抗菌型淀粉接枝苯丙乳液的合成與性能

王麗潔，曲文娟，劉嘉鑫，李少香，李厚為

(青島科技大學環境與安全工程學院，山東 青島 266000)

近年來，隨著霧霾污染天氣增加，空氣中細菌等微生物也不斷增加，嚴重影響人們的生活和工作。隨著社會發展和環保要求的提高，尤其是新冠肺炎疫情的大流行，新型抗菌涂料開始走進我們的生活，不僅要求抗菌涂料抗菌性能強，而且健康安全、效果持久[1]。淀粉是一種綠色環保、價格低廉的天然生物大分子，既能生物降解又可再生，這些優點遠超合成高分子，使其成為一種重要的原料。天然抗菌劑是從植物動物中提取而成的抗菌劑，也是人們使用歷史最長的抗菌劑，來源廣泛且易獲得，具有毒副作用小，安全無污染，生物相容性好等優點。所以本文基于淀粉接枝苯丙乳液，選取植物源天然抗菌劑制備綜合性能優異、安全持久的抗菌型生物基乳液，實現乳液綠色合成和無皂化的同時進一步提高乳液的綜合性能[2]。為其在水性抗菌涂料中的應用推廣提供重要的理論依據，對生物基乳液的理論發展也有重要意義[3-4]。

本文從綠色環保角度出發，以淀粉、苯乙烯、丙烯酸丁酯為主要原料，基于無皂乳液聚合方法[5]，通過化學方法添加植物源天然抗菌劑甘草[6]、茶多酚[7]、肉豆蔻[8]、肉桂油[9]等制備抗菌型淀粉接枝苯丙乳液，考察天然抗菌劑的種類及用量對乳液性能的影響，并對制備的乳液進行紅外光譜、熱重、抗菌性能測試，確定最佳的天然抗菌劑種類及用量。

1 實驗部分

1.1 原料

玉米淀粉(菱花集團有限公司)；去離子水，自制；七水合硫酸亞鐵、丙烯酸丁酯、苯乙烯，國藥集團化學試劑有限公司；30%過氧化氫溶液，煙臺遠東精細化工有限公司；甘草提取物，中科達生物科技有限公司；茶多酚，鴻易食品添加劑有限公司；肉豆蔻，興華綠帥食品有限公司；肉桂油，山西吉水縣威海藥用油廠；即用型營養瓊脂培養基，江門市凱林貿易有限公司。

1.2 抗菌型淀粉接枝苯丙乳液的制備

取適量玉米淀粉置于一定溫度的烘箱中烘干水分，設定淀粉與水質量比為1∶5，丙烯酸丁酯與苯乙烯質量比為1∶1，將淀粉與去離子水混合后加入到三口燒瓶中，于45 ℃水浴預混10 min，然后加入催化劑硫酸亞鐵，以一定的速率滴加H2O2，滴加完畢后，升高溫度至90 ℃，保溫30 min，加入選取的天然抗菌劑，降溫至80 ℃，滴加核單體丙烯酸丁酯以及部分引發劑，保溫0.5 h，繼續滴加殼單體苯乙烯和剩余引發劑，繼續保溫1.5 h，冷卻過濾得到抗菌型淀粉接枝苯丙乳液。添加不同種類天然抗菌劑(甘草、茶多酚、肉豆蔻、肉桂油)的乳液按順序依次命名為A-1、A-2、A-3、A-4，純乳液為未添加天然抗菌劑的氧化淀粉接枝苯丙乳液。

1.3 表征與性能測試

1.3.1 固含量

固含量的測試方法是稱取表面皿質量為m0，在表面皿上滴加約0.5 g被測乳液，乳液與表面皿的總質量記作m1。將表面皿在120 ℃烘箱中烘2 h，待乳液干燥質量不再變化后，拿出稱重，質量記為m2。

1.3.2 單體轉化率

單體轉化率是接枝共聚反應中參加反應的單體量占單體總量的百分率。測試方法是稱量表面皿質量為M0，滴加乳液質量為M1，滴入3滴質量濃度為2%的對苯二酚水溶液，放入120 ℃烘箱烘干，直至質量基本不變，取出稱重記為M2。

式中，Mt為投放物料總質量，g；Md為投料中的不揮發物質質量，g；Ma為投料單體總質量，g。

1.3.3 凝膠率

在乳液的工業生產中，一般將凝膠率嚴格控制在較低水平，整個乳液體系較為穩定。測試步驟是反應完成后，將燒瓶從水浴鍋中取出，稱量整體質量記為m1，稱紗布質量記為m2，將乳液通過紗布過濾后，稱空燒瓶質量記為m3，表面皿質量記為m0，將過濾后的紗布置于表面皿上，并在120 ℃烘箱中干燥2 h后取出，稱紗布與表面皿總質量m4。

