阳离子酪素乳液的合成及其性能研究

张元霞， 马建中,2*， 徐群娜 ,2

(1.陕西科技大学 轻工科学与工程学院， 陕西 西安 710021； 2.陕西农产品加工技术研究院， 陕西 西安 710021)



阳离子酪素乳液的合成及其性能研究

张元霞1， 马建中1,2*， 徐群娜1,2

(1.陕西科技大学 轻工科学与工程学院， 陕西 西安 710021； 2.陕西农产品加工技术研究院， 陕西 西安 710021)

以天然产物酪素(CA)为基材，通过自由基聚合在酪素体系中引入阳离子单体一甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)，获得了结构稳定、性能优异的阳离子酪素乳液.采用红外光谱(FT-IR)和动态光散射粒度仪(DLS)和最低成膜温度测试仪等对乳液的结构和性能进行了表征，通过菌落定量计数法对阳离子酪素的抗菌性进行了考察，并对其涂饰革样的综合性能进行考察.结果显示：阳离子单体已成功接枝到酪素的链段上；当酪素与阳离子单体质量比为1∶1.5时，可获得电位为正，平均粒径为214.2 nm的乳液；阳离子酪素乳液最低成膜温度为23.8 ℃；采用阳离子酪素涂饰革样后，皮革的耐干湿擦性和柔软度得到了提高；并且与纯酪素相比，阳离子酪素对金黄色葡萄球菌具有良好的抗菌效果，其抑菌率约为80%.

酪素； 阳离子单体； 自由基聚合； 抗菌

0 引言

酪素(Casein)，也称酪蛋白、干酪素、乳酪素等，是一种从牛奶中提取的天然蛋白质.它由αs1-酪蛋白(αs1-CN)、αs2-酪蛋白(αs2-CN)、β-酪蛋白(β-CN)和κ-酪蛋白(κ-CN)组成[1]，其化学式大致为C170H268N42SPO51，平均相对分子质量一般为75 000～350 000，等电点约为4.6.由于酪素具有良好的生物相容性和生物降解性，其成膜具有较好的粘合力、卫生性能、耐打光、耐熨烫等优异的性能，目前它已被广泛应用到了涂料[2,3]、食品[4]等领域.然而，酪素成膜硬脆，延伸性小，耐水性差，易发霉，单纯的酪素已经很难满足工业的需求，故需要对其进行改性.

课题组前期采用聚丙烯酸酯、己内酰胺[5]、有机硅、纳米粒子[6,7]对酪素进行改性，有效地改善了成膜硬脆、易发霉，耐水性差的缺陷，研究了各种功能型酪素(如自清洁型酪素、抗菌防霉型酪素等).为了进一步赋予酪素基体更好的综合性能，将阳离子单体接枝到天然产物酪素上，使得酪素体系带正电荷，使其对正负电荷具有良好的平衡性能，同时还赋予乳液杀菌[8,9]的作用，这是阴离子或非离子型聚合物乳液所不可比拟的功能.例如，李慧灵等[10]以硝酸铈铵为引发剂，以甲基丙烯酰氧乙基-十八烷基-二甲基溴化铵为活性单体，与酪素进行接枝共聚反应制备季铵盐型酪素衍生物.

在此基础上,本文研究了阳离子单体甲基丙烯酸-2-二甲氨基乙酯(DMAEMA)与酪素的自由基聚合反应，从而获得了阳离子型酪素衍生物，并采用红外光谱、动态激光光散射粒度仪和最低成膜温度测试仪等对乳液的结构和性能进行表征，并通过菌落定量计数法对阳离子酪素的抗菌性进行了考察.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

(1)材料和试剂：甲基丙烯酸-2-二甲氨基乙酯(DMAEMA)，阿拉丁工业公司；酪素，广州市格奥高分子材料有限公司；过硫酸铵，天津市河东区红岩试剂厂；三乙醇胺，天津市天力化学试剂有限公司.

(2)仪器和设备：集热式恒温加热磁力搅拌器，西安予辉仪器有限公司；温度指示控制仪，上海医用仪表厂；DSX恒速数显控制器，杭州仪表电机有限公司；最低成膜温度测试仪，天津华银建工仪器有限公司；数字皮革厚度测定仪，陕西科技大学阳光电子研究所；拉力试验机，高铁检测仪器公司；摩擦色牢度实验仪，高铁检测仪器有限公司；皮革柔软度测试仪GT-300，英国皮革技术中心；评定变色用灰色样卡GB/T250-2008，上海市纺织工业技术监督所；台式高速离心机TG16-WS，长沙湘仪离心机仪器有限公司.

