CN114292428A - 一种层层自组装的复合抗菌薄膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种层层自组装的复合抗菌薄膜及其制备方法。本发明将纤维素纳米晶体接枝十六烷基三甲基氯化铵，制备了可负载疏水性抗菌活性物质的梳状聚合物季铵化纤维素纳米晶体层；同时，将纤维素纳米纤维与壳聚糖进行交联，构建具有良好力学性能和阻隔性能的基层；再通过层层自组装的方法将以上两层材质复合，形成复合抗菌薄膜。本发明中制备的薄膜具备优异的力学性能和阻隔性能，且可负载对大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌、金黄色葡萄球菌和单核增生李斯特菌具有良好的抑菌活性的疏水性抗菌物质，能够在食品领域、生物领域、医学领域、污水处理领域和功能纺织品领域等多种抗菌领域得到应用。

Description

一种层层自组装的复合抗菌薄膜及其制备方法

技术领域

本发明属于抗菌材料技术领域，具体涉及一种层层自组装的复合抗菌薄膜及其制备方法。

背景技术

消费者有着对健康和安全的生活方式的需求，因此，食品行业的发展趋势是尽量保持产品新鲜，同时避免使用合成防腐剂。所以具有高效抗菌活性和食品保鲜特性的活性包装吸引了研究人员的关注。许多疏水性抗菌物质有显著的抗氧化和抗菌活性，被认为是一类理想的活性包装材料，然而，这些抗菌物质的不溶性和挥发性限制了其实际应用。

梳状聚合物是一类在聚合物主干上有密集接枝侧链的大分子。与线性聚合物相比，梳状聚合物具有显著的端效应和由侧链相互排斥引起的长链构象，合成后可以用于携带疏水化合物。虽然石油衍生聚合物已被广泛开发和应用于食品保鲜领域，但由于其不可回收性和不可生物降解性，其消费接受度仍然很低。天然生物聚合物对生态不利影响小，逐渐成为食品包装领域的热门。纤维素是一种从可再生资源中提取的天然生物材料，是构建功能材料最具吸引力的成分之一。纤维素纳米材料，如纤维素纳米纤维和纤维素纳米晶体，具有理想的比强度，是有前途的天然聚合物。特别是通过硫酸水解法制备的纤维素纳米晶体具有无数的活性位点和高结晶度和刚度，可用于接枝聚合物刷，作为阳离子和热响应传感器，成核位点，增容/增强剂。

此外，氧化法制备的纤维素能够在纤维素分子上引入更多的羧基，同时构建非晶态和晶态区域，可作为复合膜的补强填料。纤维素纳米晶体和纤维素纳米纤维也被认为是独立的基质，由于大量的羟基和高比表面积，它们能够通过氢键建立牢固的纳米纤维素网络结构。因此，无论是自立网络还是与纤维素纳米材料补强填料的复合体系，都表现出较高的力学性能。然而，由于纳米纤维素网络结构表面具有丰富的亲水位点，其隔水性能太低，无法防止水分交换和有害微生物，限制了其在食品包装领域的应用。因此，开发纳米纤维素薄膜仍然是一个持续的挑战。

壳聚糖是一种天然阳离子线型多糖，通常用于合成生物聚合物薄膜，具有高成膜性、生物降解性、抗氧化性和抗菌活性。此外，总是在基于壳聚糖的膜中开发交联以增强凝胶骨架强度。京尼平作为栀子苷的苷元衍生物，可与壳聚糖上的伯氨基反应形成杂环胺，导致壳聚糖分子通过短桥结构顺序交联。通过京尼平稳定的交联矩阵，壳聚糖网络可以实现令人印象深刻的阻隔性能。然而，由于壳聚糖的糖苷链上的分子内和分子间氢键以及壳聚糖分子之间的网络链间隙强，机械性能仍不令人满意。因此，如果纤维素纳米纤维和壳聚糖分子通过京尼平交替交联，它将提供克服各自在食品包装中的不足。

为了突破纤维素和壳聚糖的机械和阻隔性能的限制，实现疏水性抗菌物质用于活性包装材料的可能，本发明分别制备了通过京尼平交联剂化学交联的壳聚糖-纤维素纳米纤维底部基层和可负载疏水性抗菌活性物质的梳状聚合物季铵化纤维素纳米晶体顶部涂层材料，通过的独特逐层自组装方法制备一种层层自组装的复合抗菌薄膜。

