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新型抗菌剂壳聚糖双胍盐酸盐的制备及其抑菌性能研究

李秀丽1，董朝红1，朱平1、2，翟海群1

1、青岛大学“纤维新材料及现代纺织”国家重点实验室培育基地，山东青岛26607l；2、武汉科技学院“新型纺织材料绿色加工及其功能化”教育郑重点实验室，湖北武汉430073

作者简介：李秀丽(1982-)女，山东寿光人，在读硕士研究生，研究方向为新型纺织化学品制备及应用

【摘要】以壳聚糖和双氰胺为原料，合成了一种新型抗菌剂——壳聚糖双胍盐酸盐，合成路线简单，成本低：用FTIR表征了其结构，同时进行了抑菌实验，结果表明壳聚糖双胍盐酸盐具有比壳聚糖更强的抑菌性：
【关键词】壳聚糖；壳聚糖双胍盐酸盐；抗菌性
【中图分类号】TSl95.26文献标识码：A文章编号：1005-9350(2009)08-0001-04

壳聚糖(Chitosan)是甲壳素脱乙酰后的产物，是一种天然碱性多糖，具有优良的生物亲和性和生物可降解性，容易制成各种衍生物。因其来源极其丰富，无毒，能溶解在醋酸和其它有机酸中，已被广泛应用于工业和医药领域[1]。尤其是抗菌性，近年来，壳聚糖作为一种天然抗菌剂受到了人们的广泛关注，但是，与传统的抗菌剂相比壳聚糖的抗菌活性低，且壳聚糖不溶于水，只能溶于某些稀酸溶液，因而限制其在很多方面的应用[2]。胍盐是胍基化合物中的一个重要组成部分，能衍生出种类繁多的胍基衍生物，这些衍生物因其强碱性、高稳定性、较好的生物活性等优良特性，从而具有很好的抗菌性能。被广泛地应用在化学医疗、农产品防护、食品和日用品，纺织品等方面。本文根据壳聚糖的反应活性，用胍基取代了壳聚糖的氨基，得到了壳聚糖双胍盐酸盐，对其结构进行了表征并探讨了其抗菌性能。
l 实验部分
1.1 材料、试剂及仪器
纯棉漂白布(40／40，133×72，潍坊齐荣纺织印染有限公司)；壳聚糖(脱乙酰度85％，粘均分子量9.5×105)：双氰胺(AR，广州市南丰化工有限公司)；乙醇(AR，烟台三和试剂有限公司)；盐酸(AR，烟台三和试剂有限公司)；牛肉膏、蛋白胨、琼脂均为生化试剂。
SHB-Ⅲ型循环式多用真空泵(郑州市长城科工贸有限公司)，DZF型真空干燥箱(北京市光明医疗仪器厂)，油浴锅(郑州市长城科工贸有限公司)，PHS-25C型酸度计(上海虹益仪器厂)，立式气动小轧车EL-400(上海朗高纺织设备)，电热干燥箱lOlA-2(上海市实验仪器总厂)，定型烘干机LD-30(上海朗高纺织设备)，净化工作台(济南绿洁空气净化设备厂)，全自动新型生化培养箱ZSD-1160(天津市泰斯达仪器有限公司)，小型压力蒸汽灭菌器KYQS-280×260(淄博康元卫生器材有限公司)。
1.2 壳聚糖双胍盐酸盐的合成
首先将适量壳聚糖溶解于0.2～0.5 mol／L的盐酸溶液中，搅拌至完全溶解。用无水乙醇沉淀，析出的固体用乙醇洗涤，抽干，真空干燥，得到壳聚糖盐酸盐粉末。在壳聚糖盐酸盐粉末中加水至其溶解成溶液，将1～5倍于氨基摩尔质量的胍化试剂——双氰胺加入到溶液中，然后搅拌至完全反应，冷却后减压抽滤，滤液用无水乙醇沉淀，抽滤后再用无水乙醇洗涤滤饼，真空干燥。即得到壳聚糖双胍盐酸盐粉末。
1.3 理化性能测定
l.3.1 pH值
用PHS-2C型精密酸度汁测定壳聚糖双胍盐酸盐水溶液的pH值。
1.3.2 离子性
在有塞试管中加入5 mL亚甲基蓝试剂(称取O.03 g亚甲基蓝，用12 g浓硫酸和50 g无水硫酸钠一起搅拌，并用蒸馏水稀释至l L)和5 mL氯仿，然后滴加被测样品，每滴一滴，上下剧烈摇晃，直至上下层呈同样颜色，继续滴加2 mL被测样品，摇晃，然后静置，待其分层。
若氯仿层颜色深，水层无色，则被测样品为阴离子型。
若氯仿层无色，水层颜色深，则被测样品为阳离子型。
1.4 红外光谱测定
将所制备产品与KBr混合压片，用红外光谱仪测定其红外光谱图。
1.5 抗菌性能
1.5.1 不同质量分数抗菌剂的抗菌效率
分别配制8个不同质量分数(分别为6.0％、5.0％、2.5％、1.0％、O.5％、0.25％、0.5％和0.05％)壳聚糖双胍盐酸盐稀释液和壳聚糖的醋酸稀溶液(1.0％)。取1.8 mL稀释液于相应的平皿内，再加入相应的测试菌悬液0.2 mL。然后加18 mL已冷至46℃左右的营养琼脂培养基于平皿内，轻轻摇匀，待凝固后翻转平皿，同时以水所得培养基作为空白对照，37℃连续培养(48+2)h。观察供试菌的生长情况并计数.计算平均菌落数，并按下式计算抗菌效率。
抗菌效率(％)=(1-
A0
)×100％
A1
式中：A0 代表试验组菌数；
A1 代表试验组菌数。
1.5.2 培养基pH值对测试菌的影响
用lmol／L HCI或NaOH溶液调节培养基的pH值分别为5.4、6.0、6.5、7.0和7.5，取l mL壳聚糖双胍盐酸盐溶液于无菌培养皿中，加入9 mL培养基充分混合，加入细菌培养24 h，观察细菌的生长情况，比较不同pH对测试菌的影响[4]。
1.6 在纯棉织物上的抗菌性能测试
抗菌织物整理过程：布样→浸渍交联剂混合液→烘干→焙烘→浸渍抗菌整理液→烘干→焙烘。
浴比：l:20。
分别测试pH、交联剂、焙烘温度和时间对抗菌整理织物抗菌性能的影响。
2 结果与讨论
2.1 理化性能
(1)用PHS-2C型精密酸度计测定壳聚糖双胍盐酸盐水溶液的pH值是4.19。
(2)经测试发现氯仿层呈深蓝色证明有阳离子有机物存在，由此推测壳聚糖双胍盐酸盐的基本重复单元如下：

