碱/酶处理对载银纤维素纤维复合材料制备的影响

徐永建, 徐　洋, 刘　真, 左磊刚

(陕西科技大学 轻工科学与工程学院 陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室， 陕西 西安　710021)



碱/酶处理对载银纤维素纤维复合材料制备的影响

徐永建, 徐洋, 刘真, 左磊刚

(陕西科技大学 轻工科学与工程学院 陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室， 陕西 西安710021)

摘要：纸浆的主要组分为纤维素与半纤维素，二者都具有还原性基团，使用浆料原位还原Ag+为纳米银并附着在纤维表面，确定载纳米银纤维素制备的条件，并探究碱/酶预处理对载纳米银纤维素制备中银负载率的影响;用抑菌圈法测定载纳米银纤维素材料的抗菌性能，并用扫描电镜观察了其表面形貌.结果表明：纤维素纤维表面较光滑，而载纳米银纤维素表面出现颗粒状的纳米银，且其抗菌效果随银负载量的增加而增加；碱预处理存在一个最佳碱浓，且最佳碱浓与浆料种类有关；在5 %碱浓条件下预处理浆料，其银离子利用率均得到有效的提升，且随着碱处理时间的延长，其银离子利用率呈现增高的趋势；而使用酶预处理后，不同浆料有不同的变化规律.

关键词：碱/酶预处理; 原位还原; 银负载率; 抗菌效果

0引言

环境净化抗菌功能材料中，银及其化合物为抗菌活性主体的无机环境净化功能材料,由于其具有良好的使用安全性、持久高效抗菌性、耐热性、耐腐蚀性等优点[1]，已在陶瓷、塑料、涂料、纤维等领域得到应用[2].纤维素是一种可再生的天然高分子材料，具有储量大、价格低、可生物降解等优点，而且分子链中存在大量的羟基，许多的小分子化合物能与之发生反应[3]，大量用作复合材料的载体[4-8].

在已有的关于制备载纳米银纤维素的报道中，通常需加入各种还原剂，如羟胺、抗坏血酸及硼氢化钠等[9-12]，将银离子还原成银纳米颗粒并附着在纤维表面，从而得到载纳米银纤维素.纤维素中含有大量还原性羟基及半缩醛羟基，可利用这些还原性基团原位还原银离子，并附着在纤维表面，从而得到具有抗菌性的载纳米银纤维素纤维[13].纤维素由结晶区和无定形区构成，可及度往往较低，且纸浆中含有一定量的半纤维素[14]，这势必会对载银纤维素纤维抗菌材料的制备产生一定影响.

本文以纤维素为还原剂原位还原硝酸银，并附着在纤维表面，探究了碱/酶预处理对纤维表面银负载率的影响.以及载银纤维素纤维抗菌材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌性能.

1实验部分

1.1材料与仪器

(1)实验材料：硝酸银(AgNO3，AR)，购自上海化学试剂有限公司；氢氧化钠(NaOH，AR)，碳酸钠(NaCO3，AR)，浓硝酸(65 wt%)，磷酸二氢钠(NaH2PO4，AR)，购自天津市天力化学试剂有限公司；磷酸氢二钠：(Na2HPO4，AR)，购自天津市双船化学试剂厂；氯化钠(NaCl，AR)，牛肉膏，蛋白胨及琼脂粉；大肠杆菌(ATCC 8099)、金黄色葡萄球菌(ATCC 25923)：冻干粉，购自南京便诊生物科技有限公司.

(2)实验仪器：NO.SE003型标准纤维疏解机，瑞典L&W仪器有限公司；HH-2型电热恒温水浴锅，北京科伟永兴仪器有限公司；SHB-3型真空水泵，郑州杜甫仪器厂；ZQJ1-B-Ⅱ型纸样抄取器；陕西科技大学造纸机械厂；83型上光机，上海贤华仪器有限公司；Z-2000型偏振塞曼原子吸收光谱仪，日本日立仪器有限公司；SNE-3000M型扫描电子显微镜，韩国赛可仪器有限公司；DL-1型万用电炉，长沙市秋龙仪器设备有限公司.

1.2实验方法

1.2.1纤维的碱预处理

取20 g绝干浆料置于自封袋中，向体系中加入一定量的NaOH，用去离子水将浆浓稀释至10%后置于60 ℃水浴锅中反应一定时间，反应结束后，洗涤，用真空抽滤机抽滤，得到碱预处理纤维素纤维.

