改性汉麻秆芯抑菌性研究

屈晓玲，姜振生，王世生，颜婉茹，任媛媛，李明阳，李东平

(1.黑龙江省塑料工业科学研究所，哈尔滨 150001； 2.哈尔滨理工大学，哈尔滨 150080)

0 引 言

近年来，人们越来越注重抗菌纺织物的研究[1]。汉麻作为最早被应用于纺织品的天然纤维之一[2]，因其独特的化学性能及表面结构，得到了广泛关注。汉麻秆芯主要含量为纤维素、半纤维素、木质素[3]，且含有很多种类的酚类物质，如大麻酚(THC)、大麻二酚(CBD)[4]，这些大麻酚类物质可灭杀霉菌类微生物。汉麻秆芯微观结构呈管状，表面比较粗糙，排布着很多孔洞，空气易于进入，不利于厌氧菌的产生，可有效抑制厌氧菌的生长和繁育[5]，汉麻的天然抑菌性已成为近年来的研究热点之一。

分别采用烧碱改性法、硅烷偶联剂改性法、马来酸酐接枝改性法对汉麻秆芯进行改性，并对改性前后的汉麻秆芯进行红外光谱测试、扫描电镜测试及抑菌性实验，发现改性后汉麻秆芯具有更好的抑菌性。

1 实验部分

1.1 实验原料及仪器设备

原料：汉麻(黑龙江省科学院大庆分院提供)，氢氧化钠(天津市天新精细化工开发中心生产)，硅烷偶联剂KH-550(上海耀化工贸有限公司生产)，顺丁烯二酸酐(天津市福晨化学试剂厂生产)，无水乙醇(天津市富宇精细化工有限公司生产)，冰醋酸(天津市东丽区天大化学试剂厂生产)，过氧化氢(天津市东丽区天大化学试剂厂生产)，氯化钠(天津市东丽区天大化学试剂厂生产)，牛肉粉(北京奥博星生物技术有限责任公司生产)，琼脂粉(天津市恒兴化学试剂制造有限公司生产)，蛋白胨(北京奥博星生物技术有限责任公司生产)。

仪器：分析天平，手提式多功能粉碎机，80目筛子，循环水式多用真空泵，电热恒温鼓风干燥箱，红外光谱仪，扫描电子显微镜，电热恒温培养箱，立式压力蒸汽灭菌器，调温电热套。

1.2 测试

对改性前后的汉麻秆芯进行红外光谱分析，通过扫描电子显微镜获得改性前后汉麻秆芯的表面形貌图像，进行抑菌性实验，计算抑菌率，对改性前后的汉麻秆芯的抑菌性进行分析。

1.3 实验方法

1.3.1 汉麻秆芯粉的制备

挑选出汉麻秆芯，利用粉碎机粉碎，再通过80目筛子筛出得到汉麻秆芯粉。

1.3.2 汉麻秆芯的改性

a.氢氧化钠改性汉麻秆芯粉的制备：配置2%、5%、7%质量浓度的NaOH溶液。分别称取2 g汉麻秆芯粉，放入配置好的溶液当中，浸泡2 h，抽滤后放入100℃的烘箱内烘干至恒重，称重。

b.硅烷偶联剂KH-550改性汉麻秆芯粉的制备：配置3%、5%、7%质量浓度的KH-550溶液。分别称取2 g的汉麻秆芯粉，放入配置好的溶液当中，浸泡2 h，抽滤后放入100℃的烘箱内烘干至恒重，称重。

c.马来酸酐改性汉麻秆芯粉的制备：安装仪器，在三颈瓶内倒入一定质量浓度(2%、5%、7%)的马来酸酐溶液，加热至60℃左右，使溶液完全溶解至透明，放入2 g汉麻秆芯粉，升温至100℃反应2 h，反应过程中加入少量的过氧化氢作为催化剂。抽滤后倒入一定量无水乙醇浸泡6 h，以除去未反应的马来酸酐，抽滤，放入100℃的烘箱内烘干至恒重，称重。

