改性硅藻土吸附殼聚糖-胍鹽微球及其在抗菌紙中的應(yīng)用

林新興 劉 凱 陳禮輝 黃六蓮 曹石林

(福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)院,福建福州，350002)

近年來(lái)，隨著人們對(duì)健康和環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，尤其是各種有害菌種對(duì)人們身體健康造成的危害，使得各種抗菌材料越來(lái)越受到重視與青睞，如抗菌塑料、抗菌陶瓷、抗菌織物、抗菌涂料等[1]。紙或紙制品是人們生活中最重要的日常用品之一，研究和開(kāi)發(fā)具有抗菌功能的紙或紙制品具有重要意義，特別用于流通領(lǐng)域的紙，如病例紙、鈔票紙、書(shū)本紙、撲克牌紙等。這些紙或紙制品使用和交換頻繁，容易引起有害細(xì)菌傳播和交叉感染。所以，多功能抗菌紙的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用不僅能提高紙產(chǎn)品檔次，而且在改善人們生活質(zhì)量等方面也有重要作用[2-3]。

殼聚糖是甲殼素脫乙?；囊环N重要衍生物，具有無(wú)毒、生物相容和生物降解性，是一種天然抗菌劑，但存在熱穩(wěn)定性差、有效期短和使用范圍窄等問(wèn)題[4]。胍鹽是一種高效抗菌劑，具有強(qiáng)堿性、高穩(wěn)定性和較好的生物活性等優(yōu)良特性，廣泛應(yīng)用在化學(xué)、醫(yī)療、農(nóng)產(chǎn)品防護(hù)、食品和日用品、紡織品以及橡膠等方面。天然硅藻土是一種無(wú)毒無(wú)害的非金屬礦，主要化學(xué)成分是SiO2，具有獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)和形貌，如孔徑大、孔隙度大、吸附性好、表面積大和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，因此在造紙工業(yè)上被廣泛用于功能性填料或涂料顏料[5- 6]。本實(shí)驗(yàn)采用離子交聯(lián)法制備了殼聚糖-胍鹽納米微球復(fù)合抗菌劑[7- 8]，該納米微球既能同時(shí)發(fā)揮兩者具有抗菌性的特點(diǎn)，也擴(kuò)展了兩者的應(yīng)用范圍。再利用十二烷基磺酸鈉改性天然硅藻土，改變其表面電化學(xué)性質(zhì)，使得殼聚糖-胍鹽微球大量吸附在改性硅藻土表面，并制備了改性硅藻土/殼聚糖-胍鹽微球涂料。最后將涂料涂布在紙張上制備高效抗菌紙，研究了抗菌紙的抗菌性能。為制備新型高效抗菌紙?zhí)峁┝艘环N新工藝。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與試劑

殼聚糖(CTS),質(zhì)均相對(duì)分子質(zhì)量7×105，脫乙酰度為95%，浙江金殼生物化學(xué)有限公司；十二烷基磺酸鈉(SDS)、硅藻土(Dt)、鹽酸胍(GH)、聚乙烯醇(1799型，醇解度99.8%～100%)，上海阿拉丁試劑有限公司；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

恒溫磁力攪拌器，德國(guó)IKA公司；Thermo Nicolet 360傅里葉紅外光譜儀，美國(guó)熱電尼高力公司；Netzsch STA 449F3熱失重分析儀，德國(guó)耐馳儀器公司；KDN-B凱式定氮儀，上海新嘉電子有限公司；JEM-1010透射電鏡，日本JEOL儀器公司；Zetasizer Nano-ZS激光粒度儀，英國(guó)馬爾文儀器公司；GBC-A4涂布機(jī)，韓國(guó)GIST公司；FD-1A-50真空冷凍干燥機(jī)，北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司。

1.3 殼聚糖-胍鹽微球的制備

先稱取0.4 g殼聚糖(CTS)充分溶解在100 mL 1%的醋酸溶液中，再將8 g/L鹽酸胍(GH)溶液50 mL 與2 g/L的三聚磷酸鈉(TPP)溶液40 mL混合均勻，緩慢滴加到殼聚糖溶液中，在室溫下攪拌4 h 后制得190 mL殼聚糖-胍鹽納米微球(以下簡(jiǎn)稱殼聚糖-胍鹽微球)乳液，即殼聚糖-胍鹽微球復(fù)合抗菌劑。

