殼聚糖季銨鹽在木薯蠶絲抗菌整理中的應用

趙樹強 寧晚娥 林海濤 黃繼偉 陶立全

摘要： 為了改善殼聚糖在水中的溶解性，將氯化縮水甘油三甲基銨與殼聚糖反應，在一定條件下合成了殼聚糖季銨鹽（HACC），并將其用于木薯蠶絲的改性處理，采用紅外光譜儀、X射線衍射儀及熱分析方法對處理前后木薯蠶絲的結構，以及熱學性能進行表征與分析。研究表明，從X射線衍射圖譜和紅外光譜圖譜來看，HACC的化學改性使木薯蠶絲纖維中的部分結構發生變化，而且抗菌整理后的木薯蠶絲對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌有較好的抗菌持久性。另外，從熱分析的測試結果來看，抗菌整理后的木薯蠶絲的內部結構與未整理相比變得更加緊密且熱穩定性增強。

關鍵詞： 殼聚糖；木薯蠶絲；金黃色葡萄球菌；抗菌持久性；熱穩定性

中圖分類號： TS195.644文獻標志碼： A文章編號： 10017003（2018）07001308引用頁碼： 071103

Application of chitosan quaternary ammonium salt in antibacterial finishing of cassava silk

ZHAO Shuqiang1，2， NING Wane1，2， LIN Haitao1，2， HUANG Jiwei1，2， TAO Liquan3，4

（1.College of Biological and Chemical Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China；

2.Guangxi Sugar Resource Green Processing Key Laboratory， Liuzhou 545006， China； 3.Liuzhou Product Quality Supervision Testing

Institute， Liuzhou 545006， China； 4.National Cocoon and Silk Quality Supervision and Inspection Center （Liuzhou）， Liuzhou 545006， China）

Abstract： In order to improve the solubility of chitosan in water， trimethylammonium chloride reacted with chitosan to synthesize chitosan quaternary ammonium salt （HACC） under certain conditions and it was used for the modification of cassava silk. Infrared spectroscopy， Xray diffractometer and thermal analysis methods were used to characterize and analyze the structure and thermal properties of cassava silk before and after treatment. The research results show that， from the Xray diffraction spectrum and the infrared spectrum， the chemical modification of HACC causes some changes in the structure of cassava silk fiber， and the cassava silk after antibacterial finishing has better antibacterial persistence to staphylococcus aureus and escherichia colim. In addition， from the test results of thermal analysis， the internal structure of cassava silk after antibacterial finishing becomes righter and the thermal stability is enhanced compared with the untreated one.

Key words： chitosan； cassava silk； staphylococcus aureus； antibacterial persistence； thermal stability

收稿日期： 20171212； 修回日期： 20180510

基金項目： 廣西科學研究與技術開發計劃項目（桂科AA16380045）

作者簡介： 趙樹強（1987），男，碩士研究生，研究方向為繭絲綢新工藝與新產品的開發。通信作者：林海濤，教授，lhthost@163.com。殼聚糖[1]作為一種相對廉價、易于獲得的生物高分子材料，由于具有優良的生物相容性、可控的降解性和對人體無毒等特性，使其在食品[24]、生物醫學材料[5]、廢水處理、紡織品整理等領域中得到了廣泛的應用[6]。然而由于殼聚糖難溶于水，一定程度上限制了其應用，因此對其進行改性成為了許多學者的研究熱點。研究發現，殼聚糖季銨鹽作為殼聚糖的改性產物[78]，不僅具有殼聚糖的優良特性，還具有優于殼聚糖的特性（如抗菌持久性[9]、吸濕、放濕性等），使其在功能材料、紡織品整理等有著比殼聚糖更廣泛的應用[1011]。

木薯蠶絲（野蠶絲）作為一類性能優良的天然蛋白紡織纖維，以其為原料制作而成的寢被用品、絲綢裝飾品等紡織品手感爽滑、光澤鮮亮，一直以來深受人們的喜愛。然而隨著人們日益增強的保健意識，他們對一些木薯蠶絲面料有了更高的保健服用要求，如一些木薯蠶絲面料使用一段時間后，會出現纖維板結、起毛、水漬、異味等問題。因此有必要對其進行改性，以提高其服用性能。目前對木薯蠶絲的結構及功能整理方面的研究也有一定的成果，如楊瑩瑩等[1213]通過對比分析的方法，對一些野蠶絲進行了比較系統的研究，木薯蠶絲的部分性能指標（如回潮率、伸長度、熱傳導系數、斷裂強度、斷裂伸長率等）均優于桑蠶絲，同時也具有較強的耐酸堿性、耐磨性及抗壓性[14]，具有優異的力學性能；姜為青等[15]采用凹土膠體改性處理木薯蠶絲，當凹土的質量分數達到10%時，木薯蠶絲對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率分別為88.9%和84.3%。然而關于殼聚糖季銨鹽在木薯蠶絲抗菌整理方面的研究卻鮮有報道，為此本文采用自制的殼聚糖季銨鹽（HACC）對木薯蠶絲進行改性整理，并對其工藝進行研究，形成的實驗數據對完善已有成果的木薯蠶絲整理工藝具有一定的實際應用價值。

