磁性壳聚糖微球的制备及其应用_杨晋青

现代食品科技 Modern Food Science and Technology 2008, Vol.24, No.10

1079

磁性壳聚糖微球的制备及其应用

杨晋青，叶盛权，郭祀远

（华南理工大学轻工与食品学院，广东广州 510640）

摘要：由新型的高分子材料制成的磁性壳聚糖微球具有很多优良的应用特性。本文着重综述磁性壳聚糖微球的制备方法和性能表征, 介绍其在生物医学，食品工程和废水处理方面的应用进展, 并展望其研究和开发的光明前景。

关键词：磁性壳聚糖微球；改性；医学；食品工程；废水处理

中图分类号：TQ333.99；文献标识码：A ；文章篇号:1673-9078(2008)10-1079-04

Review of Preparation and Application of Magnetic Chitosan Microspheres

YANG Jin-qing, YE Sheng-quan, GUO Si-yuan

（College of Light Industry & Food Sciences, South China University of Technology, Guangzhou 510640）

Abstract: Magnetic chitosan microspheres made from novel polymer materials showed outstanding applied characteristics. In this paper, the preparation and characterization of magnetic chitosan microspheres were reviewed. The applications of magnetic chitosan microspheres in biomedical, food engineering and wastewater treatment were also introduced and their bright futures were prospected for further research and development.

Key words: magnetic chitosan microspheres; modification; medicine; food engineering; wastewater treatment

新型的高分子微球材料因其具有很多优良特性为而被广为应用。如粒径小、表面积大、吸附性强，可通过共聚、表面改性赋予其多种功能性基团(如-OH 、-COOH 、-CHO 、-NH2、-SH 等)，进而可结合各种物质，使高分子微球具有多种功能。对于磁性高分子微球，由于其具有磁响应性，在外加磁场的作用下可以很方便地分离、回收。因此，在许多领域有广阔的开发前景[1,2]。

壳聚糖(CTS)是自然界存在的唯一碱性多糖，可由蟹、虾壳中的甲壳素经脱乙酰化反应而制得。其资源丰富，安全无毒，具有独特的分子结构和易于化学修饰、生物可相容性和可再生性等功能。它的胺基极易形成四级胺正离子，有弱碱性阴离子交换作用。壳聚糖在酸性溶液中会溶解，稳定性差[3,4]。将壳聚糖进行交联制成磁性壳聚糖（MCS ）微球[5,6]，不但可提高其稳定性及机械强度，而且使其易与介质分离，利于广泛应用于医学、食品、化工等领域[7]。本文通过对磁性壳聚糖微球的制备方法和性能表征方法及其在生物医药，食品工程和废水处理方面应用的综述，介绍磁性

收稿日期：2008-04-27

基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20050561014) 作者简介：杨晋青(1983-),硕士研究生,研究方向:糖类分离提纯新方法新技术

通讯作者：郭祀远，教授

壳聚糖微球有关领域的研究进展情况，并展望其发展

的前景。

1 磁性壳聚糖微球的制备及表征

1.1 乳化交联法

常用的磁性壳聚糖微球制备方法有乳化交联法[8]。将磁性Fe 3O 4粒子加到一定浓度的壳聚糖溶液中，经均质分散，再在适当的温度，pH 和搅拌条件下逐滴加入含有乳化剂的水相中，产生乳液，在常压下自由挥发或用真空抽提使溶剂挥发，通过洗涤、过滤和干燥等过程即可制得磁性壳聚糖微球[9,10]。 1.2 包埋法

1.2.1 磁性高分子微球的制备

运用机械搅拌、超声分散等方法将磁性粒子分散于高分子溶液中，通过雾化、絮凝、沉积、蒸发等过程得到内部包有磁性粒子的高分子微球，常用的包埋材料有壳聚糖、纤维素、尼龙、磷脂、聚酰胺、聚丙烯酰胺等。徐慧显利用葡聚糖制备了具有较好的单分散性磁性葡聚糖微球[11]，董聿生采用反相悬浮包埋技术合成了多分散性的磁性葡聚糖微球[12]。 1.2.2 改性磁性壳聚糖微球的制备

