壳聚糖基复合膜的制备及其对蛋白质的吸附

刘佳鑫，张莉弘，傅晶依，丁修庆，王思琪，赵珺*

长春大学食品科学与工程学院（长春 130022）

豆腐是我国常见的传统食品，它含有丰富的蛋白质、维生素和矿物质等营养物质，是人们餐桌上必不可少的食物[1]，但在生产过程中会产生大量的废水，其中蛋白被凝固剂凝结成固体豆腐时，过滤出来的废水便是我们熟知的黄浆水[2]。通常人们将黄浆水直接排放到下水道里，由于黄浆水中含有一定量的蛋白质，长期排放易造成水体富营养化，污染水质，对水生动植物危害极大[3-4]。目前，去除废水中蛋白质的方法有泡沫分离法[5]、等电点沉淀法[6]和超滤法[7]等，但这些方法存在操作复杂、设备价格昂贵、能耗较高和易造成环境污染等问题。而吸附法因其操作简单、成本低、可重复利用，近年来常被应用在处理食品工业废水中[8]。

CTS是唯一一种天然的碱性多糖[9]，在自然界中大量存在，且具有无毒、可生物降解、成膜性等特点[10]，并对蛋白质有一定的絮凝作用[11]。但CTS在酸溶液中不稳定，易溶解[9]，对CTS进行改性处理能较好地提高CTS吸附材料的稳定性。β-CD具有特殊的内疏水外亲水空腔结构，能包络大小合适的有机物[12]，将蛋白质从水溶液体系中提取出来，从而降低废水中蛋白质的含量，但β-CD具有高水溶性且无成膜性的特点[13]，因此将β-CD交联至CTS分子链上，可制备出性能稳定、机械强度高、操作简单、安全无毒、吸附后易分离的CTS/β-CD复合膜，用于处理黄浆水中蛋白质，以提高吸附效率、降低蛋白质的含量。

此次试验采用流延法，通过交联剂戊二醛，将CTS与β-CD进行交联，制备出CTS/β-CD复合膜；对CTS/β-CD复合膜进行FT-IR、SEM表征，对溶胀度、透射率等基本性能的测定，并以黄浆水中蛋白质吸附量为考察指标，优化不同制备条件和吸附条件下CTS/β-CD复合膜对蛋白质的吸附量，根据最优吸附量筛选出最佳制备条件和吸附条件。

1 材料和方法

1.1 主要材料与试剂

黄浆水（豆腐坊）；β-CD（上海惠世生化试剂有限公司）；CTS（脱乙酰度80.0%～95.0%，国药集团化学试剂有限公司）；戊二醛、蒸馏水、冰乙酸、甘油、NaOH、乙醇、柠檬酸、考马斯亮蓝（北京化工厂）。

1.2 主要设备与仪器

AM-3250A型磁力搅拌恒温器（上海硕光电子科技有限公司）；HH-ZK1型恒温水浴锅（巩义市予华仪器有限责任公司）；GZX-9070MBE型电热鼓风干燥箱（上海博迅实业有限公司医疗设备厂）；AUW120型电子天平（日本岛津仪器有限责任公司）；PHS-3C型pH剂（上海仪电科学仪器股份有限公司）；TDL-50B型低速离心机（上海安亭科学仪器厂）；NTS-4000B型恒温振荡水槽（日本东京理化械株式会社）；Nicolet iS5型傅里叶红外光谱仪（日本岛津仪器有限责任公司）；JSM-6510LA扫描电镜（日本电子株式会社）；JJ-1BA型搅拌器（常州润华电器有限公司）；UV-2700紫外可见分光光度计（岛津仪器有限公司）。

1.2.1 CTS/β-CD复合膜的制备

称取CTS溶于乙酸溶液中，缓慢滴加0.1 g甘油，恒温搅拌10 min后，滴加0.25%戊二醛溶液，称取β-CD溶于蒸馏水中，将两种溶液倒入烧杯中混匀，恒温搅拌，制得CTS/β-CD铸膜液。待反应结束后离心，采用流延法将CTS/β-CD铸膜液平铺在平板上，于50 ℃烘干，揭膜后放入NaOH溶液中浸泡1 h，烘干，揭膜，制得CTS/β-CD复合膜[14]。

1.2.2 FT-IR表征

将CTS膜和CTS/β-CD复合膜经溴化钾压片，用FT-IR仪进行测定[15]。扫描范围为4 000～500 cm-1，分析各物质红外光谱，以判断样品表面基团的变化。

