殼聚糖與纖維素的結合及其抗菌性能的研究

許瑩 陳建勇
 

    摘要 針對殼聚糖在天然纖維織物抗菌后整理中的應用，研究了殼聚糖分子量和脫乙酰度對抗菌性能的影響，并采用XPS 和傅里葉紅外變換光譜技術對殼聚糖在織物上的吸附狀態進行了分析。
    關鍵詞 抗微生物整理 殼聚糖 棉織物

　　殼聚糖(Chitosan)由甲殼素(Chitin)脫乙酰基制得。由于其資源豐富、無毒、無污染，并具有良好的生物相容性和生物可降解性，因此開發應用研究進展很快[1]。早在1979年，Allan等[2]就提出殼聚糖具有廣譜抗菌性，此后有許多學者對殼聚糖的抗菌性能進行了研究[3]。本文針對殼聚糖在天然纖維織物抗菌后整理中的應用，研究了殼聚糖分子量和脫乙酰度對抗菌活性的影響，并采用XPS和傅里葉紅外變換光譜技術對殼聚糖在織物上的吸附狀態進行了分析。
　　1實驗
　　1·1主要實驗材料
　　純棉漂白布(杭州印染廠)、殼聚糖(自制，淡黃色顆粒)、醋酸(分析純)。
　　1·2實驗方法
　　1·2·1棉織物的殼聚糖整理
　　按所需加工織物的重量，以1:40的浴比計算殼聚糖的用量。精確稱取一定量的殼聚糖，并溶解在1%的醋酸溶液中，制成0.25%的殼聚糖溶液，在生化培養箱中保持溶解溫度20-25℃，成熟一天后，即為抗菌整理劑。
　　用預先配制好的相同濃度，不同分子量和不同脫乙酰度的殼聚糖溶液整理織物，整理工藝為:浸泡30min后二浸二軋(軋余率100%)→預烘(10O℃×5min)→焙烘(140℃×3min)→清水沖洗→80℃烘干。
　　1·2·2殼聚糖與棉織物交聯情況的測試分析
　　在殼聚糖整理棉織物的過程中，殼聚糖和棉織物交聯與否及其交聯程度，直接影響其抗菌性能。本文用掃描電鏡、光電子能譜(XPS)和傅里葉變換紅外光譜(FTIR)對殼聚糖與棉織物的物理吸附和化學交聯情況進行測試和分析。
　　1·2·3整理后殼聚糖抗菌性能測試
　　本實驗選用自然界和人體皮膚粘膜中常見的三種菌。其中金黃色葡萄球菌是無芽抱細菌中抵抗力最強的致病菌，是引起新生兒皮膚感染和臍部感染的主要致病菌，是革蘭氏陽性菌的代表。大腸桿菌是革蘭氏陰性菌的典型代表。白色念珠菌則是人體皮膚粘膜中常見的條件致病性真菌，容易引起新生兒鵝口瘡。其對藥物有敏感性，具有真菌的特性而又不同于細菌，菌落酷似細菌而又不同于霉菌，易計算觀察，可以作為真菌的典型代表。以上三種菌，作為代表菌種基本上反映出整理織物的抗菌性[4]。實施方法及步驟見參考文獻[5、6]。
　　2實驗結果與討論
　　2·1殼聚糖在棉織物上的涂覆
　　用日立5-570電子掃描顯微鏡觀察殼聚糖整理前后棉織物的縱向表面形態。殼聚糖在棉纖維上的表面吸附情況由掃描電鏡照片清楚可見。圖1為棉織物經殼聚糖整理前后縱向表面的掃描電鏡照片。

