细菌纤维素（共7篇）
细菌纤维素 篇1
0 引言
细菌纤维素(Bacterial cellulose,或称微生物纤维素)是当今生物材料研究的热点之一[1,2,3]。由于其具有较高的结晶度、化学纯度、力学强度和吸附容量而越来越受到人们的重视,随着对纤维素的生物合成机制的深入了解和发酵技术的提高,结晶细菌纤维素的应用越来越广泛。目前,国外已成功地将其应用于食品、医药、化工、造纸、滤膜渗透膜和精纺等领域[4,5]。木醋杆菌在以椰子水为主要培养基质的培养液中静置培养,能形成优质的纤维凝胶[6]。近年来,冯玉红等[7]合成了低相对分子质量的细菌纤维素。
本实验采用木醋杆菌(A.xylinumHN001)[8],以海南椰子水为原料,辅以适量蔗糖和其它盐合成了三维纳米细菌纤维素(Nano bacterial cellulose,NBC),并研究了培养温度、培养时间和培养基初始pH值对纳米细菌纤维素分子的影响;采用凝胶过滤色谱仪测定了相对分子质量及其分布,并采用红外光谱仪和透射电镜分别测定了结构和形貌。
1 实验
1.1 主要试剂及仪器
木醋杆菌(A.xylinumHN001)在海南大学食品综合实验室保藏;椰子水(海南产);乙醇、正丁醇、氯仿、乙醚、苯酚、硫酸均为AR。
MF-2020型膜分离装置,南京工业大学膜科学技术研究所;UV-2450型紫外可见光光谱仪,日本岛津公司;美国Waters 515HPLC凝胶色谱仪(GFC),Waters717自动进样,Waters2410折光检测器,流动相为纯水;红外光谱仪(IR),德国BrukerT27型FTIR,KBr压片制样;日本JEM-1010型透射电镜(TEM),树脂包埋法制样。
1.2 实验步骤
以发酵椰子水(新鲜椰子水自然发酵4～7天)、硫酸铵0.3%﹑磷酸二氢钾0.1%﹑硫酸镁0.05%﹑蔗糖3%为原料配制成液体种培养基,培养基初始pH=4.2,高温(105℃)高压快速灭菌,培养一段时间后过滤取清液,依次除去蛋白质、脂肪、无机盐以及酸性多糖[9,10],收集中性多糖即为目的产物。所得产品采用GFC测定NBC的数均分子量及相对分子质量分布[11]。采用TEM观察形貌。纯化后的样品经冷冻干燥用IR检测其结构信息。
2 结果与讨论
2.1 培养基初始pH值对NBC相对分子质量的影响
在30℃时设置几种初始pH值不同的培养液体系,静态培养48h,得到的NBC溶液经除杂后进行GFC测试,得到的相对分子量及其分布见表1。
表1表明,随着培养基初始pH值的增大,NBC相对分子质量先增大后减少,但其相对分子质量分布指数变化不大,均在1.0附近。其原因是,A.xylinumHN001中纤维素合成酶的活性受到培养基pH值影响。
2.2 培养时间对NBC相对分子质量的影响
在30℃、培养基初始pH=4.2条件下分别设置不同时间静态培养NBC 24h、36h、48h、60h和72h,然后将所得NBC溶液经除杂后进行GFC测试,得到相对分子量及其分布(见表2)。
从表2中可以明显看出,随着培养时间的延长,NBC相对分子质量先增大后减小。其原因是,随着培养时间的延长,A.xylinumHN001分泌的细菌纤维素分子逐渐延长,当分子长度达到一定程度时,纤维素的溶解度会随着纤维素分子长度量的增加而降低,细菌纤维素就会逐渐从培养液中析出,从而导致溶液中测得的NBC相对分子质量降低。
2.3 培养方式对NBC相对分子质量的影响
在30℃、培养基初始pH=4.2条件下分别静态培养和动态培养48h,然后将所得NBC溶液经除杂后进行GFC测试,得到的相对分子量及其分布见表3。
从表3中可以明显看出,选用动态培养的NBC的相对分子质量明显低于静态培养的,而其相对分子质量分布指数高于静态培养的,说明较静态培养的NBC,动态培养的NBC的相对分子质量分布不均匀。其原因是,在动态培养过程中NBC分子受摇动易从A.xylinumHN001菌体上脱落,导致NBC的相对分子质量较小且分布指数较大。
2.4 NBC产率测定
在30℃、培养基初始pH=4.2条件下静态培养48h得到NBC溶液,经除杂后采用苯酚-硫酸法测定NBC的产率为1.2g/L。
2.5 IR测试
图1为纳米细菌纤维素的红外光谱图。由图1可知,纤维素多糖在3424cm-1处的宽峰是O-H伸缩振动吸收峰;2931cm-1处为糖类C-H伸缩振动吸收峰,这个区域的吸收峰是糖类的特征吸收峰;1411cm-1处是纤维素糖环中叔醇结构的吸收峰;1107cm-1和990cm-1处是多糖的β构型糖苷键的特征峰,也是β-D-吡喃葡萄糖苷的特征吸收区域,由此可以证实此化合物是纤维素。
2.6 形貌观测
将得到的NBC样品进行TEM测试,结果见图2。从图2中可以看出,NBC分子近似球形,与文献[7]报道的相符,直径约为100nm。
3 结论
NBC的相对分子质量可以通过培养时间、培养基初始pH值及培养方式进行适当控制,其中培养方式较培养时间和培养基初始pH值对NBC相对分子质量的影响大,静态培养的NBC的相对分子质量分布指数较稳定。经红外光谱测试证实NBC结构是纤维素。通过透射电镜观察,NBC分子近似球形,直径约为100nm。
参考文献
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[4]Mitsuro I,Masahiro M,Noriko H,et al.Utilization of D-xy-lse as carbon source for production of bacterial cellulose[J].Enzyme Microbial Techn,2002,31:986
[5]Rainer J,Luiz F.Production and application of microbial cellulose[J].Polym Degradation Stability,1998,59:101
[6]Budhiono A,Rosidi B,Taher H,et al.Kinetic aspects of bac-terial cellulose formation innata-de-cococulture system[J].Carbohydrate Polym,1999,40:137
[7]Feng Yuhong,Lin Qiang,Wang Xibin,et al.Biosynthesis of low relative molecular mass bacterial cellulose[J].Fine ChemIcals,2006,23(10):954
[8]Niu Cheng,Wu Zhouxin,Wang Xibin,et al.Research on the characteristics of acetobater xylinumHN001strain[J].J Hainan Normal University,2009,22(1):55
