硫酮衍生物LS對天然膠乳保存效果的研究

趙立廣 丁麗 趙立陽 宋亞忠 李建偉 王岳坤 吳凡 鄧大雨 李云 桂紅星

關鍵詞：硫酮衍生物LS；天然膠乳；保存劑；理化性能；安全性

天然膠乳通常指巴西三葉橡膠樹生物合成的乳液，除橡膠烴外，還含有蛋白質、類脂物、丙酮溶物等非膠組分，通過離心濃縮純化生產濃縮天然膠乳。濃縮天然膠乳具有優異的綜合性能，應用范圍極廣[1]。天然膠乳在儲存過程中很容易腐敗變質，主要是細菌和酶的分解作用破壞橡膠粒子的保護層，同時生成脂肪酸，降低pH和粒子間斥力，使膠乳迅速凝固，腐敗變質[2]。天然膠乳的腐敗會嚴重影響產品品質和生產效益，需要添加保存劑來保持膠乳的流動性，同時不影響加工性能和制品品質[3]。當前，人們普遍采用氨來保存膠乳，但氨具有很強的揮發性，并且用量較高，刺激呼吸道，危害工人健康，存在嚴重的污染問題[4]。隨著環保觀念深入人心，天然膠乳的低氨、無氨化生產是未來的必然趨勢。

長期以來，科研人員對天然膠乳的保存進行了大量的研究工作，嘗試了甲胺、羥胺、甲醛、尿素、五氯酚鈉、硼酸、硫酸鏈霉素等物質保存膠乳[5]。近年來，劉紅梅[6]采用抗菌肽和紫蘇葉浸提物保存天然膠乳制備乳膠寢具制品；李蘭桂等[7]采用殼聚糖接枝琥珀酸酐保存制備無氨濃縮膠乳；丁小芳等[8]、蔡篤坤等[9]采用檸檬酸、苯甲酸鈉、硫酸鉀等防腐劑保存制備無氨濃縮膠乳；黃茂芳[10]采用蘆薈汁液和硫醇基苯并噻唑鈉并用保存制備低氨濃縮膠乳；吳若娜[11]采用二硫化四甲基秋蘭姆結合碳酸鉀等穩定劑制備無氨濃縮膠乳；郭雄等[12]采用果聚糖衍生物、2-巰基苯并噻唑等防腐劑結合輻射滅菌制備無氨濃縮膠乳；國外研究人員嘗試采用改性殼聚糖[13]、植物單寧[14]、2-[（羥甲基）氨基]乙醇[15]、乙醇胺[16]等作為天然膠乳保存劑；還有研究人員嘗試尋找能合成表面活性劑的微生物來保存膠乳[17]。其中，有部分成果投入小范圍生產應用，如馬來西亞采用2-[（羥甲基）氨基]乙醇保存制備低氨、無氨濃縮膠乳；國內則有廠家采用苯甲酸鈉、檸檬酸鈉、三聚磷酸鈉等食品防腐劑復合保存生產無氨濃縮膠乳。但由于保存效果、保存劑毒性、成本等原因，以上研究成果均未能實現大范圍推廣應用。

本研究團隊長期從事于天然膠乳保存技術的研究工作，并先后研發出均三嗪衍生物[18]、異噻唑啉酮衍生物[19]和嗎啉衍生物[20-21]共3種保存體系，對鮮膠乳和濃縮膠乳均有良好的保存效果，并在生產中獲得了一定的應用，但由于使用成本較高，限制了后續的推廣。硫酮衍生物LS是一種水溶性工業防霉防腐劑，具有廣譜、高效、低毒、穩定的特點，廣泛地應用于醫藥、日化、防腐涂料、皮革制品、紡織等制品中。本研究采用LS-氨復合保存制備低氨濃縮膠乳，并對氨含量和穩定劑月桂酸皂的用量進行調控，優化保存體系，研究LS保存體系對低氨濃縮膠乳的保存效果及其加工應用性能的影響。

