植物胶纳米技术提取丝绸抑菌材料活性成分的工艺研究

2015-02-13章向阳

江苏丝绸 2015年4期

关键词：纳米粉体絮凝剂丝绸

章向阳陈良

（博约生物科技（苏州）有限公司江苏苏州 215123）

植物胶纳米技术提取丝绸抑菌材料活性成分的工艺研究

章向阳陈良

（博约生物科技（苏州）有限公司江苏苏州 215123）

利用植物胶和纳米材料提取用于丝绸抑菌的天然植物材料的抑菌活性成分，研究了植物胶纳米技术提取植物抑菌活性成分的主要影响因素，确定了最佳工艺条件。

天然植物胶；纳米材料；植物抑菌活性成分

丝绸制品在温湿的气候条件下，极容易受到霉菌、细菌等微生物的攻击，使得制品产生质变从而影响其使用价值[1,2]。目前研究和应用的丝绸抑菌剂基本是有机合成制剂，其固有的化学特性极容易造成对人体的危害，因此具有一定的应用局限性。近年来，植物类生物抑菌材料由于其毒性低、来源丰富和价格低廉越来越受到研究的重视。据不完全统计，目前世界上可用作抑菌防腐材料的植物至少有2,000种左右[3]。这些植物都有希望成为丝绸抑菌防腐材料开发的资源。

为了更好、更有效地利用这些植物的抑菌功效，需要将植物中的抑菌活性成分提取出来使用。传统的提取方法是首先制成植物提取液，而后采用两相溶剂萃取法、沉淀法、盐析法、透析法、结晶法以及蒸发法等方法将抑菌植物的有效成分提取出来。目前国内外也有一些关于植物提取液有效成分的新提取工艺。如陈忠正等[4]公开了一种中草药纳米提取方法，将中药原料高温干蒸，然后进行超高压爆鸣，在液化收集，采用本方法可在不需要任何溶剂的条件下，使得中草药实现纳米化有效提取。詹姆斯·周[5]公开了一种植物抗菌成分的提取技术，该方法是将经过粉碎的植物材料加入到超声波提取机中，用适量的有机溶媒加入纳米材料进行纳米吸附提取。另外郑州大学化学系的卢朝国[6]用超临界的工艺方法用二氧化碳萃取芦荟中有效成分。合肥工业大学的张全军[7]利用超声波提取方法研究了荸荠皮抑菌物质的提取技术。尽管这些处理方法都有各自优点，但都存在一些问题：如需要的反应条件比较苛刻，或者所要求的处理工艺很复杂对设备要求很高等。为此我们希望找到一种有效地、对生产要求不苛刻的提取丝绸抑菌材料活性成分方法，同时避免引入有机溶剂等杂质。

目前植物胶絮凝剂在污水处理的研究中越来越受到关注。植物胶絮凝剂具有很好的絮凝和吸附特性，同样也适用于丝绸抑菌植物的抑菌活性成分的提取。另外。纳米材料由于材料本身具有极小的尺寸，使得材料比表面积大大增加，从而提高了材料的吸附能力。将纳米粉体材料和天然植物胶材料进行复配，将植物胶的絮凝作用和纳米粉体材料的吸附作用有效地结合，可以有效提高丝绸抑菌材料抑菌活性成分的提取效率。

1 实验

1.1 材料和仪器

天然植物胶：瓜尔胶、香豆胶、罗望子胶、决明子胶以及胡里豆胶。

纳米材料：纳米TiO2、纳米Al2O3、纳米AgO、纳米CaCO3以及纳米ZnO。

抑菌植物材料：辣木籽、苦参、黄芩、黄柏、地肤子、蛇麻子、土槿皮、山银花、茯苓、火麻仁。

仪器：YP B1003电子天平、B-260恒温水浴锅、CL-3型恒温加热磁力搅拌器、JB90-D强力电动搅拌机

1.2 植物胶纳米技术提取生物抑菌活性成分工艺

首先将含有丝绸抑菌活性成分的植物抑菌材料置于水中熬制得到丝绸抑菌材料提取液；而后向提取液中加入纳米粉体材料，使丝绸抑菌剂提取液中的有效抑菌成分吸附到纳米材料表面；之后加入作为絮凝剂的植物胶溶液，充分搅拌；为加快反应速度，向混合体系滴加絮凝促进剂溶液，使天然植物胶快速形成网络结构将吸附有抑菌活性成分的纳米材料包裹，并絮凝下来；最后通过静置沉淀等方法，得到絮凝提取物。

1.3 快速抑菌检测方法

为了快速评价提取抑菌活性成分工艺的实际效果。我们采用植物胶营养基培养法对提取物的抗菌性进行评价。具体方法如下：

将经过提取物抑菌处理的丝绸制品试样埋入瓜尔胶培养基中7天，观察布面变化，并与对照样进行对比。

2 结果与分析

2.1 搅拌速度的影响

搅拌速度是提取丝绸抑菌材料活性成分的关键步骤之一。搅拌速度过快会导致体系运动过于剧烈使吸附絮凝步骤难以完成；搅拌速度过慢会导致体系丝绸抑菌材料分散不均从而影响提取效果。本实验选择了60r/m、90 r/m、125 r/m、175 r/m、200 r/m、250 r/m以及300 r/m来对搅拌速度进行研究。

