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CN116920806B - 一种植物单宁冻凝胶及其合成方法与应用 - Google Patents

一种植物单宁冻凝胶及其合成方法与应用

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CN116920806B CN202310783135.9A CN202310783135A CN116920806B CN 116920806 B CN116920806 B CN 116920806B CN 202310783135 A CN202310783135 A CN 202310783135A CN 116920806 B CN116920806 B CN 116920806B
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Abstract

一种植物单宁冻凝胶及其合成方法与应用，制备植物单宁水溶液和聚乙烯醇水溶液；将两者混合后倒入模具中，置于低温反应器中进行反应；将模具从低温反应器中取出，在室温环境下融化后可得到植物单宁冻凝胶。本发明操作工艺简单，实施条件温和，制备的冻凝胶可高效吸附生化废水中的致癌性生物染料。

Description

一种植物单宁冻凝胶及其合成方法与应用
技术领域
本发明属于天然生物高分子材料领域，具体涉及一种植物单宁冻凝胶及其合成方法与应用。
背景技术
随着即时诊断行业的迅猛发展，生物染料的使用量也大幅增加。常用的生物染料包括刚果红、甲基蓝、甲基绿、溴化乙锭、结晶紫和鬼笔环肽。这些生物染料价格高昂，并具有高毒性、强致癌、致畸性。它们通过结合和细胞内不同种类的肌动蛋白发挥功能，并有效防止肌动蛋白纤维解聚。含生物染料的荧光标记可广泛用于显微术中，是生产各类诊断试剂盒必不可少的染色剂。实验完成后，即使是痕量的生物染料都应置于大量的纯净水中，所形成的生化废水其回收价格极为昂贵，并且回收后的分离及后处理过程极其复杂。因此，选择合适的方法对生化废水中的生物染料进行分离、净化对于人类健康及生态环境具有重要意义。
植物单宁广泛地存在于植物的叶、果实、根及树皮等部位中，是重要的天然多酚类活性物质，也是天然产物中研究得比较早和较多的一类化合物。植物单宁的多酚羟基化学结构和独特的化学性质使其呈现出具有较强的抗氧化、抗病毒、抗肿瘤等多种生物活性，而且能与不同种类的大分子物质进行络合，对细菌和酶的抑制，对某些农作物病虫害的抗性，可被用作抑菌剂、抗肿瘤药物、抗氧化剂、防腐剂、鞣革剂、化妆品、黏合剂、水处理剂以及吸附树脂等。
目前常用的单宁基吸附材料存在的问题如下：(1)制备手段复杂并采用不饱和单体和毒性交联剂，反应残留物对周围环境有较大污染；(2)功能单体缺乏有效的活性位点，与生物染料的亲和力不强，无法高效清除生化废水中的生物染料；(3)过于致密的微结构体系限制了吸附位点的暴露，导致吸附剂对生物染料分子的吸附能力较差。通过冷冻法制备的冻凝胶，由于其特殊的微相反应机理，凝胶通常具备连续、孔密度高的大孔结构，有助于生物染料分子的扩散和吸附位点的快速接触，更好的完成吸附过程，为染料分子的渗入提供通道。另外，可以通过调节植物单宁和聚乙烯醇的比例以及反应温度等条件对多孔结构包括孔密度、孔径范围加以控制，有效地提高了吸附位点的暴露面积，使得染料分子能够在冻凝胶的孔内部进行高效吸附。
发明内容
解决的技术问题：本发明为了克服单宁基吸附材料存在的制备手段复杂且污染较大，缺乏有效的活性位点以及孔结构过于致密导致对生物染料吸附能力较差的问题，提供一种植物单宁冻凝胶及其合成方法与应用，该方法制得的植物单宁冻凝胶具备大孔结构、含有大量有效活性位点，操作工艺简单，实施条件温和。
技术方案：一种植物单宁冻凝胶的制备方法，制备步骤为：(1)将植物单宁粉末溶解于去离子水中，搅拌均匀，制成质量浓度5％-10％的植物单宁水溶液；(2)将聚乙烯醇溶解于去离子水中，搅拌均匀，制成质量浓度30％-40％的聚乙烯醇水溶液；(3)将上述植物单宁水溶液与聚乙烯醇水溶液混合，制成均匀溶液，所述植物单宁水溶液:聚乙烯醇水溶液的体积比为3:7～8:2；(4)将步骤(3)所得溶液倒入模具中，置于-10～-30℃反应2～6h；(5)将步骤(4)所得模具在25～35℃融化后可得到植物单宁冻凝胶。
优选的，上述植物单宁为碧根果壳单宁、板栗苞单宁、油茶果壳单宁、五倍子单宁或核桃青皮单宁。
优选的，上述植物单宁水溶液的质量浓度为10％。
优选的，上述聚乙烯醇水溶液的质量浓度为35％。
优选的，上述植物单宁:聚乙烯醇水溶液的体积比为7:3。
优选的，上述反应温度为-20℃。
