壳聚糖与纤维素的结合及其抗菌性能的研究

许莹 陈建勇

摘要 针对壳聚糖在天然纤维面料抑菌整理中的应用，研究了壳聚糖分子量与脱乙酰度对抑菌性能的影响，并采纳XPS 与傅里叶红外变换光谱技术对壳聚糖在布料上的吸附状态进行了分析。
关键词 抗微生物后整理 壳聚糖 棉布料

　　壳聚糖(Chitosan)由甲壳素(Chitin)脱乙酰基制得。由于其资源丰富、无毒、无污染，并具有良好的生物相容性与生物可降解性，因此开辟应用研究发展飞快[1]。早在1979年，Allan等[2]就提出壳聚糖具有广谱抑菌性，此后有许多学者对壳聚糖的抑菌性能进行了研究[3]。本文针对壳聚糖在天然纤维面料抑菌整理中的应用，研究了壳聚糖分子量与脱乙酰度对抑菌活性的影响，并采纳XPS与傅里叶红外变换光谱技术对壳聚糖在布料上的吸附状态进行了分析。
　　1实验
　　1·1主要实验材料
　　纯棉漂白布(杭州印染厂)、壳聚糖(自制，淡黄色颗粒)、醋酸(分析纯)。
　　1·2实验办法
　　1·2·1棉面料的壳聚糖后整理
　　按所需加工布料的分量，以1:40的浴比计算壳聚糖的用量。准确称取肯定量的壳聚糖，并溶化在1%的醋酸溶液中，制成0.25%的壳聚糖溶液，在生化培养箱中保持溶化温度20-25℃，成熟一天后，即为抑菌后整理剂。
　　用预先配制好的相同浓度，不同分子量与不同脱乙酰度的壳聚糖溶液后整理面料，后整理工艺为:浸泡30min后二浸二轧(轧余率100%)→预烘(10O℃×5min)→焙烘(140℃×3min)→清水冲洗→80℃烘干。
　　1·2·2壳聚糖和棉面料交联情况的测试分析
　　在壳聚糖后整理棉布料的过程中，壳聚糖与棉面料交联和否及其交联程度，直接影响其抑菌性能。本文用扫描电镜、光电子能谱(XPS)与傅里叶变换红外光谱(FTIR)对壳聚糖和棉面料的物理吸附与化学交联情况进行测试与分析。
　　1·2·3后整理后壳聚糖抑菌性能测试
　　本实验选用自然界与人体皮肤粘膜中常见的三种菌。其中金黄色葡萄球菌是无芽抱细菌中反抗力强的致病菌，是引起新生儿皮肤感染与脐部感染的主要致病菌，是革兰氏阳性菌的代表。大肠杆菌是革兰氏阴性菌的典型代表。白色念珠菌则是人体皮肤粘膜中常见的条件致病性真菌，简单引起新生儿鹅口疮。其对药物有敏感性，具有真菌的特性而又不同于细菌，菌落酷似细菌而又不同于霉菌，易计算观看，可以作为真菌的典型代表。以上三种菌，作为代表菌种基本上反映出后整理面料的抑菌性[4]。实施办法及步骤见参考文献[5、6]。
　　2实验结果和讨论
　　2·1壳聚糖在棉面料上的涂覆
　　用日站5-570电子扫描显微镜观看壳聚糖后整理前后棉布料的纵向表面形态。壳聚糖在棉纤维上的表面吸附情况由扫描电镜照片清晰可见。图1为棉布料经壳聚糖后整理前后纵向表面的扫描电镜照片。

　　由电镜照片可见，天然棉纤维和后整理后的棉纤维有着显著差异。天然棉纤维经壳聚糖后整理前，表面十分粗糙，有很多天然细小沟纹。经壳聚糖后整理后，结合了壳聚糖的棉纤维表面的部分地区变得比较平坦光滑均匀。由此可见，棉布料经壳聚糖后整理后，其表面实在有壳聚糖存在。
　　2·2棉布料与壳聚糖的光电子能谱(XPS)测试[7]
　　本实验是在ESCALABMKⅡ型表面分析仪的X射线光电子能谱上测定的。其实验条件为:以AIKa(1486eV)X为射线源，通道能为l00eV，步长为0.leV/s，真空室压力小于l×lO-6Pa,分辨率为0.8eV(Ag样Al靶)，扫描数次累加，回一化处理。为了清洁被污染的棉布料表面，也为了考察壳聚糖在棉面料上结合状况，采纳Ar+离子枪发出离子束对布料表面进行溅射，清除其表面污染层，并在超高真空中保存，供测试用。
　　为了能够有效地分析壳聚糖和棉面料的结合情况，我们分离对未后整理的棉布料(1#)、壳聚糖后整理后的棉面料(2#)与壳聚糖(3#)进行了XPS测试(棉布料后整理后用大量清水冲洗，以消除残留在布料表面的壳聚搪)。
　　由于它们的结构中都含有C元素，并且分子结构中都不含石墨C原子，但都含有C-O结构，因此，本实验以C-O键的Cls谱峰作为标准，对样品进行荷电校正，从而确定样品的结合能位置。
　　由图2可以明显瞧出，棉布料在壳聚糖后整理之前是不含N元素的，所以对其进行多次扫描后得到Nls谱图曲线的振幅基本相同，它的主要成分是纤维素。当棉布料用壳聚糖后整理之后，再进行测试，虽然样品表面己经用离子枪进行溅射消除其表面氧化层，但仍旧能在400-405eV的范围内较明显地瞧到有N峰存在，说明在棉纤维的表面有壳聚糖存在。