1.2.2纤维的酶预处理

取20 g绝干浆料，用去离子水将浆浓稀释至2%后置于50 ℃水浴锅中，待体系温度升至50 ℃后向体系中加入10 mL,0.1 g/L的木聚糖酶，并反应一定时间，反应结束后，将纤维滤水并加入100 ℃的去离子水使木聚糖酶失活，完成后洗涤并用真空抽滤机抽滤，得到酶预处理纤维素纤维.

1.2.3载纳米银纤维素纤维的制备

取2 g绝干纤维素纤维(未预处理，碱/酶预处理)置于自封袋中，向自封袋中加入一定量的去离子水并使浆料分散均匀，然后向体系中加入一定体积的0.01 g/L硝酸银溶液，并置于90 ℃水浴锅中反应一定时间，反应完成后用去离子水洗涤，并在真空抽滤机上抽滤，最后通过造纸法抄片，得到载纳米银纤维素纸张.

1.2.4载纳米银纤维素纤维中银负载量检测[15]

采用偏振塞曼原子吸收光谱仪检测纤维素纤维中的银负载量，具体操作如下：

(1)银标准溶液的制备

取0.133 9 g硝酸银于烧杯中，加入适量去离子水将其溶解，移入至 1 000 mL容量瓶中定容，得到银负载量为100 mg/mL的硝酸银溶液；用移液管分别移取1 mL、2 mL、3 mL、4 mL此溶液于4个100 mL容量瓶中，定容至100 mL，得到银负载量分别为 1 mg/mL、2 mg/mL、3 mg/mL、4 mg/mL的银标准溶液.纯蒸馏水作为空白样.

(2)样品的处理及检测

取0.10 g载纳米银纤维素纤维于烧杯中，加入50～100 mL 50%硝酸，将烧杯置于电炉上，使样品完全溶解.待其冷却后，移入100 mL容量瓶中并定容.最后通过AAS绘制银标准曲线，并检测待测样品中的银负载量，进一步计算银离子的利用率η.

η=B/A×100%

(1)

式(1)中：η—银离子利用率；A—硝酸银用量；B—纤维素中的银负载量.

1.2.5抗菌效力的检测

参照GB/T 20944-2007《纺织品抗菌性能的评价》中琼脂平皿扩散法和振荡法检测样品的抗菌性能.本实验采用琼脂平皿扩散法，具体操作如下[16]：

(1)培养基

①营养肉汤培养基:牛肉膏，5 g；氯化钠，5 g；蛋白胨，10 g；蒸馏水，最终定容至1 000 mL.灭菌后，pH值为7.2±0.2.

②营养琼脂培养基:牛肉膏，5 g；氯化钠，5 g；蛋白胨，10 g；琼脂粉，15 g；蒸馏水，最终定容至1 000 mL.灭菌后，pH值为7.2±0.2.

(2)实验菌液的制备

取营养肉汤100 mL，放入250 mL三角烧瓶中，用接种环取目标菌种接种在营养肉汤培养液中，然后将培养液放入振动培养箱内，振动频率为 110 r/ min，在37 ℃下培养18～24 h.将营养肉汤用蒸馏水稀释20倍，然后用其调节培养后的细菌浓度为1×108 CFU/mL至5×108 CFU/mL，作为实验菌液备用.

(3)试样的制备

将载纳米银纤维素制成直径为14 mm的圆形试样；对照样材质与试样材质相同，但未经抗菌处理，尺寸与试样相同.

(4)测试操作步骤

向培养皿中注入20 mL，45 ℃±2 ℃的琼脂培养基，待其冷却凝固后，在培养基表面滴入100μL试验菌液，用涂布器使菌液在培养基表面分布均匀.细菌涂布均匀后，用无菌镊子将试样和对照样放于培养皿中，均匀按压使样品与营养琼脂培养基贴合良好.将试样放入培养基后，培养皿倒置放入37 ℃的培养箱中培养18 h至24 h，培养结束后，观察抑菌圈大小.

2结果与讨论

2.1载纳米银纤维素纤维制备条件的确定

调节浆浓为10%，加热反应时间1 h，硝酸银用量分别为2.00 mL、4.00 mL、6.00 mL、8.00 mL、10.00 mL时，银负载量和银离子利用率的变化情况如图1所示.

