郭幼紅,林水森,謝志新,謝娜娜,陳劍雄
(泉州醫(yī)學(xué)高等??茖W(xué)校 藥學(xué)院,福建 泉州 362000)
雙親性羧甲基殼聚糖鈉鹽席夫堿衍生物的合成及其性能研究
郭幼紅*,林水森,謝志新,謝娜娜,陳劍雄
(泉州醫(yī)學(xué)高等??茖W(xué)校 藥學(xué)院,福建 泉州 362000)
旨在以天然產(chǎn)物為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)與合成具有表面活性和抗菌等特性的多功能高分子,拓寬天然產(chǎn)物應(yīng)用領(lǐng)域. 首先殼聚糖與一氯乙酸取代反應(yīng)獲得O-羧甲基殼聚糖鈉鹽,然后依次與檸檬醛、對羥基苯甲醛進(jìn)行席夫堿反應(yīng),最終制得O-羧甲基殼聚糖鈉鹽縮檸檬醛縮對羥基苯甲醛,并通過1H-NMR和元素分析對產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征. 通過測定終產(chǎn)物的表面張力(γ)、臨界膠束濃度(CMC)、親水親油平衡值(HLB)、乳化能力和抗菌能力等對其性能進(jìn)行評價,結(jié)果表明:該產(chǎn)物具備表面活性且其水溶液能夠抑制細(xì)菌增長,具有成為功能性高分子表面活性劑的潛力.
殼聚糖;席夫堿;檸檬醛;抑菌劑;高分子表面活性劑
殼聚糖是一種來源廣泛的生物可降解材料,其優(yōu)越的性能使其經(jīng)常被加工應(yīng)用于污水處理、醫(yī)藥衛(wèi)生等方面[1-3]. 殼聚糖利用其羥基和氨基與活性小分子發(fā)生接枝反應(yīng),可加強(qiáng)或賦予殼聚糖的多功能輔料特性[4]. 孫萍等[5]認(rèn)為在殼聚糖結(jié)構(gòu)中引入羧甲基,增加了產(chǎn)物的水溶性,從而增大了其使用的范圍. 金曉曉等[6]制備了殼聚糖縮檸檬醛席夫堿,然后對其抗菌活性進(jìn)行研究,結(jié)果表明該產(chǎn)物含有的席夫堿與檸檬醛具備協(xié)同抗菌作用,使其活性高于殼聚糖,但因產(chǎn)物僅溶于酸性溶液,故應(yīng)用受到了限制. 李紅霞等[7]以O(shè)-羧甲基殼聚糖為原料,經(jīng)過與不同醛類衍生物發(fā)生席夫堿反應(yīng),制得一系列具有良好水溶性和pH敏感性的潛在聚合物膠束材料. 據(jù)此,殼聚糖接枝羧甲基后,再引入活性脂溶性基團(tuán)所獲得的衍生物具有多種潛力.
本研究擬通過殼聚糖接枝羧甲基獲得O-羧甲基殼聚糖鈉鹽,使其具備更強(qiáng)的水溶性,并將該產(chǎn)物先后與檸檬醛、對羥基苯甲醛反應(yīng),制得O-羧甲基殼聚糖鈉鹽席夫堿衍生物,然后考察終產(chǎn)物的表面活性和抗菌性能.
1.1 主要原料與儀器
殼聚糖(CS),相對分子質(zhì)量5.0×104,去乙?;取?5%,浙江澳興生物;檸檬醛、對羥基苯甲醛和一氯乙酸均為化學(xué)純,阿拉丁試劑. 其他試劑均為化學(xué)純,購自國藥試劑.
LGJ-18B冷凍干燥機(jī)(北京松源華興);Bruker Avance III 型(500MHz)核磁共振波譜儀(Bruker);Vario Micro 元素分析儀(Elementar);表面張力儀BZY-201(上海方瑞);NDJ-5S旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)(上海昌吉).
1.2 合成及表征
1.2.1 O-羧甲基殼聚糖鈉鹽的合成(CMCNa)
參照CHEN等[8]的方法,改動如下:1) 反應(yīng)溶劑(V(蒸餾水)∶V(異丙醇)=2∶8)增加至150 mL,減少溶液黏度,防止攪拌不均勻;2) 產(chǎn)物烘干后需研磨過篩用以除掉不能粉碎的凝膠狀顆粒,備用.
