改性漢麻稈芯抑菌性研究

屈曉玲，姜振生，王世生，顏婉茹，任媛媛，李明陽(yáng)，李東平

(1.黑龍江省塑料工業(yè)科學(xué)研究所，哈爾濱 150001； 2.哈爾濱理工大學(xué)，哈爾濱 150080)

0 引 言

近年來(lái)，人們?cè)絹?lái)越注重抗菌紡織物的研究[1]。漢麻作為最早被應(yīng)用于紡織品的天然纖維之一[2]，因其獨(dú)特的化學(xué)性能及表面結(jié)構(gòu)，得到了廣泛關(guān)注。漢麻稈芯主要含量為纖維素、半纖維素、木質(zhì)素[3]，且含有很多種類的酚類物質(zhì)，如大麻酚(THC)、大麻二酚(CBD)[4]，這些大麻酚類物質(zhì)可滅殺霉菌類微生物。漢麻稈芯微觀結(jié)構(gòu)呈管狀，表面比較粗糙，排布著很多孔洞，空氣易于進(jìn)入，不利于厭氧菌的產(chǎn)生，可有效抑制厭氧菌的生長(zhǎng)和繁育[5]，漢麻的天然抑菌性已成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)之一。

分別采用燒堿改性法、硅烷偶聯(lián)劑改性法、馬來(lái)酸酐接枝改性法對(duì)漢麻稈芯進(jìn)行改性，并對(duì)改性前后的漢麻稈芯進(jìn)行紅外光譜測(cè)試、掃描電鏡測(cè)試及抑菌性實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)改性后漢麻稈芯具有更好的抑菌性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及儀器設(shè)備

原料：漢麻(黑龍江省科學(xué)院大慶分院提供)，氫氧化鈉(天津市天新精細(xì)化工開(kāi)發(fā)中心生產(chǎn))，硅烷偶聯(lián)劑KH-550(上海耀化工貿(mào)有限公司生產(chǎn))，順丁烯二酸酐(天津市福晨化學(xué)試劑廠生產(chǎn))，無(wú)水乙醇(天津市富宇精細(xì)化工有限公司生產(chǎn))，冰醋酸(天津市東麗區(qū)天大化學(xué)試劑廠生產(chǎn))，過(guò)氧化氫(天津市東麗區(qū)天大化學(xué)試劑廠生產(chǎn))，氯化鈉(天津市東麗區(qū)天大化學(xué)試劑廠生產(chǎn))，牛肉粉(北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司生產(chǎn))，瓊脂粉(天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司生產(chǎn))，蛋白胨(北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司生產(chǎn))。

儀器：分析天平，手提式多功能粉碎機(jī)，80目篩子，循環(huán)水式多用真空泵，電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，紅外光譜儀，掃描電子顯微鏡，電熱恒溫培養(yǎng)箱，立式壓力蒸汽滅菌器，調(diào)溫電熱套。

1.2 測(cè)試

對(duì)改性前后的漢麻稈芯進(jìn)行紅外光譜分析，通過(guò)掃描電子顯微鏡獲得改性前后漢麻稈芯的表面形貌圖像，進(jìn)行抑菌性實(shí)驗(yàn)，計(jì)算抑菌率，對(duì)改性前后的漢麻稈芯的抑菌性進(jìn)行分析。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 漢麻稈芯粉的制備

挑選出漢麻稈芯，利用粉碎機(jī)粉碎，再通過(guò)80目篩子篩出得到漢麻稈芯粉。

1.3.2 漢麻稈芯的改性

a.氫氧化鈉改性漢麻稈芯粉的制備：配置2%、5%、7%質(zhì)量濃度的NaOH溶液。分別稱取2 g漢麻稈芯粉，放入配置好的溶液當(dāng)中，浸泡2 h，抽濾后放入100℃的烘箱內(nèi)烘干至恒重，稱重。

b.硅烷偶聯(lián)劑KH-550改性漢麻稈芯粉的制備：配置3%、5%、7%質(zhì)量濃度的KH-550溶液。分別稱取2 g的漢麻稈芯粉，放入配置好的溶液當(dāng)中，浸泡2 h，抽濾后放入100℃的烘箱內(nèi)烘干至恒重，稱重。

