1、第22卷第1期 纺织高校基础科学学报 Vo122，No1 2009年3月 BASIC SCIENCES JOURNAL OF TEXTILE UNIVERSITIES March，2009 文章编号：1006 8341(2009)01-0085-05 季铵盐改性壳聚糖的制备及抗菌性能研究 刘 新，陈海相，陈维国 (浙江理工大学材料与纺织科学学院，浙江杭州310018) 摘要：将2，3 环氧丙基三甲基氯化铵接枝到壳聚糖的氨基上制备了水溶性壳聚糖季铵盐 (I-tTCC)讨论了反应物摩尔比、反应时间、反应温度和水用量等因素对季铵盐改性壳聚糖的取 代度(DS)及反应效率的影响通过红外光谱、核磁共振氢谱
2、和化学滴定法对其结构进行了表征， 同时测试了季铵盐改性壳聚糖对金黄色葡萄球茵的抗茵活性，与改性前壳聚糖相比，杀菌效果有 了很明显地提高 关键词：壳聚糖；季铵盐；合成；改性；抗茵活性 中图分类号：0 6361 文献标识码：A 0 前 言 壳聚糖(Chitosan)是一种天然高分子物质，具有生物可降解性、生物相容性、生物无毒性和抗菌活性 等特点，符合绿色环保要求，使其成为天然抗菌剂开发的研究热点之一壳聚糖溶于酸性溶液中形成聚 阳离子，具有一定的保湿、抑菌作用 ，但壳聚糖在pH值大于65的中性及碱性水溶液中不溶解 为 了改善壳聚糖的水溶性，保持分子的阳离子性能，在壳聚糖分子中引入季铵盐成为壳聚糖衍生
3、物研究的热 点领域之一 引采用季铵盐环氧化合物将其进行改性，不仅可以改善其水溶性，也能大大提高其抗菌性， 促进其应用性能的提高和应用范围的扩大 1 实 验 11仪器与试剂 (1) 原料壳聚糖(Chitosan)(脱乙酰度为85，分子量为8O万，济南海得贝生物有限公司)；2，3 环氧丙基三甲基氯化铵(GTMAC)(山东东营国丰精细化工有限公司)；AgNO ，NaC1，乙醇，乙酸，丙酮， NaC!，KH PO ，Na HPO 均为分析纯试剂；琼脂，蛋白胨，牛肉膏均为生化试剂 (2) 仪器D一60型电动搅拌器；TDA8002型电热恒温水浴锅；BS224S型电子分析天平；Nicolet 5700傅立叶
4、红外光谱仪(美国尼高力公司)；Avance。Av400型核磁共振仪(德国Bruker公司)；立式电热压 力蒸汽灭菌锅；生化培养箱；无菌操作台 (3) 菌种金黄色葡萄球菌(ATCC 6538)由浙江理工大学生命科学学院提供 12季铵盐壳聚糖(HTCC)的制备 称取一定量壳聚糖和醚化剂GTAMC于直形玻璃筒中，室温搅拌均匀；然后称取一定量NaOH用适量 水溶解后加入混和物中，室温下继续搅拌1h后，在一定温度下反应一定时间，得到粘稠状固体粗品粗产 品用80(vv)乙醇水溶液浸泡，并用少量乙酸调节pH至中性，浸泡24h接着用无水乙醇抽滤、洗涤，以 收稿日期：2008-08-04 通讯作者：陈维国(19
5、62一)，男，浙江省温岭市人，浙江理工大学教授 E-mail：wgehen62126corn 86 纺织高校基础科学学报 第22卷 无水乙醇为溶剂用索氏萃取器萃取24h产品70真空干燥过夜，即得淡黄色粉末状季铵盐壳聚糖 13样品精制 HTCC(1g)溶于20mL蒸馏水中，用3G砂芯漏斗过滤，滤液用足量的丙酮沉淀、过滤得到的沉淀以少 量蒸馏水溶解，用分子量1 X 10 的渗析膜透析2d，并时常更换蒸馏水待浓缩到一定体积时，加入足量的 丙酮重新沉淀抽滤，固体真空干燥，所得样品供IR和 H NMR分析用 14 HTCC季铵盐平均取代度(DS)的测定 称取5g铬酸钾(K CrO )溶于少量蒸馏水中，滴
6、加硝酸银溶液至有红色沉淀生成摇匀，静置12h，然 后过滤并用蒸馏水将滤液稀释至100mL，待用取01gHTCC溶于50mL水中，置于锥形瓶中另取一锥形 瓶加人50mL蒸馏水作空白试验加入1mL铬酸钾溶液，用硝酸银标准溶液滴定至砖红色沉淀刚刚出现即 为滴定终点 DS=(v2一 )X M10 (a314) 式中 (mL)为蒸馏水消耗AgNO，标准溶液量， (mL)为试样消耗AgNO，标准溶液量，M(molL)为 AgNO 标准溶液浓度，a为阳离子壳聚糖的质量，314为季铵盐壳聚糖的摩尔质量 15红外光谱分析 采用Nicolet 5700傅里叶红外光谱样品KBr压片，以KBr为参比，进行测定波长选择
