藍(lán)平，何日梅，封余賢，李庭龍，熊根，韋金巒，梁佩珠，廖安平（廣西民族大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，廣西高?；瘜W(xué)與生物轉(zhuǎn)化過(guò)程新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530006）

?

木薯淀粉磁性微球的結(jié)構(gòu)表征及其對(duì)溶菌酶的吸附性能

藍(lán)平，何日梅，封余賢，李庭龍，熊根，韋金巒，梁佩珠，廖安平
（廣西民族大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，廣西高?；瘜W(xué)與生物轉(zhuǎn)化過(guò)程新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530006）

摘要：磁性微球是高分子材料與磁性物質(zhì)通過(guò)一定作用復(fù)合而成的一類(lèi)具有特殊功能的磁性高分子微球。以木薯淀粉為原材料，復(fù)合共沉淀法制備的改性磁流體Fe3O4，采用兩步法（化學(xué)交聯(lián)法）制備木薯淀粉磁性微球。利用傅里葉變換紅外光譜儀、X射線(xiàn)衍射儀、同步熱分析儀、掃描電鏡、激光粒度儀、磁天平等對(duì)其性能及結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征并研究其對(duì)溶菌酶的吸附行為。通過(guò)單因素法考察磁性微球用量、溶液pH值、吸附溫度、吸附時(shí)間對(duì)吸附率的影響，并采用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型研究其吸附動(dòng)力學(xué)。結(jié)果表明：制備的木薯淀粉磁性微球Fe3O4含量為19.71%，D50(中位徑)為15.40μm，磁化率為1.571×10?3cm3/g，形貌規(guī)整；在微球用量為1.25g，溶液pH=10，吸附溫度為25℃，吸附時(shí)間為 80min時(shí)，微球?qū)θ芫傅奈铰首罡撸_(dá)到84.67%。以相關(guān)系數(shù)R2為參考，準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型（R2=0.99993）較準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型（R2=0.99174）、顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型（R2=0.69996）能更好描述木薯淀粉磁性微球?qū)θ芫傅奈叫袨椤?/p>

關(guān)鍵詞：木薯淀粉；磁性微球；溶菌酶; 吸附；動(dòng)力學(xué)模型

第一作者：藍(lán)平（1969—），女，博士，教授，研究方向?yàn)樯锘牧现苽?。E-mail gxlanping@163.com。聯(lián)系人：廖安平，博士，教授。E-mail gxanping@ sina.com。

磁性微球是高分子材料與磁性物質(zhì)通過(guò)一定作用復(fù)合而成的一類(lèi)具有特殊功能的磁性高分子微球。近二、三十年來(lái)，磁性微球的制備及應(yīng)用研究一直是國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者的研究熱點(diǎn)之一。磁性微球由于其優(yōu)異的性能已經(jīng)在造影劑、靶向給藥、食品微生物檢測(cè)、固定化酶、生物細(xì)胞分離純化、環(huán)境水處理、催化劑載體等方面[1-8]表現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力。磁性微球制備方法主要有包埋法、單體聚合法、原位法、自由基聚合法、溶劑揮發(fā)法、噴霧法、高壓靜電法等[9]。隨著其他交叉學(xué)科的發(fā)展及研究的不斷深入，也有學(xué)者嘗試用分子印跡技術(shù)制備磁性微球[10]。其制備方法大體分為一步法、兩步法。其中一步法是制備磁性微球較早的一類(lèi)方法，兩步法是在一步法的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的，許多學(xué)者采用兩步法成功制備了磁性微球[11-12]。本文作者采用一步法[13]制備的木薯淀粉磁性微球磁化率（1.192×10?3cm3/g）較本文兩步法制備的產(chǎn)品磁性物質(zhì)含量（1.571× 10?3cm3/g）低，因此本工作采用兩步法制備木薯淀粉磁性微球。

