一种溶菌酶淀粉样蛋白纤维负载单原子锌的杀菌材料及其制备方法

本发明涉及废水杀菌处理，具体涉及一种溶菌酶淀粉样蛋白纤维负载单原子锌的杀菌材料及其制备方法。

背景技术：

1、在水处理工程实践中，水体中滋生的细菌、真菌及其他病原微生物不仅导致水质恶化，还容易在管道内壁、膜组件及水处理设备表面附着繁殖并形成生物膜。生物膜的形成会引发管道堵塞、膜污染、金属材料腐蚀以及传热效率下降等一系列工程问题，严重影响水处理系统的稳定运行。同时，循环水系统中病原微生物的持续增殖还可能对公共卫生安全构成潜在威胁。因此，开发兼具高效杀菌能力、良好稳定性及便于分离回收特点的功能材料，对于水处理领域具有重要的现实意义和工程应用价值。

2、目前，针对水体微生物的控制，工程实践中普遍采用氯系消毒剂投加、臭氧氧化、紫外线照射以及有机或无机杀菌剂添加等方法。氯系消毒工艺成熟、运行成本较低，但氯系消毒剂可能与水中的天然有机物反应生成具有潜在风险的消毒副产物。臭氧和紫外线能够快速灭活微生物，但对设备和运行条件要求较高，且缺乏持续抑制微生物繁殖的能力，难以应对管网中长期微生物再生长的问题。部分有机杀菌剂虽然具有较高的杀菌效率，但其在水体中通常呈均相分散状态，使用后难以从水体中分离回收，长期使用还可能造成药剂残留，带来二次污染风险。

3、锌离子及多种锌基材料具有一定的抗菌活性已被广泛认可。锌活性组分能够通过影响细菌细胞膜完整性、干扰细菌代谢过程以及影响胞内蛋白质和酶的正常功能等方式抑制或杀灭微生物。然而，采用可溶性锌盐直接进行杀菌时，锌离子容易在水体中自由扩散和流失，使用后难以回收再利用；采用氧化锌或其他锌基颗粒作为杀菌材料时，颗粒之间容易在水相环境中发生团聚，形成较大尺寸的聚集体，使有效接触面积及活性位点暴露程度显著降低，进而影响锌元素的杀菌利用效率。

4、与锌基颗粒相比，原子级分散的锌活性位点具有较高的锌原子暴露程度和较为均一的局部化学环境，可以在较低锌用量条件下提供较多有效活性中心，从而在减少金属用量的同时保证杀菌效果。但是，彼此分离的锌原子具有较高的迁移和聚集倾向，容易在制备或使用过程中自发团聚形成纳米颗粒甚至更大尺寸的锌化合物，因此需要利用具有丰富作用位点的载体材料对其进行稳定负载，以实现原子级分散状态的有效保持。

5、溶菌酶是一种天然蛋白质，其分子中含有氨基、羧基、羟基、酰胺基以及其他含氮和含氧官能团。在天然折叠状态下，部分官能团位于溶菌酶分子内部，能够直接与金属离子接触的作用位点数量有限，制约了其对金属离子的负载能力。已有研究表明，在酸性条件下对溶菌酶进行加热处理，可以使溶菌酶分子构象发生改变，使部分原本位于分子内部的含氮和含氧官能团进一步暴露，从而为锌离子的结合提供更多作用位点。在此基础上，向经酸性加热处理的溶菌酶溶液中加入锌离子后，锌离子能够与溶菌酶中暴露的含氮和含氧官能团发生配位或其他界面相互作用。采用低浓度氨水调节体系ph，可以较为缓和地改变反应体系的酸碱环境，并对锌离子的水解状态、配位形式等局部状态产生调控作用。在氨水调节ph后进行温和水浴老化，有利于促进锌离子与溶菌酶中含氮和含氧官能团之间的相互作用及结合结构趋于稳定，为形成高度分散的锌活性位点提供有利条件。

6、然而，现有锌基杀菌材料的制备过程通常以促进锌离子水解、成核和形成氧化锌或其他锌基颗粒为目的，所得锌组分主要以颗粒或晶体形式存在，锌原子在载体表面的分布不均匀，仍存在团聚倾向、活性组分脱落、有效活性位点暴露程度受限等问题。

技术实现思路

1、现有技术中存在的问题是：氧化锌负载型淀粉样蛋白纤维杀菌材料的杀菌效果很难达到98%以上。针对上述问题，本发明提供一种溶菌酶淀粉样蛋白纤维负载单原子锌的杀菌材料，其制备方法包括以下步骤：