1材料與方法

1.1材料

天然膠乳，采自中國熱帶農業科學院試驗場；LS，工業級，購自山東優索化工科技有限公司；碳酸鈉、氨水（濃度為25%）、冰醋酸、硫酸銨，分析純，購自廣東西隴化工股份有限公司；濃硫酸、氫氧化鋇，分析純，購自廣東光華科技股份有限公司；KOH、平平加“O”、ZnO、硫磺、促進劑ZDC均為市售橡膠工業配合劑。

1.2方法

1.2.1鮮膠乳樣品的制備取一定量的鮮膠乳分成5份，依照表1配方分別加入相應的保存劑[其中氨、LS、Na2CO3均為10%的溶液，二硫化四甲基秋蘭姆-氧化鋅（TT-ZnO）為25%的分散體]，其加入量均按膠乳濕重計。搖勻后靜置，編號分別為A1～A5，室溫條件下儲存備用。

1.2.2濃縮膠乳樣品的制備取一定量的鮮膠乳采用A1配方保存，并采用連續離心機離心制備濃縮膠乳樣品，取一定量離心濃縮膠乳測定氨含量，依照表2和表3配方分別加入相應的保存劑（其中氨、LS、月桂酸皂均為10%的溶液，表中氨含量為補加氨水后的氨含值），保存劑的加入量均按膠乳濕重計，搖勻后靜置。樣品分2批次制作完成，并分別編號為B1～B6和C1～C9，室溫條件下儲存備用。

1.2.3濃縮膠乳干膠膜的制備制備方法參照GB/T18011—2008。

1.2.4預硫化膠乳及硫化膠膜的制備取適量濃縮膠乳于干凈的燒杯中，將膠乳濃度稀釋到50%，在40℃水浴條件下，邊攪拌邊加入硫化配合劑分散體，然后在60℃恒溫條件下反應一段時間，用氯仿值法檢測硫化程度，當硫化程度達到二末三初時停止，冷卻、過濾，制備預硫化膠乳。取適量預硫化膠乳傾倒于潔凈的玻璃皿中流平，在室溫下干燥至透明，取下膠膜于去離子水中浸泡24h，取出后于烘箱中采用80℃加熱6h至半透明，取下膠膜后密封標號備用。硫化配合劑的配方（干基，質量份）為：濃縮膠乳100，硫磺1，KOH0.1，平平加“O”0.1，ZDC0.5，ZnO0.4。

1.2.5濃縮膠乳的測試濃縮膠乳揮發脂肪酸值的測試參照GB/T8292—2008，濃縮天然膠乳和預硫化膠乳黏度值的測試參照GB/T14797.2—2008，濃縮膠乳機械穩定度的測試參照GB/T8301—2008，濃縮膠乳和預硫化濃縮膠乳pH的測定參照GB/T18012—2008。

1.2.6濃縮膠乳熱穩定度的測試采用NDJ-79型旋轉式黏度計在70℃循環水恒溫水浴加熱條件下檢測，首先稱取16g膠乳樣品至小燒杯中，并加入4mL鋅氨絡離子溶液，搖勻后快速倒入檢測器內，開啟旋轉黏度計并開始計時。當表盤指針超過60刻度時按下秒表，記錄時間即為膠乳的熱穩定度。

1.2.7硫化膠膜物理機械性能的測試硫化膠膜的拉伸強度、斷裂伸長率、定伸應力的測定參照GB/T528—2009，硫化膠膜的撕裂強度的測定參照GB/T528—2008。

1.2.8濃縮膠乳橡膠粒子粒徑的測試采用一次性塑料吸管吸取濃縮膠乳樣品1mL，將膠乳注入100mL去離子水中并攪拌均勻。采用激光散射粒度分布分析儀LA-960S（日本HORIBA公司）測定橡膠粒子粒徑大小與分布，以及粒徑基準選擇面積；橡膠粒子折射率參數為1.388；分散劑為水，折射率為1.333。

1.2.9干膠膜的紅外測試將生膠樣品與溴化鉀混合研磨制成約1mm的薄片，采用TENSOR27傅里葉紅外光譜測試儀進行測試，檢測范圍設為370～4000cm–1，分辨率為4cm–1，掃描次數為32次。

