γ-聚谷氨酸/殼聚糖凝膠制備優化及保水固沙性能

桑娜 汪建英 孫雨

摘要：以γ-聚谷氨酸（γ-PGA）和殼聚糖（CS）為原料制備一種用作保水固沙材料的凝膠，利用熱重分析研究結構變化，以寧夏沙頭坡沙土為材料測試其保水性能和抗風蝕性能。結果表明，最佳制備工藝為：γ-PGA與CS的添加比例為20 ∶ 80，其添加總量為3.0 g，乙酸濃度0.4 mol/L，乙酸添加量20 mL，此條件下吸水倍率為50.89±0.23。熱重分析表明，γ-PGA和CS間發生了相互作用。由保水試驗和抗風蝕試驗可知，經8 d后γ-PGA/CS凝膠仍有一定保水性能和抗風蝕能力。使用γ-PGA/CS保水劑后土壤中水分蒸發速率明顯降低，空白組15 d累計蒸發率達到93%，使用γ-PGA/CS保水劑后8 d累計蒸發率為70%;γ-PGA/CS保水劑添加量為0.1%時，風蝕模數從 35.6 g/（m2·min） 降低至27.3 g/（m2·min），固化層厚度為1.5 cm;使用γ-PGA/CS保水劑后土壤顆粒中>0.25 mm 團聚體含量增加13.7%。

關鍵詞：γ-聚谷氨酸;殼聚糖;吸水倍率;土壤水分蒸發率;土壤團聚體;風蝕模數

中圖分類號：S157 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2019）01-0251-04

γ-聚谷氨酸（poly γ-glutamic acid，γ-PGA）是以枯草芽孢桿菌或地衣芽孢桿菌通過發酵技術制備的一種高分子化合物[1]，是由 L-谷氨酸、D-谷氨酸單體通過酰胺鍵聚合而成的一種多肽分子[2]，其分子鏈中有活性很強的—COOH基團，有很多可利用的功能[3]，如吸水性、保濕性及吸附重金屬等，同時單體谷氨酸屬于氨基酸，降解后不會造成任何污染，是環境友好型材料。γ-聚谷氨酸由于含有較多的羧基和活性基團[4]，故其具有較強的保水性和緩釋性，在農業上有較大的應用潛力[5]。

殼聚糖（chitosan，CS）側鏈含有氨基，酸性條件下氨基質子化使其成為一種正電性的聚合物[6]。γ-聚谷氨酸由于其側鏈羧基的存在，是一種陰離子聚合物[7]。利用靜電相互作用，可以制備γ-聚谷氨酸/殼聚糖凝膠（γ-PGA/CS凝膠）。具有生物來源 γ-聚谷氨酸和殼聚糖制備的保水劑，相比于人工合成的高分子材料如聚丙烯酸等，具有更好的生物相容性，作為保水固沙材料更具環境友好性[8]。

本研究以γ-聚谷氨酸和殼聚糖為原材料制備一種可用于作保水固沙材料的凝膠[9]。通過吸水倍率測試、熱重分析，研究材料結構和熱穩定性;通過保水試驗和抗風蝕試驗研究材料的保水性能和抗風蝕性能[10]。本研究為實現γ-聚谷氨酸/殼聚糖凝膠作保水固沙材料的應用提供了理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

γ-聚谷氨酸（γ-PGA），購自北洋百川生物技術有限公司;殼聚糖（CS），購自河南金誠生物科技有限公司;冰乙酸，購自博歐特（天津）化工貿易有限公司。TGA-Q50熱重分析儀，購自美國TA公司;磁力攪拌器，購自天津市歐諾儀器表有限公司。

供試土壤采自寧夏沙頭坡。試驗時間為2017年2—5月。

1.2 試驗方法

1.2.1 γ-PGA/CS凝膠制備 稱取0.4 g γ-PGA粉末溶于蒸餾水中，攪拌均勻后加入1.6 g殼聚糖粉末，充分攪拌使殼聚糖粉末均勻地分散在γ-聚谷氨酸溶液中，再加入20 mL濃度為0.4 mol/L的乙酸溶液，整個反應體系共60 mL，反應得到γ-PGA/CS凝膠，去離子水多次洗滌至中性，真空干燥箱干燥材料，粉碎成粉末狀[11]。

1.2.2 吸水倍率的測定 稱取一定質量的干凝膠，將其置于去離子水中，室溫溶脹至平衡（5 h）。吸水倍率結果按公式（1）計算[12-13]。

吸水倍率=（m-m0）/m0。

1.2.3 γ-PGA/CS凝膠制備工藝條件的優化 單因素試驗：（1）γ-PGA與CS的添加比例。分析γ-PGA與CS的添加比例分別為0 ∶ 100、5 ∶ 95、15 ∶ 85、20 ∶ 80、30 ∶ 70、50 ∶ 50對吸水倍率的影響。（2）γ-PGA與CS的添加總量。分析添加總量分別為0.6、1.2、2.4、3.0、3.6、4.8 g對吸水倍率的影響。（3）乙酸濃度。分析乙酸濃度分別為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 mol/L 對吸水倍率的影響。（4）乙酸添加量。分析分別添加乙酸20、30、40、50、60 mL對吸水倍率的影響。

在單因素試驗基礎上進行正交試驗。選用L9（34）正交表進行試驗，以吸水倍率為響應值，通過正交試驗確定 γ-PGA/CS 凝膠最佳的制備條件，試驗因素水平見表1，每組試驗重復3次。

1.2.4 熱重分析（TGA） 利用TGA-Q50熱重分析儀[14]。

1.2.5 保水性能試驗 取平行的沙樣，在土壤表面噴灑相同量的自來水，將土壤水含量調節至土壤飽和含水率，然后施用保水劑，施加量選定為2 kg/m2，記錄樣品質量;然后置于相同的環境條件（40 ℃放置6 h，20 ℃放置18 h，空氣濕度20%）下，每隔24 h稱質量，計算每天水分蒸發量并繪制出土壤水分蒸發率曲線 [15-16]。

1.2.6 土壤團聚體含量 將沙土置于20 cm×35 cm淺盤內，在其表面均勻灑上事先配制好的γ-PGA/CS凝膠（2 kg/m2），待水凝膠完全滲透后放入60 ℃鼓風烘箱內烘干。通過篩分法測定各粒徑下團粒體占沙土總質量的含量來評價沙土穩定性團粒結構[17]。

1.2.7 抗風蝕試驗 利用實驗室自制風洞進行固沙樣品耐風蝕性能的測定。每次試驗前先稱量固沙樣品質量計為m1（g），根據風蝕情況控制風蝕時間在3～10 min。試驗結束后再次稱量樣品質量計為m2（g），風蝕時間計為t（min），根據公式（2）計算樣品風蝕模數[g/（m2·min）]。