CN101073434B - 一种银纳米金属抗菌涂层的制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种长效、固着、缓释性银纳米金属抗菌涂层及其制备方法和应用。通过过程控制合成了不同粒度不同形貌的纳米金属银颗粒。并采用化学结合技术将纳米金属颗粒固着在不同的衬底表面，获得固着性、长效作用的纳米抗菌涂层，实现了食品生产设备和包装内表面微生物膜的控制。

Description

一种银纳米金属抗菌涂层的制备方法和应用

技术领域

本发明属于食品安全领域，涉及一种纳米金属抗菌涂层，以及在食品工业特别是在啤酒工业中的应用。

背景技术

作为金属银的一种特殊形态的纳米银，在发挥银的抗菌功效的同时，由于颗粒极微小，表面积较大，具有超强的活性及更强的组织渗透性，其杀菌作用是普通银的数百倍。另外，由于纳米尺度的金属银的表面电子特性，它可以与细菌的蛋白质分子上的巯基、胺基等吸电子集团形成配体，从而进一步增强了抗菌效果。

随着人们生活水平的提高，食品安全越来越受到人们的广泛重视。温家宝总理在政府工作报告中提出“集中力量开展食品安全专项整治，严把市场准入关，加强生产和流通全过程的监管，让人民群众吃上安全、放心的食品”。在我国食物中毒发生起数和中毒人数总体呈下降趋势的同时，微生物(主要是细菌)污染问题却日渐突出，成为目前影响我国食品卫生和安全的最主要因素(卫生部2005年11月食品卫生通报)。细菌污染食品后会导致食品的变质或者转化成致病菌从而对食用者造成伤害。食品污染的最主要的途径是在食品制备过程中接触了李四忒氏菌属单细胞和其他有害的微生物菌落。特别是在食品的加工过程中，细菌经常在加工设备的食品接触面上富集，并在表面生长，最终形成微生物膜。

所谓微生物膜是指微生物在固体表面附着、聚集而形成的具有一定面积、一定厚度的微生物群。这些微生物膜积累到一定程度时，会发生爆发，在食品生产过程中，对食品的污染迅速加剧，形成灾难性的后果。

微生物膜一般具有三维结构，膜内有一些通道被用来输入营养成分和排除废物。由于微生物膜的结构特点，聚集在一起的细菌会产生一类分解抗杀菌剂的酶，与单个细菌相比，有更强的抗药性。常规的杀菌方法，虽然对单个细菌有效，但要杀灭微生物膜的细菌，所用药物的剂量和所需的时间要远远超出我们的想象。同时，对于某些杀菌措施来讲，只对活跃状态的细菌起作用；而对于微生物膜来讲，一部分细菌处于活跃状态，另一部分则处于休眠状态，因此，这些休眠状态细菌就不能被杀死，在合适的环境下会很快复苏，并迅速繁殖。所以，微生物膜一旦在固体表面形成，就很难被清除。

下面以啤酒为例进行说明，工厂化啤酒生产过程中，为了控制啤酒中有害微生物，啤酒企业制定了严格、繁杂的工艺规范，以保障啤酒的安全生产和啤酒质量的稳定(啤酒厂卫生规范GB8952—1988)。在啤酒制备过程中，从制麦、糖化、到发酵、过滤、再到清酒的储存及灌装，每一道工序每周或经过每一个生产周期后就要严格灭菌。目前采用消毒灭菌的措施一般为清水和无菌水冲洗、热水、热碱水循环刷洗、硫磺熏蒸、甲醛、二氧化氯过氧乙酸等消毒剂灭菌等。这些消毒措施起到了一定的灭菌作用。然而，频繁的灭菌提高了企业的生产成本，并且，由于很多设备需要停机灭菌，使得设备使用效率大大降低，降低了劳动生产率，更进一步提高了生产成本。同时，有些消毒剂具有一定的毒性，如甲醛和二氧化氯具有致癌作用，频繁使用不但对环境造成危害，而且，残存在啤酒中会对饮用者造成人身伤害。更重要的是，这些传统的消毒灭菌方法杀菌效果有限，设备长时间使用后，在设备表面会造成明显的细菌积累，肉眼可以看到明显的微生物膜，采用多种物理化学方法均难彻底清除。在设备焊缝、管道拐弯等死角位置，常规杀毒方法更是无能为力，有些生产部件及设备，最终会因为无法清理积累的细菌而被废弃，造成设备成本的大幅度提高。目前为止，还没有能够控制食品生产过程细菌膜形成有效的措施。

