趙樹(shù)強(qiáng) 寧晚娥 林海濤 黃繼偉 陶立全

摘要： 為了改善殼聚糖在水中的溶解性，將氯化縮水甘油三甲基銨與殼聚糖反應(yīng)，在一定條件下合成了殼聚糖季銨鹽（HACC），并將其用于木薯蠶絲的改性處理，采用紅外光譜儀、X射線衍射儀及熱分析方法對(duì)處理前后木薯蠶絲的結(jié)構(gòu)，以及熱學(xué)性能進(jìn)行表征與分析。研究表明，從X射線衍射圖譜和紅外光譜圖譜來(lái)看，HACC的化學(xué)改性使木薯蠶絲纖維中的部分結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，而且抗菌整理后的木薯蠶絲對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌有較好的抗菌持久性。另外，從熱分析的測(cè)試結(jié)果來(lái)看，抗菌整理后的木薯蠶絲的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與未整理相比變得更加緊密且熱穩(wěn)定性增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞： 殼聚糖；木薯蠶絲；金黃色葡萄球菌；抗菌持久性；熱穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)： TS195.644文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)： 10017003（2018）07001308引用頁(yè)碼： 071103

Application of chitosan quaternary ammonium salt in antibacterial finishing of cassava silk

ZHAO Shuqiang1，2， NING Wane1，2， LIN Haitao1，2， HUANG Jiwei1，2， TAO Liquan3，4

（1.College of Biological and Chemical Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China；

2.Guangxi Sugar Resource Green Processing Key Laboratory， Liuzhou 545006， China； 3.Liuzhou Product Quality Supervision Testing

Institute， Liuzhou 545006， China； 4.National Cocoon and Silk Quality Supervision and Inspection Center （Liuzhou）， Liuzhou 545006， China）

Abstract： In order to improve the solubility of chitosan in water， trimethylammonium chloride reacted with chitosan to synthesize chitosan quaternary ammonium salt （HACC） under certain conditions and it was used for the modification of cassava silk. Infrared spectroscopy， Xray diffractometer and thermal analysis methods were used to characterize and analyze the structure and thermal properties of cassava silk before and after treatment. The research results show that， from the Xray diffraction spectrum and the infrared spectrum， the chemical modification of HACC causes some changes in the structure of cassava silk fiber， and the cassava silk after antibacterial finishing has better antibacterial persistence to staphylococcus aureus and escherichia colim. In addition， from the test results of thermal analysis， the internal structure of cassava silk after antibacterial finishing becomes righter and the thermal stability is enhanced compared with the untreated one.

Key words： chitosan； cassava silk； staphylococcus aureus； antibacterial persistence； thermal stability

收稿日期： 20171212； 修回日期： 20180510

基金項(xiàng)目： 廣西科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（桂科AA16380045）

作者簡(jiǎn)介： 趙樹(shù)強(qiáng)（1987），男，碩士研究生，研究方向?yàn)槔O絲綢新工藝與新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。通信作者：林海濤，教授，lhthost@163.com。殼聚糖[1]作為一種相對(duì)廉價(jià)、易于獲得的生物高分子材料，由于具有優(yōu)良的生物相容性、可控的降解性和對(duì)人體無(wú)毒等特性，使其在食品[24]、生物醫(yī)學(xué)材料[5]、廢水處理、紡織品整理等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[6]。然而由于殼聚糖難溶于水，一定程度上限制了其應(yīng)用，因此對(duì)其進(jìn)行改性成為了許多學(xué)者的研究熱點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，殼聚糖季銨鹽作為殼聚糖的改性產(chǎn)物[78]，不僅具有殼聚糖的優(yōu)良特性，還具有優(yōu)于殼聚糖的特性（如抗菌持久性[9]、吸濕、放濕性等），使其在功能材料、紡織品整理等有著比殼聚糖更廣泛的應(yīng)用[1011]。