　　由電鏡照片可見，天然棉纖維與整理后的棉纖維有著顯著差異。天然棉纖維經殼聚糖整理前，表面非常粗糙，有很多天然細小溝紋。經殼聚糖整理后，結合了殼聚糖的棉纖維表面的部分地區變得比較平整光滑均勻。由此可見，棉織物經殼聚糖整理后，其表面確實有殼聚糖存在。
　　2·2棉織物和殼聚糖的光電子能譜(XPS)測試[7]
　　本實驗是在ESCALABMKⅡ型表面分析儀的X射線光電子能譜上測定的。其實驗條件為:以AIKa(1486eV)X為射線源，通道能為l00eV，步長為0.leV/s，真空室壓力小于l×lO-6Pa,分辨率為0.8eV(Ag樣Al靶)，掃描數次累加，歸一化處理。為了清潔被污染的棉織物表面，也為了考察殼聚糖在棉織物上結合狀況，采用Ar+離子槍發出離子束對織物表面進行濺射，清除其表面污染層，并在超高真空中保存，供測試用。
　　為了能夠有效地分析殼聚糖與棉織物的結合情況，我們分別對未整理的棉織物(1#)、殼聚糖整理后的棉織物(2#)和殼聚糖(3#)進行了XPS測試(棉織物整理后用大量清水沖洗，以去除殘留在織物表面的殼聚搪)。
　　由于它們的結構中都含有C元素，并且分子結構中都不含石墨C原子，但都含有C-O結構，因此，本實驗以C-O鍵的Cls譜峰作為標準，對樣品進行荷電校正，從而確定樣品的結合能位置。
　　由圖2可以明顯看出，棉織物在殼聚糖整理之前是不含N元素的，所以對其進行多次掃描后得到Nls譜圖曲線的振幅基本相同，它的主要成分是纖維素。當棉織物用殼聚糖整理之后，再進行測試，雖然樣品表面己經用離子槍進行濺射去除其表面氧化層，但仍然能在400-405eV的范圍內較明顯地看到有N峰存在，說明在棉纖維的表面有殼聚糖存在。

　　2·3棉織物和殼聚糖的傅里葉變換紅外光譜測試[8、9]
　　將殼聚糖、棉以及殼聚糖整理過的棉用溴化鉀壓片法處理，進行紅外測試，其中，殼聚糖整理過的棉織物在切成粉末前用大量清水沖洗，干燥后再使用，以消除殼聚糖物理吸附在織物表面所造成的影響。結果如圖所示，由于殼聚糖在織物上的吸附率很低，整理前后譜圖差別不大，我們采用差譜，可以鑒別棉纖維上的殼聚糖。圖3為棉與整理后的棉的差譜。與殼聚精的紅外譜圖d的對照譜圖;圖4為殼聚糖的紅外譜圖d。從圖3中可以看到，殼聚糖在1656.25cm-1與1594cm-1兩處的吸收峰分別是由C=O伸縮振動和N-H彎曲振動引起的，分別為酰胺I與Ⅱ的特征吸收峰;而在差譜c的吸收曲線上，與殼聚糖的相比，這兩個吸收峰的位置發生紅移，特征吸收略有減弱:殼聚糖在1422.72cm-1處為-CH2，彎曲和-CH3變形吸收峰;在差譜c上，這一吸收峰的位置發生藍移:殼聚糖在1379.48cm-1處為C-H彎曲和-CH3對稱變形振動吸收峰。在指紋區中897.16cm-1處為C-O伸縮振動的強吸收峰，在差譜c上，這兩個吸收峰的位置發生紅移，特征吸收略有減弱。這可能是因為棉與殼聚糖發生化學交聯使吸附在棉織物上的殼聚糖中各原子周圍的化學環境發生變化所致。從XPS與紅外光譜測試的結果分析:由于殼聚糖與纖維素都含有大量的羥基，殼聚糖中C2上的氨基又很活潑，所以在本試驗的整理工藝過程中，殼聚糖與纖維素可能會形成氫鍵，并發生一定程度的化學交聯，使氮元素固定在織物上。棉織物與殼聚糖可能發生了化學交聯反應，從紅外譜圖的分析可以進一步說明，棉織物與殼聚糖確實發生了化學交聯。