1.3.3 改性汉麻秆芯粉的抑菌性实验

a.培养基的制备：表1和表2分别为液体培养基及固体培养基的配方。液体培养基用于培养菌种，固体培养基用于固定菌种，易于菌落计数。

表1 液体培养基配方Tab.1 Recipe of liquid culture medium

表2 固体培养基配方Tab.2 Formulation of solid culture medium

b.灭菌处理：将熬制好的培养基趁热倒入锥形瓶内，棉花塞住瓶口后用无菌扣封住瓶口，将培养皿、移液管等实验所需仪器及蒸馏水放入立式压力蒸汽灭菌器内，灭菌30 min后取出备用。

c.菌种接种：在无菌室内进行菌种接种。首先点燃酒精灯，进行无菌操作。用酒精擦拭双手及试管口进行灭菌，镊子放在酒精灯上进行灭菌。培养基稍稍放凉，防止培养基过热杀死菌种，取两个试管标号，分别倒入一定量液体培养基，用镊子夹取一定菌种，放入试管中摇匀，培养12 h。

用移液管在试管内取0.1 mL菌种放入培养皿内，摇匀。将固体培养基熔化后，放置50℃左右，倒入培养皿内摇匀。将培养皿倒放放入培养箱内培养12 h，观察菌落是否成活。

d.抑菌实验：先准备两个锥形瓶标号，将大肠杆菌、金黄葡萄球菌用无菌水稀释100倍。用未改性与改性的汉麻秆芯粉进行抑菌实验。每次称取0.3 g的汉麻秆芯粉进行实验，将汉麻秆芯粉平铺在菌落上，倒入固体培养基进行培养，在培养箱内培养12 h后，进行菌落计数。每组实验重复两次，取平均值得出最终结果。

1.3.4 抑菌率的计算

以直接观察法数出各菌落生长12 h后的菌落数目，计算。

式中：Y—试样的抑菌率；Wt—2个空白样培养12 h后细菌浓度的平均值(CFU/mL)；Qt—2个测试样培养12 h后细菌浓度的平均值(CFU/mL)。

2 结果与讨论

2.1 红外分析

改性前的汉麻秆芯粉红外光谱图如图1所示，3 423.22 cm-1处的宽尖峰为羟基O-H伸缩振动峰，1 053.96 cm-1左右的吸收峰为C-O和C-O-C伸缩振动，架振，1 639.58 cm-1处为苯环上C=C双键伸缩振动，669.38 cm-1处为C-H面外弯曲振动吸收峰。

图1 未改性汉麻秆芯粉红外光谱Fig.1 Infrared spectroscopy of unmodified hemp stalk core powder

NaOH改性后的汉麻秆芯粉红外光谱图如图2所示，其中1、2、3分别为2%、5%、7%浓度NaOH改性的汉麻秆芯粉，经NaOH改性后的汉麻秆芯粉的各吸收峰逐渐变强，且杂峰逐渐减少，芳环振动吸收峰、C-O和C-O-C伸缩振动更加明显。经图谱对照可以看出，5%浓度NaOH改性的汉麻秆芯粉，各吸收峰最强且杂峰较少，所以5%浓度NaOH改性的汉麻秆芯粉改性最好。

KH-550改性后的汉麻秆芯粉红外光谱图如图3所示，其中1、2、3分别为3%、5%、7%浓度KH-550改性的汉麻秆芯粉，在1 050 cm-1左右出现的峰为Si-O伸缩振动，1 250～1 600 cm-1处为N-H振动，说明汉麻秆芯接枝上了Si-O键、N-H键。从图中可以看出，5%改性汉麻秆芯粉的吸收峰最强，故5%浓度改性为最优选择。

图2 NaOH改性汉麻秆芯粉红外光谱Fig.2 Infrared spectroscopy of NaOH modified hemp stalk core powder

图3 KH-550改性汉麻秆芯粉红外光谱图Fig.3 Infrared spectroscopy of KM-550 modified hemp stalk core powder

图4 马来酸酐改性汉麻秆芯粉红外光谱图Fig.4 Infrared spectroscopy of maleic anhydride modified hemp stalk core powder

马来酸酐改性后的汉麻秆芯粉红外光谱图如图4所示，其中1、2、3为2%、5%、7%浓度马来酸酐改性的汉麻秆芯粉，1 750 cm-1、1 800 cm-1处的双峰为酸酐特征吸收峰，说明马来酸酐成功接枝到汉麻表面。从图4可以看出，5%马来酸酐改性汉麻秆芯最稳定，所以5%浓度为最优选择。

