二硫醇功能化瓜尔胶 - 蛋白气凝胶用于高效去除孔雀石绿：多机理吸附及结构洞察

《International Journal of Biological Macromolecules》：Dithiol-functionalised guar gum-protein aerogel for efficient malachite green removal: Multi-mechanistic adsorption and structural insights

　　

摘要
开发具有高热稳定性和实用性的可持续吸附剂仍然是染料污染废水处理的主要挑战。本研究提出了一种简单的分子策略，以克服常规生物聚合物气凝胶结构稳定性方面的不足。以瓜尔胶（GG）和牛血清白蛋白（BSA）制备了一种蛋白质 - 多糖杂化气凝胶，并使用 2,2′-(乙烷二氧基)二乙硫醇（EDDT）作为二硫醇辅助超分子稳定剂用于去除孔雀绿（MG）。引入 EDDT 带来了含硫官能团，通过硫醇介导的相互作用和可能的部分二硫键形成，增强了网络完整性，在冻干过程中保持孔隙率，并提高了再生稳定性。综合表征（FTIR、PXRD、SEM、TGA 和 Zeta 电位分析）确认形成了具有良好表面电荷特性的多孔、热稳定三维网络。BSA 引入了丰富的氨基和羧基，提供了多个吸附位点。GG-BSA-EDDT 气凝胶在 pH 9.0 时实现了 225 mg/g 的朗格缪尔最大 MG 吸附容量，遵循朗格缪尔和弗罗伊希利希等温线及准二级动力学。通过静电吸引、氢键、π-π 相互作用、孔扩散和硫介导的结合，在 30 分钟内快速达到吸附平衡。即使经过八次循环，仍保持超过 90% 的效率，显示出优异的重复使用性。完全可生物降解的组成、简便的制备策略、优异的再生性能和多功能吸附机理突显了 GG-BSA-EDDT 气凝胶作为实际废水修复中可持续吸附剂的潜力。

