一种精氨酸固载壳聚糖的方法与流程

本发明涉壳聚糖改性的技术领域，特别是一种精氨酸固载壳聚糖的方法

背景技术：

含重金属的废水可直接或间接地造成人类和牲畜的永久性中毒，如致癌和非直接性引发某些疾病，淡水或海洋中的水生生物对水体中的重金属也非常敏感，即使很低的浓度也会对它们构成威胁，使得关于重金属污染与防治的研究倍受重视。常用做重金属吸附剂的材料包括褐煤、沸石、硅藻土以及风化煤等，而近年来，处于降低成本、简化工艺以及避免二次污染的需要，吸附剂的发展方向已逐渐从无机材料向天然高分子生物材料发展。

壳聚糖(chitosan)又名聚氨基葡萄糖，是甲壳素脱乙酞基化的产物。壳聚糖凭借其无毒害，可降解性，生物相容性，光谱抗菌性等特点，在食品、制药、纺织、造纸、化工和生物等领域已有广泛应用。在污水处理方面，壳聚糖成为一种日益重要的吸附剂、絮凝剂和离子交换剂，用于工业废水的脱色、重金属离子的回收、净化饮用水、硬水软化等方面。壳聚糖的功能基-c2伯胺基上的氮原子具有孤对电子，能进入金属离子的空轨道中形成配位键结合。因此，壳聚糖对去除重金属有很好的效果。但是由于-c2伯胺基与吡喃葡萄糖环距离很近(仅0.147nm)，使其与荷电溶质的结合位阻增大，螯合性因此受到限制。有研究表明，将壳聚糖进行适当的改性，载体结构单元上引入“柔性”手臂，可明显地提高壳聚糖对金属离子的螯合性能。另一方面，工业废水成分复杂，不仅含有大量金属离子，还携带有大量的有机污染物，各种微生物滋生，这要求天然高分子材料必须具有一定的耐菌性和耐分解性。天然壳聚糖虽具有一定的抗菌性，但长时间处于污水环境中，也必然会由于微生物的分解作用导致材料过早降解，因而无法长时间发挥其水体修复功能。基于以上原因，有必要对天然壳聚糖进行化学改性，引入适当的取代基团，一方面，增强其对重金属离子的吸附和捕集性能，另一方面，增强其对微生物包括各种分解菌的耐受性，以延长其作为一种水体修复材料的使用寿命和稳定性。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对上述存在的问题而提供一种精氨酸固载壳聚糖的方法。通过本发明制备方法，精氨酸的接枝率可达到16.85％。

附图说明

1、图1为壳聚糖和精氨酸固载壳聚糖的红外谱图

2、图2为壳聚糖和精氨酸固载壳聚糖的x-射线衍射图

提取工艺

本发明是利用脱水剂edc，活化剂nhs，制备精氨酸固载壳聚糖。具体操作工艺如下：

称取2g的壳聚糖，加入100ml蒸馏水中，将溶液转移至250ml两口烧瓶，加入等摩尔量的l-精氨酸。随后加入缩合剂edc与偶联剂nhs，l-arg、edc与nhs的摩尔比为3∶3∶1。随后用0.1n的盐酸调节体系ph为5，使包括壳聚糖在内的各种反应物充分溶解，形成均一的体系，随后于30℃下反应10小时。反应结束后，用0.5n的naoh溶液将体系ph调至8，待产物充分析出后，装入透析袋中，于蒸馏水中透析五天，期间每隔6小时更换一次蒸馏水，以充分去除未反应的氨基酸、缩合剂、偶联剂以及副产物异脲。随后在18％浓度的peg溶液中浓缩12小时，取出产物冷冻干燥，得到最终产物精氨酸接枝壳聚糖ca。

测定

1.ca接枝率测定

在碱性次卤酸盐的存在下，精氨酸的侧基胍基可与α-萘酚结合生成红色物质，称为坂口反应。由于精氨酸是二十种氨基酸中唯一含胍基的氨基酸，因此坂口反应是精氨酸的特殊颜色反应，专门用于精氨酸的定性与定量检测。故借助坂口反应的原理来测定精氨酸接枝壳聚糖ca的接枝率，是一种快速方便而又准确的方法。

具体步骤为：准确称取0.2g绝干的ca样品，溶于50ml2n的盐酸溶液，在95℃下加热回流3小时，使壳聚糖大分子彻底水解，随后通过坂口反应，采用分光光度法测定溶液中游离精氨酸的含量，再通过公式(1)计算产物接枝率。

