[发明专利]一种γ‑聚谷氨酸‑壳聚糖凝胶及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于凝胶制备领域，具体涉及一种γ-聚谷氨酸-壳聚糖凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

聚谷氨酸(γ-PGA)是以枯草芽孢杆菌通过发酵技术制备的一种高分子化合物，是由 L-谷氨酸、D-谷氨酸单体通过酰胺键聚合而成的一种多肽分子。它的分子链中有活性很强的-COOH基团，被发现有很多可利用的功能，如吸水性、保湿性及吸附重金属等，同时单体谷氨酸属于氨基酸，降解后不会造成任何污染，是环境友好型材料。聚谷氨酸由于含有较多的羧基和活性基团，故其具有较强的保水性和缓释性，这两方面的性质使其在农业上能够较好的发挥作用。

壳聚糖(CS)是一种多糖类天然高分子，在自然界含量丰富，仅次于纤维素，其含有丰富的氨基和羟基，具有优良的生物相容性、可降解性、低毒及较好的生物活性和力学性能等。

综上所述，利用聚谷氨酸和壳聚糖制备成聚谷氨酸-壳聚糖凝胶，具有良好的吸水和保水能力，如果能用作保水固沙材料，对土壤水分蒸发具有一定的改善作用和抗风蚀能力，但是现有技术中没有适合可以应用到土壤中的聚谷氨酸-壳聚糖凝胶。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种γ-聚谷氨酸-壳聚糖凝胶及其制备方法和应用。本发明中经过特殊的制备工艺，制备出可制成颗粒状的γ-聚谷氨酸-壳聚糖，将其应用到土壤中，可大大改善土壤的保水和抗风蚀能力。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种γ-聚谷氨酸-壳聚糖凝胶的制备方法，包括以下步骤：

（1）将γ-聚谷氨酸水溶液置于磁力搅拌器上搅拌均匀直至完全溶解，配制γ-聚谷氨酸溶液；

（2）然后将壳聚糖边搅拌边缓慢加入到γ-聚谷氨酸溶液中，制得γ-聚谷氨酸-壳聚糖的混合液；

（3）再将醋酸溶液缓慢匀速加入到-聚谷氨酸-壳聚糖的混合液中后，停止搅拌，反应15分钟，交联后得到聚谷氨酸-壳聚糖预凝胶；

（4）将得到聚谷氨酸-壳聚糖预凝胶切成小块，浸泡在蒸馏水中5-6小时，反复洗涤去除多余未反应的醋酸溶液，将聚谷氨酸-壳聚糖pH调节为中性，得到γ-聚谷氨酸-壳聚糖凝胶。用蒸馏水浸泡洗涤将聚谷氨酸-壳聚糖pH调节为中性，方便后期作为保水固沙剂的使用，不会对土壤及作物生长产生毒害作用。

作为优选的技术方案：

优选的，所述γ-聚谷氨酸水溶液的浓度为2-20g/mL；所述γ-聚谷氨酸的分子量为0.8-1.5×10³kDa。

优选的，所述壳聚糖的分子量为150kDa；所述γ-聚谷氨酸与壳聚糖质量比为1:2-50。

优选的，所述醋酸溶液的浓度为0.4mol/L；所述醋酸溶液的加入量与γ-聚谷氨酸水溶液的加入量的体积比为1-3:5。

本发明制备的γ-聚谷氨酸-壳聚糖凝胶，若只添加壳聚糖制备的凝胶表面孔隙过大，分布不均匀，吸水倍率会逐渐降低；随着γ-聚谷氨酸添加量逐渐增加，表面逐渐变得疏松多孔，当聚谷氨酸添加量继续增加由于聚谷氨酸过多，导致形成的凝胶结构过于疏松，吸水倍率下降。醋酸加入的目的是溶解壳聚糖使之与聚谷氨酸发生交联形成凝胶，加入一定量的醋酸使交联形成后，继续增大醋酸添加量，并不能使凝胶的吸水倍率增强。

优选的，步骤（1）中，γ-聚谷氨酸水溶液的搅拌速率为200-300 rpm；步骤（2）中，壳聚糖的搅拌速率为400-500 rpm；步骤（3）中，醋酸溶液的加入速率为60 mL/min，搅拌速率为300-500 rpm。

本发明通过γ-聚谷氨酸-壳聚糖凝胶的制备方法制得了γ-聚谷氨酸-壳聚糖凝胶，所述γ-聚谷氨酸-壳聚糖凝胶为三维网状结构，吸水倍率为30-80倍，具有较好的保水能力和反复吸水能力。

本发明还提供了γ-聚谷氨酸-壳聚糖凝胶作为保水固沙材料的应用，用超低温冷冻干燥机将γ-聚谷氨酸-壳聚糖凝胶冷冻干燥18h，用粉碎机粉碎，得到粉末状的γ-聚谷氨酸-壳聚糖，然后将γ-聚谷氨酸-壳聚糖粉末施用在土壤表面，使其均匀分散，作为土壤中的保水固沙剂。

如上所述的γ-聚谷氨酸-壳聚糖凝胶作为保水固沙材料的应用，γ-聚谷氨酸-壳聚糖粉末在土壤中的加入量为0.5-1 kg/m²。

有益效果：

本发明制备的γ-聚谷氨酸-壳聚糖凝胶是一种可生物降解、对环境无污染的保水剂，为聚谷氨酸用于农业应用提供了有利的参考依据。

本发明中制备的γ-聚谷氨酸-壳聚糖凝胶应用到土壤中，可大大改善土壤的保水和抗风蚀能力。

具体实施方式