专利名称：无纺布表面偶联单宁的吸附材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种在无纺布表面偶联单宁的吸附材料及其制备方法，属于吸附分离领域。
背景技术：
水基流体中蛋白质的吸附、分离和脱除技术在天然产物提取和深加工中蛋白质的分离和脱除、植物基饮料中浑浊活性蛋白质的脱除以及酒类等饮料产品使用明胶沉淀法脱除浑浊活性植物多酚后剩余明胶的再脱除等领域具有极大的实用价值。首先，功能性天然产物的开发是一个极具活力的领域，维普数据库中大量文献涉及桔皮多糖、裙带多糖、南瓜水溶性多糖、乌龙茶多糖、紫贻贝多糖、马齿苋多糖、紫萁多糖、橡子淀粉和发酵透明质酸的提取和精制，其技术关键都涉及提取液中杂蛋白的脱除(江晓蜿等，木瓜蛋白酶脱除桔皮多糖杂蛋白的研究，农产食品科技，2012，6 (I):14-16 ;陆慧玲等，植物多糖中蛋白脱除的研究进展，天然产物研究与开发，2008,20:185-189.等等)。小桐子树籽饼柏是一种良好的饲料资源，但其所含活性毒蛋白若不脱除就只能当肥料用，极大地降低了其利用价值(肖建辉等，超滤法脱除麻疯树籽饼柏毒蛋白的研究，中国饲料，2009，(15):36-40)ο其次，以啤酒、果酒和果汁为代表的植物基饮料涉及一个巨大的产业，这些产品中浑浊的形成对其质量具有很大影响。浑浊的类型主要是无机盐类浑浊、生物性浑浊以及蛋白质-多酚相互作用形成的浑浊，其中尤以第三类浑浊对产品影响最大，其形成原因主要是产品中的浑浊活性(敏感)蛋白如麦醇溶蛋白富含脯氨酸和谷氨酸单元，易与产品中的浑浊活性植物多酚(单宁)复合、交联而形成浑浊甚至沉淀，进而影响产品的外观、风味和保值期。(大)麦醇溶蛋白含有15-20%的脯氨酸[南京麦芽醇提蛋白中脯氨酸和谷氨酸含量分别为13.8%和39. 3% (金蓓等，不同麦芽中醇溶蛋白组分差异的研究，中国酿造，2011,235(10): 29-32)]、从苹果汁和葡萄籽分离的蛋白质中也分别含有5%和9.5%的脑氨酸(KarlJ.Siebert, Haze formation in beverages LffT, 2006(30):987-994 ；MichelLopez et al.Methods for the prevention or reduction of haze in beverages, US8119171B2)，用这些原料生产的植物基饮料因而有极高的浑浊风险，因此，对其中的浑浊活性蛋白质含量的调节与选择性脱除也就成为相关产业技术提升的关键。再就是，针对植物基饮料如啤酒中浑浊活性植物多酚的脱除，目前广泛采用加入明胶、鱼胶[富含脯氨酸和谷氨酸，牛皮明胶分别含13.1%和10.6%，草鱼皮明胶分别含9.5%和10.6%(王卫东等，鱼皮明胶的制备、特性及应用，食品科学，2009，30 (23):484-488)]、蛋清、木瓜蛋白酶的澄清精制技术，但在脱除浑浊活性植物多酚后又衍生出剩余蛋白质的再脱除问题(C.G.B Cole, the use of gelatin in wine fining, Proceeding ofthe SAAFost Technical Symposium ；Beadle,Leigh P.Beer brewing system and method,US 5718161)。在前述第一个领域，目前主要采用Seveage法为代表的有机溶剂变性脱除法、蛋白酶水解法、膜分离法和大孔吸附树脂吸附分离法脱除蛋白质(陆慧玲等，植物多糖中蛋白脱除的研究进展，天然产物研究与开发，2008,20:185-189)。