1.2.3 SEM表征

将CTS膜和CTS/β-CD复合膜放在铜台上喷金，在加速电压5.0 kV、电流10 mA的条件下进行形貌观察[16]。

1.2.4 样品基本性能的测定

1) 溶胀度的测定[17]：裁取1 cm×1 cm CTS/β-CD复合膜，称定此膜的质量，然后浸入去离子水中24 h使其充分溶胀，用滤纸快速地吸去膜样品表面水分，称定膜的质量。试验平行测3次，取平均值。溶胀度按式（1）计算。

式中：Sd为溶胀度；Mw为膜样品湿质量，g；Md为膜样品干质量，g。

2) 透射率的测定[17]：采用紫外分光光度计进行扫描，测定膜样品透射率。

1.2.5 吸附试验

1) 蛋白质质量浓度的计算：采用考马斯亮蓝法测定废水中蛋白质含量，首先配置500 μg/mL牛血清白蛋白标准溶液，分别稀释至0，50，100，150，200和250 μg/mL蛋白质标准溶液，再放入到6支试管中，分别向每支试管中加入5 mL考马斯亮蓝，测其吸光度，绘制蛋白质标准曲线，如图1所示。

图1 蛋白质标准曲线

2) 吸附试验：称取0.2 g CTS/β-CD复合膜，分别加入到20 mL黄浆水溶液中，置于恒温振荡箱中，在温度25 ℃、时间2 h、转速100 r/min的条件下进行吸附试验，离心后取上层清液，用紫外分光光度计测定质量浓度，按式（2）计算其吸附量。

式中：R为蛋白质吸附量，mg/g；C0为蛋白质初始质量浓度，μg/mL；Ct为吸附后蛋白质质量浓度，μg/mL；V为蛋白质溶液的体积mL；m为吸附时所用CTS/β-CD复合膜的质量，g。

1.2.6 CTS/β-CD复合膜制备条件优化

CTS/β-CD复合膜对蛋白质吸附量的多少取决于复合膜制备时的质量比、反应温度、NaOH质量分数等因素。此次试验对这些因素进行研究讨论，以筛选出对蛋白质吸附量最高的CTS/β-CD复合膜制备条件，制备条件如表1所示。

表1 CTS/β-CD复合膜制备条件优化单因素试验设计表

1.2.7 CTS/β-CD复合膜吸附条件优化

CTS/β-CD复合膜对蛋白质吸附量的多少还取决于吸附时黄浆水的pH和对黄浆水的稀释倍数等因素，因此对吸附条件中这两种因素进行试验讨论，以筛选出对蛋白质吸附量最高的吸附条件，其吸附条件如表2所示。

表2 CTS/β-CD复合膜吸附条件优化单因素试验设计表

2 结果与分析

2.1 FT-IR结果与分析

如图2所示，3 448 cm-1是CTS膜的—OH的伸缩振动吸收峰，2 918和2 862 cm-1处是CTS膜的—CH3和—CH的伸缩振动峰，1 634和1 580 cm-1是—H变形和N—H弯曲振动峰；同样在CTS/β-CD复合膜中，3 420 cm-1是—OH的伸缩振动吸收峰，2 918和2 853 cm-1处是—CH3和—CH的伸缩振动峰，1 641和1 583 cm-1是N—H变形和N—H弯曲振动峰，而CTS/β-CD膜在1 741 cm-1处形成了席夫碱峰，此峰的形成可以说明壳聚糖的氨基和戊二醛发生了席夫碱反应，CTS/β-CD复合膜在合成过程中发生了交联反应。

图2 CTS膜和CTS/β-CD复合膜FT-IR图

2.2 SEM结果与分析

由图3可知，CTS膜表面较光滑、平整，无孔状结构，CTS/β-CD膜表面结构与CTS膜相比，膜表面的光滑度稍有下降，表面有β-CD微粒，因此说明CTS膜表面附有β-CD。

图3 CTS膜和CTS/β-CD复合膜SEM图

2.3 溶胀度的结果与分析

由表3可知，CTS/β-CD复合膜的溶胀度为54.97%，CTS膜的溶胀度为71.20%，CTS/β-CD复合膜的溶胀度低于CTS膜的溶胀度，这是由于交联剂戊二醛、β-CD的引入，使复合膜交联度增大、溶胀平衡作用提高，故复合膜的溶胀度降低，稳定性增强，在废水处理过程中膜性能更加稳定。

表3 CTS膜和CTS/β-CD复合膜溶胀度

2.4 透射率的结果与分析

由图4可知，CTS/β-CD复合膜的透射率低于CTS膜的透射率，这是由于CTS/β-CD复合膜表面粗糙，带有β-CD微粒，对光有一定的散射、反射、吸收等作用。这与CTS膜和CTS/β-CD复合膜SEM分析一致，进一步证明CTS/β-CD复合膜表面带有β-CD微粒。

