高溫煅燒貝殼粉的抗菌性能研究

蓋廣清，祁庶瑒

吉林建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130118

0 引言

近年來,隨著人們物質(zhì)生活和精神生活水平的不斷提高,人們逐漸意識(shí)到細(xì)菌和霉菌等微生物對(duì)生活環(huán)境的消極影響無處不在,由微生物引發(fā)的各類疾病對(duì)人體的危害也是極大.此外,被細(xì)菌或霉菌污染的建筑材料,其功能性和使用壽命都會(huì)大幅降低,甚至?xí)霈F(xiàn)材料變質(zhì)導(dǎo)致微生物進(jìn)一步大量繁殖的惡性循環(huán).因此,建材的抗菌性研究越來越受到關(guān)注.在探索高抗菌性建材的過程中,適當(dāng)降低成本以達(dá)到高性能和高效益的平衡,對(duì)于抗菌涂料的發(fā)展和廣泛應(yīng)用更為有利.貝殼作為大宗固體廢棄物,僅我國(guó)沿海地區(qū)的貝類產(chǎn)量就已高達(dá)上千萬噸，由于得不到妥善處理而使廢棄貝殼大量堆砌,造成一定程度的環(huán)境污染.實(shí)際上,貝殼粉具有極佳的吸附性、抗菌性、無毒性等優(yōu)點(diǎn),若將貝殼粉進(jìn)行資源化利用,取代涂料中的部分填料,則可以在大幅提高涂料抗菌性的同時(shí),達(dá)到廢物利用和降低成本等多重效益.

本試驗(yàn)選取不同的溫度對(duì)貝殼粉進(jìn)行煅燒法改性,對(duì)煅燒后的貝殼粉進(jìn)行抗菌分析,并對(duì)造成該差異的原因進(jìn)行深入研究,選取最佳煅燒溫度,以達(dá)到高抗菌效率.

1 試驗(yàn)

1.1 原料及試驗(yàn)菌株

抗菌劑成分: 貝殼粉,青島萬源生物科技有限公司;去離子水,自制.

試驗(yàn)用菌株: 大腸埃希氏菌、金黃色葡萄球菌,上海魯微科技有限公司.

抗菌測(cè)試: 營(yíng)養(yǎng)肉湯培養(yǎng)基、營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基,上海魯微科技有限公司;洗脫液,自制;無水乙醇,成都市科龍化工試劑廠.

1.2 主要設(shè)備及儀器

材料制備與檢測(cè)的主要設(shè)備與儀器見表1.

表1 主要設(shè)備與儀器Table 1 Main equipment and instruments

1.3 試驗(yàn)步驟

1.3.1 貝殼粉體的煅燒改性

試驗(yàn)采用煅燒法對(duì)貝殼粉進(jìn)行改性,進(jìn)一步提高其抗菌性能.在煅燒溫度和保溫時(shí)間適當(dāng)?shù)那疤嵯?對(duì)天然貝殼粉進(jìn)行煅燒改性并不會(huì)破壞其中無機(jī)碳酸鈣的晶體結(jié)構(gòu).為探索最佳煅燒溫度,試驗(yàn)確定升降溫速率為2 ℃/min,保溫時(shí)間2 h,針對(duì)200 ℃～1 100 ℃下煅燒改性的貝殼粉的基本性能和抗菌性能進(jìn)行縱向?qū)Ρ?

取適量貝殼粉原粉分別置于清潔干燥的坩堝中,并稱量煅燒前質(zhì)量,隨后分別在200 ℃,300 ℃,400 ℃,500 ℃,600 ℃,700 ℃,800 ℃,900 ℃,1 000 ℃,1 100 ℃下進(jìn)行煅燒改性.待降至室溫后取出二次稱重并計(jì)算失重率,200 ℃～700 ℃下分別為0.14 %,1.64 %,3.57 %,5.25 %,9.19 %,15.87 %,當(dāng)溫度高于800 ℃時(shí),失重率穩(wěn)定在44.3 %,查閱文獻(xiàn)可知[1],800 ℃以上煅燒完全.