溶剂变性脱蛋白效果尚可，但溶剂耗量大、分离困难、产品损失且溶剂有毒性和腐蚀性，其昂贵、费时、费力和危险的特点并不适合生产；与有机溶剂变性脱蛋白相比，蛋白酶水解法较有前途，具有经济、快速、高效、安全、产品损失小的优势，但失之于酶的专一性较强所致的使用范围受限；膜分离法有效面积大、滤速快、无相态变化、低温操作对有效成分的破坏作用小且能耗低，并能在原生物体系环境下实现蛋白质的分离，可高效浓缩富积产物并能有效去除杂质。但目前用于中药生产只是刚起步，在设备使用效率和工艺技术等方面还有待完善和提高；大孔树脂吸附分离蛋白不仅高效、设备简单、操作方便、易于自动化、三费少而有利于环保，而且收率高、质量好，浸出液与原成分种类和相对含量完全一致，是一种适合大工业生产的方法，但目前吸附树脂品种较少(只有极性和非极性两类)且吸附选择性差，不能很好地满足对植物有效成分分离的需要。在前述第二个领域，酒和果汁饮料中混浊形成的主因是浑浊活性蛋白质和浑浊活性植物多酚作用形成的不溶性复合物，因此通常需要脱除浑浊活性蛋白质、浑浊活性植物多酌■或同时脱除二者(Kenneth A Leiper et al, Optimising beer stabilisation bythe sellective removal of tannoids and sensitive proteins, J of the instituteof brewing, 2005:118-126) 0工业上通常采用四种方法脱除浑浊活性蛋白质:(I)硅基吸附剂吸附脱除法；(2) PVPP-硅氧化物混合吸附剂脱除法；(3)单宁酸沉淀脱除法及(4)木瓜蛋白酶水解脱除法(Mustafa, R.et al, Beer stabilization thechno1gy-Cleara Mater of choice MBAA TQ, 2005,42 (6):332_338)。第一种方法采用二氧化硅水溶胶、二氧化硅干溶胶、蒙脱土等为吸附剂，由于其吸附选择性差导致在脱除浑浊活性蛋白质时也会除去其他有效成分(如风味蛋白质、起泡和持泡能力蛋白质及其它活性成分)并导致产品损失，也存在沉降缓慢、过滤分离困难和生产效率低和生产成本高的问题(Georg, Luer et al Beer clarification aid based on silica xerogel with highfilterability US 2010/0112132A1);第二种方法采用二氧化硅干溶胶/PVPP混合吸附剂(Polycar Plus 730)，其吸附选择性较好且能同时脱除浑浊活性蛋白质和浑浊活性植物多酌■，但仍存在沉降和分离困难的问题(Chandra G et al, Brewer’ Guardian sPVPP-theroute to effective beer stabilization , May 2000:1-7 ；Mustafa R etal.Superiorcolloidal stabilizatio·n of beer by combined treatment with silica (xerogel)and PVPP, Polyclar plus 730，MBAA TQ, 2000, 37 (I):113-118);第三种方法在啤酒中加入单宁酸使其与浑浊活性蛋白质形成复合物沉淀而脱除，但沉淀颗粒细小、耗时且过滤非常困难，过量的单宁残留在酒体中又引入了新的浑浊活性植物多酚，也会对其色泽、口感和香味有不良影响(Mustafa R et al A new direction in beer stabilization,Inst Brew Africa Sect, Proc 7th Brewing convention)。