改性硅藻土吸附壳聚糖-胍盐微球及其在抗菌纸中的应用

林新兴 刘 凯 陈礼辉 黄六莲 曹石林

(福建农林大学材料工程学院,福建福州，350002)

近年来，随着人们对健康和环保意识的增强，尤其是各种有害菌种对人们身体健康造成的危害，使得各种抗菌材料越来越受到重视与青睐，如抗菌塑料、抗菌陶瓷、抗菌织物、抗菌涂料等[1]。纸或纸制品是人们生活中最重要的日常用品之一，研究和开发具有抗菌功能的纸或纸制品具有重要意义，特别用于流通领域的纸，如病例纸、钞票纸、书本纸、扑克牌纸等。这些纸或纸制品使用和交换频繁，容易引起有害细菌传播和交叉感染。所以，多功能抗菌纸的开发和应用不仅能提高纸产品档次，而且在改善人们生活质量等方面也有重要作用[2-3]。

壳聚糖是甲壳素脱乙酰化的一种重要衍生物，具有无毒、生物相容和生物降解性，是一种天然抗菌剂，但存在热稳定性差、有效期短和使用范围窄等问题[4]。胍盐是一种高效抗菌剂，具有强碱性、高稳定性和较好的生物活性等优良特性，广泛应用在化学、医疗、农产品防护、食品和日用品、纺织品以及橡胶等方面。天然硅藻土是一种无毒无害的非金属矿，主要化学成分是SiO2，具有独特的分子结构和形貌，如孔径大、孔隙度大、吸附性好、表面积大和化学性质稳定等特点，因此在造纸工业上被广泛用于功能性填料或涂料颜料[5- 6]。本实验采用离子交联法制备了壳聚糖-胍盐纳米微球复合抗菌剂[7- 8]，该纳米微球既能同时发挥两者具有抗菌性的特点，也扩展了两者的应用范围。再利用十二烷基磺酸钠改性天然硅藻土，改变其表面电化学性质，使得壳聚糖-胍盐微球大量吸附在改性硅藻土表面，并制备了改性硅藻土/壳聚糖-胍盐微球涂料。最后将涂料涂布在纸张上制备高效抗菌纸，研究了抗菌纸的抗菌性能。为制备新型高效抗菌纸提供了一种新工艺。

1 实 验

1.1 材料与试剂

壳聚糖(CTS),质均相对分子质量7×105，脱乙酰度为95%，浙江金壳生物化学有限公司；十二烷基磺酸钠(SDS)、硅藻土(Dt)、盐酸胍(GH)、聚乙烯醇(1799型，醇解度99.8%～100%)，上海阿拉丁试剂有限公司；其他试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

恒温磁力搅拌器，德国IKA公司；Thermo Nicolet 360傅里叶红外光谱仪，美国热电尼高力公司；Netzsch STA 449F3热失重分析仪，德国耐驰仪器公司；KDN-B凯式定氮仪，上海新嘉电子有限公司；JEM-1010透射电镜，日本JEOL仪器公司；Zetasizer Nano-ZS激光粒度仪，英国马尔文仪器公司；GBC-A4涂布机，韩国GIST公司；FD-1A-50真空冷冻干燥机，北京博医康实验仪器有限公司。

1.3 壳聚糖-胍盐微球的制备

先称取0.4 g壳聚糖(CTS)充分溶解在100 mL 1%的醋酸溶液中，再将8 g/L盐酸胍(GH)溶液50 mL 与2 g/L的三聚磷酸钠(TPP)溶液40 mL混合均匀，缓慢滴加到壳聚糖溶液中，在室温下搅拌4 h 后制得190 mL壳聚糖-胍盐纳米微球(以下简称壳聚糖-胍盐微球)乳液，即壳聚糖-胍盐微球复合抗菌剂。

1.4 壳聚糖-胍盐微球的红外光谱分析

将壳聚糖-胍盐微球乳液置于真空冷冻干燥机中，干燥后取一定量微球，利用KBr压片法进行红外光谱(FT-IR)检测。

1.5 硅藻土的阴离子改性

称取3 g硅藻土(Dt)加入到30 mL蒸馏水中，再加入一定量的阴离子表面活性剂十二烷基磺酸钠(SDS)，用0.1 mol/L 的标准盐酸调节pH值为1。在恒温磁力搅拌器中搅拌4 h，静置沉淀后，去除上清液，用蒸馏水对沉淀物清洗3次去除多余的SDS。最后将沉淀置于60℃烘箱中干燥，即得到改性硅藻土。

1.6 改性硅藻土对复合抗菌剂的吸附

首先量取190 mL壳聚糖-胍盐微球复合抗菌剂乳液于250 mL锥形瓶中，加入不同量的改性硅藻土，在室温下置于恒温振荡器中振荡，吸附达到平衡后，通过离心分离得到改性硅藻土吸附抗菌剂(或称改性硅藻土/壳聚糖-胍盐微球)。按照上述过程，利用改性硅藻土分别吸附壳聚糖微球或胍盐可制得对照样。

