植物膠納米技術(shù)提取絲綢抑菌材料活性成分的工藝研究

章向陽 陳 良

（博約生物科技（蘇州）有限公司 江蘇蘇州 215123）

植物膠納米技術(shù)提取絲綢抑菌材料活性成分的工藝研究

章向陽 陳 良

（博約生物科技（蘇州）有限公司 江蘇蘇州 215123）

利用植物膠和納米材料提取用于絲綢抑菌的天然植物材料的抑菌活性成分，研究了植物膠納米技術(shù)提取植物抑菌活性成分的主要影響因素，確定了最佳工藝條件。

天然植物膠；納米材料；植物抑菌活性成分

絲綢制品在溫濕的氣候條件下，極容易受到霉菌、細(xì)菌等微生物的攻擊，使得制品產(chǎn)生質(zhì)變從而影響其使用價(jià)值[1,2]。目前研究和應(yīng)用的絲綢抑菌劑基本是有機(jī)合成制劑，其固有的化學(xué)特性極容易造成對(duì)人體的危害，因此具有一定的應(yīng)用局限性。近年來，植物類生物抑菌材料由于其毒性低、來源豐富和價(jià)格低廉越來越受到研究的重視。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前世界上可用作抑菌防腐材料的植物至少有2,000種左右[3]。這些植物都有希望成為絲綢抑菌防腐材料開發(fā)的資源。

為了更好、更有效地利用這些植物的抑菌功效，需要將植物中的抑菌活性成分提取出來使用。傳統(tǒng)的提取方法是首先制成植物提取液，而后采用兩相溶劑萃取法、沉淀法、鹽析法、透析法、結(jié)晶法以及蒸發(fā)法等方法將抑菌植物的有效成分提取出來。目前國(guó)內(nèi)外也有一些關(guān)于植物提取液有效成分的新提取工藝。如陳忠正等[4]公開了一種中草藥納米提取方法，將中藥原料高溫干蒸，然后進(jìn)行超高壓爆鳴，在液化收集，采用本方法可在不需要任何溶劑的條件下，使得中草藥實(shí)現(xiàn)納米化有效提取。詹姆斯·周[5]公開了一種植物抗菌成分的提取技術(shù)，該方法是將經(jīng)過粉碎的植物材料加入到超聲波提取機(jī)中，用適量的有機(jī)溶媒加入納米材料進(jìn)行納米吸附提取。另外鄭州大學(xué)化學(xué)系的盧朝國(guó)[6]用超臨界的工藝方法用二氧化碳萃取蘆薈中有效成分。合肥工業(yè)大學(xué)的張全軍[7]利用超聲波提取方法研究了荸薺皮抑菌物質(zhì)的提取技術(shù)。盡管這些處理方法都有各自優(yōu)點(diǎn)，但都存在一些問題：如需要的反應(yīng)條件比較苛刻，或者所要求的處理工藝很復(fù)雜對(duì)設(shè)備要求很高等。為此我們希望找到一種有效地、對(duì)生產(chǎn)要求不苛刻的提取絲綢抑菌材料活性成分方法，同時(shí)避免引入有機(jī)溶劑等雜質(zhì)。

目前植物膠絮凝劑在污水處理的研究中越來越受到關(guān)注。植物膠絮凝劑具有很好的絮凝和吸附特性，同樣也適用于絲綢抑菌植物的抑菌活性成分的提取。另外。納米材料由于材料本身具有極小的尺寸，使得材料比表面積大大增加，從而提高了材料的吸附能力。將納米粉體材料和天然植物膠材料進(jìn)行復(fù)配，將植物膠的絮凝作用和納米粉體材料的吸附作用有效地結(jié)合，可以有效提高絲綢抑菌材料抑菌活性成分的提取效率。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料和儀器

天然植物膠：瓜爾膠、香豆膠、羅望子膠、決明子膠以及胡里豆膠。

納米材料：納米TiO2、納米Al2O3、納米AgO、納米CaCO3以及納米ZnO。

抑菌植物材料：辣木籽、苦參、黃芩、黃柏、地膚子、蛇麻子、土槿皮、山銀花、茯苓、火麻仁。

儀器：YP B1003電子天平、B-260恒溫水浴鍋、CL-3型恒溫加熱磁力攪拌器、JB90-D強(qiáng)力電動(dòng)攪拌機(jī)

1.2 植物膠納米技術(shù)提取生物抑菌活性成分工藝

首先將含有絲綢抑菌活性成分的植物抑菌材料置于水中熬制得到絲綢抑菌材料提取液；而后向提取液中加入納米粉體材料，使絲綢抑菌劑提取液中的有效抑菌成分吸附到納米材料表面；之后加入作為絮凝劑的植物膠溶液，充分?jǐn)嚢?；為加快反?yīng)速度，向混合體系滴加絮凝促進(jìn)劑溶液，使天然植物膠快速形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將吸附有抑菌活性成分的納米材料包裹，并絮凝下來；最后通過靜置沉淀等方法，得到絮凝提取物。