第四种方法米用(固定)木瓜蛋白酶或脯氨酸特异性内切酶将浑浊活性蛋白质降解使其失去浑浊活性(Mustafa Ret al, Colloidal stabilization of beer, US 2003/0194477A1 ；Lopez; Michel , etal.Method for the prevention or reduction of haze in beverages, US 8119171),但会对啤酒的起泡和持泡性产生负面影响。对于果汁中的浑浊活性蛋白质可采用卡拉胶和果胶沉淀脱除(Marangon M et al, Protein removal fom Chardonnay juice by additionof carrageenan and pectin， Australian Journal of grape and wine research 2012，18: 194-202)，但也存沉降慢和过滤分离困难的问题。在前述第三个领域，啤酒工业目前广泛采用加入明胶或鱼胶(也富含脯氨酸和谷氨酸)的溶液通过形成沉淀脱除浑浊活性多酚，并使酒体变得稳定且色泽较好，但引入酒体中的剩余明胶和鱼胶需要再脱除，目前采用单宁酸沉淀和硅基吸附剂吸附再脱除明胶，存在问题同前所述并且增加了处理工序。综上所述，对水基流体中的蛋白质的脱除的技术焦点就归结到改进对目标蛋白质的吸附选择性、解决沉降分离困难以及简化处理工艺等方面。近年，基础研究已揭示氢键吸附、疏水吸附和离域η电子吸附等主要的吸附机理，并认识到获得吸附材料吸附选择性的关键在于确保其吸附机理的专一性。以单宁为代表的植物多酚能与富含脯氨酸和谷氨酸的浑浊活性蛋白质以及明胶发生强烈的相互作用并发生复合、交联而形成沉淀，其作用快速和初期可逆性、类似于抗原一抗体相互作用的专一性和分子识别特征及其氢键和疏水相互作用本质也已被揭示，但是将水溶性单宁直接用于水基流体中蛋白质的沉淀脱除时，不可避免地存在复合物沉降和分离困难以及过量单宁的再脱除问题。上述矛盾冲突就催生了将单宁进行不溶化或固定(化)化处理制成吸附材料，再用于水基流体中蛋白质选择性脱除的技术方案，这就是所谓的单宁的固定(化)技术，即将单宁固定(化)到不溶性载体上，既保留单宁的大部分活性基团及活性位，使其仍具有非常强的与蛋白质和金属离子结合的能力，又能获得水溶性单宁本身所不具有的一系列特殊性能，如机械性能和化学稳定性等。美国专利UP5912037公开了一种在二氧化硅干凝胶颗粒原位环氧活化固定(化)单宁的技术，所得含单宁复合物可削减啤酒、酒和果汁中浑浊活性蛋白质引起的NTU浊度。欧洲专利应用EP0118990则公开了一种采用高碘酸盐氧化和甲醛活化等手段将单宁或多酚固定(化)于二氧化硅颗粒表面的技术，可用于削减白酒浑浊。上述技术实现了单宁的不溶化，免去了直接使用单宁酸沉淀脱除浑浊活性蛋白质可能引起的对酒类风味、口感的影响和过量单宁酸的再脱除工 序。但吸附材料的颗粒特征使其对滤器阻塞和滤速缓慢的改善很有限，而且后一技术还需前置蒙脱土预处理工序才能达到较好的效果。针对在固体颗粒上固定(化)单宁的吸附剂及其在应用中存在的问题，另一类单宁固定(化)技术调整了固定载体的形式进而改变了固定(化)单宁的应用方式，中国专利CN1305559C公开了一种超大孔球型纤维素固定(化)单宁吸附剂及其制备方法和应用，该技术使用来源广泛且骨架具有亲水性的纤维素作为单宁的固定(化)载体，所得吸附剂可采用填充柱工艺处理酒并降低其EBC浊度和EBC色度，其浊度和色度削减效果优于单宁酸沉淀法且能最大限度地保持啤酒的持泡持性和SASPL值，但大孔球形纤维素制造工艺繁杂且纤维素自身机械强度和耐酸碱性差的缺陷也是显而易见的。