具有抗菌和水蒸气阻隔性能的棕榈蜡乳液制备及应用*

张　丹，余光华，肖惠宁，董翠华，龙　柱

(1. 江南大学 生态纺织教育部重点实验室，江苏 无锡 214122；

2. 华南理工大学 制浆造纸工程国家重点实验室，广州 510640;

3. 加拿大新布伦瑞克大学 化学工程系，加拿大 新布伦瑞克省 弗雷德里克顿， E3B 5A3;

4. 齐鲁工业大学 制浆造纸科学与技术教育部重点实验室，济南 250353)



具有抗菌和水蒸气阻隔性能的棕榈蜡乳液制备及应用*

张丹1,2，余光华1，肖惠宁3，董翠华4，龙柱1

(1. 江南大学 生态纺织教育部重点实验室，江苏 无锡 214122；

2. 华南理工大学 制浆造纸工程国家重点实验室，广州 510640;

3. 加拿大新布伦瑞克大学 化学工程系，加拿大 新布伦瑞克省 弗雷德里克顿， E3B 5A3;

4. 齐鲁工业大学 制浆造纸科学与技术教育部重点实验室，济南 250353)

摘要：胍盐类抗菌聚合物通过接枝的方法固定在了棕榈蜡乳液微粒的表面。耦合试剂N-(3-二甲氨基丙基)-N’-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)/N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)将抗菌剂和棕榈蜡乳液微粒通过共价键的方式结合起来，从而有效地提高了其结合作用力。该种新型的棕榈蜡乳液微粒具有水蒸气阻隔和抗菌的双重功效，是一种可用于蔬果包装等用途的天然绿色纸用助剂。

关键词：抗菌；水蒸气透过率；胍盐；棕榈蜡；包装纸

1引言

具有水蒸气阻隔性能的食品包装纸可以阻止食品中释放的水蒸气穿透纸张的微孔，从而达到减少水分损失和延长食品保鲜时间的功效。在过去的几十年中，以石油作为原料来源的食品包装材料以其高机械强度和优良的水蒸气阻隔性能占据了包装市场的主导地位。可是，面对越来越严重的食品安全和环境问题，人们开始愈发的重视绿色无毒的新型包装材料。

目前，一些天然高分子类添加剂已经被应用于改善包装纸的阻隔水蒸气性能，如：壳聚糖[1]、玉米蛋白[2]、乳清分离蛋白[3]、谷胶[4]、淀粉及其衍生物[5]。其中，棕榈蜡因其安全无毒和优秀的水蒸气阻隔性能可用于开发具有阻隔水蒸气透过特征的绿色纸用助剂[6]。棕榈蜡是一种由多种化合物组成的混合物，其主要包含有长链醇类、脂肪酸及脂类等。然而美中不足的是，棕榈蜡本身在其工业应用的过程中很容易受到微生物的侵扰，从而影响产品的最终品质。近年来，一些具备抑菌功能的纸张基材产品被逐步开发出来，其中主要是壳聚糖及其衍生物[7-9]、改性淀粉[10]、活性石蜡烃、精油类化合物[11]等。但是，我们发现同时具备阻隔水蒸气透过性能和抑菌能力的双重功能纸用助剂却非常稀少。

因此，我们开发了一种通过水溶性耦合试剂N-(3-二甲氨基丙基)-N’-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)/N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)将胍盐类抗菌剂接枝到棕榈蜡乳液微球表面的方法。Nakajima 和Ikada[12]于1995年报道了羧基和胺基可以在酸性条件下通过耦合的方式形成酰胺共价键。基于该反应机理，我们设计了本实验的反应路线，具体实施方法见图1。该方法最大的优点就是可以通过形成共价键的方式将抗菌剂牢牢地固定在棕榈蜡乳液微球的表面，从而生成了一类通过单次使用即可同时具备抑菌和阻隔水蒸气透过双重功能的全新纸用助剂。

2实验

2.1主要原料

十二烷基二甲基胺乙内酯购自Affymetrix公司，聚六亚甲基双胍盐(PHMB) 购自BOC Sciences公司，棕榈蜡、磷酸盐缓冲液(PBS)、N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)、LB琼脂和N-(3-二甲氨基丙基)-N’-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)均购自Aldrich公司。聚六亚甲基胍盐(PHGH)为自制产品，质谱检测其平均分子量为770 Da[13]。

