戊二醛改性壳聚糖的制备及其对雌激素吸附性能研究

马悦，戴炳业,胡燕，乔旭光，张丽敏，徐志祥*

1. 山东农业大学食品科学与工程学院，山东 泰安 271018 2. 中国农村技术开发中心，北京 1000453 3.泰安市中心医院，山东 泰安 271000

近年来，环境中广泛存在的具有干扰内分泌系统功能的甾体类雌激素物质研究受到了广泛关注。一些天然甾体类雌激素如17β-雌二醇(E2)、雌三醇(E3)和己烯雌酚(DES)进入机体后，能干扰体内内分泌物质的合成、释放、运输、代谢、结合等过程，激活或抑制内分泌系统的功能，破坏机体内环境的稳定[1-2]。这类外源性化学物质不仅影响人类健康，也严重威胁到自然界中生物种族的生存，已成为一个全球性的重大问题[3-4]。因此，如何去除环境内分泌干扰物，成为水处理领域研究的热点。

壳聚糖是一种资源丰富、价格低廉、性质优良的天然高分子，无毒无害，易降解，具有良好的抗菌性、吸湿保湿性、生物相容性，在轻工、食品，医药以及化工等行业具有广泛的应用[5]。但壳聚糖中的大分子具有稳定的晶体结构，且大分子之间存在较强的氢键，因此该物质具有稳定的物理、化学性质，常温下不溶于水、稀碱和有机溶剂，使得壳聚糖的应用受到极大的限制[6]。壳聚糖通过不同方法改性处理，可以获得某一种或某几种特性得到加强，甚至具有新特性的衍生物。壳聚糖交联是壳聚糖化学改性的主要方法之一，交联后的壳聚糖是一种网状结构的高分子聚合物，具有较好的吸附性能和溶解性。目前有关改性壳聚糖对雌激素的吸附性能及其应用研究未见报道。

本文采用戊二醛作为交联剂，对壳聚糖进行了改性研究，并对制备的改性壳聚糖微球对雌激素的吸附性能进行了评价，从而为改性壳聚糖在环境雌激素去除中的应用提供一定的理论依据。

1 材料与仪器

1.1 材料和试剂

壳聚糖，上海伯奥生物科技有限公司；乙酸乙酯、三聚磷酸钠、冰乙酸，天津市凯通化学试剂有限公司；50%戊二醛，天津市大茂化学试剂厂；17β-雌二醇、雌三醇、己烯雌酚，武汉远城科技有限公司。

1.2 仪器与设备

UV-1601PC 型紫外可见分光光度计，日本岛津公司；Quanta 200E型扫描电镜，荷兰FEI公司； JJ-1型精密增力电动搅拌器，常州国华电器有限公司；DZF-6030A型真空干燥箱，上海一恒科技有限公司；SHB-IV双A循环水式多用真空泵，郑州长城科工贸有限公司；KQ-5200E型超声清洗器，昆山市超声仪器有限公司。

2 实验方法

2.1 壳聚糖溶液的制备

称取3g壳聚糖，加入到100 mL 2%的乙酸溶液中，搅拌溶胀2 h，静置12 h，备用。

2.2 壳聚糖微球的制备[7]

取15 mL壳聚糖溶液，超声10 min。采用滴加法，将壳聚糖溶液用医用针头滴入到100 mL 3%的三聚磷酸钠溶液中，制得壳聚糖微球。静置2 h后，用无水乙醇抽滤3次。将抽滤后的壳聚糖微球40 ℃真空干燥10 h，备用。

2.3 改性壳聚糖微球的制备

2.4 改性壳聚糖对三种雌激素吸附性能研究

50 mL容量瓶中分别加入60 mg改性壳聚糖微球和10 mL 100 mg/L的雌二醇、雌三醇和己烯雌酚标准溶液，振荡4 h，4000 r/min离心30 min。取上清液，分别在280 nm、279 nm和259 nm下测定吸光度，计算改性壳聚糖微球对三种雌激素的吸附容量。

吸附容量Q的计算公式如下：

Q = (C0-C1) V / M

其中，C0和C1分别表示吸附前后溶液中雌激素的浓度，V表示标准溶液的体积，M表示改性壳聚糖的添加量。

2.5 改性壳聚糖吸附容量曲线

配制浓度分别为25，50，75，100，150和200 mg/L的雌三醇溶液，按照2.4所述的步骤，测定改性壳聚糖对不同浓度雌三醇的吸附容量。

2.6 改性壳聚糖吸附动力学

准确称取60 mg改性壳聚糖微球于10 mL的容量瓶中，加入10 mL 130 mg/L的雌三醇溶液，室温振荡5，30，60，90，120，180和240 min，测定各个时间段改性壳聚糖对雌三醇的吸附容量。

3 结果与分析

3.1 改性条件优化

3.1.1 乙酸乙酯的用量对改性壳聚糖吸附效果的影响 乙酸乙酯作为致孔剂，其用量多少对制备的改性壳聚糖的吸附性能有重要影响，本文对乙酸乙酯的用量进行了优化。取四份15 mL壳聚糖溶液，分别加入0.2 mL，0.5 mL，1.0 mL和1.5 mL的乙酸乙酯，保持其他条件不变，进行单因素实验，结果如图1所示。

图1 乙酸乙酯用量对改性壳聚糖吸附效果的影响Fig.1 Effect of the ethyl acetatelevel on the adsorptionability of themodified chitosan图2 戊二醛的用量对改性壳聚糖吸附性能的影响Fig.2Effect of glutaraldehyde levelon the adsorptionability of the modified chitosan