木薯蠶絲（野蠶絲）作為一類性能優(yōu)良的天然蛋白紡織纖維，以其為原料制作而成的寢被用品、絲綢裝飾品等紡織品手感爽滑、光澤鮮亮，一直以來(lái)深受人們的喜愛(ài)。然而隨著人們?nèi)找嬖鰪?qiáng)的保健意識(shí)，他們對(duì)一些木薯蠶絲面料有了更高的保健服用要求，如一些木薯蠶絲面料使用一段時(shí)間后，會(huì)出現(xiàn)纖維板結(jié)、起毛、水漬、異味等問(wèn)題。因此有必要對(duì)其進(jìn)行改性，以提高其服用性能。目前對(duì)木薯蠶絲的結(jié)構(gòu)及功能整理方面的研究也有一定的成果，如楊瑩瑩等[1213]通過(guò)對(duì)比分析的方法，對(duì)一些野蠶絲進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究，木薯蠶絲的部分性能指標(biāo)（如回潮率、伸長(zhǎng)度、熱傳導(dǎo)系數(shù)、斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率等）均優(yōu)于桑蠶絲，同時(shí)也具有較強(qiáng)的耐酸堿性、耐磨性及抗壓性[14]，具有優(yōu)異的力學(xué)性能；姜為青等[15]采用凹土膠體改性處理木薯蠶絲，當(dāng)凹土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10%時(shí)，木薯蠶絲對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率分別為88.9%和84.3%。然而關(guān)于殼聚糖季銨鹽在木薯蠶絲抗菌整理方面的研究卻鮮有報(bào)道，為此本文采用自制的殼聚糖季銨鹽（HACC）對(duì)木薯蠶絲進(jìn)行改性整理，并對(duì)其工藝進(jìn)行研究，形成的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)完善已有成果的木薯蠶絲整理工藝具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1實(shí)驗(yàn)

1.1材料與試劑

木薯蠶絲（實(shí)驗(yàn)室處理），滲透劑（JFC，宜興市可信的化工有限公司），三乙醇胺（廣州廣醇化工科技有限公司），檸檬酸（天津市大茂化學(xué)試劑廠），殼聚糖（脫乙酰度80%～90%）、氯化縮水甘油三甲基銨、異丙醇、乙醇（均為化學(xué)純）。

1.2儀器

Y（B）802N八籃恒溫烘箱、WSB3A白度計(jì)（溫州大榮紡織儀器有限公司），YB71旦尼爾電子天平（常州市幸運(yùn)電子設(shè)備有限公司），HH6數(shù)顯恒溫水浴鍋（國(guó)華電器有限公司），S570型掃描電子顯微鏡（日本日立公司），Discovery TGA 55熱重分析儀、Q2000差示掃描量熱儀（美國(guó)TA儀器公司）。

2方法

2.1抑菌率測(cè)試

按照FZ/T73023—2006《抗菌針織品》中附錄D的振蕩法對(duì)木薯蠶絲的抗菌性能進(jìn)行測(cè)定[16]，其抑菌率公式如下：

抑菌率/%=A-BA×100（1）

式中：A為未處理木薯蠶絲上的菌落數(shù)；B為HACC整理的木薯蠶絲上的菌落數(shù)。

2.2白度的測(cè)定

將實(shí)驗(yàn)前后檢測(cè)白度的木薯蠶絲做一些前處理，然后將其均勻放入試驗(yàn)盒，用標(biāo)準(zhǔn)白度板來(lái)校準(zhǔn)過(guò)的WSB3A白度計(jì)對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試3次，取平均值。

2.3手感

挑選一定數(shù)量的成年人組成木薯蠶絲手感測(cè)定小組，每間隔一段時(shí)間，每位組員要對(duì)抗菌整理后的木薯蠶絲進(jìn)行單獨(dú)手感測(cè)試[17]，記錄下木薯蠶絲手感好壞的測(cè)試結(jié)果，并對(duì)記錄結(jié)果運(yùn)用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理。結(jié)果用進(jìn)行評(píng)定：表示手感較差，表示手感一般，表示手感好，表示手感較好。本文中的測(cè)試小組為8人組，分別是4男4女，年齡在20～25歲。