1.2 实验方法

1.2.1 阳离子乳液聚合

在装有搅拌器和冷凝装置的三口烧瓶中加入3.33 g酪素、0.81 g三乙醇胺和61.42 g的去离子水，保温2 h(温度为65 ℃，转速为300 r/min).再升温至75 ℃，一次性加入4.99 g DMAEMA后，开始滴加引发剂过硫酸铵水溶液(每10秒1滴)，DMAEMA滴加完毕后保温2 h，室温冷却即得到CA/DMAEMA复合乳液.

1.2.2 乳液稳定性测试

取4 mL的试样于5 mL的离心管中，进行离心沉淀，转速为3 000 r/min，时间为30 min，停机取出，观察是否有沉淀、絮凝或分层现象.若有该类现象之一，则视为不稳定，否则视为稳定.

1.2.3 红外光谱(FT-IR)测试

将干燥的光谱纯固体溴化钾研磨并压片，之后将乳液涂抹在溴化钾薄片上，待干燥后，采用日本日立公司的IR Prestige-21 型傅里叶变换红外光谱仪在450～500 cm-1范围内扫描进行红外光谱测试.

1.2.4 乳液Zeta电位及粒径的测定

将乳液用蒸馏水稀释至100倍，采用英国MALVERN公司的Nano-ZS动态激光光散射粒度仪测试乳胶粒粒径及乳液Zeta电位.

1.2.5 乳胶膜性能检测

(1)乳胶膜的制备

分别称取相同质量的样品于相同大小的聚四氟乙烯成模板中，使其分散均匀，将盛有乳液的培养皿放置于室温环境中自然干燥.待膜基本干燥后，将其放置于含有硅胶的干燥器中，放置24 h.待测的乳胶膜应该均匀平整，不应有气泡、波纹等缺陷.

(2)成膜外观

待膜干燥后对酪素薄膜的透明度，光泽度和柔软度观察，并将纯酪素与阳离子酪素薄膜的透明度、光泽度与柔软度进行对比.

(3)乳液最低成膜温度的测定

采用天津华银建工仪器有限公司的最低成膜温度测试仪对其乳液的最低成膜温度进行了测试，并将纯酪素和改性后的酪素乳液最低成膜温度进行了对比.

(4)乳胶膜的耐水性

截取2 cm×2 cm的薄膜，准确称量薄膜质量，记为m1.室温下在去离子水中浸泡24 h,取出膜并擦干称其质量，记为m2，乳胶膜的吸水率(W)以百分率表示，根据下面的公式计算：

W=[(m2-m1)/m1]×100%

(1)

式(1)中：W―乳胶膜的吸水率,%；m1―未吸水的薄膜质量,g；m2―吸水后的薄膜质量,g.

(5)乳胶膜的力学性能

用哑铃形标准模具对空调后的乳胶膜进行下样(全长80 mm，有效长度30 mm，中间宽度5 mm，采用多功能材料试验机测定薄膜的抗张强度和断裂伸长率(拉伸速度500 mm/min，回程速度300 mm/min).

①抗张强度

抗张强度(P)是试样在拉力机上被拉断时，单位截面积上承受的负荷，以N/mm2表示，计算公式如下：

P=F/S

(2)

式(2)中：P—试样的抗张强度,N/mm2；F—试样断裂时断裂截面上所受的力,N；S—试样断裂面的面积,mm2.

②断裂伸长率

断裂伸长率(E)是试样被拉断时的伸长与原长度的比值，以百分率表示，计算公式如下式：

E=(L1-L0)/L0

(3)

式(3)中：E—断裂伸长率,%；L1—试样断裂时受力部分的长度,mm；L0—试样原长度,mm.

1.2.6 涂饰革样性能测试

首先将绵羊皮革沿背脊线剖开，对称取样作为对照.再按照表1涂饰工艺配方进行涂饰.

表1 涂饰工艺配方

注：喷3次，烘干，熨平(100 ℃/50 kg)

将涂饰后的革样按所需测试项目用磨具切取试样，涂饰革样的性能测试主要包括以下几项：

(1)耐水性能:涂饰革样耐水性能测试方法参见(4)乳胶膜的耐水性.

(2)机械性能:涂饰革样的机械性能测试方法参见(5)乳胶膜的力学性能.

(3)耐干湿擦性:参考《皮革理化分析》耐干湿擦性方法，涂饰革样的耐干湿擦性能采用旋转式摩擦色牢度实验仪进行测定，方法如下：将6 mm×6 mm的试样的使用面朝上，用旋转的毛垫摩擦(毛垫不浸水为干擦；毛垫浸水为湿擦)有色轻革试样，在恒定压力下，分别让旋转的干和湿的圆形羊毛毡摩擦试样50/25次后，停止实验，然后对照灰色标准样卡GB/T250-2008来评估试样表面的损坏程度以及其表面颜色的转移程度，以沾色到摩擦材料上的程度来衡量测定轻革颜色的耐干擦和湿擦的能力.