图1　硝酸银用量对银负载量和银离子利用率的影响

由图1可知，随着硝酸银用量的增加，硝酸银负载量呈持续上升趋势，其中硝酸银用量由6.00 mL升至8.00 mL时，硝酸银负载量有一个更为明显的增加；银离子利用率总体上升，但是在硝酸银用量为6.00 mL和10.00 mL时，利用率有一定程度的下降，这可能是由于硝酸银用量增加以后，使硝酸银难以在体系中分散，也可能是由于负载在纤维上的纳米银分散不均匀，而产生一定程度的误差.

(a)大肠杆菌 (b)金黄色葡糖球菌图2　不同硝酸银用量抗菌效果(S0为未载银纤维素纤维；S1～S5硝酸银用量分别为2.00～10.00 mL)

抗菌纤维素产品往往对产品颜色有一定的要求，比较图2中造纸法制备的纸张颜色以及抗菌效果，在后续的实验中选用的硝酸银用量为4.00 mL.

从抗菌效率测试结果可以看出：未处理纸张无抑菌圈，即无抗菌效果；载纳米银纤维素纤维纸张周围出现了抑菌圈，这表明其具有抗菌效果；且随着纤维中银离子负载量的增加，抑菌圈的直径逐渐增大，即抗菌效力逐渐增加.

调节浆浓为10%，水浴加热温度为90 ℃，硝酸银用量4.00 mL时，反应时间分别为1 h、3 h和5 h时银负载量和银离子利用率变化趋势如图3所示.

图3　反应时间对银负载量和银离子利用率的影响

由图3可知，随着反应时间延长，银离子利用率和银负载量均得到有效提升.这是由于随着反应的进行，体系中Ag+不断被还原并沉积在纤维表面，虽然Ag+浓度不断降低，但即使经过5 h，反应体系中仍存在一定量的Ag+，仍能够使银负载量上升.由于反应时间较容易延长，且该反应能耗较低，故在后续实验中反应时间选用5 h.

不同浆浓条件下，加热温度90 ℃和加热时间为1 h，硝酸银用量为4.00 mL时，银负载量和银离子利用率的变化如图4所示.

图4　浆浓对银负载量和银离子利用率的影响

由图4可知，随着浆浓的增加，银负载量和银离子利用率均持续上升.可能的原因是：提升浆浓不仅提高了还原性基团的浓度，而且也提高了银离子浓度，使得Ag+与还原性基团接触并发生反应的可能增加.但浆浓达到20%，实验中发现浆料与硝酸银难以均匀混合.在后续实验中，浆浓选择15%.

2.2碱处理对载纳米银纤维素制备的影响

2.2.1碱处理浓度对载纳米银纤维素制备的影响

图5　碱处理浓度对竹浆/针叶木浆银离子利用率的影响

NaOH用量分别为10 g、20 g、30 g、40 g，即碱浓分别为5%、10%、15%、20%时，碱预处理纤维的银负载率如图5所示.

由图5可知，随着碱处理浓度的提高，两种浆料的银负载率均有升高再降低的趋势.原因在于：碱处理浆料有两个作用，一是降低浆料中的半纤维素含量，由于半纤维素中存在支链，且均为无定型结构，游离羟基的含量高于纤维素中的，这会使浆料的银离子利用率降低；二是碱处理可以使纤维发生润胀，晶格改变，甚至氢键破坏，使纤维的可及度提高，即参与反应的纤维素羟基增加.碱液对纤维的润胀作用存在最佳浓度[14,17]，对于NaOH其在15%～20%之间，且与纤维来源有关.碱浓较低时，润胀作用较明显；随着碱浓的升高，润胀作用增加量逐渐降低直至达到最佳润胀效果，而半纤维素的降解随着碱浓的升高而增多，造成了其银负载率先升高后降低的趋势.又由于不同浆料间的组分、纤维形态等的差异，最高点出现的位置也不相同.

2.2.2碱处理时间对载纳米银纤维素制备的影响

碱处理浓度为5%，碱处理时间分别为10 min、20 min、30 min、40 min时，碱预处理纤维素的银负载率如图6所示.

