一种胍化壳寡糖及其抗菌抗病毒植物纤维和制备方法

技术领域

本发明属于植物纤维改性的技术领域，具体涉及一种胍化壳寡糖及其抗菌抗病毒植物纤维和制备方法。

背景技术

随着新型冠状病毒在全球范围内的爆发，医用防护服再一次被广泛关注。然而，目前市面上的防护服因为缺乏抗菌抗病毒的效果，很难保证一线医疗人员长期在复杂环境下工作的安全。因此，开发具有抗菌抗病毒性能的防护服是当前亟待解决的问题。

无纺布是制造防护服的主要材料，他具有价格相对便宜，制造相对快速，无菌性好等特点。其中，水刺无纺布占据医用无纺布超35％的份额，具有广阔的应用前景。纤维素纤维是制造水刺无纺布的重要原材料，通过水刺工艺，纤维素纤维可以和聚酯纤维等利用水流作用生产水刺无纺布。因此，将抗菌抗病毒植物纤维通过水刺工艺生产抗菌抗病毒水刺无纺布，从而制备抗菌抗病毒防护服是一项可行的策略。

壳聚糖是已知的天然抗菌抗病毒的生物质，具有抗菌、抗病毒、抗氧化、抗炎症、无毒、生物相容性好等优势。然而，壳聚糖的固有抗菌抗病毒性能并不高。并且，它只在酸性溶液中溶解并展现抗菌抗病毒活性。因此，为了更好的应用壳聚糖，提高其抗菌抗病毒活性、拓宽其应用的pH范围，通过化学改性的方式是一种可行的方式。壳聚糖的化学结构允许多种改性的发生，大部分的改性发生在6号位的羟基或者2号位的氨基。胍基是一种生物化学中的重要官能团，在酸性、中性条件下始终带正电荷，呈现出多氨基的结构，在抗菌抗病毒领域具有极大的潜力。

通过胍化反应合成胍化壳聚糖是增强抗菌抗病毒活性的重要方法。然而，由于壳聚糖仅在酸性溶液中溶解的特性，反应体系内不得不加入酸性试剂来解决壳聚糖的溶解问题。常见的胍化壳聚糖的合成是采用双氰胺和壳聚糖在高浓度盐酸溶液中，通过高温作用获得的。这样的方式带来了壳聚糖亲核性降低以及双氰胺水解的问题，不利于胍化反应的进行，因此，胍化壳聚糖的取代度普遍不高，不能获得更好的抗菌抗病毒效果。改性壳聚糖的抗菌抗病毒活性直接决定了后续抗菌抗病毒植物纤维的效果。

发明内容

为了解决现有技术中壳聚糖在高浓度盐酸溶液中亲核性降低以及双氰胺水解的问题等，本发明提供一种胍化壳寡糖；

本发明的另一目的在于提供一种胍化壳寡糖的制备方法；

本发明的另一目的在于提供一种抗菌抗病毒胍化壳寡糖植物纤维的制备方法；

本发明的另一目的在于提供了一种抗菌抗病毒胍化壳寡糖植物纤维及其应用。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种胍化壳寡糖，结构式为：