1.4 殼聚糖-胍鹽微球的紅外光譜分析

將殼聚糖-胍鹽微球乳液置于真空冷凍干燥機(jī)中，干燥后取一定量微球，利用KBr壓片法進(jìn)行紅外光譜(FT-IR)檢測(cè)。

1.5 硅藻土的陰離子改性

稱取3 g硅藻土(Dt)加入到30 mL蒸餾水中，再加入一定量的陰離子表面活性劑十二烷基磺酸鈉(SDS)，用0.1 mol/L 的標(biāo)準(zhǔn)鹽酸調(diào)節(jié)pH值為1。在恒溫磁力攪拌器中攪拌4 h，靜置沉淀后，去除上清液，用蒸餾水對(duì)沉淀物清洗3次去除多余的SDS。最后將沉淀置于60℃烘箱中干燥，即得到改性硅藻土。

1.6 改性硅藻土對(duì)復(fù)合抗菌劑的吸附

首先量取190 mL殼聚糖-胍鹽微球復(fù)合抗菌劑乳液于250 mL錐形瓶中，加入不同量的改性硅藻土，在室溫下置于恒溫振蕩器中振蕩，吸附達(dá)到平衡后，通過(guò)離心分離得到改性硅藻土吸附抗菌劑(或稱改性硅藻土/殼聚糖-胍鹽微球)。按照上述過(guò)程，利用改性硅藻土分別吸附殼聚糖微球或胍鹽可制得對(duì)照樣。

吸附過(guò)程中上清液氮含量可通過(guò)如下過(guò)程確定：在吸附過(guò)程中的不同時(shí)間段(0、2、4、6、10、20、30、60 min)分別取一定量上層清液，利用凱式定氮儀測(cè)定其中的氮含量，計(jì)算公式如下[9]：

式中：V為滴定微球乳液所消耗的標(biāo)準(zhǔn)鹽酸體積(mL)，C為標(biāo)準(zhǔn)鹽酸濃度 (mol/L)，W為上清液樣品質(zhì)量(g)。吸附過(guò)程中上清液氮含量穩(wěn)定時(shí)所需時(shí)間即為吸附平衡時(shí)間。

1.7 改性硅藻土吸附殼聚糖-胍鹽微球的表征

取一定量改性硅藻土/殼聚糖-胍鹽微球置于60℃烘箱中，干燥后利用KBr壓片法進(jìn)行紅外光譜檢測(cè)。并利用熱失重分析儀測(cè)定其熱穩(wěn)定性。

1.8 涂料制備

稱取1 g聚乙烯醇加入到100 mL蒸餾水中，置于90℃水浴鍋中加熱，攪拌至全部溶解后冷卻至室溫，取3個(gè)100 mL燒杯，分別加入10 g聚乙烯醇溶液，再分別加入3 g改性硅藻土/殼聚糖-胍鹽微球、改性硅藻土/殼聚糖、改性硅藻土/胍鹽，不斷攪拌使其充分混合后制得3種涂料。

1.9 抗菌紙制備

將涂料均勻地涂在定量為70 g/m2的原紙表面，制備高效抗菌紙，涂布后的紙張置于烘箱中干燥，干燥溫度70℃，時(shí)間5 min。

1.10 抗菌紙的抗菌性能檢測(cè)

首先將大腸桿菌和金黃色葡萄球菌置于LB培養(yǎng)液中培養(yǎng)24 h，用移液管移取2 mL倒入預(yù)先滅過(guò)菌的培養(yǎng)皿中。將抗菌紙裁剪成直徑為6 mm的圓片，貼在含菌的培養(yǎng)基上，置于37℃的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h，觀察紙樣周圍的抑菌圈。

2 結(jié)果與討論

2.1 殼聚糖-胍鹽微球的紅外光譜分析

圖1 殼聚糖-胍鹽微球的紅外光譜圖

圖2 殼聚糖-胍鹽微球的微觀分析

2.2 殼聚糖-胍鹽微球的TEM觀察與粒徑分布測(cè)定

利用透射電鏡研究了殼聚糖-胍鹽微球的形態(tài)(見(jiàn)圖2)。由圖2可以看出，通過(guò)離子交聯(lián)法制備的殼聚糖-胍鹽復(fù)合物大小均勻，呈微球狀，粒徑主要集中在10～210 nm之間，平均粒徑為94.5 nm。由于微球直徑不足100 nm，比硅藻土平均粒徑(20～60 μm)小很多，該微球很容易通過(guò)靜電作用吸附在硅藻土表面，并通過(guò)涂布方式留在紙張表面，從而起到抗菌作用。