1.3 快速抑菌檢測(cè)方法

為了快速評(píng)價(jià)提取抑菌活性成分工藝的實(shí)際效果。我們采用植物膠營(yíng)養(yǎng)基培養(yǎng)法對(duì)提取物的抗菌性進(jìn)行評(píng)價(jià)。具體方法如下：

將經(jīng)過提取物抑菌處理的絲綢制品試樣埋入瓜爾膠培養(yǎng)基中7天，觀察布面變化，并與對(duì)照樣進(jìn)行對(duì)比。

2 結(jié)果與分析

2.1 攪拌速度的影響

攪拌速度是提取絲綢抑菌材料活性成分的關(guān)鍵步驟之一。攪拌速度過快會(huì)導(dǎo)致體系運(yùn)動(dòng)過于劇烈使吸附絮凝步驟難以完成；攪拌速度過慢會(huì)導(dǎo)致體系絲綢抑菌材料分散不均從而影響提取效果。本實(shí)驗(yàn)選擇了60r/m、90 r/m、125 r/m、175 r/m、200 r/m、250 r/m以及300 r/m來對(duì)攪拌速度進(jìn)行研究。

表1 不同攪拌速度對(duì)提取抑菌活性成分效果的影響

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出當(dāng)轉(zhuǎn)速在125-175r/m時(shí)，所提取得到的抑菌活性成分抑菌效果最好?？紤]到轉(zhuǎn)速到達(dá)175r/m會(huì)產(chǎn)生噴濺現(xiàn)象，故選擇125r/m為最佳攪拌速度。

2.2 天然植物膠和納米粉體材料的選擇

本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵步驟在于以納米粉體材料為核吸附抑菌提取液中的抑菌活性成分之后以天然植物膠為絮凝劑將抑菌活性成分沉淀出來。因此作為吸附劑的納米粉體材料和作為絮凝劑的天然植物膠的選擇至關(guān)重要。

作為絮凝劑的天然植物膠，我們主要選擇了瓜爾膠、香豆膠、羅望子膠、決明子膠以及胡里豆膠。分別將以上述植物膠為絮凝劑提取的抑菌活性成分，處理絲綢制品試樣并埋入瓜爾膠培養(yǎng)基中7天，觀察布面變化。

表2 不同植物膠對(duì)提取抑菌活性成分效果的影響

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看以瓜爾膠、香豆膠、胡里豆膠以及決明子膠為絮凝劑提取的抑菌活性成分均具有較好的抑菌效果，而羅望子膠由于其本身不溶于水，而經(jīng)過羧甲基改性后，其有明顯的堿性，因此提取效果略差。另外，決明子膠盡管具有較好的提取效果，但是植物膠本身帶有教強(qiáng)的紅色色素故而不適合用于絲綢紡織品處理之用。

下表是選取不同的納米粉體材料作為吸附劑提取抑菌活性成分的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由表中可以看出納米TiO2、納米Al2O3、納米AgO、納米CaCO3以及納米ZnO作為吸附劑提取抑菌活性成分效果都比較好。這是因?yàn)樯鲜龇垠w都具有較大的比表面積，因此具有較好的吸附能力。另外這些粉體均不會(huì)和抑菌成分以及植物膠發(fā)生反應(yīng)，因此均適合作為本實(shí)驗(yàn)抑菌活性成分的吸附劑使用。

表3 不同納米材料對(duì)提取抑菌活性成分效果的影響

2.3 納米粉體加入量的影響

作為吸附核心的納米粉體材料其用量的多少是決定整個(gè)實(shí)驗(yàn)成功與否的重要因素。納米粉體材料具有極高的比表面積，因此只需要比較少的量就能吸附較高量的抑菌活性成分。我們選擇納米粉體的加入量為抑菌提取液重量的1%、3%、5%、7%以及9%。

表4 納米粉體加入量對(duì)提取抑菌活性成分效果的影響

由以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，納米粉體材料加入很少的量就可以取得很好的吸附提取作用。由于納米粉體材料用量的增加會(huì)導(dǎo)致引入過多化學(xué)物質(zhì)，因此納米粉體材料加入量選擇抑菌提取液重量的1%比較合適。

2.4 吸附時(shí)間的影響

納米粉體材料吸附時(shí)間是提取效果好壞的一個(gè)重要因數(shù)。本實(shí)驗(yàn)選擇了吸附時(shí)間為2h、4h、6h、8h和10h進(jìn)行了研究。

