抗菌型淀粉接枝苯丙乳液的合成與性能

王麗潔，曲文娟，劉嘉鑫，李少香，李厚為

(青島科技大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，山東 青島 266000)

近年來(lái)，隨著霧霾污染天氣增加，空氣中細(xì)菌等微生物也不斷增加，嚴(yán)重影響人們的生活和工作。隨著社會(huì)發(fā)展和環(huán)保要求的提高，尤其是新冠肺炎疫情的大流行，新型抗菌涂料開始走進(jìn)我們的生活，不僅要求抗菌涂料抗菌性能強(qiáng)，而且健康安全、效果持久[1]。淀粉是一種綠色環(huán)保、價(jià)格低廉的天然生物大分子，既能生物降解又可再生，這些優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)超合成高分子，使其成為一種重要的原料。天然抗菌劑是從植物動(dòng)物中提取而成的抗菌劑，也是人們使用歷史最長(zhǎng)的抗菌劑，來(lái)源廣泛且易獲得，具有毒副作用小，安全無(wú)污染，生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)。所以本文基于淀粉接枝苯丙乳液，選取植物源天然抗菌劑制備綜合性能優(yōu)異、安全持久的抗菌型生物基乳液，實(shí)現(xiàn)乳液綠色合成和無(wú)皂化的同時(shí)進(jìn)一步提高乳液的綜合性能[2]。為其在水性抗菌涂料中的應(yīng)用推廣提供重要的理論依據(jù)，對(duì)生物基乳液的理論發(fā)展也有重要意義[3-4]。

本文從綠色環(huán)保角度出發(fā)，以淀粉、苯乙烯、丙烯酸丁酯為主要原料，基于無(wú)皂乳液聚合方法[5]，通過(guò)化學(xué)方法添加植物源天然抗菌劑甘草[6]、茶多酚[7]、肉豆蔻[8]、肉桂油[9]等制備抗菌型淀粉接枝苯丙乳液，考察天然抗菌劑的種類及用量對(duì)乳液性能的影響，并對(duì)制備的乳液進(jìn)行紅外光譜、熱重、抗菌性能測(cè)試，確定最佳的天然抗菌劑種類及用量。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

玉米淀粉(菱花集團(tuán)有限公司)；去離子水，自制；七水合硫酸亞鐵、丙烯酸丁酯、苯乙烯，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；30%過(guò)氧化氫溶液，煙臺(tái)遠(yuǎn)東精細(xì)化工有限公司；甘草提取物，中科達(dá)生物科技有限公司；茶多酚，鴻易食品添加劑有限公司；肉豆蔻，興華綠帥食品有限公司；肉桂油，山西吉水縣威海藥用油廠；即用型營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基，江門市凱林貿(mào)易有限公司。

1.2 抗菌型淀粉接枝苯丙乳液的制備

取適量玉米淀粉置于一定溫度的烘箱中烘干水分，設(shè)定淀粉與水質(zhì)量比為1∶5，丙烯酸丁酯與苯乙烯質(zhì)量比為1∶1，將淀粉與去離子水混合后加入到三口燒瓶中，于45 ℃水浴預(yù)混10 min，然后加入催化劑硫酸亞鐵，以一定的速率滴加H2O2，滴加完畢后，升高溫度至90 ℃，保溫30 min，加入選取的天然抗菌劑，降溫至80 ℃，滴加核單體丙烯酸丁酯以及部分引發(fā)劑，保溫0.5 h，繼續(xù)滴加殼單體苯乙烯和剩余引發(fā)劑，繼續(xù)保溫1.5 h，冷卻過(guò)濾得到抗菌型淀粉接枝苯丙乳液。添加不同種類天然抗菌劑(甘草、茶多酚、肉豆蔻、肉桂油)的乳液按順序依次命名為A-1、A-2、A-3、A-4，純?nèi)橐簽槲刺砑犹烊豢咕鷦┑难趸矸劢又Ρ奖橐骸?/p>

1.3 表征與性能測(cè)試

1.3.1 固含量

固含量的測(cè)試方法是稱取表面皿質(zhì)量為m0，在表面皿上滴加約0.5 g被測(cè)乳液，乳液與表面皿的總質(zhì)量記作m1。將表面皿在120 ℃烘箱中烘2 h，待乳液干燥質(zhì)量不再變化后，拿出稱重，質(zhì)量記為m2。

