羧化殼聚糖—卡波姆復(fù)合凝膠的制備及抑菌性研究

莊遠(yuǎn)紅, 林嬌芬, 潘裕添

(1.閩南師范大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；2.閩南師范大學(xué)菌物產(chǎn)業(yè)工程技術(shù)中心，福建 漳州 363000)

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羧化殼聚糖—卡波姆復(fù)合凝膠的制備及抑菌性研究

莊遠(yuǎn)紅1,2, 林嬌芬1,2, 潘裕添1,2

(1.閩南師范大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；2.閩南師范大學(xué)菌物產(chǎn)業(yè)工程技術(shù)中心，福建 漳州 363000)

以羧化殼聚糖為原料，卡波姆為凝膠增稠劑，經(jīng)過充分溶脹、攪拌和破碎，制成羧化殼聚糖—卡波姆復(fù)合凝膠，研究卡波姆添加量、羧化殼聚糖添加量、貯藏溫度及pH對復(fù)合凝膠感官、穩(wěn)定性及質(zhì)構(gòu)特性的影響，探討了羧化殼聚糖—卡波姆復(fù)合凝膠的抑菌效果，確定其最佳制備工藝.結(jié)果表明，羧化殼聚糖與卡波姆具有很好的相容性，復(fù)合凝膠呈無色透明半固體狀，質(zhì)地均勻細(xì)膩有光澤，無異味，性質(zhì)溫和，穩(wěn)定性好.以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的卡波姆為輔料，配制羧化殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的復(fù)合凝膠，此時復(fù)合凝膠pH約為5.0，質(zhì)構(gòu)穩(wěn)定性良好，易于涂展，可常溫下貯藏，對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、白色假絲酵母、釀酒酵母和枯草芽孢桿菌均具有良好的抑菌效果，抑菌率分別達到74.3%、64.6%、96.4%、98.4%、74.3%.

卡波姆940; 羧化殼聚糖; 復(fù)合凝膠; 穩(wěn)定性; 質(zhì)構(gòu); 抑菌活性

羧化殼聚糖是最重要的殼聚糖衍生物之一，水溶性高，具有優(yōu)良的乳化性、吸濕保濕性、成膜性和生物相溶性等特點[1]，廣泛應(yīng)用于醫(yī)用敷料、化妝品保濕劑、食品保鮮劑等方面，也常作為藥物靶向控釋載體材料[2].羧化殼聚糖同時具備有效抑制細(xì)菌和真菌的生長和繁殖的能力，對常見的口腔致病菌、皮膚癬菌、傷口感染菌等具有顯著的抑制效果，并有促進傷口愈合和消炎、止血等功能[3]，但這些功能常被人們所忽略.若將羧化殼聚糖作為直接涂抹藥用材料，單一羧化殼聚糖凝膠存在制備成本高、機械強度差、涂展性能差等缺點，目前國內(nèi)外對抑菌型羧化殼聚糖凝膠的研究及其應(yīng)用的報導(dǎo)很少.本實驗擬添加卡波姆與羧化殼聚糖發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，通過羧化殼聚糖中和卡波姆酸度，使其分子鏈彌散伸展呈極大的膨脹狀態(tài)增稠形成凝膠[4]，改善羧化殼聚糖凝膠性能差的缺點.卡波姆為一類丙烯酸與丙烯基蔗糖交聯(lián)的高分子聚合物[5]，質(zhì)地均勻，無油膩感，與皮膚黏膜的耦合效果好，釋藥快[6]，廣泛用于凝膠劑和乳膏劑的研究生產(chǎn)中，2005年已收載在《中國藥典》中.實驗以羧化殼聚糖為主料，以卡波姆為輔料，制備羧化殼聚糖—卡波姆復(fù)合凝膠，利用二者的協(xié)同增效作用改善羧化殼聚糖凝膠機械強度低、涂展性能差等不足，制備成本較低、性狀穩(wěn)定、易于涂抹的凝膠，研究卡波姆添加量、羧化殼聚糖添加量、貯藏溫度及pH對復(fù)合凝膠感官特性、穩(wěn)定性及質(zhì)構(gòu)特性的影響，同時研究復(fù)合凝膠對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、白色假絲酵母、釀酒酵母和枯草芽孢桿菌的抑菌效果，確定羧化殼聚糖-卡波姆凝膠的最佳工藝配方，為發(fā)揮羧化殼聚糖抑菌功效，優(yōu)化羧化殼聚糖凝膠的制備，拓寬羧化殼聚糖在日用化工方面的應(yīng)用提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

