酵母菌发泡PVAL／CMC多孔复合材料的制备*

张敏，杨鱼，李成涛，李八军，刘智勇

(1.陕西科技大学教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室，西安 710021； 2.陕西科技大学环境科学与工程学院，西安 710021)

酵母菌发泡PVAL／CMC多孔复合材料的制备*

张敏1，2，杨鱼1，李成涛2，李八军1，刘智勇1

(1.陕西科技大学教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室，西安 710021； 2.陕西科技大学环境科学与工程学院，西安 710021)

采用微生物发泡法，将酵母菌作为微生物发泡剂，结合循环冷冻–解冻法制备聚乙烯醇(PVAL)／羧甲基纤维素(CMC)多孔复合材料。通过单因素试验探讨了酵母菌与葡萄糖比例(Y／G)、发泡时间、发泡温度和CMC与PVAL比例(CMC／PVAL)对发泡效果的影响，采用L9(34)正交试验进一步优化了发泡条件，通过傅立叶变换红外光谱和扫描电子显微镜(SEM)表征了PVAL／CMC多孔复合材料的结构。结果表明，当Y／G比例为2.8／1、发泡温度为31℃、发泡时间为60 min、CMC／PVAL比例为0.7／1时，PVAL／CMC多孔复合材料发泡效果最佳，其中CMC／PVAL比例为主要影响因素，此外，Y／G比例对发泡效果的影响也较为显著。SEM照片显示，以酵母菌为发泡剂制备的PVAL／CMC多孔复合材料具有较高的孔隙率，大孔平均孔径在180 μm左右，小孔平均孔径在15 μm左右，呈现大孔套小孔的开孔结构。

聚乙烯醇；羧甲基纤维素；酵母菌；微生物发泡；多孔复合材料

多孔材料是一种新型结构材料，在废水处理、食品、医药等领域均有一定的应用[1–3]。传统多孔吸附材料的发泡方法主要有超临界CO2物理发泡法、化学发泡剂发泡等方法[4–6]。然而，采用超临界CO2物理发泡法需要特殊设备、操作复杂，而化学发泡方法合成多孔材料过程存在化学药品污染，限制了其在食品、医疗等领域的广泛应用。微生物发泡法[7]是一种利用微生物新陈代谢产生CO2等气体致孔的发泡方法，其原料来源广泛，发气量大，反应能耗低，反应条件及设备简单，且通过引入微生物增加了材料的吸附性[8–10]。

聚乙烯醇(PVAL)是一种分子链上含有大量羟基的吸水溶胀型高分子聚合物，易形成凝胶，具有无毒、可溶于水的特点[11]，其水溶液具有一定的黏度，可为微生物发泡提供良好的基体。羧甲基纤维素(CMC)是天然纤维素的衍生物，具有良好的保水性，将CMC与PVAL共混改性既能保证PVAL的特有性能[12–13]，又能综合两者的性能，在生物医药和食品领域具有广泛应用前景。前人已对PVAL的发泡进行了研究，如赵娜等[14]以超临界CO2为物理发泡剂，制备了PVAL／微纤化纤维素复合材料，采用间歇式降压法制备了高发泡密度多孔材料；C. Cristina[15]等采用气体及微流体发泡法，以戊二醛为交联剂制备得到了多孔PVAL材料。然而，这些发泡方法对设备要求特殊，能耗高，制备过程中仍然存在有毒化学药品污染的问题。采用微生物发泡法对PVAL／CMC复合材料进行发泡，具有环保低毒的优势，但国内外相关研究相对较少。

笔者选用微生物发泡的方法，将绿色环保的酵母菌作为微生物发泡剂引入到PVAL／CMC复合材料中，借鉴食品发酵原理[16–17]，利用酵母菌发酵产生的CO2作为致孔剂，通过循环冷冻–解冻物理交联法，避免化学交联法交联剂对材料的污染，制备安全环保型高分子多孔复合材料，扩展PVAL／CMC复合材料在生物和食品领域的应用范围。

