大孔球形纤维素阴离子交换树脂PSC-AN对蛋白质的吸附性能研究1

曾 淼， 陈中兰， 朱 斌

（1. 阿坝师范学院，四川 汶川 623002；2. 西华师范大学，四川 南充 637002）



大孔球形纤维素阴离子交换树脂PSC-AN对蛋白质的吸附性能研究1

曾 淼1， 陈中兰2， 朱 斌1

（1. 阿坝师范学院，四川 汶川 623002；2. 西华师范大学，四川 南充 637002）

摘 要：以自制的大孔球形纤维素阴离子交换树脂PSC-AN为吸附剂，以牛血清白蛋白（BSA）为目标蛋白，考察了该阴离子交换树脂对BSA的吸附性能，发现其对BSA的饱和吸附量为204.4 mg/mL，吸附行为满足Freundlich方程，建立了大孔球形纤维素吸附树脂PSC-AN吸附测定水中牛血清白蛋白含量的方法。

关键词：大孔球形纤维素；阴离子树脂；蛋白质；吸附

球形纤维素吸附树脂研制是指功能化球形纤维素，其目的是将各种功能基引到纤维素大分子结构上，使改性后的吸附树脂具有更大的吸附容量和更大的表面积，可用其来吸附处理各种无机有机物质。其制备方法主要有酯化醚化法、亲核取代法和接枝共聚法等[1]。球形纤维素具有良好的亲水性网络结构、比表面积较大以及低的非特异性吸附等优点[2]，它价廉易得[3]，可用来分离纯化蛋白质氨基酸等生物大分子物质。

本文选用自制的大孔球形纤维素阴离子交换树脂 PSC-AN[4]，考察了它对牛血清白蛋白的吸附性能，建立了大孔球形纤维素吸附树脂PSC-AN吸附测定水中牛血清白蛋白BSA含量的方法。

1 实验

1.1 试剂及仪器

大孔球形纤维素阴离子交换树脂PSC-AN（40目，自制[4]）；丙酮、氢氧化钠、无水碳酸钠、醋酸、醋酸钠、氨水、氯化氨、氯化钠、硫酸铜、酒石酸钾钠、盐酸，均为A.R，成都科龙化学试剂公司；牛血清白蛋白（BSA，北京华美公司进口分装）。

UV-vis 2550型紫外可见分光光度计（日本岛津公司），循环水式真空泵（巩义市英峪予华仪器厂），SHZ-82恒温震荡，GZX-9140MI数显鼓风烘箱（上海博迅实业有限公司医疗设备厂）。

1.2 大孔球形纤维素阴离子交换树脂PSC-AN总交换容量的测定

大孔球形纤维素阴离子交换树脂PSC-AN总交换容量的测定采用返滴定法[5]。在电子天平上准确称取0.100 0 g 左右的阴离子交换树脂PSC-AN，放入带塞锥形瓶中，加入0.100 0 mol/L 左右的标准HCl 溶液50 mL，加少许NaCl，放置24 h，不时振动。然后吸取上层清液10.00 mL 用0.100 0 mol/L标准的NaOH溶液滴定，计算出总交换容量。按公式（1）进行计算。

式中：Q为离子交换剂的总交换容量，mmol/g；CHCl为盐酸标准溶液的浓度，mol/L；NNaOH为氢氧化钠标准溶液的浓度，mol/L；VNaOH为消耗氢氧化钠的体积，mL；VHCl为消耗盐酸的体积，mL；测得大孔球形纤维素基阴离子交换剂的总交换容量：Q前=1.04mmol/g。

1.3 大孔球形纤维素阴离子交换树脂PSC-AN对BSA的吸附实验

取0.05 g PSC-AN（湿态）于锥形瓶中，加入不同浓度的蛋白质溶液50 mL溶液，充分混合均匀，恒温震荡3 h，测定上清液中蛋白质浓度，根据式（2）计算。

式中，Q为饱和吸附量（mg/g），C0、Ce为分别表示吸附前后BSA的浓度（mg/mL），V为溶液的体积（mL），W为吸附剂的湿重（g），0.05 g计算吸附量。

1.3.1 不同BSA浓度对吸附的影响

不同吸附浓度下，PSC-AN吸附容量的测定：在常温下，用0.05 g PCS-AN（湿态）对起始浓度分别为1、2、3、4 mg/mL的牛血清白蛋白（pH=7）震荡吸附3 h，直到吸附达到平衡，测定吸附量。

1.3.2 不同pH对吸附的影响

在常温下，分别在pH=3、5、7、9、11下，用0.05 g PCS-AN（湿态）对起始浓度3 mg/mL 的牛血清白蛋白吸附震荡3 h，直到吸附达到平衡，测定吸附量。