(4)皮革柔软度测试:在GT-300皮革柔软度测试仪上进行涂饰革样的柔软度检测.

1.2.7 悬菌定量杀菌试验

本实验选用致病性微生物金黄色葡萄球菌，作为革兰氏阳性菌的代表，采用菌落定量计数法对阳离子酪素的抗菌性进行了考察.首先，参考《中华人民共和国纺织行业标准》进行配制试验培养基溶液，配置菌悬液并将其进行稀释，在250 mL锥形瓶中加入1 g所合成的阳离子酪素乳液作为抗菌材料(对照样为加无菌水)，然后分别均加入90 mL无菌水及10 mL的菌悬液，固定在水浴振荡器中(37 ℃，120 r/min)，振荡1 h后取0.3 mL涂在琼脂培养基上，并在37 ℃下于恒温培养箱培养48 h，统计菌落数并计算杀菌率.公式如下：

Y=(Xb-Xc)/Xb×100%

(4)

式(4)中：Y—抑菌率，%；Xb—标准空白试样菌落数平均值；Xc—样液处理后的试样菌落数平均值.

2 结果与讨论

2.1 FT-IR分析

为了确证是否成功获得了阳离子单体与酪素的缩聚产物，对纯酪素和改性酪素分别进行了分析.图1中曲线a是三乙醇胺溶解酪素干燥后的红外光谱图，曲线b是阳离子单体(DMAEMA)改性酪素的乳液干燥后的红外光谱图.通过对比曲线a和b可知，酪素改性前后的特征吸收峰基本没有变化.酪素酰胺键(-CO-NH)上的羰基振动吸收峰均在1 672 cm-1附近出峰，同时在曲线a和b中，酪素上N-H特征峰的出峰位置分别在3 385 cm-1和3 688 cm-1处.此外，相比于曲线a，曲线b中1 729 cm-1处的峰应该是阳离子单体中的酯基的特征峰，1 139 cm-1处的峰为阳离子单体中的C-N的特征吸收峰，这均是引入阳离子单体甲基丙烯酸-2-二甲氨基乙酯(DMAEMA)时，由于单体DMAEMA上的酯基和叔胺官能团引起的.这说明酪素与甲基丙烯酸-2-二甲氨基乙酯(DMAEMA)成功发生了自由基聚合反应，生成了共聚产物CA/DMAEMA.

图1 酪素红外光谱图

与此同时，对反应机理进行了探讨.根据课题组前期[11]在研究核壳型已内酰胺/丙烯酸酯共改性酪素的合成和结构中总结出4种酪素与丙烯酸酯类单体反应的情况，推断出本实验中阳离子单体(DMAEMA)与酪素的自由基反应机理，主要是甲基丙烯酸-2-二甲氨基乙酯上(DMAEMA)的双键通过自由基聚合反应接枝到酪素主链上的肽键α-C原子或N原上，其次甲基丙烯酸-2-二甲氨基乙酯也可以与酪素侧链N原子和侧链连羟基C原子进行共聚.图2和图3分别为阳离子酪素乳液的合成机理示意图及反应的化学结构示意图.

图2 阳离子酪素乳液的合成机理图

(a)DMAEMA从酪素肽键α-C原子上接枝的自由基反应

(b)DMAEMA从酪素肽键N原子上接枝的自由基反应

(c)DMAEMA从酪素侧链N原子上接枝的自由基反应

(d)DMAEMA从酪素侧链连羟基C原子上接枝的自由基反应图3 酪素与DMAEMA反应的化学结构示意图

2.2 乳液的Zeta电位及粒径分析

对酪素与阳离子酪素乳液的Zeta电位及稳定性进行分析，结果如表2所示.通过对乳液电位的探讨发现，当CA与DMAEMA质量比分别为1∶1、1∶1.5、1∶2、1∶2.5和1∶3时，乳液Zeta电位分别为-7.54 mV、2.36 mV、6.26 mV、-1.89 mV和-2.92 mV.这是因为当CA与DMAEMA质量比为1∶1时，即阳离子单体用量较少，使得阳离子单体在酪素上的接枝量较低，此时乳液仍显负电荷，当CA与DMAEMA质量比为1∶1.5或1∶2时，乳液的电位为正值，这是由于增加了阳离子单体DMAEMA的用量，提高了阳离子单体在酪素链段上的接枝率，此时乳液带正电荷，而继续增加DMAEMA的用量时，由于加入的单体DMAEMA的用量过多，使得产生的水性聚电解质PDMAEMA的量较大足以破坏聚合反应的平稳进行，从而使得在聚合过程中，均聚反应和共聚反应形成了竞争关系，更多的PDMAEMA聚电解质破坏了聚合反应的进行，使反应接枝率下降[12]，使其乳液电位值为负值.这说明单体用量须在适宜的范围.通过粒径分布图(如图4所示)可知，乳胶粒平均粒径为214.2 nm，所合成的乳液粒径分布呈正态分布，说明乳液粒径较均匀、较稳定.

