交联改性抗菌淀粉的制备及其性能

周 纯， 张 斌， b， 张 洁

(东华大学 a. 纺织学院； b. 纺织面料技术教育部重点实验室，上海201620)

淀粉具有来源广泛、价格低廉、可再生和易生物降解等优点，被广泛应用于食品、纺织、造纸、石油和医药等领域[1]。但淀粉是一种多糖类物质，易滋生细菌和霉变[2]。这不仅影响淀粉的储存和生产加工，而且会导致淀粉性能劣化，影响其质量和应用，严重制约了淀粉工业的发展。因此，对淀粉进行抗菌改性，以赋予其抑菌性能，对改善淀粉性能和扩大应用范围有着极其重要的意义。淀粉获得抗菌性能的方法主要有物理共混法和化学反应法：前者简单易行，但是抗菌成分易迁移，抗菌效果不持久；后者具有抗菌持久、安全性高和性能稳定等特点，是目前研究较多的淀粉抗菌改性方法。季铵盐壳聚糖是壳聚糖的一种衍生物，其不仅保留了壳聚糖的天然特性，安全无毒，生物相容性好，而且具有更强的抗菌抑菌性能和良好的水溶性[3-4]。Tajima等[5]将季铵盐壳聚糖应用于化妆品中，有效地抑制了大肠杆菌和枯草杆菌的生长等。目前关于壳聚糖与淀粉共混物的研究较多，如涂布纸张[6-10]和食品包装膜[11-18]等，但是将季铵盐壳聚糖应用在淀粉中的研究仍较少。

本文采用环氧氯丙烷为交联剂，对季铵盐壳聚糖和淀粉混合物进行交联处理，探究了交联工艺对季铵盐壳聚糖交联抗菌改性淀粉性能的影响。

1 试验部分

1.1 主要材料和仪器

材料：木薯淀粉，三明百事达淀粉有限公司，食用优级；羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖，南通绿神生物工程有限公司，取代度95%；胰蛋白胨、酵母提取物和琼脂粉，英国Oxide公司；金黄色葡萄球菌(ATCC25923)，南京便诊生物科技有限公司；环氧氯丙烷、氢氧化钠和无水硫酸钠，国药集团化学试剂有限公司，均为分析纯。

设备：W201B型恒温水浴锅，常州澳华仪器有限公司； SW-C7-(H)型洁净工作台，上海博讯实业有限公司医疗设备厂；ZTD110-04D2型消毒柜，浙江帅康电气股份有限公司；GHP-9080型恒温培养箱，上海森信实验仪器有限公司；TS-100C型恒温摇床，上海柏欣仪器设备厂；FA2004A型电子天平，丹佛仪器(北京)有限公司。

1.2 抗菌淀粉的制备

称取绝干的木薯淀粉，分散于去离子水中，配成质量分数为6%的悬浮液，将其加入已置于恒温水浴槽的三口烧瓶中。开动搅拌器，加入一定质量分数(与淀粉干基的质量百分比)的季铵盐壳聚糖和质量分数为0.6%的硫酸钠。采用NaOH调节 pH值至9后，将一定体积分数(与淀粉悬浮液的体积百分比)的环氧氯丙烷缓慢加入到反应体系中。水浴升温至一定温度，反应一定时间后，将反应液pH值调至中性，冷却，抽滤，洗涤，烘干粉碎后制得交联改性抗菌淀粉。

1.3 沉降积的测定

沉降积可用于间接表征交联度的大小。准确称取0.5 g绝干的样品并倒入烧杯中，向烧杯中加入蒸馏水，使乳液的质量分数为2%。然后将其置于82～ 85 ℃水浴中，搅拌，保温2 min。取出冷却后，分别向两只离心管中倒入10 mL乳液，以4 000 r/min的转速离心2 min。取出离心管，将上清液倒入相同体积的离心管中，读出体积，计算沉降积，同一样品进行两次平行测定。沉降积(S)的计算公式如式(1)所示。