2.2实验方法

2.2.1棕榈蜡乳液的制备

2.5 g的固体棕榈蜡和97.5 g的去离子水加入至一个250 mL的烧杯中。将混合物油浴加热至90 ℃，随后用28 000 r/min的高速搅拌机搅拌3 min。所得产物随即放置冰水浴中冷却，并命名为CW。同样，如在初始过程中加入50 mg的表面活性剂十二烷基二甲基胺乙内酯(Gly)，即可得到另一种棕榈蜡乳液，命名为CW-Gly。

图1抗菌剂PHGH和PHMB在棕榈蜡微球表面接枝反应机理示意图

Fig 1 Coupling reaction of PHGH/PHMB on the surfaces of carnauba wax latex particles

2.2.2棕榈蜡乳液微球表面接枝PHGH和PHMB抗菌剂

首先按照上述方法制备两种各100 mL的2.5%棕榈蜡乳液(CW和CW-Gly)。随后加入0.24 g的PHGH或PHMB抗菌剂和1.2 g的耦合试剂EDC/NHS，并将乳液的pH值用稀盐酸调至6.0。将该混合物维持在pH值6.0并用磁力搅拌器在室温下搅拌3 h，接着用截留分子量1.2万的渗析膜进行5 d的渗析，从而可以确保其较好的分离效果。

2.2.3抗菌活性表征

本实验通过烧瓶振荡法来评估添加有抗菌棕榈蜡乳液的手抄纸的抗菌能力。革兰氏阴性大肠杆菌被用作实验参考菌种。在此方法中，1.0 g的桉树木纤维和质量浓度为0.1%的20 mL抗菌棕榈蜡乳液充分混合后，将其在烘箱中过夜干燥。干燥至恒重后的0.01 g产品(20 mg抗菌棕榈蜡微球/1 g桉树木纤维)被添加至5 mL的0.01 mol/L的PBS溶液中。随后，将样品瓶放入37 ℃，200 r/min的水浴振荡器中震荡30 min。将0.1 mol的稀释清液用刮棒均匀涂抹在培养皿中的琼脂层上，在37 ℃的培养箱中放置24 h后，仔细计算其菌落数量，其抑菌率可以由下面的公式计算得出

(1)

其中，A和B分别是空白样品和经处理后样品中的菌斑数量。每组数据均是3次重复后的平均值。

2.2.4水蒸气透过率(WVTR)的测定

水蒸气透过率的测量使用的是一台IGA-003(Hiden-Isochema, Warrington, UK)组合设备，该设备是由0.1 μg高灵敏度的微天平和涡轮分子高真空泵系统所组成。计算水蒸气透过率使用的是ASTME 96/E96M-05标准(2005年)。所有的数据测量均在38 ℃，相对湿度90%的恒定条件下完成。

当水蒸气透过率(WVTR)达到了稳定状态，其数值大小可由式(2)计算得出

(2)

其中，m为容器中的质量改变，A为样品与水蒸气的接触面积，T为稳态下的特定时间间隔。

2.2.5纸张抗张强度、伸长率和耐破度的测量

抗张强度和伸长率的测量使用的是四川长江造纸仪器有限责任公司的DC-KZ300C型电脑测控抗张试验机。根据《最新造纸工业测试方法与产品标准手册》中的纸和纸板的测试方法，参照(GB/T 453-1989)标准，测量了纸样的抗张强度和伸长率。在该方法中，纸样的尺寸选择为15 mm×250 mm。耐破度测量使用的是四川长江造纸仪器有限责任公司的DC-KZ300C型电脑测控耐破度仪。根据《最新造纸工业测试方法与产品标准手册》中的纸和纸板的测试方法，按照(GB/T 455.1-1989)标准，测量了纸样的耐破度。实验结果均为5次测试的平均值。(所有测量均在(23±1) ℃，相对湿度(50±2)%的恒温恒湿室内完成。)

