一种基于羽毛水解物-铜离子的抑菌纳米颗粒的制备方法及应用

技术领域

本发明属于生物基抗菌纳米材料领域，具体涉及一种基于羽毛水解物-铜离子的抑菌纳米颗粒的制备方法及应用。

背景技术

传统的铜试剂，包括氢氧化铜、碱式硫酸铜、王铜、氧化亚铜等，虽然抗菌抑菌效果很好，但由于其难以在环境中恢复，容易造成严重的污染问题。而后通过硫化或其它化学改性的方式转化为金属纳米粒子以减少其危害，但它们在使用后处理时还是会与环境长期接触，对生态系统也有不利影响。

羽毛是禽类表皮细胞衍生的角质化产物，是养殖业的固废的主要来源。羽毛中蛋白含量较高，且富含多种氨基酸及生长因子，随意丢弃不仅造成资源的浪费，同时也会带来环境的污染。羽毛中角蛋白含量高达90％以上，且水解产物主要是可溶性蛋白、多肽、寡肽及氨基酸。目前羽毛角蛋白的应用方向主要是动物饲料、肥料、纺织、化妆品和医药等行业，利用率不足10％。

发明内容

一种基于羽毛水解物-铜离子的抑菌纳米颗粒的制备方法包括如下步骤：

1)将废弃羽毛洗净、烘干、剪碎，得到预处理羽毛；

2)在碱性条件下水解预处理羽毛，收集可溶性角蛋白；

3)向可溶性角蛋白溶液中加入四甲基乙二胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸钾，混匀、静置得到改性角蛋白凝胶，冷冻干燥；

4)取干燥后的改性角蛋白加入含有铜离子的溶液中，搅拌，过滤，固体物质冷冻干燥得到基于羽毛水解物-铜离子的抑菌纳米颗粒。

优选地，所述废弃羽毛为鸡毛、鸭毛、鹅毛中的一种或多种。

优选地，步骤2)中的碱是氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或多种，预处理羽毛的浓度为5-10g/100mL。

优选地，步骤2)中的碱的浓度为0.4-2mol/L。

优选地，所述可溶性角蛋白溶液的浓度是1-2g/10mL。

优选地，步骤3)中四甲基乙二胺的浓度为10-20g/L，N,N-亚甲基双丙烯酰胺的浓度为1.9g/L，过硫酸钾的浓度为3mg/L。

优选地，步骤4)改性角蛋白在含有铜离子的溶液中的浓度为0.6-2g/L，所述含有铜离子的溶液为含有铜离子浓度为0.3-0.6g/L的溶液。

本发明还提供上述制备方法得到的基于羽毛水解物-铜离子的抑菌纳米颗粒。

本发明还提供上述基于羽毛水解物-铜离子的抑菌纳米颗粒在抗菌或制备抗菌材料中的应用。

优选地，所述基于羽毛水解物-铜离子的抑菌纳米颗粒的浓度为0.4g/L，所述的菌为大肠杆菌或金黄色葡萄球菌。

与现有的技术相比，本发明的有益效果在于：

1.与单一的使用角蛋白或者铜离子试剂相比，本发明的羽毛角蛋白水解物基-铜离子纳米材料的抗菌效果更好。

2.本发明所使用的原料为废弃羽毛，制备的凝胶材料也可用于吸附工业废水中的铜离子，吸附后的材料还可以再次作为抑菌材料被开发利用，整个过程实现了以废治废，废弃物资源化再利用的可能。

3.本发明制备过程简单，原料易得，生产成本较低，可以带来巨大的经济效益，是适合产业化发展的产品。

本发明开发了一种羽毛角蛋白水解物-铜离子纳米抗菌材料，此方法不仅使废弃羽毛得到资源化利用，而且整个过程绿色、环保，实现了废弃物增值利用的目标。本发明使用废弃羽毛为原料，经化学改性制备为可生物降解的聚合物芯，而金属离子与生物聚合物芯络合后延长了抗菌活性金属离子的释放，并且使用后易于生物降解以减少其对环境的危害。

附图说明

图1是实施例3的纳米抗菌材料XPS图。

图2是实施例3的纳米材料SEM图。

图3是纳米材料抗菌效果图，图A1-A3为大肠杆菌，图B1-B3为金黄色葡萄球菌，图A1/B1为对照组，图A2/B2分别是5mg实施例3纳米材料的抑菌效果图，图A3/B3分别是20mg实施例3纳米材料的抑菌效果图)。

图4是不同浓度的实施例3的纳米材料对大肠杆菌的抑菌效果。

图5是不同浓度的实施例3的纳米材料对金黄色葡萄球菌的抑菌效果。

具体实施方式

为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述方案做进一步说明

实施例1：

1)将废弃羽毛用清水洗净、干燥、剪碎，得预处理羽毛；

2)在室温条件下，向100mL浓度为1M的氢氧化钠溶液中加入预处理羽毛5g，搅拌24h得到水解液；

3)将步骤2)得到的水解液进行固液分离，滤液再用透析法(分子量小于3000Da的透析袋)分离得到可溶性角蛋白；

4)向10mL浓度为1g/10mL的可溶性角蛋白溶液中加入0.2g的四甲基乙二胺，1mL浓度为0.03g/L的过硫酸钾、15μLN,N-亚甲基双丙烯酰胺，室温搅拌均匀，放置在50℃的烘箱中静置24h得到改性的角蛋白凝胶材料，再冷冻干；