1實驗

1.1材料與試劑

木薯蠶絲（實驗室處理），滲透劑（JFC，宜興市可信的化工有限公司），三乙醇胺（廣州廣醇化工科技有限公司），檸檬酸（天津市大茂化學試劑廠），殼聚糖（脫乙酰度80%～90%）、氯化縮水甘油三甲基銨、異丙醇、乙醇（均為化學純）。

1.2儀器

Y（B）802N八籃恒溫烘箱、WSB3A白度計（溫州大榮紡織儀器有限公司），YB71旦尼爾電子天平（常州市幸運電子設備有限公司），HH6數顯恒溫水浴鍋（國華電器有限公司），S570型掃描電子顯微鏡（日本日立公司），Discovery TGA 55熱重分析儀、Q2000差示掃描量熱儀（美國TA儀器公司）。

2方法

2.1抑菌率測試

按照FZ/T73023—2006《抗菌針織品》中附錄D的振蕩法對木薯蠶絲的抗菌性能進行測定[16]，其抑菌率公式如下：

抑菌率/%=A-BA×100（1）

式中：A為未處理木薯蠶絲上的菌落數；B為HACC整理的木薯蠶絲上的菌落數。

2.2白度的測定

將實驗前后檢測白度的木薯蠶絲做一些前處理，然后將其均勻放入試驗盒，用標準白度板來校準過的WSB3A白度計對其進行測試，測試3次，取平均值。

2.3手感

挑選一定數量的成年人組成木薯蠶絲手感測定小組，每間隔一段時間，每位組員要對抗菌整理后的木薯蠶絲進行單獨手感測試[17]，記錄下木薯蠶絲手感好壞的測試結果，并對記錄結果運用數學方法進行統計整理。結果用進行評定：表示手感較差，表示手感一般，表示手感好，表示手感較好。本文中的測試小組為8人組，分別是4男4女，年齡在20～25歲。

2.4殼聚糖季銨鹽的制備

向三口燒瓶分別加入1.5～2.5g殼聚糖、25～35mL的異丙醇，水浴加熱，并讓其升溫至65～95℃，緊接著向其加入一定量的氯化縮水甘油三甲基銨水溶液，讓其在恒定的溫度下反應8～12h，然后過濾，并用無水乙醇浸泡洗滌后，在索氏提取器中抽濾24h，最后將其產物在一定溫度（65～95℃）下干燥，即得HACC[18]。

2.5HACC抗菌溶液的配制

將5g/L的HACC、2%檸檬酸（相對木薯蠶絲質量百分比）、1%三乙醇胺（相對木薯蠶絲質量百分比）、0.5%滲透劑（JFC）（相對木薯蠶絲質量百分比）配置成HACC溶液，其中浴比為1︰50。

2.6HACC整理工藝

通過大量的實驗確定HACC整理劑濃度、浸漬溫度、滲透劑、浸漬時間為木薯蠶絲抗菌整理的因素水平，選擇正交表設計四因素三水平共9組正交實驗，對其進行木薯蠶絲抗菌整理，重復3次，方案如表1所示。

從圖1的傅里葉紅外光譜曲線中可以看出，殼聚糖與殼聚糖季銨鹽（HACC）的紅外光譜曲線圖[1920]大體上相似，如殼聚糖季銨鹽（HACC）與殼聚糖在3444.83cm-1處均有吸收峰，說明二者的結構中均含有羥基。然而，從殼聚糖季銨鹽（HACC）的紅外光譜曲線中發現，殼聚糖季銨鹽（HACC）在1597cm-1（聚糖中的伯胺N—H面內彎曲振動強吸收峰[21]）處的紅外吸收峰消失，而在1639cm-1（季銨基團上甲基的C—H伸縮振動峰[22]）處出現了新吸收峰，說明在殼聚糖分子的—NH2基上發生了取代反應，即—NH2基上的H被季銨鹽基團部分取代。

