唐秀珍, 吳佳, 楊見偉, 林寶鳳

(廣西大學 化學化工學院, 廣西 南寧 530004)

0 引言

銀具有良好消炎、抑菌作用。自進入 20 世紀,人們逐漸廣泛利用銀化合物進行殺菌消毒、抗菌消炎并應用于臨床上。納米銀由于量子效應、小尺寸效應和具有極大的比表面積,其抗菌性和傳統(tǒng)的銀殺菌劑相比有大幅提升,且具有安全性更高、效力持久和不易耐藥等優(yōu)點[1],但超大的比表面積讓納米材料具有極大的表面能,使其在應用過程中很不穩(wěn)定,極易發(fā)生團聚。羧甲基殼聚糖(CMCC)作為殼聚糖的衍生物,不僅具有優(yōu)良的水溶性、保濕性[2]、分散性、抗菌性、成膜性等,還有無毒、無味、生物相容性和生物降解性好等優(yōu)點[3-4]。CMCC含有大量—OH、—NH2、—COOH等基團,能有效絡合眾多的金屬離子,對較多金屬納米顆粒都具有一定的分散性能[5]。

火龍果果實外觀奇特,營養(yǎng)豐富,綠色保健,有益于人體健康。我國火龍果種植面積持續(xù)擴大,產(chǎn)量逐年遞增,但火龍果生理代謝旺盛,采后易染菌、腐爛,貨架期短,因此火龍果貯運保鮮成為一大難題[6]。

本文利用對環(huán)境友好的天然高分子材料CMCC作為分散劑,用紫外光原位還原法[7-8]制備得到穩(wěn)定分散的納米銀-羧甲基殼聚糖水溶液(NanoAg-CMCS),研究NanoAg-CMCS復合材料的結構、分散穩(wěn)定性和抗菌性等性能,并初探其對火龍果的保鮮功能,旨在拓展納米銀復合材料在實際生活中的應用。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

羧甲基殼聚糖(取代度≥ 80%,上海麥克林生化科技有限公司);硝酸銀(AR,南京化學試劑股份有限公司);氨水(AR,金華大化學試劑);大腸桿菌(ATCC 8739,廣東省微生物菌種保藏中心);金黃色葡萄球菌(ATCC 6538,廣東省微生物菌種保藏中心);自分離鐮刀菌(Fusariumspp. 廣西農(nóng)業(yè)科學院)。

X射線衍射儀(D/max-UltimaIV型,日本理光株式會社);紫外可見光分光光度計(Alpha-1506型,上海譜元儀器有限公司;納米粒度儀(NANO ZS90型,英國馬爾文儀器公司);原子力顯微鏡(Inova型,德國布魯克公司);傅立葉變換紅外光譜儀(Nicolet iS50型,美國賽默世爾科技公司);高壓蒸汽滅菌鍋(BXM-30R型,上海博迅醫(yī)療生物儀器股份有限公司);凈化工作臺(VS-840-1型,上海博迅醫(yī)療生物儀器股份有限公司);數(shù)顯恒溫震蕩搖床(SHZ-88型,常州金壇精工儀器設備有限公司)。

1.2 NanoAg-CMCS復合材料制備

將質量分數(shù)為1%的CMCS溶液與物質的量濃度為0.01 mol/L的銀氨[Ag(NH3)2OH]溶液按體積比為1∶10配置混合溶液,放置在30 W紫外燈下照射2 h進行原位還原反應,混合溶液由無色變?yōu)辄S色,得到NanoAg-CMCS溶液。

1.3 測試與表征

1.3.1 NanoAg-CMCS復合材料的表征

紫外-可見光光譜測試:空白樣品為質量分數(shù)為1%的CMCC溶液,用紫外-可見光分光光度計對樣品進行測試,掃描范圍為350～800 nm。

X射線衍射分析:將NanoAg-CMCS溶液冷凍干燥為固體,研磨好,采用X射線衍射儀測試,測試條件為:Cu,Ka源,電壓為40 kV,電流為20 mA,掃描范圍為2θ為 5°～70°,掃描速度為5(°)/min,分辨率為0.02°。

粒徑分布測試:用NANO ZS90納米粒度儀測試NanoAg-CMCS溶液的粒徑。

原子力顯微鏡測試:將制備好的納米復合材料溶液各取一滴滴在云母片上,室溫置于干燥器中晾干后,用Innova型原子力掃描電鏡進行測試。

紅外光譜測試:將所制備的NanoAg-CMCS溶液流延干燥成膜,使用傅里葉紅外光譜儀對所有薄膜進行紅外光譜掃描,掃描范圍為4 000～500 cm-1,掃描32次,分辨率為2 cm-1

熱重分析測試:將NanoAg-CMCS復合材料置于干燥器內(nèi)干燥至恒定質量后,使用熱重分析儀進行測試,測試時用氮氣保護,升溫速率為10 ℃/min,測試范圍為35～800 ℃。