式中：gr％为ca的接枝率；m1为样品水解中精氨酸的含量，单位为毫克；m2为样品质量，单位为克。

通过坂口反应进行测定并进行计算得到精氨酸的接枝率为16.85％。

2.ca红外光谱分析

采用kbr压片法，在港东ftir-650型傅立叶变换红外光谱仪上对样品进行ftir分析。扫描波数范围为4000-400cm^-1，分辨率4cm^-1，以空气为空白，扫描32次后平均值得到壳聚糖(cs)和精氨酸固载壳聚糖(ca)的红外谱图1。

由图1可知，cs在3500～3200cm^-1区域有强而较宽的红外吸收峰，这是cs成氢键的羟基与伯胺基的vo-h、vn-h伸缩振动重叠产生的。cs亚甲基的vasc-h反对称和vsc-h对称伸缩振动在2946cm^-1和2893cm^-1处存在弱吸收，1630cm^-1附近是样品中吸附少量水的红外吸收，胺基的δn-h面内弯曲振动在此处与之重合。cs红外光谱中1418cm^-1处的强吸收属于亚甲基的5c-h面内弯曲振动，1151cm^-1、1110m^-1、1055m^-1和1021cm^-1处的中弱强度吸收分别对应cs分子中醚键、伯/仲羟基以及伯胺基碳氮键的伸缩振动vc-o-c、vc-o以及vc-n。与cs相比，ca的红外光谱发生了显著变化，首先2900cm^-1处vsc-h的红外吸收增强，这是由于精氨酸为多碳氨基酸，arg残基的引入使ca大分子亚甲基数量增多所致。ca酰胺i带的伸缩振动vc＝o与酰胺ii带的δn-h剪式振动在1660cm^-1附近重合，使ca在1660～1630cm^-1区域的峰型发生改变，吸收强度也显著增加。1380cm^-1附近为酰胺iii带的vc-n的伸缩振动吸收。1603cm^-1处还出现了亚胺双键的中等强度伸缩振动吸收v-n＝c-，这是精氨酸胍基的特征峰。酰胺特征峰的出现是由于l-arg羧基与cs伯胺基脱水形成了肽键所致。以上结构变化充分表明l-精氨酸已经成功固载到了壳聚糖大分子上。

3.cax-射线衍射分析

采用d/max2500型x射线衍射仪对样品进行xrd分析，cukα靶，观察所用管压40kv，管流30ma，发散狭缝ds＝1°，接受狭缝rs＝0.3mm，散射狭缝ss＝1°，扫描速度8°/min，扫描范围3°～80°，步宽2θ＝0.02°，得到样品的x-射线衍射图2。

如图2所示，cs在2θ为20°左右分别出现一强衍射峰，在10°左右则存在一肩峰，这与之前壳有关壳聚糖x-射线衍射的研究报告相符合。与cs相比，精氨酸改性的壳聚糖ca的衍射强度减弱，峰型趋于弥散，其在20°附近的结晶峰强 度降低，10°左右的肩峰更加不明显。这表明在接枝精氨酸以后，壳聚糖本身的结晶度有所降低。这是由于精氨酸属于多碳氨基酸，侧基长度较长，并且其侧基上的胍基具有较大位阻，胍基的屏蔽作用使壳聚糖本身的氢键缔合作用削弱，降低其有序程度，使得ca的结晶度减小。

4.ca氮元素含量测定

采用凯氏定氮法(kjeldahlmethod)测定ca氮元素含量，计算公式如下：

其中，v-减去空白后，样品所消耗盐酸标准溶液的体积(ml)；

c-盐酸标准溶液的摩尔浓度；

w-样品的重量(mg)。

经凯氏定氮测定本实验壳聚糖的的氮含量为7.14％，经接枝精氨酸后氮含量为12.16％，由于精氨酸单体为2-氨基-5-胍基戊酸，每分子精氨酸含有两个氨基与两个亚氨基，氮含量为32.15％，远高于壳聚糖，因此壳聚糖接枝精氨酸后依然导致产物氮含量增加，而取代度越高，则氮含量越高。因此，经过测定接枝产物的氮含量结果表明，本实验已经在壳聚糖大分子链上成功引入了一定数量的精氨酸。