1　实验部分

1．1主要原材料

PVAL，CMC：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；

高活性干酵母：安琪酵母股份有限公司；

葡萄糖、无水乙醇：分析纯，天津市天力化学试剂有限公司。

1．2仪器和设备

扫描电子显微镜(SEM)：Q45型，美国FEI公司；

傅立叶变换红外光谱(FTIR)仪：VECTOR–22型，德国Bruker公司；

冷冻干燥机：LGJ–10型，北京松源华兴科技发展有限公司；超纯水仪：MAXIMA HPLC型，英国Elga公司；低温冰箱：BCD–181型，合肥荣事达电冰箱有限公司；

恒温水浴振荡器：SHZ–C型，上海浦东物理光学仪器厂。

1．3试样制备

(1)多孔复合材料的制备。

先将10%的PVAL溶液与一定质量的CMC共混得到发泡基体溶液，然后将添加一定质量葡萄糖的酵母菌水溶液加入至发泡基体溶液中共混，搅拌均匀，置于恒温水浴中发泡一定时间后立即放入低温冰箱快速定型，之后经冷冻–解冻循环5次后用超纯水清洗，得到酵母菌发酵PVAL／CMC多孔复合材料，冷冻干燥并保存。

(2)发泡条件的选择。

单因素试验：按照上述方法设计发泡实验，考察各种因素对PVAL／CMC多孔复合材料发泡效果的影响。其中，设置酵母菌与葡萄糖的质量比(Y／G)分 别 为 2.0／1，2.4／1，2.8／1，3.2／1，3.6／1；CMC与PVAL的质量比(CMC／PVAL)分别为0，0.2／1，0.4／1，0.6／1，0.8／1；发泡温度分别为28，30，32，34，36℃；发泡时间分别为30，60，90，120，150 min。

正交试验：根据单因素试验结果确定的最佳条件分别设置三个水平，设计L9(34)正交试验，进一步优化发泡条件。

1．4结构表征和性能测试

采用FTIR仪测试PVAL粉末、干酵母粉末、CMC粉末、PVAL／CMC多孔复合材料，扫描范围500～4 000 cm–1，扫描次数32次。

采用SEM观察样品多孔结构，液氮淬断，喷金处理，厚度为10 nm，测试电压为25 kV。

以多孔复合材料的孔隙率为考察指标，研究了酵母菌发泡的最优条件。采用溶剂置换法[18]测定样品的孔隙率，以无水乙醇为介质，多孔复合材料经冷冻干燥后，称其干重为Wd；精确测量样品的直径和高度，计算其体积为V；样品经无水乙醇完全浸泡后，用润湿滤纸拭去多孔复合材料表面的乙醇，测其湿重为Ww；无水乙醇的密度为p，根据式(1)计算多孔复合材料的孔隙率(Pr)。

2　结果与讨论

2．1PVAL／CMC多孔复合材料的FTIR分析

图1是PVAL／CMC多孔复合材料及其原料的FTIR谱图。由图1可知，PVAL／CMC多孔复合材料和PVAL的谱图基本一致，说明CMC与PVAL基体没有发生化学反应。3 326，3 332，3 297，3 446 cm–1处分别为PVAL，CMC，酵母菌，PVAL／CMC多孔复合材料的羟基伸缩振动吸收峰。与三种原料相比，PVAL／CMC多孔复合材料的吸收峰向左移动，这是由于CMC与PVAL基体之间形成分子间的氢键导致。1 652，1 549，1242 cm–1处分别为酵母菌的酰胺Ⅰ带、酰胺Ⅱ带、酰胺Ⅲ带的特征吸收峰，在PVAL／CMC多孔复合材料中出现同样的特征吸收峰，说明该多孔复合材料中存在酵母菌。1 043 cm–1处为酵母菌糖类C—OH的伸缩振动吸收峰，PVAL／CMC多孔复合材料中该峰向左移动至1 068 cm–1处，说明酵母菌与PVAL／CMC多孔复合材料基体之间存在一定的相互作用力。

