抗菌型淀粉接枝苯丙乳液的合成与性能

王丽洁，曲文娟，刘嘉鑫，李少香，李厚为

(青岛科技大学环境与安全工程学院，山东 青岛 266000)

近年来，随着雾霾污染天气增加，空气中细菌等微生物也不断增加，严重影响人们的生活和工作。随着社会发展和环保要求的提高，尤其是新冠肺炎疫情的大流行，新型抗菌涂料开始走进我们的生活，不仅要求抗菌涂料抗菌性能强，而且健康安全、效果持久[1]。淀粉是一种绿色环保、价格低廉的天然生物大分子，既能生物降解又可再生，这些优点远超合成高分子，使其成为一种重要的原料。天然抗菌剂是从植物动物中提取而成的抗菌剂，也是人们使用历史最长的抗菌剂，来源广泛且易获得，具有毒副作用小，安全无污染，生物相容性好等优点。所以本文基于淀粉接枝苯丙乳液，选取植物源天然抗菌剂制备综合性能优异、安全持久的抗菌型生物基乳液，实现乳液绿色合成和无皂化的同时进一步提高乳液的综合性能[2]。为其在水性抗菌涂料中的应用推广提供重要的理论依据，对生物基乳液的理论发展也有重要意义[3-4]。

本文从绿色环保角度出发，以淀粉、苯乙烯、丙烯酸丁酯为主要原料，基于无皂乳液聚合方法[5]，通过化学方法添加植物源天然抗菌剂甘草[6]、茶多酚[7]、肉豆蔻[8]、肉桂油[9]等制备抗菌型淀粉接枝苯丙乳液，考察天然抗菌剂的种类及用量对乳液性能的影响，并对制备的乳液进行红外光谱、热重、抗菌性能测试，确定最佳的天然抗菌剂种类及用量。

1 实验部分

1.1 原料

玉米淀粉(菱花集团有限公司)；去离子水，自制；七水合硫酸亚铁、丙烯酸丁酯、苯乙烯，国药集团化学试剂有限公司；30%过氧化氢溶液，烟台远东精细化工有限公司；甘草提取物，中科达生物科技有限公司；茶多酚，鸿易食品添加剂有限公司；肉豆蔻，兴华绿帅食品有限公司；肉桂油，山西吉水县威海药用油厂；即用型营养琼脂培养基，江门市凯林贸易有限公司。

1.2 抗菌型淀粉接枝苯丙乳液的制备

取适量玉米淀粉置于一定温度的烘箱中烘干水分，设定淀粉与水质量比为1∶5，丙烯酸丁酯与苯乙烯质量比为1∶1，将淀粉与去离子水混合后加入到三口烧瓶中，于45 ℃水浴预混10 min，然后加入催化剂硫酸亚铁，以一定的速率滴加H2O2，滴加完毕后，升高温度至90 ℃，保温30 min，加入选取的天然抗菌剂，降温至80 ℃，滴加核单体丙烯酸丁酯以及部分引发剂，保温0.5 h，继续滴加壳单体苯乙烯和剩余引发剂，继续保温1.5 h，冷却过滤得到抗菌型淀粉接枝苯丙乳液。添加不同种类天然抗菌剂(甘草、茶多酚、肉豆蔻、肉桂油)的乳液按顺序依次命名为A-1、A-2、A-3、A-4，纯乳液为未添加天然抗菌剂的氧化淀粉接枝苯丙乳液。

1.3 表征与性能测试

1.3.1 固含量

固含量的测试方法是称取表面皿质量为m0，在表面皿上滴加约0.5 g被测乳液，乳液与表面皿的总质量记作m1。将表面皿在120 ℃烘箱中烘2 h，待乳液干燥质量不再变化后，拿出称重，质量记为m2。

1.3.2 单体转化率

单体转化率是接枝共聚反应中参加反应的单体量占单体总量的百分率。测试方法是称量表面皿质量为M0，滴加乳液质量为M1，滴入3滴质量浓度为2%的对苯二酚水溶液，放入120 ℃烘箱烘干，直至质量基本不变，取出称重记为M2。

式中，Mt为投放物料总质量，g；Md为投料中的不挥发物质质量，g；Ma为投料单体总质量，g。

1.3.3 凝胶率

在乳液的工业生产中，一般将凝胶率严格控制在较低水平，整个乳液体系较为稳定。测试步骤是反应完成后，将烧瓶从水浴锅中取出，称量整体质量记为m1，称纱布质量记为m2，将乳液通过纱布过滤后，称空烧瓶质量记为m3，表面皿质量记为m0，将过滤后的纱布置于表面皿上，并在120 ℃烘箱中干燥2 h后取出，称纱布与表面皿总质量m4。

