【2017年整理】新型塑料添加剂(III)：天然抗菌剂 季君晖.doc

新型塑料添加剂（III）：天然抗菌剂 季君晖 中国科学院理化技术研究所工程塑料国家工程研究中心，北京，100101 摘 要 介绍了能在塑料中应用的天然抗菌剂的主要品种、性能、应用及研究进展。 关键词：塑料 天然抗菌剂 天然抗菌剂是人类使用最早的抗菌剂，埃及金字塔中木乃伊包裹布使用的树胶便是天然抗菌材料。随着合成抗菌剂的发展，天然抗菌剂逐渐推退到了次要的地位。但是天然抗菌剂具有无毒稳定等独特的优点，是任何合成化合物所无法替代的，因此近期天然抗菌剂的研究开发又逐渐发展起来了。 壳聚糖 目前最常用的天然抗菌剂是壳聚糖。壳聚糖，化学名称叫（1-4）- 2 - 氨基- 2 -脱氧-?- D-葡聚糖，是由甲壳素经脱乙酰基化反应而来。甲壳素广泛存在于虾、蟹等节支动物的外壳和真菌及一些藻类植物的细胞壁中，天然界每年甲壳素的合成量达几十亿吨，是产量仅次于纤维素的自然界第二大天然高分子。虾壳、蟹壳等通过酸洗除去无机钙质，通过稀碱煮除去蛋白质便得到甲壳素。甲壳素在浓碱中进行脱乙酰化反应，得到壳聚糖，所以壳聚糖是一种取之不尽、用之不竭的天然可再生资源。壳聚糖具有良好生物相容性等许多独特的性能，在食品、医药、化工、生物医学工程等领域有广泛的应用前景，是迄今发现的唯一的天然碱性多糖，其结构和纤维素很相象。 纤维素 甲壳素 壳聚糖 图1 几种多糖的结构 Fig.1 Structure of Some Polysaccharine 1979年，Allan首次发现壳聚糖具有广谱抗菌性。之后学术界对壳聚糖抗菌作用进行了广泛的研究。对于壳聚糖抗菌机理，学术界尚没有最后定论，目前对壳聚糖抗菌机理大致有两种推测：Young等人认为壳聚糖在微生物细胞上的作用靶位是细胞膜，带正电荷的壳聚糖分子链当和带负电荷的细胞壁接触时会通过库仑作用吸附细菌，阻碍了细菌的活动，从而影响细菌的繁殖能力；而Hadwiger等人认为壳聚糖对微生物细胞抑制的靶位是细胞中的DNA，壳聚糖通过一定途径分子进入细菌内，和微生物内的核糖亚单元30S分子片断相互作用，破坏了细菌体内从DNA到RNA的转录，阻碍mRNA的密码子和tRNA的反密码子的相互作用，导致细菌繁殖终止，达到抗菌的目的。壳聚糖有很强的广谱抗菌性能，其对大肠杆菌的最低抑菌浓度为20ppm，对金黄色葡萄球菌的最低抑菌浓度为20ppm，对肺炎杆菌的最低抑菌浓度为700ppm，对根头癌肿病菌的最低抑菌浓度为100ppm，对灰曲霉的最低抑菌浓度为10ppm（液体培养法）。壳聚糖是无毒的生物高分子，可以应用于医用材料、化妆品的保湿剂、人体血酯吸附剂、食品添加剂甚至可直接将壳聚糖溶液涂摸于伤口以保持伤口的无菌状态并促进伤口的愈合。壳聚糖在塑料中的应用主要是通过聚合物共溶通过溶液混合然后脱溶剂制备成高分子膜，另一方法就是将壳聚糖研磨成粉末分散到NBR或聚氨酯海绵中应用。但壳聚糖耐热性能差，分解温度才180℃，所以由于无法加工而在许多材料中的应用受到了很大的限制。 表1 壳聚糖对部分细菌的MIC Table1 MIC of Chitosan to Some Bacteria 细菌种类 MIC（ppm） 细菌种类 MIC（ppm） 根瘤土壤杆菌 100 肺炎杆菌 700 蜡样芽孢杆菌 1000 黄色细球菌 20 溃疡病菌 10 荧光假单胞菌 500 软腐病菌 200 金黄色葡萄球菌 20 大肠杆菌 20 黑腐病菌 500 表2 壳聚糖对部分霉菌的MIC Table2 MIC of Chitosan to Some Fungi 霉菌种类 MIC（ppm） 寒天培养法 液体培养法 灰色葡萄孢 1000 10 斑点病菌 - 10 尖镰孢 1000 100 雪腐病菌 - 10 立枯丝核菌 - 1000 白癣菌 2500 - 壳聚糖是一种抗菌性能较强的天然抗菌剂，当体系中浓度0.1%时就具有十分明显的抗菌作用。但环境的酸碱性对壳聚糖的抗菌性能影响较大，壳聚糖是一种弱电解质，其分子上的—NH3+的pKa= 6.2，体系pH高于此值时，—NH3+ 逐渐转化为—NH2，作为抑菌有效因子—NH3+的密度降低，抗菌性能下降。作为壳聚糖性能重要指标脱乙酰化度对壳聚糖的抑菌性能影响也很大，随脱乙酰化度的提高，壳聚糖分子链上—NH2密度也增加，在适宜的环境中抗菌因子—NH3+的密度也提高，所以壳聚糖的抗菌性能随脱乙酰化度的提高而提高。壳聚糖抗菌剂已经在国内外都得到了广泛的应用，其目前主要的应用领域集中于处理纤维来制备抗菌纤维和直接制备具有优异抗菌性能的壳聚糖纤维。我国天津大学和南京化纤公司及保定天鹅化纤集团合作开发了壳聚糖/粘胶抗菌纤维，青岛即发集团利用溶液纺丝制备壳聚