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和科研意識(shí),也提高了學(xué)生的動(dòng)手能力和綜合素質(zhì)。學(xué)生目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在膠原纖維層析材料上固載一部分鋯離子確實(shí)會(huì)顯著增大其對(duì)黃酮苷元的吸附強(qiáng)度。所以,由本科生制備出針對(duì)黃酮苷元具有良好分離效果的膠原纖維層析材料值得期待。

參考文獻(xiàn)(References)

[1] 郭翔.本科生科研能力培養(yǎng)模式及改進(jìn)路徑研究[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)教育, 2014 (3):43-46.

[2] 劉春英,柳云騏,羅立文.化學(xué)化工專業(yè)本科生科研能力的培養(yǎng)[J].石油教育, 2011 (4):93-95.

[3] Zhang Q X, Li J, Zhang W H, et al. Adsorption chromatography separation of baicalein and baicalin using collagen fiber adsorbent [J].Industrial and Engineering Chemistry Research,2013, 52:2425-2433.

[4] 張琦弦, 張文華, 廖學(xué)品,等.膠原纖維吸附劑對(duì)單糖基黃酮苷類化合物的層析分離性能[J]. 功能材料,2012,43(5):618-621.

[5] 李欣欣,張琦弦,張文華,等.膠原纖維吸附劑對(duì)單糖基黃酮苷類化合物的層析分離性能[J]. 林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè), 2014,34(6):56-60.

[6] 徐濤.黃酮類活性成分配位色譜分離技術(shù)研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2007.

[7] 張琦弦,石碧.基于膠原纖維的吸附分離材料研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展,2014,33(9):2235-2243.

[8] 顧迎春,廖學(xué)品,王玉路,等.皮膠原纖維固載 Zr(IV)對(duì)水體中染料的吸附[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 15(3):414-423.

[9] 顧迎春,廖學(xué)品,石碧.皮膠原纖維固載Zr(IV)對(duì)水體中苯羧酸的吸附特性[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版),2010,42(3):189-200.

[10] Zhang M N,Jiang S J,Liao X P, et al.Remove of aromatic organic acids from aqueous solution by using leather waste as an adsorbent [J].The Journal of the American Leather Chemists Association, 2008,103(2):62-67.

[11] 吳暉,張米娜,姜蘇杰,等.膠原固載Zr(IV)親和吸附材料的制備及其對(duì)牛血清蛋白的吸附特性[J].生物質(zhì)化學(xué)工程,2008,42(1):17-21.