发明内容

为了突破纤维素和壳聚糖的机械和阻隔性能的限制，实现疏水性抗菌物质用于活性包装材料的可能，本发明提供一种层层自组装的复合抗菌薄膜及其制备方法。

本发明以纤维素纳米纤维与壳聚糖进行交联作为基层，并合成载有疏水性抗菌物质的季铵化纤维素纳米晶体，通过层层自组装的方法和纤维素纳米纤维和季铵化纤维素纳米晶体之间的氢键成功制备了层层自组装的复合抗菌薄膜。

为实现上述目的，本发明提出了一种层层自组装的复合抗菌薄膜的制备方法，包括步骤：

1.层层自组装的复合抗菌薄膜中壳聚糖-纤维素纳米纤维基层的制备方法，包括步骤：

S1、壳聚糖溶液的制备：称取2-20g的壳聚糖于烧杯中，加入100-2000mL质量分数为1-2％的冰醋酸溶液，置于磁力搅拌器上常温搅拌6-15h，得到壳聚糖溶液；

S2、壳聚糖-纤维素纳米纤维交联溶液的制备：向壳聚糖溶液中加入0.02-0.50g纤维素纳米纤维和0.006-0.020g京尼平后搅拌5-60min，其中京尼平为交联剂，得到壳聚糖-纤维素纳米纤维交联溶液；

S3、壳聚糖-纤维素纳米纤维基层的制备：将壳聚糖-纤维素纳米纤维交联溶液置于超声波清洗机中超声0.5-3h以去除气泡后，将溶液倒入15×20cm的模具中，放入烘箱，在35-80℃下干燥1-6h，得到半干壳聚糖-纤维素纳米纤维基层，此时构建了具有良好力学性能和抗氧防潮性能的壳聚糖-纤维素纳米纤维基层。

2.层层自组装的复合抗菌薄膜中季铵化纤维素纳米晶体-疏水性抗菌物质层的制备方法，包括步骤：

S1、季铵化纤维素纳米晶体的制备：将浓度为0.04-0.15g/mL十六烷基三甲基氯化铵水溶液缓慢加入到浓度为0.01-0.20g/mL的纤维素纳米晶体溶液中，将混合溶液在30-80℃下加热2-8h后，在室温下持续搅拌过夜，将混合溶液用离心机以3000-10000rpm离心5-30min，除去多余的十六烷基三甲基氯化铵并收集沉淀，将沉淀冷冻干燥，最终得到十六烷基三甲基氯化铵接枝的梳状聚合物季铵化纤维素纳米晶体；

S2、季铵化纤维素纳米晶体-疏水性抗菌物质层的制备：将0.02-0.20g季铵化纤维素纳米晶体和0.02-0.20g疏水性抗菌物质分别溶解并搅拌5-60min，使该混合溶液最终浓度为1mg/mL,最终得到装载疏水性抗菌物质的季铵化纤维素纳米晶体。

3.一种层层自组装的复合抗菌薄膜的制备，将3-30mL装载疏水性抗菌物质的季铵化纤维素纳米晶体溶液喷涂到壳聚糖-纤维素纳米纤维基层上，构建出一种层层自组装的复合抗菌薄膜，用于抗菌薄膜材料领域中。

与现有技术相比，本发明具备以下化学实验原理和有益技术效果：

本发明将纤维素纳米纤维与壳聚糖进行交联，构建具有良好力学性能和抗氧防潮性能的基层。此外，将纤维素纳米晶体接枝十六烷基三甲基氯化铵，制备了梳状聚合物季铵化纤维素纳米晶体作为疏水性抗菌物质的载体，得到了季铵化纤维素纳米晶体-疏水性抗菌物质层。通过层层自组装的方法和纤维素纳米纤维和季铵化纤维素纳米晶体之间的氢键成功制备了层层自组装的复合抗菌薄膜。

该层层自组装的复合抗菌薄膜，壳聚糖具有良好的成膜性，纤维素纳米纤维具有提高复合膜机械性能的效果，壳聚糖与纤维素的相容性非常好，从而使壳聚糖与纳米纤维素复合成膜，疏水性抗菌物质有良好的抑菌效果，季铵化纤维素纳米晶体有活性位点与抗菌物质结合，最终得到层层自组装的复合抗菌薄膜，赋予该膜材料优异的机械性能和抑菌效果。