以(NH 4)2Fe(SO 4)2·6H 2O 、NH 4Fe(SO 4)2·12H 2O 和壳聚糖为原料，经羟丙基化、胺基化，采用一步包埋法制备了一种新型的多胺基化磁性壳聚糖微球[13]。此方

DOI:10.13982/j.mfst.1673-9078.2008.10.005

法在无需表面活性剂存在的条件下，可一步成功制备表面较光滑的改性磁性壳聚糖微球。

1.3 磁性壳聚糖微球的表征

1.3.1 磁性壳聚糖微球的形貌

姜德生制备的壳聚糖和磁性壳聚糖微球的平均粒径为900nm，扫描电镜图片显示壳聚糖为网状，表面不规则，且尺寸比交联成球后大很多[14]。壳聚糖与Fe3O4纳米粒子形成的复合微粒基本呈圆球形，内部均匀分布着Fe3O4，即Fe3O4被包裹在微球内，为核壳结构，且微球表面较平滑，单分散性好，粒径均匀。小粒径的微球通过热搅拌，可均匀分散在溶液中，且比表面积大，可增加酶的固定量，但若粒径过小(<30nm)，则不利于固定化酶的回收。小粒径的微球具有更大的比表面积，可以共价结合更多的酶，同时也可以降低底物和产物扩散限制的影响[15]。

1.3.2 磁性壳聚糖微球的粒度及其磁响应性

寇灵梅等制备的磁性壳聚糖微粒度分布较窄，如合成了粒径范围在50μm～200μm的磁性壳聚糖微球。其研究还发现，该粒度范围内的磁性壳聚糖微球，随着微球粒径的增大，其铁含量也增加；当磁性微球粒径小于280μm时，在外磁场作用下，微球能够快速沉降，且微球的磁化率与其粒径变化亦成正相关，表明了磁性微球具有良好的磁响应性，为其在酶的固定化及磁场流化床中的应用奠定了基础[16]。

2 磁性壳聚糖微球的应用

2.1 磁性壳聚糖微球在生物医药上的应用

2.1.1 酶的固定化载体

作为一种新型功能高分子材料，磁性高分子微球已作为载体被广泛应用于酶的固定化。壳聚糖由于具有生物相容性、生物亲和性和无毒等特性，分子链上大量存在的羟基和氨基又使其易于进行化学改性，常被作为磁性高分子材料的“外壳”而应用于酶固定领域。刘真等进行了磁性壳聚糖微球的制备,将其用来对乳酸氧化酶进行固定，并对乳酸氧化酶的固定化条件以及固定化乳酸氧化酶的性质进行了研究，指出固定化乳酸氧化酶有较好的储存稳定性的条件，得出经过壳聚糖磁性微球的固定化，乳酸氧化酶的各项性能得到了明显提高[17]。

2.1.2 蛋白质的提纯

目前已成功地把磁性微球用于对溶胞产物、血浆、原生质和腹水中的各种蛋白质进行分离提纯。与传统的蛋白质提纯方法相比，用磁性微球进行蛋白质分离、提纯不需要调整混合溶液的pH值、离子强度和介电常数等，避免了蛋白质的损失，提高了蛋白质回收率和纯度，并可以大大减少分离时间。余艺华等用磁性壳聚糖微球偶联色素配基制得的新型亲和磁性微球，对牛血清白蛋白和溶菌酶的吸附量分别达4mg/g和28mg/g，吸附行为对时间依赖性很小，并证明此亲和磁性微球有良好的重复使用性能[18]。

2.1.3 释药与靶向作用

赵大庆等利用改变pH值法制备了磁性壳聚糖微球[19]，并对微球的载药量、缓释特性和磁靶向特性进行

了测试，指出该微球缓释效果明显，并具有一定的突释性，有利于开始阶段使药物迅速达到有效血药浓度，而随后的缓释可以达到长时间的治疗效果，从而提高药物的疗效和生物利用度。该微球的磁靶向性能良好，其外加磁场的最佳场强范围是200~300mT，磁场作用时间为2h。该靶向释药试验为进一步的动物药理实验提供新的途径。

