一种吸附霉菌毒素玉米赤霉烯酮的软脂酸改性环糊精及其制备方法与应用

1.本发明涉及一种吸附霉菌毒素玉米赤霉烯酮的软脂酸改性环糊精及其制备方法与应用，属于生物环保与吸附剂技术领域。


背景技术：

2.玉米赤霉烯酮(zearalenone，zen)是造成全球粮食污染的霉菌毒素之一，对饲料行业与养殖行业造成了巨大损失。由于玉米赤霉烯酮对人类和动物都有致病性，如致癌性、基因毒性、生殖发育毒性、内分泌系统致病性和免疫毒性等。2013年，程传民等对我国玉米副产物中zen的含量进行了抽样调查，发现其平均含量为678μg/kg，远高于饲料卫生国家标准(gb13078-2017)中zen的最高允许量500μg/kg。同时，玉米副产物中zen的检出率高达95.6％，其中中度污染率(检出量为500
–
3000μg/kg)达到38.1％。因此，谷物农副产品及饲料的玉米赤霉烯酮脱毒问题，亟需解决。
3.目前，最常用的物理脱毒方法是吸附法，即利用吸附剂的多孔结构及表面相应的活性结构实现溶液中的一类或多类毒素分离的方法。针对zen的吸附脱毒，目前主要采用的材料有改性蒙脱石和凹凸棒石等。
4.中国专利cn 108160046 a公开了一种吸附zen的复配蒙脱石制备方法，通过将蒙脱石、季铵盐、甜菜碱等研磨混合制备，玉米赤霉烯酮吸附去除率最高可达98.8％，但是所用蒙脱石需要经过500-600℃高温煅烧，制备条件较严苛，且需要各组分间协同作用才可达到脱毒效果。另外已知凹凸棒石晶易聚集，且表面带有亲水性负电荷，对于zen的吸附效果较弱，无法有效解决谷物农副产品及饲料中霉菌毒素玉米赤霉烯酮的污染等问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种吸附霉菌毒素玉米赤霉烯酮的软脂酸改性环糊精及其制备方法与应用。本发明的软脂酸改性环糊精具有制备简便、吸附容量大、无二次污染、易回收等优势，可有效解决谷物农副产品及饲料中霉菌毒素玉米赤霉烯酮的污染等问题。
6.本发明的第一个目的是提供一种吸附霉菌毒素玉米赤霉烯酮的软脂酸改性环糊精制备方法，所述方法具体包括以下步骤：
7.(1)将2-氯乙胺盐酸盐(ea)与β-cd溶液混合反应，干燥后加入naoh溶液混合搅拌，经沉淀、过滤、洗涤和干燥后，得到ea-cd；
8.(2)将步骤(1)得到的ea-cd溶解于水中，调节体系的ph值，加入天然交联剂，得到环糊精复合物溶液；
9.(3)在上述步骤(2)得到的环糊精复合物溶液中加入壳聚糖的醋酸水溶液，搅拌反应后冷冻干燥，即得改性环糊精；
10.(4)将步骤(3)得到的改性环糊精浸入软脂酸溶液中，搅拌反应，洗涤、干燥，即得
到软脂酸改性环糊精。
11.本技术的吸附霉菌毒素玉米赤霉烯酮的软脂酸改性环糊精制备方法，所采用的β-环糊精(β-cd)由于其内部疏水吸附空腔、绿色易降解和简便易获得等特点，在吸附领域发展潜力巨大；但是其存在材料机械性能及疏水性差的缺点。通过选用壳聚糖与β-cd结合制备的可降解改性环糊精材料既能够拥有β-cd的包合及识别功能，又保持了较好的溶解性、机械强度和稳定性；将软脂酸接枝于改性环糊精复配物上，得到的软脂酸改性环糊精疏水性增加，增强了原有材料的热稳定性，并且改变了改性环糊精的微观结构，从而增大材料的相对表面积与吸附体积，更加有利于玉米赤霉烯酮的吸附，在谷物农副产品及饲料脱毒等方面具有较为重要的应用价值。
12.在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中所述2-氯乙胺盐酸盐与β-cd的质量比为1～2:10～20。
13.在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中所述naoh溶液的质量浓度为10～20％。
14.在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中所述ea-cd与天然交联剂的质量比为1～2:2～3。
15.在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中所述天然交联剂包括京尼平、单宁中的一种或两种。
