徐永建, 徐　洋, 劉　真, 左磊剛

(陜西科技大學(xué) 輕工科學(xué)與工程學(xué)院 陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安　710021)

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堿/酶處理對載銀纖維素纖維復(fù)合材料制備的影響

徐永建, 徐洋, 劉真, 左磊剛

(陜西科技大學(xué) 輕工科學(xué)與工程學(xué)院 陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安710021)

摘要：紙漿的主要組分為纖維素與半纖維素，二者都具有還原性基團(tuán)，使用漿料原位還原Ag+為納米銀并附著在纖維表面，確定載納米銀纖維素制備的條件，并探究堿/酶預(yù)處理對載納米銀纖維素制備中銀負(fù)載率的影響;用抑菌圈法測定載納米銀纖維素材料的抗菌性能，并用掃描電鏡觀察了其表面形貌.結(jié)果表明：纖維素纖維表面較光滑，而載納米銀纖維素表面出現(xiàn)顆粒狀的納米銀，且其抗菌效果隨銀負(fù)載量的增加而增加；堿預(yù)處理存在一個(gè)最佳堿濃，且最佳堿濃與漿料種類有關(guān)；在5 %堿濃條件下預(yù)處理漿料，其銀離子利用率均得到有效的提升，且隨著堿處理時(shí)間的延長，其銀離子利用率呈現(xiàn)增高的趨勢；而使用酶預(yù)處理后，不同漿料有不同的變化規(guī)律.

關(guān)鍵詞：堿/酶預(yù)處理; 原位還原; 銀負(fù)載率; 抗菌效果

0引言

環(huán)境凈化抗菌功能材料中，銀及其化合物為抗菌活性主體的無機(jī)環(huán)境凈化功能材料,由于其具有良好的使用安全性、持久高效抗菌性、耐熱性、耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)[1]，已在陶瓷、塑料、涂料、纖維等領(lǐng)域得到應(yīng)用[2].纖維素是一種可再生的天然高分子材料，具有儲量大、價(jià)格低、可生物降解等優(yōu)點(diǎn)，而且分子鏈中存在大量的羥基，許多的小分子化合物能與之發(fā)生反應(yīng)[3]，大量用作復(fù)合材料的載體[4-8].

在已有的關(guān)于制備載納米銀纖維素的報(bào)道中，通常需加入各種還原劑，如羥胺、抗壞血酸及硼氫化鈉等[9-12]，將銀離子還原成銀納米顆粒并附著在纖維表面，從而得到載納米銀纖維素.纖維素中含有大量還原性羥基及半縮醛羥基，可利用這些還原性基團(tuán)原位還原銀離子，并附著在纖維表面，從而得到具有抗菌性的載納米銀纖維素纖維[13].纖維素由結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)構(gòu)成，可及度往往較低，且紙漿中含有一定量的半纖維素[14]，這勢必會對載銀纖維素纖維抗菌材料的制備產(chǎn)生一定影響.

本文以纖維素為還原劑原位還原硝酸銀，并附著在纖維表面，探究了堿/酶預(yù)處理對纖維表面銀負(fù)載率的影響.以及載銀纖維素纖維抗菌材料對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌性能.

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1材料與儀器

(1)實(shí)驗(yàn)材料：硝酸銀(AgNO3，AR)，購自上?；瘜W(xué)試劑有限公司；氫氧化鈉(NaOH，AR)，碳酸鈉(NaCO3，AR)，濃硝酸(65 wt%)，磷酸二氫鈉(NaH2PO4，AR)，購自天津市天力化學(xué)試劑有限公司；磷酸氫二鈉：(Na2HPO4，AR)，購自天津市雙船化學(xué)試劑廠；氯化鈉(NaCl，AR)，牛肉膏，蛋白胨及瓊脂粉；大腸桿菌(ATCC 8099)、金黃色葡萄球菌(ATCC 25923)：凍干粉，購自南京便診生物科技有限公司.

