γ聚谷氨酸吸附剂的制备及其吸附水中染料罗丹明B的研究Word文档下载推荐.docx

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学院：

食品工程

班级：

2

专业：

生物工程

毕业设计（论文）题目：

立题目的和意义：

γ-聚谷氨酸（Polyγ-glutamicacid）简称γ-PGA，γ-PGA是一种由微生物大量生物合成的阴离子型多聚氨基酸，是一种谷氨酸的高分子聚合物，对人类和环境无毒无害，由于其分子量特别大并且侧链上具有游离的羧基，可以与水中的胶体颗粒相吸附，在适宜的条件下，颗粒之间能够通过产生“架桥”现象形成一种三维的网状结构而沉降，可以作为一种新型的生物絮凝剂应用于水的纯化和加工以及食品和发酵工业的下游处理。

同时，γ-PGA是一种出色的绿色塑料，它在自然界可迅速降解，不会造成环境污染。

因而，筛选合适的能产具有絮凝活性的γ-PGA产生菌是当前的研究热点之一。

迄今已经发现几种产生菌，主要是芽孢杆菌属（Bacillus）的菌株，包括各种枯草芽孢杆菌（Bacillussubtilis）、地衣芽孢杆菌（Bacilluslicheniformis）、炭疽芽胞杆菌（Bacillusanthracis）和纳豆芽孢杆菌（Bacillusnatto）。

由于其是近年来开发的一种水溶性的可生物降解的生物高分子材料，具有无毒、环境友好、吸附率高等优点，国内外研究工作者已开展了用其作绿色絮凝剂和重金属离子吸附剂的研究，而在印染废水处理领域鲜有报道。

罗丹明B亮绿色闪光深红色结晶或红棕色粉状物，最大吸收波长552nm，化学式C28H31ClN2O3，摩尔质量479.0175，溶于70份冰水中，10份乙醇中，150份氯仿中，呈带强荧光的蓝光红色溶液，易溶于溶纤素，微溶于丙酮；

遇浓硫酸呈黄光棕色，有强的绿色荧光，稀释后呈大红色转为蓝光红色和橙色。

其水溶液加氢氧化钠后加热，形成玫瑰红绒毛状沉淀。

主要用于造纸工业染蜡光纸、打字纸、有光纸等；

与磷钨钼酸作用生成色淀，用于制造油漆、图画等颜料、也可用于腈纶、麻、蚕丝等织物以及麦秆、皮革制品的染色。

任何染料都有脂团，所以至少可以透过皮肤，所以在高浓度时毕竟会有所谓的毒性，还是要注意，至于低浓度，至少也可以透皮肤的。

由于罗丹明B是由间羟基二乙基苯胺与邻苯二甲酐缩合制得，具有复杂的芳环结构，难于直接生物降解，往往要结合其他处理方法如吸附、化学氧化等进行综合处理。

其中吸附方法具有成本低，效率高，简单易操作并对有毒物质不敏感等优点，而被认为优于其他的燃料废水处理技术。

本课题以梁金钟老师研究室分离筛选得到的特有菌种经发酵生产得到的γ-PGA作为材料，选择明胶作为膜载体，将γ-PGA与其交联制备吸附剂，以其对离子型染料罗丹明B的吸附效果来衡量吸附剂的交联效果，确定最佳的交联时间、温度、pH值，交联剂浓度，γ-PGA用量，最终确定最佳的交联条件，并以此得到的吸附剂为研究对象，考察了它的连续吸附能力，本实验将为今后开发新的水处理材料提供参考。

