CN110791829B

CN110791829B - 一种纳米抗菌纤维的制备方法及其应用

Info

Publication number: CN110791829B
Application number: CN201810868975.4A
Authority: CN
Inventors: 杨仁党; 刘旭; 王阳
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2018-08-02
Filing date: 2018-08-02
Publication date: 2020-09-22
Anticipated expiration: 2038-08-02
Also published as: CN110791829A

Abstract

本发明公开了一种纳米抗菌纤维的制备方法及其应用。该方法包括以下步骤：(1)细菌纤维素初始分散液的制备：将细菌纤维素放入纳米磨浆机中进行磨浆，得到细菌纤维素初始分散液；(2)氧化细菌纤维素的制备：向细菌纤维素初始分散液中加入氧化剂，遮光进行反应，待反应结束后，离心，洗涤，得到氧化细菌纤维素；(3)将氧化细菌纤维素加入到壳聚糖溶液中，在40～80℃条件下搅拌反应，洗涤，离心，超声粉碎，得到纳米抗菌纤维。本发明是将壳聚糖通过席夫碱反应接枝到细菌纤维素上，两者之间结合强度好，获得的抗菌纤维可以达到纳米级别，同时兼具有纳米材料的优势和抗菌性能，可应用于抗菌衣服、医药卫生以及包装等领域。

Description

一种纳米抗菌纤维的制备方法及其应用

技术领域

本发明属于纳米功能材料领域，具体涉及一种纳米抗菌纤维的制备方法及其应用。

背景技术

近年来，由于人们越来越关注自身的生活环境和健康水平，以及生产商之间激烈的竞争，具有抗菌功能的各类产品日益增多。在人们的日常生活中，抗菌纤维在衣服、医疗卫生产品以及包装等领域应用广泛。

壳聚糖是甲壳素的脱乙酰化产物，是目前发现的唯一的天然碱性多糖，具有广谱抗菌性，但是纯的壳聚糖吸水性强，强度较差。壳聚糖与纤维素具有相似的化学结构，研究学者通过将两者复合得到抗菌材料，相容性好。细菌纤维素是一种纳米材料，具有比表面积大、纯度高、结晶度高、强度好、可降解等特点，但是由于细菌纤维素由生物培养得到，其初始形态是由范德华力以及氢键紧密结合的超精细网络结构，纤维的分散程度和稳定性直接影响到它的有效利用。因此，开发一种纳米尺寸、抗菌性能良好的纤维具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种纳米抗菌纤维的制备方法。

本发明的另一目的在于提供由上述制备方法得到的纳米抗菌纤维。

本发明的再一目的在于提供上述纳米抗菌纤维的应用。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种纳米抗菌纤维的制备方法，包括以下步骤：

(1)细菌纤维素初始分散液的制备：将细菌纤维素放入磨浆机中进行磨浆，得到细菌纤维素初始分散液；其中，所述的磨浆的条件为：先在10～50bar压力下疏解分散10～40min，再在50～200bar压力下分散20～60min，最后在200～1000bar压力下磨浆30～60min；

(2)氧化细菌纤维素的制备：向步骤(1)中得到的细菌纤维素初始分散液中加入氧化剂，遮光进行反应，待反应结束后，离心，洗涤，得到氧化细菌纤维素；

(3)将步骤(2)中得到的氧化细菌纤维素加入到壳聚糖溶液中，在40～80℃条件下搅拌反应，洗涤，离心，超声粉碎，得到纳米抗菌纤维。

所述的纳米抗菌纤维的制备方法，还包括将步骤(1)的细菌纤维素进行纯化的步骤，具体为：将细菌纤维素用水冲洗，除去表面残留的培养基和杂质；然后将其浸泡于0.1～2.0mol/L的NaOH溶液中，加热煮沸30～90min，以洗出细菌纤维素内部残留的菌体和培养基；再用0.1％～1％(w/w)的醋酸溶液冲洗细菌纤维素；最后用水冲洗至pH为7.2。