羧化殼聚糖(羧化度85%，粘度40 mpa·s)(浙江金殼生物化學(xué)有限公司)、卡波姆940(青島天力源生物科技有限公司)、金黃色葡萄球菌(廣東省微生物菌種保藏中心)、大腸桿菌(廣東省微生物菌種保藏中心)、白色假絲酵母(廣東省微生物菌種保藏中心)、枯草芽孢桿菌(廣東省微生物菌種保藏中心)、釀酒酵母菌(廣東省微生物菌種保藏中心)、普通肉湯培養(yǎng)基(北京陸橋技術(shù)有限責(zé)任公司)、營養(yǎng)瓊脂(北京陸橋技術(shù)有限責(zé)任公司)、三乙醇胺(西隴化工股份有限公司).

1.2 試驗儀器

AR124CN電子天平(上海奧豪斯儀器有限公司)、JC101型電熱鼓風(fēng)干燥箱(上海成順儀器儀表有限公司)DHG型智能電熱鼓風(fēng)干燥箱(上海成順儀器儀表有限公司)、HH-2數(shù)顯恒溫水浴鍋(江蘇省金壇市江南儀器廠)、SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵(鄭州長城科工貿(mào)有限公司)、NDJ-9S旋轉(zhuǎn)粘度計(上海上天精密儀器有限公司)、TA-plus質(zhì)構(gòu)儀(英國LLOYD公司)、JHBE-50S閃式提取控制器、立式壓力蒸汽滅菌器(上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備)、SW-CJ系列凈化工作臺(蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司)、SPX-250B-Z型生化培養(yǎng)箱(上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備)、RW20頂置式電子攪拌器(德國IKA集團)、EL20K實驗室pH計(梅特勒—托利多儀器有限公司).

1.3 試驗設(shè)計

1.3.1 羧化殼聚糖—卡波姆復(fù)合凝膠的制備 羧化殼聚糖溶膠的制備：稱取一定量的羧化殼聚糖粉末溶于20 mL超純水中，充分?jǐn)嚢杈鶆?，得到不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的羧化殼聚糖溶膠.

卡波姆溶膠的制備：取適量超純水，均勻撒入卡波姆粉末，靜置，自然溶脹24 h，制得不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的卡波姆溶膠，備用.

復(fù)合凝膠的制備：在電動攪拌下將羧化殼聚糖溶膠慢慢加入卡波姆溶膠中，混合均勻，使樣品成粘稠狀，破碎后制得羧化殼聚糖—卡波姆復(fù)合凝膠.

1.3.2 試驗設(shè)計 卡波姆添加量的篩選：試驗設(shè)4個處理，每個處理3個重復(fù)，分別以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%、0.8%、1.0%、1.2%的卡波姆溶膠為輔料，配制羧化殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的復(fù)合凝膠，此時復(fù)合凝膠pH為5.33、5.17、5.03、4.89，室溫下貯藏.

羧化殼聚糖添加量的篩選：實驗設(shè)3個處理，每個處理3個重復(fù)，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的卡波姆溶膠為輔料，配制羧化殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%、1.0%、1.5%的復(fù)合凝膠，此時復(fù)合凝膠pH為4.87、5.03、5.23，室溫下貯藏.

pH對羧化殼聚糖—卡波姆復(fù)合凝膠質(zhì)構(gòu)特性的影響：實驗設(shè)5個處理，每個處理3個重復(fù)，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的卡波姆為輔料，配制羧化殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的復(fù)合凝膠，通過滴加三乙醇胺調(diào)節(jié)凝膠pH分別為5.0、5.5、6.0、6.5、7.0，室溫下貯藏.

貯藏溫度對羧化殼聚糖-卡波姆復(fù)合凝膠質(zhì)構(gòu)特性的影響：實驗設(shè)4個處理，每個處理3個重復(fù)，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的卡波姆為輔料，配制羧化殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的復(fù)合凝膠，此時復(fù)合凝膠pH為5.03，分別置于7、17、27、37 ℃條件下貯藏.

卡波姆對復(fù)合凝膠抑菌效果的影響：實驗設(shè)5個處理，每個處理3個重復(fù)，分別以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%、0.8%、1.0%、1.2%的卡波姆溶膠為輔料，配制羧化殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的復(fù)合凝膠，以單一的1.0%羧化殼聚糖為空白對照，測定其對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、白色假絲酵母、枯草芽孢桿菌、釀酒酵母的抑制效果.