淀粉磁性微球，顧名思義，是由淀粉與磁性物質(zhì)復(fù)合而成的一類(lèi)既具有高分子材料的特性又具有磁響應(yīng)性的雙重性能的磁性高分子復(fù)合物。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道，制備淀粉磁性微球方法中所采用的淀粉材料主要是可溶性淀粉、玉米淀粉、糯米淀粉以及改性淀粉[14-17]，淀粉材料為木薯淀粉的并不多見(jiàn)。木薯淀粉是天然高分子物質(zhì)，具有生物相容性、可降解、無(wú)毒等特性已經(jīng)引起各學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前，木薯淀粉的研究多數(shù)停留在改性淀粉，對(duì)其與無(wú)機(jī)材料的復(fù)合研究較少，尤其是磁性無(wú)機(jī)材料。因此研究木薯淀粉磁性復(fù)合材料具有重要意義。本工作以廣西豐富資源木薯淀粉為原材料，復(fù)合共沉淀法制備的改性磁流體，采用兩步法（化學(xué)交聯(lián)法）制備淀粉磁性微球，并用傅里葉變換紅外光譜儀、X射線(xiàn)衍射儀、同步熱分析儀、掃描電鏡、激光粒度儀、磁天平等儀器對(duì)其進(jìn)行表征，在此基礎(chǔ)上，對(duì)木薯淀粉磁性微球復(fù)合過(guò)程機(jī)理進(jìn)行分析并研究其對(duì)生物酶的吸附行為。

將功能性磁性微球用于蛋白質(zhì)分離純化是一種新型分離技術(shù)，相關(guān)報(bào)道較少。PENG 等[18]以納米磁性四氧化三鐵為吸附劑，研究其對(duì)溶菌酶的純化作用，其吸附率最高達(dá)到97%，解吸附后活性為82%，但四氧化三鐵粒子容易發(fā)生團(tuán)聚，對(duì)溶菌酶的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。SHAO等[19]對(duì)納米四氧化三鐵進(jìn)行無(wú)機(jī)改性，以SiO2包覆納米四氧化三鐵制備磁性微球。以此為吸附劑研究其對(duì)蛋白質(zhì)的純化作用，降低了單一四氧化三鐵納米粒子的團(tuán)聚作用，但無(wú)機(jī)材料對(duì)蛋白質(zhì)的親和性較差。而后有研究者以聚甲基丙烯酸等合成高分子化合物為原材料制備高分子磁性微球純化蛋白質(zhì)[20]，但合成高分子經(jīng)濟(jì)成本較高、環(huán)保性較差。以殼聚糖、葡萄糖天然高分子磁性微球有報(bào)道應(yīng)用于純化蛋白質(zhì)研究[21-22]，取得了一定的成果。但以木薯淀粉天然高分子磁性微球分離純化蛋白質(zhì)還未見(jiàn)報(bào)道，本工作以溶菌酶為模型物采用制備的木薯淀粉磁性微球?qū)ζ溥M(jìn)行吸附吸附研究，并建立準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)、準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)及顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型進(jìn)行分析，為天然高分子磁性微球應(yīng)用于溶菌酶的分離純化提供一定的理論指導(dǎo)和現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)材料

1.1實(shí)驗(yàn)主要材料與試劑

木薯淀粉，工業(yè)級(jí)，淀粉含量≥86.69%，水分含量≤13%，廣西武鳴安寧淀粉有限公司；95%乙醇，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；聚乙二醇（6000），分析純，聚合度157，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；過(guò)硫酸銨，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；25%戊二醛，分析純，成都市科龍化工試劑廠(chǎng)；磁流體，10mg/mL，自制；溶菌酶，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；Tris-HCl緩沖溶液，自制。

1.2儀器與設(shè)備

箱式電阻爐，SX2-4-10A，上海比爾得儀器實(shí)業(yè)有限公司；超聲波粉碎機(jī)，JY92-IIN，寧波新芝生物科技股份有限公司；激光粒度分析儀，Rise-2028，濟(jì)南潤(rùn)之科技有限公司；磁天平，ZJ-2B，南京多助科技發(fā)展有限公司；X射線(xiàn)衍射儀（XRD），D/max-Ultima IV，日本理學(xué)公司；紅外光譜儀，Nicolet IS10，美國(guó)Thermo公司；TG-DSC同步熱分析儀，STA449F3，德國(guó)耐馳儀器制造有限公司；掃描電子顯微鏡，EVO18，德國(guó)卡爾蔡司公司；721紫外分光光度計(jì)，TU-1810PC，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；恒溫?fù)u床，TQ2-312，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；pH計(jì)，PHS-25，上海精密科學(xué)儀器有限公司。