2.2红外光谱
壳聚糖和壳聚糖双胍盐酸盐的红外光谱见图1：

图l 壳聚糖双孤盐酸盐(a)和壳聚糖(b)的红外光谱图
由图1可见，两者的羟基-OH伸缩振动宽展峰(3406/cm附近)和C-N伸缩振动峰(1257/cm附近)基本相似。合成产物在1375/cm附近的谱带很弱，这与壳聚糖非常相似，都是CH3对称变形振动。两者的主要区别在于3448/cm和3160/cm为N-H面外变形振动吸收峰；1640/cm为胍基C=N·HCl中C=N伸缩振动的吸收峰：1507/cm处有一个不太明显的吸收峰，此为NH+3的弯曲振动吸收峰，因此，壳聚糖双胍盐酸盐除具有胍基化合物的特征峰外，还具有壳聚糖和双氰胺的部分特征峰。
2.3 壳聚糖双胍盐的抑菌性能影响因素
2.3.1 抗菌剂质量分数
不同浓度壳聚糖双胍盐酸盐和壳聚糖的抑菌效果见图2。

图2
由图2可看出，随着浓度的增加，两者菌落数均减少了，证明它们的抑菌率都有所提高，但是在各个浓度时壳聚糖双胍盐酸盐的抑菌效果都优于壳聚糖。同时我们可以看出壳聚糖双胍盐酸盐和壳聚糖的最低抑菌浓度分别是2.5％和5％。
2.3.2 pH值
pH对壳聚糖双胍盐酸盐抑菌性能影响见图3。

