鄭云龍，王進美，孫正琪，秦智成，周婭楠

（西安工程大學紡織科學與工程學院，陜西西安710048）

自然界中有很多植物具有抗菌效果，如金銀花具有抗菌、抗病毒作用[1]，連翹揮發(fā)油具有抗大腸桿菌O157作用[2-3]。植物抗菌材料由于其成分復雜且不易誘導細菌產(chǎn)生耐藥性，近年來引起了很多研究者的關注[4-6]。盡管天然植物抗菌劑品種繁多，但從其有效成分的化學結構上看，可以分為黃酮類、蒽醌類、多酚類、生物堿類、苯并吡喃類、靛類、二酮類和類胡蘿卜素類等[7]。黃柏具有黃酮類化合物、苯環(huán)類化合物和蒽醌類化合物等物質(zhì)[8]，綠莧和龍葵含有黃酮類物質(zhì)蘆丁、槲皮素和酚類物質(zhì)沒食子酸[9-12]，由此可知三種植物均具有抗菌性。殼聚糖因具有良好的抗菌性[13-15]，被廣泛地應用于紡織、食品加工等領域。Zhang 等[16]以殼聚糖（CS）、納米TiO2和黑梅皮提取物（BPPE）為基礎，研制了多功能食品包裝膜。結果表明，CS/TiO2/BPPE膜可作為抗菌食品包裝材料。Wijesirigunawardana等[17]以殼聚糖和阿拉伯膠為壁材，以石灰油（LO）為原料采用復合凝聚法制備了LO 微囊，開發(fā)出一種抗氧抗菌智能棉織物含LO 微膠囊的棉織物，在洗滌前后對4 種細菌表現(xiàn)出明顯的抗菌活性。Moschona等[18]將白葡萄酒廢料酚類物質(zhì)包封于海藻酸鈉殼聚糖時對革蘭陰性菌和革蘭陽性菌有顯著的抗菌活性。Hu 等[19]以殼聚糖為壁經(jīng)離子凝膠化反應制備肉桂-百里香-生姜復合精油納米膠囊（CEONP），CEO-NP 對枯草芽孢桿菌和冬蟲夏草具有持久的抗菌活性。

基于此，為了克服植物有效成分不穩(wěn)定、貯藏不易等缺點，本文使用微膠囊技術將綠莧、龍葵和黃柏3種植物復配提取物包裹于天然抗菌材料殼聚糖中，采用復凝聚法制成天然抗菌微膠囊，研究了乳化劑含量、剪切速度、pH 對微膠囊的外觀形態(tài)及尺寸的影響，確定制備最優(yōu)工藝，并將其用純棉織物的的抗菌整理，測試整理后樣品的抗菌性能。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

實驗材料與儀器見表1、表2。

1.2 植物提取物的制取

將烘干并粉碎至100目的綠莧稱取250g，每次取5g綠莧粉末放入索氏提取器中自制的濾紙筒內(nèi)，加入200mL 60%乙醇并連接好裝置，80℃恒溫水浴提取至溶液不變色為止，如此反復提取完250g 綠莧。提取完畢用真空抽濾。再將提取液加入旋轉蒸發(fā)器進行蒸餾，至全部溶劑蒸干后，即得綠莧提取物。然后用同樣的方法提取龍葵和黃柏。

1.3 抗菌微膠囊的制備

采用復凝聚法制備抗菌微膠囊：首先將冰乙酸稀釋至1%，加入0.5g 殼聚糖，攪拌均勻得到殼聚糖（1%）溶液。另稱取0.5g 明膠（明膠、殼聚糖質(zhì)量比為1∶1），充分溶于200mL 60℃蒸餾水并加入少量乳化劑（司班-20）和4g 芯材（綠莧、龍葵、黃柏三種提取物質(zhì)量比為1∶1∶1），磁力攪拌1h 后再用45℃恒溫水浴，以高速切割攪拌15min。45℃恒溫水浴的狀態(tài)下，在攪拌下往上述乳液中緩慢滴加殼聚糖溶液，用10%氫氧化鈉調(diào)節(jié)體系pH 為5.0～6.5，用900r/min 的轉速攪拌20min。攪拌結束后，冰水浴將體系溫度迅速降至10℃以下，加入少量戊二醛（200μL/L)攪拌固化4h。固化結束，緩慢升至室溫，抽濾，水洗，干燥，制成抗菌微膠囊。

