固载β-环糊精阳离子淀粉的制备及在抗菌纸中的应用

董 超 叶 迎 钱丽颖,* 何北海 肖惠宁

(1.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广东广州，510640；2.University of New Brunswick, Fredericton, New Brunswick, Canada，E3B5A3)

·抗菌纸·

固载β-环糊精阳离子淀粉的制备及在抗菌纸中的应用

董 超1叶 迎1钱丽颖1,*何北海1肖惠宁2

(1.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广东广州，510640；2.University of New Brunswick, Fredericton, New Brunswick, Canada，E3B5A3)

研究了固载β-环糊精阳离子淀粉 (β-CD-CS)的合成条件，探讨了β-CD-CS与盐酸环丙沙星(CipHCl)制备的包合物在抗菌纸中的应用。结果表明，合成β-CD-CS最优条件是n(环氧氯丙烷)∶n(β-环糊精)=5∶1，反应温度为40℃。将β-CD-CS与CipHCl制备的包含物添加到纸张中，随着包合物用量的增加，纸张的抗张强度、撕裂强度和耐破强度都是先升高后降低；纸张的抗菌效果随包合物用量的增加越来越明显，当包合物用量为2.5%时，纸张对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈直径分别为16.9 mm和16.3 mm。同时，相同包合物用量下纸张对大肠杆菌的抑菌圈直径大于金黄色葡萄球菌的。

阳离子淀粉；β-环糊精；固载；抗菌效果；机械性能

(*E-mail：lyqian@scut.edu.cn)

纸质材料作为传统生活用品之一，广泛用于和人们生活密切相关的领域。为了防止纸张使用过程中有害细菌的传播和交叉感染所引起的各种传染病，保护人体的健康，研究和开发具有抗菌性能的生活和工业用纸具有重要意义[1]。

目前，抗菌纸的制备方法按抗菌剂在纸张中的引入方式可分为表面加工法(喷洒、施胶、涂布和浸渍等方法)、浆内添加法和纤维素改性法等[2]。这些制备方法虽然都能赋予纸张一定的抗菌性能，但都存在一定的局限性。如，喷洒法制备的抗菌纸存在抗菌剂分布不均匀的缺点；浸渍法制备抗菌纸耗时太长，不适应于大型高速纸机生产；表面施胶和涂布法制备的抗菌纸的抗菌效果会在深加工过程中随存放时间、湿度变化而逐渐失效；浆内添加法制备抗菌纸虽然操作简单，但由于抗菌药物的分子质量一般较小，很容易在上网过程中随白水流失，造成抗菌药物用量过大，但保留在纸张中的抗菌成分很少，既增加了成本，又达不到良好的抗菌效果；纤维素改性法工艺复杂，不适合大规模的工业生产[3]。

环糊精(Cyclodextrin，CD)由淀粉经环糊精葡萄糖基转移酶降解所得，是D-吡喃葡萄糖单元以α-1,4葡萄糖苷键相互连接而形成的一系列环状麦芽低聚糖的总称[4- 6]。它具有外侧亲水、内侧疏水的空腔结构，可以和许多疏水性有机小分子特别是芳香类分子自发形成“包结配合物”(Inclusion Complexes)(以下简称包合物)，同时它分子上的羟基还可以与多种官能团进行反应形成环糊精衍生物，因此在医药、食品、化妆品、包装材料、造纸、建筑材料等领域有着重要的用途[7-9]。将β-环糊精(β-CD)固载到阳离子淀粉(CS)上，利用固载到CS上的环糊精包合抗菌药物，再以浆内添加的方式添加在纸张中用来制备具有抗菌性能的纸张[10-11]。这种方法制备的抗菌纸一方面利用CS在纸张中高效的留着率，克服了传统的浆内添加方式制备抗菌纸存在的抗菌药物流失问题，从而有效降低生产成本；另一方面通过环糊精对抗菌药物的包合作用，控制药物的释放，进一步发挥其药效、减小副作用。

本研究以CS为载体、环氧氯丙烷 (Epi)为交联剂，在碱性条件下将β-CD固载到CS上，探讨了Epi用量和反应温度对固载物β-CD-CS中β-CD含量和阳离子取代度等指标的影响；将β-CD-CS与盐酸环丙沙星(CipHCl)制备包合物，包合物再以造纸助剂的形式加入到纸浆中进行抄纸，研究了包合物用量对纸张物理性能及抗菌效果的影响。