表2 酪素与阳离子单体复合乳液的电位值及稳定性

图4 阳离子酪素乳液的粒径分布图

2.3 乳胶膜性能

乳胶膜的外观如图5所示.从图5可以看出，当加入阳离子单体后对乳胶膜的光泽度和透明度影响较小，却能使乳胶膜更加柔软.这是因为在相同的弯曲程度下，纯酪素本身成膜硬脆，乳胶膜弯曲后易断裂，但阳离子酪素由于酪素链段上引入了阳离子单体，其乳胶膜柔软性较好，故不易断裂.对于聚合物乳液，玻璃化温度(Tg)和最低成膜温度(MFT)都是指成膜的温度，Tg是从力学性质、物态转变的角度进行分析，而MFT则是从高聚物外观形貌上分析.一般聚合物乳液Tg越低则MFT越低[13]，从而使得涂膜越软，故从表3中改性酪素前后MFT值变化也可以解释改性酪素乳胶膜变柔软这一现象.

此外，乳胶膜耐水性得到了明显的提高，这与文献[14]说法相一致，改性后的酪素成膜抗张强度显著下降，而断裂伸长率明显增强，其最低成膜温度也略有所下降.

(a)纯酪素乳胶膜 (b)阳离子酪素乳胶膜图5 乳胶膜外观图

乳胶膜性能纯酪素薄膜阳离子酪素乳液薄膜透明度透明透明光泽度有光泽有光泽柔软度硬、脆柔软24h吸水率/%1h后膜溶解完465.44断裂伸长率/%45.91148.16抗张强度/MPa10.230.78最低成膜温度/℃26.5023.80

2.4 涂饰应用结果

为了考察阳离子酪素乳液在改性前后涂饰应用性能的变化，将纯酪素和在最佳条件下合成的阳离子酪素乳液分别应用于皮革涂饰，并将两者涂饰革样的各项性能进行对比，其结果如表4所示.

表4 乳纯酪素乳液和阳离子酪素乳液涂饰革样性能

从表4中看出，经阳离子酪素涂饰后的革样其耐水性有所提升，断裂伸长率和抗张强度没有得到改善，但革样的耐干湿擦性得到了提高.同时从表4中发现，与纯酪素涂饰后的革样相比，经阳离子酪素涂饰后的革样柔软度也得到了提高.

2.5 阳离子酪素乳液的抗菌效果分析

通过悬菌定量杀菌实验发现，当在酪素体系中引入阳离子单体(DMAEMA)时，所合成的乳液对金黄色葡萄球菌在水浴中振荡1 h后的抗菌性进行了考察，发现合成的阳离子酪素乳液的抗菌效果较好，其平均抑菌率可以达到80%.根据文献[15]报道，阳离子季铵盐类乳液抗菌的机理一般是乳液中的正电荷与细胞表面带负电荷的微生物进行正负电荷吸附，从而破坏了微生物的细胞膜，进一步导致其细胞膜破裂而死亡，如图6所示.

(a)纯酪素抗菌效果 (b)阳离子酪素抗菌效果图6 酪素对金黄色葡萄球菌的抗菌效果

3 结论

(1)以天然产物酪素为基材，甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)为阳离子单体成功合成了粒径分布均一、稳定的阳离子酪素乳液；

(2)所获得的乳胶膜透明度、光泽度、柔软度均较好，其耐水性也明显提高；

(3)经阳离子酪素涂饰后，革样的耐干湿擦性和柔软度得到了提高；

(4)当体系中引入阳离子单体(DMAEMA)时，发现阳离子酪素对金黄色葡萄球菌的抗菌效果较好，其抑菌率达到了80%.

[1] 张 帆，马建中，徐群娜．酪素胶束结构及其纳米功能化的研究进展[J].功能材料，2015，46(16)：15 001-15 006.

[2] Picchio M L,Passeggi,Mario C G,et al.Waterborne acrylic-casein latexes as eco-friendly binders for coatings[J].Progress in Organic Coatings,2015(88):8-16.