2.2 磁性壳聚糖微球在食品工业中的应用

2.2.1 食品活性组分的分离

食品和生物制品中有效成分的高效分离是生产上存在的主要难题之一，产品需要通过许多步骤才能得到。采用磁分离技术，将磁颗粒与配体结合，就可以将产物有效分离，大大减少分离步骤[20]。黄惠华等以聚乙二醇为分散剂和稳定剂，用氧化低价铁盐的方法制备了磁性微球用于吸附菠萝中的菠萝蛋白酶，回收率达61.96%，酶活性3.8×104U/g[21]；Safarikova Mirka 等采用磁性壳聚糖微球回收马铃薯加工废水中的凝激素，回收率可达50%[22]。吴雪辉等也曾应用外加磁场强化磁性树脂提纯食品稀糖液的研究[23]。

2.2.2 食品废液中蛋白质的回收

豆制品是中华传统优质植物蛋白食品，而豆制品加工中会产生大量乳清，一直被作为废液排放。据报道乳清含有原料大豆蛋白质的8.2%，脂肪的2.2%，碳水化合物的31.8%，矿物质的56.6%，BOD高达1000mg/L以上。因此回收其有用组分不仅可提高原料利用率，而且将大大减轻废液对环境的污染。董海丽等采用磁性壳聚糖微球吸附的方法来吸附大豆乳清废水中蛋白质[24]。在磁性壳聚糖微球投入量为25g/L，接触时间为10min，温度为30℃，pH 值5.0 的条件下，能有效吸附大豆乳清废水中的蛋白质，使大豆乳清废水中蛋白质的吸附去除率高达95.6%[25]。此方法吸附效果好，吸附后磁球易分离再生，是一种新的具有发展前途的大豆乳清废水处理方法。

2.2.3 生物多糖的酶解

寇灵梅等应用所制备的磁性壳聚糖固定化酶微粒

1080

在三相流化床中对壳聚糖进行酶解试验[26]。采用物理吸附法将纤维素酶固定在磁性壳聚糖微球上，用响应面分析法（RSM）对制备磁性固定化纤维素酶的工艺参数进行了优化，得到最优工艺参数。最优条件下得到的最大酶活力为28.457 IU·g-1。发现在500mT磁感应强度下，磁场作用时间＜60min时，游离酶与固定化酶的酶活随着磁场强度的增加而增加。表明制备的固定化酶酶活稳定性较好，配合外加磁场，磁性壳聚糖固定化酶可显著提高酶解反应速度和酶解目标产物低聚壳聚糖的产量。

2.3 磁性壳聚糖微球在废水处理上的应用

2.3.1 有机废水的处理

（1）印染废水

洪爱真等采用磁性壳聚糖微球对染料废水进行脱色的研究[27]，得出磁性壳聚糖微球在最佳吸附条件下吸附饱和量大，表明磁性壳聚糖微球对酸性偶氮染料废水具有优良的脱色能力。处理的pH值范围较宽(pH2-6)。用磁性壳聚糖微球处理酸性染料废水具有脱色效率高、用量少、吸附剂易分离、可再生等优点，有较好的应用前景[28]。

（2）造纸工业废水

朱开梅等以Fe3O4作为磁性内核，戊二醛作交联剂，通过反相悬液交联法制备出了单分散、窄分布的强磁性Fe3O4壳聚糖核壳磁性微球[29]。通过对磁粉内核的制备条件，以及不同pH值及其配比对壳聚糖磁性微球处理造纸废水的影响研究，得到了壳聚糖磁性微球对造纸废水进行处理的较佳工艺条件，且在工艺条件下COD的去除率可达85%以上，表明壳聚糖磁性微球对造纸废水的处理工艺切实可行。

（3）含酚有机废水

马秀玲用壳聚糖微球将辣根过氧化物酶(HRP)固定化，将磁性壳聚糖微球固定化HRP和固定化HRP的非磁性壳聚糖微球对酚废水的催化氧化效率进行了对比研究，发现磁性固定化HRP对于苯酚和邻氯酚的反应活性比非磁性的分别提高了15.2%和12%左右。试验结果表明，1h内原酶对苯酚的去除率为77.4%，壳聚糖微球固定化HRP的酚去除率为89.6%，而磁性壳聚糖微球固定化HRP对酚的去除率可达到92.5%。当溶液中酚浓度较高时,磁场的促进效果更加显著[30]。磁性壳聚糖微球固定化酶可以承受浓度更高的含酚废水，并利用其磁响应性简便地回收磁性酶。

