陽離子酪素乳液的合成及其性能研究

張元霞， 馬建中,2*， 徐群娜 ,2

(1.陜西科技大學 輕工科學與工程學院， 陜西 西安 710021； 2.陜西農產品加工技術研究院， 陜西 西安 710021)

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陽離子酪素乳液的合成及其性能研究

張元霞1， 馬建中1,2*， 徐群娜1,2

(1.陜西科技大學 輕工科學與工程學院， 陜西 西安 710021； 2.陜西農產品加工技術研究院， 陜西 西安 710021)

以天然產物酪素(CA)為基材，通過自由基聚合在酪素體系中引入陽離子單體一甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)，獲得了結構穩定、性能優異的陽離子酪素乳液.采用紅外光譜(FT-IR)和動態光散射粒度儀(DLS)和最低成膜溫度測試儀等對乳液的結構和性能進行了表征，通過菌落定量計數法對陽離子酪素的抗菌性進行了考察，并對其涂飾革樣的綜合性能進行考察.結果顯示：陽離子單體已成功接枝到酪素的鏈段上；當酪素與陽離子單體質量比為1∶1.5時，可獲得電位為正，平均粒徑為214.2 nm的乳液；陽離子酪素乳液最低成膜溫度為23.8 ℃；采用陽離子酪素涂飾革樣后，皮革的耐干濕擦性和柔軟度得到了提高；并且與純酪素相比，陽離子酪素對金黃色葡萄球菌具有良好的抗菌效果，其抑菌率約為80%.

酪素； 陽離子單體； 自由基聚合； 抗菌

0 引言

酪素(Casein)，也稱酪蛋白、干酪素、乳酪素等，是一種從牛奶中提取的天然蛋白質.它由αs1-酪蛋白(αs1-CN)、αs2-酪蛋白(αs2-CN)、β-酪蛋白(β-CN)和κ-酪蛋白(κ-CN)組成[1]，其化學式大致為C170H268N42SPO51，平均相對分子質量一般為75 000～350 000，等電點約為4.6.由于酪素具有良好的生物相容性和生物降解性，其成膜具有較好的粘合力、衛生性能、耐打光、耐熨燙等優異的性能，目前它已被廣泛應用到了涂料[2,3]、食品[4]等領域.然而，酪素成膜硬脆，延伸性小，耐水性差，易發霉，單純的酪素已經很難滿足工業的需求，故需要對其進行改性.

課題組前期采用聚丙烯酸酯、己內酰胺[5]、有機硅、納米粒子[6,7]對酪素進行改性，有效地改善了成膜硬脆、易發霉，耐水性差的缺陷，研究了各種功能型酪素(如自清潔型酪素、抗菌防霉型酪素等).為了進一步賦予酪素基體更好的綜合性能，將陽離子單體接枝到天然產物酪素上，使得酪素體系帶正電荷，使其對正負電荷具有良好的平衡性能，同時還賦予乳液殺菌[8,9]的作用，這是陰離子或非離子型聚合物乳液所不可比擬的功能.例如，李慧靈等[10]以硝酸鈰銨為引發劑，以甲基丙烯酰氧乙基-十八烷基-二甲基溴化銨為活性單體，與酪素進行接枝共聚反應制備季銨鹽型酪素衍生物.

在此基礎上,本文研究了陽離子單體甲基丙烯酸-2-二甲氨基乙酯(DMAEMA)與酪素的自由基聚合反應，從而獲得了陽離子型酪素衍生物，并采用紅外光譜、動態激光光散射粒度儀和最低成膜溫度測試儀等對乳液的結構和性能進行表征，并通過菌落定量計數法對陽離子酪素的抗菌性進行了考察.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

(1)材料和試劑：甲基丙烯酸-2-二甲氨基乙酯(DMAEMA)，阿拉丁工業公司；酪素，廣州市格奧高分子材料有限公司；過硫酸銨，天津市河東區紅巖試劑廠；三乙醇胺，天津市天力化學試劑有限公司.