吸附过程中上清液氮含量可通过如下过程确定：在吸附过程中的不同时间段(0、2、4、6、10、20、30、60 min)分别取一定量上层清液，利用凯式定氮仪测定其中的氮含量，计算公式如下[9]：

式中：V为滴定微球乳液所消耗的标准盐酸体积(mL)，C为标准盐酸浓度 (mol/L)，W为上清液样品质量(g)。吸附过程中上清液氮含量稳定时所需时间即为吸附平衡时间。

1.7 改性硅藻土吸附壳聚糖-胍盐微球的表征

取一定量改性硅藻土/壳聚糖-胍盐微球置于60℃烘箱中，干燥后利用KBr压片法进行红外光谱检测。并利用热失重分析仪测定其热稳定性。

1.8 涂料制备

称取1 g聚乙烯醇加入到100 mL蒸馏水中，置于90℃水浴锅中加热，搅拌至全部溶解后冷却至室温，取3个100 mL烧杯，分别加入10 g聚乙烯醇溶液，再分别加入3 g改性硅藻土/壳聚糖-胍盐微球、改性硅藻土/壳聚糖、改性硅藻土/胍盐，不断搅拌使其充分混合后制得3种涂料。

1.9 抗菌纸制备

将涂料均匀地涂在定量为70 g/m2的原纸表面，制备高效抗菌纸，涂布后的纸张置于烘箱中干燥，干燥温度70℃，时间5 min。

1.10 抗菌纸的抗菌性能检测

首先将大肠杆菌和金黄色葡萄球菌置于LB培养液中培养24 h，用移液管移取2 mL倒入预先灭过菌的培养皿中。将抗菌纸裁剪成直径为6 mm的圆片，贴在含菌的培养基上，置于37℃的培养箱中培养24 h，观察纸样周围的抑菌圈。

2 结果与讨论

2.1 壳聚糖-胍盐微球的红外光谱分析

图1 壳聚糖-胍盐微球的红外光谱图

图2 壳聚糖-胍盐微球的微观分析

2.2 壳聚糖-胍盐微球的TEM观察与粒径分布测定

利用透射电镜研究了壳聚糖-胍盐微球的形态(见图2)。由图2可以看出，通过离子交联法制备的壳聚糖-胍盐复合物大小均匀，呈微球状，粒径主要集中在10～210 nm之间，平均粒径为94.5 nm。由于微球直径不足100 nm，比硅藻土平均粒径(20～60 μm)小很多，该微球很容易通过静电作用吸附在硅藻土表面，并通过涂布方式留在纸张表面，从而起到抗菌作用。

2.3 改性硅藻土对壳聚糖-胍盐微球的吸附动力学

图3 改性与未改性硅藻土对壳聚糖-胍盐微球的吸附动力学

硅藻土表面存在大量的硅羟基，在水中解离出H+，使硅藻土表面带负电荷[13]。壳聚糖中大量的氨基电离，使壳聚糖-胍盐微球表面带正电荷，可通过静电作用吸附在硅藻土表面。图3为硅藻土改性前后对壳聚糖-胍盐微球的吸附动力学。从图3可知，随吸附时间的增加，上清液中氮含量逐渐降低，说明乳液中的微球被逐渐吸附到硅藻土上。与未改性相比，经过十二烷基磺酸钠改性的硅藻土对壳聚糖-胍盐微球的吸附量更大，即上清液的氮含量更低。另外，与未改性相比，改性硅藻土对壳聚糖-胍盐微球的吸附速度更快，在4 min后就可以达到平衡，而未改性的硅藻土要6 min后才能达到吸附平衡。这主要是因为十二烷基磺酸钠能够增强硅藻土的表面负电性，硅藻土表面具有更多的负电吸附位，对壳聚糖-胍盐微球的吸附力有所增强，同时也可吸附更多的纳米微球。