2　實(shí)驗(yàn)方法

2.1木薯淀粉磁性微球的制備

將25mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 10% 的聚乙二醇（6000）加入到裝有磁流體的燒杯中，在800W功率下超聲1min使其分散均勻，加入到裝有50mL 95%乙醇的三口燒瓶中，再加入0.15g 引發(fā)劑過(guò)硫酸銨，使Fe3O4成為聚合中心，淀粉在其表面發(fā)生聚合作用。攪拌10min；加入5g 原木薯淀粉，攪拌10min待木薯淀粉均勻分散后，加入 2mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%戊二醛（交聯(lián)劑）攪拌加熱2h，反應(yīng)結(jié)束后靜置冷卻至室溫，用蒸餾水洗滌數(shù)遍，真空抽濾、置于50℃烘箱干燥12h，研磨成粉末最終得到木薯淀粉磁性微球改性產(chǎn)品。

2.2原木薯淀粉、木薯淀粉磁性微球?qū)θ芫傅奈叫袨?/p>

配制不同濃度溶菌酶溶液（1.0～5.0mg/mL），用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定在281nm處吸光度值，以溶菌酶質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，以吸光度為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線(xiàn)，結(jié)果得線(xiàn)性回歸方程為y = 2.0834x + 0.042。由相關(guān)系數(shù)R2= 0.9964可知，溶菌酶質(zhì)量濃度在1.0～5.0mg/mL內(nèi)線(xiàn)性關(guān)系良好，符合朗伯-比爾定律。在吸附實(shí)驗(yàn)中考察不同微球用量，不同pH值，不同吸附溫度，不同吸附時(shí)間對(duì)吸附率的影響。

采用靜態(tài)吸附法，測(cè)定溶菌酶吸附前后在281nm處的吸光度。在吸附平衡實(shí)驗(yàn)中，溶菌酶初始濃度確定為1.0mg/mL，吸附平衡時(shí)間均為80min；在吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，溶菌酶初始濃度確定為1.0mg/mL，在吸附溫度為308K下測(cè)定10～180min內(nèi)不同時(shí)刻原木薯淀粉、木薯淀粉磁性微球?qū)θ芫傅奈搅俊?/p>

2.3溶菌酶吸附性能的測(cè)定

微球?qū)θ芫傅奈铰始拔搅堪词?1)、式(2)計(jì)算。式中，E代表吸附率；C0代表溶菌酶溶液的初始濃度，mg/mL；Ct代表溶菌酶溶液圖t時(shí)刻的濃度，mg/mL。qt表示t時(shí)刻的吸附量，mg/g；V表示溶菌酶溶液體積，mL；m表示加入木薯淀粉磁性微球的量，g。

3　結(jié)果與分析

3.1產(chǎn)品紅外光譜分析

圖1中a、b、c分別是Fe3O4、原木薯淀粉、木薯淀粉磁性微球的FTIR譜圖，a譜圖中，3410cm?1為磁性Fe3O4表面羥基振動(dòng)吸收峰，571cm?1Fe3O4中是Fe—O特征吸收峰；b譜圖中，3412cm?1、1158cm?1、1080cm?1、1015cm?1是原木薯淀粉所特有的特征峰。其中3412cm?1是木薯淀粉—OH伸縮振動(dòng)峰，1158cm?1、1080cm?1、1015cm?1均是木薯淀粉醇羥基的C—O振動(dòng)吸收峰；c譜圖中出現(xiàn)與b譜圖中類(lèi)似的特征峰，說(shuō)明產(chǎn)品中含有木薯淀粉。另外，在603cm?1處出現(xiàn)Fe—O振動(dòng)吸收峰，這與DOINA等[23]研究的結(jié)果一致，與a譜圖對(duì)比，產(chǎn)品中的Fe—O振動(dòng)吸收峰向高波數(shù)方向移動(dòng)，原因可能是交聯(lián)劑參與反應(yīng)造成的。綜上所述，說(shuō)明產(chǎn)品含有木薯淀粉與磁性物質(zhì)。

圖1　Fe3O4、原木薯淀粉、木薯淀粉磁性微球的FTIR譜圖

3.2產(chǎn)品XRD分析

圖2為原木薯淀粉及木薯淀粉磁性微球XRD譜圖。圖2(b)在2θ為 5°～30°范圍出現(xiàn)與圖2(a)類(lèi)似的特征峰，說(shuō)明木薯淀粉與磁性物質(zhì)復(fù)合前后木薯淀粉晶型沒(méi)發(fā)生改變；另外，圖2(b)中在2θ分別為36°、42.5°、53°、57°、63°出現(xiàn)了原木薯淀粉沒(méi)有的特征峰，而這幾個(gè)特征峰恰是Fe3O4所特有[24]，由此可以證明制備的產(chǎn)品是木薯淀粉與Fe3O4的復(fù)合物。