采用上述单宁固定(化)化技术制备的吸附材料除用于选择性吸附脱除水基流体中的蛋白质外，还可吸附脱除金属离子和有机污染物，因而具有多重吸附功能的特点(李璐等，新型固化单宁树脂的合成及其对痕量钯(II)的吸附性能研究，分析科学学报，2009，25 (2):193-196 ;陈笳鸿等，多酚羧酸合成功能高分子材料研究(I)-没食子酸与纤维素的酯化合成及产物功能特性试验，林产化学与工业，2005，25 (2):6-10 ;汪咏梅等，多酚羧酸合成功能高分子材料研究(II)-没食子酰化改性纤维素合成及其功能特性试验，林产化学与工业，2005,27 (2):2-6 ；L.Liam, et al.Use of immobilized tann adsorbent forremoval of Cr (VI) from water, Journal of radionalytical and chemistry, 1998, 231(1-2):36-40;Zhong Cao Adsorption of Phenol on Bifunctional Resin and GranularActivated Carbon Preloaded by Tannic Acid, Advanced Materials Research,2011, 233-235:765-763)。
发明内容
为克服现有对水基流体中蛋白质吸附、分离和脱除技术的不足，本发明提供了一种在无纺布表面偶联单宁的吸附材料的制备方法，该方法以高分子无纺布为基材，通过紫外诱导技术将含羧基的不饱合单体接枝到无纺布表面，再利用二元胺与羧基在催化剂作用下的缩合而引入胺基，然后经醛活化将其转化为希夫碱活性中间产物，利用其在溶液中的偶合反应将单宁偶联固定(化)于无纺布表面，最后经沸水清洗除去未偶联的单宁制得无纺布表面偶联单宁的吸附材料，并将其用于水中蛋白质的吸附、分离与脱除。本发明的技术方案包括如下步骤:①按照本发明人所申请的中国专利(申请号201010559722.2)中的方法，利用UV诱导技术在无纺布表面接枝含羧基的不饱和单体以引入羧基；②将所得无纺布接枝产物与二元胺在催化剂作用下发生缩合反应而引入胺基
将引入无纺布的胺基经醛活化(mannich反应)转化为希夫碱活性中间产物；④利用希夫碱活性中间产物与单宁在溶液中的偶合反应将单宁偶联固定(化)到无纺布表面；⑤用沸水清洗除去未偶联的单宁即制得所述无纺布表面偶联单宁的吸附材料；⑥将所得吸附材料投入含蛋白质水溶液和模型酒溶液中，在搅拌下吸附脱除蛋白质。根据本发明的技术方案，本发明所涉及的各步反应原理，以PP无纺布-丙烯酸(AA)-三乙烯四胺(TETA)-甲醛(HCHO)体系为例，表示如下(其中PP-g_TETA_X为PP无纺布TETA希夫碱活性中 间产物):
权利要求
1.一种在无纺布表面偶联单宁的吸附材料的制备方法，其特征在于:以高分子无纺布为载体，通过紫外诱导技术将含羧基的不饱和单体接枝到无纺布表面，再利用二元胺与羧基在催化剂作用下的缩合反应而引入胺基，然后利用醛活化法将其转化为希夫碱活性中间产物，利用其在溶液中的偶合反应将单宁偶联固定到无纺布表面，最后经沸水清洗除去未偶联的单宁即得到在无纺布表面偶联单宁的吸附材料。
2.根据权利要求1所述的在无纺布表面偶联单宁的吸附材料的制备方法，其特征在于具体操作如下: (1)含羧基不饱和单体在无纺布表面的接枝聚合 利用紫外诱导技术在无纺布上接枝含羧基的不饱和单体以引入羧基，接枝产物经纯化后用回滴定法测定其羧基含量和吸水率，并进行FTIR、SEM和热分析TG-DTG表征； (2)无纺布接枝产物与二元胺的催化缩合 将无纺布接枝产物放入由二元胺、溶剂和催化剂配制的溶液或悬浮液中，于100 160°C下回流缩合2 8小时，取出无纺布二元胺胺化粗产物于蒸馏水中反复洗涤3次，然后用无水乙醇索氏抽提2 