优选的，所述的NaOH溶液的浓度为0.1mol/L。

优选的，所述的醋酸溶液的浓度为质量百分比0.1％～0.5％。

优选的，步骤(1)中所述的磨浆机为纳米磨浆机。

优选的，步骤(1)中所述的磨浆的条件为：先在10～50bar压力下疏解分散10min，再在100～200bar压力下分散20～30min，最后在560～700bar压力下磨浆50～60min。

优选的，步骤(1)中所述的细菌纤维素初始分散液的浓度为质量百分比0.1％～5％。

更优选的，步骤(1)中所述的细菌纤维素初始分散液的浓度为质量百分比0.8％～2％。

优选的，步骤(2)中所述的氧化剂为高碘酸钠。

优选的，步骤(2)中所述的氧化剂的添加量为按其在所述细菌纤维素初始分散液的终浓度为0.01～5mol/L计算。

更优选的，步骤(2)中所述的氧化剂的添加量为按其在所述细菌纤维素初始分散液的终浓度为0.2mol/L计算。

优选的，所述的遮光通过如下方法实现：向细菌纤维素初始分散液中加入氧化剂后，用2层锡箔纸包裹。

优选的，步骤(2)中所述的反应的条件为：在30～60℃水浴条件下反应1～6h。

更优选的，步骤(2)中所述的反应的条件为：在30～50℃水浴条件下反应2～3h。

优选的，步骤(3)中所述的壳聚糖溶液的浓度为质量百分比0.5％～2％。

优选的，步骤(3)中所述的壳聚糖溶液通过如下方法制备得到：将冰醋酸溶解到水中，配制0.5％～2％(w/w)的醋酸溶液；然后将壳聚糖加入到0.5％～2％(w/w)醋酸溶液中，在50～90℃水浴条件下搅拌0.5～2h，得到壳聚糖溶液；其中，壳聚糖与冰醋酸的质量比为1:1。

优选的，所述的醋酸溶液的浓度为质量百分比1％～2％。

优选的，所述的搅拌的条件为：在50～60℃水浴条件下搅拌0.5～1h。

优选的，步骤(3)中所述的氧化细菌纤维素的用量按每100mL壳聚糖溶液配比0.1～10g氧化细菌纤维素计算；优选为按每100mL壳聚糖溶液配比1～3g氧化细菌纤维素计算。

优选的，步骤(3)中所述的搅拌反应的温度为40～60℃。

优选的，步骤(3)中所述的搅拌反应的时间为1～6h。

更优选的，步骤(3)中所述的搅拌反应的时间为2～4h。

优选的，步骤(3)中所述的超声的频率为2～20kHz。

更优选的，步骤(3)中所述的超声的频率为4～8kHz。

优选的，步骤(3)中所述的超声的时间为0.5～20min。

更优选的，步骤(3)中所述的超声的时间为5～10min。

一种纳米抗菌纤维，通过上述任一项所述的方法制备得到。

所述的纳米抗菌纤维在服装、医疗卫生产品、食品包装等领域中的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

1、本发明提供的纳米抗菌纤维以壳聚糖为活性抗菌成分，天然无毒，生物相容性好，并且可生物降解。壳聚糖通过席夫碱反应接枝到细菌纤维素上，而并非仅仅依靠物理吸附，两者之间结合强度好。壳聚糖与细菌纤维素接枝，不仅赋予了细菌纤维素抗菌的特性，同时由于其溶液的高粘度和空间位阻效应，使得接枝壳聚糖的细菌纤维素在水中分散性和稳定性均有提高，得到的抗菌纤维可以达到纳米级别，兼具有纳米材料的优势和抗菌性能，在抗菌衣服、医药卫生以及包装领域有巨大的应用前景。此外，本发明公开的方法操作简单，步骤简洁。

2、本发明中细菌纤维素是一种纳米材料，比表面积大，暴露的羟基多，可以形成很强的化学键作用，因此，得到的纳米抗菌纤维可以增加终端产品的强度。

3、本发明中采取将氧化剂加入到细菌纤维素悬浮液的方式进行氧化反应，先将细菌纤维素磨浆分散成了悬浮液，因为如果采用将其浸泡于氧化剂溶液的方法，要先对已经分散好的纤维素悬浮液进行浓缩，否则会改变氧化剂的浓度，这势必会使实验步骤繁琐，且已经分散开的纤维素容易重新絮聚在一起，影响氧化效果。