2.4殼聚糖季銨鹽的制備

向三口燒瓶分別加入1.5～2.5g殼聚糖、25～35mL的異丙醇，水浴加熱，并讓其升溫至65～95℃，緊接著向其加入一定量的氯化縮水甘油三甲基銨水溶液，讓其在恒定的溫度下反應(yīng)8～12h，然后過(guò)濾，并用無(wú)水乙醇浸泡洗滌后，在索氏提取器中抽濾24h，最后將其產(chǎn)物在一定溫度（65～95℃）下干燥，即得HACC[18]。

2.5HACC抗菌溶液的配制

將5g/L的HACC、2%檸檬酸（相對(duì)木薯蠶絲質(zhì)量百分比）、1%三乙醇胺（相對(duì)木薯蠶絲質(zhì)量百分比）、0.5%滲透劑（JFC）（相對(duì)木薯蠶絲質(zhì)量百分比）配置成HACC溶液，其中浴比為1︰50。

2.6HACC整理工藝

通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)確定HACC整理劑濃度、浸漬溫度、滲透劑、浸漬時(shí)間為木薯蠶絲抗菌整理的因素水平，選擇正交表設(shè)計(jì)四因素三水平共9組正交實(shí)驗(yàn)，對(duì)其進(jìn)行木薯蠶絲抗菌整理，重復(fù)3次，方案如表1所示。

從圖1的傅里葉紅外光譜曲線中可以看出，殼聚糖與殼聚糖季銨鹽（HACC）的紅外光譜曲線圖[1920]大體上相似，如殼聚糖季銨鹽（HACC）與殼聚糖在3444.83cm-1處均有吸收峰，說(shuō)明二者的結(jié)構(gòu)中均含有羥基。然而，從殼聚糖季銨鹽（HACC）的紅外光譜曲線中發(fā)現(xiàn)，殼聚糖季銨鹽（HACC）在1597cm-1（聚糖中的伯胺N—H面內(nèi)彎曲振動(dòng)強(qiáng)吸收峰[21]）處的紅外吸收峰消失，而在1639cm-1（季銨基團(tuán)上甲基的C—H伸縮振動(dòng)峰[22]）處出現(xiàn)了新吸收峰，說(shuō)明在殼聚糖分子的—NH2基上發(fā)生了取代反應(yīng)，即—NH2基上的H被季銨鹽基團(tuán)部分取代。

3.2整理前后木薯蠶絲的熱學(xué)性能

3.2.1木薯蠶絲表面的形貌變化

傷；而經(jīng)殼聚糖季銨鹽處理后的木薯蠶絲表面出現(xiàn)了很多細(xì)小的白色顆粒物質(zhì)，說(shuō)明殼聚糖季銨鹽（HACC）在檸檬酸和滲透劑（JFC）的作用下，通過(guò)一定的途徑（吸附與交聯(lián)）成功地附著在了木薯蠶絲的表面。

后的木薯蠶絲的全譜圖如圖3（b）所示，也有三個(gè)顯著的譜峰，其結(jié)合能分別為：397.93eV（N1s峰）、287.08eV（C1s峰）、533.29eV（O1s峰）。木薯蠶絲經(jīng)過(guò)殼聚糖季銨鹽（HACC）處理后，全譜圖中N1s峰的結(jié)合能從原來(lái)的400.06eV變?yōu)榱?97.93eV，而其他兩個(gè)顯著峰（C1s峰和O1s峰）不變。另外，從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，木薯蠶絲纖維表面元素中C元素含量有所增加，可能是木薯蠶絲纖維表面處理液中檸檬酸與HACC中的C元素含量與木薯蠶絲纖維相比較高