1.2.10干膠膜的熱失重分析將生膠樣品切碎成顆粒，稱取10mg樣品置于坩堝中，采用STA449型熱重分析儀進行測試。測試條件為：氮氣作外界氣氛，設定流量為50mL/min；保護氣為高純氮氣，流量設定為25mL/min；測試溫度范圍為25～600℃，升溫速率為10K/min。

1.2.11干膠膜的低溫特性測定采用差示掃描量熱法（DSC法）測定干膠膜的玻璃化轉變溫度，設置溫度段為-90～100℃，升溫速率為10K/min.1.2.12干膠膜安全性測試為了考察LS對制品安全性的影響，選用LS保存濃縮膠乳干膠膜樣品與高氨對照樣進行細胞毒性和皮膚刺激性試驗。干膠膜的細胞毒性測試參照GB/T16886.5—2003，判斷標準：浸提液細胞存活率>70%提示無潛在細胞毒性；干膠膜的皮膚刺激性測試參照GB/T16886.10—2005。

1.3數據處理

數據采用Excel2010軟件進行整理、統計和分析，采用Origin9.0軟件制圖。

2結果與分析

2.1保存劑LS對天然鮮膠乳的保存效果

2.1.1天然鮮膠乳揮發脂肪酸值的變化情況由圖1可知，單獨使用0.25%氨水保存鮮膠乳的效果較差，在儲存2d后揮發脂肪酸值即升到0.1，后期迅速升高腐敗變質；當前濃縮天然膠乳生產上普遍采用A2配方的保存方式，保存效果良好，鮮膠乳在保存5d時揮發脂肪酸值依然低于0.06；LS保存鮮膠乳在不同配方間的保存效果存在一定差異，在LS用量為0.1%時保存效果最好，揮發脂肪酸值最穩定。

2.1.2天然鮮膠乳黏度值的變化情況由圖2可知，鮮膠乳的黏度值變化與膠乳的揮發脂肪酸值呈現高度的相關性，通常保存效果較差的膠乳黏度值會比較高。A1單獨氨保存的天然鮮膠乳保存效果較差，黏度值在2d后開始快速升高；A2采用氨+TT-ZnO保存鮮膠乳黏度值在5d內始終維持在較低水平；LS保存鮮膠乳除A3樣品保存效果較差外，隨著LS用量的提高，鮮膠乳黏度值較低，當用量超過0.1%后黏度值有升高的趨勢。

2.2保存劑LS對濃縮天然膠乳的保存效果

2.2.1濃縮膠乳揮發脂肪酸值的變化情況由圖3可知，B1高氨保存濃縮天然膠乳揮發脂肪酸值較低，保存效果良好；B2～B6為LS-氨復合保存濃縮天然膠乳，LS用量為0.01%～0.05%，其揮發脂肪酸值在180d的儲存期內均低于0.06，整體保存效果良好；LS-氨復合保存濃縮膠乳LS用量在0.02%～0.03%左右時揮發脂肪酸值較低，用量超過0.03%后，揮發脂肪酸值反而會隨著LS用量的提高而升高，保存效果下降。這可能與LS最低抑菌濃度（MIC）較低有關，每種殺菌劑都有最適宜的滅菌濃度，用量過高或者過低均會導致殺菌效果下降[22]。此外，LS中含有大量鉀離子和鈉離子等陽離子，陽離子會壓縮橡膠粒子雙電層，破壞膠乳穩定性導致保存效果下降[3]。

2.2.2濃縮天然膠乳黏度值的變化情況由圖4可知，B1高氨濃縮膠乳黏度值最低，在保存期間黏度值呈現穩定下降趨勢，并在儲存后期趨于穩定；LS-氨復合保存低氨濃縮天然膠乳黏度值整體較高，可能與膠乳的堿度值較低有關；此外，復合保存濃縮膠乳的黏度值在LS用量0.02%～0.03%時較低，并隨著LS用量的提高而不斷升高。