2、（1）将溶菌酶完全溶解于超纯水中，得到均匀的溶菌酶溶液；

3、（2）采用盐酸调节溶菌酶溶液的ph=1-3，随后将溶液置于85-95℃下加热搅拌形成溶菌酶淀粉样蛋白纤维溶液；

4、（3）溶菌酶淀粉样蛋白纤维溶液冷却至室温，向溶液中加入无机水溶性锌盐水溶液，搅拌混合均匀后，得到锌基溶菌酶淀粉样蛋白纤维溶液，采用稀氨水调节溶液ph=7-7.4，得到前驱体溶液；溶菌酶淀粉样蛋白纤维溶液的干重质量与无机水溶性锌盐的用量比为（0.3-0.5）g：（0.8-1）mmol；

5、（4）将前驱体溶液置于35-55℃下，水浴老化时间至少1h，水浴老化结束后，溶液经离心水洗、冷冻干燥后，得到杀菌材料。

6、优选地，步骤（3）中无机水溶性锌盐包括氯化锌、硝酸锌、醋酸锌、硫酸锌中的一种或几种。

7、优选地，步骤（2）中盐酸的浓度为0.5-1.0mol/l。

8、优选地，步骤（3）中稀氨水的质量浓度为0.2-0.3%。

9、优选地，步骤（3）中无机水溶性锌盐水溶液的浓度为0.05-0.5mol/l。

10、优选地，步骤（1）中溶菌酶与超纯水的用量比为（8-10）g∶（450-500）ml。

11、优选地，步骤（4）中冷冻干燥温度为-30至-50℃，冷冻干燥时间至少18h。

12、优选地，步骤（2）中ph=2。

13、有益效果：

14、（1）本发明通过对溶菌酶进行酸性加热处理，使溶菌酶分子从天然折叠状态转变为淀粉样蛋白纤维结构，分子构象发生显著改变。在这一过程中，部分原本位于溶菌酶分子内部的含氮官能团和含氧官能团得到有效暴露，从而为锌离子的结合提供了更多可利用的作用位点。相较于未经酸性加热处理的天然溶菌酶，本发明中的溶菌酶淀粉样蛋白纤维对锌离子具有更高的负载能力，有利于在较低锌用量条件下实现足够的活性位点数量。

15、（2）本发明利用溶菌酶淀粉样蛋白纤维中丰富的氨基、羧基、羟基和酰胺基等官能团对锌活性位点进行稳定负载。这些官能团与锌离子之间通过配位或其他界面相互作用形成较为牢固的结合，有效限制了锌物种在制备和使用过程中的迁移和相互接触，有利于抑制锌原子的团聚倾向，从而实现锌活性位点在载体表面的高度分散。

16、（3）本发明采用低浓度氨水作为ph调节剂，将锌负载阶段的反应体系ph调节至7.0至7.4的中性范围。低浓度氨水能够较为缓和地改变反应体系的酸碱环境，避免因局部ph突变导致锌离子快速水解和沉淀。这种温和的ph调控方式有利于控制锌物种在水相中的水解进程和聚集行为，为锌离子与溶菌酶纤维上官能团的充分接触和配位反应提供适宜的化学环境，进而对提高最终产物中锌活性位点的分散均匀性具有积极作用。

17、（4）本发明在氨水调节ph后增加了水浴老化的步骤。通过在35-55℃的温和条件下进行至少1小时的水浴老化，有利于促进锌离子与溶菌酶淀粉样蛋白纤维中含氮官能团和含氧官能团之间的相互作用进一步趋于充分和稳定。这一处理步骤有助于巩固锌活性位点与载体之间的结合结构，使锌物种在纤维表面的分布状态更加均匀和稳定，从而提高了锌活性位点的负载稳定性。

18、（5）本发明所得杀菌材料中的锌活性位点以彼此分离的原子级分散状态存在，而非以氧化锌颗粒或其他锌基晶体形式存在。相较于锌基颗粒，原子级分散的锌活性位点具有更高的锌原子暴露程度，有利于增加锌活性组分与细菌之间的有效接触。实施例1所得材料的抗菌率达到98%以上。

19、（6）本发明通过溶菌酶淀粉样蛋白纤维对锌活性位点的稳定负载作用，有效限制了锌物种的迁移和相互聚集，提高了锌活性位点在材料中的结构稳定性。这种稳定性不仅体现在制备过程中，也体现在材料的使用和储存过程中，有利于延长材料的使用寿命和维持稳定的杀菌性能。