胍化壳寡糖的胍化取代度为21.14％～60.68％。

一种所述胍化壳寡糖的制备方法，包括以下步骤：

双氰胺在三氟甲磺酸钪的催化作用下，与壳寡糖在中性水溶性中发生亲核加成反应，得胍化壳寡糖。

优选地，双氰胺与壳寡糖的摩尔比为2～8:1，反应时间为24～72小时，反应温度90～110℃。

优选地，所述壳寡糖的相对分子质量为500～3000Da，脱乙酰度为85％～95％。

一种抗菌抗病毒胍化壳寡糖植物纤维的制备方法，包括以下步骤：

1)胍化壳寡糖的合成：双氰胺在三氟甲磺酸钪的催化作用下，与壳寡糖在中性水溶液中发生亲核加成反应，即得胍化壳寡糖；

2)浸渍液配置：取柠檬酸和次亚磷酸钠加入到去离子水中，室温搅拌溶解，即得到浸渍液；

3)二次浸渍法制备抗菌抗病毒胍化壳寡糖植物纤维：

将经打浆后的植物纤维加入步骤2)获得的浸渍液中，室温搅拌时间5～10分钟，70～90℃下浸渍0.5～3小时；

然后，在浸渍液中加入胍化壳寡糖，搅拌均匀后，再次在70～90℃下浸渍0.5～3小时；接着在90～110℃条件烘干至恒重，然后在140～160℃烘箱中固化3～5min，用水洗涤即得到抗菌抗病毒胍化壳寡糖植物纤维；

其中，植物纤维质量浓度为5％～10％，浸渍液中的柠檬酸的质量浓度为15％～25％、次亚磷酸钠质量浓度为3％～6％；胍化壳寡糖与植物纤维的摩尔为0.5～2:1。

优选地，双氰胺与壳寡糖的摩尔比为2～8:1，反应时间24～72小时，反应温度90℃～110℃。

优选地，步骤1)双氰胺与壳寡糖的摩尔比为8:1，反应时间48小时，反应温度100℃。

步骤3)植物纤维质量浓度为6％，所述的浸渍液中柠檬酸质量浓度为20％；次亚磷酸钠质量浓度为6％；胍化壳寡糖与植物纤维的摩尔为1:1。

优选地，步骤3)；两次浸渍温度均为80℃，浸渍时间均为1小时；烘干温度为105℃，烘干时间为4～5小时；固化温度为150℃，固化时间为3min。

优选地，所述植物纤维选自漂白化学浆；所述经打浆后的植物纤维的打浆度为54°SR

优选地，所述漂白化学浆包括桉木浆、针叶木浆。

优选地，所述植物纤维的打浆方法包括以下步骤：

S1.植物纤维疏解：称取一定质量的植物纤维，加入适量去离子水，浸泡一定时间后，再用适量去离子水调节植物纤维浓度，用标准纤维解离器进行解离，使植物纤维均匀分散成单根纤维状态；

S2.植物纤维机械打浆：将步骤S1获得的疏解后的植物纤维，用布氏漏斗抽滤浓缩后，在PFI磨中进行机械打浆处理，获得苍耳型植物纤维。

优选地，植物纤维的浸泡浓度为2％～3％，浸泡时间为6～8h，浸泡温度为20～30℃；疏解处理时植物纤维的疏解浓度为1％～2％，疏解温度为20～30℃，标准纤维解离器的螺旋桨转数在10000～30000转。

优选地，步骤S2所述布氏漏斗抽滤浓缩后的植物纤维浓度为10％；机械打浆设备为PFI磨或Jokro磨，植物纤维的打浆温度为20～30℃，打浆浓度为10％，打浆转数为0～20000转，打浆转数依打浆度而定。

一种根据上述制备方法制备得到的抗菌抗病毒胍化壳寡糖植物纤维。

一种所述抗菌抗病毒胍化壳寡糖植物纤维在造纸、纺织、医疗和食品包装领域的应用。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的胍化壳寡糖的取代度更高，抗菌抗病毒活性更强，其制备的抗菌抗病毒胍化壳寡糖植物纤维也表现出更强的抗菌抗病毒活性，胍化壳寡糖固定量高达539.3mmol/g，获得可水洗、长效抗菌抗病毒的胍化壳寡糖植物纤维。

本发明的抗菌抗病毒胍化壳寡糖植物纤维能直接用于工业生产，试验结果表明：本发明的抗菌抗病毒胍化壳寡糖植物纤维对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抑菌率高达100％，其对噬菌体MS2的抑制率高达99.48％。尤其是经过30次水洗后，其抗菌抗病毒活性几乎没有下降。同时，该植物纤维还具备良好的抗氧化性能，对ABTS、DPPH自由基清除率分别为82.59％、62.44％。

