壳聚糖-淀粉涂布抗菌纸的制备及性能研究

胡 芳 张惠君 王 亮 佟淑敏

(1.齐齐哈尔大学轻工与纺织学院，黑龙江齐齐哈尔，161006;2.齐齐哈尔大学食品与生物工程学院，黑龙江齐齐哈尔，161006)

壳聚糖是一种天然的氨基多糖，无色、无味、无毒，并具有良好的抑菌性、成膜性和生物降解性，是一种天然的抗菌材料，因此近年来在食品、果蔬保鲜领域中的研究和应用受到人们的重视。许多学者对壳聚糖的抗菌机理进行了研究，提出了多种结论，现概括如下:①壳聚糖能够结合一些微生物正常生长所必需的微量元素、金属元素或营养物质，从而抑制微生物生长［1］，其中的氨基基团是主要的作用位点，羧甲基化能够增强壳聚糖衍生物对金属离子的吸附能力［2-3］。②在酸性条件下，壳聚糖分子中的质子化铵—N具有正电性，使细菌细胞壁和细胞膜上的负电荷分布不均，干扰细胞壁的合成，打破了在自然状态下的细胞壁合成与溶解平衡，使细胞壁趋向于溶解，细胞膜因不能承受渗透压而变形破裂，细胞的内容物如水、蛋白质等渗出，发生细菌溶解而死亡［4］。Chung等人［5-6］的研究证实壳聚糖对细菌的抗菌作用是一个连续两步的作用机制，首先将细胞壁与细胞膜分离，之后破坏细胞膜。③低分子质量壳聚糖可透过微生物细胞壁进入到细胞，尤其是革兰氏阴性菌(细胞壁较薄、肽聚糖交联松散)的内部，与DNA形成稳定的混合物，干扰DNA聚合酶或RNA聚合酶的作用，阻碍DNA或RNA的合成，从而抑制微生物繁殖［7-9］。④高分子质量壳聚糖溶于酸后，成为一种阳离子型生物絮凝剂，在絮凝过程中使菌体细胞聚沉，高分子链密集于细菌菌体表面，形成一层高分子膜，影响细菌对营养物质的吸收，阻止代谢废物的排泄，导致菌体的新陈代谢紊乱，从而起到杀菌和抑菌的作用［10］。

同时，壳聚糖的抗菌机制也因菌种的不同而不同［11-12］。对于革兰氏阳性菌来说，壳聚糖的抗菌机制是:壳聚糖引起细菌细胞的表面发生变化，并在细胞膜上形成多孔结构，进而与细胞膜结合，使其失去屏障功能，最终达到抗菌的效果。对于革兰氏阴性菌，壳聚糖主要通过渗透进入到细菌体内，吸附其离子物质，干扰细胞代谢来达到抑制细菌的目的。壳聚糖及其衍生物在造纸工业中的研究和应用已有几十年的历史，例如作为助留剂［13-14］、增强剂［15-16］、表面施胶剂［17-18］等。目前关于壳聚糖及其衍生物作为抗菌剂在抗菌纸中的研究和应用正引起人们的重视。本研究中采用的菌种是金黄色葡萄球菌 (Staphylococcus aureus)，是一种革兰氏阳性菌，是人类常见的致病菌之一。选择该菌种是希望能够证实本研究中制备的抗菌纸对这类细菌的作用效果，关于产品对革兰氏阴性菌作用效果的研究，将另见报道。

1 实验

1.1 实验原料

壳聚糖，相对分子质量分别为5万、20万、50万、80万、100万，青岛舜博生物技术研究所有限公司提供;变性淀粉，天津顶峰淀粉开发有限公司提供;原纸，定量为70 g/m2。金黄色葡萄球菌;乙酸、氢氧化钠、氯化钠、牛肉膏、蛋白胨、琼脂均为分析纯。