5)取干燥后的材料0.05g加入到50mL浓度为0.3g/L的铜离子溶液中(由硫酸铜配置)，常温下搅拌4h之后过滤，固体物质冷冻干燥即可得到抑菌颗粒。

实施例2：

1)将废弃羽毛用清水洗净、干燥、剪碎，得预处理羽毛；

2)在室温条件下，向100mL浓度为1M的氢氧化钠溶液中加入预处理羽毛5g，搅拌24h得到水解液；

3)将步骤2)得到的水解液进行固液分离，滤液再用透析法(分子量小于3000Da的透析袋)分离得到可溶性角蛋白；

4)向10mL浓度为1g/10mL的可溶性角蛋白溶液中加入0.1g的四甲基乙二胺，1mL浓度为0.03g/L的过硫酸钾、15μLN,N-亚甲基双丙烯酰胺，室温搅拌均匀，再加入62.5mg的硫酸铜固体，再搅拌3h，之后放置在50℃的烘箱中静置24h，再冷冻干燥得到抑菌材料。

实施例3：

1)将废弃羽毛用清水洗净、干燥、剪碎，得预处理羽毛；

2)在室温条件下，向100mL浓度为1M的氢氧化钠溶液中加入预处理羽毛5g，搅拌24h得到水解液；

3)将步骤2)得到的水解液进行固液分离，滤液再用透析法(分子量小于3000Da的透析袋)分离得到可溶性角蛋白；

4)向10mL浓度为1g/10mL的可溶性角蛋白溶液中加入0.1g的四甲基乙二胺，1mL浓度为0.03g/L的过硫酸钾、15μLN,N-亚甲基双丙烯酰胺，室温搅拌均匀，放置在50℃的烘箱中静置24h得到改性的角蛋白凝胶材料，再冷冻干；

5)取干燥后的材料0.05g加入到50mL浓度为0.5g/L的铜离子溶液中(由硫酸铜配置)，常温下搅拌4h后过滤，固体物质冷冻干燥即可得到抑菌颗粒。

对比例1：

1)将废弃羽毛用清水洗净、干燥、剪碎，得预处理羽毛；

2)在室温条件下，向100mL浓度为1M的氢氧化钠溶液中加入预处理羽毛5g，搅拌24h得到水解液；

3)将步骤2)得到的水解液进行固液分离，滤液再用透析法(分子量小于3000Da的透析袋)分离得到可溶性角蛋白；

4)向10mL浓度为1g/10mL的可溶性角蛋白溶液中加入0.1g的四甲基乙二胺，1mL浓度为0.03g/L的过硫酸钾、15μLN,N-亚甲基双丙烯酰胺，室温搅拌均匀，放置在50℃的烘箱中静置24h得到改性的角蛋白凝胶材料，再冷冻干，得到抑菌材料记为改性角蛋白GFK。

性能测试

为了检测本发明所制备的纳米颗粒的抗菌性能，提供以下测试实验：

1.实验方法

选择大肠杆菌作为实验菌种，通过平板培养计数的方法对材料的抗菌效果进行评价。以LB肉汤培养基为液体培养基，LB琼脂培养基为固体培养基，首先将大肠杆菌培养至对数生长期，之后稀释至OD

选择金黄色葡萄球菌作为实验菌种，通过平板培养计数的方法对材料的抗菌效果进行评价。以LB肉汤培养基为液体培养基，LB琼脂培养基为固体培养基，首先将大肠杆菌培养至对数生长期，之后稀释至OD

检测实施例1得到的纳米颗粒和实施例2得到的纳米颗粒的抗菌性能：具体步骤如前面两段内容所示，只是将材料换成20mg的实施例1得到的纳米颗粒或20mg的实施例2得到的纳米颗粒。

2.试验结果

实施例3的纳米抗菌材料XPS图如图1所示，实施例3的纳米材料SEM图如图2所示。

本发明所制备的纳米颗粒的抗菌性能由图3、图4、图5所示。

由图4可知，改性的角蛋白对大肠杆菌有抑制作用，但抑菌效果不明显(抑菌率仅有17％)，而将其与铜离子进行复合后的纳米颗粒抑菌效果极为突出，同时随着材料浓度的增加抑菌效果提高，当纳米粒子浓度为0.4g/L时抑菌率达到99.5％。

由图5可知，改性的角蛋白对金黄色葡萄球菌有抑制作用，但抑菌效果不明显(抑菌率仅有9.5％)，而将其与铜离子进行复合后的纳米粒子抑菌效果极为突出，同时随着材料浓度的增加抑菌效果提高，当纳米粒子浓度为0.4g/L时抑菌率达到97.7％。

实施例1(20mg)对大肠杆菌的抑菌率为91.4％，对金黄色葡萄球菌的抑菌率为86.7％；实施例2(20mg)对大肠杆菌的抑菌率为83.4％，对金黄色葡萄球菌的抑菌率为79.8％。

显然，本发明不仅限于以上实施例，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但没有做出创新性改变研究的所有实施例都属于本发明的保护范围之内。