季銨化魔芋葡甘聚糖的抑菌與去污穩泡特性

摘要：為提高泡沫去污劑中天然高分子穩泡劑的抑菌能力，以天然高分子魔芋膠為原料，通過醚化接枝改性制備季銨化魔芋葡甘聚糖，研究了改性魔芋葡甘聚糖對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑制效果及機制，同時研究了改性魔芋葡甘聚糖對泡沫去污劑的泡沫穩定性和去污特性的影響。結果表明：季銨化魔芋葡甘聚糖對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的最小抑菌濃度為1.25 mg/mL，抑菌機制是通過破壞細胞膜影響細菌生長。季銨化魔芋葡甘聚糖的加入，使泡沫去污劑的泡沫穩定性提高到初始濃度的2.73倍，相比于普通泡沫去污劑，季銨化魔芋葡甘聚糖增穩的泡沫去污劑對瓷磚板、不銹鋼板、玻璃板表面模擬放射性鈾污染物的去污因子是普通泡沫去污劑的3.13，1.86，1.95倍。季銨化魔芋葡甘聚糖具有良好的抑菌、穩泡和去污特性。

關鍵詞：季銨化魔芋葡甘聚糖 抑菌效果 抑菌機制 去污效果 泡沫穩定性 放射性污染

中圖分類號：TQ423.4; X771" 文獻標志碼：A" 文章編號：1671-8755（2024）04-0049-08

Bacteriostasis， Stain Removing and Foam Stabilizing Properties

of the Quaternized Konjac Glucomannan

ZHANG Wenqi ， LIU Datong ， LIN Xiaoyan ， LI Zhanguo3， LIAO Peng4

（1. School of Materials" and Chemistry， Southwest University of Science and Technology，

Mianyang 621010， Sichuan， China;" 2. Engineering Research Center of Biomass Materials，

Ministry of Education，" Mianyang 621010， Sichuan， China; 3. State Key Laboratory of NBC

Protection for Civilian， Beijing 102205， China； 4. Automation Research Institute Co.， Ltd.，

China South Industries Group Corporation， Mianyang 621000， Sichuan，China）

Abstract：" In order to improve the bacterial inhibition ability of natural polymer foam stabilizers in foam detergent，" quaternized konjac glucomannan was prepared by etherification and grafting modification using natural polymer konjac gum as raw material. The inhibitory effect and mechanism of modified konjac glucomannan on Escherichia coli and Staphylococcus aureus， and the effect of modified konjac glucomannan on the foam stability and decontamination characteristics of foam detergent were studied. The results show that the minimum inhibitory concentration" of quaternized konjac glucan against Escherichia coli and Staphylococcus aureus is 1.25 mg/mL， and the inhibitory mechanism is to affect the growth of bacteria by destroying the cell membrane. The addition of quaternized konjac glucan increases the foam stability of the foam decontaminant to 2.73 times the initial concentration， and the decontamination factor of foam detergent stabilized by quaternized konjac glucomannan for simulated radioactive uranium pollutants on the surface of ceramic tile panels， stainless steel panels， and glass panels" are 3.13， 1.86， and 1.95 times higher than" that of the normal foam decontaminant. Quaternized konjac glucan has good antibacterial， foam stabilizing and decontamination properties.

Keywords：" Quaternized konjac glucomannan; Antibacterial effect; Antibacterial mechanism; Decontamination effect; Foam stability; Radioactive contamination

核能開發、應用及核設施退役中，不可避免地會產生表面放射性污染及其去除問題。因此，表面放射性污染去污技術的研究具有重要意義［1］。目前報道的去污技術主要有可剝離膜去污、泡沫去污、凝膠去污、電化學去污、超聲去污、激光去污等［2］。

泡沫去污因具有廢液量少、成本低、易回收和掛壁性強等優勢，在不規則表面、管道內部、大腔體內表面以及垂直壁面的去污中廣泛應用［3］。

穩泡劑是泡沫去污劑中的重要成分。目前報道的主要有極性有機物類、聚合物、納米顆粒等穩泡劑［4］。天然高分子聚合物類穩泡劑以其穩泡性能優良、安全無毒、環境友好、自身富含吸附富集放射性核素的活性官能團等優勢受到廣泛關注［5-6］。但由于其抑菌能力差，易于染菌變質，導致泡沫去污劑防腐性能、儲存穩定性較差。為了解決泡沫去污劑的防腐問題，通常會加入抑菌劑，但化學抑菌劑會對環境產生二次污染。因此，以天然高分子為原料，通過改性合成一種兼具抑菌和穩泡雙功能的改性天然高分子聚合物穩泡劑具有重要意義。