16.在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中所述调节体系的ph值为4～5。
17.在本发明的一种实施方式中，步骤(3)中所述壳聚糖的醋酸水溶液的制备具体为将壳聚糖(cs)加入到醋酸(hac)溶液中形成；所述hac溶液的体积浓度为1％～3％；所述cs与hac溶液的质量体积比为20:1～3g/l。
18.在本发明的一种实施方式中，步骤(3)中所述搅拌反应的条件为：温度30～70℃，时间为2～24h。
19.在本发明的一种实施方式中，步骤(4)中所述软脂酸溶液浓度为10～80mmol/l。
20.在本发明的一种实施方式中，步骤(4)中所述改性环糊精与软脂酸的质量比为20:1～10。
21.本发明的第二个目的是提供一种由上述所述的吸附霉菌毒素玉米赤霉烯酮的软脂酸改性环糊精制备方法制备得到的软脂酸改性环糊精。
22.本发明的第三个目的是提供一种由上述所述的软脂酸改性环糊精在吸附霉菌毒素玉米赤霉烯酮中的应用。
23.在本发明的一种实施方式中，所述的软脂酸改性环糊精用于霉菌毒素玉米赤霉烯酮吸附时，吸附条件为：吸附剂质量为10～100mg，吸附反应溶液ph值为4～9，吸附时间为5min～120min。
24.在本发明的一种实施方式中，所述的软脂酸改性环糊精用于霉菌毒素玉米赤霉烯酮吸附时，吸附条件为：吸附剂质量为20mg，吸附反应溶液ph值为7，吸附时间为60min。
25.本发明取得的有益效果：
26.(1)本发明制备的吸附玉米赤霉烯酮的软脂酸改性环糊精吸附材料，原料廉价易得，产品质量稳定，绿色环保；其中壳聚糖是一类良好的天然高分子材料，反应活性强、易洗脱再生和可生物降解，是良好的固载材料之一，改善了β-cd水溶性及机械性较差的缺陷。
27.(2)本发明通过对环糊精复配物进行有机酸改性，将软脂酸接枝于环糊精复配物
上，得到的软脂酸改性环糊精疏水性增加，增强了原有材料的热稳定性，并且改变了改性环糊精的微观结构，从而增大材料的相对表面积与吸附体积，更加有利于玉米赤霉烯酮的吸附去除。
附图说明
28.图1为本发明实施例10的软脂酸改性环糊精图；
29.图2为本发明软脂酸改性环糊精吸附剂质量对玉米赤霉烯酮吸附性能图；
30.图3为本发明不同ph值条件下的软脂酸改性环糊精吸附剂吸附玉米赤霉烯酮性能图；
31.图4为本发明不同接触时间下软脂酸改性环糊精吸附剂吸附玉米赤霉烯酮性能图。
具体实施方式
32.下面结合附图和实施例对本发明的技术解决方案做进一步清楚、完整的说明，这些实施例不能理解为是对技术方案的限制。
33.吸附量和去除率的测试方法：
34.称取20mg的改性环糊精置于20ml 500ng/ml的玉米赤霉烯酮溶液中，在30℃下振荡60min，静置分离后吸取上清液，取200μl样品用于高效液相色谱检测。样品被60％的乙腈水溶液以1ml/min的流速洗脱下来，在254nm的吸光值下检测，剩余底物浓度在hplc曲线下根据峰面积计算得出。
35.利用标准曲线计算其吸附量(qe)和去除率(e)：
36.qe＝(c
0-ce)
×
v/m
37.e＝(c
0-ce)/c0×
100％
38.式中，qe：改性环糊精/壳聚糖对玉米赤霉烯酮的去除容量，mg/g；v：玉米赤霉烯酮溶液体积，ml；c0和ce：玉米赤霉烯酮溶液初始和平衡质量浓度，mg/l：e：改性环糊精对玉米赤霉烯酮的去除率，％。
39.实施例1
40.一种吸附霉菌毒素玉米赤霉烯酮的改性环糊精制备方法，具体包括如下步骤：
41.(1)将2-氯乙胺盐酸盐(1.5g)与β-cd(15g)溶液混合反应，于50℃条件下干燥，再加入naoh溶液(10％，w/w)混合搅拌4h后，添加100ml甲醇沉淀产物，经过滤、洗涤和干燥后，得到ea-cd；
42.(2)将ea-cd(2g)溶解于蒸馏水(100ml)中，调节体系的ph值为4，滴加100ml京尼平溶液(20g/l)，得到环糊精复合物溶液；
43.(3)将壳聚糖(2g)溶于100ml醋酸(hac)的水溶液(1％)中，在不断搅拌状态下滴加上述步骤(2)中得到的环糊精复合物(2g)溶液，30℃搅拌2h后冷冻干燥，即得到改性环糊精。