图1　PVAL／CMC多孔复合材料及其原料的FTIR谱图

2．2PVAL／CMC多孔复合材料的微观形貌

通过SEM观察制备条件为Y／G比例2.8／1、发泡温度31℃、时间60 min、CMC／PVAL比例0.7／1时PVAL／CMC多孔复合材料微观形貌，如图2所示。从图2a可以看出，PVAL／CMC多孔复合材料孔隙率较高，呈开放的孔结构。从图2b可以看出，在开放的大孔周围有一定数量的小孔存在，大孔平均孔径为180 μm左右。从图2c可以看出，小孔孔壁周围有大量酵母菌存在，这与红外表征结果相一致，且小孔平均孔径为15 μm左右。因此，采用酵母菌发酵法制备的PVAL／CMC多孔复合材料不仅具有大孔套小孔的开孔结构，而且大量酵母菌均匀镶嵌在PVAL／CMC多孔复合材料孔壁上。与传统多孔材料相比，该多孔复合材料具有了独特的性能，增加了多孔材料的功能性，且绿色环保、无毒害，使得其在生物医药和食品等领域具有潜在的应用价值。

图2　PVAL／CMC多孔复合材料的SEM照片

2．3不同因素对发泡效果的影响。

(1)酵母菌与葡萄糖比例。

研究中以葡萄糖为酵母菌的碳源，利用其新陈代谢产生的CO2为致孔剂。因此，Y／G比例对PVAL／CMC多孔复合材料的发泡效果有很大影响，结果见图3。由图3可知，当Y／G比例从2.0／1变化至2.8／1时，PVAL／CMC多孔复合材料的孔隙率逐渐增大；当Y／G比例为2.8／1时，PVAL／CMC多孔复合材料的孔隙率基本保持恒定，其孔隙率为84.6%。这是由于当葡萄糖含量充足时，随着酵母菌添加量的增加，其呼吸产生的气体量逐渐增加，导致孔隙率增大。当继续添加酵母菌时，葡萄糖含量不足，酵母菌的新陈代谢受到限制，其产气量不再增加。因此，孔隙率保持恒定。

图3　不同Y／G比例时PVAL／CMC多孔复合材料的孔隙率

(2)发泡温度。

温度是影响酵母菌酶活性的重要因素之一，图4示出不同发泡温度时PVAL／CMC多孔复合材料的孔隙率。由图4可知，在28～32℃之间，温度升高，PVAL／CMC多孔复合材料的孔隙率增大，孔隙率最大为84.3%。当温度达到32℃之后，其孔隙率呈下降趋势。从酶动力学来看，在一定的温度范围内，当温度升高，反应速率增大，使酵母菌体内的新陈代谢加快，产气量增加，孔隙率增大；当温度超过酶的最适范围，酶的活性受到抑制，酵母菌体内的新陈代谢减慢，产气量减少，孔隙率降低。

图4　不同发泡温度时PVAL／CMC多孔复合材料的孔隙率

(3)发泡时间。

图5为不同发泡时间下PVAL／CMC多孔复合材料的孔隙率。由图5可知，随着时间的增加，孔隙率逐渐增大，60 min后孔隙率基本保持不变，孔隙率最大为83.9%。这是由于酵母菌生长经历调整期、对数期、稳定期和衰亡期四个阶段。在60 min之前，酵母菌处于前两个阶段，酵母菌活化且大量生长繁殖，之后进入稳定期，产生大量CO2，PVAL／CMC多孔复合材料的孔隙率增大；在60 min之后，体系中葡萄糖基本耗尽，酵母菌生长进入衰亡期，孔隙率不再增加。

图5　不同发泡时间下PVAL／CMC多孔复合材料的孔隙率

(4) CMC与PVAL比例。

图6为不同CMC与PVAL比例时PVAL／CMC多孔复合材料的孔隙率。由图6可知，随着CMC的加入，PVAL／CMC多孔复合材料的孔隙率增大，当CMC／PVAL比例为0.6／1时，孔隙率最大，其值为84.1%；之后随着CMC的增加，孔隙率略有降低。这是由于CMC是一种增稠剂，CMC的加入，导致体系黏度增加，体系保存气体的能力增强，孔隙率增大；当CMC加入量过多时，CMC与PVAL易出现相界面，相容性变差。因此，PVAL／CMC多孔复合材料的孔隙率降低。