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[10]Lin Qiang,Pei Chonghua,Feng Yuhong,et al.The charac-teristics of nano microbial cellulose[C]//Proceedings of the Sixth International Conference on Measurementand Control of Granular Materials.Shengyang,2003:588
[11]Strobin G,Wlochowicz A,et al.GPCstudies on bacterial cel-lulose[J].Int J Polym Mater,2004,53(10):889
纳米功能材料细菌纤维素研究进展 篇2
1 静态发酵和动态发酵
静态发酵时,细菌合成的纤维素膜漂浮在发酵液表面,由大量连续重叠的微纤维组成,以支撑菌体在气/液表面生长,BC产量受反应器内气/液界面面积、装液体积等的影响。动态发酵产生的细菌纤维素呈不规则的丝状、星状、絮状和团块状分散于发酵液中,发酵后期形成大的絮块乃至圆球,也会导致其内部裹带的菌体处于缺氧状态,从而导致BC产速降低。
2 工业发酵体系
2.1 静态反应器
Sakairi等[4]设计了发酵和提取一体化的浅盘静态发酵反应器,在不锈钢浅盘的一端,配有卷辊和盛放2%十二烷基硫酸钠溶液的清洗盘用于BC膜清洗和提取。这种BC膜光滑、平整,机械强度高,其弹性模量高达386.4 MPa。但该反应器难以适用BC批量生产。
2.2 附着式动态反应器
2.2.1 滴流式
Serafica等[5]设计出了一种暗盒式滴流膜型反应器,使用静态发酵的BC膜片作为初始载体膜,垂直悬挂在通气的培养室中,在膜片之间留有一定的距离有效的提高了体系的气/液界面面积,从而提高BC产量。
2.2.2 喷雾式
Hornung[6]等利用超声波将发酵液雾化喷洒,发酵液和氧气与BC膜充分接触,增强了传质过程和副产物的富集,BC膜的生长和增厚较滴流式均匀。
2.2.3 转盘式
Kim等[7]利用Gluconacetobacter sp.RKY5在转盘反应器中生产BC,发现在盘片数为8,曝气量为1.25 vvm,转速为15 rpm,pH为6.0时BC产量和细胞浓度最高。齐香君等[8]利用Acetobacter xylinum QAX993考察了转速的影响,发现最佳转速为20 r/min。
2.3 完全混合式动态反应器
2.3.1 搅拌式
Jung等[9]利用具有六片叶轮的发酵罐发酵中用Gluconacetobacter hansenii PJK生产BC,发现在一定的转速范围内,随着叶轮转速的增大,纤维素产生菌突变率降低,纤维素产量增加。
2.3.2 气升式
马霞等[2]采用内循环式气升式反应器,利用Acetobacter xylinum发酵生产BC。确定最佳通气量为2 vvm,BC产量达到2.4 g/L。缺点是为了达到高的通气量,必须提高风压,增加能耗。
Yaping Chao等[10]研究了利用Acetobacter xylinum在50 L气升式内环流反应器中分批发酵67 h,BC的产量为3.8 g/L;而通入富氧空气,BC可达到8 g/L,是机械搅拌发酵罐中产量的两倍。
3 细菌纤维素的应用
3.1 纺织和造纸工业
细菌纤维素杨氏模量达到138 GPa,因此可以作为增强材料,用于纺织和造纸行业,也可加入到降解性材料中,增强复合材料的力学性能,包括高强度纸、纺织纤维、哺乳动物细胞培养载体,用于生产高强度纸杯、可循环使用的婴儿尿布、仿真人造皮革等。
3.2 食品工业
细菌纤维素作为一种细菌多糖和膳食纤维,对人体也具有许多独特的功能,如增强消化功能,预防便秘,有吸附与清除食物中有毒物质的作用,同时还可优化消化系统内的环境,起到抗衰老作用。高纤低热量健康食品纳塔和椰果的主要成分就是细菌纤维素,而细菌纤维素在食品工业中也广泛用作增稠剂和稳定剂。
3.3 医药工业
细菌纤维素不仅用于生产人工皮肤、纱布、绷带和创可贴等伤科敷料商品,还可作为缓释药物的载体携带各种药物,用于皮肤表面给药,促使创面的愈合和康复。Klemm等[11]研究了将细菌纤维素制成BASYC®(Bacterial Synthesized cellulose®)作为内径约1 mm的人造血管应用于微血管外科,它处理容易,与人体组织兼容性好,与血管一致,活体可见。细菌纤维素也可以作为软组织替代材料应用于不同的医学领域中。
3.4 膜工业
细菌纤维素具有良好的纳米纤维网络,具有独特的一维结构、适宜的比表面积以及多孔性,是优良的膜材料和载体材料。在膜分离技术方面,细菌纤维素可以替代棉纤维和木纤维素制造硝化纤维素,与其他高分子分离膜相比,具有较高的渗透通量和相对比较适宜的分离因子,并且具有良好的机械性能和热稳定性[12]。除此之外,还能够用于制造为常规气-液及液-液两相传质提供稳定传质界面的膜接触器、用于相变的膜渗透分离过程的渗透汽化膜、用于声音共振材料的音响膜、用于微电子工业和太阳能电池的导电聚合膜、用于反应的膜反应器以及用于控制释放的人造器官膜[13,14,15]。
4 展 望
新型纳米功能材料细菌纤维素发酵过程中,反应体系的不同能够引起BC结构特征和材料性能上的差异,这就要求根据产品应用领域和功能来选择合适的反应器,是细菌纤维素从实验室走向工业化生产的研究重点。
摘要：细菌纤维素是生物质纳米功能材料,在食品、医疗、造纸、纺织、声学器材等方面有广泛的应用前景。采用静态和动态发酵方式得到的细菌纤维素具有不同的结构特征和材料性能。改进发酵工艺,开发和优化更为合理的发酵条件和发酵反应器,已成为细菌纤维素从实验室走向工业化生产的研究重点。
细菌纤维素 篇3
细菌纤维素(Bacterial cellulose, BC),又称微生物纤维素,是一种性能优异的新型生物纳米材料。BC是细菌分泌到细胞外的产物,其本身形成独特的带状(Ribbon)结构,丝带宽约50nm、厚约10nm,整体呈现一种超精细三维纳米网络结构[1]。与植物纤维素相比,BC具有一系列独特的理化性质,如优异的结晶性能、高持水性、高比表面积、高抗张强度和弹性模量、高纯度和良好的生物相容性等[2,3,4]。
利用BC超细网络结构、大量的纳米级孔径分布以及羟基基团作为反应活性位点,对其进行衍生化改性或者作为生物模板来控制合成具有预期特定形貌、尺寸的纳米材料,是目前纤维素研究的热点方向,日益受到各界的广泛关注[5,6,7,8]。但是,由于BC是由β-1,4-糖苷键组成的直链多糖,大量存在的羟基容易在分子链间和分子链内部广泛形成氢键,影响了表面活性羟基的数量及其反应可及度,而BC的表面特性在衍生化改性及功能化应用拓展中起至关重要的作用。Wong等[9,10]将BC的铜铵溶液进行超声波预处理改性,探讨了其对BC分子量、结晶性能、热稳定性等的影响,并与植物纤维素进行对比。结果表明,该法可控制BC的解聚合作用,处理过程中并无如氧化等化学反应的发生,而且延长处理时间后,分子量降低,结晶度增大,在处理时间超过30min后变化不大。相比较而言,BC的解聚合作用比植物纤维素快,而且超声波处理时间并不影响植物纤维素的结晶度。他们认为该处理方法对开发基于纤维素的生物纳米复合材料具有重要意义。另外,Udhardt等[11]采用固体NMR光谱,分析湿态、普通干燥以及冷冻干燥BC的超分子结构。结果表明,BC的含水量和干燥方式对结构和规则度都有影响,如湿态、普通干燥以及冷冻干燥BC的结晶度分别为80%、72%、68%,自旋晶格弛豫时间分别为2.7s、2.0s、1.4s。