　　2·3棉布料与壳聚糖的傅里叶变换红外光谱测试[8、9]
　　将壳聚糖、棉以及壳聚糖后整理过的棉用溴化钾压片法处理，进行红外测试，其中，壳聚糖后整理过的棉布料在切成粉末前用大量清水冲洗，干燥后再使用，以去除壳聚糖物理吸附在布料表面所造成的影响。结果如图所示，由于壳聚糖在布料上的吸附率很低，后整理前后谱图差别不大，我们采纳差谱，可以鉴别棉纤维上的壳聚糖。图3为棉和后整理后的棉的差谱。和壳聚精的红外谱图d的对比谱图;图4为壳聚糖的红外谱图d。从图3中可以瞧到，壳聚糖在1656.25cm-1和1594cm-1两处的汲取峰分离是由C=O伸缩振动与N-H弯曲振动引起的，分离为酰胺I和Ⅱ的特征汲取峰;而在差谱c的汲取曲线上，和壳聚糖的相比，这两个汲取峰的位置发生红移，特征汲取略有减弱:壳聚糖在1422.72cm-1处为-CH2，弯曲与-CH3变形汲取峰;在差谱c上，这一汲取峰的位置发生蓝移:壳聚糖在1379.48cm-1处为C-H弯曲与-CH3对称变形振动汲取峰。在指纹区中897.16cm-1处为C-O伸缩振动的强汲取峰，在差谱c上，这两个汲取峰的位置发生红移，特征汲取略有减弱。这可能是因为棉和壳聚糖发生化学交联使吸附在棉布料上的壳聚糖中各原子四周的化学环境发生变幻所致。从XPS和红外光谱测试的结果分析:由于壳聚糖和纤维素都含有大量的羟基，壳聚糖中C2上的氨基又很生动，所以在本试验的后整理工艺过程中，壳聚糖和纤维素可能会形成氢键，并发生肯定程度的化学交联，使氮元素固定在布料上。棉布料和壳聚糖可能发生了化学交联反应，从红外谱图的分析可以进一步说明，棉布料和壳聚糖实在发生了化学交联。

　　2·4脱乙酰度对壳聚糖抑菌性能的影响
　　在本试验中我们制备了三种分子量相似但脱乙酰度不同的壳聚糖，分离为1#96.65%、2#89.68%、3#85.64%。我们把用1#，3#壳聚糖后整理过的面料作为一组，进行抑菌测试，以考察在分子量相同脱乙酰度不同的条件下，壳聚糖抑菌效果的差异。

　　图51#～3#后整理棉面料的抑菌效果
　　由图5所示，不同脱乙酰度的壳聚糖后整理过的棉布料具有不同的抑菌效果，其变幻趋势是:随脱乙酰度的增添，壳聚糖的抑菌性能也显著增添。其中1#壳聚糖的脱乙酰度高(96.65%)，抑菌效果也强，对金黄色葡萄球菌的抑菌率达83%，对大肠杆菌与白色念珠菌的抑菌率也在70%以上，具有明显的抑制细菌生长的作用。这说明在壳聚糖浓度相同的情况下，高脱乙酰度的壳聚糖结合在面料上的有效氨基数量增添，其抑菌效果也增强。从以上实验结果来瞧，游离氨基的存在，即脱乙酰度的高低对壳聚糖的抑菌效果有重要影响。壳聚糖的脱乙酰化过程，是其分子链上-NHCOCH3逐渐被-NH2取代的过程。在酸性条件下，-NH2易和H+结合形成-NH3+正电离子，随着壳聚糖脱乙酰化度的增大，其分子链上的正电荷-NH3+也增多，对于细菌(带有负电荷)的静电引力增强，更多的细菌被絮凝、聚沉，其生长生殖也随之减弱，即表现为壳聚糖的抑菌性随其脱乙酰度的增大而增强。
　　2·5分子量对壳聚糖抑菌性能的影响
　　选择了分子量相差较大的几种壳聚糖，分离为4#18.1万、5#6万、6#1700作为一组，进行抑菌实验，考察壳聚糖的分子量对其抑菌性能的影响。
　　由图6可见，经不同分子量壳聚糖后整理过的棉布料，也具有不同的抑菌效果，基本是随分子量的降低而增添，其中6#甲壳低聚糖(分子量1700)抑菌效果明显，其对金黄色葡萄球菌与大肠杆菌的抑菌率有显著增添，对白色念珠菌的抑菌率反而降低，这一实验结果和文献报道的日本S.Tokurn等的实验结果相符[10]。

　　图64#～6#后整理布料抑菌效果
　　分析抑菌实验的结果，我们的结论是:分子量对壳聚糖的抑菌性能也有重要的影响，而较低分子量的壳聚糖(甲壳低聚糖)和高分子量的壳聚糖在抑菌机理上可能存在着肯定的差异。
　　3结论
　　3·1XPS路测试与傅里叶变换红外光谱测试表明，壳聚糖在对棉面料的抑菌后整理中可能和棉面料中的纤维素形成氢键结合，并发生肯定程度的化学交联。
　　3·2壳聚糖的抑菌性普通随分子量的降低而增添;随脱乙酰度的增大而增添。
　　参考文献
　　[1]柴平海等。甲壳素/壳聚糖开辟与研究的新动向。化学通报，l999，(7);8-11。
　　[2]AllanCA，dnigerL.A.ExpMycop，l979:3285
　　[3]MuzzarelliR.JeuaisauxC.GoodayC.W.ChitinNatureandTechnology,NewYork;plenumpress,1985:235
　　[4]微生物学，北京:高等教育出版社，1994
　　[5]邹淑敏等。抑菌后整理布料的改良Quinn测试法。印染，1994.20(7):33-35
　　[6]范秀容等。微生物学实验。北京:高等教育出版社，1994。