王 长 伟, 陈 敏, 李 家 桐, 孙 玉梅, 张 瑶 瑶

( 1.大连工业大学 纺织与材料工程学院, 辽宁 大连 116034; 2.大连工业大学 生物工程学院, 辽宁 大连 116034 )

0 引 言

生物固定化技术是现代生物工程领域中的一项新兴技术。载体材料的选择及表面改性方法是该技术的关键。载体材料应自身带有或通过表面改性产生能与固定化物反应的官能团,比表面积大、机械刚性强、稳定性好、耐微生物降解等。适于生物固定化的载体种类很多,如天然高分子材料、合成高分子材料、无机材料、复合材料和新型材料[1]等,其中无机材料中应用较多的是硅藻土、多孔玻璃、玻璃纤维等。玻璃纤维用作载体材料的研究集中在两个方面,一是研制兼具高比表面积和高力学强度的多孔玻璃纤维,根据活性材料类型采用传统方法直接把活性材料沉积在纤维表面上[2]；另一种则是以玻璃纤维为底,通过表面改性沉积活性材料[2]。玻璃纤维的表面改性方法主要有偶联剂改性[3-4]、等离子体改性[5]、稀土元素改性[6]和表面二次接枝改性[7]等。前人研究多集中在偶联剂改性在复合材料中的应用,本文将着重研究偶联剂改性制备生物固定化载体,讨论了该过程中不同工艺条件对玻璃纤维自身改性效果及改性玻璃纤维对脂肪酶固载率的影响。

1 实 验

1.1 实验材料

所用载体材料为E-玻璃纤维织物,重庆国际复合材料有限公司；硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)和γ-缩水甘油基丙基三甲氧基硅烷(KH-560),辽宁盖州化学工业有限责任公司；固定化酶为LVK-F100脂肪酶,深圳市绿维康生物工程有限公司。

1.2 固定化载体的制备

载体的制备主要是通过对玻璃纤维织物的偶联剂改性来完成的,硅烷偶联剂水解生成的硅醇基和玻璃纤维表面的羟基反应而连接。为了尽可能增加玻纤表面羟基数量,提高反应效率,实验采用碱预处理和偶联剂改性相结合的方法对玻璃纤维进行改性。将经过清洗的玻璃纤维织物用质量分数为25%的NaOH溶液预处理30 min,去离子水冲洗至洗液呈中性,干燥后浸于一定浓度的硅烷偶联剂水溶液中一段时间,取出置于恒温干燥箱中120 ℃下烘干,冷却制得固定化载体。

1.3 载体固定化脂肪酶

按1 g脂肪酶与10 mL去离子水的比例配置酶液,将改性前后玻璃纤维织物样品,分别浸渍在等量酶液中,置于摇床上固定化2 h (温度为30 ℃,转速为160 r/min)。

1.4 载体性能测试

用JYSP-360a型接触角测定仪测定了玻璃纤维织物改性前后对去离子水接触角(θ)的变化,以表征偶联剂改性对载体表面润湿性的影响；用 Spectrum One-B型傅里叶变换红外光谱仪测定玻璃纤维表面官能团的变化,以表征载体表面微结构的变化；以牛血清蛋白(BSA)为标准液,采用Bradford法[8]测定载体对脂肪酶固定化前后酶液中蛋白质含量,计算出脂肪酶固载率,通过固载率的变化表征偶联剂对玻璃纤维的改性效果。

2 结果与讨论

2.1 玻璃纤维表面润湿性的变化

2.1.1 不同试剂处理对接触角的影响

在前人研究[9-10]和前期实验的基础上,本实验采用NaOH预处理玻璃纤维以增加其表面参与反应的羟基数量,质量分数为25%,处理时间为 30 min；偶联剂改性则用体积分数为3%的KH-550、KH-560水溶液处理10 min。玻璃纤维样品分别经过不同处理所得接触角如表1,其中所列试剂均包含选定的浓度和时间。

表1 不同试剂处理对接触角的影响

由表1可以看出,经各种试剂处理后接触角都比空白样明显增大,NaOH预处理和硅烷改性的协同处理对玻璃纤维表面的润湿性改变效果最显著,明显优于任何一种试剂单独处理。主要是由于NaOH中的 OH-离子破坏表面硅氧骨架,同时Na+对玻纤表面吸附能力较强,形成的硅酸钠溶解度很大[11]；NaOH使玻纤表面产生了更多的反应性基团-羟基,有利于提高玻纤与硅烷偶联剂键接数量和效率。另外,从表1还可看出两种偶联剂对玻璃纤维润湿性的改变效果相近。这可从偶联剂的改性机理来解释,硅烷偶联剂含有两种不同的化学官能团,一端亲无机物,另一端亲有机物。亲无机端能水解生成硅醇,与表面带有羟基的玻璃纤维表面通过氢键相连[12]；亲有机端则可与各种有机官能团生成稳定共价键,从而起到偶联效果。两种偶联剂水解生成的硅醇数量相同,故改性效果非常接近。