本实验为了提高BC表面羟基的反应活性,首次采用不同活化方法对BC表面进行预处理,研究其对Zn2+吸附性能的影响和吸附动力学,并对其结晶结构和结晶度的变化进行表征和分析,从而探讨预处理机理。这对BC衍生化和功能化研究具有重要的指导意义。
1 实验
1.1 原料及仪器
海南椰果食品有限公司提供的细菌纤维素样品。氢氧化钠、乙醇均为分析纯。
超声波仪(SK6200LHC,上海科导超声仪有限公司),冷冻干燥机(FD-1A-50,北京博医康实验仪器有限公司),X射线衍射仪(D/Max-2550 PC,日本Rigaku)。
1.2 表面预处理
1.2.1 超声波预处理
取5cm×5cm BC湿膜浸渍在100mL的蒸馏水中,分别超声处理6min、12min、18min、24min、30min、36min、42min后,取出湿膜,冷冻干燥,备用。其中超声波功率设定为280W,频率为35kHz。
1.2.2 碱溶胀预处理
取5cm×5cm BC湿膜3块,分别放入质量分数为1%、5%、10%的NaOH溶液中,室温轻微搅拌30min,用蒸馏水洗涤3次,冷冻干燥,备用。
1.2.3 乙醇溶剂交换预处理
取5cm×5cm BC湿膜,浸渍在乙醇水溶液中(V(乙醇)/V(水)=50/50),室温轻微搅拌30min后取出。重复上述操作,并逐渐增加溶液中乙醇的含量,即依次浸渍在60/40、70/30、80/20、90/10、100/0的乙醇水溶液中,取出湿膜,冷冻干燥,备用。
1.3 金属离子吸附性能
为了研究不同表面预处理对BC表面羟基的活化效应,分别测试了预处理前后BC对重金属Zn2+吸附性能的影响,实验方法如下[12,13]:为消除玻璃仪器器壁对吸附实验的干扰,吸附实验中所用的各种玻璃器皿在实验前初步洗涤后均用稀硝酸浸泡12h,依次用自来水和去离子水冲洗干净,置于烘箱中烘干待用。
1.3.1 Zn2+标准曲线绘制
在常温常压下,配制重金属Zn2+质量浓度为1000mg/L的标准贮备溶液。继而稀释成标准质量浓度为0.5mg/L、1.0mg/L、2.0mg/L、4.0mg/L、8.0mg/L、10mg/L,用原子吸收分光光度计测量,并以吸光值为纵坐标、Zn2+质量浓度为横坐标绘制标准曲线(图1)。由图1可知,Zn2+的曲线方程为Y=0.02483+0.19326X;曲线的回归率为r2=0.9976。
1.3.2 吸附实验
采用静态实验,取150mL质量浓度为200mg/L的Zn2+溶液置于250mL三角烧瓶里,分别加入BC凝胶膜6.25g(机械应力压干),调节pH=4～5,依次搅拌10min、20min、30min、40min、50min、60min、90min、120min、150min,取上清液,使用原子吸收分光光度计分析不同吸附时间后残留金属离子的质量浓度。定义吸附容量qt为t时间后达到吸附平衡时单位质量吸附剂上所吸附的重金属离子质量,其计算公式[14]见式(1):
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式中:C0为吸附前溶液中金属离子的质量浓度(mg/L);Ce为吸附后溶液中金属离子平衡质量浓度(mg/L);V为溶液体积(L);m为BC干重(g)。
2 结果与讨论
2.1 表面预处理对结晶性能的影响
图2、图3分别为不同时间超声波预处理和乙醇溶剂交换预处理后BC的XRD图。从图2、图3中可以看到,超声波预处理和乙醇溶剂交换预处理对BC的晶体类型并没有影响, 在14.8°、16.5°和22.8°出现了3个特征结晶峰,分别对应于undefined、(110)和(200)晶面,是典型的纤维素Ⅰ晶体,并保持晶区与非晶区两相共存的状态[3]。
图4为不同质量分数NaOH碱溶胀处理后BC的XRD图。由图4可见,BC纯膜是典型的纤维素Ⅰ晶型。当碱液质量分数为1%时,根据分峰法计算得到结晶度从BC原膜的87.12%下降至61.33%,虽然晶型没有明显的变化,但3个特征峰的强度明显下降。因此,可初步判断此条件下的碱溶胀处理使纤维素分子内氢键减弱,结晶度降低,羟基的可及度提高,有利于化学反应的进行。继续增加碱含量后,BC逐渐从纤维素Ⅰ晶型向更稳定的纤维素Ⅱ晶型转变,5%(质量分数)碱溶胀处理后BC已具有纤维素Ⅱ晶型的典型特征峰(12°、20°和21.8°)。当碱液浓度到达10%(质量分数)时,如图4(d)所示,只在最右侧出现一组小峰,属于冷冻干燥处理后氢氧化钠的结晶峰,说明此时BC已完全被降解。由此可见,碱溶胀预处理可通过调节碱液质量分数实现对BC结晶结构的可控调节,有效减弱BC分子内氢键,增加无定形区的比例,提高纤维素羟基的可及度,从而改善其对金属离子的吸附性能。
2.2 吸附性能
考察1%(质量分数)NaOH碱溶胀处理、乙醇溶剂交换、超声处理24min和纯膜这4种湿膜在不同时间条件下对Zn2+的吸附情况,结果如图5所示。4种湿膜的吸附曲线基本一致,在初始阶段对Zn2+的吸附都较为迅速,60min后吸附容量增加缓慢,在120min时对Zn2+吸附基本达到平衡,吸附容量不再明显增加。以碱溶胀处理BC膜为例,在60min吸附容量已达到19.4mg/g,随后吸附容量增加缓慢;在120min时,碱溶胀湿膜的吸附平衡容量约为21.3mg/g,而原膜、溶剂交换、超声处理的吸附平衡容量分别约为14.8mg/g、20.1mg/g和16.3mg/g。由此可见,表面预处理能有效改善吸附活性,不同程度地提高吸附容量。
碱溶胀BC膜对锌离子的吸附机理如图6所示。BC湿膜的表面羟基通过氢键作用而被一层水分子覆盖,碱溶胀预处理后,碱分子逐渐向纤维素晶胞膨润,BC由原生纤维素晶胞结构转变成碱纤维素的结晶结构,表面被水分子覆盖的羟基得到释放,所生成的氧负离子可作为反应活性位点,有利于目标金属离子的渗入,通过静电吸附、离子交换、螯合等作用牢牢地固定金属离子[13],从而改善金属离子的吸附性能、提高吸附容量。
超声波对BC吸附性能的改善可能是由于超声波的空化效应使非晶区和有结晶缺陷的纤维素分子链迅速分开,自由度增加,氢键受到一定程度的破坏, 分子排列的规整性减少, 从而降低结晶度[15]。另外,关于溶剂交换的机理相关文献报道较少。Sun等[16]认为BC湿态水凝胶体系中,除了通过氢键覆盖在BC表层的非自由水分子层之外,还存在一层无序的自由水分子层。通过乙醇溶剂交换预处理,可以有效驱散无序水层,释放出活性羟基,增加了表面羟基的可及度,从而提高反应性能。Lin等[17]在研究棉纤维的酸解过程中也发现,在同样条件下使用乙醇作为浸渍介质样品的降解速率与使用水作为介质样品的降解速率相比有较大的提高,证明乙醇的加入可以使得H+更容易渗透纤维素,从而改善其反应活性。