[3] Qunna Xu,Fan Zhang,Jianzhong Ma,et al.Facile synthesis of casein-based silica hybrid nano-composite for coatings:Effects of silane coupling agent[J].Progress in Organic Coatings,2015(88):1-7.

[4] Holt C,Carver J A,Ecroyd H,et al.Invited review caseins and the casein micelle:Their biological functions,structures,and behavior in foods[J].Journal of Dairy Science,2013,96(10):6 127-6 146.

[5] Jianzhong Ma,Qunna Xu,Dangge Gao,et al.Blend composites of caprolactam-modified casein and waterborne polyurethane for film-forming binder:Miscibility,morphology and properties[J].Polymer Degradation and Stability,2012,97(34):1 545-1 552.

[6] Qunna Xu,Qianqian Fan,Jianzhong Ma.Facile synthesis of casein-based TiO2nanocomposite for self-cleaning and high covering coatings:Insights from TiO2dosage[J].Progress in Organic Coatings,2016,99(72):223-229.

[7] Yanan Wang,Jianzhong Ma,Qunna Xu,et al.Fabrication of antibacterial casein-based ZnO nanocomposite for flexible coatings[J].Materials and Design,2017,113(36):240-245.

[8] Achraf Chaker,Sami Boufi.Cationic nanofibrillar cellulose with high antibacterial properties[J].Carbohydrate Polymers,2015,131(35):224-232.

[9] Jingwei Xu,Yao Wang,Yunfeng Yang,et al.Effects of quaternization on the morphological stability and antibacterial activity of electrospun poly(DMAEMA-co-AMA) nanofibers[J].Colloids and Surfaces B:Biointerfaces,2015,133(36):148-155.

[10] 李慧灵，雷万学，林 钰，等．酪素季铵盐衍生物的合成、表征与抗菌性能[J].河南工业大学学报(自然科学版)，2010，31(3)：54-58.

[11] 徐群娜.酪素基无皂核壳复合乳液的合成、结构与性能研究[D].西安:陕西科技大学,2013.

[12] 甘灰芳.阳离子无皂乳液聚合[D].上海:华东师范大学,2006.

[13] 穆 锐，朱凤凤.核-壳苯丙微乳液最低成膜温度的研究[J].化学与黏合，2010，32(1)：20-27.

[14] 陈万明.功能性阳离子聚合物乳液研究及应用[J].贵州化工，2003，28(2)：21-23.

[15] 张永帅.肉桂醛微乳制备及其对革兰氏阳性菌抑菌机理研究[D].新乡：河南科技学院，2015.

【责任编辑：蒋亚儒】

Study on synthesis and properties of cationic casein emulsion

ZHANG Yuan-xia1, MA Jian-zhong1,2*, XU Qun-na1,2

(1.College of Bioresources Chemical and Materials Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China; 2.Shaanxi Research Institute of Agricultural Products Processing Technology, Xi′an 710021, China)

Using natural product casein as the matrix and methyl acrylic acid dimethyl amino ethyl methacrylate (DMAEMA) as the functional cationic monomer,cationic casein-based emulsion with stable structure and excellent performance was synthesized by free radical polymerization.The structure and performance of emulsion were characterized by infrared spectroscopy (FT-IR) and dynamic light scattering particle size analyzer (DLS) and minimum film forming temperature tester and so on.The antibacterial property of emulsion was also investigated by colony-counting methods.The comprehensive performance of leather coating with cationic casein was also observed.Results showed that the cationic monomer had been successfully grafted onto casein chain.When the mass ratio of casein and cationic monomer was 1∶1.5,latex particles were approximately 214.2 nm in size,ζ-potential was positive,minimum film-forming temperature was 23.8 ℃.The dry and wet rubbing fastness and softness of leather had been significantly improved when adding cationic casein into finishing agent.Moreover,cationic casein emulsion had higher antibiotic resistance against staphylococcus aureus than that of pure casein,of which antibacterial rate was approximately 80%.

casein; cationic monomer; free radical polymerization; antibacterial

2016-12-28

国家自然科学基金项目(21504049)； 陕西省科技厅科研创新团队计划项目(2013KCT-08)； 陕西科技大学科研创新团队计划项目(TD12-03)

张元霞(1991-)，女，陕西榆林人，在读硕士研究生，研究方向：功能型酪素基阳离子涂层材料

马建中(1960-)，男，山西沁水人，教授，博士生导师，研究方向：水性高分子的设计与合成、有机/无机纳米复合材料的关键技术、轻纺化学产品产业化，majz@sust.edu.cn

2096-398X(2017)03-0042-05

O636.9

A