发明内容：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种纳米金属抗菌涂层材料，采用化学键合的方式将纳米颗粒牢固地结合在设备使用面上，从而阻止食品工业生产设备表面形成细菌微生物膜。

本发明的技术方案是：

本发明提供的银纳米金属抗菌涂层，其特征在于，银纳米金属颗粒为活性成分，并采用化学键合的方式将纳米金属颗粒固定在生产设备的表面。

优选的，纳米金属银颗粒可以是各种不同粒度不同形貌的。所述生产设备包括各种常用生产设备，生产设备的材质可以选用不锈钢、玻璃。

这种银纳米金属抗菌涂层可以通过表面化学改性控制金属离子在溶液中的释放速度，从而获得长效、固着、缓释性纳米抗菌涂层，实现对啤酒设备内表面微生物膜的控制。

本发明还提供银纳米金属抗菌涂层的制备方法，包括下列步骤：

A)采用化学还原法制备银纳米金属颗粒；

B)通过化学键合的方式将纳米金属颗粒固定在生产设备的表面。

优选的，步骤A)所述的化学还原法制备银纳米金属颗粒，是以银盐在有机溶剂中采用化学还原法制备纳米颗粒；并且添加表面活性剂进行颗粒尺寸和形状控制。银盐、有机溶剂和表面活性剂优选无毒的。银盐优选银的硝酸盐、或醋酸盐。表面活性剂优选聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、或萘-甲醛缩合物磺酸钠(Daxad19)；有机溶剂选自乙二醇或丙三醇。

优选的，步骤B)所述的化学键合的方式是指通过化学键将纳米颗粒结合到器壁的表面，采用硫醇化合物或硅烷偶联剂。硫醇化合物优选乙二硫醇。

本发明还提供所述的金属纳米抗菌涂层在食品工业中的应用，特别是在啤酒工业中的应用。

采用化学还原法制备银纳米金属颗粒，将硝酸银固体加入乙二醇或丙三醇中溶解，制备成硝酸银的乙二醇或丙三醇溶液，将聚乙烯吡咯烷酮(PVP)加入到乙二醇或丙三醇中溶解，制备成聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的乙二醇或丙三醇溶液，将两溶液混合，磁力搅拌，生成粒径在10-100nm的纳米银溶胶。其中硝酸银的浓度为1～10mmol/L，PVP的用量0.1wt％～2wt％。特别需要说明的是本发明方法中所用的醇既是溶剂，同时还可起到还原剂的作用。

银的还原制备方法反应机理如下：

2HOCH₂CH₂OH→2CH₃CHO+2H₂O

2Ag⁺+2CH₃CHO→CH₃CHO-OHCCH₃+2Ag+2H⁺

纳米金属颗粒在设备表面的固定过程是将衬底改性后，采取一定的方式，如涂刷、喷雾和浸润，使纳米颗粒附着在衬底的表面。改性剂两端的功能基团会将基底表面和金属颗粒紧密地结合在一起。食品生产过程中接触面主要有不锈钢、玻璃。在两类材料的性能不同，纳米金属颗粒的改性方法也不同。

方案一以氨基硅烷为基础的纳米金属颗粒的包覆和固定

以γ-氨丙基三乙氧基硅烷为例介绍这种方法。γ-氨丙基三乙氧基硅烷(A-1100)的Si端水解形成硅醇，与硅酸盐玻璃结合，NH₂端的N具有弧对电子与银发生成键作用，从而吸附到玻璃表面；同时在干燥过程中，会将纳米银颗粒牢牢地粘结在玻璃表面。银离子释放量可以通过调节纳米颗粒的粒径来控制。图1为银纳米颗粒在玻璃表面的固定过程的示意图。