3结果与讨论

3.1棕榈蜡微球及其衍生物

3.1.1粒径分析

抗菌棕榈蜡乳液微粒的粒径是通过Brookhaven Zeta Plus分析仪检测得出，其中每个数据均是6组共60次扫描取得的算术平均值，结果列于表1中。从表1可知，由表面活性剂十二烷基二甲基胺乙内酯稳定的棕榈蜡乳液微粒CW-Gly(221.2 nm)比无皂乳液微粒CW(663.8 nm)具有更小的粒径。这是因为表面活性剂为棕榈蜡乳液提供了额外的表面电荷，因此有利于形成粒径更小的微粒。此外，还观察到接枝了抗菌剂PHGH后的棕榈蜡乳液微粒CW-PHGH和CW-Gly-PHGH均比其接枝前对应的底物微球增大了约200 nm左右，这说明了抗菌棕榈蜡乳液微粒存在一定程度的聚集现象。

表1棕榈蜡及其抗菌衍生物乳液的粒径及标准误差。所有测量均在25 ℃，2 mmol/L氯化钠的溶液环境中进行

Table 1 The particle sizes and std. error of the CW latexes and their derivatives

棕榈蜡系列直径/nm标准误差/nmCW663.822.6CW-PHGH830.360.5CW-PHMB797.956.0CW-Gly221.22.3CW-Gly-PHGH408.322.2CW-Gly-PHMB408.510.7

3.1.2zeta电位

Brookhaven ZetaPlus分析仪检测了棕榈蜡及其衍生物乳液表面电荷分布情况，如图2所示。从图2可知，棕榈蜡乳液CW在pH值为7.0的时候其微球表面显示为负电，这是由其表面本身存在的蜡酸和其它的脂肪酸电离所致。对比之下，通过十二烷基二甲基胺乙内酯稳定的棕榈蜡乳液在中性pH值下则显示为正电，这是由于乳液微粒表面存在有表面活性剂Gly提供的季铵盐官能团。而在棕榈蜡微球表面接枝了抗菌剂PHGH或PHMB后，可以发现抗菌微球CW-PHGH、CW-PHMB以及CW-Gly-PHGH、CW-Gly-PHMB在整个pH值范围内尤其在高pH值区域，仍显示出很强的正电，这表明了其微粒表面存在大量来自PHGH或PHMB分子上的正电基团。

3.2棕榈蜡乳液微粒的性能

3.2.1疏水性

本实验中，接触角方法被用于评估涂布了改性棕榈蜡乳液的纸张的疏水性能。因CW-PHGH、CW-PHMB、CW-Gly-PHGH、CW-Gly-PHMB 4种样品表现十分相近，所以本文仅以CW-PHGH为例。如图3所示，当涂布量为4 g/m2时，涂布有CW-PHGH的纸面接触角为65.86°。而当涂布量增至24 g/m2时，其接触角则达到124.66°。可以看出该类经抗菌棕榈蜡乳液处理过的纸张的接触角随着涂布量稳定增加。另一方面，即使在较少的涂布剂量下，该乳液仍对纸张的疏水性存在着显著的提高。

图2棕榈蜡乳液微粒CW及其接枝抗菌剂PHGH或PHMB后产物的zeta电位与pH值的关系(其中的每个数据均是6组共60次扫描取得的算术平均数)

Fig 2 Zeta potential of the CW latexes grafted with PHGH or PHMB as a function of pH

图3　涂布有CW-PHGH乳液的纸样的接触角与涂布量的关系曲线

出现上述现象的原因主要是棕榈蜡乳液在毛细管力的作用下会渗透至纤维网络之间的孔洞中，因此抗菌乳液微粒不能在纸张的表面形成一层平整均匀的膜，从而降低了其接触角。当在较低的涂布量(如4 g/m2)下，该现象显得尤为明显。今后的研究将对此现象的机理进行更为详尽的阐述。

3.2.2水蒸气透过率

表2为棕榈蜡及其衍生物乳液的水蒸气透过率。定量为70 g/m2的纸张上的涂布量为(12±0.5) g/m2，测试温度为38 ℃，湿度为90%。实验结果为3次测试的平均值。