1.3.2 抗菌劑的制備

取試管若干,經(jīng)高壓蒸汽滅菌并降至室溫后,用純水將貝殼粉原粉與經(jīng)不同溫度煅燒改性的貝殼粉分別配制成15 %濃度的混懸液,用醫(yī)用無菌脫脂棉封堵試管口.進(jìn)行抗菌實(shí)驗(yàn)前,將試管分別放置于超聲破碎儀器中一段時(shí)間,使其充分分散.

1.3.3 抗菌性能測(cè)定試驗(yàn)

試驗(yàn)采用瓊脂擴(kuò)散法中的濾紙片法對(duì)待測(cè)粉末進(jìn)行對(duì)比測(cè)試,通過抑菌圈的大小來評(píng)價(jià)其抗菌能力.

取500 mL純水、19 g營(yíng)養(yǎng)瓊脂粉于錐形瓶中進(jìn)行水浴加熱,用玻璃棒不停攪拌至完全溶解,隨即用醫(yī)用無菌脫脂棉塞緊并用牛皮紙包住瓶口,放入高壓蒸汽滅菌鍋中121 ℃滅菌20 min.待滅菌完成后取出,倒平板,靜置至其凝固,緩慢翻轉(zhuǎn)培養(yǎng)皿置于桌面,直至冷卻至室溫.取濃度約為105 cfu/mL～106 cfu/mL的懸菌液20 μL均勻涂于平板表面,蓋上皿蓋靜置.用移液槍吸取5 μL提前置備的抗菌劑混懸液,緩慢滴加于直徑為5 mm的無菌濾紙片上,50 ℃干燥后用無菌鑷子夾取并置于已接種試驗(yàn)菌的平板表面,蓋上皿蓋,翻轉(zhuǎn)置于生化培養(yǎng)箱中,37 ℃培養(yǎng)24 h后取出測(cè)量抑菌圈直徑.每個(gè)樣品做3個(gè)平行試驗(yàn).

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 貝殼粉體表征

2.1.1 紅外光譜分析

圖1～圖3為貝殼粉及經(jīng)過200 ℃～1 100 ℃煅燒改性后的貝殼粉紅外圖譜.縱向?qū)Ρ瓤梢园l(fā)現(xiàn),煅燒溫度800 ℃及以下時(shí),在1 530 cm-1～1 355 cm-1處出現(xiàn)寬且強(qiáng)的峰；875 cm-1處出現(xiàn)窄且為中等強(qiáng)度的峰；713 cm-1處出現(xiàn)窄而弱的峰,此3處均為碳酸鹽礦物的特征峰.1 780 cm-1,2 516 cm-1,2 878 cm-1處峰均為碳酸根的主要特征峰,分別為反對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰的一級(jí)倍頻峰、對(duì)稱和反對(duì)稱伸縮振動(dòng)和頻峰、對(duì)稱伸縮振動(dòng)和面內(nèi)彎曲振動(dòng)的和頻峰.由此說明，在煅燒溫度不高于800 ℃時(shí),貝殼粉煅燒物中的基本物質(zhì)仍為CaCO3[1].

圖1 貝殼粉及經(jīng)過200 ℃～1 100 ℃煅燒改性過后的貝殼粉紅外圖譜(4 000 cm-1～2 500 cm-1)Fig.1 Pink outer spectrum of shell powder and shell modified by calcination at 200 ℃～1 100 ℃(4 000 cm-1～2 500 cm-1)

圖2 貝殼粉及經(jīng)過200 ℃～1 100 ℃煅燒改性過后的貝殼粉紅外圖譜(2 500 cm-1～1 500 cm-1)Fig.2 Shell powder and pink outer spectrum of shell modified by calcination at 200 ℃～1 100 ℃(2 500 cm-1～1 500 cm-1)

綜上分析可知,在煅燒溫度超過800 ℃時(shí),貝殼粉中CO32-特征峰消失,基本物質(zhì)由CaCO3完全轉(zhuǎn)化為CaO,而有機(jī)質(zhì)特征峰在煅燒溫度達(dá)到400 ℃時(shí)消失,說明隨著溫度的增加有機(jī)成分在不斷減少.