3.2整理前后木薯蠶絲的熱學性能

3.2.1木薯蠶絲表面的形貌變化

傷；而經殼聚糖季銨鹽處理后的木薯蠶絲表面出現了很多細小的白色顆粒物質，說明殼聚糖季銨鹽（HACC）在檸檬酸和滲透劑（JFC）的作用下，通過一定的途徑（吸附與交聯）成功地附著在了木薯蠶絲的表面。

后的木薯蠶絲的全譜圖如圖3（b）所示，也有三個顯著的譜峰，其結合能分別為：397.93eV（N1s峰）、287.08eV（C1s峰）、533.29eV（O1s峰）。木薯蠶絲經過殼聚糖季銨鹽（HACC）處理后，全譜圖中N1s峰的結合能從原來的400.06eV變為了397.93eV，而其他兩個顯著峰（C1s峰和O1s峰）不變。另外，從表2中的數據可以看出，木薯蠶絲纖維表面元素中C元素含量有所增加，可能是木薯蠶絲纖維表面處理液中檸檬酸與HACC中的C元素含量與木薯蠶絲纖維相比較高

木薯蠶絲樣品表面元素質量分數/%CON其他處理前81.3410.326.242.10處理后83.479.544.982.01而N、O元素含量明顯降低，可能是HACC通過不同的方式（吸附與交聯）改性處理木薯蠶絲，使得木薯蠶絲中N元素的含量有所降低。

3.2.3X射線衍射分析

圖4分別為HACC處理木薯蠶絲前后的X射線衍射圖譜，其中11.8°附近為α螺旋結構的衍射峰，而16.5°、20.2°、24.9°、30.9°附近為β折疊結構的衍射峰。由圖4可知，HACC改性處理后的木薯蠶絲X射線衍射曲線大體上類似，但是其衍射峰卻較之前上升了些許，如HACC改性處理后的木薯蠶絲在11.49°、16.72°、20.64°、24.68°、30.61°處較之前有較強的衍射特征峰。說明木薯蠶絲里的晶體形態結構產生了局部變化，可能是HACC改性處理后的木薯蠶絲纖維中的部分無規線團構象的絲蛋白分子鏈[2325]受到溫度、HACC、檸檬酸、滲透劑（JFC）等因素的影響，向能量更低且更穩定的β折疊結構轉變。

1（酰胺Ⅱ[27]）等；同時HACC改性處理的木薯蠶絲在1480cm-1處產生了吸收峰，說明HACC的改性處理使得木薯蠶絲纖維上含有一些季銨基團，改變了木薯蠶絲纖維里的部分結構，使其結構更緊密且穩定。對比發現，它們在整體結構上沒有明顯差異，與木薯蠶絲X射線衍射及木薯蠶絲的XPS分析處理的結果大體上是一樣的。

理后的木薯蠶絲受熱分解產生的最大峰值溫度相比之前略高，可能是HACC對木薯蠶絲的改性處理使絲素蛋白中的部分結構發生變化，使其更加緊密且穩定。

3.3HACC處理木薯蠶絲的工藝優化

3.3.1木薯蠶絲抗菌整理工藝參數優選

將抗菌處理后的木薯蠶絲分別自然放置不同的時間后，測試其抗菌性能，如表5所示。

從表5可知，木薯蠶絲自然放置6周后，木薯蠶絲對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率均大于98%，然而當木薯蠶絲自然放置16周后，對金黃色葡萄球菌的抑菌率為98%，而對大腸桿菌的抑菌率雖下降為90%，仍達到了抗菌要求，說明木薯蠶絲對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌有較好的抗菌持久性。

3.3.3木薯蠶絲耐洗抗菌持久性

將抗菌芳香處理后的木薯蠶絲分別水洗0次、2次、4次、6次、8次、10次、12次后，測試其抗菌性能，如表6所示。

4結論

選用自制的殼聚糖季銨鹽（HACC）整理劑改性處理木薯蠶絲，通過大量的實驗確定了木薯蠶絲抗菌整理的最優工藝：HACC整理劑濃度為8g/L，0.8%滲透劑（JFC），浸漬時間為20min，浸漬溫度為60℃。在此工藝下處理的木薯蠶絲對金黃色葡萄球菌有較好的抗菌持久性，符合國家織物抗菌的優質要求，同時木薯蠶絲的改性整理也使其內部結構更加緊密且熱穩定性增強。

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