S=10-V

(1)

式中：V为清液体积，mL；10为所量取的淀粉乳液体积，mL。

1.4 抗菌性能测试

本文参照GB/T 20944.3—2008[19]，采用金黄色葡萄球菌作为试验菌种，对交联改性抗菌淀粉进行抗菌性能测试。

1.5 扫描电子显微镜(SEM)分析

将表面喷金后的木薯原淀粉、抗菌淀粉和季铵盐壳聚糖，置于TM-3000型热场发射扫描电子显微镜下。放大5 000 倍观察外观形貌，扫描电压为15 kV。

1.6 傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析

采用KBr压片法将原淀粉和抗菌改性淀粉制成样品，置于50 ℃烘箱中干燥4 h，然后将样品置于Avatar型红外吸收光谱仪下进行测试，波数为400～4 000 cm-1。

2 结果与讨论

2.1 季铵盐壳聚糖质量分数对交联的影响

本文以NaOH为催化剂，将淀粉和季铵盐壳聚糖(HACC)分子中的羟基活化，然后与环氧氯丙烷中环氧基团反应，制得季铵盐壳聚糖交联淀粉。

在环氧氯丙烷体积分数为1.2%、反应温度为50 ℃、反应时间为3 h的条件下，考察HACC质量分数(1.0%、 1.2%、 1.5%、 2.0%、 3.0%、 6.0%)对交联的影响，结果如图1所示。

图1 HACC质量分数对沉降积和抑菌率的影响Fig.1 Effect of mass fraction of HACC on sedimentation volume and bacterial inhibition rate

由图1可知，随着HACC质量分数的逐渐增加，交联改性抗菌淀粉的沉降积呈先减小后增加的趋势，抑菌率则呈先增加后减小的趋势。当HACC质量分数为3.0%时，沉降积达到最小值，而抑菌率达到最大值。这是由于随着HACC质量分数的增加，反应体系中HACC的分子增多，分子之间碰撞的几率增加，与淀粉交联的抗菌剂增加，沉降积减小，抑菌率增加；当HACC质量分数大于3.0%时，HACC过多，反应体系的黏度增加，HACC的分散性变差，分子运动的自由度也受到阻碍，降低了淀粉分子与HACC分子间的碰撞结合，导致交联度减小，抑菌率也减小。综合考虑，HACC最优质量分数为3.0%。

2.2 交联剂体积分数对交联的影响

在HACC质量分数为3.0%、反应温度为50 ℃、反应时间为3 h的条件下，考察交联剂体积分数(0.3%、 0.6%、 1.2%、 2.4%、 3.6%、 4.8%)对交联的影响，结果如图2所示。

图2 交联剂体积分数对沉降积和抑菌率的影响Fig.2 Effect of volume fraction of cross-linker on sedimentation volume and bacterial inhibition rate

由图2可知，随着交联剂体积分数的逐渐增加，交联改性抗菌淀粉的沉降积逐渐减小，抑菌率逐渐增加，之后二者都趋于平衡。这是由于当交联剂的体积分数小于0.6%时，随着交联剂体积分数的增加，体系中可利用的交联剂分子数量较多，较多的抗菌剂与淀粉交联，沉降积减小，抑菌率增加；当交联剂体积分数大于0.6%时，虽然体系中交联剂的分子数量增多，但是淀粉分子上可供反应的基团越来越少，反应难度增加，使得沉降积和抑菌率趋于平缓。若继续增加交联剂体积分数，交联度及抑菌率未明显提高，且原料成本增加。综合考虑，交联剂的最优体积分数为0.6%。

2.3 反应温度对交联的影响

在HACC质量分数为3.0%、环氧氯丙烷体积分数为0.6%、反应时间为3 h的条件下，考察反应温度(20、 30、 35、 40、 45、 50、 55 ℃)对交联的影响，结果如图3所示。

