载银壳聚糖的特点及其对薄木抗菌处理的研究

　　1 引言。

　　近年来，越来越多的家庭和公共场所选用木材作为室内装饰材料。室内装饰用薄木花纹自然，视觉与触觉特性优良，不仅美化了居住环境，还具有调湿、调温、隔音等功能。但是，也存在容易滋生有害细菌，严重危害人类健康的问题。随着公众对自身居住、工作环境卫生要求的提高，安全环保、广谱高效型薄木用抗菌剂的研发与应用具有重大意义。

　　在现有的抗菌剂中，Ag+抗菌剂抗菌效果显着但由于光照或长期放置易变黑，超过一定浓度易引起中毒，成本高而大大限制了其应用范围[1].壳聚糖（以下简称CTS）作为天然生物抗菌剂的典型代表，耐热性较差，有效时间不长[2],但具有优越的生物可降解性、生物相容性[3-5]、成膜性[6],安全无毒且具有螯合及吸附性[7-8],有望提高银系抗菌剂的耐光性，降低其成本。

　　因此，本文选择以CTS为载体制备载银壳聚糖（以下简称CTS-Ag）用于处理室内装饰用桦木薄木，希望通过对CTS-Ag形貌、结构及CTS-Ag抗菌薄木性能的分析与研究，为安全、环保、广谱、高效、耐久的新型木材用抗菌剂的合成和应用提供新的途径和理论依据。

　　2 实验。

　　2.1实验材料。

　　壳聚糖（脱乙酰度为90%,国药集团化学试剂有限公司）；硝酸银（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）；桦木（Betula）薄木（含水率8%,浙江万江木业有限公司）；ATCC25922大肠杆菌（E.coli）菌种（由中国科学院理化技术研究所提供）。

　　2.2载银壳聚糖的制备。

　　称取2.0g CTS加入到200 mL,0.1 mol/L的AgNO3水溶液中，用1mol/L稀HNO3调节溶液pH值为4,振荡使之溶解。用铝箔纸避光密封，在50 ℃水浴中搅拌2h,制得反应液。将反应液过滤，滤饼用蒸馏水淋洗多次。以0.1mol/L的HCl检测滤液无白色沉淀出现，表明溶液中无Ag+存在，再将滤饼用无水乙醇洗涤3次，40 ℃下真空干燥，得到棕褐色粉末。将产物装入棕色瓶，置于干燥器内避光保存。

　　2.3载银壳聚糖微观结构的检测CTS-Ag的 微 观 形 貌 用 日 本Hitachi公 司S-3400N型扫描电子显微镜观察。

　　FT-IR光谱由德国Bruker公司VERTEX70V型傅立叶-红外（FT-IR）光谱仪分析测定。

　　CTS-Ag的结晶结构采用德国Bruker公司D8Advance型广角X射线衍射仪扫描分析，扫描范围为2θ=5~80°,扫描速度为2°/min,步长为0.02°。

　　CTS-Ag的 元 素 分 析 用 德 国Elementar公 司Vario EL Ⅲ型元素分析仪测定CTS-Ag中C、N、H的含量，采用电位滴定法测定CTS-Ag中Ag的含量。

　　2.4载银壳聚糖对薄木抗菌处理的研究。

　　2.4.1抗菌薄木的制备。

　　将事先锯截为50mm×50mm的桦木薄木称重后，每3片一组放入烧杯中。准确称量CTS、AgNO3、CTS-Ag复合抗菌剂各2g放入锥形瓶中，分别加入蒸馏水配制成质量比为1%的3种溶液。加入1mol/L稀硝酸调节溶液pH值=2,充分振荡溶解后用玻璃棒引流倒入上述烧杯中。常温常压浸渍24h后取出薄木，擦掉表面流动水分，自然风干。称重后将样品分别放入自封袋中备用，对应标号1,2,3.每种样品各6片，用于抗菌性能检测和色差分析。

　　2.4.2抗菌薄木抗菌性能的检测。

　　按照日本工业标准JISZ2801:2010“抗菌加工制品---抗菌性能试验方法之抗菌效果”[9]进行检验实验，采用活菌计数法定量测试样品的抗菌作用，实验结果用抗菌活性值及抗菌率来表示。试验接种细菌为大肠杆菌（Escherichia coli），检测样品为上述抗菌薄木，对照样品为同等尺寸桦木素材，每种样品做3个平行。

　　2.4.3抗菌剂对薄木颜色影响的研究。

　　针对抗菌剂对薄木颜色影响的研究，本文以色差作为衡量的指标。以桦木薄木素材为对照样，用Data-color 110分光光度仪测量表面含水率为8%的桦木薄木素材和抗菌薄木表面的颜色。测试条件为D65标准光源，相关色温为6 504K,照明和观测几何条件为o/d（垂直入射/漫反射），10°大视野，测量范围为直径20mm.

　　采用CIE L*a*b*（1976）表色系统表色。每种样品测3个试样，每个试样进行6点测定，然后求平均值，以平均值进行分析比较。各色度学指标依据CIEL*a*b*（1976）表色系统的式（1）进行计算，单位为NBS.

　　式中，ΔE为色差值；L为亮度；a为红绿对立维度；b为黄蓝对立维度。

　　3 结果与讨论。

　　3.1载银壳聚糖的微观形貌分析。

　　图1（a）和（b）分别为CTS和CTS-Ag的SEM形貌照片，放大倍数均为4 200倍。图1（c）为CTS-Ag的局部放大图，放大倍数为10 000倍。从图1（a）可以看出，未载银的CTS颗粒结构紧密，表面平整；载银后的CTS表面较粗糙，有大量颗粒状物质散布在其表面，如图1（b）-（c）所示。由此可推断Ag已经被负载到CTS上。

　　3.2载银壳聚糖的红外光谱分析。

　　CTS和CTS-Ag的红外光谱图见图2.