2.2.3濃縮膠乳機械穩定度的變化情況由圖5可知，B1高氨保存濃縮天然膠乳機械穩定度升高速度較快，升高幅度也較高；LS保存濃縮膠乳機械穩定度整體較高氨濃縮膠乳低，但在60d的儲存期內均達到650s以上；，此外，濃縮膠乳機械穩定度會隨著LS用量的提高而下降，在LS用量為0.01%時機械穩定度最高。

2.2.4濃縮膠乳pH的變化情況由圖6可知，B1高氨濃縮膠乳pH較高，在180d的儲存期間pH下降了0.16，下降幅度較小；LS-氨保存濃縮膠乳pH較低，儲存期間下降了0.21～0.27，下降幅度較大。

2.3LS-氨復合保存體系的優化

2.3.1保存體系優化濃縮膠乳揮發脂肪酸值的變化情況由圖7可知，在LS-氨復合保存體系的低氨濃縮膠乳樣品中，LS用量為0.03%的膠乳樣品揮發脂肪酸值顯著低于LS用量0.05%的樣品；穩定體系中氨和月桂酸皂含量對揮發脂肪酸值存在一定影響，氨和月桂酸皂用量較高時揮發脂肪酸值較低；通過補加0.1%氨和0.04%月桂酸皂的樣品進行對照，結果表明，月桂酸皂對濃縮膠乳揮發脂肪酸值的穩定作用優于氨水。

2.3.2保存體系優化濃縮膠乳黏度值的變化情況由圖8可知，在LS-氨復合保存濃縮膠乳樣品中，LS用量為0.03%的膠乳樣品黏度值顯著低于LS用量0.05%的樣品；保存體系中氨和月桂酸皂含量對黏度值存在一定影響，氨和月桂酸皂用量較高時黏度值較低；同等用量下，氨水對濃縮膠乳黏度值的穩定作用優于月桂酸皂。

2.3.3保存體系優化濃縮膠乳機械穩定度的變化情況由圖9可知，在LS-氨復合保存濃縮膠乳樣品中，LS用量在0.03%的膠乳機械穩定度略高于LS用量0.05%的樣品；保存體系中氨和月桂酸皂含量對機械穩定度存在一定影響，其中，月桂酸皂起決定性作用，即膠乳機械穩定度的提升主要是月桂酸皂的作用，氨對機械穩定度提升作用較小。

2.3.4保存體系優化濃縮膠乳pH的變化情況由圖10可知，在LS-氨復合保存濃縮膠乳樣品中，LS用量對濃縮膠乳的pH初始值影響很小；濃縮膠乳的pH主要受氨含量決定，月桂酸皂含量對pH基本無影響。

2.4預硫化膠乳穩定性情況

由圖11可知，高氨預硫化膠乳初始黏度值較高，在儲存前期有一定幅度升高，但在后期黏度值非常穩定；LS-氨復合保存濃縮膠乳預硫化后初始黏度值較低，低于高氨預硫化膠乳，但在儲存期間呈現不斷升高的趨勢，升高幅度均高于高氨濃縮膠乳；4份LS-氨復合保存低氨膠乳黏度值也存在一定差異，預硫化膠乳黏度值會隨著穩定劑用量的提高而下降，升高幅度也有所減小。

由表4可知，膠乳的pH與氨含量存在明顯的正相關性，氨含量越高，膠乳的pH越高；機械穩定度與黏度值呈現明顯的相關性，黏度值越低，穩定性越高；膠乳的熱穩定度主要受pH和堿度影響較大，5份樣品熱穩定度差別較小。

2.5硫化膠膜力學性能

由表5可知，LS-氨復合保存樣品受保存體系影響測定結果存在一定波動，其中LS-氨復合保存濃縮膠乳硫化膠膜拉伸強度與高氨濃縮膠乳硫化膠膜強度比較接近，差別較小；定伸應力方面，LS-氨復合保存低氨濃縮膠乳定伸應力存在一定波動，與高氨膠乳樣品差別很小；LS保存低氨濃縮膠乳硫化膠膜斷裂伸長率也存在一定波動；此外，LS保存濃縮膠乳硫化膠膜的撕裂強度整體水平較高；硬度方面，LS保存樣品膠膜較軟。