c.馬來(lái)酸酐改性漢麻稈芯粉的制備：安裝儀器，在三頸瓶?jī)?nèi)倒入一定質(zhì)量濃度(2%、5%、7%)的馬來(lái)酸酐溶液，加熱至60℃左右，使溶液完全溶解至透明，放入2 g漢麻稈芯粉，升溫至100℃反應(yīng)2 h，反應(yīng)過(guò)程中加入少量的過(guò)氧化氫作為催化劑。抽濾后倒入一定量無(wú)水乙醇浸泡6 h，以除去未反應(yīng)的馬來(lái)酸酐，抽濾，放入100℃的烘箱內(nèi)烘干至恒重，稱重。

1.3.3 改性漢麻稈芯粉的抑菌性實(shí)驗(yàn)

a.培養(yǎng)基的制備：表1和表2分別為液體培養(yǎng)基及固體培養(yǎng)基的配方。液體培養(yǎng)基用于培養(yǎng)菌種，固體培養(yǎng)基用于固定菌種，易于菌落計(jì)數(shù)。

表1 液體培養(yǎng)基配方Tab.1 Recipe of liquid culture medium

表2 固體培養(yǎng)基配方Tab.2 Formulation of solid culture medium

b.滅菌處理：將熬制好的培養(yǎng)基趁熱倒入錐形瓶?jī)?nèi)，棉花塞住瓶口后用無(wú)菌扣封住瓶口，將培養(yǎng)皿、移液管等實(shí)驗(yàn)所需儀器及蒸餾水放入立式壓力蒸汽滅菌器內(nèi)，滅菌30 min后取出備用。

c.菌種接種：在無(wú)菌室內(nèi)進(jìn)行菌種接種。首先點(diǎn)燃酒精燈，進(jìn)行無(wú)菌操作。用酒精擦拭雙手及試管口進(jìn)行滅菌，鑷子放在酒精燈上進(jìn)行滅菌。培養(yǎng)基稍稍放涼，防止培養(yǎng)基過(guò)熱殺死菌種，取兩個(gè)試管標(biāo)號(hào)，分別倒入一定量液體培養(yǎng)基，用鑷子夾取一定菌種，放入試管中搖勻，培養(yǎng)12 h。

用移液管在試管內(nèi)取0.1 mL菌種放入培養(yǎng)皿內(nèi)，搖勻。將固體培養(yǎng)基熔化后，放置50℃左右，倒入培養(yǎng)皿內(nèi)搖勻。將培養(yǎng)皿倒放放入培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)12 h，觀察菌落是否成活。

d.抑菌實(shí)驗(yàn)：先準(zhǔn)備兩個(gè)錐形瓶標(biāo)號(hào)，將大腸桿菌、金黃葡萄球菌用無(wú)菌水稀釋100倍。用未改性與改性的漢麻稈芯粉進(jìn)行抑菌實(shí)驗(yàn)。每次稱取0.3 g的漢麻稈芯粉進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將漢麻稈芯粉平鋪在菌落上，倒入固體培養(yǎng)基進(jìn)行培養(yǎng)，在培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)12 h后，進(jìn)行菌落計(jì)數(shù)。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)兩次，取平均值得出最終結(jié)果。

1.3.4 抑菌率的計(jì)算

以直接觀察法數(shù)出各菌落生長(zhǎng)12 h后的菌落數(shù)目，計(jì)算。

式中：Y—試樣的抑菌率；Wt—2個(gè)空白樣培養(yǎng)12 h后細(xì)菌濃度的平均值(CFU/mL)；Qt—2個(gè)測(cè)試樣培養(yǎng)12 h后細(xì)菌濃度的平均值(CFU/mL)。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外分析

改性前的漢麻稈芯粉紅外光譜圖如圖1所示，3 423.22 cm-1處的寬尖峰為羥基O-H伸縮振動(dòng)峰，1 053.96 cm-1左右的吸收峰為C-O和C-O-C伸縮振動(dòng)，架振，1 639.58 cm-1處為苯環(huán)上C=C雙鍵伸縮振動(dòng)，669.38 cm-1處為C-H面外彎曲振動(dòng)吸收峰。