3.3熱分析

圖3是磁性Fe3O4顆粒及木薯淀粉磁性微球的TG曲線(xiàn)。從圖3的熱重分析結(jié)果表明當(dāng)溫度升高到580℃左右時(shí)，圖3中磁性Fe3O4顆粒已經(jīng)趨于穩(wěn)定，此時(shí)剩余的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為91.91%；而對(duì)應(yīng)的木薯淀粉磁性微球中的少量水分及木薯淀粉已經(jīng)完全揮發(fā)掉，剩余的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.62%。由此可以計(jì)算出木薯淀粉磁性微球中的木薯淀粉所占比例為80.29%，進(jìn)而對(duì)應(yīng)的Fe3O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19.71%。

圖2　原木薯淀粉及木薯淀粉磁性微球的 XRD譜圖

圖3　磁性Fe3O4顆粒、木薯淀粉磁性微球的TG曲線(xiàn)

3.4產(chǎn)品形貌特征分析

圖4 分別是500倍、1000倍下掃描電鏡圖。從上圖可以看出制備的產(chǎn)品分散性較好，不存在團(tuán)聚現(xiàn)象，基本呈球狀，有部分產(chǎn)品發(fā)生破碎，形貌較為規(guī)整。

圖4　500倍、1000倍下木薯淀粉磁性微球掃描電鏡圖

3.5產(chǎn)品粒度及分布

采用Rise-2028型激光粒度儀對(duì)制備的產(chǎn)品進(jìn)行粒度分析。圖5為產(chǎn)品粒度分析圖。通過(guò)儀器攜帶的軟件對(duì)粒度進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)可知道：粒度小于10μm占17.3%，小于20μm占74.2%，D50（中位徑）=15.40μm。

圖5　木薯淀粉磁性微球粒度分析圖

3.6產(chǎn)品磁化率測(cè)定

采用古埃及磁天平[25]測(cè)定產(chǎn)品在磁場(chǎng)強(qiáng)度為500mT的磁化率。以莫爾鹽為基準(zhǔn)物質(zhì)，計(jì)算公式如式(3)所示。

M樣、M標(biāo)分別為待測(cè)樣品及標(biāo)準(zhǔn)樣品的質(zhì)量，g；ΔM樣、ΔM標(biāo)分別為待測(cè)樣品及標(biāo)準(zhǔn)樣品施加外加磁場(chǎng)的質(zhì)量差；M標(biāo)=31.6mg，M樣=30.5mg；T為熱力學(xué)溫度。

表1　木薯淀粉磁性微球磁化率計(jì)算相關(guān)參數(shù)

從表1結(jié)果可知，制備的產(chǎn)品磁化率在10?5～10?3cm3/g數(shù)量級(jí)，說(shuō)明產(chǎn)品屬于順磁性材料[26]。

3.7木薯淀粉磁性微球復(fù)合機(jī)理分析

根據(jù)FTIR、XRD、TG、SEM等對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行表征，推測(cè)該產(chǎn)品的復(fù)合機(jī)理是：在超聲波輔助下，磁流體呈現(xiàn)微米或納米級(jí)的尺度分散于表面活性劑（PEG6000）中；加入引發(fā)劑，磁性流體表面包覆的表面活性劑在機(jī)械攪拌的作用下吸附引發(fā)劑（過(guò)硫酸銨），使其與木薯淀粉發(fā)生反應(yīng)，加入交聯(lián)劑戊二醛，木薯淀粉發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)；木薯淀粉裸露的大量—OH中的氧原子與Fe3O4中Fe配位使得木薯淀粉與磁性Fe3O4復(fù)合，得到木薯淀粉磁性微球。