表1 不同搅拌速度对提取抑菌活性成分效果的影响

由实验结果可以看出当转速在125-175r/m时，所提取得到的抑菌活性成分抑菌效果最好。考虑到转速到达175r/m会产生喷溅现象，故选择125r/m为最佳搅拌速度。

2.2 天然植物胶和纳米粉体材料的选择

本实验的关键步骤在于以纳米粉体材料为核吸附抑菌提取液中的抑菌活性成分之后以天然植物胶为絮凝剂将抑菌活性成分沉淀出来。因此作为吸附剂的纳米粉体材料和作为絮凝剂的天然植物胶的选择至关重要。

作为絮凝剂的天然植物胶，我们主要选择了瓜尔胶、香豆胶、罗望子胶、决明子胶以及胡里豆胶。分别将以上述植物胶为絮凝剂提取的抑菌活性成分，处理丝绸制品试样并埋入瓜尔胶培养基中7天，观察布面变化。

表2 不同植物胶对提取抑菌活性成分效果的影响

由实验结果来看以瓜尔胶、香豆胶、胡里豆胶以及决明子胶为絮凝剂提取的抑菌活性成分均具有较好的抑菌效果，而罗望子胶由于其本身不溶于水，而经过羧甲基改性后，其有明显的碱性，因此提取效果略差。另外，决明子胶尽管具有较好的提取效果，但是植物胶本身带有教强的红色色素故而不适合用于丝绸纺织品处理之用。

下表是选取不同的纳米粉体材料作为吸附剂提取抑菌活性成分的实验结果。由表中可以看出纳米TiO2、纳米Al2O3、纳米AgO、纳米CaCO3以及纳米ZnO作为吸附剂提取抑菌活性成分效果都比较好。这是因为上述粉体都具有较大的比表面积，因此具有较好的吸附能力。另外这些粉体均不会和抑菌成分以及植物胶发生反应，因此均适合作为本实验抑菌活性成分的吸附剂使用。

表3 不同纳米材料对提取抑菌活性成分效果的影响

2.3 纳米粉体加入量的影响

作为吸附核心的纳米粉体材料其用量的多少是决定整个实验成功与否的重要因素。纳米粉体材料具有极高的比表面积，因此只需要比较少的量就能吸附较高量的抑菌活性成分。我们选择纳米粉体的加入量为抑菌提取液重量的1%、3%、5%、7%以及9%。

表4 纳米粉体加入量对提取抑菌活性成分效果的影响

由以上实验数据可以发现，纳米粉体材料加入很少的量就可以取得很好的吸附提取作用。由于纳米粉体材料用量的增加会导致引入过多化学物质，因此纳米粉体材料加入量选择抑菌提取液重量的1%比较合适。

2.4 吸附时间的影响

纳米粉体材料吸附时间是提取效果好坏的一个重要因数。本实验选择了吸附时间为2h、4h、6h、8h和10h进行了研究。

表5 纳米粉体吸附时间对提取抑菌活性成分效果的影响

由上表可以看出，提取抑菌成分的效果随着吸附时间的延长而变好。但是当吸附时间到达6小时后，继续延长时间抑菌效果没有明显的变化，考虑到能耗和时间的因素。我们认为6小时为最佳吸附时间。

2.5 天然植物胶加入量影响

天然植物胶在本项目中用作为絮凝剂。由于纳米粉体粒径很小重量很轻，因此吸附有抑菌活性成分的纳米粉体材料会悬浮在液体介质中无法沉淀下来。植物胶的加入可以在液体介质中形成一个巨大的网络将纳米粉体材料包裹进而絮凝沉淀下来。本实验对天然植物胶的加入量进行了研究。

表6 植物胶加入量对提取抑菌活性成分效果的影响

由实验结果可以看出：当植物胶的加入量不到抑菌提取液重量的15%时，经过絮凝后体系浑浊，植物胶无法将所有吸附有抑菌活性成分的纳米粉体材料全部絮凝下来。而当天然植物胶的加入量超过15%时，经过絮凝后体系变得清澈，所得到的提取物抑菌效果很好。因此我们选择天然植物胶的加入量为抑菌提取液重量的15%

表7 植物胶絮凝时间对提取抑菌活性成分效果的影响

2.6 絮凝时间的影响

絮凝时间同样是抑菌活性成分提取效果好坏的一个重要因素。我们选择1h、2h、3h、4h以及5h。对絮凝时间进行研究。

以上实验结果可以看出：当絮凝时间在1到2小时的时候，经过絮凝后体系还比较浑浊有不少活性成分还随着纳米粉体材料悬浮在液体介质里。随着絮凝时间的延长，体系逐渐变得清澈，抑菌活性成分随着纳米粉体完全被植物胶所形成的网状结构所包裹而沉淀下来。当絮凝时间达到4小时，提取效果不再有明显的变化。因此本项目中絮凝时间选择4小时比较合适。

2.7 絮凝促进剂加入量的影响

絮凝促进剂是一种交联剂可以加快植物胶的絮凝过程。本实验选择絮凝促进剂的加入量为抑菌提取液重量的0%、2%、4%、6%、8%以及10%。