表1 實驗材料

表2 實驗儀器

1.4 微膠囊性能表征方法

采用傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）分析抗菌微膠囊的化學組成部分，進而判斷微膠囊的結構，測采用壓片的方法進行測試，在600～4000cm-1的區(qū)間內(nèi)對樣品進行掃描測試；采用型號為Quanta-450-FEG+X-MAX50 的場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察微膠囊的表面成形狀況及織物試樣表面形貌特征，測試條件為加速電壓3.0kV，樣品室真空度小于10-4Torr（1Torr=133.322Pa）。采用Zetasizer Nano-ZS型馬爾文激光粒度分析儀對微膠囊的粒度分布進行表征分析。采用TGA2型熱重同步分析儀對制備的微膠囊進行熱失重測試，測試方法為：每次稱量大約7mg樣品裝于陶瓷坩堝內(nèi)，然后置于分析儀上，氮氣流速為50mL/min，設置升溫速率為10℃/min，升溫區(qū)間50～400℃。

1.5 純棉織物整理工藝

工藝配方：抗菌微膠囊整理劑（上述自制）質(zhì)量濃度25g/L，水性聚氨酯質(zhì)量分數(shù)5%，整理浴比為1∶20。

工藝曲線如下所示。

1.6 抗菌性能測試

采用GB/T 20944—2008《紡織品抗菌性能的評價》中的振蕩法，測試整理后的棉織物的抗菌性能。試樣稱取0.75g，裁剪為5mm×5mm。選用TS-1102C 恒溫搖床進行定時振蕩培養(yǎng)，在溫度(24±1)℃、轉速150r/min 的條件下，振蕩試樣燒瓶18h。再選用GZX-150BS-Ⅲ型光照培養(yǎng)箱進行平皿培養(yǎng)，將程序按照一個太陽日的光照強度變化規(guī)律設定，將試樣平皿在可見光的平均光照強度約2500lx，溫度(37±1)℃的條件下培養(yǎng)24h。通過測定平皿中菌落數(shù)，計算得出試樣瓶中的活菌濃度，再根據(jù)式(1)求出抑菌率。

式中，Y為抑菌率，%；Wb為標準空白試樣振蕩接觸18h后燒瓶內(nèi)的活菌濃度，cfu/mL；Wc為抗菌織物試樣振蕩接觸18h 后燒瓶內(nèi)的活菌濃度，cfu/mL。

表3 抗菌織物的抑菌率指標

1.7 試樣的耐洗色牢度測試

為了測試織物的耐久性抗菌性能，按照GB/T 12490 中的洗滌方法進行洗滌，洗滌次數(shù)為20/50次。從抗菌織物中取各個小樣（每個尺寸10cm×10cm，剪成2 塊），按照GB/T 12490 中的試驗條件進行洗滌，采用標準洗滌劑。下述程序相當于5次洗滌：水溫(40±3)℃，洗滌劑質(zhì)量分數(shù)0.2%，150 mL 溶液，鋼珠10 粒，洗滌45min。洗滌后取出試樣，在(40±3)℃和100mL 的水中清洗2 次，每次1min。重復此程序，直到規(guī)定的洗滌次數(shù)。為防止殘留的洗滌劑干擾抗菌性能測試，最后一次洗滌結束后充分清洗試樣，然后烘干。

2 結果與討論

2.1 微膠囊外觀形貌分析

采用復凝聚法制備混合提取物（綠莧、龍葵、黃柏提取物的質(zhì)量比為1∶1∶1）-明膠/殼聚糖抗菌微膠囊，加入3%乳化劑（司班-20），在轉速為6000r/min 和pH=5.5 的條件下制得抗菌微膠囊樣品，在掃描電鏡下觀察微膠囊的表面形態(tài)、粒徑大小、分布等情況，結果如圖1所示。制得的微膠囊樣品近似圓球形，形態(tài)飽滿，表面光滑，有部分破裂，微膠囊之間出現(xiàn)粘連現(xiàn)象，粒徑較大，但均在在5μm以下。

2.1.1 乳化劑含量對微膠囊形態(tài)影響

圖1 抗菌微膠囊

圖2 不同乳化劑含量制備的微膠囊

將乳化劑質(zhì)量分數(shù)分別設定為4%、5%、6%、7%制備抗菌微膠囊，采用掃描電子顯微鏡觀察其外觀形貌，圖2顯示出不同的乳化劑含量制得的抗菌微膠囊。由圖可見，當乳化劑質(zhì)量分數(shù)為4%時，微膠囊粒徑較大且有破損現(xiàn)象；當乳化劑質(zhì)量分數(shù)為5%時，微膠囊成形粒徑小且粘連較少；當乳化劑質(zhì)量分數(shù)為6%時，微膠囊成球性差，表面粗糙；當乳化劑質(zhì)量分數(shù)為7%時，微膠囊成球量少破損較多且粘連嚴重，這可能是乳化劑用量過多，會使乳滴的黏度增大，不易分散。綜上所述可知最佳乳化劑質(zhì)量分數(shù)為5%。