圖3 貝殼粉及經(jīng)過200 ℃～1 100 ℃煅燒改性過后的貝殼粉紅外圖譜(1 500 cm-1～500 cm-1)Fig.3 Pink outer spectrum of shell powder and shell modified by calcination at 200 ℃～1 100 ℃ (1 500 cm-1～500 cm-1)

圖4 貝殼粉及經(jīng)過200 ℃～1 100 ℃煅燒改性過后的貝殼粉XRD圖譜Fig.4 XRD patterns of shell powder and shell powder after calcination at 200 ℃～1 100 ℃

2.1.2 礦物組成分析

分別對(duì)貝殼粉及200 ℃～1 100 ℃下煅燒2 h的貝殼粉煅燒物進(jìn)行X射線衍射分析,圖譜如圖4所示.

由圖4中曲線BKF可知,未經(jīng)煅燒的貝殼粉的晶型主要分即霰石型和方解石型兩種,主要成分除CaCO3外,還有Ca(OH)2，SiO2，MgO，F(xiàn)e2O3，Al2O3及其他微量元素.對(duì)比圖4中曲線200 ℃～800 ℃與曲線BKF可以看出,在煅燒溫度低于800 ℃時(shí),樣品主要成分仍為CaCO3且含量并未減少,但從500 ℃起即有CaO出現(xiàn),且產(chǎn)率隨溫升而遞增,原因在于隨著溫度的上升,原貝殼粉中Ca(OH)2在加熱至500 ℃后開始脫水生成CaO,直至580 ℃徹底分解.對(duì)比曲線800 ℃～1 100 ℃可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)溫度高于800 ℃時(shí)開始有大量CaO生成,直至900 ℃時(shí)CaCO3全部轉(zhuǎn)化為CaO,而后成分不再發(fā)生變化.

2.2 煅燒溫度對(duì)貝殼粉抑菌效果的影響

貝殼粉經(jīng)高溫煅燒后,主要成分為CaO,但其抗菌性能遠(yuǎn)優(yōu)于石灰石高溫分解產(chǎn)生的CaO.研究表明,石灰石顆粒形狀近球形,孔隙率很小,故反應(yīng)緩慢,鈣利用率不高,得到的CaO產(chǎn)物表面覆蓋有CaSO4,大大降低CaO的接觸面積[3].而由于貝殼粉微觀形貌多為片狀或?qū)訝?比表面積遠(yuǎn)大于石灰石,煅燒過程中空氣流通更為順暢,進(jìn)而改變產(chǎn)物CaO晶格結(jié)構(gòu).另外有研究表明,貝殼中有大量堿金屬化合物的存在,通過高溫煅燒生成低熔點(diǎn)液相共熔物,進(jìn)而形成一定量大孔徑孔隙,甚至有連通孔的出現(xiàn)[4].

通過濾紙片法測(cè)定煅燒溫度為1 100 ℃,1 000 ℃,900 ℃,800 ℃時(shí),純貝殼粉和空白組的抑菌效果如圖5所示.由相關(guān)文獻(xiàn)可知，抑菌圈直徑大于7 mm時(shí),表示抑菌劑有微弱抑菌作用,大于10 mm小于20 mm時(shí),有中等抑菌作用;超過20 mm時(shí),表示抑菌劑有強(qiáng)抑菌作用[5].試驗(yàn)測(cè)得抑菌圈直徑如圖6所示.