图3 pH对壳聚糖双胍盐酸盐抑菌性能的影响
由图3可看出，在未添加壳聚糖双胍盐酸盐时，菌落数随着pH的增高而增多，即在碱性条件下有利于细菌的生长。而添加壳聚糖双胍盐酸盐后，试样上的菌落数随着pH值的增加而减少。说明壳聚糖双胍盐酸盐在碱性条件下具有更强的抑菌性能，这是因为在中性及弱碱性环境中，细菌蛋白质带有更多的负电荷，增加了与壳聚糖双胍盐酸盐之间的相互作
用，所以在弱碱性条件下具有更强的抑菌活性。
2.4 抗菌织物的抑菌性能影响因素
2.4.1 pH值
为了确定整理液的最佳pH值，选择了整理液pH分别为3、5、7、8、9、10，进行整理，整理的抗菌织物进行浸渍培养法抑菌率试验，测试结果见表3。
表3 不同pH值整理的织物水洗次数与抑茵率的关系
水洗
次数
抑菌率%
pH=3
pH=5
pH=7
pH=8
pH=9
0
100
100
100
100
100
5
98
90
98
100
96
10
95
96
97
100
95
15
92
92
94
99
95
20
88
91
93
96
91
不难看出，当pH为8时，可获得最佳的抑菌效果。在酸性条件下整理的抗菌试样不耐水洗，在碱性条件下耐洗性良好。原因可能是壳聚糖双胍盐酸盐的胍基易吸引正离子形成稳定的阳离子而使溶液呈碱性，在酸性条件下壳聚糖双胍盐酸盐与酸作用，使与纤维结合抗菌剂的量减少，导致抑菌率下降。同时pH较低时可能会造成壳聚糖的水解，而过高的pH中和HCl后会影响双胍的溶解，使抗菌剂在溶液中的浓度降低，吸附在织物上的抗菌剂减少，进而影响抑菌效果。
2.4.2 交联剂
选用抗菌剂浓度为l％，无交联剂以及不同的交联剂整理的抗菌织物进行抑菌性试验，结果如表4所示。
表4 不同交联剂整理织物的水洗次数与抑菌率的关系
水洗
次数
抑菌率%
无交联剂
乙二醛
戊二醛
BTCA
柠檬酸
0
100
100
100
100
100
5
96
99
96
100
99
10
92
98
93
99
99
15
90
96
92
98
97
20
80
92
87
97
95
由表4可以看出，加入交联剂整理的抗菌试样水洗后的抑菌性比不加交联剂整理的试样耐洗性要好，且加入BTCA和柠檬酸的比加入乙二醛、戊二醛的耐洗性好得多。原因是壳聚糖双胍盐酸盐是一种聚阳离子的化合物，其分子中的胍基基团与纤维素普通条件下不发生反应，不能够固着在纤维素分子上，只是通过范德华力。氢键和双胍的阳离子性吸附在织物的表面。因此，只用壳聚糖双胍盐酸盐整理的织物耐洗性不好，需要加入交联剂来提高其耐洗性。而交联剂BTCA和柠檬酸分子中含有羧基，都可以同纤维素中的羟基发生反应生成羧基纤维素，同时也能一定程度地与壳聚糖双胍盐酸盐反应[4]。
加入交联剂后，抑菌效果均得到明显改善。乙二醛和戊二醛的交联效果不如BTCA和柠檬酸。BTCA和柠檬酸相比，在相同用量下，经BTCA整理的抗菌织物的白度优于柠檬酸整理的织物，故选择BTCA作为交联剂。
2.4.3 焙烘温度、时间
对整理过的织物进行焙烘，改变焙烘140℃ ，150℃ ，160℃ ，170℃ ：焙烘时间分别为10 min，5min,3 min，3 min。结果见表5。
表5 焙烘条件对抑菌率的影响
水洗
次数
抑菌率(％)
140℃
10 min
150℃
5 min
160℃
3 min
l70℃
3 min
0
100
100
100
100
5
97
97
98
98
10
95
95
94
98
15
91
94
93
97
20
90
93
91
95
焙烘的作用主要是使交联剂与棉织物可以充分交联，同时使抗菌剂与之反应，提高抗菌织物的耐洗性，经过抗菌剂整理的织物，改变整理工艺中的焙烘温度与时间直接影响整理后织物的抗菌性能和各种物理机械性能。由表5可以看出，在170℃焙烘3 min的试样无论是抑菌效果还是耐洗性均好于其他条件。选择焙烘条件为170℃ ，3 min。
3 结论
3.1壳聚糖双胍盐酸盐是可溶于水的高分子抗菌剂，有良好的抗菌性，尤其是在中性或弱碱性环境中。
3.2壳聚糖双胍盐酸盐是一种绿色抗菌剂，抗菌性能优于壳聚糖，具有良好的应用前景。
4 参考文献
[1]李世迁，姚评佳，魏远安，王机，羧甲基壳聚糖季铵盐的制备及其抑菌性研究[J]化学与生物工程，2006,(11);22
[2]杜予民，胡瑛，壳聚糖胍盐衍生物及其制备方法[P]中国 专利，200710051957,2007-09-12
[3]刘振儒，赵江霞，水溶性壳聚糖季铵盐的抗菌性能[J]青 岛科技大学学报2006,(4);317—319
[4]彭宴起，朱平，王炳，棉织物用有机胍类抗菌整理研究[J] 染整技术2007,(6);8