4、本发明中采用纳米磨浆机进行磨浆(不同于PFI磨靠的是机械摩擦和剪切力)，纳米磨浆机的磨浆原理是依靠压力脉冲和液体剪切力将纤维分散开，作用比较温和，对纤维的切断破坏作用较小，并且分散效果好。

5、现有技术中直接将细菌纤维素膜或者天然纤维与壳聚糖反应，反应只发生在纤维素的表面，因此，壳聚糖的接枝率较低。本发明中先将细菌纤维素进行分散(细菌纤维素本身是一种纳米纤维素，生物培养得到的是一种膜状物质)，分散后会增加其比表面积，增加反应位点，从而提高壳聚糖的接枝率。此外，壳聚糖还能够有效地促进细菌纤维素的分散。

附图说明

图1为实施例1～3制得的纳米抗菌纤维的丁达尔效应实验结果图；其中，图A为未经壳聚糖接枝的细菌纤维素悬浮液；图B为实施例1制得的纳米抗菌纤维；图C为实施例2制得的纳米抗菌纤维；图D为实施例3制得的纳米抗菌纤维。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件。下述实施例中所使用的各原料以及试剂，除特别指出的以外，均可由市售获得。

实施例1

一种纳米抗菌纤维的制备方法，包括以下步骤：

(1)细菌纤维素的纯化：将市购细菌纤维素(海南亿德食品有限公司)用水多次冲洗，除去表面残留的培养基和杂质；再将其浸泡于0.1mol/L的NaOH溶液中，加热煮沸60min，以洗出内部残留的菌体和培养基；之后用0.5％(w/w)的醋酸溶液冲洗细菌纤维素，再用水多次冲洗至pH为7.2左右；

(2)细菌纤维素初始分散液的制备：将纯化好的细菌纤维素用纳米磨浆机磨浆，先在10bar压力下疏解分散10min，再在100bar压力下分散30min，最后在600bar压力下磨浆60min，得到相对稳定的细菌纤维素初始分散液，其中得到的细菌纤维素悬浮液的质量浓度为2％；

(3)氧化细菌纤维素的制备：向上述细菌纤维素初始分散液中加入高碘酸钠，用量按照体系终浓度为0.2mol/L添加，用2层锡箔纸包裹遮光，在30℃下水浴保温搅拌2h。反应结束后，离心分离，洗涤；

(4)壳聚糖溶液的制备：将冰醋酸溶解到水中，配置2％(w/w)的醋酸溶液；然后将壳聚糖溶解在2％(w/w)醋酸溶液中(加入壳聚糖的质量和冰醋酸质量比为1:1)，在60℃水浴条件下保温搅拌1h；

(5)纳米抗菌纤维的制备：将上述2g绝干质量的氧化细菌纤维素加入到100mL壳聚糖溶液中，40℃下保温搅拌3h后，多次洗涤，离心，4kHz超声粉碎5min，即得纳米抗菌纤维。

实施例2

一种纳米抗菌纤维的制备方法，包括以下步骤：

(1)细菌纤维素的纯化：将市购细菌纤维素(海南亿德食品有限公司)用水多次冲洗，除去表面残留的培养基和杂质；再将其浸泡于0.1mol/L的NaOH溶液中，加热煮沸60min，以洗出内部残留的菌体和培养基；之后用0.2％(w/w)的醋酸溶液冲洗细菌纤维素，再用水多次冲洗至pH为7.2左右；

(2)细菌纤维素初始分散液的制备：将纯化好的细菌纤维素用纳米化磨浆机磨浆，先在20bar压力下疏解分散10min，再在200bar压力下分散20min，最后在560bar压力下磨浆60min，得到相对稳定的细菌纤维素初始分散液，其中得到的细菌纤维素悬浮液的质量浓度为1％；

(3)氧化细菌纤维素的制备：向上述细菌纤维素初始分散液中加入高碘酸钠，用量按照体系终浓度为0.2mol/L添加，用2层锡箔纸包裹遮光，在35℃下水浴保温搅拌2h。反应结束后，离心分离，洗涤；