1.3.3 不同离子强度对吸附的影响

在常温下，用0.05 g PCS-AN（湿态）对起始浓度为3 mg/mL的牛血清白蛋白（pH=5），加入5 mL 1%NaCl、1.5%NaCl、2%NaCl、2.5%NaCl、3%NaCl，进行吸附震荡3 h，测定其饱和吸附量。

1.3.4 不同时间对吸附的影响

在常温下，用0.05 g PCS-AN（湿态）对起始浓度为3 mg/mL的牛血清白蛋白（pH=5），进行吸附震荡3 h，每30 min取样测定其剩余蛋白浓度，测定其饱和吸附量。

1.3.5 不同温度对吸附的影响

在不同温度下，用0.05 g PCS-AN（湿态）对起始浓度为3 mg/mL的牛血清白蛋白（pH=5），进行吸附震荡150 min取样测定其剩余蛋白浓度，测定其饱和吸附量。

1.3.6 吸附等温线的建立Freundlich方程

用 0.05 g PSC-AN（湿态）对起始浓度分别为 0.5、1、1.5、2.0、3.0 mg/mL的标准牛血清白蛋白（50.00 mL溶液）在pH=5.0、Te=30℃进行震荡吸附150 min。测定其对BSA的吸附量，根据Freundlich方程用InQ对InC作图，得BSA的吸附平衡等温线见后图6。

1.3.7 蛋白质的洗脱及大孔球形纤维素阴离子交换树脂的重复使用性能

选择2%NaCl作为洗脱，进行洗脱再生实验。第一次洗脱再生：取10 mL洗脱液（2% NaCl），在30℃下震荡150 min，测蛋白质浓度。第二次吸附：在最优条件下进行吸附，测定其剩余蛋白质浓度。第二次洗脱：取10 mL洗脱液（2% NaCl），在30℃下震荡150 min，测蛋白质浓度。第三次吸附：在最优条件下进行吸附，测定其剩余蛋白质浓度。第三次洗脱：重复第二次的操作。其数据如表1所示。

2 结果与讨论

2.1 不同BSA浓度对吸附的影响

PSC-AN对不同吸附浓度的牛血清白蛋白进行吸附，其吸附容量与吸附浓度关系如图1所示。从图1中可以看出，PSC-AN对牛血清白蛋白的吸附随着吸附浓度的增加而增大，在C0=3 mg/mL时达到峰，C0继续增大其吸附量反而下降。故选择最佳吸附浓度C0=3 mg/mL。

图1 浓度对BSA吸附量的影响

2.2 不同pH对吸附的影响

PSC-AN对不同pH的牛血清白蛋白进行吸附，其吸附容量与pH关系如图2所示。从图2中可以看出，PSC-AN对牛血清白蛋白的吸附在pH=5.0时达到峰值， 这可能是因为BSA的等电点为4.8，在pH=5.0时蛋白质分子上没有净电荷，因此达到最大平衡吸附量。而pH不等于5.0时，由于静电排斥作用的影响，导致BSA吸附量降低。pH选择5.0进行吸附。

图2 pH对BSA吸附量的影响

2.3 不同离子强度对吸附的影响

PSC-AN对不同离子强度的牛血清白蛋白进行吸附，其吸附容量与离子强度关系如图3所示。从图3中可以看出，离子强度对吸附是不利的，PSC-AN对牛血清白蛋白的吸附在离子强度为2% NaCl时不吸附牛血清白蛋白，这可能是静电排斥作用的影响，导致BSA吸附量降低。这里选择2% NaCl作为洗脱液。

图3 离子强度对BSA吸附量的影响

2.4 不同时间对吸附的影响

PSC-AN对上述最佳条件下的牛血清白蛋白进行吸附，其吸附容量与时间如图4所示。从图4中可以看出，吸附150 min达到吸附平衡，故选择吸附150 min。

图4 时间对BSA吸附量的影响

2.5 不同温度对吸附的影响

PSC-AN对上述最佳条件下的牛血清白蛋白进行吸附，其吸附容量与温度如图5所示。从图5中可以看出，30℃吸附最大，温度过低或过高均不利于吸附。这是因为温度对吸附量具有较大的影响，一方面温度上升有利于纤维素球与牛血清白蛋白间的相互作用力；另一方面，温度升高又有利于分子热运动。在30℃，纤维素球与牛血清白蛋白间的相互作用力占优势，故吸附量最大，选择30℃为吸附温度。

图5 温度对BSA吸附量的影响

2.6 吸附等温线的建立Freundlich方程

BSA的吸附平衡等温线如图6所示。由Freundlich方程lgQ=lgK+1/n lgC（其中K、n为Freundlich 特征常数），通过线形拟合得到回归方程lgQ=1.669 26+1.465 54 lgC，r=0.990 4，求K=46.69、n=0.682 3，证明该方程可以用Freundlich方程描述，这说明该吸附过程中既有物理吸附又有化学吸附。K值较大，说明PSC-AN对BSA的吸附量较大；0.5＜n＜1 ，说明吸附过程比较容易，吸附过程为非优惠吸附（即吸附过程吸热）[6]，在高温下进行的过程树脂吸附能力更大，以上的温度吸附量实验也证明了这点。