7、400 4 000cm 16 HNMR测试 季铵盐壳聚糖衍生物溶解在D O中，取少量饱和溶液于NMR的容器中进行 HNMR测试 17抗菌测试”叫 用接种环轻轻划取一环金黄色葡萄球菌菌落接种至100mL营养肉汤中，于37(2恒温摇床上150rmin 培养1824h，配制生理盐水将菌悬液稀释至30 X 10。CFUmL，以备抗菌测试 用01 molL HC1溶解HTCC，然后用标准NaOH溶液中和过量盐酸，调节pH值至中性左右，分别配 制出4个不同浓度(分别为005、010、025、050)的HTCC稀释液以相同pH值的NaOH HC1水溶液做空白实验，同时用相同pH值的壳聚糖中性水溶液及GTMA
8、C中性水溶液作对比实验取 1mL菌悬液加入到不同浓度待测样品溶液中，置于37qC恒温摇床上150rmin培养1h，取01mL作1O倍 梯度稀释，最后取1mL该液作活菌计数，置人普通营养琼脂平板并涂匀，于37C下培养24 h，观察各试样 上细菌生长情况，计算平均菌落数，并计算杀菌率R=(AB)BX 100，R为细菌菌落减少百分数(即 杀菌率) 2 结果与讨论 21 季铵盐改性壳聚糖的取代度(DS)及反应效率 影响季铵盐壳聚糖制备的因素有很多，其中主要的影响因素是醚化剂的用量、反应时间、反应温度、体 系水含量等 (1) 醚化剂用量对取代度(Ds)和得率的影响 由图1可知，随着醚化剂用量的增加，取代
9、度先增大 后减小，反应效率随着醚化剂用量的增加也是先增大后减少在壳聚糖与醚化剂的摩尔比为1：3时，取代 度最大，反应效率也最高当醚化剂用量增大时，可供取代的氨基相对量减少了，多余的醚化剂由于空间位 阻的增大，不易进行取代，使反应效率降低同时在醚化剂中含有少量的残余环氧氯丙烷及其副产物，有可 能交联壳聚糖，阻止了壳聚糖与醚化剂的充分反应，使取代度出现了先增大后略有减少的趋势综合考虑， 壳聚糖与醚化剂的摩尔比定为1：3 (2) 反应时间对取代度(Ds)和反应效率的影响 由图2可以看出，反应时间延长，有利于壳聚糖粉 末颗粒在反应中充分地膨胀，提高了反应物之间相互碰撞的几率，反应得到充分进行，当反应时
10、间为3h 时，产品取代度为113，产品得率为810；但反应时问过长时，壳聚糖易成黏状，醚化剂不易渗透到壳聚 糖颗粒中，反应效率有所降低，并且随着反应时间的延长，醚化剂会水解，并且水解的速度会随反应时间的 延长而加剧，使制得的阳离子壳聚糖的取代度和反应效率降低因此，反应时间以3h为宜 (3) 反应温度对取代度(Ds)和反应效率的影响 由图3可以看出，随着反应温度的升高，产品的取 第1期 季铵盐改性壳聚糖的制备及抗菌性能研究 87 1 1 1 O O 0 0 0 0 O 、 斟 贬 壳聚糖醚化剂(犀尔比) 反应时间h 图1 醚化剂用量对取代度(DS)和得率的影响 图2反应时间对取代度(DS)和得率
11、的影响 一一取代度(DS)；一口一得率 代度和反应效率都有所提高，当反应温度为80C时，所制得产品的取代度为112，产品得率为8352因 为反应温度升高，壳聚糖高分子无定形区开始吸水膨胀，结晶束开始具有弹性，并且使水的溶剂作用增大， 导致液体对壳聚糖颗粒高度渗透；同时温度升高有利于提高反应试剂的流动性，使醚化剂更容易渗透到壳 聚糖颗粒中，反应接触的有效面积增大，反应物的分子活性也得到了提高，从而提高了产品的取代度和得 率；但是在温度过高时会促进水溶性壳聚糖和醚化剂的分解，对反应起负面影响因此，反应温度在80C 左右为宜 1 1 O 0 0 O O O 0 1 1 1 1 O 0 O 0 0 O
12、 O 反应温度X2 含水率 图3反应温度对取代度(DS)和得率的影响 图4体系水含量对取代度(DS)和得率的影响 一一取代度(DS)；一口一得率 (4) 体系水含量对取代度(DS)和反应效率的影响 由图4可以看出，当体系水含量小于20时， 容器内出现粘稠现象，反应无法进行随着体系水含量的增加，产品得率和产品的取代度都有所增加当体 系水含量为40时，产品取代度为123，反应效率为805l；体系水含量继续增加，产品的取代度和反应 效率有所降低这是因为体系水含量太少时，壳聚糖和醚化剂不能充分混合，使反应无法进行；但当体系水 含量超过一定值时，又会导致醚化剂与水溶性壳聚糖的水解，使产品的取代度和反应效
13、率降低因此，体系 水含量在40左右为宜 22季铵盐改性壳聚糖的结构表征 从图5所示红外谱图，在波长1 5950em 处的吸收代表了壳聚糖上的一NH 发生振动在HTCC的 红外谱图中可以看到，在波长1 5950emI1处的吸收消失了，而在1 6391em 处出现了一个吸收峰，说明 了原壳聚糖上的一NH：已发生改变，已与GTMAC反应在1 4760em 处的吸收代表季铵基团甲基的 cH键的伸缩振动在3 4000em 处HTCC的吸收峰变宽，说明-OH的吸收变强，同时也说明了阳离 子醚化剂基本上与壳聚糖的氨基上发生取代，基本不与苯环上的羟基反应图6的 HNMR谱图在 =3 l 1 O O O 0 O