圖1 未改性漢麻稈芯粉紅外光譜Fig.1 Infrared spectroscopy of unmodified hemp stalk core powder

NaOH改性后的漢麻稈芯粉紅外光譜圖如圖2所示，其中1、2、3分別為2%、5%、7%濃度NaOH改性的漢麻稈芯粉，經(jīng)NaOH改性后的漢麻稈芯粉的各吸收峰逐漸變強(qiáng)，且雜峰逐漸減少，芳環(huán)振動(dòng)吸收峰、C-O和C-O-C伸縮振動(dòng)更加明顯。經(jīng)圖譜對(duì)照可以看出，5%濃度NaOH改性的漢麻稈芯粉，各吸收峰最強(qiáng)且雜峰較少，所以5%濃度NaOH改性的漢麻稈芯粉改性最好。

KH-550改性后的漢麻稈芯粉紅外光譜圖如圖3所示，其中1、2、3分別為3%、5%、7%濃度KH-550改性的漢麻稈芯粉，在1 050 cm-1左右出現(xiàn)的峰為Si-O伸縮振動(dòng)，1 250～1 600 cm-1處為N-H振動(dòng)，說(shuō)明漢麻稈芯接枝上了Si-O鍵、N-H鍵。從圖中可以看出，5%改性漢麻稈芯粉的吸收峰最強(qiáng)，故5%濃度改性為最優(yōu)選擇。

圖2 NaOH改性漢麻稈芯粉紅外光譜Fig.2 Infrared spectroscopy of NaOH modified hemp stalk core powder

圖3 KH-550改性漢麻稈芯粉紅外光譜圖Fig.3 Infrared spectroscopy of KM-550 modified hemp stalk core powder

圖4 馬來(lái)酸酐改性漢麻稈芯粉紅外光譜圖Fig.4 Infrared spectroscopy of maleic anhydride modified hemp stalk core powder

馬來(lái)酸酐改性后的漢麻稈芯粉紅外光譜圖如圖4所示，其中1、2、3為2%、5%、7%濃度馬來(lái)酸酐改性的漢麻稈芯粉，1 750 cm-1、1 800 cm-1處的雙峰為酸酐特征吸收峰，說(shuō)明馬來(lái)酸酐成功接枝到漢麻表面。從圖4可以看出，5%馬來(lái)酸酐改性漢麻稈芯最穩(wěn)定，所以5%濃度為最優(yōu)選擇。

2.2 SEM分析

圖5為改性前后的漢麻稈芯SEM圖。a、b、c、d分別為未改性的漢麻稈芯、5%NaOH、5%KH-550、5%馬來(lái)酸酐改性漢麻稈芯SEM圖。通過(guò)SEM圖可以看到未改性漢麻稈芯呈中空的桿狀結(jié)構(gòu)，表面上具有微小的孔洞。改性后的漢麻稈芯表面變得光滑，這是因?yàn)闈h麻稈芯中雜質(zhì)減少了，除去了漢麻稈芯表面的膠質(zhì)、纖維素等物質(zhì)。

圖5 改性前后漢麻稈芯掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.5 Scanning electron microscope picture of hempstalk core before and after modification

2.3 抑菌測(cè)試結(jié)果分析

改性漢麻稈芯對(duì)大腸桿菌的抑菌結(jié)果如表3所示。

表3 大腸桿菌菌落數(shù)Tab.3 Number of escherichia coli colonies

圖6為實(shí)驗(yàn)中大腸桿菌空白樣品，圖7為不同改性方法的漢麻稈芯對(duì)大腸桿菌生長(zhǎng)情況的抑制作用，1、2、3、4分別代表未改性、NaOH改性、KH-550改性、馬來(lái)酸酐改性的漢麻稈芯粉。從圖6、7及表3中可以明顯看出，改性后的漢麻稈芯對(duì)大腸桿菌的抑制作用更明顯。其中，KH-550及馬來(lái)酸酐改性后的稈芯對(duì)大腸桿菌的抑制作用最好，培養(yǎng)基內(nèi)沒(méi)有生長(zhǎng)菌落。