1.3.4 抑菌圈測試

采用瓊脂盤擴散試驗測定樣品對大腸桿菌(ATCC25922)和金黃色葡萄球菌(ATCC6538)的抗菌活性。基本測試步驟：將乳液倒入模具中烘干，得到干燥的樣品片，從樣品片中取出形狀為標準圓形、大小基本一致的圓形樣品片，將菌液均勻涂抹于瓊脂培養基上，并接種樣品，放于恒溫培養箱中，在37 ℃培養24 h后取出，測量透明抑菌圈大小，通過比較抑菌圈直徑判定樣品的抗菌性能。

1.3.5 紅外光譜分析(FT-IR)

通過中遠紅外光譜儀(Froontier，美國珀金埃爾默)對試樣進行測試，掃描范圍(4 000～500) cm-1，分辨率4 cm-1，掃描次數為32 次,對其分子結構與反應原理進行表征。

1.3.6 粒徑測定

使用激光粒度分析儀(HL2020-B)分析乳液的液滴尺寸分布，在儀器中加入1 mL乳液，并用適當體積的去離子水自動稀釋。重復3次測量，獲得平均粒徑。

1.3.7 熱重分析

熱重分析(TGA)在Mettler Toledo,Inc.(Schwerzenbach，Switzerland)的TGA/SDTA 851熱天平中進行,加熱程序設定為(30～700) ℃，加熱速率20 ℃·min-1。

2 結果與討論

2.1 固含量、凝膠率、單體轉化率結果分析

表1為乳液固含量、凝膠率和單體轉化率結果。

表1 乳液固含量、凝膠率、單體轉化率結果

續表

由表1可知，乳液固含量最低為25.2%，最高為27.3%，各組乳液的固含量未出現明顯波動，說明乳液所含天然抗菌劑的濃度對固含量影響較小。同時，改變抗菌劑添加量，制得的乳液的凝膠率均低于2%，乳液單體轉化率超過90%，說明乳液凝膠率低，反應體系中大部分聚合單體參與了聚合反應，乳液穩定性好。由此可見，天然抗菌劑的用量對乳液的穩定性和單體轉化率影響較小。

2.2 抑菌圈測試結果分析

抑菌圈測試是利用待測乳液在瓊脂平板中擴散使其周圍的細菌生長受到抑制而形成透明圈，即抑菌圈，根據抑菌圈大小判定待測乳液抑菌效價的一種方法。對制備的乳液進行抑菌性能測試，首先選取每組添加的抗菌劑濃度為2%、5%、10%的乳液進行大區間測試。

圖1為添加天然抗菌劑甘草制備的乳液樣品在大腸桿菌和金黃色葡萄球菌菌落上產生的抑菌圈照片。由圖1可知，加入天然抗菌劑甘草后，與純乳液相比，抗菌性淀粉接枝苯丙乳液對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的殺菌抑菌性能均得到提高。在大腸桿菌抑菌圈測試中，當添加天然抗菌劑甘草濃度為2%時，抑菌圈尺寸與純乳液相比沒有明顯變化，乳液抗菌性能沒有明顯提升；隨著抗菌劑用量增大，抑菌圈尺寸呈現先增后減的趨勢，且在抗菌劑濃度提升到5%時，抑菌圈尺寸達到最大，說明天然抗菌劑甘草在乳液中濃度為5%時對于大腸桿菌的抗菌性能較好。在金黃色葡萄球菌抑菌圈測試中，在乳液中濃度為5%和10%時對金球菌的抑菌圈尺寸大小相等，均達到最大，這是因為甘草中含有黃酮類、甘草次酸、油酸、去氫粗毛甘草素等物質[6]，大量的研究表明，甘草甜素和黃酮類物質是甘草中最重要的生理活性物質，對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌具有良好的抑制作用和抗菌活性。

圖1 甘草乳液樣品在大腸桿菌和金黃色葡萄球菌菌落上產生的抑菌圈照片Figure 1 Bacteriostatic rings of Glycyrrhiza emulsion sample on Escherichia coli and Staphylococcus aureus colony

圖2為添加天然抗菌劑茶多酚制備的乳液樣品在大腸桿菌和金黃色葡萄球菌菌落上產生的抑菌圈照片。

圖2 茶多酚乳液樣品在大腸桿菌和金黃色葡萄球菌菌落上產生的抑菌圈照片Figure 2 Bacteriostatic rings of tea polyphenols emulsion sample on Escherichia coliand Staphylococcus aureus colony