1.4 測定方法

1.4.1 感官評價 觀察復(fù)合凝膠的色澤、氣味、稠度、均勻度、光澤度、涂展性能.

1.4.2 凝膠穩(wěn)定性測定 離心法：取樣品5 g，置于離心管中，以2500 r·min-1轉(zhuǎn)速離心30 min后，觀察是否水分析出及分層現(xiàn)象[7,8].

留樣觀察法：取樣品10 g，置室溫避光貯存6個月，觀察均勻度、稠度、pH值、外觀是否存在明顯變化[9].

耐熱耐寒試驗：樣品置于85 ℃水浴中6 h，取出，置室溫觀察外觀是否變化，凝膠有無分層現(xiàn)象；再將樣品置于-18 ℃冰箱內(nèi)24 h，取出解凍后，觀察外觀是否變化，凝膠有無分層現(xiàn)象[9].

1.4.3 凝膠質(zhì)構(gòu)測定 使用TA-plus質(zhì)構(gòu)儀，采用TPA模式，選用直徑12.7 mm柱形探頭，具體參數(shù)設(shè)定：測前速度：1 mm·s-1；測試速度：1 mm·s-1；測試后速度：1 mm·s-1；測試距離：30.0 mm.測定項目：硬度、彈性、膠著性.測定時間分別為第1、6、11、16、21 d.

1.4.4 凝膠的抑菌性能測定 采用瓊脂擴散紙片法和菌落計數(shù)法測定復(fù)合凝膠對待測菌種(大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、白色假絲酵母、枯草芽孢桿菌、釀酒酵母)的抑菌效果：制備含有108個·m·L-1待測菌種的菌懸液，均勻涂布于凝固的營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基平板表面，每個平板100 μL；無菌條件下將復(fù)合凝膠均勻涂于直徑0.3 cm、滅菌烘干過的濾紙片上，將制備好的復(fù)合凝膠紙片(以滅菌濾紙片為空白對照)貼于涂布好測試菌種的平板上，每個平板上紙片重復(fù)數(shù)為4，37 ℃恒溫培養(yǎng)24 h，取接觸面培養(yǎng)物作梯度稀釋，取1 mL稀釋菌懸液于平板中，用瓊脂傾注平板，混勻，待凝固后倒置于37 ℃恒溫培養(yǎng)24 h[9]，計算菌落總數(shù)，菌落總數(shù)的計算方法參照GB 47892-2010[10].

抑菌率/%=(空白對照菌落總數(shù)-凝膠菌落總數(shù))/空白對照菌落總數(shù)×100

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合凝膠的感官評定

復(fù)合凝膠中，卡波姆作為凝膠基質(zhì)包裹介質(zhì)羧化殼聚糖，凝膠呈透明半固體狀，有光澤，無異味，涂抹后有清涼感.從表1可以看出，羧化殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時，隨著基質(zhì)卡波姆添加量的升高，復(fù)合凝膠的稠度先增大后降低；而當(dāng)卡波姆質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時，隨著羧化殼聚糖添加量的增加，復(fù)合凝膠的稠度有所降低，可能是因為pH升高影響卡波姆的解離，使復(fù)合凝膠穩(wěn)定性下降，稠度降低；復(fù)合凝膠的稠度直接影響它的涂展性能，從評定結(jié)果還可以看出，稠度太高的復(fù)合凝膠不易涂展，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的卡波姆為輔料的1%羧化殼聚糖復(fù)合凝膠稠度適宜，易于涂展，感官效果最佳.

表1 復(fù)合凝膠感官評定

2.2 復(fù)合凝膠的穩(wěn)定性

從表2可以看出，復(fù)合凝膠性狀穩(wěn)定，不受羧化殼聚糖添加量和卡波姆添加量的影響，離心法和耐熱耐寒試驗發(fā)現(xiàn)，復(fù)合凝膠均無分層和脫水收縮現(xiàn)象，但羧化殼聚糖和卡波姆的添加量影響復(fù)合凝膠的耐儲性，從長霉情況可以看出，羧化殼聚糖和卡波姆質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為1%以上的復(fù)合凝膠保存時間較長，說明羧化殼聚糖和卡波姆添加量越高，越不容易長霉，貯藏穩(wěn)定性越好；耐熱性試驗可知，復(fù)合凝膠具有很強的耐熱性，因此制作后期可滅菌后灌裝，進一步提高其貯藏穩(wěn)定性.