2.1.2 硅烷偶联剂溶液浸渍时间对润湿性的影响

将经预处理的样品浸于体积分数为3% 的KH-550和KH-560溶液中不同时间,得到不同浸渍时间对玻璃纤维表面润湿性的影响如图1所示。

图1 偶联剂溶液浸渍时间对接触角的影响

Fig.1 The effect of dipping time of coupling agent on contact angle

由图1可见,接触角在0～10 min内随着时间的增长迅速增大,10 min后增大趋势趋于平稳,可见硅烷偶联剂对玻璃纤维表面改性效果在10 min 时就可达到非常高,而之后随着时间的延长表面性质已无明显变化,因而本实验工艺条件下浸渍时间选择10 min。

2.1.3 硅烷偶联剂溶液体积分数对润湿性的影响

将经预处理的样品浸于不同体积分数的KH-550和KH-560溶液中10 min,偶联剂的种类和溶液体积分数对润湿性的影响趋势如图2所示。

图2 偶联剂溶液体积分数对接触角的影响

Fig.2 The effect of concentration of coupling agent to contact angle

由图2可见,接触角在溶液体积分数为3%以内随着体积分数的增大而迅速变大,且在同一体积分数下KH-560改性后的接触角比KH-550大；大于3%时,接触角随体积分数增大而减小,同一体积分数下KH-550改性后的接触角比KH-560大。这说明两种不同偶联剂对润湿性的影响趋势相同,只是程度有异,本实验工艺条件下选定偶联剂溶液体积分数为3%。

2.2 玻璃纤维表面官能团的变化

将玻璃纤维经质量分数为25%的NaOH溶液预处理30 min,再分别在体积分数为3%的KH-550和KH-560溶液中处理10 min,所得样品进行红外光谱测试,红外谱图见图3、4。由图3可以看出,经体积分数为3%的KH-550改性后样品在1 630 cm-1处物理吸附水的红外吸收峰消失,纯KH-550在1 080 cm-1附近的Si—O振动峰[13]虽在改性后玻璃纤维上消失,但在2 930 与2 854 cm-1处 —CH3和 —CH2— 吸收峰明显增强[14],这说明玻璃纤维表面已接上一定量的硅烷。由图4可看出,KH-560改性后玻璃纤维在2 925 和2 855 cm-1附近出现了 —CH3和 —CH2— 伸缩振动峰[15],1 450 cm-1处吸收峰增强,这表明KH-560与玻璃纤维表面已形成一定的化学键连接。由此可知,KH-550和KH-560均能通过一定的化学键连接到玻璃纤维表面。

a,KH-550；b,未处理样品；c,KH-550处理后样品

图3 KH-550及改性前后玻璃纤维的红外光谱图

Fig.3 Infrared spectrum of surface-modified and unmodified glass fiber and KH-550

a,KH-560；b,未处理样品；c,KH-560处理后样品

图4 KH-560及改性前后玻璃纤维的红外光谱图

Fig.4 Infrared spectrum of surface-modified and unmodified glass fiber and KH-560

2.3 表面改性对生物固定化效率的影响

将玻璃纤维织物经质量分数为25%的NaOH溶液预处理30 min,再分别在体积分数为3%的KH-550和KH-560溶液中处理10 min,所得样品进行脂肪酶固定化,测得固定化前后酶液的吸光度,由标准曲线确定酶液中蛋白质含量,计算脂肪酶固载率,所得数据见表2。

表2 偶联剂改性对脂肪酶固定化的影响

Tab.2 Effect of different coupling agents on lipase immobilization

吸光度固载率/%固定化前酶液未改性玻纤固定化后酶液KH-550改性玻纤固定化后酶液KH-560改性玻纤固定化后酶液0.4950.4670.4290.382—14.033.056.5

由表2可以看出,经两种偶联剂改性都能大幅提高玻璃纤维对脂肪酶的固载率,且KH-560改性对固载率的提高幅度又明显大于KH-550,这可能与硅烷偶联剂的种类、结构及有机官能团与酶的匹配有关。

3 结 论

采用硅烷偶联剂通过浸渍法对经预处理过的玻璃纤维表面进行了偶联剂改性,制备了固定化载体并对脂肪酶进行了固定化,探讨了不同工艺参数对载体表面润湿性能的影响,通过接触角测量、红外光谱测试及脂肪酶固载率的测试来表征改性后性能改善情况。研究表明:

(1) 玻璃纤维偶联剂改性可制备出性能明显改善的固定化载体。

(2) 硅烷偶联剂种类、溶液的体积分数及浸渍时间对玻璃纤维表面性能都有不同程度影响,本实验条件下选定的工艺为体积分数为3%,浸渍时间10 min。

(3) 改性后载体表面润湿性能明显改善,表面官能团明显变化,且对脂肪酶固定化效果明显提高。

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