技术要求与工作计划：

技术要求：

1．广泛阅读与选题有关的文献30篇以上，英文文献5篇以上结合毕业实习充分掌握一手资料，在论文撰写中运用恰当、贴切。

2．运用所学的专业基础理论和专业知识，理论联系实际，分析和解决本课题的研究问题。

3．在论文撰写过程中，论证要逻辑严密，概念准确，数据可靠，结论正确，符合毕业论文写作规范的各项要求。

工作计划：

1．按照确定的选题范围阅读有γ-PGA吸附剂及罗丹明B的相关文献，并查阅探讨γ-PGA吸附剂制备及罗丹明B的相关外文文献。

2．根据所阅读的有关γ-PGA吸附剂及罗丹明B的方面，以及论文选题确定的研究范围的相关资料，撰写论文大纲和开题报告，并按指导教师要求修改。

3．结合毕业实习调研γ-PGA吸附剂的制备及吸附罗丹明B的实际应用。

4．按照开题通过的论文大纲和所收集的一手和二手资料撰写论文初稿。

5．根据指导教师提出的修改意见修改论文初稿。

6．按学校毕业论文撰写规范的要求排版、打印和装订。

7．准备毕业论文答辩陈述词。

8．毕业论文答辩。

时间安排：

2013年2月25日－3月04日查找资料及开题准备

2013年3月05日－3月10日设计实验方案，准备实验器材与药品

2013年3月11日－4月30日吸附剂的制备

2013年5月01日－5月30日γ-PGA吸附剂吸附罗丹明B的研究

2013年6月01日－6月15日撰写及修改毕业论文

指导教师要求：

（签字）年月日

教研室主任意见：

院长意见；

毕业论文审阅评语

一、指导教师评语：

指导教师签字：

年月日

二、评阅人评语：

评阅人签字：

毕业论文答辩评语及成绩

三、答辩委员会评语：

四、毕业论文成绩：

专业答辩组负责人签字：

年　　月　　日

五、答辩委员会主任单位：

（签章）

答辩委员会主任职称：

答辩委员会主任签字：

年月日

摘要

本文以梁金钟教授研究室分离筛选得到的特有菌种B-115为出发菌种，经发酵培养并提取纯化后得到的γ-聚谷氨酸（简称：

γ-PGA）作为实验材料，选择明胶作为膜载体，戊二醛作为交联剂，使γ-PGA与明胶进行交联反应并制备γ-PGA吸附剂，交联效果利用制备得到的吸附剂对离子型染料罗丹明B的吸附效果来衡量。

结果表明：

经戊二醛交联后的吸附剂具有较好的吸附性能，在交联时间1h、温度为60℃左右、pH为9左右、交联剂浓度0.2%、γ-PGA用量0.05g，0.1g明胶膜时，对罗丹明B的吸附效果最佳，Ce达到0.06573mg/g。

在上述确定的最优交联条件下制备γ-PGA吸附剂，进行重复利用性试验并采用红外光谱仪、X射线衍射对吸附剂的微观形貌和微观结构进行研究。

关键词：

罗丹明B；

γ-PGA；

吸附

Abstract

SpecificstrainsofB-115wereusedasstartingstrains,whichwasbasedonProfessorJinzhongLianglaboratorywithseparationandfiltertoget.Afterfermentation,cultivation,extractionandpurification,γ-PGAwasavailableasexperimentalmaterial.Thegelatinmembraneandtheglutaraldehydewerechosenascarrierandcross-linkingagent.Lettheγ-PGAandgelatinmembranecross-linkingreact,andγ-PGAadsorbentwasprepared.Cross-linkingeffectwasmeasuredwiththeeffectofadsorbentadsorbingionicdyesRhodamineB.Theresultsshowedthattheadsorbenthadgoodadsorptionperformanceafterglutaraldehydecross-linking.Whenthecross-linkingtime,thetemperature,thepH,thecross-linkingagentconcentration,theγ-PGAdosageandthegelatinmembranewasrespectivelyabout1h,60℃,9,0.2%,0.05gand0.1g,adsorptioneffectwasthebestforRhodamineandCewas0.06573mg/g.γ-PGAadsorbentwaspreparedundertheoptimalcross-linkingconditionwhichwasdeterminedabove.Thenthetestofrepeatedusewasmade,andthemicromorphologyandthemicostructueoftheadsorbentbyusinginfraredspectrometerandX-raydiffractionwerestudied.

Keywords：

RhodamineB;

γ-PGA;