图6 BSA的吸附平衡等温线

2.7 蛋白质的洗脱及大孔球形纤维素阴离子交换树脂PSC-AN的重复使用性能

表1为PSC-AN的重复使用性能数据。

表1 PSC-AN的重复使用性能

从表1可以看出，第一次洗脱再生后，回收率和吸附率均在80%以上，洗脱再生能力较好。但使用三次后吸附明显下降。

3 结论

实验建立了大孔球形纤维素吸附树脂PSC-AN吸附牛血清白蛋白含量的方法，该方法的最佳吸附条件为：吸附浓度C0=3 mg/mL、pH=5.0、吸附饱和时间150 min、吸附温度30℃，PSC-AN对牛血清白蛋白的最大吸附量为200 mg/mL，吸附后选择2%NaCl为洗脱液。李步海等[7]利用自制的磷酸化油菜秸秆纤维素生物吸附剂来吸附牛血清白蛋白，在最佳吸附条件下吸附容量为127.39 mg/g。该方法缺点是吸附时间长，需20 h才达到吸附平衡。王玉恒等[8]制备了一种大孔球形纤维素载体固定化单宁，并利用其来吸附牛血清白蛋白。该方法在pH=5、温度为25℃下吸附25 h达到平衡，其缺点同样是耗时长。罗晓刚[9]制备出新型磁性纤维素微球，该微球对牛血清白蛋白吸附良好。但该方法是通过溶胶―凝胶转相法、原位法合成，反应条件苛刻、不利于大规模推广。与其他方法相比，用自制 PSC-AN[4]吸附牛血清白蛋白的方法具有合成简单、吸附快速等优点，其缺点是重复使用性能不好。

参考文献：

[1] Nevell T P. Cellulose chemistry and its application[M]. Chichester: Ellis Horwood Ltd, 1985: 223-242.

[2] 印寿根, 李朝兴, 徐欢驰, 等. 球状纤维素的制备及其应用[J]. 高分子通报, 1996, 06(2): 100-104.

[3] 刘明华, 李翔, 刘卫国, 等. 一种新型球形纤维素吸附剂的研究[J]. 精细化工, 2001, 18(7): 401-404.

[4] 曾淼. 大孔球形纤维素阴离子交换树脂PSC-AN的制备及表征[J]. 纤维素科学与技术, 2010, 18(3): 39-43.

[5] 张中勤, 宋清. 球状再生纤维素离子交换剂的制备[J]. 离子交换与吸附, 1998, 14(1): 23-30.

[6] 何柄林, 黄文. 离子交换与吸附树脂[M]. 上海: 上海教育出版社, 1995: 174.

[7] 李步海，石荧原. 磷酸化油菜秸秆纤维素生物吸附剂的制备和对牛血清白蛋白的吸附[J]. 中南民族大学学报（自然科学版）, 2013, 32(1): 1-6.

[8] 王玉恒, 寇正福, 江邦和, 等. 大孔球形纤维素载体固定化单宁的制备及其对蛋白质的吸附性能[J]. 离子交换与吸附, 2007, 23(4): 360-367.

[9] 罗晓刚. 再生纤维素微球的制备、结构和功能[D]. 湖北: 武汉大学, 2010.

中图分类号：TQ352

文献标识码：A

文章编号：1004-8405(2016)02-0065-05

DOI:10.16561/j.cnki.xws.2016.02.10

收稿日期：2015-12-21

基金项目：阿坝师范学院青年基金项目（ASC10-12）；阿坝师范学院重点课题项目（ASA11-33）。

作者简介：曾 淼（1982~），女，硕士；研究方向：纤维素改性及其在环保方面的应用研究。664928619@qq.com

Adsorption Properties of BSA on Spherical Macroporous Cellulosic Anion Exchanger

ZENG Miao1, CHEN Zhong-lan2, ZHU Bin1
（1. ABA Teachers’ College, Wenchuan 623002, China; 2. China West Normal University, Nanchong 637002, China）

Abstract:Protein of spherical macroporous cellulosic anion exchanger (PSC-AN) was synthesized by macroporous cellulosic beads. The results showed the exchanger (PSC-AN) had a spherical appearance, narrow distribution of diameter. BSA was used as target proteins to examine the adsorption properties of the adsorbent. Under appropriate conditions, the adsorbent had a capacity of BSA was 204.4 mg/g. Adsorption isotherm could expressed by Freundlish adsorption equation. The PSC-AN was used to absorb food industry wastewater. The method used for determination of protein was established.

Key words:spherical macroporous cellulose; anion exchanger; protein; adsorption