(2)實(shí)驗(yàn)儀器：NO.SE003型標(biāo)準(zhǔn)纖維疏解機(jī)，瑞典L&W儀器有限公司；HH-2型電熱恒溫水浴鍋，北京科偉永興儀器有限公司；SHB-3型真空水泵，鄭州杜甫儀器廠；ZQJ1-B-Ⅱ型紙樣抄取器；陜西科技大學(xué)造紙機(jī)械廠；83型上光機(jī)，上海賢華儀器有限公司；Z-2000型偏振塞曼原子吸收光譜儀，日本日立儀器有限公司；SNE-3000M型掃描電子顯微鏡，韓國賽可儀器有限公司；DL-1型萬用電爐，長沙市秋龍儀器設(shè)備有限公司.

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1纖維的堿預(yù)處理

取20 g絕干漿料置于自封袋中，向體系中加入一定量的NaOH，用去離子水將漿濃稀釋至10%后置于60 ℃水浴鍋中反應(yīng)一定時(shí)間，反應(yīng)結(jié)束后，洗滌，用真空抽濾機(jī)抽濾，得到堿預(yù)處理纖維素纖維.

1.2.2纖維的酶預(yù)處理

取20 g絕干漿料，用去離子水將漿濃稀釋至2%后置于50 ℃水浴鍋中，待體系溫度升至50 ℃后向體系中加入10 mL,0.1 g/L的木聚糖酶，并反應(yīng)一定時(shí)間，反應(yīng)結(jié)束后，將纖維濾水并加入100 ℃的去離子水使木聚糖酶失活，完成后洗滌并用真空抽濾機(jī)抽濾，得到酶預(yù)處理纖維素纖維.

1.2.3載納米銀纖維素纖維的制備

取2 g絕干纖維素纖維(未預(yù)處理，堿/酶預(yù)處理)置于自封袋中，向自封袋中加入一定量的去離子水并使?jié){料分散均勻，然后向體系中加入一定體積的0.01 g/L硝酸銀溶液，并置于90 ℃水浴鍋中反應(yīng)一定時(shí)間，反應(yīng)完成后用去離子水洗滌，并在真空抽濾機(jī)上抽濾，最后通過造紙法抄片，得到載納米銀纖維素紙張.

1.2.4載納米銀纖維素纖維中銀負(fù)載量檢測[15]

采用偏振塞曼原子吸收光譜儀檢測纖維素纖維中的銀負(fù)載量，具體操作如下：

(1)銀標(biāo)準(zhǔn)溶液的制備

取0.133 9 g硝酸銀于燒杯中，加入適量去離子水將其溶解，移入至 1 000 mL容量瓶中定容，得到銀負(fù)載量為100 mg/mL的硝酸銀溶液；用移液管分別移取1 mL、2 mL、3 mL、4 mL此溶液于4個(gè)100 mL容量瓶中，定容至100 mL，得到銀負(fù)載量分別為 1 mg/mL、2 mg/mL、3 mg/mL、4 mg/mL的銀標(biāo)準(zhǔn)溶液.純蒸餾水作為空白樣.

(2)樣品的處理及檢測

取0.10 g載納米銀纖維素纖維于燒杯中，加入50～100 mL 50%硝酸，將燒杯置于電爐上，使樣品完全溶解.待其冷卻后，移入100 mL容量瓶中并定容.最后通過AAS繪制銀標(biāo)準(zhǔn)曲線，并檢測待測樣品中的銀負(fù)載量，進(jìn)一步計(jì)算銀離子的利用率η.

η=B/A×100%

(1)

式(1)中：η—銀離子利用率；A—硝酸銀用量；B—纖維素中的銀負(fù)載量.

1.2.5抗菌效力的檢測

參照GB/T 20944-2007《紡織品抗菌性能的評價(jià)》中瓊脂平皿擴(kuò)散法和振蕩法檢測樣品的抗菌性能.本實(shí)驗(yàn)采用瓊脂平皿擴(kuò)散法，具體操作如下[16]：

(1)培養(yǎng)基

①營養(yǎng)肉湯培養(yǎng)基:牛肉膏，5 g；氯化鈉，5 g；蛋白胨，10 g；蒸餾水，最終定容至1 000 mL.滅菌后，pH值為7.2±0.2.