魔芋葡甘聚糖（Konjac glucomannan， KGM）是一種具有良好的保水性、增稠性、生物可降解性、安全無毒、環境友好的天然高分子聚合物，被廣泛應用于食品工業、藥品加工、化妝品等領域［7-9］，但由于KGM抗菌能力弱，限制了其應用。本文以天然高分子聚合物KGM為原料，通過醚化接枝季銨鹽，制備季銨化魔芋葡甘聚糖（N-KGM），研究了其對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌活性及抑菌機制，同時研究了其對烷基糖苷（APG）泡沫去污劑的泡沫穩定性和對不同板材表面模擬放射性鈾污染的去污特性的影響。

1 實驗

1.1 實驗材料

魔芋膠，麥克林化學試劑有限公司；鹽酸，成都科龍化學試劑有限公司；LB培養基，北京奧博星生物科技有限公司；3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨（CHPTAC）、月桂基葡糖苷（APG），上海阿拉丁生化科技股份有限公司；去離子水，實驗室自制。

1.2 N-KGM的制備

季銨化魔芋葡甘聚糖（N-KGM）的制備參考文獻［10］ ，其合成反應如圖1所示。采用Nicolet-6700紅外光譜儀分析了KGM和N-KGM的結構。

1.3 N-KGM的抗菌活性測試

1.3.1 菌株活化及制備

將大腸桿菌ATCC 25922和金黃色葡萄球菌接種在LB培養基中，并在37 ℃下培養24 h，重復3～4次傳代。將接種傳代后的菌種轉移至100 mL的LB液體培養基中，37 ℃ 培養至對數期備用。

1.3.2 最小抑菌濃度測試

參考張赟彬的雙倍稀釋法［11］確定最小抑菌濃度（MIC）。

1.3.3 生長曲線

調整LB液體培養基中樣品質量濃度為MIC，2MIC，4MIC，然后分別接入含有106～107 CFU/mL菌懸液，于 37 ℃，120 r/min條件下振蕩培養，于不同時間（0，2，4，6，8，10，12，24 h）取樣，測定 600 nm波長下的吸光度值，不含樣品的空白培養基為對照組，繪制生長曲線，重復3次。

1.3.4 紙片擴散實驗

參考文獻［12］的紙片擴散法，樣品置于37 ℃ 恒溫箱，培養16～18 h后觀察結果。

1.3.5 樣品形貌觀察

采用文獻［13］ 的方法制備掃描電鏡樣品，在TM-3000（日本日立）臺式掃描電子顯微鏡下觀察細胞形態。

1.3.6 電導率測試

根據實驗確定的最小抑菌濃度1.25 mg/mL，菌液培養后稀釋至106～107 CFU/mL，加入N-KGM， 達到1.25 mg/mL，以加入1 mL無菌水為空白對照。置于35 ℃，120" r/min條件下振蕩培養，將菌體在8 000 r/min離心5 min后除去，電導率儀測定其電導率［14］，重復3次。

1.3.7 Zeta電位測試

采用Malvern Zetasizer Nano ZS90型電位分析儀檢測KGM和N-KGM的Zeta電位。

1.3.8 可溶性蛋白測試

可溶性蛋白的測定參考考馬斯亮藍法，菌液培養后稀釋至106～107 CFU/mL，每隔2 h取樣，以標準蛋白質溶液做標準曲線，重復3次。

1.4 泡沫去污劑性能表征

1.4.1 泡沫去污劑發泡性和穩定性測試

泡沫去污劑的制備：取一定量APG溶解在50 mL去離子水中，加入不同量N-KGM（質量分數0%，0.01%，0.03%，0.05%0.10%， 0.30%，0.50%），持續攪拌12 h，配置成不同濃度的泡沫去污劑。

采用Waring Blender 法［15］測試泡沫去污劑的泡沫體積。取10 mL泡沫去污劑在3 000 rad/min發泡2 min，將泡沫置于刻度量筒中，讀取體積以評估發泡能力，刻度量筒中泡沫排水體積達到5 mL的時間為泡沫半衰期。