优选的，上述反应时间为4h。
优选的，上述融化温度为25℃。
上述方法制得的植物单宁冻凝胶。
上述植物单宁冻凝胶在制备生物染料吸附剂材料中的应用。
有益效果：(1)本发明制备过程高效、简洁、环保；技术实施的条件温和，实施工艺简单、产物无需经特殊的后处理工序，反应原料经冷冻后置于低温环境即可进行反应，反应热量容易散去；(2)本发明制备的冻凝胶，反应过程中无需添加任何助剂，不存在致孔剂残留的问题；(3)利用本发明制备的冻凝胶具有超快速溶胀能力；(4)利用本发明制备的冻凝胶具有连续的大孔结构；(5)利用本发明制备的冻凝胶可高效吸附不同的生物染料。
附图说明
图1是植物单宁冻凝胶的成胶过程示意图；
图2是碧根果壳单宁冻凝胶在去离子水中的吸水率；
图3是不同种类单宁冻凝胶对鬼笔环肽的吸附能力；
图4是不同原料比例制备的板栗苞单宁冻凝胶的孔结构；
图5是油茶果壳单宁冻凝胶和核桃青皮单宁冻凝胶对结晶紫的吸附能力。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
如图1所示，取碧根果壳单宁加入去离子水，磁力搅拌直至单宁完全溶解，配制成质量百分比浓度5％的碧根果壳单宁水溶液。取聚乙烯醇加入去离子水，搅拌均匀，制成质量百分比浓度30％聚乙烯醇水溶液。将两种溶液按体积比4:6混合后倒入模具中，置于低温反应器内，在-20℃反应5h。然后将模具从低温反应器中取出，在30℃融化后可得到碧根果壳单宁冻凝胶。
将凝胶样品置于冷冻干燥机中进行干燥，12h后将冻干样品取出、称重，然后置于去离子水中，在指定的时间点将样品取出，用湿滤纸擦掉表面的液体后称重，直至凝胶溶胀平衡。利用吸水率计算公式：吸水率(g/g)＝(特定时间点凝胶重量-冻干凝胶初始重量)/冻干凝胶初始重量，如图2所示。由图2可知，碧根果壳单宁冻凝胶可在150s内达到溶胀平衡。
将70mg冻干凝胶样品置于140mL 150mg/L的生物染料鬼笔环肽水溶液中，在室温下慢速震荡6h。随后将溶胀的凝胶样品小心取出，用去离子水洗涤表面的鬼笔环肽，并收集洗液。利用紫外分光光度法，在检测波长596nm处，通过计算鬼笔环肽溶液的浓度差计算冻凝胶对其吸附能力：qt＝(C0-Ct)V/m。其中，qt为鬼笔环肽吸附能力(mg/g)，C0为鬼笔环肽水溶液初始浓度(mg/L)，Ct为鬼笔环肽水溶液平衡浓度(mg/L)，V为溶液体积(L)，m为冻凝胶样品质量(mg)。得出如图3中所示的碧根果壳单宁冻凝胶对鬼笔环肽的吸附能力383.8mg/g。
实施例2
如图1所示，取五倍子单宁加入去离子水，磁力搅拌直至单宁完全溶解，配制成质量百分比浓度5％的五倍子单宁水溶液。取聚乙烯醇加入去离子水，搅拌均匀，制成质量百分比浓度30％聚乙烯醇水溶液。将两种溶液按按体积比4:6混合后倒入模具中，置于低温反应器内，在-20℃反应5h。然后将模具从低温反应器中取出，在30℃融化后可得到五倍子单宁冻凝胶。
将70mg冻干凝胶样品置于140mL 150mg/L的生物染料鬼笔环肽水溶液中，在室温下慢速震荡6h。随后将溶胀的凝胶样品小心取出，用去离子水洗涤表面的鬼笔环肽，并收集洗液。利用紫外分光光度法，在检测波长596nm处，通过计算鬼笔环肽溶液的浓度差计算冻凝胶对其吸附能力：qt＝(C0-Ct)V/m。其中，qt为鬼笔环肽吸附能力(mg/g)，C0为鬼笔环肽水溶液初始浓度(mg/L)，Ct为鬼笔环肽水溶液平衡浓度(mg/L)，V为溶液体积(L)，m为冻凝胶样品质量(mg)。得出如图3中所示的五倍子单宁冻凝胶对鬼笔环肽的吸附能力426.2mg/g。
实施例3
如图1所示，取油茶果壳单宁加入去离子水，磁力搅拌直至单宁完全溶解，配制成质量百分比浓度5％的油茶果壳单宁水溶液。取聚乙烯醇加入去离子水，搅拌均匀，制成质量百分比浓度30％聚乙烯醇水溶液。将两种溶液按按体积比4:6混合后倒入模具中，置于低温反应器内，在-20℃反应5h。然后将模具从低温反应器中取出，在30℃融化后可得到油茶果壳单宁冻凝胶。
将70mg冻干凝胶样品置于140mL 150mg/L的生物染料鬼笔环肽水溶液中，在室温下慢速震荡6h。随后将溶胀的凝胶样品小心取出，用去离子水洗涤表面的鬼笔环肽，并收集洗液。利用紫外分光光度法，在检测波长596nm处，通过计算鬼笔环肽溶液的浓度差计算冻凝胶对其吸附能力：qt＝(C0-Ct)V/m。其中，qt为鬼笔环肽吸附能力(mg/g)，C0为鬼笔环肽水溶液初始浓度(mg/L)，Ct为鬼笔环肽水溶液平衡浓度(mg/L)，V为溶液体积(L)，m为冻凝胶样品质量(mg)。得出如图3中所示的油茶果壳单宁冻凝胶对鬼笔环肽的吸附能力349.1mg/g。经比较可知，五倍子单宁冻凝胶对鬼笔环肽的吸附能力最高。
实施例4