1.2 实验方法

1.2.1 壳聚糖-淀粉抗菌涂布液的制备

称取一定量壳聚糖粉末于烧杯中，加入一定量的乙酸，在磁力搅拌器上、45℃下搅拌直到壳聚糖完全溶解。用NaOH溶液调节pH值。

称取一定量的淀粉放入三口烧瓶中，加入一定量的蒸馏水后在恒温水浴锅中以80℃进行糊化。

最后将糊化好的淀粉加入到壳聚糖溶液中，继续搅拌，得到柔软、透明、均一的壳聚糖-淀粉抗菌涂布液。

1.2.2 壳聚糖-淀粉涂布抗菌纸的制备

利用YZ-2300涂布机进行涂布处理，得到壳聚糖-淀粉涂布抗菌纸。

1.2.3 壳聚糖-淀粉涂布抗菌纸的强度性能检测

将已经制备好的壳聚糖-淀粉涂布抗菌纸裁切成适当的尺寸，利用DC-K2300C电脑测控抗张实验机测定抗菌纸的抗张指数。

1.2.4 壳聚糖-淀粉涂布抗菌纸的抗菌性能检测

将涂布后的纸张截切成直径为1 cm的圆纸片，分装于洁净干燥的试管中，塞好塞子，用报纸包好;将实验所需的培养皿、移液管、试管用报纸包好;在高压蒸汽式灭菌锅内湿热灭菌 (121℃，20 min)，备用。

把预先进行菌种活化的菌种挑取1～2环，接入装有1 mL灭菌水的试管中，充分混匀制成菌悬浮液。

用已灭菌的量筒量取15 mL事先准备好的培养基迅速倒入培养皿 (平板)中，平铺均匀，放置一段时间使其凝固，备用。用灭菌胶头滴管吸取已制备好的菌株悬浮液0.2 mL接种于平板上，用灭菌涂布辊涂匀。

将已灭菌的小圆纸片分别用镊子夹出平铺于已涂布菌液的平板中。对照样同法操作。

将平板分别置于37℃培养箱中培养24 h后取出，利用游标卡尺测量抑菌圈直径大小［19］。

2 结果与讨论

2.1 涂布液中壳聚糖浓度对涂布抗菌纸抗菌性能及

抗张强度的影响

在研究涂布液中壳聚糖浓度对纸张性能的影响时，涂布液中淀粉浓度为20 g/L，乙酸用量为1%(相对于涂布液体积)，pH值为5，壳聚糖的相对分子质量为100万，涂布量为0.96 g/m2。壳聚糖浓度对涂布抗菌纸的抑菌圈直径及抗张指数的影响如图1所示，其中对照样无抑菌效果。

图1 壳聚糖浓度对涂布抗菌纸抗菌性能及抗张指数的影响

由图1可以看出，随着壳聚糖浓度的增加，抑菌圈直径增大，当壳聚糖浓度超过15 g/L后，抑菌圈直径减小。壳聚糖的抗菌能力随其浓度增加而增强，原因归结为壳聚糖中—NH2的存在。随着壳聚糖浓度的不断增加，溶液中—NH2的浓度也将逐渐增加，从而抗菌效果也增强。但过高的用量会造成壳聚糖大分子的缠结增强，故抗菌能力下降［19］。

由图1还可以看出，在壳聚糖浓度为20 g/L时，抗张指数最好。当壳聚糖浓度过高时，涂布液黏度增大，造成涂布液在纸张表面分布不均匀，因此抗张指数下降。综合涂布液中壳聚糖浓度对涂布抗菌纸抗菌性能和抗张强度的影响，确定在制备抗菌涂布液时，壳聚糖的适宜浓度为15 g/L。

2.2 涂布液中淀粉浓度对涂布抗菌纸抗菌性能及抗

张强度的影响

在研究涂布液中淀粉浓度对纸张性能的影响时，涂布液中壳聚糖的浓度为15 g/L，乙酸用量为1%，pH值为5，壳聚糖的相对分子质量为100万，涂布量为0.96 g/m2，实验结果如图2所示。

图2 淀粉与壳聚糖浓度之比对涂布抗菌纸抗菌性能及抗张指数的影响

由图2可以看出，随涂布液中淀粉与壳聚糖浓度之比的增大，涂布抗菌纸的抑菌圈直径先增大后减小，当淀粉与壳聚糖的浓度之比为1.5∶1.0时，抑菌圈直径达到最大值，此时壳聚糖的抑菌效果最好，同时涂布抗菌纸抗张强度也接近最大值。当淀粉的浓度较小时，制得的抗菌液黏度较大，造成壳聚糖分子缠结增强，影响其抗菌性能。而当淀粉浓度过高时，单位纸张面积上壳聚糖分子的数量减少，使抗菌性能下降。纸张的抗张指数随着淀粉浓度的增加而增加，这是因为随着淀粉浓度的增大，壳聚糖分子中的羟基和氨基，与淀粉分子链的物理交联越来越充分［20］;且壳聚糖分子中的羟基与氨基同淀粉分子间以及纸张纤维间形成氢键的作用越来越强烈，但当淀粉与壳聚糖的浓度之比超过1.5∶1.0时，抗张指数的变化不再明显。