2.6濃縮膠乳橡膠粒子粒徑大小與分布

由圖12可知，2份濃縮膠乳樣品的橡膠粒子粒徑分布范圍相近，分布圖像中，C1樣品的分布峰值較低，而C5樣品的粒徑分布峰值較高，直徑1μm左右的橡膠粒子含量比較高，分布比較集中；此外，LS-氨復合保存低氨濃縮膠乳中直徑在1.5～2.5μm范圍內的大橡膠粒子含量相對較低；整體來看，分布圖像比較接近，差別較小。

由表6可知，2份濃縮膠乳樣品的橡膠粒子分布的特征參數基本一致，差別很小；其中C1樣品高氨濃縮膠乳的D90粒徑較高，與上圖分布圖像一致，即C5低氨濃縮膠乳樣品中大橡膠粒子含量明顯較低。

2.7干膠膜紅外圖譜分析

由圖13可知，LS-氨復合保存低氨濃縮膠乳樣品紅外光譜圖和高氨保存的樣品紅外光譜圖中均未看到波峰發生明顯的遷移，波峰強度也未發生明顯變化，特征峰基本在同波段數出現。天然橡膠分子的C=C雙鍵伸縮振動峰波數為1649cm–1，彎曲振動峰為833cm–1；-CH3和-CH2的伸縮振動峰波數為2955cm–1和2856cm–1，且其彎曲振動峰分別在波數為1445cm–1和1375cm–1附近出現。2個圖譜基本一致，說明LS保存的天然橡膠的化學結構與氨保存天然橡膠基本一致，LS-氨復合保存并未改變天然橡膠的結構。

2.8干膠膜熱穩定性分析

2.8.1干膠膜TG分析由圖14可知，LS保存的低氨濃縮膠乳C5樣品干膠膜的熱降解曲線與高氨保存的高氨濃縮膠乳膠膜降解曲線相比，前期降解速度明顯較低，起始降解時間存在一定溫度延緩，但在后期降解速度加快，比高氨樣品速度快，但總體來看，2份樣品的降解曲線差別較小，即LS保存膠乳對膠膜的熱穩定性影響較小。

表7為濃縮膠乳干膠膜樣品熱降解的初始降解溫度（T0）、降解50%時的降解溫度（T50%）、主降解溫度（Tp）和終止降解溫度（Tf）。從表7可看出，采用LS保存制備的低氨濃縮膠乳膠膜與高氨保存制備的膠膜相比，特征溫度存在一些差別，主要是T0比高氨樣品高出8.05℃，而后期的Tf卻比高氨樣品低11.86℃，與上圖的變化曲線相一致，另外2種特征溫度差別較小。因此，采用LS保存制備的低氨濃縮膠乳膠膜初始降解溫度有一定提升，但后期降解速度較快，整體熱穩定性有一定提升。

2.8.2干膠膜的玻璃化轉變溫度玻璃化轉變溫度（Tg）是高分子聚合物高彈態和玻璃態轉變的特征溫度之一，從分子結構上分析，Tg是高聚物分子鏈段從凍結到運動的臨界溫度，2份濃縮膠乳樣品C1和C5的Tg分別為–64.65、–63.98℃，比較接近，表明LS-氨復合保存對濃縮膠乳干膠膜的玻璃化轉變溫度影響很小。

2.9生物安全性實驗

2.9.1干膠膜細胞毒性實驗由表8可知，無論采用何種保存劑保存濃縮膠乳，浸漬液均可造成胎牛血清細胞一定量的裂解死亡；其中，C5樣品浸提液中細胞活力為73.2%，低于高氨干膠膜樣品的78.5%，細胞層均有一定的裂解死亡；但2份樣品細胞存活率均在70%以上，判定結果對細胞均不具有潛在毒性影響。