1.3.4 抑菌圈测试

采用琼脂盘扩散试验测定样品对大肠杆菌(ATCC25922)和金黄色葡萄球菌(ATCC6538)的抗菌活性。基本测试步骤：将乳液倒入模具中烘干，得到干燥的样品片，从样品片中取出形状为标准圆形、大小基本一致的圆形样品片，将菌液均匀涂抹于琼脂培养基上，并接种样品，放于恒温培养箱中，在37 ℃培养24 h后取出，测量透明抑菌圈大小，通过比较抑菌圈直径判定样品的抗菌性能。

1.3.5 红外光谱分析(FT-IR)

通过中远红外光谱仪(Froontier，美国珀金埃尔默)对试样进行测试，扫描范围(4 000～500) cm-1，分辨率4 cm-1，扫描次数为32 次,对其分子结构与反应原理进行表征。

1.3.6 粒径测定

使用激光粒度分析仪(HL2020-B)分析乳液的液滴尺寸分布，在仪器中加入1 mL乳液，并用适当体积的去离子水自动稀释。重复3次测量，获得平均粒径。

1.3.7 热重分析

热重分析(TGA)在Mettler Toledo,Inc.(Schwerzenbach，Switzerland)的TGA/SDTA 851热天平中进行,加热程序设定为(30～700) ℃，加热速率20 ℃·min-1。

2 结果与讨论

2.1 固含量、凝胶率、单体转化率结果分析

表1为乳液固含量、凝胶率和单体转化率结果。

表1 乳液固含量、凝胶率、单体转化率结果

续表

由表1可知，乳液固含量最低为25.2%，最高为27.3%，各组乳液的固含量未出现明显波动，说明乳液所含天然抗菌剂的浓度对固含量影响较小。同时，改变抗菌剂添加量，制得的乳液的凝胶率均低于2%，乳液单体转化率超过90%，说明乳液凝胶率低，反应体系中大部分聚合单体参与了聚合反应，乳液稳定性好。由此可见，天然抗菌剂的用量对乳液的稳定性和单体转化率影响较小。

2.2 抑菌圈测试结果分析

抑菌圈测试是利用待测乳液在琼脂平板中扩散使其周围的细菌生长受到抑制而形成透明圈，即抑菌圈，根据抑菌圈大小判定待测乳液抑菌效价的一种方法。对制备的乳液进行抑菌性能测试，首先选取每组添加的抗菌剂浓度为2%、5%、10%的乳液进行大区间测试。

图1为添加天然抗菌剂甘草制备的乳液样品在大肠杆菌和金黄色葡萄球菌菌落上产生的抑菌圈照片。由图1可知，加入天然抗菌剂甘草后，与纯乳液相比，抗菌性淀粉接枝苯丙乳液对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌抑菌性能均得到提高。在大肠杆菌抑菌圈测试中，当添加天然抗菌剂甘草浓度为2%时，抑菌圈尺寸与纯乳液相比没有明显变化，乳液抗菌性能没有明显提升；随着抗菌剂用量增大，抑菌圈尺寸呈现先增后减的趋势，且在抗菌剂浓度提升到5%时，抑菌圈尺寸达到最大，说明天然抗菌剂甘草在乳液中浓度为5%时对于大肠杆菌的抗菌性能较好。在金黄色葡萄球菌抑菌圈测试中，在乳液中浓度为5%和10%时对金球菌的抑菌圈尺寸大小相等，均达到最大，这是因为甘草中含有黄酮类、甘草次酸、油酸、去氢粗毛甘草素等物质[6]，大量的研究表明，甘草甜素和黄酮类物质是甘草中最重要的生理活性物质，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌具有良好的抑制作用和抗菌活性。

图1 甘草乳液样品在大肠杆菌和金黄色葡萄球菌菌落上产生的抑菌圈照片Figure 1 Bacteriostatic rings of Glycyrrhiza emulsion sample on Escherichia coli and Staphylococcus aureus colony

图2为添加天然抗菌剂茶多酚制备的乳液样品在大肠杆菌和金黄色葡萄球菌菌落上产生的抑菌圈照片。

图2 茶多酚乳液样品在大肠杆菌和金黄色葡萄球菌菌落上产生的抑菌圈照片Figure 2 Bacteriostatic rings of tea polyphenols emulsion sample on Escherichia coliand Staphylococcus aureus colony