2.3 涂布液中乙酸用量对涂布抗菌纸抗菌性能及抗张强度的影响

在研究涂布液中乙酸用量对纸张性能的影响时，涂布液中壳聚糖的浓度为15 g/L，淀粉与壳聚糖的浓度之比为1.5∶1.0，pH值为5，壳聚糖的相对分子质量为100万，涂布量为0.96 g/m2，实验结果如图3所示。

图3 乙酸用量对涂布抗菌纸抗菌性能及抗张指数的影响

从图3可以看出，乙酸用量不断增大，纸张的抑菌圈直径也增大，当乙酸用量为1.5%时，纸张的抑菌效果最好，之后随着乙酸用量的增加，抑菌圈直径逐渐减小。乙酸用量越高，壳聚糖溶解所需的时间越短，溶解的效果越好。但过量的酸根离子起到静电屏蔽的作用而使单个高分子无规线团紧缩，从而暴露出来的—NH+3减少，降低了抗菌性能［21］。

涂布抗菌纸的抗张指数随着乙酸用量的增大而增大，在乙酸用量为2.0%时，涂布抗菌纸的抗张指数达到最大值，随后下降。综合乙酸用量对涂布抗菌纸抗菌性能和机械强度的影响，确定在制备抗菌涂布液时，乙酸用量为1.5%较佳。

2.4 涂布液pH值对涂布抗菌纸抗菌性能及抗张强

度的影响

在研究涂布液pH值对纸张性能的影响时，涂布液中壳聚糖的浓度为15 g/L，淀粉与壳聚糖的浓度之比为1.5∶1.0，乙酸用量为 1.5%，壳聚糖的相对分子质量为100万，涂布量为0.96 g/m2。

图4 pH值对涂布抗菌纸抗菌性能及抗张指数的影响

由图4可见，随着pH值的增大，纸张的抑菌圈直径逐渐增大，当pH值为5时，抑菌圈直径最大，随后抑菌圈直径随pH值的增加而下降，当pH值为7时几乎不具有抗菌能力。壳聚糖是一种弱碱性聚电解质，壳聚糖在酸性介质中，—NH2接受H+，形成壳聚糖质子化产物，呈现出阳离子聚合物的性质，改变了细菌膜表面的正、负电荷分布，导致细胞膜弱化与破坏，引起细胞内物质渗漏，最后死亡。随pH值的升高，壳聚糖的溶解性和质子化程度降低，抗菌能力逐渐减弱，pH值大于7时壳聚糖不再具有抗菌能力。同样，随着pH值的升高，由于壳聚糖的溶解性和质子化程度降低，壳聚糖与淀粉以及壳聚糖与纸张纤维之间的键合能力也减小。当pH值过低时，溶液中的大量H+与—NH+3在细菌表面产生竞争性吸附，同样造成抗菌性能下降［22］。同时，过低的pH值会促进壳聚糖大分子的降解，造成纸张抗张指数下降。

2.5 壳聚糖相对分子质量对涂布抗菌纸抗菌性能及抗张强度的影响

在研究壳聚糖相对分子质量对纸张性能的影响时，涂布液中壳聚糖的浓度为15 g/L，淀粉与壳聚糖的浓度之比为1.5∶1.0，乙酸用量为 1.5%，pH 值为5，涂布量为0.96 g/m2，实验结果如图5所示。

图5 壳聚糖相对分子质量对涂布抗菌纸抗菌性能及抗张指数的影响

由图5可知，壳聚糖相对分子质量在20万时抑菌圈直径最大，即相对分子质量为20万的壳聚糖对金黄色葡萄球菌的抑菌效果最好。壳聚糖的相对分子质量越大，涂布液的黏度越大，因此分子链就越容易缠绕而使分子链更加僵硬，这样就减少了有效的—N离子浓度，削弱了有效的抗菌基团与细菌充分接触的空间，因此壳聚糖的抗菌能力也就会下降。同时，涂布液黏度越大，在涂布过程中不易于涂布液的流动，容易造成涂布不均匀，制成的涂布抗菌纸表面特别光滑且很脆，也就降低了产品的机械强度。壳聚糖的抗菌机制与分子质量有密切关系，有研究者认为［23］，高分子质量和低分子质量的壳聚糖通过不同的机制发挥抗菌作用。高分子质量壳聚糖在细菌细胞表面堆积，阻断代谢可能为其主要抗菌机制。随着分子质量的增大，壳聚糖分子有效基因被包埋，对菌体的吸附及抗菌能力大大降低。而低分子质量壳聚糖分子，可以通过渗透作用穿过多孔细胞壁进入细菌内部，破坏细胞质中内含物的胶体状态，使细菌无法进行正常的生理活动，或者直接干扰其带负电荷的遗传物质DNA和RNA，抑制细菌的繁殖，导致微生物的死亡。

