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(華中農(nóng)業(yè)大學食品科技學院,湖北武漢 430000)

植酸分子印跡聚合物的制備、表征及吸附性能

張乃片,王承明*,奧文芳,李克超,白娟

(華中農(nóng)業(yè)大學食品科技學院,湖北武漢 430000)

以植酸為模板分子,甲基丙烯酸(MAA)為功能單體,N,N′-乙烯基丙烯酰胺(EBA)為交聯(lián)劑,過硫酸銨為引發(fā)劑,采用本體聚合法制備對植酸具有高特異選擇性的植酸分子印跡聚合物(MIPs)。通過掃描電鏡觀察了分子印跡聚合物表面的結(jié)構(gòu),利用紅外光譜進一步對其化學結(jié)構(gòu)進行表征。通過動態(tài)吸附、靜態(tài)吸附和選擇性吸附考察了其吸附性能。研究表明植酸分子印跡聚合物對植酸的吸附高于對肌醇的吸附,植酸在印跡聚合物中的印跡因子為1.70,而與植酸結(jié)構(gòu)相似物肌醇的印跡因子為1.46。解吸80 min,MIPs解吸達到穩(wěn)定,解吸率達到89.59%。植酸分子印跡聚合物對植酸的吸附特異性強,對植酸的吸附量為21.38 μmol·g-1,解吸效果好,進行吸附-解吸附循環(huán)5次后,植酸印跡聚合物的性能穩(wěn)定,對植酸吸附容量為65.62 μmol·g-1,是第一次吸附容量的90.00%,可重復(fù)使用。

植酸,分子印跡聚合物,表征,吸附性能,解吸

植酸又名肌醇六磷酸,一般以植酸鹽形式存在于植物體內(nèi)[1-2],其中以谷物,豆類及油科種子中含量較豐富[3]。雖然植酸及其鹽由于其獨特的生理、藥理功能和化學特性,可作為添加劑[4-5]、抗氧化劑、螯合劑[6-7]等廣泛使用,但在有關(guān)植物及其相關(guān)制品中,植酸不但會影響磷的消化吸收、礦物元素的利用,而且會影響蛋白質(zhì)的吸收及消化酶的活性[8-11]。因此,對于植酸分離、純化的研究也尤為重要。對于植酸的分離純化,目前主要有金屬離子沉淀法、溶劑抽提法、陰離子樹脂交換法及電泳富集等[12]。我國國標法對植酸含量的測定,就是借助陰離子交換樹脂法進行前處理分離的。但是由于利用離子交換來純化植酸的方法易受共存陰離子影響,使得植酸的吸附量不高。所以有必要研制對植酸具有較高選擇性固相萃取材料用于分離純化植酸。

分子印跡聚合物穩(wěn)定性好、選擇性能力強,在高效分析與分離、手性拆分、環(huán)境監(jiān)測與分析、傳感器、人工酶與人工受體等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[13-17]。然而,將分子印跡制備萃取材料用于檢測植酸的研究,國內(nèi)外幾乎未見報道。研制高選擇性、穩(wěn)定性好的吸附材料,對于植物及其相關(guān)制品中植酸的富集、分離純化和分析尤為重要。

本研究通過分子印跡手段[18],以植酸為模板分子,甲基丙烯酸(MAA)為功能單體,N,N′-乙烯基丙烯酰胺(EBA)為交聯(lián)劑,過硫酸銨為引發(fā)劑,采用聚合法制備對植酸具有高特異選擇性的植酸分子印跡聚合物,研究了其對植酸的吸附和解吸能力,為植酸的富集、分離純化和分析提供新思路。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

植酸(純度>90%) 麥克林公司;甲基丙烯酸(純度>99%) Sigma公司;過硫酸銨(純度>98%) Biosharp公司;N,N′-乙烯基丙烯酰胺(純度>98%) 阿拉丁公司;乙醇,醋酸,丙酮 國藥集團化學試劑有限公司。本實驗所用試劑均為分析純或色譜純。