引言
水污染已成为最紧迫的全球环境挑战之一，主要由快速工业化、城市化以及引入大量有害污染物至水生生态系统的的人为活动驱动 [1], [2]。这种污染对水生生物多样性和人类健康构成了威胁。在这些污染物中，合成染料尤其令人担忧，因为它们被广泛工业使用且难以生物降解 [3]。纺织、皮革、造纸、印刷和水产养殖等行业排放富含染料的废水，减少了光线穿透，抑制光合作用，并破坏水生食物链，从而导致水质严重恶化 [4], [5]。
在各种合成染料中，孔雀绿（MG），一种阳离子三苯甲烷染料，被广泛用于纺织工业和水产养殖中的抗真菌剂 [6]。由于其高毒性、致突变性和生物富集潜力，即使在微量水平下也受到了特别关注。MG 可在水生生物中生物富集，并通过食物网生物放大，导致生物体（包括人类）出现严重的遗传、肝脏和生殖障碍 [7], [8]。因此，采用具有成本效益且可持续的策略高效去除工业废水中的 MG 至关重要。为减轻 MG 污染，已研究了各种物理化学和生物废水处理技术，包括混凝、高级氧化、膜过滤和生物降解。然而，这些方法通常存在运行成本高、能耗大、产生二次污染物和效率有限等问题，特别是在低染料浓度下 [9], [10]。相比之下，吸附已成为去除染料最有效的技术之一，因其效率高、操作简单、能耗低且吸附剂易于再生。尽管如此，传统吸附剂如活性炭、沸石和合成树脂通常伴随着高生产成本、难以再生和可持续性有限的问题，限制了其大规模应用。近年来，基于生物聚合物的吸附剂因其丰富、可生物降解和表面功能丰富而作为可持续和可再生的替代方案受到了广泛关注 [11], [12]。壳聚糖、藻酸盐、纤维素和瓜尔胶（GG）等天然聚合物含有羟基（-OH）、氨基（?NH2）和羧基（-COOH）基团，能够通过静电吸引、氢键和其他非共价相互作用与染料分子强烈相互作用 [11]。其中，源自四棱野豌豆的半乳甘露聚糖瓜尔胶（GG）因其优异的亲水性、可生物降解性和凝胶能力而特别具有吸引力 [13]。瓜尔胶由线性β-(1 → 4)-连接的 D-甘露糖主链和单个α-(1 → 6)-连接的 D-半乳糖侧链组成，通常甘露糖与半乳糖的比率约为 2:1。多糖主链上丰富的-OH 基团提供了广泛的氢键（H-bonding）能力和强亲水性，使其能够快速吸水并溶胀。这些结构特征使 GG 成为水凝胶和气凝胶形成的理想平台；然而，以物理分子间相互作用为主和有限的分子间网络稳定性通常导致在含水环境中机械强度弱、孔隙率低和结构不稳定，限制了其在废水处理中的直接应用 [14]。多糖与互补生物大分子的化学修饰和杂化可以显著增强结构稳定性、吸附容量和可回收性 [15]。特别是，蛋白质 - 多糖杂化系统引入了多个官能团和协同结合位点，从而与单一组分碳水化合物材料相比实现了改善的吸附性能。
牛血清白蛋白（BSA），一种天然存在的球状蛋白，被选为蛋白质组分，因为它富含-NH2 和-COOH 以及肽官能团，提供了与阳离子染料分子相互作用的多个活性位点。这些官能团可以参与静电吸引、氢键以及其他非共价相互作用，从而增强了对孔雀绿的吸附亲和力。此外，将 BSA 引入 GG 基质中引入了额外的分子间相互作用，在保持多糖框架可生物降解特性的同时，改善了网络内聚力、机械稳定性和表面功能。因此，预计 GG 和 BSA 的协同组合将增强染料吸附容量、含水条件下的结构稳定性和再生性能，优于纯 GG [16]。除了提供互补官能团外，蛋白质 - 多糖杂化网络产生的协同界面相互作用是单一组分碳水化合物材料难以实现的。这些协同相互作用改善了吸附位点的可达性，并促进了染料分子的有效扩散和结合，使蛋白质 - 多糖杂化物成为可持续废水处理应用的有前景的候选者 [17]。最近的研究表明，开发生物聚合物基吸附剂去除 MG 取得了显著进展。例如，Liu 等人（2025 年）开发了双网络水凝胶微球，结合丙烯酸钠/乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）与席夫碱交联的氧化硫酸软骨素 - 羧甲基壳聚糖，在 3 小时内达到 MG 吸附平衡，容量为 806.5 mg/g，五次再生循环后去除率> 80% [18]。