2.3 吸附动力学分析
为了研究表面预处理BC膜对Zn2+的吸附机理,找到最适合描述BC吸附金属离子的动力学模型,本课题组选用Lagergren二级动力学方程和颗粒内扩散方程进行检验。动力学方程分别为[18]:
二级动力学方程:
t/qt=1/(k2qe2)+t/qe (2)
颗粒内扩散方程:
qt=kintt1/2 (3)
式中:qt为吸附时间t内吸附重金属离子的吸附量(mg/g),k2为二级吸附速率常数(g/(mg·min)),kint为内扩散速率常数(mg/(g·min0.5))。对图5中的实验数据进行处理,得到表面预处理BC吸附Zn2+的动力学方程,作t/qt对t和qt对t1/2的关系图,并根据直线的斜率和截距计算得到k2和kint的值列于表1。
图7是表面预处理BC吸附Zn2+的Lagergren二级动力学方程线性拟合曲线。如图7所示,t/qt对t的线性拟合曲线基本上是一条直线,且相关系数R22大于0.99,说明二级动力学方程可描述整个吸附过程,该方程假设化学键的形成是影响吸附作用的主要因子,化学吸附是主要速率控制机理[19,20]。
固液吸附过程可由3个连续步骤完成,即液膜扩散或外扩散、孔内扩散或内扩散以及表面吸附,且最慢阶段的速率对吸附全部过程的总速率起决定作用。如果吸附过程只有内扩散,那么颗粒内扩散方程的拟合曲线应始终为线性直线,且内扩散是唯一限速步骤。图8为表面预处理BC吸附Zn2+的颗粒内扩散方程线性拟合曲线。如图8所示,表面预处理BC对Zn2+的吸附在整个时间段上呈多阶段线性关系,其中第一阶段直线代表大孔扩散,而第二部分代表的是微孔扩散[19]。
表1中所列的Kint1、Kint2分别是图8中第一阶段和第二阶段的颗粒内扩散速率常数,且Kint1>Kint2,拟合曲线不过原点,说明该吸附过程主要受颗粒内扩散控制,但其不是唯一的速率控制步骤,吸附过程的不同阶段对吸收作用均有不同程度的影响。
3 结论
细菌纤维素 篇4
随着时代的发展,人们越来越重视对个人肤质的保养, 面膜已成为一种常见的护肤品。它是涂或敷于人体皮肤表面,经一段时间后揭离、擦洗或保留,起到集中护理或清洁作用的产品[1]。面膜的基本功能是将皮肤与外界隔绝,使皮肤温度升高,毛孔大量出汗,皮肤的分泌活动旺盛,在剥离面膜时,将皮肤分泌物、皮屑、污物等除掉,使毛孔清洁的同时将面膜中的营养物质有效渗入皮肤里,起到增进皮肤机能的作用[2]。成型类面膜是由面膜基材经折叠入袋后加入精华液制成的。理想的面膜基材应具备以下性能:(1)良好的持水性;(2)优异的贴面度;(3)良好的生物相容性;(4)良好的力学性能;(5)可降解、无污染。细菌纤维 素 (Bacterial cellulose,BC)是由葡糖醋杆菌自然发酵制成的纤维体,具有精细的纳米级三维网络结构,透气性强、持水率高、湿态强度大、 力学性能好、生物相容性好、可降解、无污染[3],是一种理想的面膜基体材料。
透明质酸(Hyaluronic acid,HA),又名玻尿酸,是人体皮肤的组成之一,是人体内分布最广的一种酸性黏多糖。HA具备保湿、预防和修复皮肤损伤、营养皮肤等功效,其理论保水值高达500mL/g,是自然界中最好的保湿因子。HA也是一种很好的传送载体,可搭配各种植物 萃取液及 水溶性成 分[4,5]使用。
采用原位添加HA静态发酵培养技术制得HA-BC复合生物面膜,将实验所制面膜与BC面膜基材和目前市场上较多的无纺布面膜进 行对照试 验,研究其形 态、结构、力学性能、舒适度及水管理体系性能,以判断其在个人护理领域应用的前景。
1实验
1.1试剂与仪器
葡糖醋杆菌1.1812为中国科学院微生物研究所提供; 葡萄糖、蛋白胨、柠檬酸、酵母膏、碳酸氢二钠、磷酸氢二钾、 氢氧化钠、磷酸二氢钠、变色硅胶、L-酪氨酸、抗坏血酸均为分析纯试剂;透明质酸钠为化妆品级试剂;无纺布面膜为临安市中元无纺制品厂提供。
十万级无菌实验室,超纯水制备系统(Ultra clear Plus), 电子天平(FA2004),电热恒温培养箱(DHP-9082),实验室pH计(FE20),立式压力蒸汽灭菌器(LDZX-50KBS),真空干燥箱 (101A-1),冷冻干燥 机 (FD-1A-50),透气率圆 筒装置 (定制)。
使用场发射扫描电镜(JSM-6700F,日本JEOL电子株式会社)表征面膜基材表面及截面结构;使用傅里叶红外光谱仪(NEXUS-670,美国NICOLET)对面膜基材进行红外光谱表征;使用X射线衍射(D/Max-2550PC,日本RIGAKU)分析样品结晶结构和结晶度。
舒适度表征:(1)力学性能 测试[6,7]。 将样品裁 成20 mm×70mm测试样条,用微机控制万能电子试样机(WDT0.2,深圳市凯强利试验仪器有限公司)对样品进 行拉伸测 试,拉伸速率5 mm/min。每种样品 测试3次,取平均值。 (2)90°剥离试验[8,9]。将样品裁 成25 mm×80 mm测试样条,采用电子万能材料试验机(Instron 5969,美国英斯特朗集团)对样品进行90°剥离试验,剥离速率300mm/min。每种样品测试3次,取平均值。
水管理体系性能分析:(1)持水性能测试[10]。将湿膜裁成2cm×2cm膜片,对膜片进行离心试验,每次离心时间为15min,离心力分别为7g、100g、800g、1500g和3000g,每种样品测试4次,取平均值。(2)水蒸气透过率测试[11]。根据中华人民共和国医药行业标准(YY/T 0471.2-2004)《接触性创面敷料试验方法第2部分:透气膜敷料水蒸气透过率》 进行测试。(3)吸附不同粘度溶液性能测试。配制浓度分别为0.5%、1%、1.5%、2%和3%藕粉溶液。将HA-BC面膜裁成2cm×2cm膜片,100 ℃沸水中煮至饱和,压至24h内复水最佳含水量,进行24h复不同浓度溶液实验。每种样品测试3次,取平均值。
1.2BC面膜基材和HA-BC面膜制备
BC面膜基材制备:活化葡糖 醋杆菌菌 株1.1812为菌种,培养基(葡萄糖5%,蛋白胨0.5%,酵母膏0.5%,柠檬酸0.1%,磷酸氢二钠0.2%,磷酸二氢钾0.1%(均为质量/体积比)),将接种后的培养基均匀倒入经灭菌的面膜模具中,硅胶膜封口,30 ℃恒温静置培养5天。
HA-BC生物面膜制备:活化葡糖醋杆菌菌株1.1812为菌种,培养基中加入透明质酸(0.5%,质量/体积比),将接种后的培养基均匀倒入灭菌后的面膜模具中,硅胶模封口,30 ℃恒温静置培养5天。
将静态培养得到的BC面膜基材和HA-BC面膜取出, 超纯水清洗,超纯水中100 ℃煮沸60min,除去残余培养基和细胞残骸,再用超纯水反复洗涤或浸泡,得白色透明状膜片。将膜片塑封包装,高压灭菌,制得湿膜,或将膜片冷冻干燥,制得干膜。
自制样品(a)为HA-BC生物面膜,对照样品(b)为BC面膜基材,对照样品(c)为无纺布面膜。
2结果与讨论
2.1表面形貌分析
图1为HA-BC生物面膜(a)、BC面膜基材(b)和无纺布面膜(c)实物照片。其中HA-BC和BC面膜均没有眼睑,最大长宽均为22cm×18cm;无纺布面膜有眼睑,最大长宽为22cm×20cm。BC面膜基材为半透明水凝胶状膜片;HABC复合面膜颜色更白,透明度下降,呈乳白色、不透明凝胶状;无纺布面膜为白色纤维布面膜。3种面膜的FESEM如图2所示。