图3 反应温度对沉降积和抑菌率的影响Fig.3 Effect of reaction temperature on sedimentation volume and bacterial inhibition rate

由图3可知，随着温度的逐渐升高，交联改性抗菌淀粉的沉降积呈逐渐减小的趋势，抑菌率呈逐渐增加趋势，当温度高于50 ℃时，沉降积和抑菌率的变化不明显。这是由于温度升高，体系中分子动能增加，从而使分子的运动加剧，增强了反应活性，分子相互之间的碰撞几率增加，有利于交联反应的进行，使得沉降积减小，交联度增加，抑菌率上升。当温度高于50 ℃时，淀粉及HACC分子上可供反应的基团越来越少，反应难度增加，使得沉降积和抑菌率变化不明显。综合考虑，最优的反应温度为50 ℃。

2.4 反应时间对交联的影响

在HACC质量分数为3.0%、环氧氯丙烷体积分数为0.6%、反应温度为50 ℃的条件下，考察反应时间(2、 3、 4、 5、 6 h)对交联的影响，结果如图4所示。

图4 反应时间对沉降积和抑菌率的影响Fig.4 Effect of reaction time on sedimentation volume and bacterial inhibition rate

由图4可知，随着反应时间的逐渐增加，交联改性抗菌淀粉的沉降积呈减小的趋势，抑菌率呈增加的趋势，5 h后二者的变化都趋于平衡。这是由于反应时间的增加使得反应物之间的接触较为充分，有利于淀粉与HACC分子间交联反应的发生，使沉降积减小，抑菌率升高；当反应时间超过5 h后，淀粉分子及HACC分子链上可发生反应的基团数量越来越少，使沉降积和抑菌率的变化不再明显。综合考虑，最优的反应时间为5 h。

综上所述，交联改性抗菌淀粉的最佳制备工艺为：HACC质量分数为3.0%，环氧氯丙烷的体积分数为0.6%，反应温度为50 ℃，反应时间为5 h。在此条件下，交联改性抗菌淀粉的抑菌率和沉降分别为95.5%和1.7 mL。

2.5 淀粉形貌分析

放大5 000倍的原淀粉(St)、季铵盐壳聚糖(HACC)、季铵盐壳聚糖/淀粉交联物(交联HACC/St)以及季铵盐壳聚糖/淀粉共混物(共混HACC/St)的扫描电镜(SEM)图如图5所示。

(a) St

(b) HACC

(c) 交联HACC/St

(d) 共混HACC/St图5 St、HACC、交联HACC/St和共混HACC/St的SEM图Fig.5 SEM images of the native starch， HACC，cross-linked HACC/St and blended HACC/St

由图5可以看出：原淀粉的表面光滑且颗粒完整；HACC表面平整，没有明显的凹凸结构；HACC/St共混物已发生相分离现象；通过交联反应后，HACC/St交联物表面致密有凹坑。

2.6 傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析

季铵盐壳聚糖、淀粉和季铵盐壳聚糖/淀粉交联物的红外光谱图如图6所示。

图6 St、HACC和交联HACC/St红外图谱Fig.6 FT-IR spectra of the native starch， HACC and cross-linked HACC/St

由图6中可以看出，HACC/St交联物的红外谱图上既有HACC在1 476 cm-1位置的C—N特征吸收峰，又有St在1 078 cm-1与1 009 cm-1位置CH2—O—CH2的伸缩振动峰，可证明淀粉和HACC间发生了交联反应。

3 结 论

(1) 以沉降积和抑菌率为性能指标，确定了交联改性抗菌淀粉的较佳工艺，在此工艺下制备的交联改性抗菌淀粉的沉降积为1.7 mL，对金黄色葡萄球菌的抑菌率达到95.5%。

(2) SEM形貌分析表明，交联反应破坏了淀粉颗粒原来的球形结构，经过抗菌改性后的淀粉表面粗糙有凹坑；FT-IR谱图可证明淀粉和HACC发生了交联反应。