方案二以硫醇型化合物为基础的纳米金属颗粒的包覆和固定

硫醇型化合物具有非常奇特的性质，容易与金属表面键合。巯基对金属非常敏感，它可以在金属单质表面形成很强的配合键而牢牢的结合在金属表面。通过表面巯基的结合，纳米银颗粒表面的银离子的释放可以得到抑制。乙二硫醇是一种常见的硫醇化合物。一个乙二硫醇有两个巯基。由于银和不锈钢都是金属，乙二硫醇的两个巯基，一个与纳米银颗粒连接，另一个会与不锈钢连接，从而将两者连接在一起。所以乙二硫醇可以起到两种作用，一是控制银离子的释放，二是将纳米银颗粒固定在不锈钢表面。纳米银颗粒与不锈钢表面通过乙二硫醇相结合的示意图(图2)

本发明的纳米金属抗菌涂层具有长效、固着、缓释性。这种具有缓释作用的杀菌涂层，在啤酒生产过程中的弱酸性环境下，在靠近生产设备表面的区域形成一定厚度和一定浓度梯度的金属离子层，当细菌接触到表面时，在短时间内被杀灭，从而使细菌无法在被保护表面附着、积累和繁殖，从根本上消除细菌膜的形成，从而实现长时间内控制细菌微生物膜形成的目的。