表2棕榈蜡及其衍生物乳液的水蒸气透过率

Table 2 The WVTR of CW latexes and their derivatives

表2列出了涂布有棕榈蜡及其衍生物乳液的纸张的WVTR数值：空白纸张样品的WVTR为2 788.8 g/(m2·d)。然而，涂布了抗菌乳液CW-Gly-PHGH或CW-Gly-PHMB纸样的WVTR则比CW-PHGH和CW-PHMB小很多。认为这是由于经过表面活性剂十二烷基二甲基胺乙内酯稳定的棕榈蜡乳液CW-Gly基底 (221.2 nm)比CW基底(663.8 nm)具有更小的粒径，因此有利于乳液微粒进入纤维网格的空隙之中。当棕榈蜡乳液经过加热融化后，CW-Gly能够填满更小的孔洞并阻止更多的水蒸气的转移，从而有效地降低了其WVTR。另一方面，发现CW-PHGH(543.2 g/(m2·d))和 CW-Gly-PHGH(320.6 g/(m2·d))的WVTR数值比未接枝的CW和CW-Gly要高一些，这可能是由于CW和CW-Gly 乳液微粒的表面在接枝了抗菌剂PHGH之后变得更加亲水，因此涂布了抗菌剂的纸样其亲水性更强，而WVTR数值则显得略高。

3.2.3抗菌活性

在前期的研究中，已经证明了PHGH和PHMB均是高效的抗菌聚合物[14-15]。有研究表明胍盐类聚合物是通过破坏细菌细胞膜致使其内部组分溶出而产生的抗菌效果[16]。本文中，两种棕榈蜡乳液(CW和CW-Gly)均接枝了抗菌剂PHGH和PHMB，其产物CW-PHGH、CW-PHMB以及CW-Gly-PHGH、CW-Gly-PHMB对于大肠杆菌的抑菌率列于表3之中。吸附在桉树木纤维上的4种抗菌棕榈蜡乳液微粒表现出对于阴性革兰氏大肠杆菌的良好的抗菌特性，4种抗菌微球的抑菌率均在98%以上。对比之下，没有经过接枝抗菌剂的棕榈蜡乳液则未能显示出抗菌活性。此外，还发现经过十二烷基二甲基胺乙内酯稳定的抗菌棕榈蜡乳液CW-Gly-PHGH和未经过此表面活性剂稳定的抗菌棕榈蜡乳液CW-PHGH具有近似的抗菌活性。

表3棕榈蜡乳液衍生物对于大肠杆菌E.coli的抑菌率检测结果

Table 3 The antibacterial tests of CW latexes and their derivatives toE.coli

棕榈蜡系列抑菌/%CW0CW-Gly0CW-PHGH99.6CW-PHMB99.7CW-Gly-PHGH99.9CW-Gly-PHMB98.5

3.2.4涂布改性棕榈蜡乳液后纸张的机械性能

改性棕榈蜡乳液涂布量对纸张机械性能的影响如图4所示。可以发现改性棕榈蜡乳液对纸张的机械性能有着积极的作用，相对于原纸(70 g/m2)，涂布有改性棕榈蜡乳液的纸张干/湿强度、伸长率、耐破性能均有明显的提高。由于涂布4种改性棕榈蜡乳液后的纸张的机械性能都呈现出明显的增强作用，因此本文选取了具有代表性的CW-PHGH乳液进行下文的论述。从图4可以看出，当纸张的CW-PHGH涂布量为24 g/m2时，纸张的干抗张指数从原纸的33.57 N·m/g增加了1.5倍，达到84.34 N·m/g；伸长率由原纸的1.82%增加到2.55%，增加了0.4倍；纸张的湿抗张强度由原纸的2.21 N·m/g增加了6倍，达到15.64 N·m/g，伸长率由原纸的0.8%增加到2.6%，增加了2.25倍。作为包装纸重要参数的耐破指数由原纸的1.94 kPa·m2/g增加到2.28 kPa·m2/g，增加了0.17倍。认为纸张强度的改善是由于CW-PHGH乳液在纤维网络中渗透，增加了纤维束纤维与乳液微球间的接触面积，从而通过氢键及静电引力等作用的加强而提高了其内部结合力。

3.2.5形貌研究

使用扫描电子显微镜(SEM)观察以CW-PHGH为代表的改性棕榈蜡胶乳在纸张表面的形貌特征，结果如图5所示。

图4改性棕榈蜡乳液涂布量对纸张机械性能的影响

Fig 4 The influence of coating amount of the modified CW latexes on mechanical properties of paper