木薯蠶絲樣品表面元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%CON其他處理前81.3410.326.242.10處理后83.479.544.982.01而N、O元素含量明顯降低，可能是HACC通過(guò)不同的方式（吸附與交聯(lián)）改性處理木薯蠶絲，使得木薯蠶絲中N元素的含量有所降低。

3.2.3X射線衍射分析

圖4分別為HACC處理木薯蠶絲前后的X射線衍射圖譜，其中11.8°附近為α螺旋結(jié)構(gòu)的衍射峰，而16.5°、20.2°、24.9°、30.9°附近為β折疊結(jié)構(gòu)的衍射峰。由圖4可知，HACC改性處理后的木薯蠶絲X射線衍射曲線大體上類似，但是其衍射峰卻較之前上升了些許，如HACC改性處理后的木薯蠶絲在11.49°、16.72°、20.64°、24.68°、30.61°處較之前有較強(qiáng)的衍射特征峰。說(shuō)明木薯蠶絲里的晶體形態(tài)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了局部變化，可能是HACC改性處理后的木薯蠶絲纖維中的部分無(wú)規(guī)線團(tuán)構(gòu)象的絲蛋白分子鏈[2325]受到溫度、HACC、檸檬酸、滲透劑（JFC）等因素的影響，向能量更低且更穩(wěn)定的β折疊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。

1（酰胺Ⅱ[27]）等；同時(shí)HACC改性處理的木薯蠶絲在1480cm-1處產(chǎn)生了吸收峰，說(shuō)明HACC的改性處理使得木薯蠶絲纖維上含有一些季銨基團(tuán)，改變了木薯蠶絲纖維里的部分結(jié)構(gòu)，使其結(jié)構(gòu)更緊密且穩(wěn)定。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，它們?cè)谡w結(jié)構(gòu)上沒(méi)有明顯差異，與木薯蠶絲X射線衍射及木薯蠶絲的XPS分析處理的結(jié)果大體上是一樣的。

理后的木薯蠶絲受熱分解產(chǎn)生的最大峰值溫度相比之前略高，可能是HACC對(duì)木薯蠶絲的改性處理使絲素蛋白中的部分結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使其更加緊密且穩(wěn)定。

3.3HACC處理木薯蠶絲的工藝優(yōu)化

3.3.1木薯蠶絲抗菌整理工藝參數(shù)優(yōu)選

將抗菌處理后的木薯蠶絲分別自然放置不同的時(shí)間后，測(cè)試其抗菌性能，如表5所示。

從表5可知，木薯蠶絲自然放置6周后，木薯蠶絲對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率均大于98%，然而當(dāng)木薯蠶絲自然放置16周后，對(duì)金黃色葡萄球菌的抑菌率為98%，而對(duì)大腸桿菌的抑菌率雖下降為90%，仍達(dá)到了抗菌要求，說(shuō)明木薯蠶絲對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌有較好的抗菌持久性。

3.3.3木薯蠶絲耐洗抗菌持久性

將抗菌芳香處理后的木薯蠶絲分別水洗0次、2次、4次、6次、8次、10次、12次后，測(cè)試其抗菌性能，如表6所示。

4結(jié)論

選用自制的殼聚糖季銨鹽（HACC）整理劑改性處理木薯蠶絲，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)確定了木薯蠶絲抗菌整理的最優(yōu)工藝：HACC整理劑濃度為8g/L，0.8%滲透劑（JFC），浸漬時(shí)間為20min，浸漬溫度為60℃。在此工藝下處理的木薯蠶絲對(duì)金黃色葡萄球菌有較好的抗菌持久性，符合國(guó)家織物抗菌的優(yōu)質(zhì)要求，同時(shí)木薯蠶絲的改性整理也使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊密且熱穩(wěn)定性增強(qiáng)。

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