由3种面膜的表面电镜可看出:无纺布面膜(图2(e))纤维直径较大,为10μm左右,纤维直径相差较小,但孔径较大且分布不均匀。HA-BC面膜(图2(a))和BC面膜基材(图2 (c))表面均呈现出由粗细均匀的纳米纤维无规交织成三维网状结构,纤维直径均小于100nm。人类皮沟宽度为50~ 60nm,使用细菌纤维素面膜可深入皮沟,增加与肌肤接触面积,使其不易脱落,伏贴性强,能协助精华液吸收,使皮沟达到与皮丘相同深度的保养。
对比图2(a)和图2(c),BC面膜基材相较于HA-BC面膜孔径较大,分布更均匀,呈现出清晰的纤维结构及其相互交错所形成的立体网状结构,网孔没有膜状覆盖,纤维之间无黏连;HA-BC面膜表面网孔有透明质酸覆盖,纤维表面有透明质酸涂覆,纤维之间通过透明质酸粘结,使得HA-BC面膜透明度降低,HA-BC面膜的持水性能也因透明质酸的存在而增大。图2(a)中,透明质酸主要涂覆在纤维表面,使面膜透气性下降,有助于防止面膜中精华液的蒸发所造成的浪费,亦可更好地将面部与空气、污染隔绝。
由断面FESEM图可看出,HA-BC面膜(图2(b))和BC面膜基材(图2(d))纳米纤维排列规整、有序,无纺布面膜(图2(f))纤维排列松散、无规则。HA-BC面膜呈现上层致密向下逐渐过渡到疏松的梯度结构,这是由于细菌纤维素膜在形成过程中,透明质酸嵌入到细菌纤维素网络中,经后处理后, 部分透明质酸被洗掉,导致纤维三维网络的间隙变大;而由于“器壁效应”[12],透明质酸大部分集中在细菌纤维素膜更接近培养液的部分,导致了“上致密,下疏松”的结构。这种特殊结构更贴近于人体皮肤结构,更适于作面膜。
2.2红外光谱分析
图3为BC、HA-BC面膜和HA的红外谱图。图3中,曲线(a)中1058cm-1附近的吸收峰是由C-O键的伸缩振动引起,是细菌纤维素的特征峰;在2897cm-1附近的吸收峰是由CH2-CH2伸缩振动产生,在这个区域的吸收峰是糖类的特征吸收峰;3345cm-1附近的吸收峰为分子间氢键引起的O-H基的伸缩振动峰[13]。HA-BC的红外曲线(曲线(b))在1548 cm-1处存在比较明显的氨基弯曲振动峰[14],与HA的红外曲线(曲线(c))一致,说明细菌纤维素中存在透明质酸。
2.3XRD分析
图4为HA-BC生物面膜、BC面膜基材和HA的X射线衍射峰。
BC和HA-BC面膜在布拉格角为14.8°、16.5°和22.8° 处出现衍射峰,对照纤维素标准XRD衍射峰可知,两者都是典型α-纤维素,为纤维素Ⅰ晶型结构,这3个衍射峰分别对应于纤维素Ⅰ晶体()、(110)和(200)晶面[15]。计算两款面膜的结晶度,如表1所示。
HA-BC和BC面膜结晶度均较高,但HA-BC面膜略低于BC面膜基材。在纤维素形成之前,培养体系中已有透明质酸存在,HA的“占位”导致纤维三维网络间隙变大,结晶度变低。结晶度下降使面膜更柔软,触感更舒适。
2.4力学性能分析
分别对HA-BC面膜、BC基材、无纺布面膜进行湿膜拉伸测试,如图5所示。
HA-BC面膜、BC面膜基材和无纺布面膜的拉伸强度分别为(1.00±0.17)MPa、(1.13±0.10)MPa和 (0.55± 0.08)MPa,弹性模量分别为(4.90±0.86)MPa、(6.03± 0.56)MPa、(1.38±0.17)MPa,以细菌纤维素为基材的面膜拉伸强度、弹性模量均高于无纺布面膜;3种面膜的断裂伸长率分别为(21.47±3.05)%、(20.94±3.35)%、(39.86± 3.50)%,以细菌纤维素为基材的面膜断裂伸长率低于无纺布面膜。细菌纤维素面膜具有独特的3D网络结构,结晶程度高;无纺布面膜无三维网络结构,排列疏松无规则,因此细菌纤维素面膜抗拉伸性能优于无纺布面膜,断裂强度和弹性模量较高。而无纺布面膜拉伸时更易发生变形和位移,显示出更大的断裂伸长率。HA-BC面膜的拉伸强度和弹性模量略低于BC面膜基材,断裂伸长率略高于BC面膜基材。
面膜使用过程中,使用者会结合自身需求和面部轮廓对面膜敷贴位置进行调整,因此面膜基材要求具备一定的抗拉能力。HA-BC面膜在一定的拉扯力下不易发生变形,并能保有其孔洞结构,使孔洞中持有的精华液不易侧流,保证了使用者的体验度。
湿态情况下对面膜进行90°剥离试验,如图6所示。
由图6可知,HA-BC面膜、BC基材和无纺布面膜的剥离强度分别为(0.76±0.14)N/m、(0.88±0.05)N/m和 (0.16±0.05)N/m,以细菌纤维素为基材的面膜其90°剥离强度远远高于无纺布面膜,而HA-BC面膜与BC基材相比, 前者剥离强度略低。面膜在3M胶带上的剥离强度间接反映面膜敷于脸上的贴肤程度,剥离强度越高,贴肤度越高,添加了透明质酸的BC面膜同样具有很好的亲肤性[8]。
2.5水管理体系性能分析
对于面膜来说,基材持水能力的好坏直接影响精华液的有效使用量。持水性能好的面膜能保有更多精华液,使用过程中不会因拉扯而流失精华;而持水性能差的面膜,轻微外力即会导致精华液流出,造成浪费。
图7反映了HA-BC、BC和无纺布面膜的持水能力。从细菌纤维素为基材的面膜和无纺布面膜对比来看,前者初始持水力远高于后者,即表明相同面积下,细菌纤维素为基材的面膜携带更多精华液。随着离心力的增加,前者持水率下降,当离心力达到1500g后趋于稳定,此时持水率保有较高水准;后者当离心力达到100g时,持水率就几乎接近于零。 导致这种结果主要是由于两者结构存在差异,细菌纤维素为基材的面膜中,水分不仅储存于致密 的三维网 络孔洞结 构中,还可通过氢键作用与细菌纤维素上的大量羟基结合,使更多水分子被固定,因此,细菌纤维素为基材的面膜持水能力好。无纺布面膜中,水大部分都处于二维网络孔洞中,且孔洞结构疏松,稍大外力作用即可流出,持水能力极差。
对比HA-BC复合膜和BC膜可得,BC面膜基材平均持水量高于HA-BC面膜;但随着离心力增加,前者持水量显著下降,后者持水量变化率较小,离心力与持水量曲线趋于平坦,锁水性能更优。造成这种 现象是因 为绝对持 水量是以BC膜的三维立体结构主导的,而锁水性能是由三维结构和化学键合双重主导的。添加了HA的BC复合生物面膜与纯BC相比,三维网络结构的致密部分变少,疏松部分变多,致使持水量较BC面膜少。结构的疏松对于持水性能来说是不利因素,但所添加的HA具有高亲水性,能在纤维素网络结构中补充更多氢键以锁住水分,对水分子的螯合作用比纤维素强,从而将无定形区水分子牢牢锁在面膜内部。因此,添加透明质酸的BC复合面膜对于水分子的锁水力更强。
面膜敷于脸上,面部温度升高,面膜中精华液出现部分蒸发,精华液蒸发量的多少与面膜的水 蒸气透过 率密不可 分,因此面膜的水蒸气透过率直接影响 精华液的 有效使用 量。图8反映了3种面膜材料的水蒸气透过率。由图8可得,HA-BC面膜的水 蒸气透过 率最小,为 (5640±78)g· m-2·(24h)-1;BC基材为(8482±125)g·m-2·(24h)-1; 无纺布面膜最大,为(12108±130)g·m-2·(24h)-1。细菌纤维素内部孔洞达纳米级别,而无纺布面膜内部纤维网络孔洞较大,造成无纺布面膜的水蒸气透过率远大于以细菌纤维素为基材的面膜。HA-BC面膜表面更致密,且断面呈现“上致密、下疏松”的梯度结构,能更有效地锁住水分,防止蒸发。