(2)儀器和設備：集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，西安予輝儀器有限公司；溫度指示控制儀，上海醫用儀表廠；DSX恒速數顯控制器，杭州儀表電機有限公司；最低成膜溫度測試儀，天津華銀建工儀器有限公司；數字皮革厚度測定儀，陜西科技大學陽光電子研究所；拉力試驗機，高鐵檢測儀器公司；摩擦色牢度實驗儀，高鐵檢測儀器有限公司；皮革柔軟度測試儀GT-300，英國皮革技術中心；評定變色用灰色樣卡GB/T250-2008，上海市紡織工業技術監督所；臺式高速離心機TG16-WS，長沙湘儀離心機儀器有限公司.

1.2 實驗方法

1.2.1 陽離子乳液聚合

在裝有攪拌器和冷凝裝置的三口燒瓶中加入3.33 g酪素、0.81 g三乙醇胺和61.42 g的去離子水，保溫2 h(溫度為65 ℃，轉速為300 r/min).再升溫至75 ℃，一次性加入4.99 g DMAEMA后，開始滴加引發劑過硫酸銨水溶液(每10秒1滴)，DMAEMA滴加完畢后保溫2 h，室溫冷卻即得到CA/DMAEMA復合乳液.

1.2.2 乳液穩定性測試

取4 mL的試樣于5 mL的離心管中，進行離心沉淀，轉速為3 000 r/min，時間為30 min，停機取出，觀察是否有沉淀、絮凝或分層現象.若有該類現象之一，則視為不穩定，否則視為穩定.

1.2.3 紅外光譜(FT-IR)測試

將干燥的光譜純固體溴化鉀研磨并壓片，之后將乳液涂抹在溴化鉀薄片上，待干燥后，采用日本日立公司的IR Prestige-21 型傅里葉變換紅外光譜儀在450～500 cm-1范圍內掃描進行紅外光譜測試.

1.2.4 乳液Zeta電位及粒徑的測定

將乳液用蒸餾水稀釋至100倍，采用英國MALVERN公司的Nano-ZS動態激光光散射粒度儀測試乳膠粒粒徑及乳液Zeta電位.

1.2.5 乳膠膜性能檢測

(1)乳膠膜的制備

分別稱取相同質量的樣品于相同大小的聚四氟乙烯成模板中，使其分散均勻，將盛有乳液的培養皿放置于室溫環境中自然干燥.待膜基本干燥后，將其放置于含有硅膠的干燥器中，放置24 h.待測的乳膠膜應該均勻平整，不應有氣泡、波紋等缺陷.

(2)成膜外觀

待膜干燥后對酪素薄膜的透明度，光澤度和柔軟度觀察，并將純酪素與陽離子酪素薄膜的透明度、光澤度與柔軟度進行對比.

(3)乳液最低成膜溫度的測定

采用天津華銀建工儀器有限公司的最低成膜溫度測試儀對其乳液的最低成膜溫度進行了測試，并將純酪素和改性后的酪素乳液最低成膜溫度進行了對比.

(4)乳膠膜的耐水性

截取2 cm×2 cm的薄膜，準確稱量薄膜質量，記為m1.室溫下在去離子水中浸泡24 h,取出膜并擦干稱其質量，記為m2，乳膠膜的吸水率(W)以百分率表示，根據下面的公式計算：

W=[(m2-m1)/m1]×100%

(1)

式(1)中：W―乳膠膜的吸水率,%；m1―未吸水的薄膜質量,g；m2―吸水后的薄膜質量,g.

(5)乳膠膜的力學性能

用啞鈴形標準模具對空調后的乳膠膜進行下樣(全長80 mm，有效長度30 mm，中間寬度5 mm，采用多功能材料試驗機測定薄膜的抗張強度和斷裂伸長率(拉伸速度500 mm/min，回程速度300 mm/min).

①抗張強度

抗張強度(P)是試樣在拉力機上被拉斷時，單位截面積上承受的負荷，以N/mm2表示，計算公式如下：

P=F/S

(2)

式(2)中：P—試樣的抗張強度,N/mm2；F—試樣斷裂時斷裂截面上所受的力,N；S—試樣斷裂面的面積,mm2.

②斷裂伸長率

斷裂伸長率(E)是試樣被拉斷時的伸長與原長度的比值，以百分率表示，計算公式如下式：

E=(L1-L0)/L0

(3)

式(3)中：E—斷裂伸長率,%；L1—試樣斷裂時受力部分的長度,mm；L0—試樣原長度,mm.