本发明中制备的薄膜有优异的阻隔性能、力学性能和抗菌性能，对大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌、金黄色葡萄球菌和单核增生李斯特菌具有良好的抑菌活性。能够在食品领域、生物领域、医学领域、污水处理领域和功能纺织品领域等多种抗菌领域得到应用。

附图说明

图1是本发明所制备的层层自组装的复合抗菌薄膜制备原理图。

图2(a)是本发明所制备的层层自组装的复合抗菌薄膜的壳聚糖-纤维素纳米纤维基层表面扫描电镜照片；(b)是本发明所制备的层层自组装的复合抗菌薄膜表面扫描电镜照片；(c)是本发明所制备的层层自组装复合抗菌薄膜横截面扫描电镜照片。

图3是本发明所制备的层层自组装的复合抗菌薄膜的红外光谱图。

图4是本发明所制备的层层自组装的复合抗菌薄膜经抑菌圈实验得到的对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、沙门氏菌和单核增生李斯特菌抑菌圈。

具体实施方式

实施例1一种层层自组装的复合抗菌薄膜1的制备

1.层层自组装的复合抗菌薄膜中壳聚糖-纤维素纳米纤维基层的制备方法，包括步骤：

S1、壳聚糖溶液的制备：称取3g的壳聚糖于烧杯中，加入200mL质量分数为1％的冰醋酸溶液，置于磁力搅拌器上常温搅拌6h，得到壳聚糖溶液；

S2、壳聚糖-纤维素纳米纤维交联溶液的制备：向壳聚糖溶液中加入0.09g纤维素纳米纤维和0.007g京尼平后搅拌30min，其中京尼平为交联剂，得到壳聚糖-纤维素纳米纤维交联溶液；

S3、壳聚糖-纤维素纳米纤维基层的制备：将壳聚糖-纤维素纳米纤维交联溶液置于超声波清洗机中超声1h以去除气泡后，将溶液倒入15×20cm的模具中，放入烘箱，在40℃下干燥2h，得到半干壳聚糖-纤维素纳米纤维基层，此时构建了具有良好力学性能和抗氧防潮性能的壳聚糖-纤维素纳米纤维基层。

2.层层自组装的复合抗菌薄膜中季铵化纤维素纳米晶体-疏水性抗菌物质层的制备方法，包括步骤：

S1、季铵化纤维素纳米晶体的制备：将浓度为0.05g/mL十六烷基三甲基氯化铵水溶液缓慢加入到浓度为0.02g/mL的纤维素纳米晶体溶液中，将混合溶液在60℃下加热3h后，在室温下持续搅拌过夜，将混合溶液用离心机以10000rpm离心10min，除去多余的十六烷基三甲基氯化铵并收集沉淀，将沉淀冷冻干燥，最终得到十六烷基三甲基氯化铵接枝的梳状聚合物季铵化纤维素纳米晶体；

S2、季铵化纤维素纳米晶体-疏水性抗菌物质层的制备：将0.03g季铵化纤维素纳米晶体和0.03g异硫氰酸苄酯分别溶解并搅拌10min，使该混合溶液最终浓度为1mg/mL,最终得到装载异硫氰酸苄酯的季铵化纤维素纳米晶体。

3.一种层层自组装的复合抗菌薄膜的制备，将5mL装载异硫氰酸苄酯的季铵化纤维素纳米晶体溶液喷涂到壳聚糖-纤维素纳米纤维基层上，构建出一种层层自组装的复合抗菌薄膜，用于抗菌薄膜材料领域中。

实施例2一种层层自组装的复合抗菌薄膜2的制备

1.层层自组装的复合抗菌薄膜中壳聚糖-纤维素纳米纤维基层的制备方法，包括步骤：

S1、壳聚糖溶液的制备：称取10g的壳聚糖于烧杯中，加入500mL质量分数为1.5％的冰醋酸溶液，置于磁力搅拌器上常温搅拌15h，得到壳聚糖溶液；

S2、壳聚糖-纤维素纳米纤维交联溶液的制备：向壳聚糖溶液中加入0.02g纤维素纳米纤维和0.01g京尼平后搅拌10min，其中京尼平为交联剂，得到壳聚糖-纤维素纳米纤维交联溶液；

S3、壳聚糖-纤维素纳米纤维基层的制备：将壳聚糖-纤维素纳米纤维交联溶液置于超声波清洗机中超声0.5h以去除气泡后，将溶液倒入15×20cm的模具中，放入烘箱，在60℃下干燥2h，得到半干壳聚糖-纤维素纳米纤维基层，此时构建了具有良好力学性能和抗氧防潮性能的壳聚糖-纤维素纳米纤维基层。