3.8木薯淀粉磁性微球?qū)θ芫傅奈?/p>

3.8.1不同吸附劑用量對(duì)溶菌酶吸附率的影響

原木薯原淀粉及木薯淀粉磁性微球用量對(duì)溶菌酶吸附率的影響如圖6。

圖6　原木薯淀粉及木薯淀粉磁性微球用量對(duì)溶菌酶吸附率的影響

如圖6 所示，在以原木薯淀粉為吸附劑的情況下，吸附率隨著吸附劑用量的增加呈現(xiàn)平緩的趨勢(shì)，吸附率較低。而以木薯淀粉磁性微球?yàn)槲絼┑那闆r下，吸附率隨著微球用量的增加而逐漸升高，最后趨于平緩。原因可能是：木薯淀粉表面光滑[27]，比表面積較小，隨著用量的增加其比表面積的增加量較小，吸附率的變化不明顯。而從場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀(guān)察，木薯淀粉磁性微球表面粗糙，比表面積較大，吸附率較以原木薯淀粉為吸附劑時(shí)高，隨著溶液中微球用量的增加，提供的吸附位點(diǎn)增多，微球?qū)θ芫傅奈铰手饾u升高。當(dāng)木薯淀粉磁性微球用量超過(guò)1.25g后，吸附率的增加緩慢，最后吸附位點(diǎn)的增加所帶來(lái)的效益較低，因此實(shí)驗(yàn)較佳磁性微球用量為1.25g。

3.8.2溶液pH值對(duì)溶菌酶吸附率的影響

溶液pH值對(duì)溶菌酶吸附率的影響如圖7。

圖7　溶液pH值對(duì)溶菌酶吸附率的影響

由圖7 可知，以木薯淀粉磁性微球?yàn)槲絼┑奈铰瘦^原木薯淀粉為吸附劑時(shí)高。吸附率均先隨著pH值的增加緩慢上升，在靠近pH10時(shí)急劇上升，緊接著出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，在pH10時(shí)達(dá)到最高吸附點(diǎn)。pH值對(duì)溶液中蛋白質(zhì)的吸附影響較大，一是影響吸附質(zhì)在溶液中存在的化學(xué)形態(tài)，二是影響吸附劑的表面性質(zhì)。原因可能是：木薯淀粉磁性微球表面粗糙，比表面積大，提供較多的吸附位點(diǎn)。溶菌酶等電點(diǎn)為10.7[28]，當(dāng)pH<10.7時(shí)，溶菌酶表面帶正電荷，高于等電點(diǎn)時(shí)帶負(fù)電荷。在等電點(diǎn)處凈電荷為零，其分子之間的排斥力最低。隨著pH值從5升至10，其正電荷逐漸減少，溶菌酶分子間排斥作用相對(duì)減小，吸附率逐漸升高。當(dāng)溶液 pH=11 時(shí)，溶菌酶分子表面帶負(fù)電荷，其分子之間靜電排斥力增加，導(dǎo)致吸附率下降。因此實(shí)驗(yàn)較佳pH值為10。

3.8.3吸附溫度對(duì)溶菌酶吸附率的影響

吸附溫度對(duì)溶菌酶吸附率的影響如圖8。據(jù)圖8，以木薯淀粉磁性微球?yàn)槲絼綔囟仍?5～50℃范圍內(nèi)，吸附率達(dá)到80%以上。吸附率總體變化趨勢(shì)較小，可見(jiàn)在所選范圍溫度對(duì)吸附率的影響較小。原因可能是：溶菌酶在所選擇的溫度范圍內(nèi)較穩(wěn)定，隨著溫度的逐漸升高，其形態(tài)結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生變化。室溫25℃易于控制，且能耗較低，因此本實(shí)驗(yàn)選擇室溫25℃為吸附溫度。而原木薯淀粉對(duì)溶菌酶的吸附率在15～40℃范圍內(nèi)變化不大，后期隨著溫度的升高緩慢下降，但吸附率均較小。原因可能是原木薯淀粉表面較光滑，能提供的吸附位點(diǎn)易飽和，在溫度較高時(shí)，溶菌酶布朗運(yùn)動(dòng)增加，但增加到一定程度后，布朗運(yùn)動(dòng)的進(jìn)一步增強(qiáng)減弱了原木薯淀粉與溶菌酶的靜電作用，因此吸附率呈逐漸降低的趨勢(shì)。

圖8　吸附溫度對(duì)溶菌酶吸附率的影響

3.8.4吸附時(shí)間對(duì)溶菌酶吸附率的影響

吸附時(shí)間對(duì)溶菌酶吸附率的影響如圖9。由圖9 知，以木薯淀粉磁性微球?yàn)槲絼┫?，吸附率隨著吸附時(shí)間延長(zhǎng)逐漸上升，80min后吸附趨于平衡。原因可能是：吸附初始階段，木薯淀粉磁性微球能夠提供充足的吸附位點(diǎn)與溶菌酶發(fā)生作用，與此同時(shí)，溶菌酶自身二級(jí)結(jié)構(gòu)不斷的進(jìn)行調(diào)整和旋轉(zhuǎn)，使自身能量降低，吸附率急劇上升；隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，吸附位點(diǎn)逐漸被占有，溶菌酶濃度下降，有效接觸率降低，進(jìn)行緩慢吸附，在充分接觸至吸附位點(diǎn)飽和后吸附逐漸達(dá)到平衡。因此實(shí)驗(yàn)較佳吸附時(shí)間為80min。而在吸附時(shí)間范圍內(nèi)，原木薯淀粉對(duì)溶菌酶的吸附率緩慢上升后下降但總體較低。