附图说明

图1为傅里叶红外光谱图；

图2为XPS谱图a是胍化壳寡糖和壳寡糖的总谱图，b是壳寡糖的N1s谱图，c是胍化壳寡糖的N1s谱图，d是植物纤维和改性植物纤维的总谱图；

图3为纤维的抗氧化性能结果。

具体实施方法

下面结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。

实验材料与试剂：

桉木木浆、针叶木浆由漳州汇鑫纸业有限公司提供，壳寡糖(壳寡糖的相对分子质量为500～3000Da，脱乙酰度为85％～95％)、壳聚糖购买于北京谨明生物科技有限公司，双氰胺(99％)、三氟甲磺酸钪(98％)、一水合柠檬酸(AR)、次亚磷酸钠分析纯(AR)购自阿拉丁化学试剂有限公司，LB营养琼脂、LB营养肉汤、大肠杆菌(ATCC8739)、金黄色葡萄球菌(ATCC6538)均购自青岛海博生物技术有限公司。所有的化学品都是在没有进一步净化的情况下使用的。

实施例1

一种抗菌抗病毒胍化壳寡糖植物纤维的制备方法，包括以下步骤：

1)取2g壳寡糖溶解于去离子水中，配置成100ml(2％质量浓度)的壳寡糖水溶液，在壳寡糖溶液中加入双氰胺(与壳寡糖的摩尔比为8:1)和三氟甲磺酸钪(1.2g)。搅拌均匀后，混合溶液在100℃下反应48小时。产物通过丙酮沉淀后，用无水乙醇彻底洗涤，冷冻干燥后即得胍化壳寡糖。

2)称取30克(绝干质量)漂白桉木化学浆，加入970mL去离子水使其浓度为3％，在20～30℃下下浸泡6～8h，再加入500mL去离子水调节纤维浓度为2％，用标准纤维解离器在20～30℃的温度下进行解离，螺旋桨转数在10000～30000转，使植物纤维均匀分散成单根纤维状态

3)将步骤1)获得的疏解后的植物纤维，用布氏漏斗抽滤浓缩至浓度为10％，放置于PFI磨中进行机械打浆处理，打浆温度为20～30℃，打浆浓度为10％，打浆转数为0～20000转，打浆后植物纤维的打浆度为54

4)把10g柠檬酸、3g次亚磷酸钠加入到50mL的去离子水中，20～30℃下搅拌10分钟，混合均匀。

5)取3g(以绝干计)步骤3)获得的植物纤维浸渍在步骤4)获得的浸渍液中，在80°下浸渍1小时。然后加入胍化壳寡糖(与植物纤维的摩尔比为1:1)在浸渍液中，搅拌搅匀，80°下再次浸渍1小时。然后在105°的烘箱中烘干至恒重，最后在150°烘箱中固化3分钟，用去离子水洗涤过滤即得到抗菌抗病毒胍化壳寡糖植物纤维。

实施例2～5&对比例1～9

实施例2-5&对比例1～9抗菌抗病毒胍化壳寡糖植物纤维的制备方法与实施例1基本相似，不同之处在于如表1所示。

表1实施例2～5&对比例1～9的工艺条件

备注：“/”表示与实施例1一样的工艺条件。

理化性能测试方法：

1.傅里叶红外光谱

采用傅里叶变化红外光谱仪(德国Bruker VERTEX 70)分析壳寡糖、胍化壳寡糖。表征在4000-400cm

2.x射线光电子能谱仪(XPS)

纤维、壳寡糖接枝改性纤维、壳寡糖、胍化壳寡糖的表面化学成分由XPS(美国Thermo Scientific K-Alpha)测定，能量步长设置为1.0eV。

3.EA元素分析

改性纤维的表面元素由元素分析仪(德国Elementar Vario EL cube)测定。

4.抗菌性分析

纤维抗菌性能由抑菌率表示，以金黄色葡萄球菌和大肠杆菌为测试菌种，参考GB/T20944.3-2008。简单来说，菌种在37°摇床中培养18h，培养至菌种浓度为10