从图1中可以看出，乙酸乙酯的加入量太高或太低，改性壳聚糖的吸附容量都有明显的下降。当加入的乙酸乙酯的量为0.5 mL时，得到的改性壳聚糖对80 mg/L雌三醇的吸附量达到最大值(1.39 mg/g)。出现这种现象的原因，可能是当乙酸乙酯的用量过低时，致孔不充分，导致吸附量较低；当乙酸乙酯用量过多时反而影响体系浓度。

为了快速检测热氮吹硫过程气中H 2 S、SO 2、O2、H 2的含量，便于做出正确的操作判断，提前采购部分气体检测管。具体情况如表1所示。

3.1.2 戊二醛用量对改性壳聚糖吸附效果的影响 取四份15 mL壳聚糖溶液，保持乙酸乙酯的用量及其他操作条件不变，分别加入0.5 mL，1.0 mL，1.5 mL和2.0 mL戊二醛，进行单因素实验，结果如图2所示：

从图2可以看出，改性壳聚糖对雌三醇的吸附量随戊二醛用量的增加出现先增后减的趋势，并在加入1.5 mL戊二醛时吸附容量值达到最高。出现这种情况的原因可能是，当戊二醛的用量过少时，壳聚糖改性不完全，交联度较低，导致部分尚未交联的含有自由羟基较多的壳聚糖分子溶解并流失所致；当戊二醛用量过多时，戊二醛不仅与氨基反应，同时消耗了部分羟基，从而导致吸附容量下降。

根据以上结果，最终确定15 mL壳聚糖溶液中加入0.5 mL乙酸乙酯作为致孔剂，1.5 mL戊二醛作为交联剂，即壳聚糖：乙酸乙酯：戊二醛=30: 1: 3(v/v/v)，制备改性壳聚糖。

3.2 结构分析

对制备的壳聚糖和改性壳聚糖微球的结构进行扫描电镜分析，结果见图3。

图3 壳聚糖(a)和改性壳聚糖(b)扫描电镜图

由图3(a)所示，壳聚糖表面相对比较光滑；改性后，壳聚糖表面有较多的褶皱，这可能是其具有较好吸附性能的主要原因。

3.3 改性壳聚糖对三种雌激素的吸附性能研究

取浓度均为100 mg/L三种雌激素标准溶液于50 mL容量瓶中，分别加入60 mg改性壳聚糖，振荡4 h离心后测定上清液的吸光度值，根据公式计算出改性壳聚糖对三种雌激素的吸附容量。

图4 改性壳聚糖对雌二醇、雌三醇和己烯雌酚的吸附容量

图4可以看出，在溶液浓度为100 mg/L时，改性壳聚糖对三种雌激素均具有良好的吸附性能，因此制备的改性壳聚糖材料可作为新型吸附剂，以去除水环境中的雌激素。

另外，改性壳聚糖对雌三醇的吸附性能最佳，达到1.97 mg/g；而对己烯雌酚的吸附效果最差，吸附容量为1.10 mg/g。因此，在后续试验中，我们以雌三醇作为研究对象，对制备的改性壳聚糖的吸附容量曲线和吸附动力学等吸附性能进行评价。

3.4 壳聚糖改性前后对雌三醇的吸附性能比较

室温下，研究了改性壳聚糖和未改性壳聚糖对25～200 mg/L浓度范围内雌三醇的吸附能力，结果如图5所示。

图5 壳聚糖改性前后对雌三醇的吸附容量曲线Fig.5Adsorption isotherms of modified chitosanand chitosan toward the estradiol图6 改性壳聚糖对雌三醇的吸附动力学曲线Fig.6Kinetic uptake plot of the modifiedchitosan toward the estradiol

由图5可以看出，改性壳聚糖与未改性壳聚糖对雌三醇的吸附容量均随雌三醇溶液浓度的增大而增大。当雌三醇浓度低于50 mg/L时，改性壳聚糖与未改性壳聚糖对雌三醇的吸附量增加较为缓慢；当雌三醇浓度在50-150 mg/L范围时，改性壳聚糖与未改性壳聚糖对雌三醇的吸附量随着雌三醇浓度的增大而迅速增加；当雌三醇浓度高于150 mg/L时，改性壳聚糖与未改性壳聚糖对雌三醇的吸附速度趋于平缓。由于壳聚糖和改性壳聚糖对雌三醇的吸附主要是通过物理吸附作用或活性基团的结合，因此两者的吸附趋势基本一致。

此外，改性壳聚糖对200 mg/L雌三醇的吸附容量为3.01 mg/g，而未改性壳聚糖对雌三醇的吸附容量为1.87 mg/g。因此，壳聚糖经过改性之后，对雌激素的吸附性能有了显著的改善和提高。

3.5 改性壳聚糖对雌三醇的吸附动力学

本研究测定了不同吸附时间对雌三醇吸附量的变化趋势，考察了改性壳聚糖对雌三醇的吸附速率，结果如图6所示。

由图6可以看出，改性壳聚糖对雌三醇的吸附量随时间的增加而增加，吸附30 min，吸附容量为1.24 mg/L，达到最大吸附容量的48.4%；180 min时吸附基本达到平衡。

4 结论

对壳聚糖进行交联改性处理可显著提高其吸附性能。以壳聚糖：乙酸乙酯：50%戊二醛为30: 1: 3(v/v/v)时，制得的改性壳聚糖微球吸附效果最佳。制备的改性壳聚糖对雌二醇、雌三醇和己烯雌酚具有良好的吸附性能和较快的吸附动力学；对雌三醇的吸附效果最好，而对己烯雌酚的吸附效果最差。

制备的改性壳聚糖具有制备简单、成本低等特点，作为一种吸附剂具有较强的优势，应用于水环境中雌激素的去除将具有重要意义。

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