如图1所示，取板栗苞单宁加入去离子水，磁力搅拌直至单宁完全溶解，配制成质量百分比浓度7％的板栗苞单宁水溶液。取聚乙烯醇加入去离子水，搅拌均匀，制成质量百分比浓度35％聚乙烯醇水溶液。将两种溶液按按体积比3:7混合后倒入模具中，置于低温反应器内，在-30℃反应4h。然后将模具从低温反应器中取出，在25℃融化后可得到板栗苞单宁冻凝胶。
将冻凝胶样品置于冷冻干燥机中进行干燥，48小时后，将冻干样品取出，切成小块。然后导电胶贴到样品台上，再将凝胶小块贴到导电胶上，随后镀金以提高导电率。在扫描电子显微镜下观察不同部位的孔结构，随机选取凝胶内部横截面的孔隙图像，如图4a所示。由图4a可知，板栗苞单宁冻凝胶(3:7比例)具备连续分布的大孔结构。
实施例5
如图1所示，取板栗苞单宁加入去离子水，磁力搅拌直至单宁完全溶解，配制成质量百分比浓度7％的板栗苞单宁水溶液。取聚乙烯醇加入去离子水，搅拌均匀，制成质量百分比浓度35％聚乙烯醇水溶液。将两种溶液按按体积比5:5混合后倒入模具中，置于低温反应器内，在-30℃反应4h。然后将模具从低温反应器中取出，在25℃融化后可得到板栗苞单宁冻凝胶。
将冻凝胶样品置于冷冻干燥机中进行干燥，48小时后，将冻干样品取出，切成小块。然后导电胶贴到样品台上，再将凝胶小块贴到导电胶上，随后镀金以提高导电率。在扫描电子显微镜下观察不同部位的孔结构，随机选取凝胶内部横截面的孔隙图像，如图4b所示。由图4b可知，5:5比例的板栗苞单宁冻凝胶相较于3:7比例的样品具备更大的孔径。
实施例6
如图1所示，取油茶果壳单宁加入去离子水，磁力搅拌直至单宁完全溶解，配制成质量百分比浓度10％的油茶果壳单宁水溶液。取聚乙烯醇加入去离子水，搅拌均匀，制成质量百分比浓度40％聚乙烯醇水溶液。将两种溶液按按体积比7:3混合后倒入模具中，置于低温反应器内，在-25℃反应6h。然后将模具从低温反应器中取出，在25℃融化后可得到油茶果壳单宁冻凝胶。
将100mg冻干凝胶样品置于200mL 180mg/L的生物染结晶紫水溶液中，在室温下慢速震荡6h。随后将溶胀的凝胶样品小心取出，用去离子水洗涤表面的结晶紫，并收集洗液。利用紫外分光光度法，在检测波长586nm处，通过计算结晶紫溶液的浓度差计算冻凝胶对其吸附能力：qt＝(C0-Ct)V/m。其中，qt为结晶紫吸附能力(mg/g)，C0为结晶紫水溶液初始浓度(mg/L)，Ct为结晶紫水溶液平衡浓度(mg/L)，V为溶液体积(L)，m为冻凝胶样品质量(mg)。得出如图5中所示的油茶果壳单宁冻凝胶对结晶紫的吸附能力379.5mg/g。
实施例7
如图1所示，取核桃青皮单宁加入去离子水，磁力搅拌直至单宁完全溶解，配制成质量百分比浓度10％的核桃青皮单宁水溶液。取聚乙烯醇加入去离子水，搅拌均匀，制成质量百分比浓度40％聚乙烯醇水溶液。将两种溶液按按体积比7:3混合后倒入模具中，置于低温反应器内，在-25℃反应6h。然后将模具从低温反应器中取出，在25℃融化后可得到核桃青皮单宁冻凝胶。
将100mg冻干凝胶样品置于200mL 180mg/L的生物染结晶紫水溶液中，在室温下慢速震荡6h。随后将溶胀的凝胶样品小心取出，用去离子水洗涤表面的结晶紫，并收集洗液。利用紫外分光光度法，在检测波长586nm处，通过计算结晶紫溶液的浓度差计算冻凝胶对其吸附能力：qt＝(C0-Ct)V/m。其中，qt为结晶紫吸附能力(mg/g)，C0为结晶紫水溶液初始浓度(mg/L)，Ct为结晶紫水溶液平衡浓度(mg/L)，V为溶液体积(L)，m为冻凝胶样品质量(mg)。得出如图5中所示的核桃青皮单宁冻凝胶对结晶紫的吸附能力353.7mg/g，低于油茶果壳单宁冻凝胶。
实施例8
如图1所示，取核桃青皮单宁加入去离子水，磁力搅拌直至单宁完全溶解，配制成质量百分比浓度10％的核桃青皮单宁水溶液。取聚乙烯醇加入去离子水，搅拌均匀，制成质量百分比浓度40％聚乙烯醇水溶液。将两种溶液按按体积比8:2混合后倒入模具中，置于低温反应器内，在-25℃反应6h。然后将模具从低温反应器中取出，在25℃融化后可得到核桃青皮单宁冻凝胶。
将100mg冻干凝胶样品置于200mL 180mg/L的生物染结晶紫水溶液中，在室温下慢速震荡6h。随后将溶胀的凝胶样品小心取出，用去离子水洗涤表面的结晶紫，并收集洗液。利用紫外分光光度法，在检测波长586nm处，通过计算结晶紫溶液的浓度差计算冻凝胶对其吸附能力：qt＝(C0-Ct)V/m。其中，qt为结晶紫吸附能力(mg/g)，C0为结晶紫水溶液初始浓度(mg/L)，Ct为结晶紫水溶液平衡浓度(mg/L)，V为溶液体积(L)，m为冻凝胶样品质量(mg)。得出如图5中所示的核桃青皮单宁冻凝胶(8:2比例)对结晶紫的吸附能力383.2mg/g，高于7:3比例的冻凝胶。