1.2.2 CMCNa縮檸檬醛席夫堿的合成(CMCCNa)
參照J(rèn)IN等[6]的方法,改動如下:1) 由O-羧甲基殼聚糖鈉鹽和檸檬醛參與反應(yīng);2) 反應(yīng)在恒溫磁力攪拌器中進(jìn)行;3) 殼聚糖氨基和檸檬醛的物質(zhì)的量比為1∶3,反應(yīng)時間為4 h,最后獲得淡黃色CMCCNa,合成路線如圖1所示.
圖1 羧甲基殼聚糖鈉鹽席夫堿衍生物合成路線圖Fig.1 Synthesis of carboxymethyl chitosan sodium Schiff’s base
1.2.3 CMCCNa縮對羥基苯甲醛席夫堿的合成(CMCCPNa)
參照J(rèn)IN等[6]的方法,改動如下:1)由CMCCNa和對羥基苯甲醛參與反應(yīng);2)采用恒溫磁力攪拌器為反應(yīng)裝置;3)殼聚糖氨基和對羥基苯甲醛的物質(zhì)的量比為1∶1.5,反應(yīng)時間依次為1、2、3和4 h,最后獲得黃色CMCCPNa(依次編號為CMCCPNa-1、2、3、4),合成反應(yīng)如圖1所示.
1.3 基本性能測試
1.3.1 HLB值測試
準(zhǔn)確稱取一系列產(chǎn)物各0.5 g,分別置于50 mL比色管中,于25 ℃下采用水?dāng)?shù)法[9]進(jìn)行測定,實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次,取平均值.
1.3.2 乳化性能、表面張力(γ)與臨界膠束濃度(CMC)測試
[9]的方法進(jìn)行乳化性能測試,以乳化層占整個液體的體積分?jǐn)?shù)來衡量產(chǎn)物的乳化能力.
參考文獻(xiàn)[10]將樣品溶解然后稀釋獲得一系列濃度,靜置1 d保證其完全溶解,于(25±0.1) ℃下采用吊片法進(jìn)行CMC和表面張力測試. 反復(fù)沖洗吊片及容器避免干擾.
1.3.3 抗菌能力測試[10-11]
配制一系列產(chǎn)物的母液,濃度為1×104mg/L. 選用LB作為培養(yǎng)基. 培養(yǎng)基和母液均在121 ℃熱壓滅菌20 min. 選取大腸桿菌(Escherichiacoli)和金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)作為試驗(yàn)菌株,菌株須進(jìn)行培養(yǎng)活化,活化后菌液濃度需與0.5麥?zhǔn)媳葷峁鼙葘?,使約為108CFU/mL,備用.
采用倍半稀釋法用培養(yǎng)基對各母液進(jìn)行稀釋,分別加入10 μL濃度為105~106CFU/mL的菌液,37 ℃搖床增殖1 d,以LB培養(yǎng)基(含對應(yīng)濃度的樣品未加菌液)作參照,測定中性條件下其在600 nm的吸光值. MIC確定依據(jù):該濃度的吸光值是相鄰低濃度的吸光值的100倍以上并且溶液呈澄清透明. 實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次,取平均值.
2.1 產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)表征
CMCNa、CMCCNa和CMCCPNa-1的1H NMR譜圖見圖2,其中δ4.79為D2O峰. 參考文獻(xiàn)[5-6]的數(shù)據(jù)可知,δ1.19~2.2屬于檸檬醛的CH3和CH2的吸收峰,δ2.06屬于殼聚糖單體-COCH3的吸收峰,δ2.73屬于殼聚糖單體上的N-CH2-COONa的吸收峰、δ3.40屬于殼聚糖單體上的N-CH2-COOD的吸收峰,δ3.6~3.9分別是殼聚糖單體上的H3~6的吸收峰,δ3.95~4.58屬于殼聚糖單體上的C-O-CH2-COOD的吸收峰,δ5.20屬于檸檬醛上的CH=C吸收峰,δ8.28~8.46屬于CH=N亞胺鍵的吸收峰,δ6.78~7.79屬于Ar-H的吸收峰. 上述數(shù)據(jù)顯示,羧甲基已經(jīng)接枝到殼聚糖單體的C6羥基上,但也有部分C2氨基發(fā)生了反應(yīng),未反應(yīng)的氨基分別與檸檬醛、對羥基苯甲醛繼續(xù)發(fā)生了席夫堿反應(yīng)最終生成O-羧甲基殼聚糖鈉鹽縮檸檬醛縮對羥基苯甲醛席夫堿CMCCPNa,因此目標(biāo)產(chǎn)物成功合成.