表2 復(fù)合凝膠的穩(wěn)定性

2.3 卡波姆添加量的篩選

圖1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)卡波姆對復(fù)合凝膠質(zhì)構(gòu)特性的影響(第11天)Fig.1 Effect of different concentration of carbomer on the textural properties of the complexed gel (on the eleventh day)

第11 d復(fù)合凝膠質(zhì)構(gòu)特性如圖1所示，隨著輔料卡波姆添加量的增加，羧化殼聚糖—卡波姆復(fù)合凝膠膠著性和硬度呈先上升后下降的趨勢，彈性變化不大.這是因為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的羧化殼聚糖pH為5.5-6.0，而質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的卡波姆分散體pH為2.5-3.0[11]，兩者復(fù)合后卡波姆被中和，pH升高使卡波姆分子鏈彌散伸展呈極大的膨脹狀態(tài)，并具黏性[12].卡波姆添加量過低，會影響復(fù)合凝膠的增稠性能，硬度和膠著性偏低；而卡波姆添加量過高，復(fù)合凝膠pH會降低，影響到凝膠的鍵合能力，硬度和膠著性也將下降，故選取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的卡波姆作為輔料.

2.4 羧化殼聚糖添加量的篩選

由圖2可知，隨著羧化殼聚糖添加量的增加，復(fù)配凝膠的硬度稍有降低，膠著性和彈性變化相對較小.羧化殼聚糖添加量過低，會降低復(fù)合凝膠的pH，進而影響其硬度和稠度，又會影響其貯藏性能和抑菌效果，過高不利于成本，因此選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的羧化殼聚糖為主料.

2.5 1%羧化殼聚糖—卡波姆復(fù)合凝膠的質(zhì)構(gòu)穩(wěn)定性

經(jīng)篩選后，確定以1%卡波姆為輔料，配制羧化殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的復(fù)合凝膠，并測定該凝膠貯藏期間的質(zhì)構(gòu)穩(wěn)定性.由圖3可知，貯藏期間，羧化殼聚糖—卡波姆復(fù)合凝膠的硬度、膠著性、彈性變化不大，穩(wěn)定性好.

圖2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)羧化殼聚糖對復(fù)合凝膠質(zhì)構(gòu)特性的影響(第11天)

2.6貯藏溫度對羧化殼聚糖—卡波姆復(fù)合凝膠質(zhì)構(gòu)特性的影響

由圖4可觀察到，貯藏溫度對羧化殼聚糖—卡波姆復(fù)合凝膠硬度、膠著性和彈性都影響不大，因此復(fù)合凝膠只需在常溫下貯藏即可，無需冷藏.

2.7 pH對羧化殼聚糖—卡波姆復(fù)合凝膠質(zhì)構(gòu)特性的影響

由圖5可知，隨著pH的上升，復(fù)合凝膠的硬度、膠著性、彈性呈現(xiàn)下降趨勢，pH>6.0時，硬度和膠著性趨于穩(wěn)定，說明pH影響復(fù)合凝膠的質(zhì)構(gòu)特性.卡波姆的pKa為4.5-5.0，當(dāng)介質(zhì)pH高于其pKa時，凝膠的鍵合能力降低，凝膠穩(wěn)定性下降，質(zhì)構(gòu)性能降低[13]，所以復(fù)合凝膠在pH為5.0時具有較佳的硬度、膠著性和彈性，而本配方若不調(diào)節(jié)酸堿度，所制得的復(fù)合凝膠pH約為5.0，因此制備復(fù)配凝膠時將不再調(diào)節(jié)其pH.

圖4 貯藏溫度對羧化殼聚糖—卡波姆復(fù)合凝膠質(zhì)構(gòu)特性的影響

2.8 卡波姆對復(fù)合凝膠抑菌效果的影響

圖6 卡波姆對復(fù)合凝膠抑制大腸桿菌效果的影響Fig.6 Effect of carbomer on the complexed gel against E.coli

由圖6-圖10可知，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的羧化殼聚糖對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、白色假絲酵母、釀酒酵母和枯草芽孢桿菌分別為44.8%、12.7%、72.5%、78.4%、53.3%，而以卡波姆為基質(zhì)的復(fù)合凝膠不僅沒有降低羧化殼聚糖的抑菌效果，反而提高了其抑菌能力，其中以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%卡波姆為輔料的復(fù)合凝膠對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、白色假絲酵母、釀酒酵母和枯草芽孢桿菌均具有最高的抑菌效果，抑菌率分別為74.3%、64.6%、96.4%、98.4%、74.3%，比單一羧化殼聚糖分別提高29.5%、51.9%、23.9%、20.0%、21.0%，對白色假絲酵母、釀酒酵母的抑菌效果特別明顯，也大大提高了對金黃色葡萄球菌的抑菌能力.

