一种基于水解油脂的聚苯乙烯泡沫复合材料的制备方法

1.本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种基于水解油脂的聚苯乙烯泡沫复合材料的制备方法。


背景技术：

2.在实际皮革生产中，诸如脱脂、去肉等工序将会产生数以万吨计的废弃油脂。这些废弃油脂若不进行合理化处理而直接进行排放，不仅会对自然环境造成不良的影响，而且还会浪费宝贵的生物质资源、制约经济社会协调发展。而通常处理工业废弃油脂的传统方法是，在高温高压的条件下，加入相应的化学催化剂对油脂进行分解处理。这种处理方式，生产过程复杂、生产操作危险，不仅要使用大量的能源进行生产，对资源造成了浪费，而且容易污染环境，对环境带来了不可忽视的负担。
3.因此，当前人们迫切地需要寻求一种附加值更高、更为绿色并且更加高效的方法，来对工业生产中废弃的巨量油脂进行处理。与化学试剂相比，脂肪酶对油脂进行水解是一种安全、绿色、高效、清洁的生物处理方法。在脂肪酶的作用下，油脂将会被脂肪酶系统特异性地水解，其产物可以生产制成生物柴油。在与传统的化学处理方法相比之下，酶水解法具有一系列的显著且宝贵的优点，诸如过程清洁、环境友好、生产效率高、最终产物附加值高等。
4.但是实际生产生活中，由于脂肪酶的成本高、操作稳定性差、难以回收利用等缺点，而导致脂肪酶水解工业废弃油脂的应用受到了巨大的障碍。酶固定化是通过物理或化学方法，将酶限制或固定在特定的空间范围内，其为解决游离酶成本高、难回收提供了一条可行的途径。固定化酶可以非常轻松简便地与最终产品进行分离，减少对产品的污染；同时，油脂废水表面会漂浮聚苯乙烯泡沫等聚合物材料。因此，将固定化酶限定在聚苯乙烯泡沫表面，其本身的操作稳定性得到了极其明显的提高，有利于工业化生产中的长期使用。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于水解油脂的聚苯乙烯泡沫复合材料的制备方法，该复合材料既具有良好的固定化特性，又具备优异的贮藏稳定性与循环稳定性。
6.本发明所采用的技术方案是，一种基于水解油脂的聚苯乙烯泡沫复合材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
7.步骤1，将猪胰腺脂肪酶酶粉与磷酸缓冲溶液混合搅拌，离心除去不溶的脂肪酶，得到脂肪酶溶液；
8.步骤2，将浓硫酸、硫代水杨酸、儿茶酚-o-o-过氧二乙酸，在避光条件下放入冰浴中冷却并不断搅拌，待反应结束后，将反应液缓慢加入冰水中，离心，冷冻干燥，得到黄色粉末，即为引发剂tx-ct；
9.步骤3，将tx-ct水溶液滴加在聚苯乙烯泡沫板表面，均匀铺展溶液，将涂有tx-ct水溶液的聚苯乙烯泡沫板置于石英板之间，并用夹子固定，之后放置在紫外高压汞灯下照
射，得到种植有tx-ct的聚苯乙烯泡沫板；
10.步骤4，将聚乙二醇二丙烯酸酯、脂肪酶溶液、甘油、去离子水混合震荡均匀，得到混合液，将混合液均匀滴加在种植有tx-ct的聚苯乙烯泡沫板表面，之后放置在两块石英板间，并用夹子固定，放置在可见光下照射，得到聚苯乙烯泡沫板接枝水凝胶网络包埋脂肪酶体系，即为聚苯乙烯泡沫复合材料。
11.本发明的特点还在于，
12.步骤1中，搅拌转速为6000r/min，离心时间为10min。
13.步骤1中，脂肪酶溶液的浓度为18.3mg/ml，磷酸缓冲溶液pbs的浓度为0.01m，ph为7.4。
14.步骤2中，冷却温度为0℃，冷却时间为30-35min；搅拌时间为72h。
15.步骤2中，浓硫酸、硫代水杨酸、儿茶酚-o-o-过氧二乙酸的质量比为86：1：4。
16.步骤3中，紫外高压汞灯的波长为254nm，光强为9m w/cm2，照射时间为3min。
17.步骤4中，可见光的波长为420nm，光强为3mw/cm2，照射时间为50min。
