周 純， 張 斌， b， 張 潔

(東華大學(xué) a. 紡織學(xué)院； b. 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201620)

淀粉具有來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉、可再生和易生物降解等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于食品、紡織、造紙、石油和醫(yī)藥等領(lǐng)域[1]。但淀粉是一種多糖類物質(zhì)，易滋生細(xì)菌和霉變[2]。這不僅影響淀粉的儲(chǔ)存和生產(chǎn)加工，而且會(huì)導(dǎo)致淀粉性能劣化，影響其質(zhì)量和應(yīng)用，嚴(yán)重制約了淀粉工業(yè)的發(fā)展。因此，對(duì)淀粉進(jìn)行抗菌改性，以賦予其抑菌性能，對(duì)改善淀粉性能和擴(kuò)大應(yīng)用范圍有著極其重要的意義。淀粉獲得抗菌性能的方法主要有物理共混法和化學(xué)反應(yīng)法：前者簡(jiǎn)單易行，但是抗菌成分易遷移，抗菌效果不持久；后者具有抗菌持久、安全性高和性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，是目前研究較多的淀粉抗菌改性方法。季銨鹽殼聚糖是殼聚糖的一種衍生物，其不僅保留了殼聚糖的天然特性，安全無(wú)毒，生物相容性好，而且具有更強(qiáng)的抗菌抑菌性能和良好的水溶性[3-4]。Tajima等[5]將季銨鹽殼聚糖應(yīng)用于化妝品中，有效地抑制了大腸桿菌和枯草桿菌的生長(zhǎng)等。目前關(guān)于殼聚糖與淀粉共混物的研究較多，如涂布紙張[6-10]和食品包裝膜[11-18]等，但是將季銨鹽殼聚糖應(yīng)用在淀粉中的研究仍較少。

本文采用環(huán)氧氯丙烷為交聯(lián)劑，對(duì)季銨鹽殼聚糖和淀粉混合物進(jìn)行交聯(lián)處理，探究了交聯(lián)工藝對(duì)季銨鹽殼聚糖交聯(lián)抗菌改性淀粉性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要材料和儀器

材料：木薯淀粉，三明百事達(dá)淀粉有限公司，食用優(yōu)級(jí)；羥丙基三甲基氯化銨殼聚糖，南通綠神生物工程有限公司，取代度95%；胰蛋白胨、酵母提取物和瓊脂粉，英國(guó)Oxide公司；金黃色葡萄球菌(ATCC25923)，南京便診生物科技有限公司；環(huán)氧氯丙烷、氫氧化鈉和無(wú)水硫酸鈉，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，均為分析純。

設(shè)備：W201B型恒溫水浴鍋，常州澳華儀器有限公司； SW-C7-(H)型潔凈工作臺(tái)，上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；ZTD110-04D2型消毒柜，浙江帥康電氣股份有限公司；GHP-9080型恒溫培養(yǎng)箱，上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；TS-100C型恒溫?fù)u床，上海柏欣儀器設(shè)備廠；FA2004A型電子天平，丹佛儀器(北京)有限公司。

1.2 抗菌淀粉的制備

稱取絕干的木薯淀粉，分散于去離子水中，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的懸浮液，將其加入已置于恒溫水浴槽的三口燒瓶中。開(kāi)動(dòng)攪拌器，加入一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)(與淀粉干基的質(zhì)量百分比)的季銨鹽殼聚糖和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的硫酸鈉。采用NaOH調(diào)節(jié) pH值至9后，將一定體積分?jǐn)?shù)(與淀粉懸浮液的體積百分比)的環(huán)氧氯丙烷緩慢加入到反應(yīng)體系中。水浴升溫至一定溫度，反應(yīng)一定時(shí)間后，將反應(yīng)液pH值調(diào)至中性，冷卻，抽濾，洗滌，烘干粉碎后制得交聯(lián)改性抗菌淀粉。

1.3 沉降積的測(cè)定

沉降積可用于間接表征交聯(lián)度的大小。準(zhǔn)確稱取0.5 g絕干的樣品并倒入燒杯中，向燒杯中加入蒸餾水，使乳液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%。然后將其置于82～ 85 ℃水浴中，攪拌，保溫2 min。取出冷卻后，分別向兩只離心管中倒入10 mL乳液，以4 000 r/min的轉(zhuǎn)速離心2 min。取出離心管，將上清液倒入相同體積的離心管中，讀出體積，計(jì)算沉降積，同一樣品進(jìn)行兩次平行測(cè)定。沉降積(S)的計(jì)算公式如式(1)所示。

S=10-V

(1)

式中：V為清液體積，mL；10為所量取的淀粉乳液體積，mL。

1.4 抗菌性能測(cè)試

本文參照GB/T 20944.3—2008[19]，采用金黃色葡萄球菌作為試驗(yàn)菌種，對(duì)交聯(lián)改性抗菌淀粉進(jìn)行抗菌性能測(cè)試。