2.3.2 无机废水的处理

（1）吸附镧系和锕系元素

金玉仁研究了磁性壳聚糖对超铀元素钚、镅、锔等锕系和镧系元素的吸附性能。在pH 大于5的硝酸溶液中磁性壳聚糖对这些超铀元素的吸附去除率可达99%以上，其对锕系稀土元素的吸附能力为：锔>镅>钚，吸附过程在45s内基本上达到平衡。对三价镧系和锕系元素的吸附率为95%-99%[31,32]。得出磁性壳聚糖在吸附过渡金属离子时有较好的动力学性能的结论。

（2）含汞和含铀废水

周利民等采用化学交联-种子溶胀法制得球形磁性吸附剂EMCS（改性的磁性壳聚糖），粒径为50～80μm。对Hg2+和UO22+有较好的吸附性能，吸附容量随pH升高而增加。EMCS对Hg2+和UO22+的饱和吸附容量分别为2.27 mmol/g和1.90mmol/g，高于未改性的磁性壳聚糖和壳聚糖[33]。Hg2+和UO22+可用1mol/L-H2SO4 脱附，UO22+也可用2mol/L-HCl脱附，脱附率大于90%，EMCS有良好的重复使用性。

（3）含重金属废水

周利民等采用反相乳液分散-化学交联法制备的粒径约50~80 μm，Fe3O4含量约28%的EMCS，与未改性磁性壳聚糖(MCS)相比，乙二胺改性磁性壳聚糖(EMCS)氨基含量和对Cu2+、Cd2+和Ni2+的吸附容量明显提高，吸附选择性次序为Cu2+>Cd2+>Ni2+。EMCS对上述金属离子的吸附容量高于活性炭、泥煤、沸石等普通吸附剂[34]。张海容等和蒋寅等分别对壳聚糖与过渡金属离子形成壳聚糖金属配合物的研究也证明壳聚糖对Fe2+、Zn2+、Cd2+和Cu2+等过渡金属离子的良好吸附性能[35~36]。

3 展望

磁性壳聚糖微球作为新兴的功能性高分子材料已在生物医药、食品工程和治废环保等许多领域得到初步的应用，并取得引人的使用效果，展示出其光明的应用前景。诚然，应用过程尚存在一些理论和技术问题有待更进一步地研究与探索。目前，已有一些研究人员致力于新型改性磁性壳聚糖微球的研究，相信在不久的将来，随着对磁性壳聚糖微球的更深入研究与开发，其应用前景将更加广阔，将会出现一个普遍应用环保、高效的多功能材料——磁性壳聚糖微球的新局面。

参考文献

[1]周超,戴红莲.磁性微球的制备.化工中间体,2006(7):6-10

[2]秦秋香，郭祀远. 壳聚糖的成膜性及其工业应用进展[J].

现代食品科技, 2007,23(4): 93-96

[3]王珊.壳聚糖微球的制备.工艺与设备,2006(8):13-14

1081

[4]丁小斌,孙宗华,万国祥.热敏性高分子包裹的磁性壳聚糖的

合成[J].高分子学报,1998,(5):628-631

[5]姜炜,李凤生,杨毅,刘宏英,楚建军.磁性壳聚糖复合微球的

制备和性能研究.材料科学与工程学报,2004,22(5):660-662 [6]Park J H, Im K H,Lee S H,et al.Preparation and

Characterization of Magnetic Chitosan Particles for Hyperthermia Application[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials,2005,293:328-333

[7]张海真,孙小梅,李步海.磁性壳聚糖微球的制备及其对脱落

酸的吸附.武汉大学学报,2007,53(6):669-673

[8]DenkbasEB.Kilicay E.Birlikseven C,Ozturk E.[J].Reactive &

Functional polymer,2002,50:225-232

[9]朱玉光,李玮.磁性高分子微球的制备及其在生物医学上的

应用.胶体与聚合物,2006,24(4):43-45

[10]任广智,李振华,何炳林.磁性壳聚糖微球用于酶的固定化研

究[J].离子交换与吸附,2001,17(3):224-229

[11]徐慧显,李民勤,潘再群等.葡聚糖磁性毫微粒固定化L-天

冬酰胺酶的研究.生物化学杂志,1996,12(6):744

[12]董聿生,梁峰,余向阳等.新型磁性葡聚糖亲和吸附剂的制

备及在尿激酶纯化中的应用.色谱,2001,19(1):21

[13]王丽娟,刘峥,王莉.改性磁性壳聚糖微球的制备、表征及性

能研究. 应用化工,2007,36(2):105-116

[14]姜德生.龙胜亚.磁性壳聚糖微球的制备及其在漆酶固定化

中的应用.南京理工大学优秀博士论文.