②營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基:牛肉膏，5 g；氯化鈉，5 g；蛋白胨，10 g；瓊脂粉，15 g；蒸餾水，最終定容至1 000 mL.滅菌后，pH值為7.2±0.2.

(2)實(shí)驗(yàn)菌液的制備

取營養(yǎng)肉湯100 mL，放入250 mL三角燒瓶中，用接種環(huán)取目標(biāo)菌種接種在營養(yǎng)肉湯培養(yǎng)液中，然后將培養(yǎng)液放入振動培養(yǎng)箱內(nèi)，振動頻率為 110 r/ min，在37 ℃下培養(yǎng)18～24 h.將營養(yǎng)肉湯用蒸餾水稀釋20倍，然后用其調(diào)節(jié)培養(yǎng)后的細(xì)菌濃度為1×108 CFU/mL至5×108 CFU/mL，作為實(shí)驗(yàn)菌液備用.

(3)試樣的制備

將載納米銀纖維素制成直徑為14 mm的圓形試樣；對照樣材質(zhì)與試樣材質(zhì)相同，但未經(jīng)抗菌處理，尺寸與試樣相同.

(4)測試操作步驟

向培養(yǎng)皿中注入20 mL，45 ℃±2 ℃的瓊脂培養(yǎng)基，待其冷卻凝固后，在培養(yǎng)基表面滴入100μL試驗(yàn)菌液，用涂布器使菌液在培養(yǎng)基表面分布均勻.細(xì)菌涂布均勻后，用無菌鑷子將試樣和對照樣放于培養(yǎng)皿中，均勻按壓使樣品與營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基貼合良好.將試樣放入培養(yǎng)基后，培養(yǎng)皿倒置放入37 ℃的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)18 h至24 h，培養(yǎng)結(jié)束后，觀察抑菌圈大小.

2結(jié)果與討論

2.1載納米銀纖維素纖維制備條件的確定

調(diào)節(jié)漿濃為10%，加熱反應(yīng)時(shí)間1 h，硝酸銀用量分別為2.00 mL、4.00 mL、6.00 mL、8.00 mL、10.00 mL時(shí)，銀負(fù)載量和銀離子利用率的變化情況如圖1所示.

圖1　硝酸銀用量對銀負(fù)載量和銀離子利用率的影響

由圖1可知，隨著硝酸銀用量的增加，硝酸銀負(fù)載量呈持續(xù)上升趨勢，其中硝酸銀用量由6.00 mL升至8.00 mL時(shí)，硝酸銀負(fù)載量有一個(gè)更為明顯的增加；銀離子利用率總體上升，但是在硝酸銀用量為6.00 mL和10.00 mL時(shí)，利用率有一定程度的下降，這可能是由于硝酸銀用量增加以后，使硝酸銀難以在體系中分散，也可能是由于負(fù)載在纖維上的納米銀分散不均勻，而產(chǎn)生一定程度的誤差.

(a)大腸桿菌 (b)金黃色葡糖球菌圖2　不同硝酸銀用量抗菌效果(S0為未載銀纖維素纖維；S1～S5硝酸銀用量分別為2.00～10.00 mL)

抗菌纖維素產(chǎn)品往往對產(chǎn)品顏色有一定的要求，比較圖2中造紙法制備的紙張顏色以及抗菌效果，在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中選用的硝酸銀用量為4.00 mL.

從抗菌效率測試結(jié)果可以看出：未處理紙張無抑菌圈，即無抗菌效果；載納米銀纖維素纖維紙張周圍出現(xiàn)了抑菌圈，這表明其具有抗菌效果；且隨著纖維中銀離子負(fù)載量的增加，抑菌圈的直徑逐漸增大，即抗菌效力逐漸增加.

調(diào)節(jié)漿濃為10%，水浴加熱溫度為90 ℃，硝酸銀用量4.00 mL時(shí)，反應(yīng)時(shí)間分別為1 h、3 h和5 h時(shí)銀負(fù)載量和銀離子利用率變化趨勢如圖3所示.