(4)壳聚糖溶液的制备：将冰醋酸溶解到水中，配置1％(w/w)的醋酸溶液；然后将壳聚糖溶解在1％(w/w)醋酸溶液中(加入壳聚糖的质量和冰醋酸质量比为1:1)，在50℃水浴条件下保温搅拌1h；

(5)纳米抗菌纤维的制备：将上述3g绝干质量的氧化细菌纤维素加入到100mL壳聚糖溶液中，45℃下保温搅拌2h后，多次洗涤，离心，8kHz超声粉碎5min即得纳米抗菌纤维。

实施例3

一种纳米抗菌纤维的制备方法，包括以下步骤：

(1)细菌纤维素的纯化：将市购细菌纤维素(海南亿德食品有限公司)用水多次冲洗，除去表面残留的培养基和杂质；再将其浸泡于0.1mol/L的NaOH溶液中，加热煮沸60min，以洗出内部残留的菌体和培养基；之后用0.1％(w/w)的醋酸溶液冲洗细菌纤维素，再用水多次冲洗至pH为7.2左右；

(2)细菌纤维素初始分散液的制备：将纯化好的细菌纤维素用纳米化磨浆机磨浆，先在50bar压力下疏解分散10min，再在200bar压力下分散30min，最后在700bar压力下磨浆50min，得到相对稳定的细菌纤维素初始分散液，其中得到的细菌纤维素悬浮液的质量浓度为0.8％；

(3)氧化细菌纤维素的制备：向上述细菌纤维素初始分散液中加入高碘酸钠，用量按照体系终浓度为0.2mol/L添加，用2层锡箔纸包裹遮光，在50℃下水浴保温搅拌3h。反应结束后，离心分离，洗涤；

(4)壳聚糖溶液的制备：将冰醋酸溶解到水中，配置2％(w/w)的醋酸溶液；然后将壳聚糖溶解在2％(w/w)醋酸溶液中(加入壳聚糖的质量和冰醋酸质量比为1:1)，在60℃水浴条件下保温搅拌0.5h；

(5)纳米抗菌纤维的制备：将上述1g绝干质量的氧化细菌纤维素加入到100mL壳聚糖溶液中，60℃下保温搅拌4h后，多次洗涤，离心，4kHz超声粉碎10min即得纳米抗菌纤维。

效果实施例

(1)对实施例1～3制得的纳米抗菌纤维进行壳聚糖接枝率检测，实验方法为：用元素分析仪测定纳米抗菌纤维的氮含量(N％)，再按照以下公式计算壳聚糖含量：

壳聚糖含量(％)＝N含量(％)/14.007×166.74。

(2)对实施例1～3制得的纳米抗菌纤维进行抑菌实验，实验方法为：用接种环从低温贮藏的菌种(大肠杆菌：ATCC25922，广州环凯生物科技有限公司；金黄色葡萄球菌：ATCC6538，广州环凯生物科技有限公司)斜面上挑取一个典型菌落，转接到25mL液体LB培养基中，置于摇床中在37℃下培养24h，即得初始菌悬液。对初始菌悬液进行连续10倍稀释，分别取0.1mL均匀涂布在固体LB培养基平板中，在37℃下培养24h，计数，选择30～300个菌落的悬浮液作为实验菌液。在抗菌实验中，先涂布0.1mL的实验菌液，再加入0.5mL的纳米抗菌纤维悬浮液，在37℃恒温培养箱中培养24h，取出后计算平板上的菌落数。抑菌率按照以下公式计算：

R＝(A₀-A₁)/A₀×100％；

其中，A₀为空白样品平板中的平均菌落数，A₁为涂抹纳米抗菌纤维悬浮液平板中的平均菌落数。

(3)对未经壳聚糖接枝的细菌纤维素悬浮液(0.4‰w/w)和实施例1～3制得的纳米抗菌纤维悬浮液(0.4‰w/w)进行丁达尔效应实验，即用一束绿色激光照射悬浮液，观察实验现象。