1.5 掃描電子顯微鏡(SEM)分析

將表面噴金后的木薯原淀粉、抗菌淀粉和季銨鹽殼聚糖，置于TM-3000型熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡下。放大5 000 倍觀察外觀形貌，掃描電壓為15 kV。

1.6 傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)分析

采用KBr壓片法將原淀粉和抗菌改性淀粉制成樣品，置于50 ℃烘箱中干燥4 h，然后將樣品置于Avatar型紅外吸收光譜儀下進(jìn)行測(cè)試，波數(shù)為400～4 000 cm-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 季銨鹽殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)交聯(lián)的影響

本文以NaOH為催化劑，將淀粉和季銨鹽殼聚糖(HACC)分子中的羥基活化，然后與環(huán)氧氯丙烷中環(huán)氧基團(tuán)反應(yīng)，制得季銨鹽殼聚糖交聯(lián)淀粉。

在環(huán)氧氯丙烷體積分?jǐn)?shù)為1.2%、反應(yīng)溫度為50 ℃、反應(yīng)時(shí)間為3 h的條件下，考察HACC質(zhì)量分?jǐn)?shù)(1.0%、 1.2%、 1.5%、 2.0%、 3.0%、 6.0%)對(duì)交聯(lián)的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 HACC質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)沉降積和抑菌率的影響Fig.1 Effect of mass fraction of HACC on sedimentation volume and bacterial inhibition rate

由圖1可知，隨著HACC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的逐漸增加，交聯(lián)改性抗菌淀粉的沉降積呈先減小后增加的趨勢(shì)，抑菌率則呈先增加后減小的趨勢(shì)。當(dāng)HACC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%時(shí)，沉降積達(dá)到最小值，而抑菌率達(dá)到最大值。這是由于隨著HACC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，反應(yīng)體系中HACC的分子增多，分子之間碰撞的幾率增加，與淀粉交聯(lián)的抗菌劑增加，沉降積減小，抑菌率增加；當(dāng)HACC質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于3.0%時(shí)，HACC過(guò)多，反應(yīng)體系的黏度增加，HACC的分散性變差，分子運(yùn)動(dòng)的自由度也受到阻礙，降低了淀粉分子與HACC分子間的碰撞結(jié)合，導(dǎo)致交聯(lián)度減小，抑菌率也減小。綜合考慮，HACC最優(yōu)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%。

2.2 交聯(lián)劑體積分?jǐn)?shù)對(duì)交聯(lián)的影響

在HACC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%、反應(yīng)溫度為50 ℃、反應(yīng)時(shí)間為3 h的條件下，考察交聯(lián)劑體積分?jǐn)?shù)(0.3%、 0.6%、 1.2%、 2.4%、 3.6%、 4.8%)對(duì)交聯(lián)的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 交聯(lián)劑體積分?jǐn)?shù)對(duì)沉降積和抑菌率的影響Fig.2 Effect of volume fraction of cross-linker on sedimentation volume and bacterial inhibition rate

由圖2可知，隨著交聯(lián)劑體積分?jǐn)?shù)的逐漸增加，交聯(lián)改性抗菌淀粉的沉降積逐漸減小，抑菌率逐漸增加，之后二者都趨于平衡。這是由于當(dāng)交聯(lián)劑的體積分?jǐn)?shù)小于0.6%時(shí)，隨著交聯(lián)劑體積分?jǐn)?shù)的增加，體系中可利用的交聯(lián)劑分子數(shù)量較多，較多的抗菌劑與淀粉交聯(lián)，沉降積減小，抑菌率增加；當(dāng)交聯(lián)劑體積分?jǐn)?shù)大于0.6%時(shí)，雖然體系中交聯(lián)劑的分子數(shù)量增多，但是淀粉分子上可供反應(yīng)的基團(tuán)越來(lái)越少，反應(yīng)難度增加，使得沉降積和抑菌率趨于平緩。若繼續(xù)增加交聯(lián)劑體積分?jǐn)?shù)，交聯(lián)度及抑菌率未明顯提高，且原料成本增加。綜合考慮，交聯(lián)劑的最優(yōu)體積分?jǐn)?shù)為0.6%。

2.3 反應(yīng)溫度對(duì)交聯(lián)的影響

在HACC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%、環(huán)氧氯丙烷體積分?jǐn)?shù)為0.6%、反應(yīng)時(shí)間為3 h的條件下，考察反應(yīng)溫度(20、 30、 35、 40、 45、 50、 55 ℃)對(duì)交聯(lián)的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 反應(yīng)溫度對(duì)沉降積和抑菌率的影響Fig.3 Effect of reaction temperature on sedimentation volume and bacterial inhibition rate