2.层层自组装的复合抗菌薄膜中季铵化纤维素纳米晶体-疏水性抗菌物质层的制备方法，包括步骤：

S1、季铵化纤维素纳米晶体的制备：将浓度为0.10g/mL十六烷基三甲基氯化铵水溶液缓慢加入到浓度为0.15g/mL的纤维素纳米晶体溶液中，将混合溶液在40℃下加热2h后，在室温下持续搅拌过夜，将混合溶液用离心机以3000rpm离心5min，除去多余的十六烷基三甲基氯化铵并收集沉淀，将沉淀冷冻干燥，最终得到十六烷基三甲基氯化铵接枝的梳状聚合物季铵化纤维素纳米晶体；

S2、季铵化纤维素纳米晶体-疏水性抗菌物质层的制备：将0.15g季铵化纤维素纳米晶体和0.15g姜黄素分别溶解并搅拌5min，使该混合溶液最终浓度为1mg/mL,最终得到装载姜黄素的季铵化纤维素纳米晶体。

3.一种层层自组装的复合抗菌薄膜的制备，将15mL装载姜黄素的季铵化纤维素纳米晶体溶液喷涂到壳聚糖-纤维素纳米纤维基层上，构建出一种层层自组装的复合抗菌薄膜，用于抗菌薄膜材料领域中。

实施例3一种层层自组装的复合抗菌薄膜3的制备

1.层层自组装的复合抗菌薄膜中壳聚糖-纤维素纳米纤维基层的制备方法，包括步骤：

S1、壳聚糖溶液的制备：称取20g的壳聚糖于烧杯中，加入1000mL质量分数为2％的冰醋酸溶液，置于磁力搅拌器上常温搅拌8h，得到壳聚糖溶液；

S2、壳聚糖-纤维素纳米纤维交联溶液的制备：向壳聚糖溶液中加入0.45g纤维素纳米纤维和0.015g京尼平后搅拌60min，其中京尼平为交联剂，得到壳聚糖-纤维素纳米纤维交联溶液；

S3、壳聚糖-纤维素纳米纤维基层的制备：将壳聚糖-纤维素纳米纤维交联溶液置于超声波清洗机中超声3h以去除气泡后，将溶液倒入15×20cm的模具中，放入烘箱，在70℃下干燥5h，得到半干壳聚糖-纤维素纳米纤维基层，此时构建了具有良好力学性能和抗氧防潮性能的壳聚糖-纤维素纳米纤维基层。

2.层层自组装的复合抗菌薄膜中季铵化纤维素纳米晶体-疏水性抗菌物质层的制备方法，包括步骤：

S1、季铵化纤维素纳米晶体的制备：将浓度为0.15g/mL十六烷基三甲基氯化铵水溶液缓慢加入到浓度为0.18g/mL的纤维素纳米晶体溶液中，将混合溶液在80℃下加热6h后，在室温下持续搅拌过夜，将混合溶液用离心机以8000rpm离心30min，除去多余的十六烷基三甲基氯化铵并收集沉淀，将沉淀冷冻干燥，最终得到十六烷基三甲基氯化铵接枝的梳状聚合物季铵化纤维素纳米晶体；

S2、季铵化纤维素纳米晶体-疏水性抗菌物质层的制备：将0.15g季铵化纤维素纳米晶体和0.15g麝香草酚分别溶解并搅拌50min，使该混合溶液最终浓度为1mg/mL,最终得到装载麝香草酚的季铵化纤维素纳米晶体。

3.一种层层自组装的复合抗菌薄膜的制备，将10mL装载麝香草酚的季铵化纤维素纳米晶体溶液喷涂到壳聚糖-纤维素纳米纤维基层上，构建出一种层层自组装的复合抗菌薄膜，用于抗菌薄膜材料领域中。