表5 納米粉體吸附時(shí)間對(duì)提取抑菌活性成分效果的影響

由上表可以看出，提取抑菌成分的效果隨著吸附時(shí)間的延長(zhǎng)而變好。但是當(dāng)吸附時(shí)間到達(dá)6小時(shí)后，繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)間抑菌效果沒有明顯的變化，考慮到能耗和時(shí)間的因素。我們認(rèn)為6小時(shí)為最佳吸附時(shí)間。

2.5 天然植物膠加入量影響

天然植物膠在本項(xiàng)目中用作為絮凝劑。由于納米粉體粒徑很小重量很輕，因此吸附有抑菌活性成分的納米粉體材料會(huì)懸浮在液體介質(zhì)中無法沉淀下來。植物膠的加入可以在液體介質(zhì)中形成一個(gè)巨大的網(wǎng)絡(luò)將納米粉體材料包裹進(jìn)而絮凝沉淀下來。本實(shí)驗(yàn)對(duì)天然植物膠的加入量進(jìn)行了研究。

表6 植物膠加入量對(duì)提取抑菌活性成分效果的影響

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：當(dāng)植物膠的加入量不到抑菌提取液重量的15%時(shí)，經(jīng)過絮凝后體系渾濁，植物膠無法將所有吸附有抑菌活性成分的納米粉體材料全部絮凝下來。而當(dāng)天然植物膠的加入量超過15%時(shí)，經(jīng)過絮凝后體系變得清澈，所得到的提取物抑菌效果很好。因此我們選擇天然植物膠的加入量為抑菌提取液重量的15%

表7 植物膠絮凝時(shí)間對(duì)提取抑菌活性成分效果的影響

2.6 絮凝時(shí)間的影響

絮凝時(shí)間同樣是抑菌活性成分提取效果好壞的一個(gè)重要因素。我們選擇1h、2h、3h、4h以及5h。對(duì)絮凝時(shí)間進(jìn)行研究。

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：當(dāng)絮凝時(shí)間在1到2小時(shí)的時(shí)候，經(jīng)過絮凝后體系還比較渾濁有不少活性成分還隨著納米粉體材料懸浮在液體介質(zhì)里。隨著絮凝時(shí)間的延長(zhǎng)，體系逐漸變得清澈，抑菌活性成分隨著納米粉體完全被植物膠所形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)所包裹而沉淀下來。當(dāng)絮凝時(shí)間達(dá)到4小時(shí)，提取效果不再有明顯的變化。因此本項(xiàng)目中絮凝時(shí)間選擇4小時(shí)比較合適。

2.7 絮凝促進(jìn)劑加入量的影響

絮凝促進(jìn)劑是一種交聯(lián)劑可以加快植物膠的絮凝過程。本實(shí)驗(yàn)選擇絮凝促進(jìn)劑的加入量為抑菌提取液重量的0%、2%、4%、6%、8%以及10%。

表8 絮凝促進(jìn)劑加入量對(duì)提取抑菌活性成分效果的影響

根據(jù)上表實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，絮凝促進(jìn)劑的加入大大加快的天然植物膠絮凝的速度。當(dāng)絮凝促進(jìn)劑的加入量為2%-10%時(shí)，天然植物膠絮凝到使體系清澈所需的時(shí)間大致相等且提取的抑菌活性成分的抑菌效果也相同。故而我們選擇絮凝促進(jìn)劑的加入量為抑菌提取液重量的2%。

3 結(jié)論

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們確定了利用植物膠納米技術(shù)提取用于絲綢抑菌的天然植物材料的抑菌活性成分方法，具體處理步驟如下：

（1）將含有絲綢抑菌有效成分的植物抑菌劑置于水中熬制2-8小時(shí)得到絲綢抑菌劑提取液；

（2）將絲綢抑菌劑提取液置于20-30℃的水浴中，加入相當(dāng)于抑菌劑提取液重量1%的納米粉體材料作為吸附劑，攪拌6小時(shí)，攪拌速度為125轉(zhuǎn)/分鐘；

（3）向混合體系加入抑菌劑提取液重量15%的作為絮凝劑植物膠溶液，充分?jǐn)嚢?小時(shí)；

（4）向混合體系滴加抑菌劑提取液重量2%的絮凝促進(jìn)劑溶液，繼續(xù)攪拌4小時(shí)；

（5）靜置，沉淀，得到絮凝提取物；

（6）根據(jù)具體用途可以抑菌提取物烘干研磨成粉體；可以制成濃縮提取液也可以加入覆形劑擠壓造粒。

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[5]詹姆斯·周.甘草高效抗菌、抗氧化活性部位的分離及鑒定中國(guó)[P]，CN101084985B.2011-05-08

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TS102.2

A

1003-9910(2015)04-0036-05

2015-05-29）

蘇州市2012年科技發(fā)展計(jì)劃-植物膠納米技術(shù)及抑菌絲綢制品研究。

章向陽（1964- ），男，高級(jí)工程師，主要從事絲綢技術(shù)和相關(guān)助劑的研究開發(fā)。