1 实 验

1.1 原料和仪器

针叶木浆：取自广西某造纸厂，用Mark V1型PFI磨打浆至35°SR。CS取自广西某造纸厂，阳离子取代度为0.037；β-CD，生化试剂，上海源聚生物科技有限公司；Epi，分析纯，天津市福晨化学试剂厂；无水乙醇，分析纯，天津市富宇精细化工有限公司。

Vector 33型傅里叶变换红外光谱仪，德国Bruker公司；S-3700N型扫描电子显微镜，日本Hitachi公司；RK3AKWT型凯塞法纸页成形器，奥地利PTI公司；CE062型抗张强度仪，瑞典L&W公司； 009型撕裂度仪，瑞典L&W公司；CE180耐破度测定仪，瑞典L&W公司。

1.2 实验方法

1.2.1β-CD-CS的制备

室温下，先将5 gβ-CD(4.4 mmol)溶于20 mL浓度为300 g/L NaOH溶液中。然后向该溶液中缓慢滴加一定量Epi，一定温度下搅拌0.5 h。将糊化的2.5 g CS加入到反应体系中，继续搅拌2 h，冷却。加入无水乙醇，析出白色絮状沉淀。离心分离，除去大部分碱和未反应的β-CD、Epi及其副产物。沉淀部分加少量蒸馏水溶解，用稀HCl中和至中性，再用无水乙醇沉淀，离心分离。然后用体积分数为50%的乙醇充分洗涤，去除残余的β-CD和NaCl，最后置于75℃真空干燥箱中干燥24 h。产物的阳离子取代度采用GB 12091— 89的方法进行测定，β-CD的固载量采用酚酞分光光度法[12]进行测定。

1.2.2 包合物的制备

包合物采用研磨法制备。称取1 gβ-CD-CS置于研钵之中，加入2 g水，研磨5 min，使之成为糊状物；再称取0.2 g CipHCl加入到研钵之中，继续研磨20 min，使其与β-CD-CS混合均匀，在50℃下烘干，用乙醇洗涤，过滤干燥即得包合物。包合物中CipHCl的负载率采用紫外分光光度法[13]进行测定。

1.2.3 纸张抄造及其物理性能检测

在浆料悬浮液中分别加入不同用量的包合物和CS抄纸，定量为60 g/m2。抗张强度按GB/T 453—2002进行测定；撕裂强度按GB/T 455—2002进行测定；耐破强度按GB/T 454—2002进行测定。

1.2.4 结构表征

用Vector33型傅里叶红外光谱仪对β-CD、CS和β-CD-CS的化学结构进行表征；用S-3700N型扫描电子显微镜观察不添加及添加包合物纸张的表面结构。

1.2.5 抗菌性能检测

纸张抗菌效果采用抑菌圈法[7]进行检测。使用已灭菌的移液枪移取大肠杆菌(2.5×107CFU/mL)和金黄色葡萄球菌(1.5×107CFU/mL)悬浮液各0.1 mL到平板培养皿上，用涂布棒涂布均匀。用打孔器取直径为6 mm的纸样，用已灭菌的镊子将纸样放入涂好菌悬液的平板培养基中。将制好的样品放入37℃恒温培养箱中培养24 h，用游标卡尺测量抑菌圈直径，抑菌圈越大，说明抗菌效果越好。

2 结果与讨论

2.1β-CD-CS的制备

图1 Epi用量对产物阳离子取代度及 产物中β-CD固载量的影响

图1为Epi用量对β-CD-CS阳离子取代度及β-CD固载量的影响。由图1可知，随着Epi用量的逐渐增加，β-CD的固载量先增大后减小，而阳离子取代度则是先减小后增大。这主要是因为随Epi用量的增加，其交联作用比较明显，使得β-CD固载量升高，阳离子取代度下降；但是随Epi用量继续增加，大量淀粉支链开始交联，β-CD固载到淀粉分子链上的空间位阻也逐渐增大，导致β-CD固载量下降。因为实验中既要保证β-CD较高的固载量，又不能使CS的取代度过低，所以选择n(Epi)∶n(β-CD)=5∶1。