圖9　吸附時(shí)間對(duì)溶菌酶吸附率的影響

3.9吸附動(dòng)力學(xué)模型

吸附過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型描述了吸附劑吸附溶質(zhì)的變化規(guī)律，與溶質(zhì)濃度、吸附時(shí)間緊密相關(guān)。為了研究木薯淀粉磁性微球?qū)θ芫傅奈叫袨?，采用?zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型、準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)及顆粒擴(kuò)散模型進(jìn)行模擬，擬合方程如下[28-30]。

準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型如式(4)。

準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型如式(5)，顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型如式(6)。

式中，t為吸附時(shí)間，min；qt表示不同時(shí)間的吸附量，mg/g；q1表示由準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合出的平衡吸附量，mg/g；q2表示由準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合出的平衡吸附量，mg/g；k1為一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)，g/(mg·h)；k2為二級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)，g/(mg·h)；kd為顆粒內(nèi)擴(kuò)散速率常數(shù)，mg/(g·min0.5)；通過(guò)1/qt對(duì)1/t及t/qt對(duì)t、qt對(duì)t0.5行線(xiàn)性擬合，由直線(xiàn)斜率和截距可求出相關(guān)參數(shù)。

由圖10、圖11、圖12和表2可知，準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)相關(guān)系數(shù)R2=0.99993大于準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)相關(guān)系數(shù)R2=0.99174和顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型相關(guān)系數(shù)R2=0.69996。說(shuō)明準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程能夠更好的描述木薯淀粉磁性微球?qū)θ芫傅奈絼?dòng)力學(xué)行為。

圖10　準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型

4　結(jié)　論

（1）采用化學(xué)交聯(lián)法成功制備了微米級(jí)木薯淀粉磁性微球。紅外光譜、X射線(xiàn)衍射分析證明，磁性粒子與木薯淀粉復(fù)合；熱重分析結(jié)果表明微球中，磁性物質(zhì)占19.71%；掃描電鏡表明微球形貌規(guī)整。激光粒度分析儀測(cè)定結(jié)果表明，制備的木薯淀粉磁性微球中位徑大小為15.40μm，粒度小于10μm占17.3%，小于20μm占74.2%；磁天平測(cè)試數(shù)據(jù)表明微球磁化率為1.571×10?3cm3/g，為順磁性材料。此外，對(duì)微球復(fù)合機(jī)理進(jìn)行分析，推斷磁性Fe3O4與木薯淀粉復(fù)合機(jī)理可能為：在引發(fā)劑作用下，磁性Fe3O4與木薯淀粉發(fā)生復(fù)合，木薯淀粉分子含有羥基，羥基中的O與Fe配位，使得復(fù)合過(guò)程可以順利的進(jìn)行。

圖11　準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型

圖12　顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型

表2　溶菌酶濃度為1mg/mL下準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型、準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型、顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型擬合參數(shù)

（2）以溶菌酶為模型物，采用原木薯淀粉及木薯淀粉磁性微球進(jìn)行吸附研究，在實(shí)驗(yàn)條件下，原木薯淀粉吸附率為1.84%～25.14%，木薯淀粉磁性微球吸附率高達(dá)84.67%，較原木薯淀粉吸附率增加59.53%～83.83%。

（3）在溶菌酶濃度為1.0mg/mL 下準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型較準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)、顆粒擴(kuò)散內(nèi)模型能更好的描述木薯淀粉磁性微球?qū)θ芫傅奈絼?dòng)力學(xué)行為。

致謝：感謝廣西高等學(xué)校優(yōu)秀中青年骨干教師培養(yǎng)工程（桂教人[2013]16號(hào)）、廣西新晶科技有限公司對(duì)本項(xiàng)目研究所提供的支持。

參考文獻(xiàn)

[1] 文戈，張雪林，昌仁民，等. 超順磁性氧化鐵增強(qiáng)MRI在肝臟局灶性病變?cè)\斷中的應(yīng)用[J]. 第一軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，22（5）：451-453.