2.6HA-BC面膜吸附不同浓度溶液性能测试
将HA-BC面膜裁成2cm×2cm膜片,于沸水中煮1h, 将膜片压至含水率为40%,作为实验样品。分别浸泡于浓度为0.5%、1%、1.5%、2%和3%的藕粉溶液中。由图9可得, 当液体浓度不同时,吸附液浓度越高,HA-BC膜片含液率越低。48h内,HA-BC膜片含液 率均不能 恢复到100%。前24h内,吸附液浓度为0.5%、1%,膜片含液率达85%左右; 吸附液浓度为1.5%、2%时,膜片含液率达70%左右;吸附液体浓度为3%时,膜片含液率仅为55%左右。
液体浓度相同时,HA-BC面膜吸收液体的量随时间的增加而增加,当浸泡时间超过24h后,吸附量趋于饱和。对于HA-BC面膜有效液体的吸收量可以只考虑面膜在24h内对溶液的吸收值。
3结论
(1)静态发酵培养阶段原位添加透明质酸制得的HABC复合生物面膜,红外谱图中1640cm-1和1548cm-1处存在氨基特征峰。扫描电镜、红外光谱分析和X射线衍射分析均证明了实验所制面膜中透明质酸的存在。
(2)HA-BC生物面膜湿态条件下拉伸强度和弹性模量比对比实验选用的无纺布面膜高,在一定拉扯下不易变形并保有其孔洞结构;HA-BC面膜90°剥离强度比无纺布面膜高出约0.6N/m,HA-BC面膜贴肤度更高,亲肤性更好。
细菌纤维素 篇5
细菌纤维素(BC)是一种由微生物合成的具有纳米网络结构的纤维素,结构与植物纤维素相似,不含木质素和半纤维素,持水率高[1,2],由于其能够提供利于伤口愈合的湿润环境而有望用于伤口敷料[3,4]。但BC本身不具有抗菌活性[5],而银粉由于其优异的广谱抗菌性广泛用于抗菌领域[6,7],并且与碘等灭菌剂相比,银具有高温稳定性和低挥发性[8]。但银粉用于创伤敷料需要合适的载体。目前负载银的载体主要是沸石、黏土、羟基磷灰石等[9,10]。Marcos Diaz等以纳米羟基磷灰石为载体合成了平均直径为65nm的银颗粒,该复合材料对一些常见的革兰氏阳性菌和阴性菌都有很强的抑菌作用[9]。Hong-Lin Su等利用硅酸盐黏土为载体制备了银粒子直径为30nm的银黏土纳米复合材料,研究表明该材料能够诱导产生活性氧来破坏细菌细胞膜的完整性,从而起到杀菌的作用[10]。由于BC具有超精细网络结构和持水率高等优点,因此可以作为纳米有机载体负载纳米银原位制备新型抗菌材料。Barud等利用三乙醇胺作为还原剂制备了平均直径为8nm的球形银粒子吸附在BC上[11]。此外BC还具有优良的生物相容性[12,13]。如果BC和纳米银复合成的抗菌材料既具有很强的抗菌性能,又具有良好的生物相容性,那么此类抗菌材料用于伤口敷料、皮肤美容等方面将会有广阔的应用前景。
目前将BC作为载体原位制备抗菌敷料并对其抗菌性能和生物相容性进行的研究报道很少。因此本实验利用具有三维网络超精细结构的BC作为载体,通过硼氢化钠(NaBH4)还原硝酸银中的Ag+在BC中原位生成纳米银颗粒,并对Ag/BC复合材料的抗菌性能和细胞相容性进行研究。
1 实验
1.1 试剂与仪器
细菌纤维素,广州易德化工有限公司;硝酸银(AR),广东光华化学厂有限公司;硼氢化钠(AR),国药集团化学试剂有限公司;大肠杆菌(ATCC 8099)、金黄色葡萄球菌(ATCC 6538),暨南大学生命科学院;营养肉汤(琼脂)培养基、柠檬酸钠(AR)、氯化钠(AR)、PBS溶液(0.03mol/L,pH=7.2～7.4)、磷酸氢二钠(AR)、磷酸二氢钾(AR),天津市大茂化学试剂厂; 蛋白胨、牛肉膏,英国oxoid LTD;琼脂粉,广州斯佳生物科技有限公司; 3T3细胞,暨南大学生物医学工程系;DMEM培养基、胰蛋白酶、胎牛血清,Gibco公司。
扫描电子显微镜,XL-30ESEM,荷兰Philips公司;X射线荧光仪,Philips分析仪器公司;X射线衍射仪,XD-2型,苏州大华电器仪表厂;754紫外分光光度计,上海菁华科技仪器有限公司;超净工作台,SW-CJ-2FD,苏州净化设备有限公司;高压灭菌锅,ZIW8-GI36DW,西化仪(北京)科技有限公司;恒温培养箱,DHP060,上海实验仪器总厂;恒温摇床,上海智城分析仪器制造有限公司;倒置显微镜,Nikon公司;冷冻干燥机,FD-1A-50,北京博医康实验仪器有限公司。
1.2 Ag/BC复合膜的制备
配制5种浓度分别为2mmol/L、4mmol/L、6mmol/L、8mmol/L、10mmol/L的AgNO3溶液。将规格为15mm×10mm的细菌纤维素膜分别浸泡在上述5种浓度的AgNO3溶液中12h。取出用蒸馏水反复清洗,再加入30mL 0.1mol/L的柠檬酸钠水溶液,然后加入0.2mmol/L的NaBH4溶液0.2mL,此时溶液颜色变成黄色并搅拌6h,最后得到的即为Ag/BC复合膜。对5种不同浓度的AgNO3溶液(2mmol/L、4mmol/L、6mmol/L、8mmol/L、10mmol/L)制备得到的复合材料分别命名为S2、S4、S6、S8、S10。纯BC作为对照组,命名为S0。
1.3 Ag/BC复合膜抗菌性能研究方法
分别用抑菌圈法和平板菌落计数法表征Ag/BC复合膜的抗菌性能,具体试验过程如下所述。
抑菌圈法:首先向灭菌培养皿中加入0.2mL培养24h后的新鲜菌液,然后向培养皿中加入20mL熔化后冷却至50℃左右的营养琼脂培养基,摇匀冷却后备用。用灭菌镊子将灭菌后直径为10mm的S0、S2、S4、S6、S8、S10置于冷却凝固后固体培养基平板上,并轻压样片与接种琼脂充分接触,然后翻转平板放入(37±1)℃的恒温培养箱中培养24h。每组样品做3个平行试验,最后根据式(1)计算抑菌圈直径。
W=(T-D)/2 (1)
式中:W为抑菌圈的直径,mm;T为样品和抑菌圈的总直径,mm;D为样品的直径,mm。
平板菌落计数法:首先将灭菌后的待测样品(S0、S2、S4、S6、S8、S10)放入盛有新鲜培养基的三角烧瓶中,然后加入活化24h的新鲜菌液。将含有待测样品和菌液的三角烧瓶固定于恒温振荡培养箱的摇床上,在(37±1)℃温度条件下,以150r/min的速度振荡培养48h。将振荡后的待测菌液用0.3mol/L的PBS溶液先稀释100倍,然后按照1∶10、1∶100、1∶1000的比例用0.3mol/L的PBS溶液进行浓度梯度稀释。吸取0.2mL的稀释样液放于灭菌培养皿中,每个稀释度平行接种2个平皿,倾注50℃左右的营养琼脂培养基,充分摇匀,待琼脂培养基凝固后翻转平板,将上述平板置于(37±1)℃的恒温培养箱中培养48h。最后,计算平板上的单个菌落数(cfu),并将此菌落数乘以菌液稀释度,即可得出原菌液的活细胞数(cfu/mL)。以细菌正常生长的为空白组。根据式(2)计算抑菌率:
抑菌率=(A-B)/A×100% (2)