1.4.2 黏度和表面張力測試

采用表面張力儀（SiGMA700），通過數顯吊環法測定泡沫去污劑的表面張力。使用旋轉黏度計（NDJ-5S）測試泡沫去污劑在添加不同濃度N-KGM下的黏度變化。

1.4.3 去污試驗

參考文獻［3］ 進行污染模擬、去污及放射性污染測試。按照式（1）計算去污因子DE。

DE=A1-A0A2-A0（1）

式中：污染前的放射性計數率記為A0；污染后的放射性計數率記為A1；泡沫去污劑清洗后放射性計數率為A2。

2 結果與討論

2.1 FT-IR光譜測試

圖2是KGM與N-KGM的紅外譜圖。從KGM紅外譜圖可以看出3 410，2 936，1 643 cm-1" 處的振動峰分別是KGM的 OH伸縮振動峰、 CH2 的伸縮振動峰以及羥基的彎曲振動吸收峰。對比 N-KGM 的紅外圖譜可以看到，1 479 cm-1" 處出現了一個新的吸收峰，這是季銨鹽上的CN吸收峰，說明改性魔芋葡甘聚糖分子鏈上有季銨鹽基團。

2.2 N-KGM對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌效果

N-KGM對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的紙片抑菌實驗結果如圖3所示。從圖3可以看出，在大腸桿菌和金黃色葡萄球菌平板上滴加了N-KGM的濾紙片周圍出現了抑菌圈（圖3（a）、圖3 （b）），說明N-KGM對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均有抑菌活性。

將N-KGM溶液稀釋至10， 5， 2.5， 1.25， 0.625， 0.312 5 mg/mL不同濃度梯度，測試其對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的最小抑菌濃度，結果見表1。從表1可看出，N-KGM對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的最小抑菌濃度均為1.25 mg/mL。

2.3 N-KGM對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌生長曲線的影響

圖4為大腸桿菌、金黃色葡萄球菌的菌懸液濃度（OD600）隨著培養時間的變化（生長曲線）。 可以看出，培養24 h后，N-KGM處理組MIC，2MIC，4MIC，大腸桿菌的菌懸液濃度（OD600）分別為0.774，0.366，0.107，為對照組（未加N-KGM）的73.02%，34.53%，10.09%；而金黃色葡萄球菌的菌懸液濃度（OD600）分別為0.607，0.433，0.078，為對照組的64.44%，45.92%，8.27%。由此可見，當培養基中加入了N-KGM后，處理組菌懸液濃度遠低于對照組，這表明N-KGM有較強的抗菌活性，抑制了大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的生長。

2.4 N-KGM處理后大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的微觀形貌變化

使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察最小抑菌濃度N-KGM處理后大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的細胞完整性和形態變化，如圖5所示。可以發現未處理的細菌細胞表面光滑完整，沒有明顯的劃痕和裂紋。相反，用最小抑菌濃度N-KGM處理10 h的細菌細胞的形態受到嚴重損傷，發生了顯著變形。在細菌細胞表面觀察到明顯的褶皺和凹陷，甚至死亡裂解，導致了胞液泄漏，表明大腸桿菌和金黃色葡萄球菌在受到最小抑菌濃度水平N-KGM溶液處理后產生了形態學變化。

測試了KGM和N-KGM水溶液的Zeta電位，結果如圖6所示。KGM與N-KGM在水溶液中Zeta電位值分別為-20.8，21.1 mV，這是因為N-KGM接枝了帶正電荷的季銨鹽基團。N-KGM的加入，帶正電的季銨鹽中和了細胞膜上的負電荷，導致了這兩種細菌細胞的細胞膜被破壞，最終導致大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的死亡和解體，其可能的作用機制如圖7所示。

2.5 不同濃度的N-KGM對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌溶液電導率的影響

當細菌的細胞膜受損后電解質可能漏出，從而影響細菌培養液的電導率，因此監測細菌培養液的電導率可以表征細胞受損程度。從圖8可以看出，對照組、MIC及2MIC處理組大腸桿菌和金黃色葡萄球菌培養液的電導率值隨著時間的增加而升高且差異顯著，且在0，5，10 h時始終保持 2MIC組＞MIC組＞對照組。表明在經過季銨化魔芋葡甘聚糖處理后，大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的細胞膜遭到不同程度的損害，胞內電解質滲透到培養液中，使處理組的培養液的電導率上升，且隨著處理劑量及時間增加，培養液的電導率增加。