1.2.6 涂飾革樣性能測試

首先將綿羊皮革沿背脊線剖開，對稱取樣作為對照.再按照表1涂飾工藝配方進行涂飾.

表1 涂飾工藝配方

注：噴3次，烘干，熨平(100 ℃/50 kg)

將涂飾后的革樣按所需測試項目用磨具切取試樣，涂飾革樣的性能測試主要包括以下幾項：

(1)耐水性能:涂飾革樣耐水性能測試方法參見(4)乳膠膜的耐水性.

(2)機械性能:涂飾革樣的機械性能測試方法參見(5)乳膠膜的力學性能.

(3)耐干濕擦性:參考《皮革理化分析》耐干濕擦性方法，涂飾革樣的耐干濕擦性能采用旋轉式摩擦色牢度實驗儀進行測定，方法如下：將6 mm×6 mm的試樣的使用面朝上，用旋轉的毛墊摩擦(毛墊不浸水為干擦；毛墊浸水為濕擦)有色輕革試樣，在恒定壓力下，分別讓旋轉的干和濕的圓形羊毛氈摩擦試樣50/25次后，停止實驗，然后對照灰色標準樣卡GB/T250-2008來評估試樣表面的損壞程度以及其表面顏色的轉移程度，以沾色到摩擦材料上的程度來衡量測定輕革顏色的耐干擦和濕擦的能力.

(4)皮革柔軟度測試:在GT-300皮革柔軟度測試儀上進行涂飾革樣的柔軟度檢測.

1.2.7 懸菌定量殺菌試驗

本實驗選用致病性微生物金黃色葡萄球菌，作為革蘭氏陽性菌的代表，采用菌落定量計數法對陽離子酪素的抗菌性進行了考察.首先，參考《中華人民共和國紡織行業標準》進行配制試驗培養基溶液，配置菌懸液并將其進行稀釋，在250 mL錐形瓶中加入1 g所合成的陽離子酪素乳液作為抗菌材料(對照樣為加無菌水)，然后分別均加入90 mL無菌水及10 mL的菌懸液，固定在水浴振蕩器中(37 ℃，120 r/min)，振蕩1 h后取0.3 mL涂在瓊脂培養基上，并在37 ℃下于恒溫培養箱培養48 h，統計菌落數并計算殺菌率.公式如下：

Y=(Xb-Xc)/Xb×100%

(4)

式(4)中：Y—抑菌率，%；Xb—標準空白試樣菌落數平均值；Xc—樣液處理后的試樣菌落數平均值.

2 結果與討論

2.1 FT-IR分析

為了確證是否成功獲得了陽離子單體與酪素的縮聚產物，對純酪素和改性酪素分別進行了分析.圖1中曲線a是三乙醇胺溶解酪素干燥后的紅外光譜圖，曲線b是陽離子單體(DMAEMA)改性酪素的乳液干燥后的紅外光譜圖.通過對比曲線a和b可知，酪素改性前后的特征吸收峰基本沒有變化.酪素酰胺鍵(-CO-NH)上的羰基振動吸收峰均在1 672 cm-1附近出峰，同時在曲線a和b中，酪素上N-H特征峰的出峰位置分別在3 385 cm-1和3 688 cm-1處.此外，相比于曲線a，曲線b中1 729 cm-1處的峰應該是陽離子單體中的酯基的特征峰，1 139 cm-1處的峰為陽離子單體中的C-N的特征吸收峰，這均是引入陽離子單體甲基丙烯酸-2-二甲氨基乙酯(DMAEMA)時，由于單體DMAEMA上的酯基和叔胺官能團引起的.這說明酪素與甲基丙烯酸-2-二甲氨基乙酯(DMAEMA)成功發生了自由基聚合反應，生成了共聚產物CA/DMAEMA.