式中:A为空白组的平均菌落数,cfu/mL;B为待测样品的平均菌落数,cfu/mL。
1.4 Ag/BC复合膜生物相容性评价
首先将Ag/BC复合膜在12孔板中泡培养基过夜,然后将传至第三代的3T3细胞用0.25%胰酶消化后,血球计数板计数,以1×104个细胞每毫升的浓度滴加到材料上,每孔加100μL。3h后待细胞基本贴壁后补加1mL培养基,然后置于37℃、5% CO2孵箱中复合培养。隔天换液1次,7d后将Ag/BC复合膜取出,PBS溶液洗3次后用0.25%戊二醛固定3h,再用PBS溶液清洗3次,每次5min。然后将Ag/BC复合膜依次浸泡在50%的乙醇中4h,75%的乙醇中过夜,85%的乙醇中2h,95%的乙醇中1h(重复1次),100%的乙醇中1h(重复1次)。最后将Ag/BC复合膜取出真空冷冻干燥12h,喷金后在扫描电镜下观察细胞在材料表面的生长情况。此外,对培养2d和7d后的材料用显微镜拍照,记录细胞在材料表面生长的显微镜照片。
2 结果与讨论
2.1 Ag/BC纳米复合材料的表征
2.1.1 X射线衍射光谱分析
图1为纯BC和Ag/BC复合膜的X射线衍射图谱。
由图1可看出,纯BC在2θ为14.69°和22.83°时出现了衍射峰,对应的晶面分别为(101)和(002)。而在Ag/BC复合膜的XRD图谱中在相同位置也出现了纯BC的特征衍射峰,说明纳米银颗粒的生成没有改变BC的结晶类型。此外,在衍射角2θ为38.1°、44.3°、64.4°和78.1°时出现了银的特征峰,对应的晶面分别为(111)、(200)、(220)和(311),这表明本研究制备的纳米银具有较高的结晶度且银晶体为面心立方结构[14,15]。
2.1.2 X射线荧光光谱分析
X射线荧光(XRF)光谱法是一种对待测物质中所含元素进行定性和半定量分析的常用表征方法。本实验对待测样品S6进行了X射线荧光分析(如图2所示),从图2可以很明显地看出,Ag元素已经成功复合进入细菌纤维素中。
2.1.3 扫描电镜照片分析
利用扫描电子显微镜观察样品S0、S2、S4、S6、S8和S10的微观形貌,结果如图3所示。
从图3(a)可以看出,纯BC由直径约为20nm、表面光滑的纤维交错而成,且纤维间的孔隙很大。当BC浸泡在AgNO3溶液中时,Ag+可以通过BC的孔隙很容易地渗透到BC内部,因此Ag+在BC的孔隙内被NaBH4还原生成纳米银。从图3(b)-(f)中可以看到,纳米银颗粒附着于纤维表面,且随着硝酸银浓度的增大,生成的纳米银颗粒增多,粒径大约为50～80nm。从SEM照片可知,BC超精细的三维纳米网络结构为纳米银在BC内原位生成提供了空间,因此BC可以作为负载银的优良载体。
2.1.4 紫外可见吸收光谱
图4为纯BC和Ag/BC复合膜的紫外可见吸收光谱。从图4中可知,纯BC在300～800nm的扫描范围内吸光度逐渐下降,而Ag/BC复合膜却在424nm处出现了一个明显的吸收峰,该峰为纳米Ag的特征吸收峰,与文献[3]报道的在420nm左右出现纳米银的吸收峰一致。因此,从紫外可见吸收光谱可以再一次证明纳米银颗粒已经成功引入到BC中。
2.2 Ag/BC纳米复合材料的抗菌性能
纳米银的抗菌机理至今尚未明确,现有的研究认为,银原子的杀菌过程均是通过与细胞膜作用,使其失去正常传输介质的能力,而导致细菌死亡。银原子可在细胞壁的外部形成不规则的凹陷,进而影响细胞膜的通透性,致使银颗粒在细胞内堆积而使细菌死亡[16]。
本实验采用抑菌圈法和平板菌落计数法来测定Ag/BC复合膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌性能。抑菌圈法可以根据抑菌圈直径定性地判断其抗菌性能,抑菌圈越大,抗菌性越强。此法操作简单,直观性好,肉眼可辨认。而平板菌落计数法则可以定量地测得各种试验样品的抑菌率,但此法操作较繁琐。
2.2.1 抑菌圈法
图5为Ag/BC纳米复合材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈照片。表1为不同银含量的Ag/BC纳米复合材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈直径。测得样品和抑菌圈的总直径T,根据式(1),样品直径D为10mm,计算出抑菌圈平均直径W。从图5和表1可以看出,纯BC周围没有形成抑菌圈,而Ag/BC纳米复合材料周围则有非常明显的抑菌圈存在,且随着银浓度的增大抑菌圈直径也逐渐增大。这说明纯BC对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌没有抑菌作用,Ag/BC纳米复合材料的抗菌性能随着银浓度的增大而逐渐提高。因为从SEM照片可看出,随着银浓度的提高,银颗粒的数量明显增多,但其粒径增大并不明显,粒径约为50～80nm,始终维持在纳米级范围内。由于纳米银具有小尺寸效应和表面效应,其抗菌性能要远远强于微米级银粒子。所以本研究制得的纳米银颗粒应该具有很强的抗菌性,这也可从平板菌落计数法得以证明。
2.2.2 平板菌落计数法
表2为不同银含量的Ag/BC纳米复合材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌生长的平板菌落数(cfu/mL)。其中S为空白对照,即细菌正常生长的菌落数。根据式(2)可以计算出Ag/BC纳米复合材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率(如表3所示),从表3可知,纯BC对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率分别为20.0%和12.5%。这可能是由于纯BC中含有微量的无机盐而具有微弱的杀菌作用。但随着银浓度的增大,Ag/BC纳米复合材料对大肠杆菌的抑菌率从88%逐渐提高到99.4%;对金黄色葡萄球菌的抑菌率从88.1%逐渐提高到98.4%。这与前面的抑菌圈法的试验结果相吻合。以上实验结果表明纯细菌纤维素对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌几乎没有抑菌作用,而Ag/BC纳米复合材料具有较强抑菌作用,且随着银浓度的增大,抑菌率逐渐提高,对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的最大抑菌率分别可达到99.4%和98.4%。因此Ag/BC纳米复合材料具有优异的抗菌性能。
注:∞表示细菌数量很多,不可计数;①、②表示每个稀释度做的两个平行试验
2.3 Ag/BC纳米复合材料的生物相容性评价
将在Ag/BC纳米复合材料表面培养2d和7d的3T3细胞进行显微镜拍照,记录细胞的生长情况,如图6所示。将3T3细胞培养7d后的Ag/BC纳米复合材料真空冷冻干燥后用扫描电镜进行观察,记录细胞在材料表面的形貌,如图7所示。