图4 不添加及添加包合物纸张的SEM图

图2 温度对产物阳离子取代度及 产物中β-CD固载量的影响

图2为温度对β-CD-CS阳离子取代度及β-CD固载量的影响。由图2可知，产物中β-CD的固载量随反应体系温度的升高先升高后降低，50℃时达到最大值。这是因为随温度的升高，反应速率增加，有利于反应的进行；但是温度过高，反应物、反应产物的水解等副反应越来越明显，反而不利于固载反应的进行。同时，产物的阳离子取代度随着反应温度的提高而呈现先减小后增大的趋势，在温度为50℃时产物的阳离子取代度最小。考虑到产物中的β-CD固载量和阳离子取代度都要尽量高，因此选择反应温度为40℃是最合适的。

2.2 结构表征

图3为CS、β-CD和β-CD-CS的红外光谱图。由图3可知，CS、β-CD 和β-CD-CS之间有很多相似的特征吸收峰，这是因为CS和β-CD的结构单元都是葡萄糖。在3400 cm-1附近是—OH的伸缩振动吸收峰，2930 cm-1和1155 cm-1处是C—H和C—O的伸缩振动吸收峰，1082 cm-1和1006 cm-1附近是CH2—O—CH2伸缩振动吸收峰。与β-CD相比，CS和β-CD-CS上新增的1460 cm-1处是季铵基团上C—N 的伸缩振动吸收峰，并且β-CD-CS在此处的吸收强度下降，这主要是因为β-CD-CS上的阳离子取代度下降。

图3 CS、β-CD和β-CD-CS的红外光谱图

将最优工艺条件下合成的β-CD-CS与CipHCl制备包合物，测定包合物中CipHCl的负载率为2.44%。

图4为不添加及添加包合物抄造纸张的SEM图。由图4可知，当未添加包合物时，纸浆纤维分布松散，纤维之间孔隙较大，细小纤维较少；当包合物用量为2.5%时，纤维排布变得紧密，细小纤维明显增多，纤维分布均匀，纤维间尤其是纤维与纤维的交叉处可以看到明显的“架桥”结合；而当包合物用量为5.0%时，纤维排布混乱，纤维分布的均匀性变差，导致纸张的匀度下降。

2.3 包合物用量对纸张物理性能的影响

图5 包合物和CS用量对纸张抗张强度的影响

图5为包合物和CS用量对纸张抗张强度的影响。由图5可知，在0～5.0%的用量范围内，纸张的抗张强度随着包合物和CS用量的增加而急剧上升，且在5.0%时达到了最大值，较未添加的纸张，纸张的抗张指数分别提高了45.4%、56.7%；当用量超过5.0%时，纸张的抗张强度下降。这是因为包合物和CS的加入增加了纤维的交织面积，即增加了形成氢键的机会，提高了纤维间结合力。所以适当添加包合物和CS可使纸张抗张强度急剧上升。但当用量超过5.0%时，由于浆料的负电荷有限，过多的阳离子助剂会造成纤维絮聚严重，纤维之间的分散性变差，纸张的匀度降低，从而使得纸张的抗张强度下降。另外，在相同用量下，包合物对纸张的增强作用略低于CS，因为包合物中除了有CS外，还有β-CD和CipHCl，并且包合物的阳离子取代度有所下降，其与纤维的作用力较CS相对弱一些。

图6 包合物和CS用量对纸张撕裂强度的影响

图6为包合物和CS用量对纸张撕裂强度的影响。由图6可知，在0～2.5%的用量范围内，纸张的撕裂强度随着包合物和CS用量的增加而上升；当用量超过2.5%时，纸张的撕裂强度下降。这是因为影响撕裂强度的因素首先是纤维的平均长度，其次才是纤维间结合力[14]。纸张抄造过程中添加了包合物和CS，增加了纤维间结合力，使得纸张撕裂强度增大；但与此同时细小纤维的留着，降低了纤维平均长度，另外包合物和CS用量过大会使纸张匀度下降，这些都导致纸张撕裂强度下降。当用量小于2.5%时，纤维间结合力占主导地位，纸张撕裂强度变大；当用量超过2.5%时，纤维平均长度下降占主导地位，因此撕裂强度有所下降。