adsorb

目录

摘要I

AbstractII

目录1

1绪论1

1.1γ-PGA概述1

1.1.1γ-PGA的结构和性质1

1.1.2γ-PGA的国内外研究现状4

1.1.3γ-PGA的应用4

1.2罗丹明B的概述7

1.2.1罗丹明B的结构与性质7

1.2.2染料废水的来源及危害8

1.2.3废水主要处理方法9

1.2.4罗丹明B的应用及其对人类的危害11

1.3本课题研究的目的及意义12

1.3.1课题研究目的及意义12

1.3.2主要研究内容13

2材料与方法14

2.1材料与仪器设备14

2.1.1实验材料14

2.1.2实验设备和仪器14

2.2实验方法15

2.2.1绘制罗丹明B标准曲线15

2.2.2明胶甘油水溶液及膜的制备15

2.2.3吸附剂的制备15

2.2.4考察交联时间对吸附剂吸附性能的影响15

2.2.5考察交联温度对吸附剂吸附性能的影响17

2.2.6考察交联pH值对吸附剂吸附性能的影响16

2.2.7考察交联剂浓度对吸附剂吸附性能的影响16

2.2.8考察γ-PGA相对用量对吸附剂吸附性能的影响17

2.2.9吸附剂重复利用性实验17

2.2.10吸附剂制备前后的结构表征18

3结果与分析19

3.1罗丹明B标准曲线19

3.2吸附剂制备条件的选择20

3.2.1不同交联时间对吸附剂吸附性能的影响20

3.2.2不同交联pH对吸附剂吸附性能的影响21

3.2.3不同交联剂的浓度对吸附剂吸附性能的影响21

3.2.4不同γ-PGA用量对吸附剂吸附性能的影响22

3.2.5不同温度对吸附剂吸附性能的影响23

3.3.6确定最佳制备条件23

3.3γ-PGA吸附剂重复利用率的分析24

3.4吸附剂制备前后的结构表征25

3.4.1红外光谱图25

3.4.2X射线衍射27

4结论29

参考文献30

致谢33

1绪论

据相关部门统计，我国每生产1t的染料排放废水约744t，在印染过程中，染料的损失量约10%～20%，其中约有一半流入自然环境中。

染料在进入水体之后，会降低水体的透光性，减缓水生植物的光合作用及生长，大大降低了水中溶解氧，破坏水生生态系统；

与此同时，还会带来人体感官上的不悦。

许多染料被怀疑具有致癌、致突变作用和毒性，因此，去除水中染料分子对保护环境具有十分重要的意义。

目前有许多方法用于染料废水的处理，如微生物降解、化学氧化、凝聚、膜分离、吸附法等。

研究表明，吸附法是从水溶液中去除低浓度有机物和金属离子的有效方法，同时吸附法也可应用于废水中染料的处理[1]，已有报道，活性炭[2]、矿物质[3]、聚合物[4]等可作为吸附剂用于废水中染料的去除。

但这类材料存在损耗大、处理效果不佳、会产生二次污染等缺点，故需要研究开发新型高效、对环境友好的处理材料。

γ-PGA是一种由微生物大量生物合成的阴离子型多聚氨基酸，是一种谷氨酸的高分子聚合物，对人类和环境无毒无害[5]，相关结果表明对多种重金属阳离子有很强的吸附作用，尤其是对Cu2+的吸附作用最强，同时，对有机物也有着很好的吸附效果。

由于γ-PGA具有很强的水溶性，在工业废水处理中，为了既能防止γ-PGA不随水流走，又能不破坏其阴离子对重金属、有机物的吸附性，选择明胶及聚乙烯醇分别作为膜载体和球载体，使用交联的方法制备成重金属及有机物的吸附剂，因此，本研究以明胶为载体制备γ-PGA明胶膜吸附剂，对水中染料罗丹明B进行去除。

1.1γ-PGA概述

1.1.1γ-PGA的结构和性质

1.1.1.1γ-PGA的结构

迄今已经发现几种产生菌，主要是芽孢杆菌属（Bacillus）的菌株，包括各种枯草芽孢杆菌（Bacillussubtilis）[6]、地衣芽孢杆菌（Bacilluslicheniformis）[7]、炭疽芽胞杆菌（Bacillusanthracis）[8]和纳豆芽孢杆菌（Bacillusnatto）。

γ-PGA这种阴离子物质是由L-谷氨酸和D-谷氨酸单体之间通过α-氨基和γ-羧基形成肽键之后生成的同聚酰胺。

其结构式如下（图1-1）：

图1-1γ-PGA的结构式

1.1.1.2γ-PGA的理化性质

γ-PGA是一种多功能的生物高分子聚合物，相对分子质量约为2.7×

105，基本骨架是由γ-酞胺键连接而成的直链纤维分子。

具有很好的成膜性、成纤维性、阻氧性、可塑性、粘结性和重要的生物降解性、吸水性（l:

3500）等特性。

γ-PGA的这些特性使其具有增稠、乳化、凝胶、成膜、保温、缓释、助溶和粘结等许多功能[9-11]。

根据酸碱滴定[12]测定游离型γ-PGA的pKa值，得到pKa=2.23，这个值与谷氨酸的α-羧基的pKa值大体一致，γ-PGA金属盐（Na型）的旋光度为-70。

平均分子量为1.23×

104。

利用TGA和DSC进行热性质的分析[13]，得出其热分解温度为235.9℃，熔点为223.5℃。

为了进一步研究γ-PGA的功能，研究人员对γ-PGA的可溶性溶剂的研究结果表明[14]：

1.0g的γ-PGA可溶于100mL的二甲基亚砜、热的N，N-二甲基甲酞胺、N-甲基-2-吡咯烷酮。

γ-PGA酸水解后用GITC做诱导剂，用HPLC进行分离，测得当产量达到高峰的对数增殖后期时γ-PGA中D-谷氨酸和L-谷氨酸的比值稳定在D:

L=60:

40。

氢键的存在对水溶性有很大的促进作用，许多高分子化合物都通过氢键作用，与水分子发生缔合而获得水溶性。

高分子在水中的溶解度还因高分子结构、分子量的不同而不同。

线型高分子能完全地生成氢键，使水分子很快进入全部高分子结构之中；

非线型高分子只有部分区域生成氢键，水分子只能渗入部分高分子结构区域；

这样，γ-PGA比支链高分子的水溶性要好。

高分子分子量增加，溶解速度也将降低。

这一方面是由于分子量的增大，使分子在水中的扩散速度减慢；

同时也由于分子量大的溶液黏度大，更增加了分子运动的阻力。

温度是影响高分子溶解的最重要的外部因素，大多数高分子的溶解度随温度的升高而增大[15]。

分子量和多分散性是γ-PGA的重要特征参数，Shih等[16]对γ-PGA分子量的控制进行了专门的研究。

一般而言，由芽孢杆菌产生的γ-PGA的平均分子量（Mw）在100-1000kDa之间，而多分散性在2~5之间。

分子量越大，其流变性越难控制，也很难被化学试剂修饰，从而限制了γ-PGA的应用。

目前己采用碱水解、超声波降解[17]、微生物降解[18]或酶降解以及改变培养基成分等方法来得到不同分子量的PGA。

Birrer等[19]人提高了培养基E中NaCl的含量，用B.LicheniformisATCC9945A获得了分子量相对很高的γ-PGA。

因此他们认为改变培养基离子强度的方法将最终成为γ-PGA分子量控制的一种策略。

杨革[20,21]等研究了γ-PGA水溶液的流变性能，认为γ-PGA溶液是非牛顿剪切变稀的假塑性流体，其粘度随温度的升高而呈现下降态势。

γ-PGA易溶于水形成有粘弹性的弱凝胶，但长时间的高温加热或酸、碱处理，以及添加一定量的某些金属盐会破坏γ-PGA形成的凝胶网络结构，甚至使γ-PGA的粘弹性完全丧失。

Goto[22]等通过监测γ-PGA随时间变化的分子量，研究了80℃、100℃和120℃下γ-PGA在水溶液中的水解模型。

最终认为平均分子量的倒数（l/Mn）和水解时间在3种温度下，都分别呈线性关系。

这一结果说明，水溶液中γ-PGA的水解可通过加热的方式使多肤链随机断裂。

1.1.2γ-PGA的国内外研究现状

1.1.2.1国际研究概况

随着发达国家对可生物降解的高分子聚合物用量的增加，加之全球性对环境的重视，对γ-聚谷氨酸类似高分子聚合物生物法合成逐渐重视起来，并且拓展了γ-聚谷氨酸许多新的应用领域。

目前，世界上有很多大学和科研院所正在积极从事γ-聚谷氨酸生物合成的研究。

从全球看，水溶性高分子的生产和消费仍集中在北美、西欧和日本等发达地区和国家。

日本科学家在聚合氨基酸的研究开发方面出于世界领先水平。

据报道，味之素株式会社已成功开发γ-聚谷氨酸，它是利用纳豆菌为工业微生物对谷氨酸进行聚合化获得的，目前该项目已投产并实现了商业化生产，产率为35g/L，但价格昂贵，约为3000元/kg。

1.1.2.2国内研究概况

我国在这方面的研究开发尚处于起步阶段，研究的深度、广度等均与国外有较大的差距。

近几年来，国内各大专院校和研究机构也对γ-PGA的生物合成途径和机制，以及利用微生物的发酵生产进行了研究开发工作，但研究工作仅限于实验室，离产业化有较大的距离，因此，建立完整、系统、大规模的γ-PGA的微生物生产方法是今后函待解决的课题。

1.1.3γ-PGA的应用

γ-PGA分子链上具有大量侧链羧基，具有极高的吸水保湿性和吸水性。

γ-PGA易于和一些药物结合生成稳定的复合物，是一类理想的可生物降解的医药用高分子材料。

γ-PGA对环境无污染，具有极佳的生物可降解性、成膜性、成纤维性、可塑性、粘结性、保湿性等许多独特的理化和生物学特性，是一种绿色生物大分子。

在注重环保、强调可持续发展的今天，γ-PGA这种由生物合成的可降解功能型材料正日益受到人们的青睐，逐渐地应用于医药制造、食品加工及蔬菜、水果、海产品的防冻和保鲜，以及化妆品工业、烟草、皮革制造业及植物种子保护等许多领域，是一种有极大开发价值和广阔前景的多功能新型生物材料。