由圖2可以看出，在金黃色葡萄球菌抑菌圈測試中，當添加不同濃度的天然抗菌劑茶多酚時，抑菌圈尺寸變化不大，乳液抗菌性能沒有明顯提升。在大腸桿菌抑菌圈測試中，抑菌圈尺寸明顯變大，在乳液中濃度為5%和10%時對大腸桿菌的抑菌圈尺寸均達到最大。是因為茶多酚對大腸桿菌的抑菌作用效果最為明顯，而對于金黃色葡萄球菌抑菌作用較弱，主要是由于茶多酚對病菌具有不同程度的抑制和殺傷作用。同時它還能有效地防止耐抗生素的大腸桿菌感染，因此天然抗菌劑茶多酚的添加有效提高了乳液抑制大腸桿菌的性能。

圖3為添加天然抗菌劑肉豆蔻制備的乳液樣品在大腸桿菌和金黃色葡萄球菌菌落上產生的抑菌圈照片。

圖3 肉豆蔻乳液樣品在大腸桿菌和金黃色葡萄球菌菌落上產生的抑菌圈照片Figure 3 Bacteriostatic rings of nutmeg emulsion sample on Escherichia coli and Staphylococcus aureus colony

由圖3可以看出，肉豆蔻乳液樣品在大腸桿菌抑菌圈測試中，其乳液對大腸桿菌抑制作用的變化與添加甘草的抗菌型乳液相似，在乳液中濃度為5%時對于大腸桿菌的抗菌性能較好。在金黃色葡萄球菌抑菌圈測試中，抑菌圈尺寸明顯變大，在乳液中濃度超過5%時對金黃色葡萄球菌的抑菌圈尺寸達到最大。主要由于肉豆蔻中的丙酮類提取物有最高的抗氧化和抗菌特性，α-蒎烯、β-蒎烯、月桂烯、1,8-桉樹腦、香芹酚、萜品烯-4-醇、丁香酚和異丁香酚等也具有較高的抗氧化和抗菌活性[10]。

圖4為添加天然抗菌劑肉桂油制備的乳液樣品在大腸桿菌和金黃色葡萄球菌菌落上產生的抑菌圈照片。由圖4可以看出，肉桂油乳液樣品在大腸桿菌抑菌圈測試和金黃色葡萄球菌抑菌圈測試中，抑菌圈尺寸明顯變大，在乳液中濃度超過5%時抑菌圈尺寸達到最大。其機制與抑制細胞增殖，誘發病毒凋亡有關[11]，且肉桂油即使不直接加入到培養基中，其揮發成分在菌體表面對細菌、真菌和空氣中常見菌體也均有較強的抑菌活性。當引入乳液里面，說明天然抗菌劑肉桂油的加入有效提高了乳液抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的性能。

圖4 肉桂油乳液樣品在大腸桿菌和金黃色葡萄球菌菌落上產生的抑菌圈照片Figure 4 Bacteriostatic rings of Cinnamon oil emulsion sample on Escherichia coli and Staphylococcus aureus colony

為進一步補充實驗，選取各組添加濃度為3.5%和7.5%的乳液再次進行抑菌性能測試，測試結果如圖5所示。

圖5 3.5%與7.5%濃度的不同乳液樣品在大腸桿菌和金黃色葡萄球菌菌落上產生的抑菌圈照片Figure 5 Images of inhibition zones produced by different 3.5% and 7.5% emulsion samples on colonies of Escherichia coli and Staphylococcus aureus

通過測量各組照片的數據并匯總，得到表2。分析圖5和表2可知，添加不同種類抗菌劑的乳液樣品在不同細菌種類的培養基上，出現了不同的抑菌圈效果，但基本都在濃度為5%時顯現出最強的抗菌性能，再增大濃度，抑菌圈尺寸變化不明顯，出于降低成本、節約原材料的目的，天然抗菌劑在乳液中濃度為5%時既可以得到較高抗菌性，又最大程度的節約了成本。對不同種類抗菌劑的乳液進行橫向比較，天然抗菌劑茶多酚制備的乳液對大腸桿菌的抑菌作用最強，天然抗菌劑肉桂油制備的乳液對金黃色葡萄球菌的抑菌作用最強。