附图说明

图1是银纳米颗粒在玻璃表面的固定过程的示意图。1为银纳米颗粒，2为玻璃片。

图2是乙二硫醇固定银颗粒在不锈钢表面的模型。1为银纳米颗粒，2为玻璃片。

图3是制备银纳米颗粒的X-射线衍射图谱。

图4是对应于以氨基硅烷为改性剂的银纳米颗粒的包覆和固定实施例一的银颗粒的透射电镜照片(a)，和其在玻璃片上的固定的扫描电镜照片(b)。

图5是对应于以氨基硅烷为改性剂的银纳米颗粒的包覆和固定实施例二的银颗粒的透射电镜照片(a)，和其在玻璃片上的固定的扫描电镜照片(b)。

图6是对应于以硫醇型化合物为改性剂的银纳米颗粒的包覆和固定实施例三在不锈钢片上的固定的扫描电镜照片。

图7是A-1100水解液(a)和连接银纳米颗粒A-1100水解液(b)的红外光谱图(FTIR)。

图8是连接银纳米颗粒的玻璃的紫外可见光谱图，插图为银溶胶的紫外可见光谱图。

具体实施方式

(一)以氨基硅烷为改性剂的银纳米颗粒在玻璃表面的固定

实施例一

1.纳米银溶胶的合成

(1)称0.067g PVP溶解于10ml的乙二醇溶液中，磁力搅拌10min。

(2)称0.034gAgNO₃溶解于10ml的乙二醇溶液中，磁力搅拌10min。

(3)将(2)形成的溶液逐滴地加入到(1)形成的溶液中，磁力搅拌30min。

2.硅酸盐玻璃片的清洗

(1)1×1cm的玻璃片浸在硫酸和双氧水的混合液中(3:1 v/v 98％H₂SO₄/30％H₂O₂)，煮沸20min。

(2)用去离子水冲洗玻璃片的表面，晾干。

3.A-1100(γ-氨丙基三乙氧基硅烷)偶联剂的配制

将1ml的A-1100偶联剂加入到100ml的乙醇中，摇晃数分钟，使混合均匀。加入醋酸做为水解催化剂，并将PH值调至3.5-5.5。密封保存。

4.硅酸盐玻璃片的改性

(1)将(2)清洗完毕的玻璃片浸入到配置好的偶联剂中，30min。

(2)取出后，用乙醇清洗玻璃片数次，晾干。

(3)放入到真空干燥箱中(100℃)加热至少2h。

5.银颗粒在硅酸盐玻璃表面的固定

(1)将改性的玻璃片浸泡在纳米银溶胶中，12h。

(2)取出后，用乙醇清洗。

(3)在乙醇的溶液中超声1min。

实施例二

1.纳米银溶胶的合成

(1)称0.044g PVP溶解于10ml的丙三醇溶液中，磁力搅拌10min。

(2)称0.017gAgNO₃溶解于10ml的丙三醇溶液中，磁力搅拌10min。

(3)将(2)形成的溶液逐滴地加入到(1)形成的溶液中，磁力搅拌30min。

2.硅酸盐玻璃片的清洗

(1)1×1cm的玻璃片浸在硫酸和双氧水的混合液中(3:1 v/v 98％ H₂SO₄/30％H₂O₂)，煮沸20min。

(2)用去离子水冲洗玻璃片的表面，晾干。

3.A-1100偶联剂的配制

将1ml的A-1100偶联剂加入到100ml的乙二醇中，摇晃数分钟，使混合均匀。加入醋酸做为水解催化剂，并将PH值调至3.5-5.5。密封保存。

4.硅酸盐玻璃片的改性

(1)将(2)清洗完毕的玻璃片浸入到配置好的偶联剂中，30min。

(2)取出后，用乙醇清洗玻璃片数次，晾干。

(3)放入到真空干燥箱中(100℃)加热至少2h。

5.银颗粒在硅酸盐玻璃表面的固定

(1)将改性的玻璃片浸泡在纳米银溶胶中，12h。

(2)取出后，用乙醇清洗。

(3)在乙醇的溶液中超声1min。

(二)以硫醇型化合物为改性剂的银纳米颗粒的包覆和固定

实施例三

1.纳米银溶胶的合成

(1)称0.067g PVP溶解于10ml的乙二醇溶液中，磁力搅拌10min

(2)称0.034g AgNO₃溶解于10ml的乙二醇溶液中，磁力搅拌10min。

(3)将(2)形成的溶液逐滴地加入到(1)形成的溶液中，磁力搅拌30min。

2.不锈钢片的清洗

将1×1cm的不锈钢片在丙酮溶液中超声20min，取出用清水冲洗，晾干。

3.不锈钢片的改性

将0.02ml的乙二硫醇加入到250ml的乙醇溶液中，磁力搅拌，配制成1mmoldm^-3的乙二硫醇的乙醇溶液。将清洗的不锈钢片浸泡到乙二硫醇的乙醇溶液24h。取出，用乙醇冲洗，晾干。

4.银颗粒在不锈钢表面的固定

将银溶胶喷雾到已处理完毕的不锈钢的表面，相同距离，相同力度喷8次，晾干后，用乙醇清洗到表面未连接上的银纳米颗粒。

实施例四

1.纳米银溶胶的合成

(1)称0.044gPVP溶解于10ml的乙二醇溶液中，磁力搅拌10min。

(2)称0.017g AgNO₃溶解于10ml的乙二醇溶液中，磁力搅拌10min。

(3)将(2)形成的溶液逐滴地加入到(1)形成的溶液中，磁力搅拌30min。

2.不锈钢片的清洗

将1×1cm的不锈钢片在丙酮溶液中超声20min，取出用清水冲洗，晾干。

3.不锈钢片的改性

将0.02ml的乙二硫醇加入到250ml的乙醇溶液中，磁力搅拌，配制成1mmoldm^-3的乙二硫醇的乙醇溶液。将清洗的不锈钢片浸泡到乙二硫醇的乙醇溶液24h。取出，用乙醇冲洗，晾干。

4.银颗粒在不锈钢表面的固定

(1)将改性的不锈钢片浸泡在纳米银溶胶中，24h。

(2)取出后，用乙醇清洗，晾干。

Claims (2)

1.一种银纳米金属抗菌涂层的应用，其特征在于，应用于啤酒工业中，以银纳米金属颗粒为活性成分，并采用化学键合的方式将银纳米金属颗粒固定在生产设备的表面，包括下列步骤：

A)采用化学还原法制备银纳米金属颗粒，将硝酸银固体加入乙二醇或丙三醇中溶解，制备成硝酸银的乙二醇或丙三醇溶液，将聚乙烯吡咯烷酮加入到乙二醇或丙三醇中溶解，制备成聚乙烯吡咯烷酮的乙二醇或丙三醇溶液，将两溶液混合，磁力搅拌，生成粒径在10-100nm的纳米银溶胶；其中硝酸银的浓度为1～10mmol/L，PVP的用量0.1wt％～2wt％；

B)通过化学键合的方式将银纳米金属颗粒固定在生产设备的表面；所述的化学键合的方式是指通过化学键将银纳米颗粒固定在器壁的表面，采用硫醇化合物或硅烷偶联剂。

2.如权利要求1所述的银纳米金属抗菌涂层的应用，其特征是，所述的硫醇化合物为乙二硫醇。

Images