1.3.2 單體轉(zhuǎn)化率

單體轉(zhuǎn)化率是接枝共聚反應(yīng)中參加反應(yīng)的單體量占單體總量的百分率。測(cè)試方法是稱量表面皿質(zhì)量為M0，滴加乳液質(zhì)量為M1，滴入3滴質(zhì)量濃度為2%的對(duì)苯二酚水溶液，放入120 ℃烘箱烘干，直至質(zhì)量基本不變，取出稱重記為M2。

式中，Mt為投放物料總質(zhì)量，g；Md為投料中的不揮發(fā)物質(zhì)質(zhì)量，g；Ma為投料單體總質(zhì)量，g。

1.3.3 凝膠率

在乳液的工業(yè)生產(chǎn)中，一般將凝膠率嚴(yán)格控制在較低水平，整個(gè)乳液體系較為穩(wěn)定。測(cè)試步驟是反應(yīng)完成后，將燒瓶從水浴鍋中取出，稱量整體質(zhì)量記為m1，稱紗布質(zhì)量記為m2，將乳液通過(guò)紗布過(guò)濾后，稱空燒瓶質(zhì)量記為m3，表面皿質(zhì)量記為m0，將過(guò)濾后的紗布置于表面皿上，并在120 ℃烘箱中干燥2 h后取出，稱紗布與表面皿總質(zhì)量m4。

1.3.4 抑菌圈測(cè)試

采用瓊脂盤擴(kuò)散試驗(yàn)測(cè)定樣品對(duì)大腸桿菌(ATCC25922)和金黃色葡萄球菌(ATCC6538)的抗菌活性。基本測(cè)試步驟：將乳液倒入模具中烘干，得到干燥的樣品片，從樣品片中取出形狀為標(biāo)準(zhǔn)圓形、大小基本一致的圓形樣品片，將菌液均勻涂抹于瓊脂培養(yǎng)基上，并接種樣品，放于恒溫培養(yǎng)箱中，在37 ℃培養(yǎng)24 h后取出，測(cè)量透明抑菌圈大小，通過(guò)比較抑菌圈直徑判定樣品的抗菌性能。

1.3.5 紅外光譜分析(FT-IR)

通過(guò)中遠(yuǎn)紅外光譜儀(Froontier，美國(guó)珀金埃爾默)對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)試，掃描范圍(4 000～500) cm-1，分辨率4 cm-1，掃描次數(shù)為32 次,對(duì)其分子結(jié)構(gòu)與反應(yīng)原理進(jìn)行表征。

1.3.6 粒徑測(cè)定

使用激光粒度分析儀(HL2020-B)分析乳液的液滴尺寸分布，在儀器中加入1 mL乳液，并用適當(dāng)體積的去離子水自動(dòng)稀釋。重復(fù)3次測(cè)量，獲得平均粒徑。

1.3.7 熱重分析

熱重分析(TGA)在Mettler Toledo,Inc.(Schwerzenbach，Switzerland)的TGA/SDTA 851熱天平中進(jìn)行,加熱程序設(shè)定為(30～700) ℃，加熱速率20 ℃·min-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 固含量、凝膠率、單體轉(zhuǎn)化率結(jié)果分析

表1為乳液固含量、凝膠率和單體轉(zhuǎn)化率結(jié)果。

表1 乳液固含量、凝膠率、單體轉(zhuǎn)化率結(jié)果

續(xù)表

由表1可知，乳液固含量最低為25.2%，最高為27.3%，各組乳液的固含量未出現(xiàn)明顯波動(dòng)，說(shuō)明乳液所含天然抗菌劑的濃度對(duì)固含量影響較小。同時(shí)，改變抗菌劑添加量，制得的乳液的凝膠率均低于2%，乳液?jiǎn)误w轉(zhuǎn)化率超過(guò)90%，說(shuō)明乳液凝膠率低，反應(yīng)體系中大部分聚合單體參與了聚合反應(yīng)，乳液穩(wěn)定性好。由此可見，天然抗菌劑的用量對(duì)乳液的穩(wěn)定性和單體轉(zhuǎn)化率影響較小。

2.2 抑菌圈測(cè)試結(jié)果分析

抑菌圈測(cè)試是利用待測(cè)乳液在瓊脂平板中擴(kuò)散使其周圍的細(xì)菌生長(zhǎng)受到抑制而形成透明圈，即抑菌圈，根據(jù)抑菌圈大小判定待測(cè)乳液抑菌效價(jià)的一種方法。對(duì)制備的乳液進(jìn)行抑菌性能測(cè)試，首先選取每組添加的抗菌劑濃度為2%、5%、10%的乳液進(jìn)行大區(qū)間測(cè)試。