14、 O O 醛 88 纺织高校基础科学学报 第22卷 祷 捌 魁 b 3500 3000 2500 2000 1 500 1000 500 波数cm 35O 3O0 25O 2O0 15O 1 图5(a)壳聚糖和(b)HTCC的红外图谱 图6 HTCC的HNMR谱图 附近出现了很明显的强峰，此峰代表的是季铵基团一N (CH，) 这说明在所选择的反应条件下，季铵基 壳聚糖衍生物确实已形成 23季铵盐改性壳聚糖杀菌性能分析 由图7可知，HTCC的杀菌性较壳聚糖大大提高， 且随着浓度的提高，抗菌性增强；而季铵盐醚化剂GT MAC的杀菌性很有限；且HTCC的抗菌性随着抗菌剂 浓度的提高，抗菌性越来越强；
15、HTCC的抗菌性还随其 取代度提高而增强，抗菌剂HTCC浓度达到001抗 菌效果就可达到90以上 3 结 论 (1) 从醚化剂用量、反应时问、反应温度、体系水 含量对取代度(DS)和得率的影响等方面，优化了2，3 环氧丙基三甲基氯化铵对壳聚糖进行接枝改性的工 艺，认为当壳聚糖与醚化剂的摩尔比为1：3、体系水含 量40左右时，在温度80左右反应3h可以得到最佳 的取代度和反应效率； 抗菌剂浓度 图7抗菌剂杀菌效果(测试菌种为金黄色葡萄球菌) (2) 红外光谱和核磁共振分析表明反应形成了期望的产物季铵盐改性壳聚糖(HTCC) (3) 尽管单独的小分子季铵盐GTMAC本身的抗菌性并不高，但经季铵盐改
16、性的壳聚糖与改性前壳 聚糖相比，对金黄色葡萄球菌的抗菌性有十分显著的提高，说明在壳聚糖分子中引入季铵盐后，不仅提高 了壳聚糖的水溶性，而且改性的壳聚糖衍生物具备了很强的抗金黄色葡萄球菌作用 参考文献： 1 ARAI Kimie，KINUMAKI Toyosuke，FUJITA TakaoToxicity of chitosanJBull Tokai Reg Fish Res Lab，1968，56：89- 94 2谭天伟化妆品原料的新宠壳聚糖J精细与专用化学品，1999，12(8)：14 3杨俊玲壳聚糖抗菌性的研究J纺织学报，2003，24(2)：151153 4邵健，杨宇民，姚成低聚氨基葡萄
17、糖的吸湿、保湿和抑菌性质J中国海洋药物，2000，11(4)：25-27 5SUDARDSHAN N R，HOOVER D G，KNORR DAntibacterial action of chitosanJFood Biotechnology，1992，6，257- 272 6李铭，葛英勇，王婷婷羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖在化妆品中的应用研究J上海化工，2004，7(5)：20-22 7樊木，肖玲五，杜予民壳聚糖季铵盐分子结构与吸湿保湿性研究J武汉大学学报，2003，49(2)：205-208 8蔡照胜，王锦堂，杨春生，等2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖的制备及其表征J精细化工，2oo4，21(9
18、)：65573 第1期 季铵盐改性壳聚糖 的制备及抗菌性能研究 89 E9杨继生羧甲基壳聚糖(cMcH)在化妆品中的应用研究J精细化工，1997，14(4)：6264 1OLKEDA T，YAMAGUCHI H，TAZUKE SNew polymerc biocides：synthesis and an曲ac ce】jal activijes 0f p0】ycati。ns tl pendant biguanide groupsJ_Antimicrobial Agents and Chemotherapy，1984，26(2)：139144 Preparation of modified chi
19、tosan with quaternary ammonium salt and its antibacterial property LU Xin，CHEN Hai-xiang，CHEN Weiguo (College of Materials and Textiles，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 3 10018，China) Abstract：A watersoluble chitosan derivative，N-(2-hydroxy一3一trimethylammonium)pr0py1chitosan chloride (HTCC)，was