[2] VOLTAIRAS P A，F(xiàn)OTIADIS D I，MICHALIS L K. Hydrodynamics of magnetic drug targeting[J]. Journal of Biomechanics，2002，35 （6）：813-821.

[3] 張小強(qiáng)，趙曉蕾，周鑫，等. 免疫磁性微球的制備及其應(yīng)用于食品微生物檢測(cè)的研究進(jìn)展[J]. 化工進(jìn)展，2009，28（8）：1427-1430.

[4] 張東方，袁飛，王娉，等. 免疫磁捕獲-實(shí)時(shí)熒光 PCR 快速檢測(cè)雞肉中沙門(mén)氏菌[J]. 食品與發(fā)酵工業(yè)，2011，37（8）：142-147.

[5] QIU Guangming，ZHU Baoku，XU Youyi. α-Amylase immobilized by/poly(styreneco maleic anhydride) magnetic composite microspheres：preparation and charaterization[J]. J. Appl. Polym. Sci.，2005，95（2）：328-335.

[6] SHAO Mingfei，NING Fanyu，ZHAO Jingwen，et al. Preparation of Fe3O4@SiO2@layered double hydroxide core-shell microspheres for magnetic separation of proteins[J]. J. Am. Chem. Soc.，2012，134 （2）：1071-1077.

[7] WANG Qiang，GUAN Yueping，XIANG Liu，et al. High-capacity adsorption of hexavalent chromium from aqueous solution using magnetic microspheres by surface dendrimer graft modification[J]. J. Colloid Interface Sci.，2012，375（1）：160-166.

[8] XIE Wenlei，WANG Jianlong. Immobilized lipase on magnetic chitosan microspheres for transesterification of soybean oil[J]. Biomass and Bioenergy，2012，36：373-380.

[9] 藍(lán)平，封余賢，何日梅，等. 磁性高分子微球制備研究進(jìn)展[J]. 現(xiàn)代化工，2014，34（3）：13-18.

[10] 尚超，周利民. 離子印跡磁性殼聚糖微球?qū)︹欕x子的吸附特性[J].高分子材料科學(xué)與工程，2013，29（1）：56-59.

[11] SUN Ying，WANG Biao，WANG Huaping，et al. Controllable preparation of magnetic polymer microspheres with different morphologies by miniemulsion polymerization[J]. Journal of Colloid and Interface Science，2007，308（2）：332-336.

[12] 谷里鵬，彭小慶，趙長(zhǎng)春，等. β-殼聚糖基體磁性微球的制備[J]. 化工進(jìn)展，2012，31（s1）：77-79.

[13] 藍(lán)平，封余賢，喬磊磊，等. 木薯淀粉磁性微球的制備及表征[J]. 食品科技，2014，39（6）：241，243-246.

[14] 楊小玲，姜玉鳳，張引莉. 磁性淀粉微球藥物載體的合成及表征[J].應(yīng)用化工，2008，37（1）：45-48.

[15] 王艷麗. 磁性淀粉的制備、性質(zhì)及應(yīng)用研究[D]. 鄭州：河南工業(yè)大學(xué)，2009.

[16] 邱禮平，馬細(xì)蘭，溫其標(biāo). 交聯(lián)高鏈磁性淀粉的制備及其結(jié)構(gòu)的研究[J]. 中國(guó)糧油學(xué)報(bào)，2007，22（1）：60-64.

[17] LU Wensheng，SHEN Yuhua，XIE Anjian，et al. Preparation and protein immobilization of magnetic dialdehyde starch nanoparticles[J]. J. Phys. Chem. B，2013，117（14）：3720-3725.

[18] PENG Z G，HIDAJAT K，UDDIN M S. Adsorption and desorption of lysozyme on nano-sized magneticparticles and its conformational changes[J]. Colloids and Surfaces B(Biointerfaces)，2004，35：169-174.

[19] SHAO Dandan，XU Keke，SONG Xiaojie，et al. Effective adsorption and separation of lysozyme with PAA-modifed Fe3O4@silica core/shell microspheres[J]. Journal of Colloid and Interface Science，2009，336：526-532.

[20] 崔婷. 聚甲基丙烯酸磁性微球的制備及其在生物分離純化和載藥中的初步應(yīng)用[D]. 西安：西北大學(xué). 2010.

[21] 李梅基，李昭華，胡建成，等. 用殼聚糖親和磁性微球純化血漿凝血酶的研究[J]. 生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展，2010，37（4）：433-440.