1.1.3.1γ-PGA在医药领域的应用

γ-PGA具有良好的生物亲和性和生物降解性，作为药物载体提高药物缓释性、靶向性，可提高药物水溶性，降低药物毒副作用，从而提高药物疗效、扩大药物使用范围[23]。

γ-PGA作为药物载体具备以下优点：

（1）生物可降解性。

γ-PGA在体内容易被降解成为短肽和氨基酸单体，这些是属于人体自身就具有的物质，没有毒副作用，生物相容性优良；

（2）γ-PGA主链上大量羧基易于修饰、易于和药物结合；

（3）γ-PGA及其衍生物具备很好的缓释和控释性能；

（4）γ-PGA本身即具备一定的靶向性，与其他靶向剂（如单克隆抗体）结合后，其靶向性更佳；

（5）γ-PGA可以增加药物的溶解度和稳定性。

γ-PGA这些特性使得它成为了一种非常理想的药物载体，将γ-PGA作为水溶性差、体内不稳定、易分解代谢或毒副作用大的药物的载体，可明显提高药物的生物利用度，降低毒副作用，延长作用时间，提高血药浓度。

对于需要靶向给药的抗癌药物，γ-PGA与靶点的结合更是为抗癌药物提供了一种理想的靶向给药途径[24]。

国内外关于γ-PGA的研究非常多，范围极其广泛，相比之下，国内研究较少，且范围局限，总的来说，γ-PGA作为药物载体的研究，主要集中在抗癌药物的载体。

1.1.3.2γ-PGA在农业中的应用

γ-PGA经过电子射线照射数秒钟后能够得到一种高倍吸水性树脂（Superabsorbentpolymer,SAP），吸水能力为自身的数百乃至数千倍，最高可达5300倍。

这种高吸水性树脂无毒、无味、无色透明，吸水速度快，具有高吸水性和保水性。

将这种高吸水性树脂与土壤结合，不仅可以改进团粒，还能改进土壤的保湿、保肥性能，在改造荒山、秃岭、沙漠等方面，发挥积极作用[25]。

日本科研人员采用γ-PGA吸水树脂包裹牧草种子，撒于缺水沙地进行绿化试验，一周后种子发芽生长得十分顺利。

另外，在肥料、杀虫剂、除草剂、驱虫剂等使用时，加入适量的γ-PGA盐可以延长这些药物在作用对象表面上的停留时间，不易因干燥、下雨而被冲刷掉[26]。

1.1.3.3γ-PGA在食品工业中的应用

γ-PGA作为生物大分子物质，在体内降解后生成谷氨酸，对人体没有毒副作用，因此在食品工业中也得到了广泛的应用。

目前γ-PGA已作为一种食品中的苦味祛除剂以提高食品的味道和口感。

含有γ-PGA的芦荟、绿茶等植物萃取物能增加皮肤吡咯烷酮羧酸，以达到提高湿润效果的作用。

γ-PGA还可以作为食品的抗冻剂，避免食品在低温保存时改变味道和口感[27]。

除此之外，在淀粉类食品中，γ-PGA可作为保鲜剂，延长食品货架期。

1.1.3.4γ-PGA在化妆品与日化用品的应用

聚谷氨酸最大特点之一是保湿性极强。

利用这一特性，国外已成功开发了一种滋润肌肤效果极佳的化妆液。

这种新型化妆乳液能在皮肤上形成薄膜防止水分蒸发，这一点与许多传统化妆液差不多。

但它在进入皮肤深层之后，还具有恢复甚至重造皮肤自我湿润系统的功能。

原来，随着年龄的增长或生理疲劳的加剧，皮肤的自我湿润功能会逐渐减弱乃至消失，而这种化妆液起到促使自我修复系统“起死回生”的作用[28]。

利用多聚谷氨酸还可制取一种新型护发液。

头发的最外层覆盖有一种叫毛鳞片的物质，如毛鳞片脱落，头发就易受到损伤。

而将这种新型护发液涂抹在头发表层，形成的薄膜不仅能防止头发内水分的蒸发，而且其中的粘性成分还能发挥类似胶水的作用，把即将脱落的毛鳞片完全或部分修复[29]。

用放射线照射多聚谷氨酸，其分子结构即会发生变化，由此吸收水分的特点还会增加。

据试验，每克经过放射线