固載β-環糊精陽離子淀粉的制備及在抗菌紙中的應用

董 超 葉 迎 錢麗穎,* 何北海 肖惠寧

(1.華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室,廣東廣州，510640；2.University of New Brunswick, Fredericton, New Brunswick, Canada，E3B5A3)

·抗菌紙·

固載β-環糊精陽離子淀粉的制備及在抗菌紙中的應用

董 超1葉 迎1錢麗穎1,*何北海1肖惠寧2

(1.華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室,廣東廣州，510640；2.University of New Brunswick, Fredericton, New Brunswick, Canada，E3B5A3)

研究了固載β-環糊精陽離子淀粉 (β-CD-CS)的合成條件，探討了β-CD-CS與鹽酸環丙沙星(CipHCl)制備的包合物在抗菌紙中的應用。結果表明，合成β-CD-CS最優條件是n(環氧氯丙烷)∶n(β-環糊精)=5∶1，反應溫度為40℃。將β-CD-CS與CipHCl制備的包含物添加到紙張中，隨著包合物用量的增加，紙張的抗張強度、撕裂強度和耐破強度都是先升高后降低；紙張的抗菌效果隨包合物用量的增加越來越明顯，當包合物用量為2.5%時，紙張對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌圈直徑分別為16.9 mm和16.3 mm。同時，相同包合物用量下紙張對大腸桿菌的抑菌圈直徑大于金黃色葡萄球菌的。

陽離子淀粉；β-環糊精；固載；抗菌效果；機械性能

(*E-mail：lyqian@scut.edu.cn)

紙質材料作為傳統生活用品之一，廣泛用于和人們生活密切相關的領域。為了防止紙張使用過程中有害細菌的傳播和交叉感染所引起的各種傳染病，保護人體的健康，研究和開發具有抗菌性能的生活和工業用紙具有重要意義[1]。

目前，抗菌紙的制備方法按抗菌劑在紙張中的引入方式可分為表面加工法(噴灑、施膠、涂布和浸漬等方法)、漿內添加法和纖維素改性法等[2]。這些制備方法雖然都能賦予紙張一定的抗菌性能，但都存在一定的局限性。如，噴灑法制備的抗菌紙存在抗菌劑分布不均勻的缺點；浸漬法制備抗菌紙耗時太長，不適應于大型高速紙機生產；表面施膠和涂布法制備的抗菌紙的抗菌效果會在深加工過程中隨存放時間、濕度變化而逐漸失效；漿內添加法制備抗菌紙雖然操作簡單，但由于抗菌藥物的分子質量一般較小，很容易在上網過程中隨白水流失，造成抗菌藥物用量過大，但保留在紙張中的抗菌成分很少，既增加了成本，又達不到良好的抗菌效果；纖維素改性法工藝復雜，不適合大規模的工業生產[3]。

環糊精(Cyclodextrin，CD)由淀粉經環糊精葡萄糖基轉移酶降解所得，是D-吡喃葡萄糖單元以α-1,4葡萄糖苷鍵相互連接而形成的一系列環狀麥芽低聚糖的總稱[4- 6]。它具有外側親水、內側疏水的空腔結構，可以和許多疏水性有機小分子特別是芳香類分子自發形成“包結配合物”(Inclusion Complexes)(以下簡稱包合物)，同時它分子上的羥基還可以與多種官能團進行反應形成環糊精衍生物，因此在醫藥、食品、化妝品、包裝材料、造紙、建筑材料等領域有著重要的用途[7-9]。將β-環糊精(β-CD)固載到陽離子淀粉(CS)上，利用固載到CS上的環糊精包合抗菌藥物，再以漿內添加的方式添加在紙張中用來制備具有抗菌性能的紙張[10-11]。這種方法制備的抗菌紙一方面利用CS在紙張中高效的留著率，克服了傳統的漿內添加方式制備抗菌紙存在的抗菌藥物流失問題，從而有效降低生產成本；另一方面通過環糊精對抗菌藥物的包合作用，控制藥物的釋放，進一步發揮其藥效、減小副作用。

本研究以CS為載體、環氧氯丙烷 (Epi)為交聯劑，在堿性條件下將β-CD固載到CS上，探討了Epi用量和反應溫度對固載物β-CD-CS中β-CD含量和陽離子取代度等指標的影響；將β-CD-CS與鹽酸環丙沙星(CipHCl)制備包合物，包合物再以造紙助劑的形式加入到紙漿中進行抄紙，研究了包合物用量對紙張物理性能及抗菌效果的影響。