20、 prepared by introducing quaternary ammonium salt groups on the amino groups of chitosanThe influence factors of synthetic reaction，such as the molar ratio of reactants，time，temperature and an am0unt of water were discussedThe structure of this chitosan quaternary ammonium salt are characterized bv
21、FTIR、 H NMR and chemical titration methodThe antibacterial activities of quaternized chitosan against were exploredIt was found that the antibacterial activity of quaternized ehitosan against is much stronger than that of chitosan Key words：ehitosan；quaternary ammonium salt；synthesis；modification；an
22、tibacterlaI activity (上接第84页) 编辑、校对：黄燕萍 Applied research of wavelet analysis and nonparametric estimation in exchange ra CHANG Zhenhai，ZHANG Desheng，ZHANG Hua，HUANG Shi-juan (School ofScience，Xi an University ofTechnology，Xi 粕710054，China) Abstract：Firstly，decomposition and a single reconstruction o
23、f the first order difference data of CHYUSD ex change rate are made by the wavelet Mallat algorithm，and the approximate component and the detail c0mponent of a single reconstruction of the every level are obtainedSecondly。the nonparametrie autoregression 1一D mode1 are established to the approximate
24、component and the detail component based on the local linear nonDarametric estimation theoryFinally，a 10一step prediction is carried on to the average function and the volatilityThe ca1cu lation results indicate that the nonparametric autoregression model combined wavelet can give better resuIts for the CHY exchange rate prediction，and can be applied more effectively in the CHY exchange rate prediction Key words： muhiresolution analysis； nonparametric estimation； exchange rate； nonparametric autoregressi0n modeI：prediction 编辑、校对：黄燕萍