圖1為添加天然抗菌劑甘草制備的乳液樣品在大腸桿菌和金黃色葡萄球菌菌落上產(chǎn)生的抑菌圈照片。由圖1可知，加入天然抗菌劑甘草后，與純?nèi)橐合啾?，抗菌性淀粉接枝苯丙乳液?duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的殺菌抑菌性能均得到提高。在大腸桿菌抑菌圈測(cè)試中，當(dāng)添加天然抗菌劑甘草濃度為2%時(shí)，抑菌圈尺寸與純?nèi)橐合啾葲]有明顯變化，乳液抗菌性能沒有明顯提升；隨著抗菌劑用量增大，抑菌圈尺寸呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，且在抗菌劑濃度提升到5%時(shí)，抑菌圈尺寸達(dá)到最大，說(shuō)明天然抗菌劑甘草在乳液中濃度為5%時(shí)對(duì)于大腸桿菌的抗菌性能較好。在金黃色葡萄球菌抑菌圈測(cè)試中，在乳液中濃度為5%和10%時(shí)對(duì)金球菌的抑菌圈尺寸大小相等，均達(dá)到最大，這是因?yàn)楦什葜泻悬S酮類、甘草次酸、油酸、去氫粗毛甘草素等物質(zhì)[6]，大量的研究表明，甘草甜素和黃酮類物質(zhì)是甘草中最重要的生理活性物質(zhì)，對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌具有良好的抑制作用和抗菌活性。

圖1 甘草乳液樣品在大腸桿菌和金黃色葡萄球菌菌落上產(chǎn)生的抑菌圈照片F(xiàn)igure 1 Bacteriostatic rings of Glycyrrhiza emulsion sample on Escherichia coli and Staphylococcus aureus colony

圖2為添加天然抗菌劑茶多酚制備的乳液樣品在大腸桿菌和金黃色葡萄球菌菌落上產(chǎn)生的抑菌圈照片。

圖2 茶多酚乳液樣品在大腸桿菌和金黃色葡萄球菌菌落上產(chǎn)生的抑菌圈照片F(xiàn)igure 2 Bacteriostatic rings of tea polyphenols emulsion sample on Escherichia coliand Staphylococcus aureus colony

由圖2可以看出，在金黃色葡萄球菌抑菌圈測(cè)試中，當(dāng)添加不同濃度的天然抗菌劑茶多酚時(shí)，抑菌圈尺寸變化不大，乳液抗菌性能沒有明顯提升。在大腸桿菌抑菌圈測(cè)試中，抑菌圈尺寸明顯變大，在乳液中濃度為5%和10%時(shí)對(duì)大腸桿菌的抑菌圈尺寸均達(dá)到最大。是因?yàn)椴瓒喾訉?duì)大腸桿菌的抑菌作用效果最為明顯，而對(duì)于金黃色葡萄球菌抑菌作用較弱，主要是由于茶多酚對(duì)病菌具有不同程度的抑制和殺傷作用。同時(shí)它還能有效地防止耐抗生素的大腸桿菌感染，因此天然抗菌劑茶多酚的添加有效提高了乳液抑制大腸桿菌的性能。

圖3為添加天然抗菌劑肉豆蔻制備的乳液樣品在大腸桿菌和金黃色葡萄球菌菌落上產(chǎn)生的抑菌圈照片。

圖3 肉豆蔻乳液樣品在大腸桿菌和金黃色葡萄球菌菌落上產(chǎn)生的抑菌圈照片F(xiàn)igure 3 Bacteriostatic rings of nutmeg emulsion sample on Escherichia coli and Staphylococcus aureus colony

由圖3可以看出，肉豆蔻乳液樣品在大腸桿菌抑菌圈測(cè)試中，其乳液對(duì)大腸桿菌抑制作用的變化與添加甘草的抗菌型乳液相似，在乳液中濃度為5%時(shí)對(duì)于大腸桿菌的抗菌性能較好。在金黃色葡萄球菌抑菌圈測(cè)試中，抑菌圈尺寸明顯變大，在乳液中濃度超過(guò)5%時(shí)對(duì)金黃色葡萄球菌的抑菌圈尺寸達(dá)到最大。主要由于肉豆蔻中的丙酮類提取物有最高的抗氧化和抗菌特性，α-蒎烯、β-蒎烯、月桂烯、1,8-桉樹腦、香芹酚、萜品烯-4-醇、丁香酚和異丁香酚等也具有較高的抗氧化和抗菌活性[10]。