2.3 改性硅藻土對(duì)殼聚糖-胍鹽微球的吸附動(dòng)力學(xué)

圖3 改性與未改性硅藻土對(duì)殼聚糖-胍鹽微球的吸附動(dòng)力學(xué)

硅藻土表面存在大量的硅羥基，在水中解離出H+，使硅藻土表面帶負(fù)電荷[13]。殼聚糖中大量的氨基電離，使殼聚糖-胍鹽微球表面帶正電荷，可通過(guò)靜電作用吸附在硅藻土表面。圖3為硅藻土改性前后對(duì)殼聚糖-胍鹽微球的吸附動(dòng)力學(xué)。從圖3可知，隨吸附時(shí)間的增加，上清液中氮含量逐漸降低，說(shuō)明乳液中的微球被逐漸吸附到硅藻土上。與未改性相比，經(jīng)過(guò)十二烷基磺酸鈉改性的硅藻土對(duì)殼聚糖-胍鹽微球的吸附量更大，即上清液的氮含量更低。另外，與未改性相比，改性硅藻土對(duì)殼聚糖-胍鹽微球的吸附速度更快，在4 min后就可以達(dá)到平衡，而未改性的硅藻土要6 min后才能達(dá)到吸附平衡。這主要是因?yàn)槭榛撬徕c能夠增強(qiáng)硅藻土的表面負(fù)電性，硅藻土表面具有更多的負(fù)電吸附位，對(duì)殼聚糖-胍鹽微球的吸附力有所增強(qiáng)，同時(shí)也可吸附更多的納米微球。

圖4 改性硅藻土及其吸附納米微球的紅外光譜圖

2.4 改性硅藻土/殼聚糖-胍鹽微球的紅外光譜分析

硅藻土及改性硅藻土/殼聚糖-胍鹽微球的紅外光譜圖如圖4所示。由圖4可知，未改性硅藻土的主要特征峰出現(xiàn)在3435 cm-1、1633 cm-1、1087 cm-1處，分別屬于吸附水—OH的伸縮振動(dòng)、水分子—OH的彎曲振動(dòng)和Si—O的伸縮振動(dòng)；另外，793 cm-1和497 cm-1處分別為Si—O—Si的伸縮振動(dòng)和Si—O—Si的彎曲振動(dòng)。與未改性相比，經(jīng)十二烷基磺酸鈉改性后的硅藻土在2921 cm-1和2852 cm-1處出現(xiàn)2個(gè)新的特征峰，屬于—CH2—的不對(duì)稱和對(duì)稱伸縮振動(dòng)；在1463 cm-1處出現(xiàn)—CH2—的彎曲振動(dòng)峰，這是十二烷基磺酸鈉的烷基鏈的特征峰，表明十二烷基磺酸鈉已對(duì)硅藻土表面進(jìn)行了改性，并插入硅藻土層間。同時(shí)，改性硅藻土在3441 cm-1處的吸收峰有所減弱，這可能是由于硅藻土層間的吸附水減少所致[14-15]。改性硅藻土吸附納米微球后，在1557 cm-1和898 cm-1處產(chǎn)生了2個(gè)新的特征吸收峰，分別為酰胺鍵Ⅱ與β-吡喃型糖苷鍵的吸收峰，這與殼聚糖-胍鹽微球上的1535 cm-1和899 cm-1處的特征峰相對(duì)應(yīng)，說(shuō)明納米微球已吸附在改性硅藻土表面。同時(shí)，將改性硅藻土/殼聚糖-胍鹽微球的紅外光譜圖(圖4中的d)與其他3條光譜圖相比可以發(fā)現(xiàn)，并沒(méi)有產(chǎn)生新的特征峰，即改性硅藻土吸附殼聚鹽-胍鹽微球后沒(méi)有出現(xiàn)新的化學(xué)鍵，表明二者只是通過(guò)靜電吸附作用結(jié)合在一起。