2.6 涂布量对涂布抗菌纸抗菌性能及抗张强度的影响

在研究涂布量对纸张性能的影响时，涂布液中壳聚糖的浓度为15 g/L，淀粉与壳聚糖的浓度之比为1.5∶1.0，乙酸用量为 1.5%，pH 值为 5，壳聚糖的相对分子质量为20万，实验结果如图6所示。

图6 涂布量对涂布抗菌纸抗菌性能及抗张指数的影响

由图6可以看出，当涂布量由0.96 g/m2增加到2.02 g/m2时，抑菌圈直径增加，其后随着涂布量的增大，抑菌圈直径减小。涂布抗菌纸的抗张指数随着涂布量的增大而增大，但当涂布量由3.08 g/m2增加到5.20 g/m2时，抗张指数增加不明显。综合考虑涂布量对纸张抗菌性能和抗张强度的影响，以及生产成本，适宜涂布量为2.02 g/m2。

3 结论

通过实验发现，涂布液中壳聚糖的浓度、淀粉与壳聚糖的浓度之比、壳聚糖的相对分子质量、乙酸用量、pH值及涂布量等条件不同时，制备的涂布抗菌纸的抗菌性能和抗张强度有较大不同，并得到了实验条件下壳聚糖-淀粉涂布抗菌纸制备的适宜条件为:涂布液中壳聚糖浓度15 g/L、淀粉与壳聚糖的浓度之比1.5∶1.0、pH 值5、乙酸用量1.5%、壳聚糖相对分子质量20万、涂布量2.02 g/m2，此时获得的壳聚糖-淀粉涂布抗菌纸具有较好的强度和抗菌性能。

［1］ZHAO Yu-qing，BU Jin-feng，HAI Hua，et al.Studies on the bacteriostasis of CTS-compounds［J］.Progress In Biotechnology，2005，25(5):67.

赵玉清，部金凤，海 华，等.壳聚糖的抑菌性研究［J］.中国生物工程杂志，2005，25(5):67.

［2］Sun S L，Wang A Q.Adsorption properties and mechanism of crosslinked carboxymethyl-chitosan resin with Zn(Ⅱ)as template ion［J］.Reactive＆ Functional Polymers，2006，66(8):819.

［3］Hiroki A，Tran H T，Nagasawa N，et al.Metal adsorption of carboxymethyl cellulose/carboxymethyl chitosan blend hydrogels prepared by Gamma irradiation［J］.Radiation Physics and Chemistry，2009，78(12):1076.

［4］YE Lei，HE li-qian，GAO Tian-zhou，et al.Studies on the antibiotic activity and its stability of chitosan［J］.Journal of Beijing Union University:Natural Sciences，2004，18(1):9.

叶 磊，何立千，高天洲，等.壳聚糖的抑菌作用及其稳定性研究［J］.北京联合大学学报:自然科学版，2004，18(1):79.

［5］Chung Y C，Chen C Y.Antibacterial characteristics and activity of acid-soluble chitosan［J］. Bioresource Technology， 2008，99(8):2806.

［6］Kong M，Chen X G，Liu C S，et al.Antibacterial mechanism of chitosan microspheres in a solid dispersing system againstE.coli［J］.Colloids and Surfaces B:Biointerfaces，2008，65(2):197.

［7］Coma V，Deschamps A，Gros A M.Bioactive packaging materials from edible chitosan polymer antimicrobial activity assessment on dairy related contaminants［J］.Journal of Food Science，2003，68(9):2788.

［8］Issams T，Adelem G，Adele P，et al.Chitosan polymer as bioactive coating and film against Aspergillus niger contamination［J］.Journal of Food Science，2005，70(2):100.

［9］Coma V，Deschamps A，Gros M.Bioactive packaging materials from edible chitosan polymer antimicrobial activity assessment on dairy related contaminants［J］. JournalofFood Science，2003，68(9):2788.

［10］WAN Rong-xin，GU Han-qing.The Research on antibacterial properties of chitosan and its derivatives［J］.Chinese Journal of Dialysis and Artificial Organs，2010，21(2):36.

万荣欣，顾汉卿.壳聚糖及其衍生物抗菌性能的研究进展［J］.透析与人工器官，2010，21(2):36.

［11］Jeon Y J，Park P J，Kim S K.Antimicrobial effect of chitooligosaccharides produced by bioreactor［J］.Carbohydrate Polymers，2001，44(1):71.