1 實 驗

1.1 原料和儀器

針葉木漿：取自廣西某造紙廠，用Mark V1型PFI磨打漿至35°SR。CS取自廣西某造紙廠，陽離子取代度為0.037；β-CD，生化試劑，上海源聚生物科技有限公司；Epi，分析純，天津市福晨化學試劑廠；無水乙醇，分析純，天津市富宇精細化工有限公司。

Vector 33型傅里葉變換紅外光譜儀，德國Bruker公司；S-3700N型掃描電子顯微鏡，日本Hitachi公司；RK3AKWT型凱塞法紙頁成形器，奧地利PTI公司；CE062型抗張強度儀，瑞典L&W公司； 009型撕裂度儀，瑞典L&W公司；CE180耐破度測定儀，瑞典L&W公司。

1.2 實驗方法

1.2.1β-CD-CS的制備

室溫下，先將5 gβ-CD(4.4 mmol)溶于20 mL濃度為300 g/L NaOH溶液中。然后向該溶液中緩慢滴加一定量Epi，一定溫度下攪拌0.5 h。將糊化的2.5 g CS加入到反應體系中，繼續攪拌2 h，冷卻。加入無水乙醇，析出白色絮狀沉淀。離心分離，除去大部分堿和未反應的β-CD、Epi及其副產物。沉淀部分加少量蒸餾水溶解，用稀HCl中和至中性，再用無水乙醇沉淀，離心分離。然后用體積分數為50%的乙醇充分洗滌，去除殘余的β-CD和NaCl，最后置于75℃真空干燥箱中干燥24 h。產物的陽離子取代度采用GB 12091— 89的方法進行測定，β-CD的固載量采用酚酞分光光度法[12]進行測定。

1.2.2 包合物的制備

包合物采用研磨法制備。稱取1 gβ-CD-CS置于研缽之中，加入2 g水，研磨5 min，使之成為糊狀物；再稱取0.2 g CipHCl加入到研缽之中，繼續研磨20 min，使其與β-CD-CS混合均勻，在50℃下烘干，用乙醇洗滌，過濾干燥即得包合物。包合物中CipHCl的負載率采用紫外分光光度法[13]進行測定。

1.2.3 紙張抄造及其物理性能檢測

在漿料懸浮液中分別加入不同用量的包合物和CS抄紙，定量為60 g/m2?？箯垙姸劝碐B/T 453—2002進行測定；撕裂強度按GB/T 455—2002進行測定；耐破強度按GB/T 454—2002進行測定。

1.2.4 結構表征

用Vector33型傅里葉紅外光譜儀對β-CD、CS和β-CD-CS的化學結構進行表征；用S-3700N型掃描電子顯微鏡觀察不添加及添加包合物紙張的表面結構。

1.2.5 抗菌性能檢測

紙張抗菌效果采用抑菌圈法[7]進行檢測。使用已滅菌的移液槍移取大腸桿菌(2.5×107CFU/mL)和金黃色葡萄球菌(1.5×107CFU/mL)懸浮液各0.1 mL到平板培養皿上，用涂布棒涂布均勻。用打孔器取直徑為6 mm的紙樣，用已滅菌的鑷子將紙樣放入涂好菌懸液的平板培養基中。將制好的樣品放入37℃恒溫培養箱中培養24 h，用游標卡尺測量抑菌圈直徑，抑菌圈越大，說明抗菌效果越好。

2 結果與討論

2.1β-CD-CS的制備

圖1 Epi用量對產物陽離子取代度及 產物中β-CD固載量的影響

圖1為Epi用量對β-CD-CS陽離子取代度及β-CD固載量的影響。由圖1可知，隨著Epi用量的逐漸增加，β-CD的固載量先增大后減小，而陽離子取代度則是先減小后增大。這主要是因為隨Epi用量的增加，其交聯作用比較明顯，使得β-CD固載量升高，陽離子取代度下降；但是隨Epi用量繼續增加，大量淀粉支鏈開始交聯，β-CD固載到淀粉分子鏈上的空間位阻也逐漸增大，導致β-CD固載量下降。因為實驗中既要保證β-CD較高的固載量，又不能使CS的取代度過低，所以選擇n(Epi)∶n(β-CD)=5∶1。