图6　不同CMC／PVAL比例时PVAL／CMC多孔复合材料的孔隙率

2．4正交试验条件优化

根据单因素试验结果，Y／G比例(A)为2.8／1，发泡温度(B)为32℃，发泡时间(C)为60 min，CMC／PVAL比例(D)为0.6／1时发泡效果最佳。对这四种因素的最佳条件分别设置三个水平，设计L9(34)正交试验，考察对孔隙率的影响，水平设置见表1，试验结果见表2。由表2可知，PVAL／CMC多孔复合材料发泡条件的最优组合是A2B1C2D3，即Y／G比例为2.8／1、发泡温度为31℃、发泡时间为60 min、CMC／PVAL比例为0.7／1，此时样品孔隙率最高，为91.2%。根据极差分析结果，CMC／PVAL比例对发泡效果的影响最为显著，其次为Y／G比例。

表1　L9(34)正交试验的因素水平设置

表2　正交试验结果

3　结论

(1)利用酵母菌发酵产生的CO2作为致孔剂，PVAL为发泡基体，以CMC作为增稠剂，采用循环冷冻–解冻的方式成功制备了PVAL／CMC多孔复合材料。

(2) PVAL／CMC多孔复合材料呈现大孔套小孔的开孔结构，大孔平均孔径为180 μm左右，小孔平均孔径为15 μm左右，孔隙率范围在68.1%～91.2%。

(3)通过单因素试验以及正交试验得到了最佳发泡条件：Y／G比例为2.8／1、发泡温度为31℃、发泡时间为60 min、CMC／PVAL比例为0.7／1，其中，CMC／PVAL比例比例对发泡效果影响最显著，Y／G比例对发泡效果也较明显。

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韩国2017年7月开始禁止化妆品中使用塑料微珠

韩国食药处发布了“化妆品安全标准规定”部分修订案行政预告。从2017年7月份开始韩国将全面禁止化妆品中使用塑料微珠。并且从2018年7月份开始还将禁止销售含有塑料微珠的化妆品。

塑料微珠是指任何小于5 mm的固体塑料颗粒，其已被普遍用于牙膏、洗面奶、沐浴啫喱等洗护产品中，能够起到去角质、去死皮的作用。塑料微珠的主要成分包括聚乙烯、氧化聚乙烯等，在含颗粒洗面奶、去角质霜等产品中不难发现这些成分的存在。

由于微珠能够带来一定的环境问题，还会破坏海洋生态环境，如果被鱼类等水中野生生物食用，还会导致动物们的健康问题。因此提前准备好了预防这些潜在影响的措施。

韩国目前在药膏等医药外用品种中已经禁止使用微珠，美国则计划从2018年起，禁止生产含有微珠的产品。

(中塑在线)

Preparation of PVAL／CMC Porous Composites by Microbial Foaming Method

Zhang Min1，2， Yang Yu1， Li Chengtao2， Li Bajun1， Liu Zhiyong1
(1. Key Laboratory of Auxiliary Chemistry & Technology for Chemical Industry， Ministry of Education， Shaanxi university of Science & Technology，Xi’an 710021， China； 2. College of Environmental Science and Engineering， Shaanxi University of Science & Technology， Xi’an 710021， China)

The polyvinyl alcohol(PVAL)／carboxymethylcellulose(CMC) porous composites were prepared by microbial foaming and cyclic freezing-thawing method. The yeast was mixed into PVAL／CMC composites as microbial foaming agent. The effects of Y／G proportion，foaming time，foaming temperature，and CMC／PVAL proportion on porous composites were discussed by single factor experiments. L9(34) orthogonal test was adopted to optimize the foaming condition. The structures of PVAL／CMC porous composites were characterized by FTIR and SEM. The results show that when the foaming time is 60 min at 31℃，the proportion of CMC／PVAL is 0.7／1，the proportion of Y／G is 2.8／1，the foaming effect is best. The proportion of CMC／PVAL ratio is the most significant factor on the foaming behavior. In addition，the effect of Y／G ratio is also significant. SEM photographs show that the PVAL／CMC porous composites have high porosity，presenting open pore structures which large cells are sleeved by small cells.The average diameter of large cell and small cell is about 180 μm and 15 μm respectively.

polyvinyl alcohol；carboxymethylcellulose；yeast；microbial foaming；porous composite

TQ325.9

A

1001-3539(2016)11-0022-05

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.11.005

*高等学校博士学科点专项科研基金项目(20126125110001)

联系人：张敏，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为可生物降解高分子材料的合成与降解机理

2016-08-17