圖2 CMCNa(a)、CMCCNa(b)和CMCCPNa(c)的核磁氫譜Fig.2 1H NMR spectra of CMCNa (a), CMCCNa(b) and CMCCPNa(c) in D2O
2.2 產(chǎn)物的元素分析
通過元素分析獲得化合物中C、N的質(zhì)量分?jǐn)?shù),接著根據(jù)C/N比值與樣品化學(xué)結(jié)構(gòu)中的重復(fù)單元,根據(jù)文獻(xiàn)[12]的方法對合成物的取代度進(jìn)行計(jì)算,分析數(shù)據(jù)如表1所示. 表1數(shù)據(jù)顯示,殼聚糖的去乙?;葹?3.75%,較標(biāo)簽注明的95%小,這大概是測試系統(tǒng)誤差引起的. CMCNa的中羧甲基取代度達(dá)到了64.17%,CMCCNa中檸檬醛的取代程度為18.20%. 此外,因殼聚糖氨基與芳醛的席夫堿反應(yīng)容易進(jìn)行,形成的席夫堿衍生物較為穩(wěn)定. 本研究通過降低投料比和限制反應(yīng)時間,防止親脂性基團(tuán)大量引入而影響產(chǎn)物水溶性,隨著反應(yīng)時間的延長,CMCCNa與對羥基苯甲醛的席夫堿反應(yīng)逐漸增加,CMCCPNa的取代度逐漸增加,由15.00%增至34.67%.
表1 樣品元素分析結(jié)果Table 1 Elemental analysis results of samples
注:DS為取代程度.
2.3 產(chǎn)物的HLB值
通過水?dāng)?shù)法測定CMCCNa和CMCCPNa的HLB值,數(shù)據(jù)如表2所示. 其中CMCCNa的HLB值為14.93,而CMCCPNa隨著取代度的增加,其HLB值不斷減小,這可能是引入的疏水性對羥基苯甲醛導(dǎo)致的. 但CMCCPNa的HLB值均大于8,在13.83~14.68之間,表現(xiàn)出良好的水溶性,因此該產(chǎn)物的合成將有利于擴(kuò)大殼聚糖使用范圍. 參照文獻(xiàn)[13]可知,HLB值不同則用途也不同,因此CMCCPNa有望作為潤濕劑、乳化劑等附加劑使用.
表2 CMCCNa和CMCCPNa的HLB值Table 2 Hydrophile-lipophile balance of CMCCNa and CMCCPNa
2.4 臨界膠束濃度(CMC)與表面張力(γ)分析
圖3所示為CMCCNa和CMCCPNa水溶液的表面張力隨濃度的變化曲線. 由圖3可知,兩種產(chǎn)物均可使表面張力減小,且濃度增加,與之對應(yīng)的表面張力則逐漸減小,當(dāng)濃度達(dá)到一定程度后,溶液的γ值出現(xiàn)拐點(diǎn),此后數(shù)值變化比較平緩,該轉(zhuǎn)折點(diǎn)對應(yīng)的濃度即為CMC,CMCCNa和CMCCPNa-1-4的CMC依次為2.54×10-2、2.27×10-2、2.06×10-2、1.87×10-2和1.69×10-2g/L,該濃度對應(yīng)的表面張力值分別為64.7、60.8、59.1、58.2、57.0 mN/m. CMCCPNa降低表面張力的程度略大于CMCCNa,表現(xiàn)出較強(qiáng)的表面活性,CMCCPNa的CMC低于CMCCNa,這可能是由于前者引入了更多的脂溶性基團(tuán),從而具備更強(qiáng)的疏水性,傾向于在較低濃度就可形成膠束.