圖7 抗菌紙抗菌性能分析

2.5 改性硅藻土/殼聚糖-胍鹽微球的熱穩(wěn)定性

圖5 改性硅藻土及改性硅藻土/殼聚糖-胍鹽微球的TG圖

圖6 改性硅藻土及改性硅藻土/殼聚糖-胍鹽微球的DTG圖

圖5與圖6分別為改性硅藻土、殼聚糖-胍鹽微球、改性硅藻土/殼聚糖-胍鹽微球的TG和DTG圖。由圖5可知，殼聚糖-胍鹽微球的熱失重主要分4個(gè)階段，其質(zhì)量損失分別為6%、16%、21%和17%，初始分解溫度為113.4℃。改性硅藻土的熱重曲線幾乎為直線，基本沒(méi)有質(zhì)量損失，說(shuō)明改性硅藻土有較好的熱穩(wěn)定性。而改性硅藻土/殼聚糖-胍鹽微球的熱失重分2個(gè)階段，其質(zhì)量損失分別為5%和1%，初始分解溫度為236.6℃。從上述結(jié)果可以看出，與改性硅藻土相比，改性硅藻土/殼聚糖-胍鹽微球的TG曲線具有較明顯的質(zhì)量損失，這主要是由于殼聚糖-胍鹽微球受熱分解，也說(shuō)明殼聚糖-胍鹽微球已固載在硅藻土表面。另外，改性硅藻土/殼聚糖-胍鹽微球初始分解溫度(236.6℃)要高于殼聚糖-胍鹽微球的初始分解溫度(113.4℃)，說(shuō)明改性能藻土/殼聚糖-胍鹽微球的熱穩(wěn)定性強(qiáng)于殼聚糖-胍鹽微球。

2.6 抗菌紙的抗菌性能

為了研究該合成的抗菌劑的抗菌性能，制備了不同涂料和涂布量的抗菌紙，并對(duì)其進(jìn)行抗菌性能檢測(cè)。抗菌紙的涂料、涂布量見(jiàn)表1，抗菌效果如圖7所示。

表1 抗菌紙涂料、涂布量

抗菌紙的抗菌性能采用抑菌圈法進(jìn)行檢測(cè)，而抗菌對(duì)象為大腸桿菌(一種革蘭氏陰性細(xì)菌)和金黃色葡萄球菌(一種革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌)，這是人們?nèi)粘Ｉ钪斜容^常見(jiàn)且容易引起一些常見(jiàn)疾病的兩種細(xì)菌。

圖7(a)是抗菌紙對(duì)金黃色葡萄球菌的抑菌作用。從圖7(a)可知，紙樣a、b、c、d、e、f的抑菌圈大小分別為0、2、3.5、4、5、7 mm。圖7(b)是抗菌紙對(duì)大腸桿菌的抑菌作用，紙樣a’、b’、c’、d’、e’、f’的抑菌圈大小依次為0、2、2.5、3.5、4、5 mm?？瞻准垬記](méi)有產(chǎn)生抑菌圈，表明不具有抗菌性能。涂布量相同時(shí)，與含有改性硅藻土/殼聚糖涂料(對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌圈均為2與2 mm)或改性硅藻土/胍鹽涂料(對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌圈分別為3.5與2.5 mm)的抗菌紙相比，含有改性硅藻土/殼聚糖-胍鹽微球涂料的抗菌紙產(chǎn)生的抑菌圈更大，對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌圈分別為4與3.5 mm。這主要是由于殼聚糖與胍鹽本身都具有一定的抗菌性能，兩者復(fù)合后可以發(fā)揮協(xié)同抗菌作用，抗菌性能得到加強(qiáng)。另外，從紙樣 d、e、f與d’、e’、f’的抑菌圈大小可以看出，隨著涂布量的增加，抗菌紙的抗菌性能增強(qiáng)。

3 結(jié) 論

采用離子交聯(lián)法制備了殼聚糖-胍鹽納米微球，通過(guò)紅外光譜分析可知?dú)ぞ厶桥c胍鹽之間的復(fù)合是一種物理交聯(lián)過(guò)程。經(jīng)過(guò)十二烷基磺酸鈉改性后的硅藻土對(duì)殼聚糖-胍鹽微球吸附不到10 min即達(dá)到平衡。通過(guò)抑菌圈抗菌實(shí)驗(yàn)可知，涂有改性硅藻土/殼聚糖-胍鹽微球涂料的抗菌紙對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌都具有較好的抗菌性能。這種新型抗菌紙同時(shí)含有2種抗菌劑，其優(yōu)異的抗菌性能非常適合用于醫(yī)療等領(lǐng)域。

參 考 文 獻(xiàn)

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