圖1 酪素紅外光譜圖

與此同時，對反應機理進行了探討.根據課題組前期[11]在研究核殼型已內酰胺/丙烯酸酯共改性酪素的合成和結構中總結出4種酪素與丙烯酸酯類單體反應的情況，推斷出本實驗中陽離子單體(DMAEMA)與酪素的自由基反應機理，主要是甲基丙烯酸-2-二甲氨基乙酯上(DMAEMA)的雙鍵通過自由基聚合反應接枝到酪素主鏈上的肽鍵α-C原子或N原上，其次甲基丙烯酸-2-二甲氨基乙酯也可以與酪素側鏈N原子和側鏈連羥基C原子進行共聚.圖2和圖3分別為陽離子酪素乳液的合成機理示意圖及反應的化學結構示意圖.

圖2 陽離子酪素乳液的合成機理圖

(a)DMAEMA從酪素肽鍵α-C原子上接枝的自由基反應

(b)DMAEMA從酪素肽鍵N原子上接枝的自由基反應

(c)DMAEMA從酪素側鏈N原子上接枝的自由基反應

(d)DMAEMA從酪素側鏈連羥基C原子上接枝的自由基反應圖3 酪素與DMAEMA反應的化學結構示意圖

2.2 乳液的Zeta電位及粒徑分析

對酪素與陽離子酪素乳液的Zeta電位及穩定性進行分析，結果如表2所示.通過對乳液電位的探討發現，當CA與DMAEMA質量比分別為1∶1、1∶1.5、1∶2、1∶2.5和1∶3時，乳液Zeta電位分別為-7.54 mV、2.36 mV、6.26 mV、-1.89 mV和-2.92 mV.這是因為當CA與DMAEMA質量比為1∶1時，即陽離子單體用量較少，使得陽離子單體在酪素上的接枝量較低，此時乳液仍顯負電荷，當CA與DMAEMA質量比為1∶1.5或1∶2時，乳液的電位為正值，這是由于增加了陽離子單體DMAEMA的用量，提高了陽離子單體在酪素鏈段上的接枝率，此時乳液帶正電荷，而繼續增加DMAEMA的用量時，由于加入的單體DMAEMA的用量過多，使得產生的水性聚電解質PDMAEMA的量較大足以破壞聚合反應的平穩進行，從而使得在聚合過程中，均聚反應和共聚反應形成了競爭關系，更多的PDMAEMA聚電解質破壞了聚合反應的進行，使反應接枝率下降[12]，使其乳液電位值為負值.這說明單體用量須在適宜的范圍.通過粒徑分布圖(如圖4所示)可知，乳膠粒平均粒徑為214.2 nm，所合成的乳液粒徑分布呈正態分布，說明乳液粒徑較均勻、較穩定.

表2 酪素與陽離子單體復合乳液的電位值及穩定性

圖4 陽離子酪素乳液的粒徑分布圖

2.3 乳膠膜性能

乳膠膜的外觀如圖5所示.從圖5可以看出，當加入陽離子單體后對乳膠膜的光澤度和透明度影響較小，卻能使乳膠膜更加柔軟.這是因為在相同的彎曲程度下，純酪素本身成膜硬脆，乳膠膜彎曲后易斷裂，但陽離子酪素由于酪素鏈段上引入了陽離子單體，其乳膠膜柔軟性較好，故不易斷裂.對于聚合物乳液，玻璃化溫度(Tg)和最低成膜溫度(MFT)都是指成膜的溫度，Tg是從力學性質、物態轉變的角度進行分析，而MFT則是從高聚物外觀形貌上分析.一般聚合物乳液Tg越低則MFT越低[13]，從而使得涂膜越軟，故從表3中改性酪素前后MFT值變化也可以解釋改性酪素乳膠膜變柔軟這一現象.

此外，乳膠膜耐水性得到了明顯的提高，這與文獻[14]說法相一致，改性后的酪素成膜抗張強度顯著下降，而斷裂伸長率明顯增強，其最低成膜溫度也略有所下降.

(a)純酪素乳膠膜 (b)陽離子酪素乳膠膜圖5 乳膠膜外觀圖

乳膠膜性能純酪素薄膜陽離子酪素乳液薄膜透明度透明透明光澤度有光澤有光澤柔軟度硬、脆柔軟24h吸水率/%1h后膜溶解完465.44斷裂伸長率/%45.91148.16抗張強度/MPa10.230.78最低成膜溫度/℃26.5023.80

2.4 涂飾應用結果

為了考察陽離子酪素乳液在改性前后涂飾應用性能的變化，將純酪素和在最佳條件下合成的陽離子酪素乳液分別應用于皮革涂飾，并將兩者涂飾革樣的各項性能進行對比，其結果如表4所示.