圖3 CMCCNa和CMCCPNa的表面張力—濃度曲線圖Fig.3 Plot of the surface tension vs the concentration of CMCCNa and CMCCPNa
2.5 乳化能力分析
圖4為CMCCNa和CMCCPNa的乳化能力隨時間的變化曲線. 圖4所示的五種產(chǎn)物中,乳化層體積在開始時最高可達(dá)75.4%,一段時間后乳化層的體積在44%~52%之間保持穩(wěn)定,可見上述產(chǎn)物均具有一定的乳化能力. CMCCPNa的乳化能力較CMCCNa強(qiáng),這說明對羥基苯甲醛的引入可以提高產(chǎn)物的乳化能力,其中又以CMCCPNa-4的乳化能力最強(qiáng).
圖4 CMCCNa和CMCCPNa的乳化能力圖Fig.4 Emulsifying ability of CMCCNa和CMCCPNa
2.6 產(chǎn)物的抗菌能力分析
通過常量肉湯稀釋法測定產(chǎn)物的MIC值,數(shù)據(jù)如表3所示. MIC越小,證明該物質(zhì)的抑菌活性越強(qiáng). 因此由表3中可知,CMCCNa的抗菌能力遠(yuǎn)較CMCNa強(qiáng),這可能是因?yàn)榍罢呓又α藱幟嗜┻@一脂溶性抗菌活性基團(tuán)[6,11]. 而CMCCPNa的抗菌能力又比CMCCNa強(qiáng),這可能是因?yàn)镃MCCPNa通過席夫堿反應(yīng),接枝了具有抗菌活性對羥基苯甲醛[14],起到對羥基苯甲醛固載和釋放的作用,這使得產(chǎn)物的抗菌活性增強(qiáng),并隨著取代程度的增加,對羥基苯甲醛接枝增加,從而提高了產(chǎn)物的抗菌能力. 此結(jié)果表明,CMCCNa和CMCCPNa均具有作為抑菌劑的潛力.
表3 羧甲基殼聚糖鈉鹽及其席夫堿衍生物對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的MIC值(mg/L)Table 3 Minimum inhibitory concentration of CMCNa and its Schiff’s base derivatives against Escherichia coli and Staphylococcus aureus (mg/L)
以殼聚糖為原料,先后進(jìn)行取代反應(yīng)和二次席夫堿反應(yīng)制得O-羧甲基殼聚糖鈉鹽縮檸檬醛縮對羥基苯甲醛席夫堿. HLB值測試表明產(chǎn)物的HLB值在13.83~14.93之間,具有良好水溶性;MIC測試表明CMCCNa和CMCCPNa均具備一定的抗菌能力,并隨取代程度增加抗菌活性增強(qiáng),其中CMCCPNa-4對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的MIC分別為7.8和3.9 mg/L. 據(jù)此,CMCCPNa同時具備水溶、表面活性和抗菌等特性,有望成為一種多功能的材料用于日用品、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域. 可見,對殼聚糖進(jìn)行水溶性結(jié)構(gòu)改造,然后根據(jù)用途,采用席夫堿反應(yīng)引入不同特性的醛類化合物是一種簡便可行的設(shè)計(jì)思路.
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PreparationandperformanceofSchiffbasesfromO-carboxymethylchitosansodium,citralandp-hydroxybenzaldehyde
GUO Youhong*, LIN Shuisen, XIE Zhixin, XIE Nana, CHEN Jianxiong
(DepartmentofPharmacy,QuanzhouMedicalCollege,QuanZhou362000,Fujian,China)
Schiff’s base of carboxymethyl chitosan sodium was synthesized by the reaction of carboxymethyl chitosan sodium with citral andp-hydroxy benzaldehyde successively. The structure of these Schiff’s base derivatives were characterized by1H NMR and EA. It showed that the amino groups in carboxymethyl chitosan were reacted with citral andp-hydroxy benzaldehyde to form the Schiff’s base derivatives. The HLB value, surface tension, emulsifying ability and antibacterial properties of the products were also investigated. The results showed that these water-soluble products have potential as polymeric surfactant with macromolecular antimicrobial.
chitosan; Schiff’s base; citral; bacteriostat; polymeric surfactant
O636.9
A
1008-1011(2017)05-0628-05
2017-07-19.
泉州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014Z58), 泉州醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)?!皣夜歉稍盒=ㄔO(shè)”重點(diǎn)資助科研項(xiàng)目(XJ1303).
郭幼紅(1966-), 女, 副教授, 研究方向?yàn)榇蠓肿踊瘜W(xué)改性與應(yīng)用.*
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