2.1.2 剪切速度對微膠囊形態(tài)影響

將微膠囊的剪切速度分別設定為7000r/min、8000r/min、9000r/min、10000r/min 制備抗菌微膠囊，采用掃描電子顯微鏡觀察其外觀形貌，圖3顯示出不同的剪切速度制得的抗菌微膠囊。由圖可見：當微膠囊的剪切速度為7000r/min 時，微膠囊粒徑大小不一，成球量少；當微膠囊的剪切速度為8000r/min時，微膠囊粒徑大小均勻，且成球量多；當微膠囊的剪切速度為9000r/min時，成球量下降，破損與粘連現(xiàn)象出現(xiàn)；當微膠囊的剪切速度為10000r/min時，微膠囊成形差，破損較多，這可能是剪切速度過高導致原本已部分成形的微膠囊又出現(xiàn)破損。綜上所述可知最佳剪切速度為8000r/min。

圖3 不同剪切速度制備的微膠囊

2.1.3 pH對微膠囊形態(tài)影響

將微膠囊的體系pH分別設定為5.0、5.7、6.3、7.0 制備抗菌微膠囊，采用掃描電子顯微鏡觀察其外觀形貌，圖4 顯示出不同的體系pH 制得的抗菌微膠囊。由圖可見：當微膠囊的體系pH 為5.0 時，微膠囊成球量少；當微膠囊的體系pH為5.7時，成球量明顯增多，粒徑大小較為均勻；當微膠囊的體系pH 為6.3 時，微膠囊粒徑大小不一且有粘連現(xiàn)象；當微膠囊的體系pH為7.0時，微膠囊?guī)缀鯚o成形。綜上所述可知最佳體系pH為5.7。

圖4 不同pH制備的微膠囊

2.2 微膠囊粒徑分析

圖5 微膠囊粒徑分析圖

由上述分析可知，制備抗菌微膠囊的最佳工藝條件為乳化劑質(zhì)量分數(shù)為5%、剪切速度為8000 r/min、最佳體系pH為5.7。圖5為最佳工藝條件所制抗菌微膠囊粉末的粒徑分布圖?？梢钥吹剑蟛糠治⒛z囊的尺寸都分布在1480～3580nm 之間，平均粒徑為2530nm，其中2300nm 左右所占比例最高，并呈正態(tài)分布。微膠囊粒徑分布集中，均勻度好，粒徑控制較好。通過分析比較可知，由馬爾文激光粒度儀測定的微膠囊粒徑略小于掃描電鏡分析結果，這是由于在掃描電鏡中觀察發(fā)生團聚的微膠囊在純水中分散程度高，因此馬爾文粒度分析儀的測試結果較電鏡中觀察的結果偏小，但更為準確客觀。

2.3 微膠囊紅外光譜分析

圖6為抗菌微膠囊、殼聚糖、明膠、綠莧提取物、龍葵提取物、黃柏提取物的紅外光譜曲線圖。綠莧和龍葵提取物的紅外光譜在3316～3330cm-1處是的OH伸縮振動，3276～3286cm-1是羥基自由基（） 的伸縮振動吸收峰，2358～2366cm-1處是雙鍵三鍵累積區(qū)，1610～1614cm-1處是苯環(huán)的伸縮振動吸收峰、α，β不飽和酮伸縮振動，1596cm-1處是苯環(huán)的骨架振動，1357cm-1處是伸縮振動和（C-3位）面內(nèi)彎曲振動，1016cm-1處的反對稱和對稱伸縮振動，與文獻中[20-21]蘆丁和槲皮素、沒食子酸紅外光譜圖相吻合。黃柏提取物與黃柏酮標準品在2973cm-1、1369cm-1、1022cm-1等波長處的吸收峰相似，峰形和小檗堿標準品以及黃柏酮標準品[22]的基本一致。這些吸收峰幾乎同樣存在于抗菌微膠囊的吸收峰中，證明微膠囊中包含三種植物提取物。

圖6 微膠囊紅外光譜圖

2.4 微膠囊熱穩(wěn)定性分析

樣品的TG 測試曲線反映了抗菌微膠囊的質(zhì)量變化與溫度的關系，可以用來評價制得抗菌微膠囊的熱穩(wěn)定性。所得抗菌微膠囊的TG 曲線如圖7 所示，DTG曲線如圖8所示。

