殼聚糖/β-環糊精復合物的制備及應用

劉佳鑫，王思琪，周悅，王西，趙文珍，趙珺*

1. 長春大學食品科學與工程學院（長春 130022）；2. 鄭州市城區河道管理處（鄭州 450000）

生活中腌制品、紡織品、化妝品等行業大量排放含Cl-廢水[1]，由于Cl-具有強腐蝕性，排入江河湖海中會污染水質，會使動植物不能正常生長，造成生態環境危害[2-3]。劉偉佳[4]研究表明水中的氯離子和硫酸根離子（）會污染地下水且氯離子對地下水的污染要明顯高于SO42-。李春云等[5]研究表明，高濃度的造紙廢水不利于灌溉鹽堿化蘆葦濕地，其會使Cl-在土壤中下層出現積累，不利于蘆葦對鈉離子（Na+）的吸收。目前，我國去除水中Cl-的常用方法有石灰鋁鹽沉淀、離子交換、膜分離、電吸附、電滲析等[6]，但這些方法存在著操作復雜、易產生大量固體廢棄物、成本和能耗較高等問題。近年來，殼聚糖和β-環糊精天然產物由于具有吸附作用且不會造成水的二次污染，常被用于處理含重金屬離子、染料、酚類、有機物等生活和工業廢水。例如用四氧化三鐵和β-環糊精改性過的磁性殼聚糖微球，對亞甲基藍有很高的吸附量和去除率[7]。而采用反相懸浮法將殼聚糖與β-環糊精復合，對葛根素的去除效果比單一殼聚糖好[8]，然而目前關于殼聚糖交聯β-環糊精聚合物對水中Cl-去除研究還鮮見報道。

殼聚糖是唯一一種天然堿性多糖，是甲殼素經脫乙酰作用的產物[9]，難溶于水和堿性溶液，但溶于酸[10]。其分子鏈上存在大量的氨基、羥基及一些N-乙酰氨基，可在酸性溶液中形成陽離子電解質，對陰離子具有吸附能力[11-13]。β-環糊精具有特殊的空腔結構，能有效包裹一些有機分子、無機離子、水分子、鹵化氫和稀有氣體等形成包絡物客體，將其從環境中提取出來，從而降低污染。而通過改性制成的β-環糊精聚合物，既保持了β-環糊精的包絡及識別作用，又兼有較好的機械強度和穩定性[14]。將β-環糊精聚合物交聯至殼聚糖分子鏈上，得到環糊精修飾的殼聚糖衍生物，用以處理含Cl-廢水，以降低廢水中Cl-的含量。

1 材料和方法

1.1 材料與儀器

β-環糊精（上海惠世生化試劑有限公司）；殼聚糖（脫乙酰度80.0%～95.0%，國藥集團化學試劑有限公司）；檸檬酸、磷酸二氫鈉（北京化工廠）；聚乙二醇400、戊二醛、基準氯化鈉（天津市光復精細化工研究所）；蒸餾水、鹽酸、氫氧化鈉、乙醇、檸檬酸（均為分析純）。

AM-3250 A型磁力攪拌恒溫器（上海碩光電子科技有限公司）；HH-ZK1型恒溫水浴鍋（鞏義市予華儀器有限責任公司）；GZX-9070 MBE型電熱鼓風干燥箱（上海博迅實業有限公司醫療設備廠）；AUW 120型電子天平（日本島津儀器有限責任公司）；PHS-3C型pH劑（上海儀電科學儀器股份有限公司）；TDL-50 B型低速離心機（上海安亭科學儀器廠）；NTS-4000 B型恒溫振蕩水槽（日本東京理化械株式會社）；Nicolet iS5型傅里葉紅外光譜儀（日本島津儀器有限責任公司）；JSM-6510 LA掃描電鏡（日本電子株式會社）；JJ-1 BA型攪拌器（常州潤華電器有限公司）。

1.2 方法

1.2.1β-環糊精聚合物的制備[15-16]