圖4 不添加及添加包合物紙張的SEM圖

圖2 溫度對產物陽離子取代度及 產物中β-CD固載量的影響

圖2為溫度對β-CD-CS陽離子取代度及β-CD固載量的影響。由圖2可知，產物中β-CD的固載量隨反應體系溫度的升高先升高后降低，50℃時達到最大值。這是因為隨溫度的升高，反應速率增加，有利于反應的進行；但是溫度過高，反應物、反應產物的水解等副反應越來越明顯，反而不利于固載反應的進行。同時，產物的陽離子取代度隨著反應溫度的提高而呈現先減小后增大的趨勢，在溫度為50℃時產物的陽離子取代度最小?？紤]到產物中的β-CD固載量和陽離子取代度都要盡量高，因此選擇反應溫度為40℃是最合適的。

2.2 結構表征

圖3為CS、β-CD和β-CD-CS的紅外光譜圖。由圖3可知，CS、β-CD 和β-CD-CS之間有很多相似的特征吸收峰，這是因為CS和β-CD的結構單元都是葡萄糖。在3400 cm-1附近是—OH的伸縮振動吸收峰，2930 cm-1和1155 cm-1處是C—H和C—O的伸縮振動吸收峰，1082 cm-1和1006 cm-1附近是CH2—O—CH2伸縮振動吸收峰。與β-CD相比，CS和β-CD-CS上新增的1460 cm-1處是季銨基團上C—N 的伸縮振動吸收峰，并且β-CD-CS在此處的吸收強度下降，這主要是因為β-CD-CS上的陽離子取代度下降。

圖3 CS、β-CD和β-CD-CS的紅外光譜圖

將最優工藝條件下合成的β-CD-CS與CipHCl制備包合物，測定包合物中CipHCl的負載率為2.44%。

圖4為不添加及添加包合物抄造紙張的SEM圖。由圖4可知，當未添加包合物時，紙漿纖維分布松散，纖維之間孔隙較大，細小纖維較少；當包合物用量為2.5%時，纖維排布變得緊密，細小纖維明顯增多，纖維分布均勻，纖維間尤其是纖維與纖維的交叉處可以看到明顯的“架橋”結合；而當包合物用量為5.0%時，纖維排布混亂，纖維分布的均勻性變差，導致紙張的勻度下降。

2.3 包合物用量對紙張物理性能的影響

圖5 包合物和CS用量對紙張抗張強度的影響

圖5為包合物和CS用量對紙張抗張強度的影響。由圖5可知，在0～5.0%的用量范圍內，紙張的抗張強度隨著包合物和CS用量的增加而急劇上升，且在5.0%時達到了最大值，較未添加的紙張，紙張的抗張指數分別提高了45.4%、56.7%；當用量超過5.0%時，紙張的抗張強度下降。這是因為包合物和CS的加入增加了纖維的交織面積，即增加了形成氫鍵的機會，提高了纖維間結合力。所以適當添加包合物和CS可使紙張抗張強度急劇上升。但當用量超過5.0%時，由于漿料的負電荷有限，過多的陽離子助劑會造成纖維絮聚嚴重，纖維之間的分散性變差，紙張的勻度降低，從而使得紙張的抗張強度下降。另外，在相同用量下，包合物對紙張的增強作用略低于CS，因為包合物中除了有CS外，還有β-CD和CipHCl，并且包合物的陽離子取代度有所下降，其與纖維的作用力較CS相對弱一些。

圖6 包合物和CS用量對紙張撕裂強度的影響

圖6為包合物和CS用量對紙張撕裂強度的影響。由圖6可知，在0～2.5%的用量范圍內，紙張的撕裂強度隨著包合物和CS用量的增加而上升；當用量超過2.5%時，紙張的撕裂強度下降。這是因為影響撕裂強度的因素首先是纖維的平均長度，其次才是纖維間結合力[14]。紙張抄造過程中添加了包合物和CS，增加了纖維間結合力，使得紙張撕裂強度增大；但與此同時細小纖維的留著，降低了纖維平均長度，另外包合物和CS用量過大會使紙張勻度下降，這些都導致紙張撕裂強度下降。當用量小于2.5%時，纖維間結合力占主導地位，紙張撕裂強度變大；當用量超過2.5%時，纖維平均長度下降占主導地位，因此撕裂強度有所下降。