表4 乳純酪素乳液和陽離子酪素乳液涂飾革樣性能

從表4中看出，經陽離子酪素涂飾后的革樣其耐水性有所提升，斷裂伸長率和抗張強度沒有得到改善，但革樣的耐干濕擦性得到了提高.同時從表4中發現，與純酪素涂飾后的革樣相比，經陽離子酪素涂飾后的革樣柔軟度也得到了提高.

2.5 陽離子酪素乳液的抗菌效果分析

通過懸菌定量殺菌實驗發現，當在酪素體系中引入陽離子單體(DMAEMA)時，所合成的乳液對金黃色葡萄球菌在水浴中振蕩1 h后的抗菌性進行了考察，發現合成的陽離子酪素乳液的抗菌效果較好，其平均抑菌率可以達到80%.根據文獻[15]報道，陽離子季銨鹽類乳液抗菌的機理一般是乳液中的正電荷與細胞表面帶負電荷的微生物進行正負電荷吸附，從而破壞了微生物的細胞膜，進一步導致其細胞膜破裂而死亡，如圖6所示.

(a)純酪素抗菌效果 (b)陽離子酪素抗菌效果圖6 酪素對金黃色葡萄球菌的抗菌效果

3 結論

(1)以天然產物酪素為基材，甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)為陽離子單體成功合成了粒徑分布均一、穩定的陽離子酪素乳液；

(2)所獲得的乳膠膜透明度、光澤度、柔軟度均較好，其耐水性也明顯提高；

(3)經陽離子酪素涂飾后，革樣的耐干濕擦性和柔軟度得到了提高；

(4)當體系中引入陽離子單體(DMAEMA)時，發現陽離子酪素對金黃色葡萄球菌的抗菌效果較好，其抑菌率達到了80%.

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【責任編輯：蔣亞儒】

Study on synthesis and properties of cationic casein emulsion

ZHANG Yuan-xia1, MA Jian-zhong1,2*, XU Qun-na1,2

(1.College of Bioresources Chemical and Materials Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China; 2.Shaanxi Research Institute of Agricultural Products Processing Technology, Xi′an 710021, China)

Using natural product casein as the matrix and methyl acrylic acid dimethyl amino ethyl methacrylate (DMAEMA) as the functional cationic monomer,cationic casein-based emulsion with stable structure and excellent performance was synthesized by free radical polymerization.The structure and performance of emulsion were characterized by infrared spectroscopy (FT-IR) and dynamic light scattering particle size analyzer (DLS) and minimum film forming temperature tester and so on.The antibacterial property of emulsion was also investigated by colony-counting methods.The comprehensive performance of leather coating with cationic casein was also observed.Results showed that the cationic monomer had been successfully grafted onto casein chain.When the mass ratio of casein and cationic monomer was 1∶1.5,latex particles were approximately 214.2 nm in size,ζ-potential was positive,minimum film-forming temperature was 23.8 ℃.The dry and wet rubbing fastness and softness of leather had been significantly improved when adding cationic casein into finishing agent.Moreover,cationic casein emulsion had higher antibiotic resistance against staphylococcus aureus than that of pure casein,of which antibacterial rate was approximately 80%.

casein; cationic monomer; free radical polymerization; antibacterial

2016-12-28

國家自然科學基金項目(21504049)； 陜西省科技廳科研創新團隊計劃項目(2013KCT-08)； 陜西科技大學科研創新團隊計劃項目(TD12-03)

張元霞(1991-)，女，陜西榆林人，在讀碩士研究生，研究方向：功能型酪素基陽離子涂層材料

馬建中(1960-)，男，山西沁水人，教授，博士生導師，研究方向：水性高分子的設計與合成、有機/無機納米復合材料的關鍵技術、輕紡化學產品產業化，majz@sust.edu.cn

2096-398X(2017)03-0042-05

O636.9

A