(a)(b) 大腸桿菌;(c)(d) 金黃色葡萄球菌圖5 貝殼粉及其煅燒物抑菌效果Fig.5 Antibacterial effect of shell powder and its calcined products

圖6 抑菌圈試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Results of inhibition zone test

由圖6可以看出,隨著貝殼粉煅燒溫度的上升,抑菌圈直徑均呈現(xiàn)上升趨勢(shì),而未煅燒的貝殼粉同樣具有抗菌性,其原因可能為貝殼粉本身存在少量具有抗菌性的有機(jī)質(zhì),如甲殼素等,可產(chǎn)生一定量的活性殼聚糖及衍生物,通過損傷微生物細(xì)胞壁、改變細(xì)胞透性及作為抗代謝物等方式,進(jìn)而達(dá)到抑菌的效果.在煅燒溫度達(dá)到1 000 ℃后增長(zhǎng)速率放緩,為節(jié)省能源,選擇最佳煅燒溫度為1 000 ℃.

另外，由于微生物對(duì)其生存介質(zhì)的pH值變化十分敏感,故高或低的pH值會(huì)在一定程度上削弱微生物的生存能力,起到抑菌殺菌的作用.通過在不同煅燒溫度下貝殼粉的成分探究可知,在煅燒溫度為800 ℃時(shí)開始有CaO生成,CaO與水發(fā)生反應(yīng),即：

CaO+H2O=Ca(OH)2+15.2 kcal

這也正是造成煅燒溫度與抑菌效果成正比的原因.由于Ca(OH)2的水解作用,其水溶液呈現(xiàn)堿性.隨著煅燒溫度的上升,pH值會(huì)隨著CaO轉(zhuǎn)化率的上升而不斷升高,直至超出細(xì)菌最佳生長(zhǎng)pH值范圍[6].

在煅燒溫度達(dá)到1 100 ℃時(shí),CaO轉(zhuǎn)化率及pH值均接近最高,大大降低了細(xì)菌的生存能力,進(jìn)而獲得強(qiáng)滅菌活性[7].

3 結(jié)論

(1) 通過紅外光譜和XRD測(cè)試圖譜可以看出,貝殼粉及其煅燒物的圖譜基本相同,譜線形狀相似;煅燒溫度達(dá)到800 ℃時(shí),CO32-的特征吸收峰顯著減小,碳酸鈣分解加劇;到900 ℃時(shí)CO32-的特征吸收峰消失,碳酸鹽完全分解生成氧化鈣,這與傅立葉紅外光譜圖的結(jié)果相符合.

(2) 貝殼粉及其煅燒物的傅立葉紅外光譜圖中可以發(fā)現(xiàn),在1 083 cm-1,3 692 cm-1,1 420 cm-1等處存在眾多有機(jī)物特征峰,說明貝殼粉中存在有機(jī)成分,直到煅燒溫度達(dá)到400 ℃時(shí),此類峰消失,說明隨著煅燒溫度的上升有機(jī)質(zhì)含量不斷減少,直至400 ℃時(shí)完全消失.

(3) 通過圖5可看出,煅燒溫度對(duì)兩種受試菌的抗菌效果均有影響,在一定范圍內(nèi),煅燒物的抗菌性隨著煅燒溫度的上升而增強(qiáng),直至煅燒溫度1 100 ℃時(shí)達(dá)到較優(yōu),但當(dāng)溫度超過1 000 ℃時(shí),抗菌優(yōu)化效果基本趨于飽和狀態(tài).

(4) 貝殼粉煅燒溫度超過800 ℃時(shí)主要成分由CaCO3轉(zhuǎn)變?yōu)镃aO,溶液顯堿性,能通過改變細(xì)菌生長(zhǎng)環(huán)境的pH值進(jìn)而抑制受試菌生長(zhǎng)繁殖,獲得強(qiáng)滅菌活性.

(5) 由圖5可知,貝殼粉及其煅燒物對(duì)金黃葡萄球菌和大腸桿菌的抑制作用均較為優(yōu)秀,且在同等環(huán)境下其對(duì)金黃色葡萄球菌的抑制作用略優(yōu)于對(duì)大腸桿菌的抑制效果.