18.本发明的有益效果是：
19.聚苯乙烯泡沫板可以与密度比水小的油脂更好地结合，达到“以废治废”，并通过光化学反应将脂肪酶原位封装在peg三维“分子网布”。与其他表面改性方法如臭氧处理、高能辐射接枝方法相比，光化学反应更高效、更绿色、空间精确可控，且温和的反应条件可以保证脂肪酶的最大活性；所得的复合材料较游离的脂肪酶具有更佳的储藏稳定性及操作稳定性，使其拥有更加广阔的应用前景。
附图说明
20.图1是本发明聚苯乙烯泡沫复合材料的合成机理图；
21.图2是游离酶、漂浮在底物溶液表面固定化酶及固定在底部的固定化酶水解产量曲线图；
22.图3是游离酶和固定化酶的相对活性随储藏时间变化曲线图。
具体实施方式
23.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
24.本发明的目的在于提供一种基于水解油脂的聚苯乙烯泡沫复合材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
25.步骤1，将猪胰腺脂肪酶酶粉与磷酸缓冲溶液混合搅拌，离心除去不溶的脂肪酶，得到脂肪酶(ppl)溶液；
26.搅拌转速为6000r/min，离心时间为10min；
27.脂肪酶溶液的浓度为18.3mg/ml，磷酸缓冲溶液pbs的浓度为0.01m，ph＝7.4；
28.步骤2，将浓硫酸、硫代水杨酸、儿茶酚-o-o-过氧二乙酸，在避光条件下放入冰浴中冷却并不断搅拌，待反应结束后，将反应液缓慢加入冰水中，离心，冷冻干燥，得到黄色粉末，即为引发剂tx-ct；
29.冷却温度为0℃，冷却时间为30-35min；搅拌时间为72h；
30.浓硫酸、硫代水杨酸、儿茶酚-o-o-过氧二乙酸的质量比为86：1：4；
31.步骤3，将tx-ct水溶液滴加在聚苯乙烯泡沫板表面，均匀铺展溶液，将涂有tx-ct水溶液的聚苯乙烯泡沫板置于石英板之间，并用夹子固定，之后放置在紫外高压汞灯下照射，得到种植有tx-ct的聚苯乙烯泡沫板(foam-tx-ct)；
32.紫外高压汞灯的波长为254nm，光强为9m w/cm2，照射时间为3min；
33.步骤4，将聚乙二醇二丙烯酸酯(pegda)、脂肪酶(ppl)溶液、甘油、去离子水混合震荡均匀，得到混合液，将混合液均匀滴加在foam-tx-ct表面，之后放置在两块石英板间，并用夹子固定，放置在可见光下照射，得到聚苯乙烯泡沫板接枝水凝胶网络包埋脂肪酶体系(foam-g-p(pegda)ppl)，即为聚苯乙烯泡沫复合材料；
34.可见光的波长为420nm，光强为3mw/cm2，照射时间为50min；
35.本发明所制得的聚苯乙烯泡沫复合材料固定的ppl具有更好的耐酸、耐高温的适应性；并且在水解效率上固定化ppl也优于游离ppl；固定化ppl还具有更佳的储藏稳定性及操作稳定性。
36.本发明一种基于水解油脂的聚苯乙烯泡沫复合材料的制备方法，通过光化学反应将脂肪酶原位封装在peg三维“分子网布”。与其他表面改性方法如臭氧处理、高能辐射接枝方法相比，光化学反应更高效、更绿色、空间精确可控。且温和的反应条件可以保证脂肪酶的最大活性。所得的材料较游离的脂肪酶具有更佳的储藏稳定性及操作稳定性，使其拥有更加广阔的应用前景。
37.实施例1
38.称取0.5g猪胰腺脂肪酶酶粉，加入25ml的磷酸缓冲溶液(pbs，0.01m，ph＝7.4)，将混合液搅拌24h，转速6000r/min条件下离心10min，除去不溶的脂肪酶，得到18.3mg/ml的ppl溶液，并在4℃条件下保存；准备50ml的圆底烧瓶，放入磁子，再加入26.72ml浓硫酸，放入冰浴中冷却35min并不断搅拌，然后加入0.57g硫代水杨酸，搅拌至完全溶解后继续加入2.4g儿茶酚-o-o-过氧二乙酸，最后进行避光处理，磁力搅拌反应72小时，反应结束后将反应液缓慢加入200ml的冰水(0℃)中，离心后经冷冻干燥得到的黄色粉末即为引发剂tx-ct。将tx-ct溶液滴加在泡沫板表面，均匀铺展溶液，将涂有tx-ct溶液的泡沫板置于石英板之间，并用夹子固定。将此体系放置在紫外高压汞灯(波长254nm，光强9m w/cm2)下照射5min，得到种植有tx-ct的聚苯乙烯泡沫板(foam-tx-ct)；