Waters 2998 高效液相色譜儀 株式會社日立制作所;Nicolet 470傅里葉變換紅外光譜儀 美國熱電尼高力公司;JSM-6390LV掃描電鏡 日本電子公司;722N可見分光光度計 上海菁華科技儀器有限公司;SHZ-82A氣浴恒溫振蕩器 常州澳華儀器有限公司;離心機 上海安亭科學儀器廠;冰箱 合肥美的榮事達電冰箱有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1 植酸分子印跡聚合物的制備 稱取1.0 mmol標準植酸樣品和16 mmol甲基丙烯酸于厚壁玻璃管中,加入5 mL(水∶乙醇=3∶1)混合溶液,25 ℃超聲水浴1 h,加入12.5 mmol N,N′-乙烯基丙烯酰胺和0.100 g過硫酸銨,繼續(xù)25 ℃下160 W超聲水浴1 h,放置在低溫環(huán)境4 ℃下靜置24 h后,通入N230 min,脫氧密封。然后進行磁力攪拌,40 ℃下熱聚合24 h,取出產(chǎn)物,抽濾,真空干燥24 h,用瑪瑙缽體進行研磨,過200目篩。將樣品溶解于丙酮中,去掉上清液,在60 ℃下真空干燥24 h,進行三次索式抽提:水∶乙酸=8∶2,200 mL,抽提48 h烘干;水,200 mL,抽提48 h烘干;乙醇,200 mL,抽提48 h烘干。得到植酸分子印跡聚合物。

空白聚合物(NIPs)制備除了不加入植酸,其他步驟與上述相同[19]。

1.2.2 植酸分子印跡聚合物的表征 采用溴化鉀壓片法[20],用美國的Nicolet傅里葉變換紅外光譜儀對洗脫前MIPs、洗脫后MIPs和NIPs進行表征。將MIPs和NIPs表面噴金后,用掃描電子顯微鏡觀察結(jié)構(gòu)。

1.2.3 MIPs對植酸的吸附與解吸性能

1.2.3.1 動力學曲線測定 量取20 mL濃度為30 μmol·L-1的植酸溶液分別加入到10個錐形瓶中,加入50 mg的MIPs,在25 ℃恒溫下分別振蕩10、20、40、60、80、100、200、400、600 min,靜置10 min后,移取上清液通過分光光度計測量溶液中的植酸濃度,計算平衡吸附量Qm,平行測定3次取平均值,并繪制吸附量時間關(guān)系曲線,考察印跡分子與植酸的結(jié)合效果,并確定達到平衡時的吸附時間。

Qm=(Co-Ct)×V/m

式(1)

式(1)中,Co為植酸初始濃度(μmol·L-1);Ct為t時間植酸的濃度(μmol·L-1);V為植酸溶液的體積(mL);m為吸附材料MIPs的質(zhì)量(g)。

1.2.3.2 等溫吸附性能的測定 量取濃度為5、10、15、20、25、30 mg/L的植酸溶液 20 mL,加入到6個錐形瓶中,分別加入50 mg的MIPs和NIPs,25 ℃恒溫下振蕩7 h,靜置10 min后,移取上清液通過分光光度計測量溶液中植酸濃度,計算平衡吸附量Qe(μmol·g-1),平行測定3次取平均值,繪制吸附等溫線。將獲得的數(shù)據(jù)用langmuir和Fredunlich吸附等溫線進一步評價MIPs和NIPs的結(jié)合特性。

Langmuir吸附等溫方程:

Qe=KLQmCe/(1+KLCe)

式(2)

式(2)中,Qe是吸附容量(μmol·g-1);Ce是植酸的平衡濃度(μmol·L-1);KL是吸附分配系數(shù)(L·μmol-1);Qm是最大吸附容量(μmol·g-1)。

為方便研究,通常將它轉(zhuǎn)化為線性方程:

Ce/Qe=Ce/Qm+1/KLQm

式(3)

式(3)中,KF是吸附系數(shù)(L/μmol-1);n是吸附常數(shù)(L/μmol-1)。

為方便研究,通常將它轉(zhuǎn)化為線性方程:

logQe=logKF+1/n·logCe

式(4)

1.2.4 解吸性能的考察 選用甲醇∶乙酸∶水溶液(體積比7∶2∶1)作為解吸液,量取10 mL濃度為20 mg/L的植酸溶液置于5個20 mL不同的錐形瓶中,分別加入20 mg MIPs,振蕩200 min,4000 r/min離心10 min,靜置10 min后,移取上清液通過分光光度計測量溶液中的植酸的濃度,得到吸附量,棄上清液。加入10 mL洗脫液,測定不同時間段解吸液中植酸的濃度,得到洗脫量,計算解吸率。

式(5)

1.2.5 選擇性吸附實驗 為了表征MIPs的選擇吸附性,選擇與植酸結(jié)構(gòu)相似的肌醇作為競爭底物進行實驗[21]。分別稱取50 mg MIPs,NIPs于25 mL容量瓶中,加入20 mL分別含12 μmol·L-1植酸,肌醇的混合溶液,并定容至25 mL。振蕩200 min,靜置10 min后,通過分光光度計測量溶液中的植酸濃度,計算平衡吸附量Qm(μmol·g-1)、印跡因子IF來評價MIPs和NIPs對植酸的選擇特性。

1.2.6 重復(fù)使用性實驗 稱取0.5 g的MIPs于250 mL錐形瓶中,加入200 mL濃度為125 μmol·L-1的植酸溶液,25 ℃下振蕩7 h,通過分光光度計測量溶液中的PA濃度,按照式(1)計算吸附容量。吸附達到平衡后,對印跡材料進行洗脫,然后真空干燥,記錄質(zhì)量,然后在同樣的條件下重復(fù)5次,利用式(1)測定洗脫以后的MIPs對PA的吸附容量。

1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

2 結(jié)果與討論

2.1分子印跡材料的紅外光譜

對MIPs和NIPs進行紅外光譜分析,結(jié)果如圖1所示,植酸標品在3400 cm-1附近為O-H的伸縮振動,1550 cm-1附近為C=C的骨架振動,在1000 cm-1附近為磷酸酯P=O和C-O的伸縮振動。NIPs、未洗脫的MIPs以及洗脫后的MIPs與植酸標品圖譜對比,1000 cm-1附近波峰減弱,這與反應(yīng)過程中磷酸酯P=O鍵的變化有關(guān)。在MIPs制備過程中,磷酸酯P=O鍵與功能單體甲基丙烯酸中羥基形成氫鍵,因而波峰減弱,說明植酸成功植入分子印跡體系。洗脫后的植酸分子印跡聚合物MIPs與MIPs以及空白對照NIPs對比,可以看出在3400 cm-1附近和1550 cm-1附近出現(xiàn)的吸收峰變尖銳,且在1200 cm-1附近出現(xiàn)O-H面內(nèi)彎曲振動,這是因為在NIPs中,O-H基團主要和C=O之間形成氫鍵,在MIPs中O-H基團不僅與C=O之間形成氫鍵,還與P=O形成氫鍵[22]。MIPs洗脫之后這部分氫鍵從締合態(tài)恢復(fù)游離態(tài),使O-H吸收峰變得尖銳,表明植酸已經(jīng)被很好的洗脫。

圖1 紅外光譜圖Fig.1 FT-IR spectra注：a：植酸標品,b：洗脫后NIPs聚合物,c：洗脫前MIPs聚合物,d：洗脫后MIPs聚合物。

2.2掃描電鏡分析

圖2為植酸MIPs(a)和NIPs(b)的熱場發(fā)射掃描電鏡照片。由圖2可見,NIPs表面較為光滑平整,顆粒間排列緊密,幾乎無空穴產(chǎn)生。而MIPs的表面粗糙,顆粒間排列疏松且多孔,存在大量印跡空穴。與NIPs外貌的區(qū)別,證明了植酸分子印跡法的可能性,實驗成功制備得到了以植酸為模板的分子印跡聚合物顆粒。