图7为包合物和CS用量对纸张耐破强度的影响。由图7可知，在0～7.5%用量范围内，纸张的耐破强度随包合物和CS用量的增加而增大，当用量超过2.5%时，耐破强度增长趋势趋于平缓；当用量超过7.5%时，纸张的耐破强度下降。这主要是因为影响耐破强度的因素是纤维间结合力和纤维的平均长度，添加包合物和CS能显著提高纤维间结合力，所以适当添加包合物和CS能提高耐破强度；但是另一方面随着CS的添加，助留了大量的细小纤维，降低了纤维的平均长度，并且当用量过大时，纸浆发生絮聚，纸张的匀度降低，这些都降低了纸张的耐破强度。

图7 包合物和CS用量对纸张耐破强度的影响

2.4 纸张抗菌效果检测

表1为添加不同用量包合物时，纸张对大肠杆菌和金黄色葡萄糖菌抑菌圈直径的影响。由表1可知，没有添加包合物时，纸张上没有出现抑菌圈(如图8所示)，即没有抑菌效果；随着包合物用量的增加，纸张的抑菌圈直径增大，说明纸张的抑菌效果越明显。当包合物用量为2.5%，纸张对大肠杆菌和金黄色葡萄糖菌的抑菌圈直径分别16.9 mm和16.3 mm。当包合物用量从2.5%增至7.5%时，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈直径分别增加了7.1 mm和6.1 mm；同时，相同包合物用量下纸张对大肠杆菌的抑菌圈直径大于金黄色葡萄球菌的，说明CipHCl对大肠杆菌的抑菌效果比对金黄色葡萄球菌的更强，这主要是因为革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的细胞壁结构存在差异[15]。

表1 不同包合物用量下纸张的抑菌效果

图8 包合物用量对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的 抑菌效果

3 结 论

3.1 合成固载β-环糊精阳离子淀粉(β-CD-CS)的最优化条件是：n(EPi)∶n(β-CD)=5∶1，反应温度为40℃,m(β-CD)∶m(CS)=2∶1，NaOH浓度为300 g/L。在此条件下合成产物中β-CD固载量为14.3%，阳离子取代度为0.027。

3.2 随着盐酸环丙沙星(CipHCl)与β-CD-CS制备的包合物用量的增加，纸张的抗张强度、撕裂强度与耐破强度都是先升高后降低，其变化趋势与加入CS的纸张基本一致。

3.3 CipHCl与β-CD-CS制备的包合物具有良好的抑菌效果，且随着包合物用量的增加，纸张的抑菌效果越来越明显。当包合物用量为2.5%时，对大肠杆菌与金黄色葡萄球菌的抑菌圈直径分别为16.9 mm和16.3 mm。

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(责任编辑：刘振华)

Preparation of Cationic Starch Immobilized byβ-Cyclodextrin and Its Application in Antibacterial Paper

DONG Chao1YE Ying1QIAN Li-ying1，*HE Bei-hai1XIAO Hui-ning2

(1.StateKeyLabofPulpandPaperEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,GuangdongProvince, 510640;2.UniversityofNewBrunswick,Fredericton,NewBrunswick,Canada, E3B5A3)

The preparation of cationic starch immobilized byβ-cyclodextrin (β-CD-CS) and its application in papermaking after forming inclusion complexes with ciprofloxacin hydrochloride (CipHCl) were studied. The results showed that the optimal conditions of synthesizingβ-CD-CS were as follows: the molar ratio of epichlorohydrin toβ-CD was 5∶1 and the reaction temperature was at 40℃. With the amount ofβ-CD-CS used for forming the inclusion complex increasing, the tensile strength, tear strength and bursting strength of the paper sheets increased firstly and then decreased. It also showed that the antibacterial effect of the paper sheets containing the inclusion complexes was excellent and increased with the higher adding amount of the inclusion complexes. When the adding amount of the inclusion complexes was 2.5%, the inhibition zones of the paper sheets against E.coli and S.aureus were 16.9 mm and 16.3 mm respectively.

cationic starch;β-cyclodextrin; immobilization; antibacterial effect; mechanical properties

董 超先生，在读硕士研究生；研究方向：造纸化学品与造纸湿部化学。

2013- 09- 22(修改稿)

国家自然科学基金项目(31200457)和中央高校基本科研业务费(2013ZZ0072)专项资金资助。

TS727+.2

A

0254- 508X(2014)02- 0011- 05

*通信作者：钱丽颖女士，E-mail：lyqian@scut.edu.cn。