39.将pegda、ppl溶液(18.3mg/ml)、甘油、去离子水按25％、65％、5％、5％的比例混合，混合液震荡10min使其均匀，取10μl混合液滴加在foam-tx-ct表面，将涂覆混合液的泡沫板放置在两块石英板间，使混合液分散均匀并用夹子将其固定。将此体系放置在可见光(氙灯加滤光器，通光波段为420nm，光强3mw/cm2，)下照射50min，得到泡沫板接枝水凝胶网络包埋酶体系(foam-g-p(pegda)ppl)。其表面涂层平滑且连续。
40.对比例1
41.对比例1与实施例1的不同之处在于，pegda、ppl溶液(18.3mg/ml)、甘油、去离子水按25％、70％、0％、5％的比例混合。通过该方法制备得到的泡沫板接枝水凝胶网络包埋酶体系(foam-g-p(pegda)ppl)，其表面涂层平滑但不连续。
42.对比例2
43.对比例2与实施例1的不同之处在于，pegda、ppl溶液(18.3mg/ml)、甘油、去离子水按25％、75％、0％、0％的比例混合；通过该方法制备得到的泡沫板接枝水凝胶网络包埋酶
体系(foam-g-p(pegda)ppl)，其表面涂层稀疏且不连续。
44.图1是本发明聚苯乙烯泡沫复合材料的合成机理图，从可见光活性接枝聚合技术出发，以一种反应条件简单且温和的方法固定化脂肪酶，之后对固定化脂肪酶体系进行结构表征以及性能探究。首先通过紫外光照在聚苯乙烯泡沫表面种植tx-ct自由基休眠种，之后种植有tx-ct的泡沫板在可见光下可引发pegda的活性接枝聚合，此过程中将酶液与pegda混合即可实现脂肪酶在pegda三维网络结构中的原位固定。
45.图2是游离酶、漂浮在底物溶液表面固定化酶及固定在底部的固定化酶水解产量曲线图。可以发现在反应初期游离酶和漂浮的固定化酶都呈现出较高的水解效率，而后在反应40min后，曲线变得平缓，产量平稳增长。当反应稳定时，游离酶的水解效率为50μg/min，漂浮的固定化酶的水解效率为52μg/min，并且在反应过程中的任一时间下，漂浮的固定化酶的水解产量总是要大于游离酶的水解产量。因此可以得出结论，当处于自身催化反应最适条件下，且不受到外界限制的时候，固定化酶的催化活性及水解效率要高于游离酶。这说明固定化酶表现出了比游离酶更加优秀的催化活性和水解效率。与此同时，观察固定在试管底部的固定化酶的产量随时间变化曲线，可以发现，曲线呈现相对平滑的增长趋势，并没有出现和漂浮的固定化酶的产量曲线类似的明显转折点。并且在反应过程的任意时间，底部的固定化酶水解产量总是小于漂浮固定化酶的水解产量，且也小于游离酶的水解产量，因此可以推断如果外力限制固定化酶的相对位置，将会影响固定化酶催化活性的表达，不能完全发挥固定化酶的性能优势。造成这种现象的原因可能是因为当固定化酶处于试管底部时，酶的物理位置被限制，不能充分与底物接触，不利于物质流动和活性表达，不能暴露出全部的催化活性位点，因此导致水解效率和产量的下降。
46.图3是游离酶和固定化酶的相对活性随储藏时间变化曲线图。可以发现，随着储藏时间的延长，游离酶和固定化酶都表现出来同一趋势，即其相对活性大幅下降，这一趋势可能是由脂肪酶本身容易失活这一特点导致的。但比起游离酶，固定化酶在相同的时间下的失活速率要明显地更加平缓，最终的相对活性也明显比游离酶的更高，因此实验中构建的foam-g-p(pegda)ppl确实起到了提高酶的储藏稳定性的作用。