[22] 劉瑤. 葡聚糖磁性微球的制備及固定化木瓜蛋白酶的研究[D]. 武漢：華中師范大學(xué)，2012.

[23] DOINA Hritcu，GIANINA Dodi，MIHAELA Silion，et al. Composite magnetic chitosan microspheres：in situ preparation and characterization[J]. Polym. Bull，2011，67：177-186.

[24] JIANG Wei，ZHANG Xiaojuan，SUN Zhendong，et al. Preparation and mechanism of magnetic carbonaceous polysaccharidemicrospheres by low-temperature hydrothermal method[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2011，323 （22）：2741-2747.

[25] 冼遠(yuǎn)芳，范英花，李微，等. 磁天平測(cè)定微量磁性微球[J]. 中國(guó)組織工程研究與臨床康復(fù)，2010，14（38）：7116-7118.

[26] 王麗娟，劉崢，王莉. 磁性交聯(lián)雙醛淀粉微球的制備及表征[J]. 材料導(dǎo)報(bào)，2007，21（9）：153-156.

[27] 藍(lán)平，李冬雪，陳阿明，等. 微波作用對(duì)木薯淀粉顆粒結(jié)晶的影響[J]. 食品科技，2012，37（9）：160-165.

[28] 林燕蘭. Fe3O4/殼聚糖納米粒子對(duì)溶菌酶吸附行為研究[D]. 大連：大連理工大學(xué)，2011.

[29] WANG Cuiping，WANG Baolin，LIU Jingting，et al. Adsorption of Cd（Ⅱ） from acidic aqueous solutions by tourmaline as a novel material[J]. Chin. Sci. Bull.，2012，57（24）：3218-3225.

[30] SHENG G D，SHAO D D，REN X M，et al. Kinetics and thermodynamics of adsorption of ionizable aromatic compoundsfrom aqueous solutions by as-prepared and oxidized multiwalled carbonnanotubes[J]. Journal of Hazardous Materials，2010，178：505-516.

·行業(yè)新聞·

Structural characterization of magnetic cassava-starch microspheres and their application in adsorption of lysozyme

LAN Ping，HE Rimei，F(xiàn)ENG Yuxian，LI Tinglong，XIONG Gen，WEI Jinluan，LIANG Peizhu，LIAO Anping
（School of Chemistry and Chemical Engineering of Guangxi University for Nationalities，Key Laboratory of Chemical and Biological Transformation Process of Guangxi Higher Education Institutes，Nanning 530006，Guangxi，China）

Abstract：The magnetic cassava starch microspheres have been prepared using Fe3O4and cassava starch as starting materials. Fourier transform infrared spectrum，X-ray diffraction，thermal analyzer，scanning electron microscope，laser granulometer，and magnetic balance were used to characterize the product. The adsorption behavior of lysozyme on these microspheres was studied. The influence of magnetic microsphere dosage，solution pH，adsorption temperature and time on the adsorption efficiency was evaluated by single factor experiments. The results showed that magnetic starch microspheres contain 19.71% of Fe3O4，with D50(median diameter) of 15.40μm，and magnetic susceptibility of 1.571×10?3cm3/g . When the dosage of microspheres was 1.25g，with solution pH value of 10，adsorption temperature of 25℃，adsorption time of 80min，the best adsorption efficiency of lysozyme on the microsphere was 84.67%. Based on the correlation coefficient R2，the adsorptionbook=190,ebook=197rate can be better described by pseudo-second-order kinetics(R2=0.99997) than by pseudo-first-order kinetics (R2=0.99174)，and the particle diffusion model(R2=0.69996).

Key words：cassava starch; magnetic microsphere; lysozyme; adsorption; kinetics model

基金項(xiàng)目：廣西高校人才小高地建設(shè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃（桂教人[2011] 47號(hào)），廣西自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（2013GXNSFAA019037）、廣西高?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（2013YB072）、廣西民族大學(xué)研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃（gxun-chxs2015084）、廣西民族大學(xué)-廣西化工研究院研究生聯(lián)合培養(yǎng)基地專(zhuān)項(xiàng)資金（BYB-014）及廣西壯族自治區(qū)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（201410608048）項(xiàng)目。

收稿日期：2015-04-02；修改稿日期：2015-06-16。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.01.025

中圖分類(lèi)號(hào)：TB 34

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000–6613（2016）01–0189–08