图4 改性硅藻土及其吸附纳米微球的红外光谱图

2.4 改性硅藻土/壳聚糖-胍盐微球的红外光谱分析

硅藻土及改性硅藻土/壳聚糖-胍盐微球的红外光谱图如图4所示。由图4可知，未改性硅藻土的主要特征峰出现在3435 cm-1、1633 cm-1、1087 cm-1处，分别属于吸附水—OH的伸缩振动、水分子—OH的弯曲振动和Si—O的伸缩振动；另外，793 cm-1和497 cm-1处分别为Si—O—Si的伸缩振动和Si—O—Si的弯曲振动。与未改性相比，经十二烷基磺酸钠改性后的硅藻土在2921 cm-1和2852 cm-1处出现2个新的特征峰，属于—CH2—的不对称和对称伸缩振动；在1463 cm-1处出现—CH2—的弯曲振动峰，这是十二烷基磺酸钠的烷基链的特征峰，表明十二烷基磺酸钠已对硅藻土表面进行了改性，并插入硅藻土层间。同时，改性硅藻土在3441 cm-1处的吸收峰有所减弱，这可能是由于硅藻土层间的吸附水减少所致[14-15]。改性硅藻土吸附纳米微球后，在1557 cm-1和898 cm-1处产生了2个新的特征吸收峰，分别为酰胺键Ⅱ与β-吡喃型糖苷键的吸收峰，这与壳聚糖-胍盐微球上的1535 cm-1和899 cm-1处的特征峰相对应，说明纳米微球已吸附在改性硅藻土表面。同时，将改性硅藻土/壳聚糖-胍盐微球的红外光谱图(图4中的d)与其他3条光谱图相比可以发现，并没有产生新的特征峰，即改性硅藻土吸附壳聚盐-胍盐微球后没有出现新的化学键，表明二者只是通过静电吸附作用结合在一起。

图7 抗菌纸抗菌性能分析

2.5 改性硅藻土/壳聚糖-胍盐微球的热稳定性

图5 改性硅藻土及改性硅藻土/壳聚糖-胍盐微球的TG图

图6 改性硅藻土及改性硅藻土/壳聚糖-胍盐微球的DTG图

图5与图6分别为改性硅藻土、壳聚糖-胍盐微球、改性硅藻土/壳聚糖-胍盐微球的TG和DTG图。由图5可知，壳聚糖-胍盐微球的热失重主要分4个阶段，其质量损失分别为6%、16%、21%和17%，初始分解温度为113.4℃。改性硅藻土的热重曲线几乎为直线，基本没有质量损失，说明改性硅藻土有较好的热稳定性。而改性硅藻土/壳聚糖-胍盐微球的热失重分2个阶段，其质量损失分别为5%和1%，初始分解温度为236.6℃。从上述结果可以看出，与改性硅藻土相比，改性硅藻土/壳聚糖-胍盐微球的TG曲线具有较明显的质量损失，这主要是由于壳聚糖-胍盐微球受热分解，也说明壳聚糖-胍盐微球已固载在硅藻土表面。另外，改性硅藻土/壳聚糖-胍盐微球初始分解温度(236.6℃)要高于壳聚糖-胍盐微球的初始分解温度(113.4℃)，说明改性能藻土/壳聚糖-胍盐微球的热稳定性强于壳聚糖-胍盐微球。

2.6 抗菌纸的抗菌性能

为了研究该合成的抗菌剂的抗菌性能，制备了不同涂料和涂布量的抗菌纸，并对其进行抗菌性能检测。抗菌纸的涂料、涂布量见表1，抗菌效果如图7所示。

表1 抗菌纸涂料、涂布量

抗菌纸的抗菌性能采用抑菌圈法进行检测，而抗菌对象为大肠杆菌(一种革兰氏阴性细菌)和金黄色葡萄球菌(一种革兰氏阳性细菌)，这是人们日常生活中比较常见且容易引起一些常见疾病的两种细菌。

图7(a)是抗菌纸对金黄色葡萄球菌的抑菌作用。从图7(a)可知，纸样a、b、c、d、e、f的抑菌圈大小分别为0、2、3.5、4、5、7 mm。图7(b)是抗菌纸对大肠杆菌的抑菌作用，纸样a’、b’、c’、d’、e’、f’的抑菌圈大小依次为0、2、2.5、3.5、4、5 mm。空白纸样没有产生抑菌圈，表明不具有抗菌性能。涂布量相同时，与含有改性硅藻土/壳聚糖涂料(对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌圈均为2与2 mm)或改性硅藻土/胍盐涂料(对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌圈分别为3.5与2.5 mm)的抗菌纸相比，含有改性硅藻土/壳聚糖-胍盐微球涂料的抗菌纸产生的抑菌圈更大，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌圈分别为4与3.5 mm。这主要是由于壳聚糖与胍盐本身都具有一定的抗菌性能，两者复合后可以发挥协同抗菌作用，抗菌性能得到加强。另外，从纸样 d、e、f与d’、e’、f’的抑菌圈大小可以看出，随着涂布量的增加，抗菌纸的抗菌性能增强。

3 结 论

采用离子交联法制备了壳聚糖-胍盐纳米微球，通过红外光谱分析可知壳聚糖与胍盐之间的复合是一种物理交联过程。经过十二烷基磺酸钠改性后的硅藻土对壳聚糖-胍盐微球吸附不到10 min即达到平衡。通过抑菌圈抗菌实验可知，涂有改性硅藻土/壳聚糖-胍盐微球涂料的抗菌纸对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌都具有较好的抗菌性能。这种新型抗菌纸同时含有2种抗菌剂，其优异的抗菌性能非常适合用于医疗等领域。

参 考 文 献

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