圖4為添加天然抗菌劑肉桂油制備的乳液樣品在大腸桿菌和金黃色葡萄球菌菌落上產(chǎn)生的抑菌圈照片。由圖4可以看出，肉桂油乳液樣品在大腸桿菌抑菌圈測(cè)試和金黃色葡萄球菌抑菌圈測(cè)試中，抑菌圈尺寸明顯變大，在乳液中濃度超過(guò)5%時(shí)抑菌圈尺寸達(dá)到最大。其機(jī)制與抑制細(xì)胞增殖，誘發(fā)病毒凋亡有關(guān)[11]，且肉桂油即使不直接加入到培養(yǎng)基中，其揮發(fā)成分在菌體表面對(duì)細(xì)菌、真菌和空氣中常見菌體也均有較強(qiáng)的抑菌活性。當(dāng)引入乳液里面，說(shuō)明天然抗菌劑肉桂油的加入有效提高了乳液抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的性能。

圖4 肉桂油乳液樣品在大腸桿菌和金黃色葡萄球菌菌落上產(chǎn)生的抑菌圈照片F(xiàn)igure 4 Bacteriostatic rings of Cinnamon oil emulsion sample on Escherichia coli and Staphylococcus aureus colony

為進(jìn)一步補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)，選取各組添加濃度為3.5%和7.5%的乳液再次進(jìn)行抑菌性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 3.5%與7.5%濃度的不同乳液樣品在大腸桿菌和金黃色葡萄球菌菌落上產(chǎn)生的抑菌圈照片F(xiàn)igure 5 Images of inhibition zones produced by different 3.5% and 7.5% emulsion samples on colonies of Escherichia coli and Staphylococcus aureus

通過(guò)測(cè)量各組照片的數(shù)據(jù)并匯總，得到表2。分析圖5和表2可知，添加不同種類抗菌劑的乳液樣品在不同細(xì)菌種類的培養(yǎng)基上，出現(xiàn)了不同的抑菌圈效果，但基本都在濃度為5%時(shí)顯現(xiàn)出最強(qiáng)的抗菌性能，再增大濃度，抑菌圈尺寸變化不明顯，出于降低成本、節(jié)約原材料的目的，天然抗菌劑在乳液中濃度為5%時(shí)既可以得到較高抗菌性，又最大程度的節(jié)約了成本。對(duì)不同種類抗菌劑的乳液進(jìn)行橫向比較，天然抗菌劑茶多酚制備的乳液對(duì)大腸桿菌的抑菌作用最強(qiáng)，天然抗菌劑肉桂油制備的乳液對(duì)金黃色葡萄球菌的抑菌作用最強(qiáng)。

表2 抗菌乳液樣品在金球菌菌落上的抑菌圈尺寸

2.3 紅外光譜分析

不同種乳液的紅外譜圖如圖6所示。

圖6 不同種乳液的紅外光譜圖Figure 6 FT-IR spectra of different kinds of emulsion

由圖6中純?nèi)橐鹤V圖可以看出，(3 326～3 648) cm-1處的寬峰對(duì)應(yīng)于-OH的伸縮振動(dòng)，在(700～1 100) cm-1處為多糖的典型特征峰，這是淀粉的基本結(jié)構(gòu)成分；在約1 602 cm-1和1 025 cm-1處的強(qiáng)峰分別為芳香族C-C骨架環(huán)和苯族C-H環(huán)的平面內(nèi)彎曲振動(dòng)；1 720 cm-1處出現(xiàn)的峰為丙烯酸酯中羰基的拉伸振動(dòng)；在1 601 cm-1和1 250 cm-1附近檢測(cè)到的峰是由于C-C的拉伸振動(dòng)；這些表明丙烯酸丁酯和苯乙烯參與了淀粉接枝共聚反應(yīng)。

A-2譜圖中(3 000～3 500) cm-1處較寬的吸收峰歸屬于-OH基團(tuán)的伸縮振動(dòng)。2 960 cm-1和2 832 cm-1處的吸收峰分別歸屬于對(duì)稱和不對(duì)稱的-CH2，(1 514～1 447) cm-1出現(xiàn)苯環(huán)上的骨架(C-C)振動(dòng)吸收峰，此外，在紅外光譜圖中的824 cm-1處出現(xiàn)苯環(huán)上C-H彎曲振動(dòng)吸收峰，說(shuō)明茶多酚參與了乳液聚合反應(yīng)。