　　由于CTS-Ag复合物的主要骨架成分为CTS,所以两样品的红外谱图基本一致。

　　CTS中（N-H）和分子间氢键（O-H）的伸缩振动偶合形成一宽峰，吸收峰在3 355cm-1处。与Ag+结合后，在CTS-Ag的谱图中向低频方向移动到3 271cm-1处，且峰形略有变化，说明CTS上 的-NH2或-OH可 能 参 与 了 配 位。

　　CTS中（N-H）1 600cm-1处的变形振动吸收峰和CTS（C-N）1 350cm-1处的伸缩振动峰在CTS-Ag对应的红外谱图上分别位于1 589和1 293cm-1处向低频位移且峰形略有变化。同时，CTS中伯羟基和仲羟基 （C-O）伸 缩 振 动 吸 收 峰 分 别 位 于1 050和1 100cm-1处，而CTS-Ag中对应的吸收峰分别位于1050和1 100cm-1处，没有变化。因此可以得出CTS上的-NH2参与了配位。

　　3.3载银壳聚糖的X射线衍射分析。

　　CTS和CTS-Ag的XRD衍射图谱见图3.

　　CTS分别在2θ=10.95,20.05°处有明显衍射峰。与CTS相比，CTS-Ag在10.95,20.05°左右的衍射峰相对强度明显减弱。通过测试结晶区与非结晶区面积，计算得出CTS结晶度为47.5%;CTS-Ag结晶度减少到16.3%,无定形面积相对增加。这是由于CTS分子中-NH2与Ag+配位后，破坏了其分子链内或链间较强的氢键作用，减弱了分子链空间立体结构的规整性，使分子内结晶区减少，从而导致结晶度下降[10].

　　3.4载银壳聚糖的元素分析。

　　采用电位滴定法测定CTS-Ag中Ag的含量为20.0%,间接证明了Ag+与CTS发生了配位反应。对CTS及CTS-Ag做元素分析，结果如表1所示，CTS-Ag中C、N、H的 含 量 分 别 为27.40%,5.32%和4.08%,由此计算C、N、H、Ag的原子个数比为12.33∶2.04∶22.01∶1,即相当于2个CTS与1个Ag+配位，配位比为1∶2.

　　3.5抗菌薄木的抗菌性能分析。

　　表2给出了CTS、Ag+、CTS-Ag抗菌薄木分别对大肠杆菌（Escherichia coli）的抑菌效果。

　　3种抗菌薄木抗菌性呈现CTS<Ag+<CTS-Ag.

　　相较之单一种类的CTS或Ag+抗菌剂，CTS-Ag抑菌效果更为显着。原因在于CTS-Ag复合抗菌剂抗菌过程中CTS和Ag+发挥了协同抗菌作用。其协同作用表现为CTS-Ag中溶出的Ag+能穿透细胞壁进入细菌体内，并与细菌中的巯基（-SH）反应，使蛋白质凝固，破坏细胞合成酶的活性，从而使细胞丧失分裂增殖能力而死亡[11-12];CTS上未 反应的-NH2质子化生成-NH+3,能够吸附细菌细胞膜带负电荷的分子基团，阻碍微生物的活动，同时形成一层高分子膜，干扰其呼吸作用，阻止营养物质向微生物细胞内的输送，从而起到抑菌杀菌作用[13-16];CTS-Ag具有独特的网状结构，结构疏松，表面粗糙，当与细菌接触时，更易堆积在细菌细胞表面而造成细胞代谢减弱，从而抑制细菌繁殖。

　　3.6抗菌剂对薄木颜色影响的结果分析。

　　表3给出了CTS抗菌薄木、Ag+抗菌薄木、CTS-Ag抗菌薄木的L*a*b*值及其相对于桦木素材的色差值。色差值越小，表明抗菌剂的加入对薄木颜色影响越小；反之，对薄木颜色影响越大。由表3可以明显看出，3种抗菌剂的加入对桦木素材颜色影响的程度为CTS-Ag<CTS<Ag+.其中，由于CTS本身呈淡黄色，对b值影响较大；Ag+光照易变色，对L及a值影响显着；CTS-Ag抗菌薄木与桦木素材的色差值为9.043,明显小于CTS或Ag+抗菌薄木，用CTS-Ag复合抗菌剂处理室内装饰薄木对薄木本身颜色影响较小。

　　4结论。

　　（1） 以CTS和AgNO3水溶液为原材料，在酸性条件下，采用避光加热法制得CTS-Ag,CTS分子中的-NH2与Ag+发生配位反应，反应配位比为2∶1.

　　（2）Ag+与CTS结合，破坏了其分子链较强的氢键作用，使得结晶度下降。

　　（3）CTS-Ag复合抗菌剂的抗菌性能优于单一组分的CTS与Ag+抗菌剂，抗菌性能显着。

　　（4）CTS-Ag复合抗菌剂明显改善了Ag+抗菌剂光照易变色性，对处理材本身颜色的影响较小。

　　综上所述，CTS-Ag复合抗菌剂通过CTS对Ag+的稳定配位作用，改善了Ag+抗菌剂光照易变色性，降低了其生产成本，达到两种抗菌剂性能优势的互补。CTS-Ag复合抗菌剂正适应了抗菌剂安全、环保、广谱、高效、耐久的开发趋势，它的研发和应用对减少疾病、保护人类健康具有十分重要的意义，符合时代发展的要求。

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