2.9.2干膠膜皮膚刺激性實驗由表9可知，LS保存低氨濃縮膠乳干膠膜樣品對新西蘭長毛兔皮膚的原發性刺激指數為0，與高氨膠乳的測試結果相同，表明LS干膠膜對長毛兔皮膚無刺激作用，不會對制品的安全使用帶來影響。

以上結果說明LS保存制備低氨濃縮膠乳干膠膜的細胞毒性很低，屬于無毒級別，保證了制品安全性。由于本研究選取樣品為干膠膜樣品，未進行常規硫化，這樣與高氨保存濃縮膠乳干膠膜對照更合理，可以判斷2種保存體系的差別。若采用硫化后的膠膜比較，硫化過程中添加大量有毒助劑，資料顯示天然膠乳硫化制品存在一定的細胞毒性，可干擾對保存體系毒性的判斷。

2.10LS-氨復合保存低氨濃縮膠乳浸漬制品、試制情況

圖15為LS-氨復合保存低氨濃縮膠乳采用常規硫化生產工藝，以氯化鈣為凝固劑制備的家用手套和探空氣球2種浸漬制品，試制過程中，制品成型情況良好，濕凝膠強度高，制品不易黏連，試用情況良好。

3討論

天然膠乳的保存工作對天然橡膠生膠尤其是濃縮天然膠乳的生產至關重要。長期以來，人們對天然膠乳的防腐保存模式開展了大量的探索工作，例如低溫滅菌、輻射滅菌等模式，但無論是保存效果、適用性、方便性，還是生產成本，化學防腐依然是可行性和適用性最高的方法。

無論選用何種化學物質來保存天然膠乳，都要考慮到膠乳保存需要一個全面的保存體系，包括堿和表面活性劑構成的穩定體系，以及殺菌、毒酶、抑霉的抗菌體系。目前，堿和表面活性劑的使用在整個乳膠生產工藝體系中已非常成熟，針對低氨濃縮膠乳在生產過程中存在的穩定性問題，可通過提高表面活性劑和堿等穩定劑用量來提升膠乳的穩定性；但穩定劑用量過高會導致膠乳硫化速度變慢，濕凝膠強度降低，需要嚴格控制穩定劑用量，因此，抗菌體系的優化仍是低氨天然膠乳性能提升的難題和關鍵。

天然膠乳抗菌體系最關鍵的是適用殺菌劑的選用，硫酮衍生物LS對鮮膠乳具有良好的保存效果，用量0.1%時優于單獨0.25%氨對鮮膠乳的保存效果，所保存的鮮膠乳揮發脂肪酸值較低，黏度值也較低。保存劑LS-氨復合保存低氨濃縮膠乳保存效果優異，用量在0.01%～0.05%時即可穩定保存濃縮膠乳達180d之久。所保存的低氨濃縮膠乳揮發脂肪酸值較低，穩定性良好，各項指標均滿足當前生產應用需求。同時，低氨濃縮膠乳具有優異的成膜性能，硫化膠膜的拉伸強度和撕裂強度普遍優于當前高氨保存濃縮膠乳，這可能與硫酮基團促進硫化過程有關，需要進一步驗證。

保存劑LS為離子型殺菌劑，含有鈉離子和鉀離子等陽離子，提高LS濃度后會顯著提高膠乳中的離子強度，而陽離子又會顯著降低濃縮膠乳的穩定性[3]，從而導致膠乳黏度升高，機械穩定度下降，因此需要控制LS用量。在實際生產應用過程中，企業對生產成本比較敏感，這也是很多加工技術難以獲得應用的主要原因，盡管科研人員開發出多種膠乳保存劑，由于成本較高而難以獲得生產應用。本研究中，采用硫酮衍生物LS應用于天然膠乳的保存生產中，由于極低用量下即可實現對膠乳的有效保存，對膠乳性能負面影響較小的同時，也大大降低了生產成本，當采用0.03%LS制備低氨濃縮膠乳時，其使用成本低于高氨保存體系，同時LS具有很高的安全性和環保性，因此極具生產應用前景。