式中：

Y——试样的抑菌率

W——对照样震荡接触后锥形瓶中活菌浓度(CFU/mL)

Q—试样震荡接触后锥形瓶中活菌浓度(CFU/mL)。

抗菌纸抗菌性能的测试参考

5.抗病毒性分析

改性纤维的抗病毒性能以噬菌体MS2为测试病毒，参考ISO 18184-2019。简单的来说，将0.5mL的MS2(10

纸张的测试方法和纤维类似，将0.5mL的MS2(10

病毒抑制率计算公式如下：

式中：

A——对照样品中的病毒浓度

B——实验样品中的病毒浓度

6.抗氧化性分析

抗氧化实验采用ABTS、DPPH法测定，ABTS法与Serpen等人类似。将10mg(以绝干计)的纸浆转移到离心管中，加入1.7mL ABTS自由基阳离子(ABTS

Ai：ABTS

DPPH法参考Cristina Valls等人，将10mg(以绝干计)的纸浆转移到离心管中，加入1.7mL DPPH试剂开始反应。在0、15和25分钟时将混合物涡旋3分钟，以促进不溶性物质与DPPH的反应。然后将离心管在10000转/分的转速下离心2分钟后，在517nm处测定光学清晰上清液的吸光度(Af)，所有操作在避光下进行。实验进行3个重复，结果表示为DPPH的抑制百分率。

Ai：DPPH的初始吸光度

实验结果：

(1)胍化壳寡糖取代度分析数据

表2胍化壳寡糖的取代度

由表2可知，实施例1可以获得比对比例4更高的取代度。当实施例4的双氰胺摩尔比降低时，依旧获得比对比例4更高的取代度。

从实施例2可知，当反应时间超过48小时后，再增加反应时间虽然可以获得更高的取代度，但影响并不大。

从实施例3可知，当反应温度超过100℃时，再增加反应温度并不能提高胍化壳寡糖的取代度。

从实施例4和实施例5可知，双氰胺的摩尔比对取代度有重大的影响，增加双氰胺的比例可以提高取代度。

从对比例1可知，双氰胺的摩尔比过低导致获得胍化壳寡糖的取代度非常低。

从对比例2可知，胍化壳寡糖制备过程的反应温度对取代度也有一定的影响，较低的温度会使取代度下降。

从对比例3可知，胍化壳寡糖制备过程的反应时间是一个关键因素，过少的时间不足以获得高取代度的胍化壳寡糖。

从对比例4可知，酸性反应介质不适合双氰胺与壳寡糖的亲核加成反应，其原因是酸性介质下，双氰胺会发生水解反应，产生副产物。其次，壳寡糖的氨基在酸性溶液中容易质子化，这减弱了它的亲核性。

(1)抗菌性分析数据

上述实施例和对比例的抗菌性分析如表3所示。

表3抗菌性分析数据

注：表中-表示数据无法测定

从表3可知，实施例1制备得到的抗菌抗病毒胍化壳寡糖植物纤维，对两种细菌的抑菌率可以达到100％。这是胍化壳寡糖具有更高的抗菌抗病毒活性的结果。胍化壳寡糖由于具有胍基，具有更高的正电荷密度。壳聚糖的抗菌抗病毒活性主要是氨基的正电荷吸引带负电的细菌，结合细胞壁的受体，导致K

从对比例5可知，浸渍温度影响最终产品的性能，升温浸渍温度并不能获得更高的胍化壳寡糖负载量。

从对比例6可知，降低浸渍温度的同时延长浸渍时间，然而，最终产物的胍化壳寡糖负载量还是有所降低。

从对比例7可知，胍化壳寡糖与纤维的摩尔比对最终产品的抗菌抗病毒活性有着重要的影响，降低胍化壳寡糖的量导致最终产物中胍化壳寡糖的含量大幅度降低。

从对比例8可知，浸渍液中柠檬酸的质量浓度对于植物纤维中胍化壳寡糖的固定量的影响很大，过低的柠檬酸质量浓度导致了很低的胍化壳寡糖固定量。

从对比例9可知，浸渍液中次亚磷酸钠质量浓度也对交联反应产生影响，过高的催化剂浓度不利用反应的进行。

而本专利实施例1制备的抗菌抗病毒胍化壳寡糖植物纤维拥有539.3mmol/Kg的超高胍化壳寡糖固定量。结果表明，胍化壳寡糖通过柠檬酸作用交联在纤维上是获得优异抗菌性能的纤维素纤维的有效方法。