將2 g檸檬酸、1 g聚乙二醇400、0.25 g磷酸二氫鈉、10 gβ-環糊精放入燒杯中，加入蒸餾水并加熱，使其充分溶解。將溶液放在恒溫鼓風干燥箱中烘干，取出燒杯，冷卻。將生成的產物在瓷乳缽中仔細研磨，然后用蒸餾水、無水乙醇充分洗滌、抽濾、烘干。最后，將干燥的產物仔細研磨，即得β-環糊精聚合物。

1.2.2 殼聚糖/β-環糊精復合物的制備及制備條件優化

1.2.2.1 殼聚糖/β-環糊精復合物的制備[17]

稱取殼聚糖于鹽酸溶液中，同時稱取β-環糊精聚合物于蒸餾水中，將兩種溶液倒入燒杯中混勻，加熱升溫至60 ℃后向燒杯中緩慢滴加25%戊二醛溶液，開始恒溫攪拌，待反應結束后將沉淀過濾，用乙醇、蒸餾水洗滌、抽濾，濾出物于45 ℃下烘至恒質量，得到棕色粉末狀殼聚糖/β-環糊精復合物。

1.2.2.2 殼聚糖/β-環糊精復合物制備條件優化

分別設定殼聚糖與β-環糊精聚合物質量比、反應溫度、反應時間、戊二醛添加量的不同水平進行單因素試驗，制備出殼聚糖/β-環糊精復合物，制備條件如表1所示。

表1 殼聚糖/β-環糊精復合物制備單因素試驗設計

1.2.3 吸附試驗及殼聚糖/β-環糊精復合物最優制備條件確定

按照腌制品行業脫鹽處理后廢水中氯離子含量配制0.15% Cl-模擬廢水[18]。

稱取一定質量不同制備條件下獲得的殼聚糖/β-環糊精復合物，加入到0.15% Cl-模擬廢水中，調節pH為4，在100 r/min轉速下恒溫振蕩2 h，離心并取上層清液。

Cl-含量采用硝酸銀滴定法進行測定。Cl-吸附率按式（1）計算，Cl-吸附量按式（2）計算。

式中：C0為Cl-的初始濃度，mg·L-1；Ct為恒溫振蕩2 h后的剩余濃度，mg·L-1；V為Cl-溶液的體積，L；m為吸附時所用殼聚糖/β-環糊精復合物質量，g。

以不同制備條件下殼聚糖/β-環糊精復合物對氯離子的吸附量和吸附率作對比，篩選出最優殼聚糖/β-環糊精復合物制備條件。

1.2.4 傅里葉變換紅外光譜表征

將殼聚糖、β-環糊精、β-環糊精聚合物、殼聚糖/β-環糊精復合物、吸附Cl-后殼聚糖/β-環糊精復合物分別經溴化鉀壓片，用傅里葉變換紅外光譜儀進行測定，掃描范圍為4 000～500 cm-1[19-20]，分析各物質紅外光譜以判斷合成及吸附前后樣品表面基團的變化。

1.2.5 掃描電鏡表征

將殼聚糖、殼聚糖/β-環糊精復合物、吸附Cl-后殼聚糖/β-環糊精復合物放在銅臺上噴金，在加速電壓5.0 kV、電流10 mA的條件下對殼聚糖、殼聚糖/β-環糊精復合物、吸附Cl-后殼聚糖/β-環糊精復合物進行形貌觀察。

2 結果與分析

2.1 殼聚糖/β-環糊精復合物制備時質量比對Cl-吸附量和吸附率的影響

由圖1可知，Cl-吸附量和吸附率隨著殼聚糖與β-環糊精聚合物質量比的增加而不斷上升，當質量比達到1︰5時，Cl-吸附量、吸附率達到最高，分別為19.6 mg·g-1和26.2%；之后隨著殼聚糖與β-環糊精聚合物質量比的增大，吸附量和吸附率逐漸減小。這是因為隨著質量比的不斷增加，復合物與Cl-結合位點不斷增多，吸附量和吸附率不斷增加，但達到一定質量比時，過量的殼聚糖會與交聯劑發生反應，使殼聚糖與β-環糊精聚合物反應降低，導致吸附率和吸附量下降，由此確定制備最佳殼聚糖與β-環糊精聚合物質量比為1︰5。