Claims (6)

1.一种植物单宁冻凝胶的制备方法，其特征在于，制备步骤为：取五倍子单宁加入去离子水，磁力搅拌直至单宁完全溶解，配制成质量百分比浓度5%的五倍子单宁水溶液；取聚乙烯醇加入去离子水，搅拌均匀，制成质量百分比浓度30%聚乙烯醇水溶液；将两种溶液按体积比4:6混合后倒入Ø 35 × 50 mm模具中，置于低温反应器内，在-20℃反应5 h；然后将模具从低温反应器中取出，在30℃融化后可得到五倍子单宁冻凝胶。
2.权利要求1所述方法制得的五倍子单宁冻凝胶。
3.权利要求2所述五倍子单宁冻凝胶在制备鬼笔环肽吸附剂材料中的应用。
4.一种植物单宁冻凝胶的制备方法，其特征在于，制备步骤为：取核桃青皮单宁加入去离子水，磁力搅拌直至单宁完全溶解，配制成质量百分比浓度10%的核桃青皮单宁水溶液；取聚乙烯醇加入去离子水，搅拌均匀，制成质量百分比浓度40%聚乙烯醇水溶液；将两种溶液按体积比8:2混合后倒入Ø 35 × 50 mm模具中，置于低温反应器内，在-25℃反应6 h；然后将模具从低温反应器中取出，在25℃融化后可得到核桃青皮单宁冻凝胶。
5.权利要求4所述方法制得的核桃青皮单宁冻凝胶。
6.权利要求5所述核桃青皮单宁冻凝胶在制备结晶紫吸附剂材料中的应用。
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