(2)傅里叶红外光谱分析

取实施例1制得的胍化壳寡糖，以及壳寡糖进行傅里叶红外光谱分析，结果如图1所示。

壳寡糖在3400cm

胍化壳寡糖的结构式为：

胍化壳寡糖的胍化取代度为60.68％。

(3)x射线光电子能谱仪(XPS)

为了进一步说明纤维与改性纤维的区别以及改性纤维表面元素组成和各元素的化学状态，取实施例1制得的胍化壳寡糖，与实施例1制得的抗菌抗病毒胍化壳寡糖植物纤维，以及壳寡糖、未处理植物纤维进行x射线光电子能谱分析，谱图如图2所示。

如图2a所示，胍化壳寡糖在400eV处的峰明显增强，说明胍化壳寡糖的N含量大幅提高。壳寡糖的N1s谱图(图2b)可以分为两个峰，结合能分别在398.4eV、400.6eV。N-C＝O和-NH2可归于398.4eV，而400.6eV是质子化胺(-NH

(6)抗菌性分析

取实施例1制得的抗菌抗病毒胍化壳寡糖植物纤维进行抗菌性分析，结果如表4所示。

通过纸上接触测试评价抗菌纸对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的生长抑制作用，抑制情况见表5。结果表明，改性纸张对于细菌的生长起到了很强的抑制作用，12h对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑制率可以达到100％。此测试中，对金黄色葡萄球菌的抑制优于大肠杆菌。这验证了抗菌抗病毒胍化壳寡糖植物纤维作为抗菌抗病毒纸基材料的可行性。

表4抗菌性能分析

表5纸张抗菌性能分析

(7)抗病毒性能分析

取实施例1制得的抗菌抗病毒胍化壳寡糖植物纤维、以及由它制备的纸张，进行抗菌性分析，结果如表6所示。

噬菌体MS2是一种无包膜正链RNA病毒，由于其二十面体结构和小尺寸，它是SARS-CoV-2、流感病毒、人诺如病毒等的潜在替代物。壳聚糖能够通过结合病毒衣壳中的蛋白质并造成病毒结构损伤来杀死病毒。如表5所示，胍化壳寡糖抗菌抗病毒植物纤维在接触一小时后可将病毒载量减少99.19％，表明胍化壳寡糖抗菌抗病毒植物纤维具有良好的抗病毒性能。

表6抗病毒性能分析

(8)耐水洗实验

每10个洗涤周期评估一次取实施例1制得的抗菌抗病毒胍化壳寡糖植物纤维的抗菌耐久性和抗病毒耐久性。

如表7所示，30个洗涤周期，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率依然保持100％.同时，经过30次洗涤循环后，改性纤维对噬菌体MS2的抑制率在99％以上。结果表明，本发明的胍化壳寡糖抗菌抗病毒植物纤维的抗菌活性和抗病毒活性是持久的，胍化壳寡糖通过酯键与纤维素进行化学连接，对洗涤系统中遇到的剪切力是稳定的。

表7抗菌耐久性和抗病毒耐久性

注：结果显示100％表示抗菌率大于或等于99.999％。

(9)抗氧化性分析

如图3显示的是实施例1制得的抗菌抗病毒胍化壳寡糖植物纤维对ABTS和DPPH两种自由基的清除效率。改性纤维对ABTS、DPPH自由基均有优异的猝灭能力，对ABTS、DPPH自由基清除率分别为82.59％，62.44％，这主要来源于改性纤维中柠檬酸和胍化壳寡糖的作用。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。