2.6 不同濃度N-KGM對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌可溶性蛋白的影響

加入MIC/2MIC的N-KGM的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的處理組和未加N-KGM的對照組的可溶性蛋白含量隨著時間的變化如圖9所示。對照組的蛋白含量大于處理組，且對照組在10 h時可溶性蛋白含量達到最大，隨后減小。MIC，2MIC處理組的蛋白含量分別在12，10 h時達到最大。這可能是因為N-KGM的加入抑制了大腸桿菌和金黃色葡萄球菌蛋白的合成或者導致蛋白的變性，使可溶性蛋白含量減少。

2.7 不同濃度N-KGM對泡沫去污劑發泡性和穩泡性的影響

溶液的表面張力決定了泡沫去污劑的發泡性能，黏度則與穩泡性能成正相關。不同濃度N-KGM對泡沫去污劑的表面張力和黏度的影響如圖10所示。從圖10（a）可以看出，隨著N-KGM濃度的增大，去污劑的表面張力沒有明顯變化。從圖10（b）可見，隨著N-KGM濃度的增大，泡沫去污劑黏度呈增大趨勢。這是因為魔芋葡甘聚糖本身是天然高分子類材料，具有較大的分子量和較長分子鏈，加入去污劑溶液后，長鏈分子相互交織糾纏，形成一種網狀結構，從而提高去污劑溶液的黏度［16-17］。

不同濃度N-KGM對泡沫去污劑的發泡性和泡沫穩定性的影響結果如圖11所示。隨著N-KGM濃度增大，泡沫體積有所減小，但總體變化較小，說明N-KGM的加入對泡沫去污劑的發泡性能影響較小。然而，泡沫的排液半衰期隨著加入N-KGM濃度的增加，總體呈現上升，在N-KGM添加質量分數為0.5% 時達到最大值19.25 min，相較初始濃度0%增加了12.22 min，泡沫穩定性提高了2.73倍，說明N-KGM的加入增加了泡沫的穩定性。泡沫穩定性提高的可能原因是N-KGM 的加入增加了泡沫去污劑溶液的黏度，降低泡沫液膜的排液速度，使得液體從液膜上排除的速率減慢，從而增加泡沫的排液半衰期，泡沫的穩定性增加［18］。

2.8 N-KGM去污劑的表面去污性能

圖12是未添加N-KGM的質量分數1% APG泡沫去污劑（ APG）和添加了質量分數0.5% N-KGM的泡沫去污劑 （ APG+N-KGM） 用于瓷磚、 不銹鋼、玻璃表面模擬放射性核素鈾去污的結果。未加N-KGM 的普通泡沫去污劑對瓷磚板、不銹鋼板、玻璃板的表面模擬放射性鈾污染物的去污因子分別為4.59，10.32，6.85，而N-KGM增穩的泡沫去污劑的去污因子分別為14.38，19.19，13.36，泡沫去污劑APG+N-KGM的去污因子相比APG，去污因子明顯提高，前者分別是后者的3.13，1.86，1.95倍。這一方面是因為N-KGM 增加了泡沫的穩定性，增加了去污劑與污染物作用時間［19］，使得泡沫去污劑能夠更好潤濕、溶解固體表面的污染物，并通過泡沫承載污染物，從材料表面去除；另一方面，N-KGM 具有較多的活性官能團——羥基，增加了其對污染物鈾酰離子的吸附特性，將溶解在泡沫中的污染物鈾酰離子通過吸附作用除去。

3 結論

通過醚化反應對魔芋葡甘聚糖（KGM）進行季銨化接枝改性，成功制備了季胺化魔芋葡甘聚糖（N-KGM）。

（1）N-KGM對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的生長均有抑制作用，且兩種細菌的最小抑菌濃度為1.25 mg/mL。（2）N-KGM的加入，對泡沫去污劑的表面張力、發泡性影響不顯著，但會使其溶液黏度增加，使烷基糖苷泡沫去污劑的排液半衰期增長，泡沫穩定性提高。（3）加入N-KGM的泡沫去污劑對瓷磚板、不銹鋼板、玻璃板表面模擬放射性鈾污染物的去污因子是普通泡沫去污劑3.13，1.86，1.95倍。（4）N-KGM不僅對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有抑菌效果，同時具有增加泡沫去污劑泡沫穩定性和去污效率的功能。雙功能N-KGM的開發和應用，對增加生物質基泡沫去污劑的抗菌性、存儲穩定性、提高泡沫去污劑的穩泡性及去污效率等具有重要意義，在放射性污染去污領域具有廣闊的應用前景。

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