实施例4一种层层自组装的复合抗菌薄膜的机械性能和阻隔性能

通过标准方法进行实施例1、实施例2和实施例3机械性能和阻隔性能实验，得到的结果如表1所示，由表中数据可以看出，本发明的薄膜具有良好的力学性能及阻隔性能。

表1薄膜的机械和阻隔性能

实施例5一种层层自组装的复合抗菌薄膜的抑菌性能

用移液枪分别吸取100μL培养后的金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、沙门氏菌和单核增生李斯特菌悬液，加到琼脂培养基平皿上，用涂布棒将其均匀涂布于培养基表面，使用无菌打孔器分别在膜上打孔，将实施例1制得的膜裁剪成圆片，用灭菌后的镊子移取，将其附着在培养基中央表面，将培养皿置于37℃恒温培养箱中培养，分别在6、10、12、24观察抑菌圈生长情况。由图4可知，这种添加了抗菌物质的复合膜能显著提高对大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌、金黄色葡萄球菌和单核增生李斯特菌的抑菌效果，说明本发明的薄膜具有良好的长效抗菌性能。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对技术原理的说明。本申请所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所属发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成其它技术方案。

Claims (7)

1.一种层层自组装的复合抗菌薄膜，其特征在于，是一种层层自组装的抗菌薄膜，一层是将纤维素纳米纤维与壳聚糖进行交联，构建的壳聚糖-纤维素纳米纤维基层，二层是将疏水性抗菌物质装载到梳状聚合物季铵化纤维素纳米晶体上，得到的季铵化纤维素纳米晶体-疏水性抗菌物质层，通过层层自组装的方法和纤维素纳米纤维和季铵化纤维素纳米晶体之间的氢键成功制备了层层自组装的复合抗菌薄膜。

2.如权利要求1所述的层层自组装的复合抗菌薄膜中壳聚糖-纤维素纳米纤维基层的制备方法，其特征在于，包括步骤：

S1、壳聚糖溶液的制备：称取2-20g的壳聚糖于烧杯中，加入100-2000mL质量分数为1-2％的冰醋酸溶液，置于磁力搅拌器上常温搅拌6-15h，得到壳聚糖溶液；

S2、壳聚糖-纤维素纳米纤维交联溶液的制备：向壳聚糖溶液中加入0.02-0.50g纤维素纳米纤维和0.006-0.020g京尼平后搅拌5-60min，其中京尼平为交联剂，得到壳聚糖-纤维素纳米纤维交联溶液；

S3、壳聚糖-纤维素纳米纤维基层的制备：将壳聚糖-纤维素纳米纤维交联溶液置于超声波清洗机中超声0.5-3h以去除气泡后，将溶液倒入15×20cm的模具中，放入烘箱，在35-80℃下干燥1-6h，得到壳聚糖-纤维素纳米纤维基层，此时构建了具有良好力学性能和抗氧防潮性能的壳聚糖-纤维素纳米纤维基层。

3.如权利要求1所述的层层自组装的复合抗菌薄膜中季铵化纤维素纳米晶体-疏水性抗菌物质层的制备方法，其特征在于，包括步骤：

S1、季铵化纤维素纳米晶体的制备：将浓度为0.04-0.15g/mL十六烷基三甲基氯化铵水溶液缓慢加入到浓度为0.01-0.20g/mL的纤维素纳米晶体溶液中，将混合溶液在30-80℃下加热2-8h后，在室温下持续搅拌过夜，将混合溶液用离心机以3000-10000rpm离心5-30min，除去多余的十六烷基三甲基氯化铵并收集沉淀，将沉淀冷冻干燥，最终得到十六烷基三甲基氯化铵接枝的梳状聚合物季铵化纤维素纳米晶体；

S2、季铵化纤维素纳米晶体-疏水性抗菌物质层的制备：将0.02-0.20g季铵化纤维素纳米晶体和0.02-0.20g疏水性抗菌物质分别溶解并搅拌5-60min，使该混合溶液最终浓度为1mg/mL,最终得到装载疏水性抗菌物质的季铵化纤维素纳米晶体。

4.如权力要求1所述的一种层层自组装的复合抗菌薄膜的制备，其特征在于，将3-30mL装载疏水性抗菌物质的季铵化纤维素纳米晶体溶液喷涂到壳聚糖-纤维素纳米纤维基层上，构建出一种层层自组装的复合抗菌薄膜，用于抗菌薄膜材料领域中。

5.如权利要求1所述的一种层层自组装的复合抗菌薄膜的制备方法，其特征在于：季铵化纤维素纳米晶体可以装载多种疏水性抗菌物质。

6.如权利要求1所述的一种层层自组装的复合抗菌薄膜，其特征在于：对大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌、金黄色葡萄球菌和单核增生李斯特菌等具有良好的抑菌性能。

7.如权利要求1所述的一种层层自组装的复合抗菌薄膜作为一种抑菌材料在食品领域、生物领域、医学领域、污水处理领域和功能纺织品领域等多种抗菌领域的应用。

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