Malik 等人（2025 年）合成了钡 - 交联的改性海藻酸钠珠，改性剂为阳离子表面活性剂、十二烷基三甲基溴化铵、二十二烷基二甲基溴化铵、双子星表面活性剂，其 MG 吸附容量为>700 mg/g [19]。Arabkhani & Asfaram（2025 年）开发了 3D 磁性细菌纤维素/氧化石墨烯气凝胶，实现了 270.3 mg/g 的 MG 吸附并易于磁回收 [20]。Mate 等人（2025 年）制备了一种源自 Jhingan 胶的 pH 敏感高吸水性凝胶，显示出 83 mg/g 的 MG 吸附，在 180 天内完全生物降解 [21]。同样，最近的研究报道了开发先进的生物聚合物基吸附剂用于废水处理，具有改善的吸附效率、结构稳定性和再生性能，进一步突显了对可持续吸附材料日益增长的兴趣 [22], [23]。此类方法可能会增加生产成本，降低可生物降解性，使再生复杂化，并限制大规模实际实施。相比之下，本研究专注于通过简单制备策略制造的全生物降解蛋白质 - 多糖气凝胶，提供优异的再生性能和多功能吸附特性，同时为废水处理提供一种实用且可持续的替代方案。因此，仍然需要完全可生物降解、结构稳定且易于制造的生物聚合物气凝胶，将高吸附效率与可持续材料设计相结合。尽管瓜尔胶和基于蛋白质的杂化材料前景广阔，但开发用于高效染料吸附的三维 GG–BSA 气凝胶在很大程度上仍未被探索。此外，将含硫二硫醇交联剂引入可生物降解的蛋白质 - 多糖气凝胶中以增强结构稳定性和吸附性能仅受到非常有限的关注。为应对这些挑战，本研究报道了一种新型二硫醇功能化 GG-BSA 气凝胶的制造，使用 2,2′-(乙烷二氧基)二乙硫醇（EDDT），其作为二硫醇辅助超分子稳定剂，在增强染料 - 吸附剂相互作用的同时改善 GG-BSA 网络的结构稳定性 [24]。选择二硫醇连接剂对于生物聚合物气凝胶稳定特别有利，因为 EDDT 的柔性分子间隔物改善了网络弹性，并有助于最小化冻干过程中的孔隙坍塌，从而保持孔隙率。此外，硫原子作为软路易斯碱可以通过弱硫介导和氢键相互作用与芳香族染料分子相互作用，增强吸附亲和力。引入含硫基团预计将增强网络内聚力，改善溶胀行为并提高再生稳定性，从而在重复吸附 - 脱附循环中保持吸附位点的可达性。
本研究提出了一种分子设计策略，通过二硫醇辅助超分子增强蛋白质 - 多糖网络来稳定碳水化合物基气凝胶。常规蛋白质 - 多糖气凝胶主要依靠氢键、静电作用或物理缠结进行网络稳定，而许多含硫吸附剂需要多步功能化或无机成分。相比之下，本研究的 GG–BSA 气凝胶采用 EDDT 作为多功能二硫醇辅助稳定剂，以同时增强多孔网络并引入含硫吸附位点。如表 S2 所述，这种二硫醇辅助的分子设计通过在一个可生物降解的蛋白质 - 多糖气凝胶中集成结构增强和硫功能化，推进了现有技术，消除了对无机纳米材料或复杂多步制造的需求，同时保持了具有竞争力的吸附性能和优异的再生稳定性。据我们所知，此前尚未报道过用于染料去除的二硫醇辅助 GG-BSA 气凝胶稳定化。我们假设，将柔性二硫醇分子间隔物 EDDT 引入 GG-BSA 碳水化合物 - 蛋白质网络中将通过硫醇介导的分子间相互作用促进超分子稳定，从而形成机械坚固且保持孔隙的气凝胶结构。这种分子水平的增强有望将冻干和重复再生过程中的结构坍塌降至最低，从而保持可访问的吸附位点。此外，在碳水化合物基质中将硫官能团与-OH、-NH2 和-COOH 基团结合，预计将创造一种协同多功能吸附界面，能够促进静电和π-π 吸引、氢键以及硫介导的染料结合。因此，预计 GG-BSA-EDDT 气凝胶将表现出增强的吸附动力学、提高效率以及相对于非二硫醇 GG-BSA 气凝胶卓越的再生稳定性。为了验证这一假设，本研究旨在：(i) 阐明涉及 MG 去除的协同吸附机制；(ii) 确定 EDDT 引入的硫醇官能团对吸附效率和结构稳定的贡献；(iii) 评估 pH 和离子条件对吸附行为的影响；以及 (iv) 通过多次再生循环评估气凝胶的可重复使用性和机械稳定性。总体而言，GG-BSA-EDDT 气凝胶表明，二硫醇辅助的分子稳定可以同时在可生物降解的蛋白质 - 多糖气凝胶中增强结构完整性、吸附性能和再生稳定性。更广泛地说，这种分子设计策略为工程化耐用、可再生和可持续的碳水化合物基气凝胶用于废水修复提供了一个通用平台。