2.4 粒徑分析

不同種乳液的粒徑分析見表3，粒徑分布如圖7～10所示。

表3 粒徑分析

圖7 5%甘草乳液粒徑分布Figure 7 Particle size distribution of 5% licorice emulsion

圖8 5%茶多酚乳液粒徑分布Figure 8 Particle size distribution of 5% tea polyphenol emulsion

圖9 5%肉豆蔻乳液粒徑分布Figure 9 Particle size distribution of 5% nutmeg emulsion

圖10 5%肉桂油乳液粒徑分布Figure 10 Particle size distribution of 5% cinnamon oil emulsion

由表3和圖7～10可看出，所測(cè)樣品的粒徑為(70～95) nm，且曲線呈正態(tài)分布狀態(tài)，抗菌劑添加種類及各物質(zhì)最佳用量對(duì)粒徑大小并無(wú)太大影響。制得的抗菌乳液粒徑分散系數(shù)PDI值普遍較小，PDI值代表粒徑正態(tài)分布寬度，PDI值越小，說(shuō)明樣品粒子尺寸分布越小，乳液性能越優(yōu)良。

2.5 熱重分析

熱重分析可以顯示聚合物在不同溫度下的分解情況，用于判斷材料的熱穩(wěn)定性。不同種乳液的熱重分析結(jié)果如圖11和表4所示。

圖11 不同種乳液的TGA與TG曲線Figure 11 TGA and TG profiles of different kinds of emulsion

表4 熱重分析對(duì)比

如圖11和表4所示，從室溫到180 ℃的輕微質(zhì)量損失與聚合物鏈中的吸附水有關(guān)。對(duì)于未加天然抗菌劑的純?nèi)橐?，?84 ℃時(shí)開始分解，并在490 ℃時(shí)失去81.98%的質(zhì)量。相對(duì)于純?nèi)橐?，?duì)比A-1、A-2 、A-3和A-4曲線可知，加入天然抗菌劑的乳液失重量低于純?nèi)橐?，乳液的碳余量相?yīng)增加，熱穩(wěn)定性增強(qiáng)。在440 ℃之前，A-4的分解速率最大，是因?yàn)榫哂斜江h(huán)外共軛雙鍵及羰基，化學(xué)性質(zhì)非常活躍，雖屬于高沸點(diǎn)物質(zhì)，但其在高溫條件下又非常不穩(wěn)定。其次，A-2和A-4的單體轉(zhuǎn)化率相對(duì)較高，達(dá)到96%以上，A-1與A-3略低，約95%，對(duì)應(yīng)的失重?fù)p失率也呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。但總失重為A-3最低，主要是因?yàn)槿舛罐⒊煞种?，大多?shù)物質(zhì)為油狀混合物，分子量大且分解溫度高。

3 結(jié) 論

(1)通過(guò)選取不同種類的天然抗菌劑制備了一系列抗菌型淀粉接枝苯丙乳液，考察天然抗菌劑種類及用量對(duì)乳液性能的影響。乳液性能測(cè)試結(jié)果表明，天然抗菌劑的用量對(duì)乳液的穩(wěn)定性和單體轉(zhuǎn)化率影響較小。

(2)通過(guò)傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)對(duì)抗菌型淀粉接枝苯丙乳液的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，通過(guò)激光粒度分析儀對(duì)乳液的粒徑分布進(jìn)行分析，結(jié)果表明，乳液粒徑為(70～95) nm，乳液粒徑為納米尺寸且粒度分布較窄，粒徑分散系數(shù)PDI值較小，乳液性能優(yōu)良。對(duì)乳液熱重分析(TGA和DTG)結(jié)果表明，制備的乳液熱穩(wěn)定性較好，添加天然抗菌劑肉桂油制備的乳液熱穩(wěn)定性最好。

(3)選取大腸桿菌、金黃色葡萄球菌對(duì)制備的抗菌型淀粉接枝苯丙乳液進(jìn)行抑菌圈測(cè)試，結(jié)果表明，天然抗菌劑在乳液中濃度為5%時(shí)乳液抗菌性能較好，節(jié)約成本。

(4)對(duì)不同種類抗菌劑的乳液進(jìn)行橫向比較，天然抗菌劑茶多酚制備的乳液對(duì)大腸桿菌的抑菌作用最強(qiáng)，天然抗菌劑肉桂油制備的乳液對(duì)金球菌的抑菌作用最強(qiáng)。