圖7為包合物和CS用量對紙張耐破強度的影響。由圖7可知，在0～7.5%用量范圍內，紙張的耐破強度隨包合物和CS用量的增加而增大，當用量超過2.5%時，耐破強度增長趨勢趨于平緩；當用量超過7.5%時，紙張的耐破強度下降。這主要是因為影響耐破強度的因素是纖維間結合力和纖維的平均長度，添加包合物和CS能顯著提高纖維間結合力，所以適當添加包合物和CS能提高耐破強度；但是另一方面隨著CS的添加，助留了大量的細小纖維，降低了纖維的平均長度，并且當用量過大時，紙漿發生絮聚，紙張的勻度降低，這些都降低了紙張的耐破強度。

圖7 包合物和CS用量對紙張耐破強度的影響

2.4 紙張抗菌效果檢測

表1為添加不同用量包合物時，紙張對大腸桿菌和金黃色葡萄糖菌抑菌圈直徑的影響。由表1可知，沒有添加包合物時，紙張上沒有出現抑菌圈(如圖8所示)，即沒有抑菌效果；隨著包合物用量的增加，紙張的抑菌圈直徑增大，說明紙張的抑菌效果越明顯。當包合物用量為2.5%，紙張對大腸桿菌和金黃色葡萄糖菌的抑菌圈直徑分別16.9 mm和16.3 mm。當包合物用量從2.5%增至7.5%時，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌圈直徑分別增加了7.1 mm和6.1 mm；同時，相同包合物用量下紙張對大腸桿菌的抑菌圈直徑大于金黃色葡萄球菌的，說明CipHCl對大腸桿菌的抑菌效果比對金黃色葡萄球菌的更強，這主要是因為革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌的細胞壁結構存在差異[15]。

表1 不同包合物用量下紙張的抑菌效果

圖8 包合物用量對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的 抑菌效果

3 結 論

3.1 合成固載β-環糊精陽離子淀粉(β-CD-CS)的最優化條件是：n(EPi)∶n(β-CD)=5∶1，反應溫度為40℃,m(β-CD)∶m(CS)=2∶1，NaOH濃度為300 g/L。在此條件下合成產物中β-CD固載量為14.3%，陽離子取代度為0.027。

3.2 隨著鹽酸環丙沙星(CipHCl)與β-CD-CS制備的包合物用量的增加，紙張的抗張強度、撕裂強度與耐破強度都是先升高后降低，其變化趨勢與加入CS的紙張基本一致。

3.3 CipHCl與β-CD-CS制備的包合物具有良好的抑菌效果，且隨著包合物用量的增加，紙張的抑菌效果越來越明顯。當包合物用量為2.5%時，對大腸桿菌與金黃色葡萄球菌的抑菌圈直徑分別為16.9 mm和16.3 mm。

[1] Huang Chong-xing, Bao Ruo-lu, Duan Dan-dan. Advances in researches of antimicrobial paper[J]. Packaging Journal, 2009, 1(1): 34. 黃崇杏, 鮑若璐, 段丹丹. 抗菌紙的研究進展 [J]. 包裝學報, 2009, 1(1): 34.

[2] YUAN Lin, QIAN Xue-ren. Research & Development Situation and Trend of Antibacterial Paper at Home and Abroad [J]. China Pulp & Paper, 2013, 32(2): 56. 袁 麟, 錢學仁. 國內外抗菌紙的研發進展與發展趨勢 [J]. 中國造紙, 2013, 32(2): 56.

[3] YANG Kai-ji, SU Wen-qiang, CHEN Jing-huan. Development and Application of Multifunctional Antibacterial Paper [J]. China Pulp & Paper, 2007, 26(9): 44. 楊開吉, 蘇文強, 陳京環. 多功能抗菌紙的開發與運用 [J]. 中國造紙, 2007, 26(9): 44.

[4] Dong Chao, Liang Xiang-tao, Qian Li-ying, et al. Preparation of cellulose fiber immobilized withβ-cyclodextrin and its effect on paper properties [J]. Paper Science & Technology, 2012, 31(6): 49. 董 超, 梁祥濤, 錢麗穎, 等.β-環糊精在纖維素纖維上的固載及其對紙張性能的影響 [J]. 造紙科學與技術, 2012, 31(6): 49.

[5] Kurkov S V, Ukhatskaya E V, Loftsson T. Drug/cyclodextrin: beyond inclusion complexation [J]. J. Inclusion Phenom Macrocyclic Chem., 2011, 69(3/4): 297.