圖6 大腸桿菌空白試樣Fig.6 Blank sample of escherichia coli colony

圖7 不同改性方法對(duì)大腸桿菌生長(zhǎng)影響Fig.7 Effects of different modified methodson escherichia coli colonies

改性漢麻稈芯對(duì)金黃葡萄球菌的抑菌結(jié)果如表4所示。

表4 金黃葡萄球菌菌落數(shù)Tab.4 Number of staphylococcus aureus colonies

圖8為實(shí)驗(yàn)中金黃葡萄球菌的空白樣品，圖9為不同改性方法的漢麻稈芯粉對(duì)金黃葡萄球菌生長(zhǎng)情況的抑制作用。從圖中可以明顯看出，改性后的漢麻稈芯對(duì)大腸桿菌的抑制作用更明顯。其中，NaOH改性方法對(duì)金黃葡萄球菌的抑制效果最明顯。

圖8 金黃葡萄球菌空白試樣Fig.8 Blank sample of of staphylococcus aureus colonies

圖9 不同改性方法對(duì)金黃葡萄球菌生長(zhǎng)的影響Fig.9 Effects of different modified methods on staphylococcus aureus growing

2.4 抑菌率的計(jì)算

根據(jù)抑菌率計(jì)算公式，得到不同漢麻稈芯的抑菌率如表5所示。

表5 不同漢麻稈芯抑菌率Tab.5 Bacteriostasis rate of different hemp stalk core

通過(guò)計(jì)算可以看出，改性后的漢麻稈芯對(duì)大腸桿菌和金黃葡萄球菌的抑菌作用有明顯的提高。特別是對(duì)大腸桿菌的抑制，未改性的漢麻稈芯對(duì)大腸桿菌抑菌作用較弱，經(jīng)改性后具有了明顯的抑菌作用，特別是KH-550和馬來(lái)酸酐對(duì)漢麻稈芯的改性，抑菌率更是達(dá)到了100%。對(duì)于金黃葡萄球菌，未改性的漢麻稈芯對(duì)于其也有很好的抑菌性能，改性后的漢麻稈芯抑菌率進(jìn)一步得到了提升，接近于100%。

通過(guò)以上的抑菌實(shí)驗(yàn)可以看出，漢麻稈芯對(duì)于細(xì)菌確實(shí)具有一定的抑制作用，且改性后效果更好，但對(duì)于不同菌種有著不一樣的抑制作用。

3 結(jié)論

采用燒堿改性法、硅烷偶聯(lián)劑改性法、馬來(lái)酸酐接枝改性法對(duì)漢麻稈芯進(jìn)行改性，并對(duì)其抑菌性進(jìn)行研究，結(jié)論如下：

通過(guò)紅外譜圖可以得到5%的NaOH、5%的KH-550及5%的馬來(lái)酸酐改性效果最好。

通過(guò)分析改性前后的漢麻稈芯粉掃描電鏡圖片可以發(fā)現(xiàn)，改性后的漢麻稈芯表面發(fā)生了明顯的變化，漢麻稈芯表面更加光滑。

由抑菌實(shí)驗(yàn)可以得出，未改性的漢麻稈芯對(duì)大腸桿菌沒(méi)有抑菌作用，對(duì)金黃葡萄球菌抑菌率達(dá)98.3%。NaOH改性漢麻稈芯對(duì)于大腸桿菌抑菌性顯著提升，抑菌率達(dá)94.2%，對(duì)金黃葡萄球菌抑菌率為99.8%。KH-550改性漢麻稈芯對(duì)于大腸桿菌抑菌性能很好，抑菌率達(dá)100%，對(duì)金黃葡萄球菌的抑菌率也有99.1%。馬來(lái)酸酐改性漢麻稈芯對(duì)于大腸桿菌的抑菌率達(dá)100%，對(duì)于金黃葡萄球菌的抑菌率為99.3%。由此說(shuō)明，漢麻稈芯粉改性后，抑菌效果效果更好，但對(duì)于不同菌種抑制效果也不同。