由图2可以看出，在金黄色葡萄球菌抑菌圈测试中，当添加不同浓度的天然抗菌剂茶多酚时，抑菌圈尺寸变化不大，乳液抗菌性能没有明显提升。在大肠杆菌抑菌圈测试中，抑菌圈尺寸明显变大，在乳液中浓度为5%和10%时对大肠杆菌的抑菌圈尺寸均达到最大。是因为茶多酚对大肠杆菌的抑菌作用效果最为明显，而对于金黄色葡萄球菌抑菌作用较弱，主要是由于茶多酚对病菌具有不同程度的抑制和杀伤作用。同时它还能有效地防止耐抗生素的大肠杆菌感染，因此天然抗菌剂茶多酚的添加有效提高了乳液抑制大肠杆菌的性能。

图3为添加天然抗菌剂肉豆蔻制备的乳液样品在大肠杆菌和金黄色葡萄球菌菌落上产生的抑菌圈照片。

图3 肉豆蔻乳液样品在大肠杆菌和金黄色葡萄球菌菌落上产生的抑菌圈照片Figure 3 Bacteriostatic rings of nutmeg emulsion sample on Escherichia coli and Staphylococcus aureus colony

由图3可以看出，肉豆蔻乳液样品在大肠杆菌抑菌圈测试中，其乳液对大肠杆菌抑制作用的变化与添加甘草的抗菌型乳液相似，在乳液中浓度为5%时对于大肠杆菌的抗菌性能较好。在金黄色葡萄球菌抑菌圈测试中，抑菌圈尺寸明显变大，在乳液中浓度超过5%时对金黄色葡萄球菌的抑菌圈尺寸达到最大。主要由于肉豆蔻中的丙酮类提取物有最高的抗氧化和抗菌特性，α-蒎烯、β-蒎烯、月桂烯、1,8-桉树脑、香芹酚、萜品烯-4-醇、丁香酚和异丁香酚等也具有较高的抗氧化和抗菌活性[10]。

图4为添加天然抗菌剂肉桂油制备的乳液样品在大肠杆菌和金黄色葡萄球菌菌落上产生的抑菌圈照片。由图4可以看出，肉桂油乳液样品在大肠杆菌抑菌圈测试和金黄色葡萄球菌抑菌圈测试中，抑菌圈尺寸明显变大，在乳液中浓度超过5%时抑菌圈尺寸达到最大。其机制与抑制细胞增殖，诱发病毒凋亡有关[11]，且肉桂油即使不直接加入到培养基中，其挥发成分在菌体表面对细菌、真菌和空气中常见菌体也均有较强的抑菌活性。当引入乳液里面，说明天然抗菌剂肉桂油的加入有效提高了乳液抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的性能。

图4 肉桂油乳液样品在大肠杆菌和金黄色葡萄球菌菌落上产生的抑菌圈照片Figure 4 Bacteriostatic rings of Cinnamon oil emulsion sample on Escherichia coli and Staphylococcus aureus colony

为进一步补充实验，选取各组添加浓度为3.5%和7.5%的乳液再次进行抑菌性能测试，测试结果如图5所示。

图5 3.5%与7.5%浓度的不同乳液样品在大肠杆菌和金黄色葡萄球菌菌落上产生的抑菌圈照片Figure 5 Images of inhibition zones produced by different 3.5% and 7.5% emulsion samples on colonies of Escherichia coli and Staphylococcus aureus

通过测量各组照片的数据并汇总，得到表2。分析图5和表2可知，添加不同种类抗菌剂的乳液样品在不同细菌种类的培养基上，出现了不同的抑菌圈效果，但基本都在浓度为5%时显现出最强的抗菌性能，再增大浓度，抑菌圈尺寸变化不明显，出于降低成本、节约原材料的目的，天然抗菌剂在乳液中浓度为5%时既可以得到较高抗菌性，又最大程度的节约了成本。对不同种类抗菌剂的乳液进行横向比较，天然抗菌剂茶多酚制备的乳液对大肠杆菌的抑菌作用最强，天然抗菌剂肉桂油制备的乳液对金黄色葡萄球菌的抑菌作用最强。