24小时，随后用蒸馏水快速洗涤3 5次，再于60°C干燥后得到纯化的无纺布二元胺胺化产物，测定其胺基含量和吸水率，并进行FTIR、SEM和热分析TG-DTG表征，其中二元胺与羧基的摩尔比为5:1 30:1，无纺布接枝产物质量与溶剂体积比为1:2 1:20，催化剂的添加量为羧基、二元胺、溶剂和催化剂的总摩尔数的I 10% ； (3)无纺布二元胺胺化产物经醛活化转化为希夫碱活性中间产物并将单宁偶联固定(化)于无纺布上 取纯化的无纺布二元胺胺化产物浸入蒸馏水中充分溶胀I小时，然后过滤并转入PH为6.5、浓度为5-50g /L的单宁溶液中，缓慢滴加质量百分浓度为25-80%的醛类活化剂溶液并加热回流6小时，将产物在沸水中浸泡2小时洗去未偶联固定(化)的单宁，再于60°C干燥即得到无纺布表面偶联单宁的吸附材料，用Boehm滴定法测定其酚羟基含量np (mmol/g)和吸水率，并进行FTIR、SEM和热分析TG-DTG表征； 其中，单宁溶液体积与无纺布二元胺胺化产物质量比为5-50，醛类活化剂溶液体积与无纺布二元胺胺化产物质量比为2-20 ； 所述单宁溶液用蒸馏水配制并用伯瑞坦-罗比森(B-R)缓冲溶液调节到pH为6.5，所述醛类活化剂是甲醛、戊二醛、噁唑烷以及它们的聚合或改性产物中一种或两种以上任意比例的混合物。
3.根据权利要求书2所述在无纺布表面偶联单宁的吸附材料的制备方法，其特征在于无纺布是聚丙烯无纺布、乙烯-丙烯共聚物无纺布、聚乙烯无纺布、聚酯无纺布、聚酰胺无纺布、聚乙烯醇无纺布、聚酰亚胺无纺布、纤维素无纺布、蛋白纤维无纺布中的一种。
4.根据权利要求书2所述在无纺布表面偶联单宁的吸附材料的吸附材料的制备方法，其特征在于:含羧基的不饱和单体是丙烯酸、甲基丙烯酸、衣康酸、顺丁烯二酸、顺丁烯二酸酐中的一种或几种的混合物。
5.根据权利要求书2所述在无纺布表面偶联单宁的吸附材料的制备方法，其特征在于所述二元胺是二乙烯三胺、三乙烯四胺、对苯二胺、邻苯二胺、间苯二胺、乙二胺、丁二胺、己二胺中的一种或几种的混合物。
6.根据权利要求书2所述在无纺布表面偶联单宁的吸附材料的吸附材料的制备方法，其特征在于催化剂是Lewis酸、质子酸、杂多酸中的一种。
7.根据权利要求书2所述在无纺布表面偶联单宁的吸附材料的制备方法，其特征在于:溶剂是N，N 二甲基甲酰胺、甲酰胺、芳香烃、卤代烃中的一种或几种的混合物，采用液体二元胺时也可不使用溶剂。
8.根据权利要求书2所述在无纺布表面偶联单宁的吸附材料的吸附材料的制备方法，其特征在于:醛活化剂是甲醛、戊二醛、噁唑烷或其聚合或改性产物的一种或几种的混合物。
9.权利要求1或2所述在无纺布 表面偶联单宁的吸附材料的吸附材料的制备方法制得的无纺布表面偶联单宁的吸附材料。
全文摘要
本发明公开了一种无纺布表面偶联单宁的吸附材料的制备方法，该方法用用紫外诱导技术将含羧基的不饱和单体接枝到高分子无纺布基材表面以引入羧基，再利用二元胺与羧基的催化缩合以引入胺基，然后利用醛活化方法其转化为希夫碱活性中间产物将单宁偶联固定(化)于无纺布表面，最后经沸水洗去未偶联固定(化)单宁而制得无纺布表面偶联单宁的吸附材料；这种吸附材料亲水性较好，吸水率可超过1000%；其酚羟基含量和吸水率大范围可调，对蛋白质具有较强的吸附能力，当明胶在水溶液或模型酒中的浓度介于100-400mg/L时，其平衡吸附容量介于14.7-50.9mg/g之间，在1小时左右达到吸附平衡。
文档编号D06M14/28GK103233362SQ201310186899
公开日2013年8月7日 申请日期2013年5月20日 优先权日2013年5月20日
发明者唐辉, 苏秋宁, 张晓春 申请人:昆明理工大学