由圖3可知，隨著溫度的逐漸升高，交聯(lián)改性抗菌淀粉的沉降積呈逐漸減小的趨勢(shì)，抑菌率呈逐漸增加趨勢(shì)，當(dāng)溫度高于50 ℃時(shí)，沉降積和抑菌率的變化不明顯。這是由于溫度升高，體系中分子動(dòng)能增加，從而使分子的運(yùn)動(dòng)加劇，增強(qiáng)了反應(yīng)活性，分子相互之間的碰撞幾率增加，有利于交聯(lián)反應(yīng)的進(jìn)行，使得沉降積減小，交聯(lián)度增加，抑菌率上升。當(dāng)溫度高于50 ℃時(shí)，淀粉及HACC分子上可供反應(yīng)的基團(tuán)越來(lái)越少，反應(yīng)難度增加，使得沉降積和抑菌率變化不明顯。綜合考慮，最優(yōu)的反應(yīng)溫度為50 ℃。

2.4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)交聯(lián)的影響

在HACC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%、環(huán)氧氯丙烷體積分?jǐn)?shù)為0.6%、反應(yīng)溫度為50 ℃的條件下，考察反應(yīng)時(shí)間(2、 3、 4、 5、 6 h)對(duì)交聯(lián)的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)沉降積和抑菌率的影響Fig.4 Effect of reaction time on sedimentation volume and bacterial inhibition rate

由圖4可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的逐漸增加，交聯(lián)改性抗菌淀粉的沉降積呈減小的趨勢(shì)，抑菌率呈增加的趨勢(shì)，5 h后二者的變化都趨于平衡。這是由于反應(yīng)時(shí)間的增加使得反應(yīng)物之間的接觸較為充分，有利于淀粉與HACC分子間交聯(lián)反應(yīng)的發(fā)生，使沉降積減小，抑菌率升高；當(dāng)反應(yīng)時(shí)間超過(guò)5 h后，淀粉分子及HACC分子鏈上可發(fā)生反應(yīng)的基團(tuán)數(shù)量越來(lái)越少，使沉降積和抑菌率的變化不再明顯。綜合考慮，最優(yōu)的反應(yīng)時(shí)間為5 h。

綜上所述，交聯(lián)改性抗菌淀粉的最佳制備工藝為：HACC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%，環(huán)氧氯丙烷的體積分?jǐn)?shù)為0.6%，反應(yīng)溫度為50 ℃，反應(yīng)時(shí)間為5 h。在此條件下，交聯(lián)改性抗菌淀粉的抑菌率和沉降分別為95.5%和1.7 mL。

2.5 淀粉形貌分析

放大5 000倍的原淀粉(St)、季銨鹽殼聚糖(HACC)、季銨鹽殼聚糖/淀粉交聯(lián)物(交聯(lián)HACC/St)以及季銨鹽殼聚糖/淀粉共混物(共混HACC/St)的掃描電鏡(SEM)圖如圖5所示。

(a) St

(b) HACC

(c) 交聯(lián)HACC/St

(d) 共混HACC/St圖5 St、HACC、交聯(lián)HACC/St和共混HACC/St的SEM圖Fig.5 SEM images of the native starch， HACC，cross-linked HACC/St and blended HACC/St

由圖5可以看出：原淀粉的表面光滑且顆粒完整；HACC表面平整，沒(méi)有明顯的凹凸結(jié)構(gòu)；HACC/St共混物已發(fā)生相分離現(xiàn)象；通過(guò)交聯(lián)反應(yīng)后，HACC/St交聯(lián)物表面致密有凹坑。

2.6 傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)分析

季銨鹽殼聚糖、淀粉和季銨鹽殼聚糖/淀粉交聯(lián)物的紅外光譜圖如圖6所示。

圖6 St、HACC和交聯(lián)HACC/St紅外圖譜Fig.6 FT-IR spectra of the native starch， HACC and cross-linked HACC/St

由圖6中可以看出，HACC/St交聯(lián)物的紅外譜圖上既有HACC在1 476 cm-1位置的C—N特征吸收峰，又有St在1 078 cm-1與1 009 cm-1位置CH2—O—CH2的伸縮振動(dòng)峰，可證明淀粉和HACC間發(fā)生了交聯(lián)反應(yīng)。

3 結(jié) 論

(1) 以沉降積和抑菌率為性能指標(biāo)，確定了交聯(lián)改性抗菌淀粉的較佳工藝，在此工藝下制備的交聯(lián)改性抗菌淀粉的沉降積為1.7 mL，對(duì)金黃色葡萄球菌的抑菌率達(dá)到95.5%。

(2) SEM形貌分析表明，交聯(lián)反應(yīng)破壞了淀粉顆粒原來(lái)的球形結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)抗菌改性后的淀粉表面粗糙有凹坑；FT-IR譜圖可證明淀粉和HACC發(fā)生了交聯(lián)反應(yīng)。