圖1 殼聚糖、β-環糊精聚合物質量比對Cl-吸附量和吸附率的影響

2.2 殼聚糖/β-環糊精復合物制備時反應溫度對Cl-吸附量和吸附率的影響

由圖2可知，Cl-吸附量和吸附率隨著反應溫度的升高而增加，當反應溫度達到80 ℃時，吸附量、吸附率達到最高，分別為27.41 mg·g-1和38.7%；之后隨著溫度升高，吸附量和吸附率逐漸降低，這是因為溫度過高使部分產物發生分解，導致吸附量和吸附率下降，由此確定制備最佳反應溫度為80 ℃。

圖2 反應溫度對Cl-吸附量和吸附率的影響

2.3 殼聚糖/β-環糊精復合物制備時反應時間對Cl-吸附量和吸附率的影響

由圖3可知，Cl-吸附量和吸附率隨著反應時間的延長而增加，當反應時間達到90 min時，吸附量、吸附率達到最高，分別為29.75 mg·g-1和40.2%，之后隨著時間延長吸附量和吸附率并無太大變化，這是因為在90 min時殼聚糖與β-環糊精聚合物已反應完全，之后沒有殼聚糖/β-環糊精復合物的生成，導致吸附量和吸附率不再變化。由此確定制備最佳反應時間為90 min。

圖3 反應時間對Cl-吸附量和吸附率的影響

2.4 殼聚糖/β-環糊精復合物制備時戊二醛添加量對Cl-吸附量和吸附率的影響

由圖4可知，Cl-吸附量和吸附率隨著戊二醛添加量增加而逐漸增加，在1.5 mL時吸附量、吸附率達到最大值，分別為30.34 mg·g-1和40.78%；之后隨著添加量的增加，Cl-吸附量和吸附率反而減小。這是因為過量的戊二醛交聯劑自身也會發生交聯，導致殼聚糖和β-環糊精聚合物不能得到完全的交聯反應，由此確定最佳交聯劑戊二醛添加量為1.5 mL。

2.5 β-環糊精、β-環糊精聚合物紅外光譜圖分析

由圖5可知，β-環糊精和β-環糊精聚合物紅外光譜中特征吸收峰大致相同，均在3 400 cm-1附近處出現由于—OH鍵的伸縮振動產生的強而寬的吸收峰，在937.65和860.63 cm-1處分別出現α-(1, 4)糖苷鍵和α-(1, 4)吡喃葡萄糖的吸收特征峰。而β-環糊精聚合物的紅外光譜中，除保留了β-環糊精分子中葡萄糖單元的特征吸收峰及—OH的伸縮振動產生的吸收峰外，在1 708.33 cm-1處出現了酯基的吸收峰，由此推測，檸檬酸上的羧基與β-環糊精上的羥基反應生成了酯鍵[21-22]，合成了β-環糊精聚合物。

圖4 戊二醛添加量對Cl-吸附量和吸附率的影響

圖5 β-環糊精、β-環糊精聚合物的紅外光譜

2.6 殼聚糖、殼聚糖/β-環糊精復合物、吸附Cl-后殼聚糖/β-環糊精復合物紅外光譜圖分析

由圖6可知，3 426.79 cm-1是殼聚糖O—H及N—H的伸縮振動吸收峰，895.72 cm-1是殼聚糖β-(1, 4)糖苷鍵的特征峰；由圖5β-環糊精聚合物紅外光譜圖可知，在937.65和860.63 cm-1處分別是β-環糊精聚合物上的α-(1, 4)糖苷鍵和α-(1, 4)吡喃葡萄糖吸收特征峰；與殼聚糖和β-環糊精聚合物紅外光譜圖對比可知，殼聚糖/β-環糊精復合物在895.72 cm-1處特征峰是殼聚糖的β-(1, 4)糖苷鍵的特征峰，946.49和860.32 cm-1處分別是β-環糊精聚合物上的α-(1, 4)糖苷鍵和α-(1, 4)吡喃葡萄糖吸收特征峰。由于殼聚糖和β-環糊精聚合物有很多相同的基團，當二者交聯后，殼聚糖會掩蓋住β-環糊精聚合物，由此可推斷β-環糊精聚合物與殼聚糖發生了交聯，合成了殼聚糖/β-環糊精復合物。