图6　碱处理时间对竹浆/针叶木浆银离子利用率的影响

由图6可知，在碱浓为5%时，随着碱处理时间增加，预处理纤维素的银负载率呈现逐渐增加的趋势，但增幅在逐渐降低.原因可能在于：碱预处理对纤维素结晶区的润胀通常在数分钟内就完成，但随着时间的延长，预处理体系中纤维素与NaOH经过相互作用而形成氢键联接增多，即纤维素吸附的NaOH增多，而吸附的NaOH能够与Ag+作用最终生成黑色AgO附着在纤维素大分子表面，使银负载率逐渐增加.

2.3酶预处理对载纳米银纤维素制备的影响

由图7可知，随着酶处理时间的延长，竹浆的银负载率呈现出先增后减的趋势，而针叶浆中则呈现出逐渐增加的趋势.可能的原因在于：本次实验采用木聚糖酶处理，而不同种原料中半纤维素的种类、含量存在差异，使得酶处理效果有所不同.而随着酶处理时间，甚至酶活的不同对载纳米银纤维素制备的影响效果有待进一步研究.

图7　酶处理时间对竹浆/针叶浆银离子利用率的影响

2.4载纳米银纤维素的SEM观察

使用韩国赛可SNE-3000M型扫描电子显微镜观察纤维素和载纳米银纤维素，结果如图8～11所示.由图可知，空白样纤维素纤维表面较光滑，无颗粒状物质，元素分析中也未检测到Ag；而在载纳米银纤维素元素分析中出现了Ag，且其表面出现了白色颗粒状的银粒子，粒径较小，在纳米范围内，这表明银被还原，且附着在纤维表面.

图8　纤维素纤维的SEM图像

图9　载纳米银的纤维素纤维图像

图10　纤维素纤维的元素分析

图11　载纳米银纤维素纤维的元素分析

3结论

(1)利用纤维素自身的还原性原位还原纳米银.考虑到抗菌效力以及后续产品的颜色需求，将后续实验条件定为AgNO3用量为4.00 mL，浆浓15%，反应时间5 h.

(2)SEM的图像表明，制备的载纳米银纤维素上附有纳米银颗粒.

(3)碱处理对纤维素的处理存在一个最佳碱浓，而随着碱处理时间增加，在低碱浓(5%)下，浆料的银负载率得到有效提升.

(4)木聚糖酶作用的效果因浆料中半纤维素种类、含量不同而存在差异.酶预处理的效果影响有待进一步研究.

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【责任编辑：陈佳】

Alkaline and xylanase pretreatment in the preparation of cellulose-silver composites

XU Yong-jian, XU Yang, LIU Zhen, ZUO Lei-gang

(College of Light Industry Science and Engineering, Shaanxi Province Key Laboratory of Papermaking Technology and Specialty Paper, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

Abstract:As the main component of chemical pulp,cellulose and hemicellulose had reductive groups which can be used to reduce Ag+.Silver nanoparticles,which were obtained by in situ reduction,were adsorbed on cellulose.The preparation condition of cellulose-silver composites and the effect of alkaline and xylanase pretreatment on silver content in cellulose-silver composites was investigated by atom absorption spectroscopy.The morphology of cellulose-silver composites was investigated by scanning electron microscopy (SEM),and the antibacterial activity of the composites was determined by inhibitory zone test.The surface of cellulose fiber is smooth,while silver nanoparticles were loaded on the surface of cellulose-silver composites.The inhibitory zone was increased with the increase of silver content.The optimum alkaline concentration was related to the kind of pulp in alkaline pretreatment.Silver content in cellulose-silver composite could be increased after alkaline pretreatment.As time of pretreatment goes on,silver content also could be increased.Different kinds of pulp had had different changes after xylanase pretreatment.

Key words:alkaline/xylanase pretreatment; in situ reduction; silver content; antibacterial activity

中图分类号：TS721

文献标志码：A

文章编号：1000-5811(2016)03-0006-06

作者简介:徐永建(1970-)，男，陕西西安人，教授,博士生导师,研究方向：植物纤维资源高值化利用、清洁生产及碱回收除硅技术

基金项目：国家自然科学基金项目(31170559) ; 华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室开放基金项目(200514077); 陕西科技大学学术带头人培养计划项目(XKD201002)

收稿日期:2016-02-11