圖3　反應(yīng)時(shí)間對銀負(fù)載量和銀離子利用率的影響

由圖3可知，隨著反應(yīng)時(shí)間延長，銀離子利用率和銀負(fù)載量均得到有效提升.這是由于隨著反應(yīng)的進(jìn)行，體系中Ag+不斷被還原并沉積在纖維表面，雖然Ag+濃度不斷降低，但即使經(jīng)過5 h，反應(yīng)體系中仍存在一定量的Ag+，仍能夠使銀負(fù)載量上升.由于反應(yīng)時(shí)間較容易延長，且該反應(yīng)能耗較低，故在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中反應(yīng)時(shí)間選用5 h.

不同漿濃條件下，加熱溫度90 ℃和加熱時(shí)間為1 h，硝酸銀用量為4.00 mL時(shí)，銀負(fù)載量和銀離子利用率的變化如圖4所示.

圖4　漿濃對銀負(fù)載量和銀離子利用率的影響

由圖4可知，隨著漿濃的增加，銀負(fù)載量和銀離子利用率均持續(xù)上升.可能的原因是：提升漿濃不僅提高了還原性基團(tuán)的濃度，而且也提高了銀離子濃度，使得Ag+與還原性基團(tuán)接觸并發(fā)生反應(yīng)的可能增加.但漿濃達(dá)到20%，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)漿料與硝酸銀難以均勻混合.在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，漿濃選擇15%.

2.2堿處理對載納米銀纖維素制備的影響

2.2.1堿處理濃度對載納米銀纖維素制備的影響

圖5　堿處理濃度對竹漿/針葉木漿銀離子利用率的影響

NaOH用量分別為10 g、20 g、30 g、40 g，即堿濃分別為5%、10%、15%、20%時(shí)，堿預(yù)處理纖維的銀負(fù)載率如圖5所示.

由圖5可知，隨著堿處理濃度的提高，兩種漿料的銀負(fù)載率均有升高再降低的趨勢.原因在于：堿處理漿料有兩個(gè)作用，一是降低漿料中的半纖維素含量，由于半纖維素中存在支鏈，且均為無定型結(jié)構(gòu)，游離羥基的含量高于纖維素中的，這會使?jié){料的銀離子利用率降低；二是堿處理可以使纖維發(fā)生潤脹，晶格改變，甚至氫鍵破壞，使纖維的可及度提高，即參與反應(yīng)的纖維素羥基增加.堿液對纖維的潤脹作用存在最佳濃度[14,17]，對于NaOH其在15%～20%之間，且與纖維來源有關(guān).堿濃較低時(shí)，潤脹作用較明顯；隨著堿濃的升高，潤脹作用增加量逐漸降低直至達(dá)到最佳潤脹效果，而半纖維素的降解隨著堿濃的升高而增多，造成了其銀負(fù)載率先升高后降低的趨勢.又由于不同漿料間的組分、纖維形態(tài)等的差異，最高點(diǎn)出現(xiàn)的位置也不相同.

2.2.2堿處理時(shí)間對載納米銀纖維素制備的影響

堿處理濃度為5%，堿處理時(shí)間分別為10 min、20 min、30 min、40 min時(shí)，堿預(yù)處理纖維素的銀負(fù)載率如圖6所示.

圖6　堿處理時(shí)間對竹漿/針葉木漿銀離子利用率的影響

由圖6可知，在堿濃為5%時(shí)，隨著堿處理時(shí)間增加，預(yù)處理纖維素的銀負(fù)載率呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，但增幅在逐漸降低.原因可能在于：堿預(yù)處理對纖維素結(jié)晶區(qū)的潤脹通常在數(shù)分鐘內(nèi)就完成，但隨著時(shí)間的延長，預(yù)處理體系中纖維素與NaOH經(jīng)過相互作用而形成氫鍵聯(lián)接增多，即纖維素吸附的NaOH增多，而吸附的NaOH能夠與Ag+作用最終生成黑色AgO附著在纖維素大分子表面，使銀負(fù)載率逐漸增加.