表2 抗菌乳液樣品在金球菌菌落上的抑菌圈尺寸

2.3 紅外光譜分析

不同種乳液的紅外譜圖如圖6所示。

圖6 不同種乳液的紅外光譜圖Figure 6 FT-IR spectra of different kinds of emulsion

由圖6中純乳液譜圖可以看出，(3 326～3 648) cm-1處的寬峰對應于-OH的伸縮振動，在(700～1 100) cm-1處為多糖的典型特征峰，這是淀粉的基本結構成分；在約1 602 cm-1和1 025 cm-1處的強峰分別為芳香族C-C骨架環和苯族C-H環的平面內彎曲振動；1 720 cm-1處出現的峰為丙烯酸酯中羰基的拉伸振動；在1 601 cm-1和1 250 cm-1附近檢測到的峰是由于C-C的拉伸振動；這些表明丙烯酸丁酯和苯乙烯參與了淀粉接枝共聚反應。

A-2譜圖中(3 000～3 500) cm-1處較寬的吸收峰歸屬于-OH基團的伸縮振動。2 960 cm-1和2 832 cm-1處的吸收峰分別歸屬于對稱和不對稱的-CH2，(1 514～1 447) cm-1出現苯環上的骨架(C-C)振動吸收峰，此外，在紅外光譜圖中的824 cm-1處出現苯環上C-H彎曲振動吸收峰，說明茶多酚參與了乳液聚合反應。

2.4 粒徑分析

不同種乳液的粒徑分析見表3，粒徑分布如圖7～10所示。

表3 粒徑分析

圖7 5%甘草乳液粒徑分布Figure 7 Particle size distribution of 5% licorice emulsion

圖8 5%茶多酚乳液粒徑分布Figure 8 Particle size distribution of 5% tea polyphenol emulsion

圖9 5%肉豆蔻乳液粒徑分布Figure 9 Particle size distribution of 5% nutmeg emulsion

圖10 5%肉桂油乳液粒徑分布Figure 10 Particle size distribution of 5% cinnamon oil emulsion

由表3和圖7～10可看出，所測樣品的粒徑為(70～95) nm，且曲線呈正態分布狀態，抗菌劑添加種類及各物質最佳用量對粒徑大小并無太大影響。制得的抗菌乳液粒徑分散系數PDI值普遍較小，PDI值代表粒徑正態分布寬度，PDI值越小，說明樣品粒子尺寸分布越小，乳液性能越優良。

2.5 熱重分析

熱重分析可以顯示聚合物在不同溫度下的分解情況，用于判斷材料的熱穩定性。不同種乳液的熱重分析結果如圖11和表4所示。

圖11 不同種乳液的TGA與TG曲線Figure 11 TGA and TG profiles of different kinds of emulsion

表4 熱重分析對比

如圖11和表4所示，從室溫到180 ℃的輕微質量損失與聚合物鏈中的吸附水有關。對于未加天然抗菌劑的純乳液，在184 ℃時開始分解，并在490 ℃時失去81.98%的質量。相對于純乳液，對比A-1、A-2 、A-3和A-4曲線可知，加入天然抗菌劑的乳液失重量低于純乳液，乳液的碳余量相應增加，熱穩定性增強。在440 ℃之前，A-4的分解速率最大，是因為具有苯環外共軛雙鍵及羰基，化學性質非?；钴S，雖屬于高沸點物質，但其在高溫條件下又非常不穩定。其次，A-2和A-4的單體轉化率相對較高，達到96%以上，A-1與A-3略低，約95%，對應的失重損失率也呈現遞減趨勢。但總失重為A-3最低，主要是因為肉豆蔻成分中，大多數物質為油狀混合物，分子量大且分解溫度高。

3 結 論

(1)通過選取不同種類的天然抗菌劑制備了一系列抗菌型淀粉接枝苯丙乳液，考察天然抗菌劑種類及用量對乳液性能的影響。乳液性能測試結果表明，天然抗菌劑的用量對乳液的穩定性和單體轉化率影響較小。

(2)通過傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)對抗菌型淀粉接枝苯丙乳液的結構進行表征，通過激光粒度分析儀對乳液的粒徑分布進行分析，結果表明，乳液粒徑為(70～95) nm，乳液粒徑為納米尺寸且粒度分布較窄，粒徑分散系數PDI值較小，乳液性能優良。對乳液熱重分析(TGA和DTG)結果表明，制備的乳液熱穩定性較好，添加天然抗菌劑肉桂油制備的乳液熱穩定性最好。

(3)選取大腸桿菌、金黃色葡萄球菌對制備的抗菌型淀粉接枝苯丙乳液進行抑菌圈測試，結果表明，天然抗菌劑在乳液中濃度為5%時乳液抗菌性能較好，節約成本。

(4)對不同種類抗菌劑的乳液進行橫向比較，天然抗菌劑茶多酚制備的乳液對大腸桿菌的抑菌作用最強，天然抗菌劑肉桂油制備的乳液對金球菌的抑菌作用最強。