1.3.2 NanoAg-CMCS的抗菌性能測試

測試金黃色葡萄球菌(ATCC 6538):分別取100～700 mL的NanoAg-CMCS溶液,置于10 mL含菌體數(shù)為103cfu/mL的培養(yǎng)基中,搖晃均勻,置于37 ℃的恒溫搖床中,在轉速150 r/min下震蕩培養(yǎng)6 h后,以含菌體數(shù)為103cfu/mL的培養(yǎng)基作為空白溶液,用紫外-可見光分光光度計測定各培養(yǎng)基在600 nm的吸光度A。

測試大腸桿菌(ATCC 8739):分別取100～1 100 mL的NanoAg-CMCS溶液,置于10 mL含菌體數(shù)為103cfu/mL的培養(yǎng)基中,搖晃均勻,置于37 ℃的恒溫搖床中,在轉速150 r/min下震蕩培養(yǎng)6 h后,以含菌體數(shù)為103cfu/mL的培養(yǎng)基作為空白溶液,用紫外-可見光分光光度計測定各培養(yǎng)基在600 nm的吸光度A。

測試鐮刀菌(Fusariumspp.):在已滅菌的平板中接種1 mL含菌體數(shù)為108cfu/mL鐮刀菌菌液,然后傾注約20 mL已冷卻至50 ℃左右的馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養(yǎng)基,混合均勻,水平靜置凝固后用打孔器打孔,在空白組和NanoAg-CMCS組的固體培養(yǎng)基的孔中分別加入30 μL的蒸餾水和NanoAg-CMCS水溶液,置于30 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h后,用游標卡尺測試抑菌圈直徑。

1.3.3 NanoAg-CMCS靜置聚沉實驗

將所制備的NanoAg-CMCS水溶液和NanoAg水溶液超聲處理后,取相同體積放置在相同容器中,在常溫下靜置,取靜置了不同時長的NanoAg-CMCS溶液和NanoAg溶液樣品上清液,用紫外可見光分光光度計測試樣品在416 nm的透過率,同時對不同放置時長后樣品的狀態(tài)進行拍照記錄和觀察。

1.4 火龍果保鮮實驗

廣西佳年農(nóng)業(yè)有限公司提供軟枝大紅火龍果。

火龍果的處理:當日采摘的新鮮果,挑選無機械損傷,外觀完好的火龍果進行實驗。將火龍果用清水洗滌晾干,空白組不做處理,NanoAg-CMCS組用稀釋10倍的NanoAg-CMCS涂膜,晾干,將兩者放置于27 ℃,相對濕度為80%的培養(yǎng)箱中保存。

失質量分數(shù)率測定:將處理好后的果實稱重,得果實初始質量為m0,記為原質量,第n天稱量得到的果實質量為mn,失質量分數(shù)率w按下式計算:w=(m0-mn)/m0×100%。

呼吸強度測定[9]:采用靜置堿液吸收法測呼吸強度,定量堿液吸收火龍果在一定時間內(nèi)呼吸所釋放出來的CO2,再用酸滴定剩余的堿,即可計算出呼吸所釋放出來的CO2量,求出其呼吸強度,單位為mg·(kg·h-1)。

火龍果外觀:用相機記錄放置不同時間后,火龍果外觀的變化。

2 結果與討論

2.1 NanoAg-CMCS復合材料的表征

NanoAg-CMCS復合材料的表征結果如圖1所示。

圖1 NanoAg-CMCS復合材料的表征結果Fig.1 Characterization of NanoAg-CMCS composites

由圖1(a)可知,與UV照射前的Ag(NH3)2OH-CMCS溶液的紫外吸收光譜圖對比,UV照射后的NanoAg-CMCS溶液的在416.5 nm左右出現(xiàn)了強吸收峰,而NanoAg材料的紫外吸收峰一般在380～450 nm[10]。由圖2(b)可知,UV照射前的[Ag(NH3)2OH]溶液,存在Ag+的特征峰(28.46°、32.42°、46.49°、54.92°、57.44°),經(jīng)過UV照射,原位還原后樣品中的Ag+的特征峰消失,出現(xiàn)了單質金屬銀的特征峰,(37.97°、44.21°、64.1°)[11],說明[Ag(NH3)2OH]溶液中Ag+通過紫外照射原位還原生成為單質銀。由圖1(c)可知,NanoAg-CMCS在27.96、145.8 nm左右都有分布,其平均粒徑為134.6 nm,且由圖1(d)可見,分布在云母片上納米銀直徑在20～200 nm,高度只有3.5 nm,與粒徑的測試結果相符。由圖1(e)可知, 2 913.9 cm-1(C—H)、1 596.8 cm-1(二級胺)、1 425.1 cm-1(CH2)、1 309 .4 cm-1(C—N)、10 64.5 cm-1(C—O)是屬于CMCS的特征峰[2],NanoAg-CMCS的紅外譜圖中,并沒有出現(xiàn)新的特征峰,說明添加納米銀并沒有改變CMCS的分子鏈的化學結構,但相對于CMCS空白樣品的譜圖, NanoAg-CMCS特征峰的位置均發(fā)生了細微的偏移,說明納米銀雖然沒有改變CMCS的分子鏈結構,但是金屬銀的孤對電子與CMCS的—OH、—NH2、—COOH等基團存在靜電吸引力作用,導致CMCS的特征峰出現(xiàn)偏移的情況。