2.3酶預(yù)處理對載納米銀纖維素制備的影響

由圖7可知，隨著酶處理時(shí)間的延長，竹漿的銀負(fù)載率呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，而針葉漿中則呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢.可能的原因在于：本次實(shí)驗(yàn)采用木聚糖酶處理，而不同種原料中半纖維素的種類、含量存在差異，使得酶處理效果有所不同.而隨著酶處理時(shí)間，甚至酶活的不同對載納米銀纖維素制備的影響效果有待進(jìn)一步研究.

圖7　酶處理時(shí)間對竹漿/針葉漿銀離子利用率的影響

2.4載納米銀纖維素的SEM觀察

使用韓國賽可SNE-3000M型掃描電子顯微鏡觀察纖維素和載納米銀纖維素，結(jié)果如圖8～11所示.由圖可知，空白樣纖維素纖維表面較光滑，無顆粒狀物質(zhì)，元素分析中也未檢測到Ag；而在載納米銀纖維素元素分析中出現(xiàn)了Ag，且其表面出現(xiàn)了白色顆粒狀的銀粒子，粒徑較小，在納米范圍內(nèi)，這表明銀被還原，且附著在纖維表面.

圖8　纖維素纖維的SEM圖像

圖9　載納米銀的纖維素纖維圖像

圖10　纖維素纖維的元素分析

圖11　載納米銀纖維素纖維的元素分析

3結(jié)論

(1)利用纖維素自身的還原性原位還原納米銀.考慮到抗菌效力以及后續(xù)產(chǎn)品的顏色需求，將后續(xù)實(shí)驗(yàn)條件定為AgNO3用量為4.00 mL，漿濃15%，反應(yīng)時(shí)間5 h.

(2)SEM的圖像表明，制備的載納米銀纖維素上附有納米銀顆粒.

(3)堿處理對纖維素的處理存在一個(gè)最佳堿濃，而隨著堿處理時(shí)間增加，在低堿濃(5%)下，漿料的銀負(fù)載率得到有效提升.

(4)木聚糖酶作用的效果因漿料中半纖維素種類、含量不同而存在差異.酶預(yù)處理的效果影響有待進(jìn)一步研究.

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【責(zé)任編輯：陳佳】

Alkaline and xylanase pretreatment in the preparation of cellulose-silver composites

XU Yong-jian, XU Yang, LIU Zhen, ZUO Lei-gang

(College of Light Industry Science and Engineering, Shaanxi Province Key Laboratory of Papermaking Technology and Specialty Paper, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

Abstract:As the main component of chemical pulp,cellulose and hemicellulose had reductive groups which can be used to reduce Ag+.Silver nanoparticles,which were obtained by in situ reduction,were adsorbed on cellulose.The preparation condition of cellulose-silver composites and the effect of alkaline and xylanase pretreatment on silver content in cellulose-silver composites was investigated by atom absorption spectroscopy.The morphology of cellulose-silver composites was investigated by scanning electron microscopy (SEM),and the antibacterial activity of the composites was determined by inhibitory zone test.The surface of cellulose fiber is smooth,while silver nanoparticles were loaded on the surface of cellulose-silver composites.The inhibitory zone was increased with the increase of silver content.The optimum alkaline concentration was related to the kind of pulp in alkaline pretreatment.Silver content in cellulose-silver composite could be increased after alkaline pretreatment.As time of pretreatment goes on,silver content also could be increased.Different kinds of pulp had had different changes after xylanase pretreatment.

Key words:alkaline/xylanase pretreatment; in situ reduction; silver content; antibacterial activity

中圖分類號：TS721

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-5811(2016)03-0006-06

作者簡介:徐永建(1970-)，男，陜西西安人，教授,博士生導(dǎo)師,研究方向：植物纖維資源高值化利用、清潔生產(chǎn)及堿回收除硅技術(shù)

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31170559) ; 華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(200514077); 陜西科技大學(xué)學(xué)術(shù)帶頭人培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(XKD201002)

收稿日期:2016-02-11