章节片段
材料
瓜尔胶（GG，源自 Cyamopsis tetragonoloba，Mw ≈ 220–250 kDa）、牛血清白蛋白（BSA，Mw ≈ 66.5 kDa）、乙醇（99.9%）、孔雀绿（MG）、氢氧化钠（1 N）、NaCl、Na2SO4、CaCl2 和硝酸（HNO3）购自印度金奈的 Sisco Research Laboratories。2,2′-(乙烷二氧基)二乙硫醇（95%，EDDT）购自 Sigma-Aldrich。所有化学品均为分析纯，直接使用，未经进一步纯化。所有...均使用去离子（DI）水。

结构表征
水相中的 MG 浓度使用紫外 - 可见分光光度计（Agilent Technologies, Cary 60, USA）在 617 nm 处测定。傅里叶变换红外（FTIR）光谱使用岛津 IR Tracer 100（日本）在 400–4000 cm?1 范围内收集，以识别官能团。通过 FTIR 中特征性的糖苷 C-O-C 振动和 XPS 分析（Thermo Fisher Scientific）中 C-O/C-O-C 贡献进一步确认了碳水化合物主链的存在和保留。

脱附行为与可重复使用性
吸附剂用于大规模废水处理的可行性和长期可持续性主要取决于其脱附效率和再生能力。因此，评估了 GG-BSA-EDDT 气凝胶对 MG 的再生性能，进行了八次连续的吸附 - 脱附循环以评估其再生潜力（图 2d 和 S8 a,b）。采用了两种脱附持续时间：12 小时和 24 小时循环，指的是用尽的气凝胶在...中的浸泡时间。

吸附机理研究
如图 S9 所示，包括氢键、静电相互作用和孔填充在内的多种相互作用可能涉及 MG 染料在 GG-BSA-EDDT 气凝胶上的吸附。SEM 显微照片显示，在吸附过程中 MG 分子被困在气凝胶的孔隙内 [47]。补充的 FTIR 分析（图 S10）进一步支持了这些发现，揭示了 GG-BSA-EDDT 气凝胶在 MG 吸附前后的振动带发生了明显变化。GG-BSA-EDDT

结论
在本研究中，通过瓜尔胶（GG）、牛血清白蛋白（BSA）和 2,2′-(乙烷二氧基)二乙硫醇（EDDT）的超分子稳定，开发了一种二硫醇辅助的蛋白质 - 多糖气凝胶（GG-BSA-EDDT）。引入含硫官能团带来了许多相互作用位点，并通过氢键、硫醇介导的分子间相互作用和可能的二硫桥形成增强了网络内聚力。优化后的气凝胶展示了最大

CRediT 作者贡献声明
Ejjurothu Ramya Lakshmi Keerthana：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 初稿，验证，方法学，形式分析，数据策展，概念化。N.

Raja Sekar：方法论、形式分析、数据整理。Chirag Batukbhai Godiya：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原创草稿，可视化，验证，监督，调查，概念化。Tarak Nath Mandal：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原创草稿，可视化，验证，监督，项目管理。利益冲突声明：作者声明他们不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会对本论文所报告的工作产生影响。致谢：E. R. L. K. 和 R. S. N. 感谢印度泰米尔纳德邦卡坦库拉图尔的SRMIST化学系通过学院博士奖学金提供的财政支持。T. N. M. 衷心感谢SRMIST提供的种子研究基金（编号：SRMIST/R/AR(A)/SERI2025/174/15-706）。我们还感谢SRM中央仪器设施（SRM-SCIF）和纳米研究中心（SRM-NRC）提供仪器设备的使用权限。作者们还感谢Dipankar Das博士及其团队提供的协助。Ejjurothu Ramya Lakshmi Keerthana | N. Raja Sekar | Chirag Batukbhai Godiya | Tarak Nath Mandal