由圖1(f)可知,NanoAg-CMCS的分解溫度為267.4 ℃,與CMCS空白組的分解溫度264.1 ℃相比上升了3.3 ℃,即NanoAg-CMCS比CMCS空白樣的熱穩(wěn)定性要高,進一步證明銀的孤對電子與CMCS的—OH、—NH2、—COOH存在一定的靜電吸引力作用,從而提高了復合材料的熱穩(wěn)定性能。

2.2 NanoAg-CMCS復合材料分散穩(wěn)定性

NanoAg-CMCS復合材料分散穩(wěn)定性如圖2所示。

(a) 靜態(tài)沉降試驗

(b) 紫外透過率-時間圖

由圖2可知,放置2 h后,銀粒子水溶液[圖2(a)樣品A]出現(xiàn)明顯的聚沉現(xiàn)象,紫外可見光透過率從75%上升至90%;放置12 h后,大部分銀粒子聚沉,紫外可見光透過率為97%;放置24 h后,銀粒子全部聚沉,紫外可見光透過率為100%;放置720 h后,NanoAg-CMCS水溶液[圖2(a)樣品B]依然沒有發(fā)生明顯的聚沉現(xiàn)象,溶液均勻透明 ,紫外可見光透過率僅上升0.5%,NanoAg穩(wěn)定的分散在水溶液中。說明CMCS的加入,大幅度提升了NanoAg在水溶液中的分散穩(wěn)定性能。

2.3 NanoAg-CMCS復合材料的抗菌性能

NanoAg-CMCS復合材料的抑菌性能如圖3所示。由圖3(a)可見,NanoAg-CMCS水溶液在樣品體積分數(shù)為6% 以上時能完全抑制金黃色葡萄球菌(ATCC 6538)的生長,即對金黃葡萄球菌(ATCC 6538)的最低抑菌濃度M(S.aureus)為6×10-2mg/L;由圖2(b)可知,NanoAg-CMCS水溶液在樣品體積分數(shù)大于9%時,能完全抑制大腸桿菌(ATCC 8739)的生長,即M(E.coil)為9×10-2mg/L;由圖3(a)、(b)中2組培養(yǎng)基圖片可見,加入NanoAg-CMCS的培養(yǎng)基相對于空白組(CMCS)澄清透明,說明NanoAg-CMCS具有良好的抗菌性能。

鐮刀菌(Fusariumspp.)是引起火龍果腐敗的主要原因之一[12-13],通過抑菌圈實驗測試[圖3(c)]可見,和空白組(CK)的抑菌圈直徑為0 mm相比,NanoAg-CMCS組(EG)的抑菌圈直徑為22.41 mm,結果表明NanoAg-CMCS對鐮刀菌具有較好的抑菌效果。

圖3 NanoAg-CMCS復合材料的抑菌性能Fig.3 Antibacterial properties of NanoAg-CMCS composites

2.4 火龍果保鮮實驗

火龍果保鮮實驗結果如圖4所示。

圖4 火龍果保鮮實驗結果Fig.4 Experimental results of preservation of pitaya fruit

由圖4(a)可知,空白組(CK)第6天鱗片出現(xiàn)明顯的枯黃腐敗現(xiàn)象,NanoAg-CMCS組(EG)沒有出現(xiàn)明顯的枯黃現(xiàn)象;第10天,EG組也出現(xiàn)了腐敗情況,CK組鱗片大量枯黃。由圖4(b)可知,相對于CK組,EG組明顯減少了果柄水分的流失,緩解果柄的脫水干枯現(xiàn)象;由圖4(c)可知,EG組的質量分數(shù)下降明顯,相對于CK組,減小了20%左右;由圖4(d)可見,相對于CK組,用NanoAg-CMCS涂膜處理后的火龍果的呼吸強度明顯降低,火龍果保鮮的中后期呼吸強度減小至少20%。綜上,NanoAg-CMCS涂膜處理延緩火龍果鱗片黃化和果柄的失水,使火龍果存儲時間延長3 d,有利于火龍果的保鮮。

3 結論

本文采用便捷綠色的方法成功制備了NanoAg-CMCS復合材料,結果表明,CMCS和NanoAg之間可能存在靜電引力作用,CMCS的加入提高了NanoAg水溶液的分散穩(wěn)定性。所制備的NanoAg-CMCS復合材料有良好的穩(wěn)定性,對鐮刀菌(Fusariumspp.)具有較好抑菌性能,用于火龍果的保鮮時,能降低火龍果的失重率和呼吸強度,延遲火龍果出現(xiàn)腐敗、枯黃出現(xiàn)的時間,有一定的保鮮作用。本研究為防止NanoAg的團聚,提高其水溶液的分散穩(wěn)定性提供了新思路和方法,為NanoAg在水果保鮮方面的研究提供依據(jù),拓展了納米銀材料的應用領域。