图5(a)为定量为70 g/m2的空白纸样，从图中可以清晰的看出纸张表面的纤维层状交织结构以及表面纤维间的空隙与填料。图5(b)为涂布有CW-PHGH乳液微球的纸样表面，乳液微球在干燥状态下发生聚集，微球间存在有大量的孔洞。这些孔洞的存在，给水蒸气的通过提供了通道，因此依旧显现了较高的水蒸气通过率。因此，将涂布后的纸张置于烘箱中逐步加热，促使CW-PHGH微球融化，图5(c)和(d)分别是CW-PHGH微球开始软化及完全融化后的纸样表面。图5(c)中部分融化的CW-PHGH微球间的孔隙开始逐步较少。从图5(d)中可以看出，CW-PHGH微球渗透到纤维间的孔隙内并在纤维表面覆盖了一层均匀而致密的蜡膜，因此大幅降低了纸张表面的自由能，增强了纸张的憎液性能，这与图3的现象相吻合。同时，渗透在纤维交织层孔隙内部的CW-PHGH 乳液，一方面减小了纸张纤维层间的孔隙率及孔隙大小，大幅提高了纸张的阻隔水蒸气的性能，另一方面，聚集的CW-PHGH乳液微球与纤维之间紧密接触，增强了纤维间的结合力，从而显著的提高了纸张的机械性能。

图5CW-PHGH乳液涂布于纸张表面上的扫描电镜图

Fig 5 The SEM images of CW-PHGH latexes coated on the surface of paper

4结论

经过抗菌剂PHGH或PHMB接枝的棕榈蜡乳液被成功制备并应用于纸张表面，该产品在提供良好的阻隔水蒸气和抗菌性能的同时，还提高了纸张的机械性能。作为一种双功能的纸用助剂，通过十二烷基二甲基胺乙内酯进行稳定的抗菌棕榈蜡乳液CW-Gly-PHGH比CW-PHGH具有更小的微粒粒径，因而能够进一步地降低水蒸气透过率，从而改善其阻隔水蒸气的性能。

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Preparation and application of bifunctional carnauba wax latexes bearing antimicrobial activity and water vapor resistance properties

ZHANG Dan1,2, YU Guanghua1, XIAO Huining3, DONG Cuihua4, LONG Zhu1

(1. Key Laboratory of Eco-textiles, Ministry of Education, Jiangnan University, Wuxi 214122, China;2. State Key Laboratory of Pulp and Paper Engineering, South China University of Technology,Guangzhou 510640,China;3. Department of Chemical Engineering, University of New Brunswick, Fredericton, NB, E3B5A3, Canada;4. Key Laboratory of Pulp and Paper Science & Technology of Ministry of Education of China,Qilu University of Technology, Jinan 250353, China)

Abstract:The guanidine-based antimicrobial polymers were grafted onto the surface of carnauba wax latex particles. N-(3-Dimethylaminopropyl)-N’-ethylcarbodiimide hydrochloride (EDC)/N-Hydroxysuccinimide(NHS) was used as a coupling reagent to introduce the covalent bonding to ensure sufficient binding force. The resulting novel carnauba wax latexes were utilized as a green dual-functional paper additive, which improved both water-vapor resistance and antimicrobial activities of the paper.

Key words:antibacterial activity; water vapor transmission rate; guanidine; carnauba wax; packing paper

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.01.051

文献标识码：A

中图分类号：TQ317.9

作者简介：张丹(1981-)，男，石家庄人，副教授，硕士生导师，主要从事功能纤维材料、造纸助剂和水处理助剂研究。

基金项目：留学回国人员科研启动基金资助项目(教外司留[2013]693号)；江苏省自然科学基金青年基金资助项目(BK20140145)；河北省自然科学基金青年科学基金资助项目(B2013210032)；齐鲁工业大学制浆造纸科学与技术教育部重点实验室开放基金资助项目(08031343)；华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室开放基金资助项目(201473)；Sentinel-Bioactive Paper Network资助项目(NSERC Canada)

文章编号：1001-9731(2016)01-01239-07

收到初稿日期：2015-01-13 收到修改稿日期：2015-09-10 通讯作者：张丹，E-mail: zhangdan@jiangnan.edu.cn