44.实施例2
45.一种吸附霉菌毒素玉米赤霉烯酮的改性环糊精制备方法，具体包括如下步骤：
46.(1)将2-氯乙胺盐酸盐(1.5g)与β-cd(15g)溶液混合反应，于50℃条件下干燥，再
加入naoh溶液(10％，w/w)混合搅拌4h后，添加100ml甲醇沉淀产物，经过滤、洗涤和干燥后，得到ea-cd；
47.(2)将ea-cd(2g)溶解于蒸馏水(100ml)中，调节体系的ph值为5，滴加100ml单宁溶液(20g/l)，得到环糊精复合物溶液；
48.(3)将壳聚糖(2g)溶于100ml醋酸(hac)的水溶液(2％)中，在不断搅拌状态下滴加上述步骤(2)中得到的环糊精复合物(2g)溶液，40℃搅拌2h后冷冻干燥，即得到改性环糊精。
49.实施例3
50.一种吸附霉菌毒素玉米赤霉烯酮的改性环糊精制备方法，具体包括如下步骤：
51.(1)将2-氯乙胺盐酸盐(1.5g)与β-cd(15g)溶液混合反应，于50℃条件下干燥，再加入naoh溶液(10％，w/w)混合搅拌4h后，添加100ml甲醇沉淀产物，经过滤、洗涤和干燥后，得到ea-cd；
52.(2)将ea-cd(2g)溶解于蒸馏水(100ml)中，调节体系的ph值为5，滴加100ml单宁溶液(20g/l)，得到环糊精复合物溶液；
53.(3)将壳聚糖(2g)溶于100ml醋酸(hac)的水溶液(3％)中，在不断搅拌状态下滴加上述步骤(2)中得到的环糊精复合物(2g)溶液，50℃搅拌2h后冷冻干燥，即得到改性环糊精。
54.实施例4
55.一种吸附霉菌毒素玉米赤霉烯酮的改性环糊精制备方法，具体包括如下步骤：
56.(1)将2-氯乙胺盐酸盐(1.5g)与β-cd(15g)溶液混合反应，于50℃条件下干燥，再加入naoh溶液(10％，w/w)混合搅拌4h后，添加100ml甲醇沉淀产物，经过滤、洗涤和干燥后，得到ea-cd；
57.(2)将ea-cd(2g)溶解于蒸馏水(100ml)中，调节体系的ph值为5，滴加100ml京尼平溶液(20g/l)，得到环糊精复合物溶液；
58.(3)将壳聚糖(2g)溶于100ml醋酸(hac)的水溶液(3％)中，在不断搅拌状态下滴加上述步骤(2)中得到的环糊精复合物(2g)溶液，60℃搅拌2h后冷冻干燥，即得到改性环糊精。
59.实施例5
60.一种吸附霉菌毒素玉米赤霉烯酮的改性环糊精制备方法，具体包括如下步骤：
61.(1)将2-氯乙胺盐酸盐(1.5g)与β-cd(15g)溶液混合反应，于50℃条件下干燥，再加入naoh溶液(10％，w/w)混合搅拌4h后，添加甲醇沉淀产物，经过滤、洗涤和干燥后，得到ea-cd；
62.(2)将ea-cd(2g)溶解于蒸馏水(100ml)中，调节体系的ph值为5，滴加100ml京尼平溶液(20g/l)，得到环糊精复合物溶液；
63.(3)将壳聚糖(2g)溶于100ml醋酸(hac)的水溶液(3％)中，在不断搅拌状态下滴加上述步骤(2)中得到的环糊精复合物(2g)溶液，70℃搅拌2h后冷冻干燥，即得到改性环糊精。
64.实施例6
65.将实施例1得到的改性环糊精样品浸入100ml软脂酸溶液(10mmol/l)中，在30℃条
件下加热10h后，用乙醇洗涤除去未反应的软脂酸，室温下干燥得到软脂酸改性环糊精。
66.实施例7
67.将实施例2得到的改性环糊精样品浸入100ml软脂酸溶液(20mmol/l)中，在30℃加热10h后，用乙醇洗涤除去未反应的软脂酸，室温下干燥得到软脂酸改性环糊精。
68.实施例8
69.将实施例3得到的改性环糊精样品浸入100ml软脂酸溶液(40mmol/l)中，在30℃加热10h后，用乙醇洗涤除去未反应的软脂酸，室温下干燥得到软脂酸改性环糊精。
70.实施例9
71.将实施例4得到的改性环糊精样品浸入100ml软脂酸溶液(60mmol/l)中，在30℃加热10h后，用乙醇洗涤除去未反应的软脂酸，室温下干燥得到软脂酸改性环糊精。
72.实施例10
73.将实施例5得到的改性环糊精样品浸入100ml软脂酸溶液(80mmol/l)中，在30℃加热10h后，用乙醇洗涤除去未反应的软脂酸，室温下干燥得到软脂酸改性环糊精，详见附图1。