圖2 植酸MIPs(a)和NIPs(b)的SEM圖Fig.2 SEM photos of phytic acid MIPs(a)and NIPs(b)

2.3 MIPs對植酸的吸附性能

2.3.1 動力學曲線測定 圖3為MIPs在不同吸附時間內(nèi)對植酸的吸附動力學曲線。從圖中可以看出,在200 min內(nèi),吸附速度較快,之后吸附容量增加緩慢,逐漸達到穩(wěn)定。吸附容量在開始快速增加的原因是MIPs表面存在大量印跡空穴吸附位點,吸附交換的速度較快。隨著時間的延長,MIPs表面印跡空穴吸附位點逐漸被植酸占用,使得吸附速率顯著下降,并最終達到飽和[23]。

圖3 MIPs對植酸吸附動力學曲線Fig.3 The phytic acid adsorption kinetics curve of MIPs

2.3.2 等溫吸附曲線的測定 圖4為MIPs和NIPs吸附植酸等溫線,從圖中可以看出,隨著植酸濃度的增加,MIPs吸附量不斷增加,在45 μmol·L-1時達到最大吸附量為59.58 μmol·g-1。經(jīng)計算靜態(tài)平衡吸附數(shù)據(jù),使用 Langumir 與Freundlich 兩種等溫吸附方程進行分析,結(jié)果如圖5、圖6和表1所示。由表1中的等溫模型回歸參數(shù)可知,Langmuir線性回歸系數(shù)(R2=0.990)高于Freundlich線性回歸系數(shù)(R2=0.918),MIPs對植酸的最大吸附容量為59.58 μmol·g-1,更接近Langmuir模型擬合出的62.92 μmol·g-1,故植酸在MIPs上的吸附行為更好地符合Langmuir等溫吸附方程,屬于單分子層的吸附。

2.3.3 解吸性能的考察 如圖7,在80 min之前,解吸速度較快;這是因為MIPs上有足夠多的吸附結(jié)合位點。在80 min之后,隨著MIPs上能夠被植酸吸附的結(jié)合位點的減少,其解吸速度變緩,并逐漸達到平衡。楊挺等人制備出萊克多巴胺硅膠表面分子印跡材料,其解析率為92.3%[24];雷福厚等人成功合成脫氫樅胺分子印跡聚合物,在解吸時間12 h下,解吸率為95.9%[25]。本實驗解吸200 min,其解吸率能達到92.3%,說明其解吸效果較好。

表1 25 ℃時植酸吸附的等溫模型回歸參數(shù)Table 1 The adsorption isotherm model regression parameters of phyticacid at 25 ℃

圖4 25 ℃時MIPs和NIPs吸附植酸等溫線Fig.4 The phyticacid adsorption isotherm of MIPs and NIPs at 25 ℃

圖5 25 ℃時MIPs和NIPs的Langmuir等溫吸附回歸線Fig.5 Langmuir sorption isotherm of MIPs and NIPs at 25 ℃

圖6 25 ℃時MIPs和NIPs的Fredimlich等溫吸附回歸線Fig.6 Fredunlich sorption isotherm of MIPs and NIPs at 25 ℃

圖7 植酸解吸曲線Fig.7 The desorption curve of phytic acid

2.3.4 選擇性吸附 在競爭實驗中,MIPs和NIPs對植酸和肌醇的平衡吸附量Qm、和印跡因子IF見表2。植酸在MIPs中的吸附量為21.38 μmol·g-1,高于其在NIPs中的吸附量12.58 μmol·g-1。印跡聚合物對植酸的印跡因子為1.70,而對肌醇的印跡因子為1.46。這是由于MIPs上有植酸洗脫而留下的印跡空穴,因而模板分子植酸能進入其中并很好的保留,但對于肌醇,則無類似高選擇性空穴,因而吸附效果不佳。這說明印跡聚合物對模板分子植酸具有特異選擇性和識別能力。