圖7 卡波姆對復(fù)合凝膠抑制金黃色葡萄球效果的影響

圖9 卡波姆對復(fù)合凝膠抑制釀酒酵母效果的影響

3 結(jié)論

感官分析表明，羧化殼聚糖—卡波姆復(fù)合凝膠呈透明半固體狀，質(zhì)地均勻細(xì)膩有光澤，無異味，涂抹后有清涼感；復(fù)合凝膠的稠度隨卡波姆添加量的升高先增大后降低，隨羧化殼聚糖添加量的增加有所降低，但稠度太高不易涂展；以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的卡波姆為輔料的1%羧化殼聚糖復(fù)合凝膠稠度適宜，易于涂展，感官效果最佳.

穩(wěn)定性實驗表明，復(fù)合凝膠性狀穩(wěn)定，無分層和脫水收縮現(xiàn)象，但羧化殼聚糖和卡波姆添加量越高，越不容易長霉，耐儲性能越好；質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為1%以上的復(fù)合凝膠保存時間較長，制作后期可滅菌后灌裝，進一步提高其貯藏穩(wěn)定性.

通過質(zhì)構(gòu)特性對復(fù)合凝膠配方進行篩選表明，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的卡波姆和羧化殼聚糖組成的復(fù)合凝膠具有較好的硬度、膠著性和彈性，且貯藏期間質(zhì)構(gòu)穩(wěn)定性良好，貯藏溫度對復(fù)合凝膠質(zhì)構(gòu)特性影響不大，可常溫貯藏；但隨著pH的上升，復(fù)合凝膠的硬度、膠著性、彈性呈下降趨勢，而未經(jīng)調(diào)節(jié)酸堿度的復(fù)合凝膠pH約為5.0，質(zhì)構(gòu)特性優(yōu)良，因此不建議調(diào)節(jié)pH.

以卡波姆為基質(zhì)的復(fù)合凝膠提高了羧化殼聚糖的抑菌能力，其中卡波姆質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的復(fù)合凝膠對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、白色假絲酵母、釀酒酵母和枯草芽孢桿菌的抑菌能力分別比單一羧化殼聚糖提高了29.5%、51.9%、23.9%、20.0%、21.0%，對白色假絲酵母、釀酒酵母的抑菌效果特別明顯，抑菌率分別達到96.4%、98.4%.

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(責(zé)任編輯:吳顯達)

Preparation and antibacterial effect of complexed gel with carboxymethylchitosan and carbomer

ZHUANG Yuan-hong1,2, LIN Jiao-fen1,2, PAN Yu-tian1,2

(1.College of Biological Science and Technology, Minnan Normal University; 2.Engineering Technological Center of Mushroom Industry, Minnan Normal University, Zhangzhou, Fujian 363000, China)

Complexed gel of carboxymethylchitosan-carbomer was obtained by full swelling, stirring and crushing, using carboxymethylchitosan as a raw material and carbomer as a thickener. The effect of adding proportion of carbomer and carboxymethylchitosan, storage temperature and pH was optimized for the best sensory properties, stability and textural properties of complexed gel, and the antibacterial effect was tested. The results showed that carboxymethylchitosan and carbomer had a good compatibility, and the prepared complexed gel was colorless, semisolid, stable, luster, smooth, uniform, mild, and had no peculiar odor. The optimized complexed gel contained 1% carbomer and 1% carboxymethylchitosan, and the pH was about 5.0. Its textural properties stability was better, it was easy-to-spread and could be stored at normal temperature. The antibacterial activities of the gel onEscherichiacoli,Staphylococcusaureus,Candidaalbicans,SaccharomycescerevisiaeandBacillussubtiliswas outstanding, and the inhibitory rates were 74.3%, 64.6%, 96.4%, 98.4% and 74.3%, respectively.

Carbomer 940; carboxymethylchitosan; complexed gel; stability; texture; antibacterial activity

2014-07-10

2014-11-03

漳州市自然科學(xué)基金項目(ZZ2013J06)；福建省教育廳A類科技項目(JA14205).

莊遠(yuǎn)紅(1981-)，女，碩士，講師.研究方向：功能性食品加工與質(zhì)量安全研究.通訊作者潘裕添(1969-)，男，教授.研究方向：功能性產(chǎn)品開發(fā).Email：xmpyt@sina.com.

TQ464; R943

A

1671-5470(2015)04-0408-06

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2015.04.013