2.2 SEM分析

图5为改性前后的汉麻秆芯SEM图。a、b、c、d分别为未改性的汉麻秆芯、5%NaOH、5%KH-550、5%马来酸酐改性汉麻秆芯SEM图。通过SEM图可以看到未改性汉麻秆芯呈中空的杆状结构，表面上具有微小的孔洞。改性后的汉麻秆芯表面变得光滑，这是因为汉麻秆芯中杂质减少了，除去了汉麻秆芯表面的胶质、纤维素等物质。

图5 改性前后汉麻秆芯扫描电镜图片Fig.5 Scanning electron microscope picture of hempstalk core before and after modification

2.3 抑菌测试结果分析

改性汉麻秆芯对大肠杆菌的抑菌结果如表3所示。

表3 大肠杆菌菌落数Tab.3 Number of escherichia coli colonies

图6为实验中大肠杆菌空白样品，图7为不同改性方法的汉麻秆芯对大肠杆菌生长情况的抑制作用，1、2、3、4分别代表未改性、NaOH改性、KH-550改性、马来酸酐改性的汉麻秆芯粉。从图6、7及表3中可以明显看出，改性后的汉麻秆芯对大肠杆菌的抑制作用更明显。其中，KH-550及马来酸酐改性后的秆芯对大肠杆菌的抑制作用最好，培养基内没有生长菌落。

图6 大肠杆菌空白试样Fig.6 Blank sample of escherichia coli colony

图7 不同改性方法对大肠杆菌生长影响Fig.7 Effects of different modified methodson escherichia coli colonies

改性汉麻秆芯对金黄葡萄球菌的抑菌结果如表4所示。

表4 金黄葡萄球菌菌落数Tab.4 Number of staphylococcus aureus colonies

图8为实验中金黄葡萄球菌的空白样品，图9为不同改性方法的汉麻秆芯粉对金黄葡萄球菌生长情况的抑制作用。从图中可以明显看出，改性后的汉麻秆芯对大肠杆菌的抑制作用更明显。其中，NaOH改性方法对金黄葡萄球菌的抑制效果最明显。

图8 金黄葡萄球菌空白试样Fig.8 Blank sample of of staphylococcus aureus colonies

图9 不同改性方法对金黄葡萄球菌生长的影响Fig.9 Effects of different modified methods on staphylococcus aureus growing

2.4 抑菌率的计算

根据抑菌率计算公式，得到不同汉麻秆芯的抑菌率如表5所示。

表5 不同汉麻秆芯抑菌率Tab.5 Bacteriostasis rate of different hemp stalk core

通过计算可以看出，改性后的汉麻秆芯对大肠杆菌和金黄葡萄球菌的抑菌作用有明显的提高。特别是对大肠杆菌的抑制，未改性的汉麻秆芯对大肠杆菌抑菌作用较弱，经改性后具有了明显的抑菌作用，特别是KH-550和马来酸酐对汉麻秆芯的改性，抑菌率更是达到了100%。对于金黄葡萄球菌，未改性的汉麻秆芯对于其也有很好的抑菌性能，改性后的汉麻秆芯抑菌率进一步得到了提升，接近于100%。

通过以上的抑菌实验可以看出，汉麻秆芯对于细菌确实具有一定的抑制作用，且改性后效果更好，但对于不同菌种有着不一样的抑制作用。

3 结论

采用烧碱改性法、硅烷偶联剂改性法、马来酸酐接枝改性法对汉麻秆芯进行改性，并对其抑菌性进行研究，结论如下：

通过红外谱图可以得到5%的NaOH、5%的KH-550及5%的马来酸酐改性效果最好。

通过分析改性前后的汉麻秆芯粉扫描电镜图片可以发现，改性后的汉麻秆芯表面发生了明显的变化，汉麻秆芯表面更加光滑。

由抑菌实验可以得出，未改性的汉麻秆芯对大肠杆菌没有抑菌作用，对金黄葡萄球菌抑菌率达98.3%。NaOH改性汉麻秆芯对于大肠杆菌抑菌性显著提升，抑菌率达94.2%，对金黄葡萄球菌抑菌率为99.8%。KH-550改性汉麻秆芯对于大肠杆菌抑菌性能很好，抑菌率达100%，对金黄葡萄球菌的抑菌率也有99.1%。马来酸酐改性汉麻秆芯对于大肠杆菌的抑菌率达100%，对于金黄葡萄球菌的抑菌率为99.3%。由此说明，汉麻秆芯粉改性后，抑菌效果效果更好，但对于不同菌种抑制效果也不同。