74.对比例1
75.与实施例5的区别仅在于将2-氯乙胺盐酸盐替换为环氧氯丙烷。
76.对比例2
77.将对比例1得到的改性环糊精样品浸入100ml软脂酸溶液(80mmol/l)中，在30℃加热10h后，用乙醇洗涤除去未反应的软脂酸，室温下干燥得到软脂酸改性环糊精。
78.对比例3
79.与实施例10的区别仅在于将软脂酸替换为香茅醇。
80.对比例4
81.与实施例10的区别仅在于将软脂酸替换为月桂酸。
82.吸附性能测试结果
83.将实施例1～10以及对比例1～4分别得到的改性环糊精用于玉米赤霉烯酮脱毒，结果如表1所示：
84.表1
[0085] 吸附率实施例158.54％实施例265.84％实施例365.86％实施例467.89％实施例568.45％实施例666.04％实施例766.84％实施例870.51％实施例973.66％实施例1074.29％对比例167.06％
对比例268.25％对比例371.12％对比例468.43％
[0086]
结果表明，采用软脂酸对壳聚糖改性后的环糊精再次进行接枝反应能进一步提高玉米赤霉烯酮吸附率，并且毒素吸附能力优于采用香茅醇或月桂酸改性环糊精；另一方面，通过对比发现采用2-氯乙胺盐酸盐改性的环糊精的毒素吸附率略好于环氧氯丙烷改性环糊精。
[0087]
实施例11
[0088]
软脂酸改性环糊精在玉米赤霉烯酮脱毒中的应用。
[0089]
采用实施例10制备得到软脂酸改性环糊精作为吸附剂，吸附对象为玉米赤霉烯酮，探究具体的去除效果，采用高效液相色谱在254nm的吸光值下测定相应玉米赤霉烯酮浓度。
[0090]
1、不同吸附剂质量对玉米赤霉烯酮吸附性能的影响
[0091]
分别称取10、20、40、60、80、100mg的软脂酸改性环糊精浸没于20ml浓度为500ng/ml的玉米赤霉烯酮毒素溶液中，调节溶液ph值为7，在30℃下振荡1h，静置分离后吸取上清液，通过高效液相色谱法测定溶液中剩余的玉米赤霉烯酮毒素浓度，结果详见附图2。
[0092]
从附图2可以看出，在吸附剂质量为20mg时，其吸附能力最强；随着吸附剂质量的增加，对玉米赤霉烯酮毒素的吸附率反而逐渐降低；说明溶液中改性环糊精浓度过大，改性环糊精自身分子的极性键相互作用，相互制约，体积膨胀受到限制，从而导致吸附能力会下降。
[0093]
2、ph值对软脂酸改性环糊精吸附剂吸附性能的影响
[0094]
ph值会影响改性环糊精表面电荷分布及玉米赤霉烯酮分子的化学性质。称取20mg的改性环糊精浸没于20ml浓度为500ng/ml的玉米赤霉烯酮毒素溶液中，调节溶液ph值为4～9，在30℃下振荡1h，静置分离后吸取上清液，通过高效液相色谱法测定溶液中剩余玉米赤霉烯酮毒素浓度，结果详见附图3。
[0095]
从附图3可以看出，在ph＝7.0时，其吸附能力最强；在ph为4～7时，平衡吸附容量和去除率较低，主要是因为改性环糊精中的壳聚糖在酸性条件下易发生溶解，改性环糊精的结构遭到破坏，对玉米赤霉烯酮的吸附能力较低；而在ph为7～9的范围内，壳聚糖和ea-cd的氨基质子化程度降低，吸附容量持续降低。
[0096]
3、接触时间对吸附剂吸附玉米赤霉烯酮的影响
[0097]
称取20mg的改性环糊精浸没于20ml浓度为500ng/ml的玉米赤霉烯酮毒素溶液中，调节溶液ph值为7，在30℃下振荡吸附，间隔一定时间后取样，通过高效液相色谱法测定溶液中剩余玉米赤霉烯酮毒素浓度，结果详见附图4。
[0098]
从附图4看出，改性环糊精吸附剂对玉米赤霉烯酮的吸附速率在前10min很快，为快速吸附状态，其中部分玉米赤霉烯酮毒素通过静电吸附作用吸附在改性环糊精上，并没有进入环糊精疏水内腔；随着吸附时间的增加，吸附率存在动态变化，最后在120min时吸附率可以达到约50mg/g，吸附率可接近100％。说明改性环糊精吸附剂是一种相对高效的玉米赤霉烯酮吸附剂。
[0099]
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技
术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。