表2 抗菌乳液样品在金球菌菌落上的抑菌圈尺寸

2.3 红外光谱分析

不同种乳液的红外谱图如图6所示。

图6 不同种乳液的红外光谱图Figure 6 FT-IR spectra of different kinds of emulsion

由图6中纯乳液谱图可以看出，(3 326～3 648) cm-1处的宽峰对应于-OH的伸缩振动，在(700～1 100) cm-1处为多糖的典型特征峰，这是淀粉的基本结构成分；在约1 602 cm-1和1 025 cm-1处的强峰分别为芳香族C-C骨架环和苯族C-H环的平面内弯曲振动；1 720 cm-1处出现的峰为丙烯酸酯中羰基的拉伸振动；在1 601 cm-1和1 250 cm-1附近检测到的峰是由于C-C的拉伸振动；这些表明丙烯酸丁酯和苯乙烯参与了淀粉接枝共聚反应。

A-2谱图中(3 000～3 500) cm-1处较宽的吸收峰归属于-OH基团的伸缩振动。2 960 cm-1和2 832 cm-1处的吸收峰分别归属于对称和不对称的-CH2，(1 514～1 447) cm-1出现苯环上的骨架(C-C)振动吸收峰，此外，在红外光谱图中的824 cm-1处出现苯环上C-H弯曲振动吸收峰，说明茶多酚参与了乳液聚合反应。

2.4 粒径分析

不同种乳液的粒径分析见表3，粒径分布如图7～10所示。

表3 粒径分析

图7 5%甘草乳液粒径分布Figure 7 Particle size distribution of 5% licorice emulsion

图8 5%茶多酚乳液粒径分布Figure 8 Particle size distribution of 5% tea polyphenol emulsion

图9 5%肉豆蔻乳液粒径分布Figure 9 Particle size distribution of 5% nutmeg emulsion

图10 5%肉桂油乳液粒径分布Figure 10 Particle size distribution of 5% cinnamon oil emulsion

由表3和图7～10可看出，所测样品的粒径为(70～95) nm，且曲线呈正态分布状态，抗菌剂添加种类及各物质最佳用量对粒径大小并无太大影响。制得的抗菌乳液粒径分散系数PDI值普遍较小，PDI值代表粒径正态分布宽度，PDI值越小，说明样品粒子尺寸分布越小，乳液性能越优良。

2.5 热重分析

热重分析可以显示聚合物在不同温度下的分解情况，用于判断材料的热稳定性。不同种乳液的热重分析结果如图11和表4所示。

图11 不同种乳液的TGA与TG曲线Figure 11 TGA and TG profiles of different kinds of emulsion

表4 热重分析对比

如图11和表4所示，从室温到180 ℃的轻微质量损失与聚合物链中的吸附水有关。对于未加天然抗菌剂的纯乳液，在184 ℃时开始分解，并在490 ℃时失去81.98%的质量。相对于纯乳液，对比A-1、A-2 、A-3和A-4曲线可知，加入天然抗菌剂的乳液失重量低于纯乳液，乳液的碳余量相应增加，热稳定性增强。在440 ℃之前，A-4的分解速率最大，是因为具有苯环外共轭双键及羰基，化学性质非常活跃，虽属于高沸点物质，但其在高温条件下又非常不稳定。其次，A-2和A-4的单体转化率相对较高，达到96%以上，A-1与A-3略低，约95%，对应的失重损失率也呈现递减趋势。但总失重为A-3最低，主要是因为肉豆蔻成分中，大多数物质为油状混合物，分子量大且分解温度高。

3 结 论

(1)通过选取不同种类的天然抗菌剂制备了一系列抗菌型淀粉接枝苯丙乳液，考察天然抗菌剂种类及用量对乳液性能的影响。乳液性能测试结果表明，天然抗菌剂的用量对乳液的稳定性和单体转化率影响较小。

(2)通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)对抗菌型淀粉接枝苯丙乳液的结构进行表征，通过激光粒度分析仪对乳液的粒径分布进行分析，结果表明，乳液粒径为(70～95) nm，乳液粒径为纳米尺寸且粒度分布较窄，粒径分散系数PDI值较小，乳液性能优良。对乳液热重分析(TGA和DTG)结果表明，制备的乳液热稳定性较好，添加天然抗菌剂肉桂油制备的乳液热稳定性最好。

(3)选取大肠杆菌、金黄色葡萄球菌对制备的抗菌型淀粉接枝苯丙乳液进行抑菌圈测试，结果表明，天然抗菌剂在乳液中浓度为5%时乳液抗菌性能较好，节约成本。

(4)对不同种类抗菌剂的乳液进行横向比较，天然抗菌剂茶多酚制备的乳液对大肠杆菌的抑菌作用最强，天然抗菌剂肉桂油制备的乳液对金球菌的抑菌作用最强。