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织物抗菌后整理中的应用，研究了壳聚糖分子量和脱乙酰度对抗菌性能的影响，并采用XPS 和傅里叶红外变换光谱技术对壳聚糖在织物上的吸附状态进行了分析。
    关键词 抗微生物整理 壳聚糖 棉织物

　　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和生物可降解性，因此开发应用研究进展很快[1]。早在1979年，Allan等[2]就提出壳聚糖具有广谱抗菌性，此后有许多学者对壳聚糖的抗菌性能进行了研究[3]。本文针对壳聚糖在天然纤维织物抗菌后整理中的应用，研究了壳聚糖分子量和脱乙酰度对抗菌活性的影响，并采用XPS和傅里叶红外变换光谱技术对壳聚糖在织物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实验方法
　　1·2·1棉织物的壳聚糖整理
　　按所需加工织物的重量，以1:40的浴比计算壳聚糖的用量。精确称取一定量的壳聚糖，并溶解在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解温度20-25℃，成熟一天后，即为抗菌整理剂。
　　用预先配制好的相同浓度，不同分子量和不同脱乙酰度的壳聚糖溶液整理织物，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壳聚糖与棉织物交联情况的测试分析
　　在壳聚糖整理棉织物的过程中，壳聚糖和棉织物交联与否及其交联程度，直接影响其抗菌性能。本文用扫描电镜、光电子能谱(XPS)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)对壳聚糖与棉织物的物理吸附和化学交联情况进行测试和分析。
　　1·2·3整理后壳聚糖抗菌性能测试
　　本实验选用自然界和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抵抗力最强的致病菌，是引起新生儿皮肤感染和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，容易引起新生儿鹅口疮。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，易计算观察，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整理织物的抗菌性[4]。实施方法及步骤见参考文献[5、6]。
　　2实验结果与讨论
　　2·1壳聚糖在棉织物上的涂覆
　　用日立5-570电子扫描显微镜观察壳聚糖整理前后棉织物的纵向表面形态。壳聚糖在棉纤维上的表面吸附情况由扫描电镜照片清楚可见。图1为棉织物经壳聚糖整理前后纵向表面的扫描电镜照片。

　　由电镜照片可见，天然棉纤维与整理后的棉纤维有着显著差异。天然棉纤维经壳聚糖整理前，表面非常粗糙，有很多天然细小沟纹。经壳聚糖整理后，结合了壳聚糖的棉纤维表面的部分地区变得比较平整光滑均匀。由此可见，棉织物经壳聚糖整理后，其表面确实有壳聚糖存在。
　　2·2棉织物和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，归一化处理。为了清洁被污染的棉织物表面，也为了考察壳聚糖在棉织物上结合状况，采用Ar+离子枪发出离子束对织物表面进行溅射，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与棉织物的结合情况，我们分别对未整理的棉织物(1#)、壳聚糖整理后的棉织物(2#)和壳聚糖(3#)进行了XPS测试(棉织物整理后用大量清水冲洗，以去除残留在织物表面的壳聚搪)。
　　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可以明显看出，棉织物在壳聚糖整理之前是不含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。当棉织物用壳聚糖整理之后，再进行测试，虽然样品表面己经用离子枪进行溅射去除其表面氧化层，但仍然能在400-405eV的范围内较明显地看到有N峰存在，说明在棉纤维的表面有壳聚糖存在。

　　2·3棉织物和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，壳聚糖整理过的棉织物在切成粉末前用大量清水冲洗，干燥后再使用，以消除壳聚糖物理吸附在织物表面所造成的影响。结果如图所示，由于壳聚糖在织物上的吸附率很低，整理前后谱图差别不大，我们采用差谱，可以鉴别棉纤维上的壳聚糖。图3为棉与整理后的棉的差谱。与壳聚精的红外谱图d的对照谱图;图4为壳聚糖的红外谱图d。从图3中可以看到，壳聚糖在1656.25cm-1与1594cm-1两处的吸收峰分别是由C=O伸缩振动和N-H弯曲振动引起的，分别为酰胺I与Ⅱ的特征吸收峰;而在差谱c的吸收曲线上，与壳聚糖的相比，这两个吸收峰的位置发生红移，特征吸收略有减弱:壳聚糖在1422.72cm-1处为-CH2，弯曲和-CH3变形吸收峰;在差谱c上，这一吸收峰的位置发生蓝移:壳聚糖在1379.48cm-1处为C-H弯曲和-CH3对称变形振动吸收峰。在指纹区中897.16cm-1处为C-O伸缩振动的强吸收峰，在差谱c上，这两个吸收峰的位置发生红移，特征吸收略有减弱。这可能是因为棉与壳聚糖发生化学交联使吸附在棉织物上的壳聚糖中各原子周围的化学环境发生变化所致。从XPS与红外光谱测试的结果分析:由于壳聚糖与纤维素都含有大量的羟基，壳聚糖中C2上的氨基又很活泼，所以在本试验的整理工艺过程中，壳聚糖与纤维素可能会形成氢键，并发生一定程度的化学交联，使氮元素固定在织物上。棉织物与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，棉织物与壳聚糖确实发生了化学交联。

　　2·4脱乙酰度对壳聚糖抗菌性能的影响
　　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，分别为1#96.65%、2#89.68%、3#85.64%。我们把用1#，3#壳聚糖整理过的织物作为一组，进行抗菌测试，以考察在分子量相同脱乙酰度不同的条件下，壳聚糖抗菌效果的差异。

　　图51#～3#整理棉织物的抗菌效果
　　由图5所示，不同脱乙酰度的壳聚糖整理过的棉织物具有不同的抗菌效果，其变化趋势是:随脱乙酰度的增加，壳聚糖的抗菌性能也显著增加。其中1#壳聚糖的脱乙酰度最高(96.65%)，抗菌效果也最强，对金黄色葡萄球菌的抗菌率达83%，对大肠杆菌和白色念珠菌的抗菌率也在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织物上的有效氨基数量增加，其抗菌效果也增强。从以上实验结果来看，游离氨基的存在，即脱乙酰度的高低对壳聚糖的抗菌效果有重要影响。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易与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，其生长繁殖也随之减弱，即表现为壳聚糖的抗菌性随其脱乙酰度的增大而增强。
　　2·5分子量对壳聚糖抗菌性能的影响
　　选择了分子量相差较大的几种壳聚糖，分别为4#18.1万、5#6万、6#1700作为一组，进行抗菌实验，考察壳聚糖的分子量对其抗菌性能的影响。
　　由图6可见，经不同分子量壳聚糖整理过的棉织物，也具有不同的抗菌效果，基本是随分子量的降低而增加，其中6#甲壳低聚糖(分子量1700)抗菌效果最明显，其对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率有显著增加，对白色念珠菌的抗菌率反而降低，这一实验结果与文献报道的日本S.Tokurn等的实验结果相符[10]。

　　图64#～6#整理织物抗菌效果
　　分析抗菌实验的结果，我们的结论是:分子量对壳聚糖的抗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)与高分子量的壳聚糖在抗菌机理上可能存在着一定的差异。
　　3结论
　　3·1XPS路测试和傅里叶变换红外光谱测试表明，壳聚糖在对棉织物的抗菌整理中可能与棉织物中的纤维素形成氢键结合，并发生一定程度的化学交联。
　　3·2壳聚糖的抗菌性一般随分子量的降低而增加;随脱乙酰度的增大而增加。
　　参考文献
　　[1]柴平海等。甲壳素/壳聚糖开发和研究的新动向。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。抗菌整理织物的改良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。