［12］Hong K N，Park N Y，Lee S H，et al.Antibacterial activity of chitosan and chitosan oligomers with different molecular weight［J］.International Journal of Food Microbiology，2002，74(1/2):65.

［13］DUAN Wei-jiang，CHA Rui-tao，PAN Quan-li，et al.Application of Cationic Chitosan in Cigarette Paper Manufacture［J］.China Pulp＆ Paper，2010，29(8):25.

段韦江，查瑞涛，潘泉利，等.阳离子壳聚糖在卷烟纸抄造中的应用研究［J］.中国造纸，2010，29(8):25.

［14］HU Hui-ren，WEN Yang-bing，SHI Shu-lan，et al.Application of Chitosan/bentonite Particle Retention and Drainage System in Tobacco Sheet Manufacture by Papermaking Process［J］.China Pulp ＆Paper，2011，30(4):30.

胡惠仁，温洋兵，石淑兰，等.壳聚糖/膨润土微粒助留助滤体系在造纸法烟草薄片生产中的应用研究［J］.中国造纸，2011，30(4):30.

［15］MA Yong-sheng，QIU Hua-yu，WANG Jian-bo，et al.Preparation and Application of Chitosan-AM-DMDAAC Graft Copolymer［J］.China Pulp ＆ Paper，2008，27(2):29.

马永生，邱化玉，王建波，等.壳聚糖-AM-DMC三元接枝共聚物对纸浆的增强效果［J］.中国造纸，2008，27(2):29.

［16］YANG Qiang，LIU Zhong.Preparation and Applications of Graft Copolymer of Chitosan with Polyacrylamide(CAM)［J］.China Pulp＆ Paper，2003，22(12):15.

杨 强，刘 忠.壳聚糖丙烯酰胺接技共聚物的合成及应用［J］.中国造纸，2003，22(12):15.

［17］LIU Yong-sun，WANG Bao，ZUANG Yao-li，et al.Application of modified chitosan as a surface sizing agent in the light offset paper［J］.Paper Chemicals，2009，21(1):40.

刘永顺，王 保，庄耀礼，等.改性壳聚糖类表面施胶剂在轻型胶版纸中的应用［J］.造纸化学品，2009，21(1):40.

［18］Cui Wen-yan，Liu Zhong.Chitosan as a Surface Sizing Agent for Offset Printing Paper ［J］.World Pulp and Paper，2005，24(4):11.

崔文妍，刘 忠.壳聚糖作为表面施胶剂在胶版印刷纸中的应用［J］.国际造纸，2005，24(4):11.

［19］WANG Yue-hui，YU Xiong-wei，XU Yuan-yang，et al.Antibacterial action sites of chitosans［J］.Food Science，2012，33(13):92.王月慧，余雄伟，徐远阳，等.壳聚糖抑菌作用位点的研究［J］.食品科学，2012，33(13):92.

［20］WU Guo-jie，YAO Ru-hua.Studies on rheological properties of chitosan solution［J］.Journal of South China University of Technology:Natural Science，1997，25(10):62.

吴国杰，姚汝华.壳聚糖溶液流变学性质的研究［J］.华南理工大学学报:自然科学版，1997，25(10):62.

［21］HAN Yong-sheng，ZHAO Li-mei.Study of packaging performance of modified starch-chitosan edible Film［J］.Packaging Engineering，2009，30(12):34.

韩永生，赵丽美.变性淀粉壳聚糖可食性膜包装性能研究［J］.包装工程，2009，30(12):34.

［22］LI De-peng，TAN Ji-ye，DING Shi-qiang，et al.Study on Properties of Chitosan Solution［J］.Journal of Dalian University，2002，23(6):5.

李德鹏，谭绩业，丁仕强，等.壳聚糖溶液性质的研究［J］.大连大学学报，2002，23(6):5.

［23］FENG Shou-ai，LIN Bao-feng，Liang Xing-quan.Research Development of Chitosan Film in Food Preservation［J］.Polymer Bulletin，2004，12(6):68.

冯守爱，林宝凤，梁兴泉.壳聚糖保鲜膜的研究进展［J］.高分子通报，2004，12(6):68.

［24］LIU Yang，YU Jing-tao，SUN Ying-ying.Research on antibacterial action of chitosan and chitosan derivatives［J］.Chinese Journal of Practical Stomatology，2011，4(7):437.

刘 扬，于静涛，孙莹莹，等.壳聚糖及其衍生物抗菌性能研究进展［J］.中国实用口腔科杂志，2011，4(7):437. CPP