表2 植酸MIPs和NIPs對植酸和肌醇的吸附量和選擇性選擇特性Table 2 Adsorption capacity and selectivity of MIPs and NIPs for PA and MI

2.3.5 重復(fù)使用性 由SPSS19.0進行顯著性分析,如圖8所示,重復(fù)次數(shù)對吸附量的影響顯著。MIPs初次對植酸的吸附量為72.91 μmol·g-1,5次洗脫后,對植酸吸附容量為65.62 μmol·g-1,是第一次吸附容量的90.00%,吸附量下降10.00%。而MIPs的初始質(zhì)量為0.5 g,5次洗脫后,質(zhì)量為最初投加量的88.19%,為0.4234 g,質(zhì)量下降11.81%。這表明植酸分子印跡聚合物具有很好的實用穩(wěn)定性和重復(fù)使用性,在短期內(nèi)可以重復(fù)使用。

圖8 循環(huán)使用測試結(jié)果 Fig.8 Recycling test results注：不同字母表示差異顯著(p<0.05)。

3 結(jié)論

本實驗采用本體聚合法成功制備出植酸分子印跡聚合物,通過掃描電鏡確定了MIPs形貌。通過對其吸附性能的研究,證明分子印跡聚合物對植酸有良好的選擇吸附性和解吸能力,短期內(nèi)能重復(fù)利用,可以作為固相萃取材料,運用到植酸的富集、分離純化以及檢測的前處理過程。本體聚合法在制備MIPs過程中,會存在模板分子包埋過深或者無法洗脫的情況,為了更好的提高其吸附與解吸效率,今后的研究可以從制備方法著手,進一步改善實驗效果,比如利用硅膠為基質(zhì)的表面印跡技術(shù),如今已廣泛使用。

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Preparationandcharacterizationofphyticacidmolecularlyimprintedpolymeranditsadsorptionperformance

ZHANGNai-pian,WANGCheng-ming*,AOWen-fang,LIKe-chao,BAIJuan

(Huazhong agricultural University,Wuhan Institute of Food Science and Technology,Wuhan 430000,China)

The molecularly imprinted polymer(MIPs)were prepared by bulk polymerization using phytic acid(PA)as template molecule,MAA as functional monomer,N,N′-Ethylenebis(acrylamide)as crosslinker,Ammonium persulphate as initiator. Surface structure of molecularly imprinted polymers was observed by SEM,the chemical structure of MIPs was characterized by FT-IR. MIPs adsorption performance were investigated by dynamic adsorption,static adsorption and selective adsorption experiments. The experimental results showed that the PA MIPs exhibited good adsorption and recognition abilities,with imprinted factors of 1.70,while myo-inositol(MI)was 1.46. The adsorption reaction reached equilibrium after 80 min,and the desorption ratio of ractopamine reached 89.59%. The experimental results showed that MIPs not only have specific recognition selectivity,but also have good desorption property for PA,and the adsorption capacity of phytic acid was 21.38 μmol·g-1. After adsorption-desorption 5 times,MIPs were stable and reusable,the adsorption capacity of phytic acid was 65.62 μmol·g-1,which was 90.00% of the first adsorption capacity and could be cycle used.

phytic acid;molecularly imprinted polymer;characterization;adsorption performance;desorption

2017-03-22

張乃片(1992-),女,在讀研究生,研究方向:食品工程,E-mail:zhangnaipian@100tal.com。

*通訊作者:王承明(1964-)，博士，教授，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工儲藏、食品安全、食品化學，E-mail:18971081261@126.com。

TS201.1

:A

:1002-0306(2017)17-0075-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.17.015