吸附Cl-后殼聚糖/β-環糊精復合物紅外光譜圖與吸附前殼聚糖/β-環糊精復合物相比，3 384.62 cm-1處O—H及N—H伸縮振動吸收峰遷移到3 416.09 cm-1處；殼聚糖/β-環糊精復合物在1 641.9和1 600.6 cm-1處N—H變形和N—H彎曲振動峰，吸附Cl-后伸縮到1 637.22和1 577.29 cm-1處，由此推斷，殼聚糖/β-環糊精復合物上氨基參加了反應，吸附后殼聚糖/β-環糊精復合物在946.49和860.32 cm-1處吸收峰消失，也可推斷復合物上的β-環糊精聚合物和Cl-同樣也發生反應，此外其他特征吸收峰沒有明顯變化。因此合成了殼聚糖/β-環糊精復合物，且殼聚糖/β-環糊精復合物與Cl-發生了反應。

圖6 殼聚糖、殼聚糖/β-環糊精復合物、吸附Cl-后殼聚糖/β-環糊精復合物紅外光譜

2.7 殼聚糖、殼聚糖/β-環糊精復合物、吸附Cl-后殼聚糖/β-環糊精復合物掃描電鏡分析

由圖7可知，殼聚糖呈片狀結構，表面光滑無褶皺，殼聚糖/β-環糊精復合物呈固體顆粒結構，且表面緊密粗糙，比表面積較殼聚糖大，吸附位點增多。吸附Cl-后殼聚糖/β-環糊精復合物的表面更加粗糙，由此推測其表面聚集了眾多氯聚集體。

3 結論與討論

為了確定殼聚糖/β-環糊精復合物最優制備條件，考察了殼聚糖與β-環糊精聚合物質量比、反應溫度、反應時間、戊二醛添加量對廢水中Cl-吸附量和吸附率的影響。研究結果顯示：當殼聚糖與β-環糊精聚合物質量比為1︰5、反應溫度為80 ℃、反應時間為90 min、戊二醛添加量為1.5 mL時，Cl-的吸附量和吸附率達到最佳，分別為30.34 mg·g-1和40.78%。經紅外圖譜分析表明，產物在1 708.33 cm-1處出現了由檸檬酸上的羧基與β-環糊精上的羥基反應生成的酯基吸收峰，因此證明合成了β-環糊精聚合物；殼聚糖/β-環糊精復合物紅外光譜圖上分別在895.72，946.49和860.32 cm-1處出現了殼聚糖的β-(1, 4)糖苷鍵、β-環糊精聚合物α-(1, 4)糖苷鍵、α-(1, 4)吡喃葡萄糖吸收特征峰，殼聚糖與β-環糊精聚合物發生了交聯反應，說明合成了殼聚糖/β-環糊精復合物；吸附Cl-后殼聚糖/β-環糊精復合物紅外光譜圖與吸附前殼聚糖/β-環糊精復合物相比，一些特征峰消失或發生了位移，這與吸附到Cl-有一定的關系。經掃描電鏡分析表明，殼聚糖/β-環糊精復合物表面緊密粗糙，比表面積較殼聚糖大，吸附位點增多，吸附率增加；吸附后的殼聚糖/β-環糊精復合物由于表面聚集了眾多氯聚集體而變得更加粗糙。

殼聚糖和β-環糊精是天然產物，制備成殼聚糖/β-環糊精復合物對其進行吸附是既利用殼聚糖對陰離子吸附能力又利用β-環糊精的空腔結構，其操作簡單、成本低廉。試驗嘗試在β-環糊精聚合物的基礎上，生成殼聚糖/β-環糊精復合物，并對廢水中的Cl-進行吸附研究，吸附效率明顯高于殼聚糖和β-環糊精直接生成的復合物，而吸附量和吸附率也可進一步通過優化吸附工藝得以提高。