[15]Joon Taekoh,Jung HyunKim.Preparation and properties of

immobilized Amyloglueosidase on nonporous PS/PNaSS

microspheres.Enzyme Microb.Technol.27(2000)356-361 [16]寇灵梅,李冰,郭祀远,李琳,杨洁贞.磁性壳聚糖微球的表征

及其磁响应性.华南理工大学学报,2006,34(12):93-95

[17]刘真,常雁红,刘仁霖,罗晖.磁性壳聚糖微球的制备及对乳酸

氧化酶的固定化研究.现代化工,2007,27(2):310-313

[18]余艺华,薛博,孙彦,何炳林.壳聚糖亲和磁性毫微粒的制备及

其对蛋白质的吸附性能研究.高分子学报,2000(3):340-344 [19]赵大庆,高明.磁性壳聚糖微球的释药与靶向研究.中国新药

杂志,2006,15(9):698-701

[20]官月平,姜波,朱新华等.生物磁性分离研究进展[J].化工学

报.2000.51(增刊):315-319. [21]黄惠华,高孔荣.磁性载体对菠萝蛋白酶吸附分离和固定化

研究[J].食品科学,1996,17(10):3-8

[22]Spinosad Mirka, Safaric Ivo.One-step partial purufucation of

Solanum tuberosum tuber lectin using magnetic chitosan particles[J].Biotechnology letters,2000,22(11):941-945. [23]吴雪辉,郭祀远,李琳.外加磁场强化磁性树脂提纯食品稀

糖液的研究[J].食品科学,2001,22(8):21-23

[24]董海丽,任晓燕.磁性壳聚糖微球对大豆乳清废水中蛋白质

的吸附作用.食品科学,2007,28(7):205-207

[25]纵伟,夏文水.磁性高分子微球及其在食品工业中的应用.山

西食品工业,2003(4):31-43

[26]寇灵梅，李冰，郭祀远，李琳，黄采坚.磁性固定化纤维

素酶的制备及其响应性[J].食品科学, 2006,27(12):335-339 [27]洪爱真,魏燕芳,陈盛.磁性壳聚糖微球对酸性偶氮染料废

水的脱色研究.福建轻纺,2003,165(2):2-5

[28]韩德艳,谢长生.贴壳聚糖磁性微球对甲基橙废水的脱色研

究.湖北师范学院学报,2006,26(1):19-21

[29]朱开梅,顾生玖,黄耀峰,李寿芬,张方德.壳聚糖磁性微球的

制备及在处理造纸工业废水的应用.华夏医学,2006, 19(1): 3-5

[30]马秀玲.磁性固定化酶处理含酚废水的研究[J].广州化

学,2003,28(1):17-20.

[31]金玉仁,李冬梅,张海涛,张利兴,陆兆达.磁性壳聚糖对钚、

镅、锔的吸附性能研究.原子能科学技术,1998,32(5):136-140 [32]金玉仁,李冬梅,张宝川,章连众,张利兴,韩世钧.磁性壳聚糖

的制备及其对三价镧系和锕系元素的吸附性能研究.离子

交换与吸附,1999,15(2):177-181

[33]周利民,王一平,黄群武.乙二胺改性壳聚糖磁性微球吸附

Hg2+和UO22+.核化学与放射化,2007,29(3):184-188

[34]周利民,王一平,黄群武,刘峙嵘.改性磁性壳聚糖微球对

Cu2+、Cd2+和Ni2+的吸附性能.物理化学学报,2007, 23(12):

1979-1984

[35]张海容,郭祀远,李琳,陈金娥.壳聚糖与五种过渡金属离子

形成配合物的研究[J].光谱实验室,2006,23(5):1035-103 [36]蒋寅,翟青,郭桦,谭辉,郭祀远.壳聚糖对锌(铁)离子的配位

特性及其配合物的应用[J].现代食品科技,2007,23(9):89-91

1082