　　2·4脫乙酰度對殼聚糖抗菌性能的影響
　　在本試驗中我們制備了三種分子量相似但脫乙酰度不同的殼聚糖，分別為1#96.65%、2#89.68%、3#85.64%。我們把用1#，3#殼聚糖整理過的織物作為一組，進行抗菌測試，以考察在分子量相同脫乙酰度不同的條件下，殼聚糖抗菌效果的差異。

　　圖51#～3#整理棉織物的抗菌效果
　　由圖5所示，不同脫乙酰度的殼聚糖整理過的棉織物具有不同的抗菌效果，其變化趨勢是:隨脫乙酰度的增加，殼聚糖的抗菌性能也顯著增加。其中1#殼聚糖的脫乙酰度最高(96.65%)，抗菌效果也最強，對金黃色葡萄球菌的抗菌率達83%，對大腸桿菌和白色念珠菌的抗菌率也在70%以上，具有明顯的抑制細菌生長的作用。這說明在殼聚糖濃度相同的情況下，高脫乙酰度的殼聚糖結合在織物上的有效氨基數量增加，其抗菌效果也增強。從以上實驗結果來看，游離氨基的存在，即脫乙酰度的高低對殼聚糖的抗菌效果有重要影響。殼聚糖的脫乙酰化過程，是其分子鏈上-NHCOCH3逐漸被-NH2取代的過程。在酸性條件下，-NH2易與H+結合形成-NH3+正電離子，隨著殼聚糖脫乙?；鹊脑龃?，其分子鏈上的正電荷-NH3+也增多，對于細菌(帶有負電荷)的靜電引力增強，更多的細菌被絮凝、聚沉，其生長繁殖也隨之減弱，即表現為殼聚糖的抗菌性隨其脫乙酰度的增大而增強。
　　2·5分子量對殼聚糖抗菌性能的影響
　　選擇了分子量相差較大的幾種殼聚糖，分別為4#18.1萬、5#6萬、6#1700作為一組，進行抗菌實驗，考察殼聚糖的分子量對其抗菌性能的影響。
　　由圖6可見，經不同分子量殼聚糖整理過的棉織物，也具有不同的抗菌效果，基本是隨分子量的降低而增加，其中6#甲殼低聚糖(分子量1700)抗菌效果最明顯，其對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌率有顯著增加，對白色念珠菌的抗菌率反而降低，這一實驗結果與文獻報道的日本S.Tokurn等的實驗結果相符[10]。

　　圖64#～6#整理織物抗菌效果
　　分析抗菌實驗的結果，我們的結論是:分子量對殼聚糖的抗菌性能也有重要的影響，而較低分子量的殼聚糖(甲殼低聚糖)與高分子量的殼聚糖在抗菌機理上可能存在著一定的差異。
　　3結論
　　3·1XPS路測試和傅里葉變換紅外光譜測試表明，殼聚糖在對棉織物的抗菌整理中可能與棉織物中的纖維素形成氫鍵結合，并發生一定程度的化學交聯。
　　3·2殼聚糖的抗菌性一般隨分子量的降低而增加;隨脫乙酰度的增大而增加。
　　參考文獻
　　[1]柴平海等。甲殼素/殼聚糖開發和研究的新動向?；瘜W通報，l999，(7);8-11。
　　[2]AllanCA，dnigerL.A.ExpMycop，l979:3285
　　[3]MuzzarelliR.JeuaisauxC.GoodayC.W.ChitinNatureandTechnology,NewYork;plenumpress,1985:235
　　[4]微生物學，北京:高等教育出版社，1994
　　[5]鄒淑敏等?？咕砜椢锏母牧糛uinn測試法。印染，1994.20(7):33-35
　　[6]范秀容等。微生物學實驗。北京:高等教育出版社，1994。