[6] Liao Cai-zhi. Research advance on application ofβ-cyclodextrin [J]. Science & Technology in Chemical & industry, 2010, 18(5): 69. 廖才智.β-環糊精的應用研究進展 [J]. 化工科技, 2010, 18(5): 69.

[7] Qian L Y, Guan Y, Ziace Z, et al. Rendering cellulose fibers antimicrobial using cationicβ-cyclodextrin-based polymers included with antibiotics [J]. Cellulose, 2009, 16: 309.

[8] Wang Jian-hua, Wu Chun-cao. Modification technology of cyclodextrin and their applications in different fields[J]. Materials Review, 2008, 22(10): 364. 王建華, 伍淳操. 環糊精材料的改性技術及其在不同領域的應用 [J]. 材料導報, 2008, 22(10): 364.

[9] Bajpai M, Gupta P, Bajpai S K. Silver (I) ions loaded cyclodextrin-grafted-cotton fabric with excellent antimicrobial property[J]. Fibers Polymers, 2010, 11(1): 8.

[10] Song Bei, Peng Jian-jun. The application of cyclodextrin and its derivatives in papermaking[J]. Paper Chemicals, 2011, 23(6): 1. 宋 蓓, 彭建軍. 環糊精及其衍生物在造紙中的應用進展[J]. 造紙化學品, 2011, 23(6): 1.

[11] LIU Ze-hua, ZHAO Yu-hong, SHUANG Jin-ling, et al. Cationic Starch Immobilizedβ-cyclodextrin and Its Application in Simulative Papermaking Wastewater Treatment [J]. China Pulp & Paper, 2007, 26(7): 16. 劉澤華, 趙玉紅, 雙金玲, 等. 陽離子淀粉固載β-環糊精用于廢水處理 [J]. 中國造紙, 2007, 26(7): 16.

[12] Li Ming-shi, Zhang Fan. Spectrophotometry ofβ-cyclodextrin [J]. Chinese Journal of Analytical Chemistry [J]. Analytical Chemistry, 1998, 26(7): 912. 李明時, 張 帆.β-環糊精的分光光度測定 [J].分析化學, 1998, 26 (7): 912.

[13] Peila R, Migliavacca G, Aimone F, et al. A comparison of analytical methods for the quantification of a reactiveβ-cyclodextrin fixed onto cotton yarns [J]. Cellulose, 2012, 19(4):1097.

[14] He Bei-hai, Zhang Mei-yun. Paper principle and engineering[M]. Beijing: China Light Industry Press, 2010.8. 何北海, 張美云. 造紙原理與工程 [M]. 北京: 中國輕工業出版社, 2010.

(責任編輯：劉振華)

Preparation of Cationic Starch Immobilized byβ-Cyclodextrin and Its Application in Antibacterial Paper

DONG Chao1YE Ying1QIAN Li-ying1，*HE Bei-hai1XIAO Hui-ning2

(1.StateKeyLabofPulpandPaperEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,GuangdongProvince, 510640;2.UniversityofNewBrunswick,Fredericton,NewBrunswick,Canada, E3B5A3)

The preparation of cationic starch immobilized byβ-cyclodextrin (β-CD-CS) and its application in papermaking after forming inclusion complexes with ciprofloxacin hydrochloride (CipHCl) were studied. The results showed that the optimal conditions of synthesizingβ-CD-CS were as follows: the molar ratio of epichlorohydrin toβ-CD was 5∶1 and the reaction temperature was at 40℃. With the amount ofβ-CD-CS used for forming the inclusion complex increasing, the tensile strength, tear strength and bursting strength of the paper sheets increased firstly and then decreased. It also showed that the antibacterial effect of the paper sheets containing the inclusion complexes was excellent and increased with the higher adding amount of the inclusion complexes. When the adding amount of the inclusion complexes was 2.5%, the inhibition zones of the paper sheets against E.coli and S.aureus were 16.9 mm and 16.3 mm respectively.

cationic starch;β-cyclodextrin; immobilization; antibacterial effect; mechanical properties

董 超先生，在讀碩士研究生；研究方向：造紙化學品與造紙濕部化學。

2013- 09- 22(修改稿)

國家自然科學基金項目(31200457)和中央高?；究蒲袠I務費(2013ZZ0072)專項資金資助。

TS727+.2

A

0254- 508X(2014)02- 0011- 05

*通信作者：錢麗穎女士，E-mail：lyqian@scut.edu.cn。