圖7 微膠囊的TG曲線

圖8 微膠囊的DTG曲線

從圖7 和圖8 可以看出，復凝聚法制備的殼聚糖/明膠抗菌微膠囊TG 曲線上存在以下幾個階段：第一階段在50～100℃，有少量失重，這是由于微膠囊失去水分引起的，因為在實驗室自然干燥下，抗菌微膠囊會從空氣中吸收一定量的水分，對實驗的結果幾乎沒有影響；第二階段100～312℃，失重約40%，這是壁材殼聚糖/明膠分解引起的，殼聚糖與明膠除了靜電作用外，殼聚糖與明膠分子中的、和之間還存在分子內(nèi)和分子間的氫鍵作用[23]。這些化學鍵的形成提高了殼聚糖與明膠復合壁材的熱穩(wěn)定性；第三階段在312℃開始是芯材中有機物的碳化過程。

2.5 微膠囊棉織物抗菌性能分析

將最優(yōu)方案條件下制備的抗菌微膠囊用于棉織物抗菌整理，根據(jù)1.5 節(jié)中的整理工藝整理后測試其相關指標。整理后的織物SEM圖如圖9所示。由圖可知，制備的抗菌微膠囊顆粒通過聚氨酯已經(jīng)成功的附著于純棉織物，微膠囊處于棉纖維表面或纖網(wǎng)之間，分布比較均勻，其形態(tài)基本保持完整，這表明經(jīng)整理劑處理后抗菌微膠囊可以被較好地整理到棉織物的表面，從而賦予織物抗菌功能。

圖9 整理后織物SEM照片

圖10 微膠囊棉織物對大腸桿菌的抗菌效果

抗菌實驗結果表明，微膠囊棉織物對大腸桿菌（E.coli）和金黃色葡萄球菌（S.aureu）的抑菌率分別為81.43%和89.30%，抗菌效果良好，滿足FZ/T 73023中的抗菌指標。這說明綠莧、龍葵、黃柏中的天然植物提取物對常見的革蘭氏陰性細菌（大腸桿菌）和革蘭氏陽性細菌（金黃色葡萄球菌）具有抑菌作用，可以賦予棉織物抗菌性能。

圖11 微膠囊棉織物對金黃色葡萄球菌的抗菌效果

圖10展示了標準空白樣（B）和微膠囊棉織物試樣（W）經(jīng)稀釋106，光照培養(yǎng)24h 時，培養(yǎng)皿中的大腸桿菌菌落數(shù)。可以看出，微膠囊棉織物試樣中的菌落數(shù)明顯減少，抗菌效果顯著。圖11 展示了標準空白樣（B）和微膠囊棉織物試樣（W）經(jīng)稀釋102，光照培養(yǎng)24h 時，培養(yǎng)皿中的金黃色葡萄球菌菌落數(shù)?？梢钥闯?，微膠囊棉織物試樣中的菌落數(shù)明顯減少，并且微膠囊棉織物對金黃色葡萄球菌的抑菌率優(yōu)于大腸桿菌，這是由于大腸桿菌的細胞結構具有外細胞壁[24]，不容易被抗菌劑進入細胞，從而殺死細菌，因此對大腸桿菌的抗菌效果較差。

2.6 試樣的耐洗色牢度分析

將整理后的棉織物進行耐久性抗菌性能測試，測試結果如圖12、圖13。試樣在經(jīng)過水洗20 次后，微膠囊棉織物對大腸桿菌（E.coli）和金黃色葡萄球菌（S.aureu）的抑菌率分別為72.65%和80.52%；50 次洗滌后，試樣對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率均小于70%，分析可知織物在清洗20 次后，部分微膠囊脫落，使織物具有抗菌性能下降；在清洗50 次后，較多的微膠囊脫落，使織物具有抗菌性能下降到70%以下。

圖12 微膠囊棉織物洗滌后對大腸桿菌的抗菌效果

圖13 微膠囊棉織物洗滌后對金黃色葡萄球菌的抗菌效果

3 結論

（1）采用復凝聚法制備天然抗菌微膠囊的最佳條件：乳化劑含量為5%，體系pH 為5.7，乳化剪切速度為8000r/min。

（2）實驗制得的微膠囊平均粒徑為2530nm，呈正態(tài)分布，均勻度好；熱穩(wěn)定性較好。

（3）經(jīng)微膠囊整理過的純棉織物對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率分別為81.43% 和89.30%。經(jīng)20 次洗滌后，對兩種細菌的抑菌率均略有降低，但均大于70%，表明制備的抗菌微膠囊理劑可賦予純棉織物良好、持久的抗菌性能。