(4)结果：实施例1制得的纳米抗菌纤维中壳聚糖接枝率为10.12％，对大肠杆菌的抑菌率为75.8％，对金黄色葡萄球菌的抑菌率为89.3％；实施例2制得的纳米抗菌纤维中壳聚糖接枝率为9.53％，对大肠杆菌的抑菌率为72.2％，对金黄色葡萄球菌的抑菌率为86.8％；实施例3制得的纳米抗菌纤维中壳聚糖接枝率为10.53％，对大肠杆菌的抑菌率为80.3％，对金黄色葡萄球菌的抑菌率为90.2％。说明本发明制得的纳米抗菌纤维具有良好的抗菌性能。另外，用绿色激光照射悬浮液发现，未经壳聚糖接枝的细菌纤维素悬浮液(实施例1中步骤(2)制得)光线发生散射，不能顺利通过液体，而实施例1～3中的悬浮液中均出现一条光亮的通路，这是胶体的现象，说明悬浮液中的溶质达到了纳米级别(图1)。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种纳米抗菌纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)细菌纤维素初始分散液的制备：将细菌纤维素放入磨浆机中进行磨浆，得到细菌纤维素初始分散液；其中，所述的磨浆的条件为：先在10～50bar压力下疏解分散10～40min，再在100～200bar压力下分散20～60min，最后在560～700bar压力下磨浆30～60min；

2.根据权利要求1所述的纳米抗菌纤维的制备方法，其特征在于：

步骤(3)中所述的氧化细菌纤维素的用量按每100mL壳聚糖溶液配比0.1～10g氧化细菌纤维素计算；

步骤(3)中所述的壳聚糖溶液的浓度为质量百分比0.5％～2％。

3.根据权利要求1所述的纳米抗菌纤维的制备方法，其特征在于：

步骤(2)中所述的氧化剂为高碘酸钠。

4.根据权利要求1所述的纳米抗菌纤维的制备方法，其特征在于：

步骤(1)中所述的细菌纤维素初始分散液的浓度为质量百分比0.1％～5％；

步骤(2)中所述的氧化剂的添加量为按其在所述细菌纤维素初始分散液的终浓度为0.01～5mol/L计算。

5.根据权利要求1所述的纳米抗菌纤维的制备方法，其特征在于，还包括将步骤(1)的细菌纤维素进行纯化的步骤，具体为：

将细菌纤维素用水冲洗，除去表面残留的培养基和杂质；然后将其浸泡于0.1～2.0mol/L的NaOH溶液中，加热煮沸30～90min，以洗出细菌纤维素内部残留的菌体和培养基；再用0.1％～1％(w/w)的醋酸溶液冲洗细菌纤维素；最后用水冲洗至pH为7.2。

6.根据权利要求1所述的纳米抗菌纤维的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述的壳聚糖溶液通过如下方法制备得到：

将冰醋酸溶解到水中，配制0.5％～2％(w/w)的醋酸溶液；然后将壳聚糖加入到0.5％～2％(w/w)醋酸溶液中，在50～90℃水浴条件下搅拌0.5～2h，得到壳聚糖溶液；其中，壳聚糖与冰醋酸的质量比为1:1。

7.根据权利要求1所述的纳米抗菌纤维的制备方法，其特征在于：

步骤(1)中所述的磨浆的条件为：先在10～50bar压力下疏解分散10min，再在100～200bar压力下分散20～30min，最后在560～700bar压力下磨浆50～60min。

8.根据权利要求1所述的纳米抗菌纤维的制备方法，其特征在于：

步骤(1)中所述的磨浆机为纳米磨浆机；

步骤(2)中所述的反应的条件为：在30～60℃水浴条件下反应1～6h；

步骤(3)中所述的搅拌反应的时间为1～6h；

步骤(3)中所述的超声的频率为2～20kHz；

步骤(3)中所述的超声的时间为0.5～20min。

9.一种纳米抗菌纤维，其特征在于：通过权利要求1～8任一项所述的方法制备得到。

10.权利要求9所述的纳米抗菌纤维在服装、医疗卫生产品或食品包装领域中的应用。