图4 CTS膜和CTS/β-CD复合膜透射率

2.5 CTS/β-CD复合膜制备条件对蛋白质吸附量的影响

2.5.1 质量比对蛋白质吸附量的影响

由图5可知，蛋白质吸附量随着β-CD与CTS质量比的增加而不断上升，当质量比达到1∶1时，蛋白质吸附量达到最高（1.139 mg/g）；之后随着β-CD与CTS质量比的增大，吸附量逐渐减小。这是因为随着质量比的不断增加，CTS/β-CD复合膜中不断增多的CTS会结合更多的蛋白质，但达到一定质量比后，过量的CTS会与交联剂反应，占据氨基活性位点，导致吸附量下降。由此确定，β-CD与CTS质量比1∶1时制得的复合膜对蛋白质吸附量最高。

2.5.2 反应温度对蛋白质吸附量的影响

由图6可知，蛋白质吸附量随着反应温度升高而增加，当反应温度达到45 ℃时，吸附量达到最高（4.046 mg/g），这是因为随着温度的升高，CTS和β-CD在戊二醛交联下反应会更加完全，吸附量逐渐升高，但温度过高会使CTS分子链发生断裂，CTS/β-CD复合膜易脆，导致其对蛋白质的吸附量下降。由此确定，复合膜最佳制备反应温度为50 ℃。

图5 质量比对蛋白质吸附量的影响

图6 反应温度对蛋白质吸附量的影响

2.5.3 NaOH质量分数对蛋白质吸附率的影响

由图7可知，蛋白质吸附量随着NaOH质量分数的不断增加而逐渐上升，当NaOH质量分数达到4%时，蛋白质吸附量达到最高（4.406 mg/g），这是因为增加NaOH质量分数能更好地结合复合膜上的乙酸，使复合膜在吸附过程中不易溶解，但高质量分数的NaOH会造成膜表面和内部结构差异大，膜增硬、发脆，导致吸附量下降。由此确定，最佳NaOH质量分数为4%。

图7 NaOH质量分数对蛋白质的影响

由单因素试验可知，当质量比为1∶1，反应温度为45 ℃，NaOH质量分数为4%时，所制备的CTS/β-CD复合膜对黄浆水中蛋白质吸附量达到最佳，为4.406 mg/g。

2.6 CTS/β-CD复合膜吸附条件对蛋白质吸附量的影响

2.6.1 pH对蛋白质吸附量的影响

由图8可知，蛋白质吸附量随着pH的升高而逐渐增加，当pH达到5时，蛋白质吸附量最高（4.406 mg/g），这是因为随着pH的升高，壳聚糖分子中氨基在弱酸性条件下容易发生质子化，呈现阳离子型电解质，复合膜表面带有较多正电荷，可有效吸附水中带负电的蛋白质胶粒，但pH超过5时溶液逐渐为碱性，正电荷数量减少，导致吸附量下降。由此确定，最佳吸附条件pH为5。

图8 pH对蛋白质的影响

2.6.2 稀释倍数对蛋白质吸附量的影响

由图9可知，蛋白质吸附量随着稀释倍数的增加而逐渐上升，当稀释倍数为1时，蛋白质吸附量达到最高（4.406 mg/g），这是因为随着稀释倍数的不断增加，复合膜上的基团能与黄浆水中的蛋白质完全吸附，但过高的稀释倍数使溶液中蛋白质浓度降低，导致吸附量下降。由此确定，最佳稀释倍数为1。

图9 稀释倍数对蛋白质的影响

由单因素试验可知，当pH为5，稀释倍数为1时，CTS/β-CD复合膜对蛋白质吸附量达到最佳，为4.406 mg/g。

3 结论与讨论

CTS/β-CD复合膜FT-IR中席夫碱峰的出现和SEM的表面带有β-CD，说明合成了CTS/β-CD复合膜；CTS膜的溶胀度低于CTS/β-CD复合膜的溶胀度，说明CTS/β-CD复合膜在水处理过程中比CTS膜更加稳定；CTS膜的透射率低于CTS/β-CD复合膜的透射率，进一步证明复合膜表面粗糙并带有β-CD微粒。

以蛋白质吸附量为考察指标，优化CTS/β-CD复合膜的制备和吸附条件，当质量比为1∶1，反应温度为45 ℃，NaOH质量分数为4%，pH为5，稀释倍数为1时，CTS/β-CD复合膜对黄浆水中蛋白质吸附量达到最佳，为4.406 mg/g。试验证明CTS/β-CD复合膜对黄浆水蛋白质有较好的吸附效果。