2d后细胞在材料表面开始生长,且细胞伸展性较好,大部分呈梭形,但细胞数量较少(如图6(a)所示)。7d后细胞数量明显增多,且细胞形态没有发生变化,表明细胞在材料表面增殖良好(如图6(b)所示)。从培养7d后的SEM图(图7)可以清晰地看到,3T3细胞紧紧附在材料表面,细胞突起明显,伸展形成梭形,并形成很多伪足状突起,分泌产生细胞质基质——胶原纤维,拉扯着细胞,使其贴附于材料表面。因此,从Ag/BC纳米复合材料的体外细胞实验可知,该复合材料具有较好的细胞相容性。
3 结论
(1)利用细菌纤维素的超精细三维纳米结构,用NaBH4还原AgNO3溶液中的Ag+成功制得Ag/BC纳米复合材料。由XRD谱图可知制备的纳米银具有较高的结晶度且银晶体为面心立方结构;XRF光谱也同样表明Ag元素存在于复合材料中;SEM照片则表明银颗粒附着于纤维表面,随着银浓度的增大,纳米银颗粒增多,粒径为50～80nm;从UV-Vis光谱可知在Ag/BC纳米复合材料中出现了Ag的吸收峰。
(2)通过研究Ag/BC纳米复合材料的抗菌性能,可知该复合材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌都有很强的抑菌作用,且随着银浓度的增大,抗菌性增强,对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的最大抑菌率分别达到99.4%和98.4%。
细菌纤维素 篇6
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 试材:
有机垃圾堆肥处理物分离于新疆城建环保有限公司。
1.1.2 试剂:
Taq酶以及生化试剂购自TAKARA公司。扩增引物:27f 5'-AGA GTT TGA TCC TGG CTC AG-3', 1492r 5'-ACG GCT ACC TTG TTA CGA CTT-3', 由上海生工生物工程技术服务有限公司合成。3, 5-二硝基水杨酸、刚果红、考马斯亮蓝R250为分析纯。
1.1.3 仪器:
恒温摇床 (THZ-80) , 722型分光光度计 (SP-2000) , 冷冻离心机 (Heraeus, German) , PCR仪 (Biorad Mycycler) , 凝胶成像仪 (A1ph-almager 200, USA) 。
1.1.4 培养基
分离培养基:CMC-Na 10g, (NH4) 2SO4 1.3g, NaNO3 1.0g, Na2SO4 0.8g, NaH2PO4 3.2g, K2HPO4 1.3g, 微量元素2ml, 琼脂15g, 1 000ml蒸馏水, pH 7.0～7.2微量元素:MgSO4 2.0g, CuSO4 0.5g, MnSO4 0.5g, FeSO4·7H2O 0.5g, CoC12 0.5g, 蒸馏水500ml。
保存培养基:牛肉膏蛋白胨培养基。
液体发酵培养基:同分离培养基, 去除琼脂。
1.2 菌种筛选方法
将垃圾堆肥物接入液体分离培养基中, 摇瓶培养7d, 再将培养液稀释, 涂布于固体分离培养基平板上, 培养3～5d后, 挑选生长最好的单菌落菌株在营养培养基平板上分离、纯化, 获得纤维降解菌。采用刚果红平板法[7]进行进一步筛选, 37℃恒温培养3～4d。
1.3 菌种的鉴定
1.3.1 生理生化初步鉴定:
参照文献[8]。
1.3.2 strain GCH-1的分子鉴定
菌株GCH-1的DNA 提取参照文献[9]进行。以抽提的GCH-1细菌DNA作为PCR扩增的模板, 加入一对通用引物。PCR反应体系 (50μL) 为:10×Taq buffer 5μL, 模板DNA 1μL, 引物27f 2μL, 引物1492r 2μL, NTP 5μL, 5U/μL TaqDNA聚合酶0.6μL, 超纯水补足50μL, 混匀。反应条件:94℃预变性2min;94℃ 30s, 59℃ 45s, 72℃ 2min, 进行30个循环;最后72℃延伸5min。取PCR产物5μL, 1g/dL琼脂糖凝胶电泳检测PCR产物。PCR产物由TAKARA公司测序。根据测序结果, 利用Blastn搜索软件从GenBank数据库中调出相关属种菌株的16SrRNA基因序列, 并通过软件MEGA 4.0采用N-J法构建系统进化树。
1.4 纤维素酶特性
1.4.1 纤维素酶酶活力 (CMCase) 测定:
参照K.Horikoshi方法[10]。
发酵液经4 000r/min离心10min, 上清液作为粗酶液。取0.2mL稀释液加入试管中, 加入1.0mL 1% CMC-Na底物溶液, 40℃水浴保温30min, 加入DNS试剂1mL, 沸水浴5min, 冷却后加入4mL蒸馏水, 振荡摇匀, 在540nm波长下用722型分光光度计测OD值。等量失活酶液同样处理作对照, 以扣除酶液中的还原糖。在上述条件下, 每分钟水解底物产生1μmol还原糖 (以葡萄糖计) 的酶量, 定义为一个酶活单位 (U) 。
1.4.2 不同发酵时间的纤维素酶活力的测定。
在40℃条件下, 将两种菌株分别接入发酵培养基中, 分别培养12h、24h、48h、72h、96h、120h、144h、168h, 取少量发酵液离心测定酶活。
1.4.3 不同发酵时间的生物量测定。
在40℃, 将两种菌株分别接入发酵培养基中培养, 分别在12h、24h、48h、72h、96h、120h测定发酵液在波长为600nm的吸光度。
1.4.4 不同pH值条件下的纤维素酶酶活力测定:
方法参见[11]。
1.4.5 不同温度的纤维素酶酶活力测定
取少量酶液测定在不同温度条件下的酶活, 温度分别为20、30、40、50、60、70℃, 按常规方法测定酶活。
1.4.6 发酵液还原性糖的测定
取发酵液测定还原性糖含量。
1.4.7 蛋白含量和酶活力比活力的测定
将发酵液离心测定可溶性蛋白。采用Bradford的方法[12]测定, 以标准牛血清蛋白溶液为标准蛋白。酶的比活力 (U/mg) =纤维素酶活力 (U/mL) /可溶性蛋白 (mg/mL) 。
2 结果与分析
2.1 共初步筛选到15株外观不同性状的菌株, 通过刚果红平板法进一步筛选。由刚果红培养基培养3d, 筛选出一株能产生较为明显透明圈的菌株, 且透明圈较大 (图1) , 命名为GCH-1。
2.2 生理生化初步鉴定:根据鉴定手册[8]中鉴定蜡状芽孢杆菌的主要生理生化指标进行检测, 结果显示其生物学特征与蜡状芽孢杆菌属的主要指标相符合, 这初步表明该菌株为蜡状芽孢杆菌 (理化指标见表1) 。
注:+:阳性反应;-:阴性反应。
Note:+:positive reaction;-:negative reaction.
2.3 GCH-1菌株16SrDNAPCR扩增和序列分析
以抽提的GCH-1细菌DNA为模板, 以16SrDNA通用引物进行PCR扩增, 在退火温度52℃时获得了一条特异的、大小约为1.5kb的预期条带 (见图2) , 获得的特异片段经PCR Product Purification Kit纯化后, 以正向引物进行测序, 获得1 438bp片段, 将得到的序列与GenBank核酸序列库中的序列进行局部同源性比较 (BLASTn) , 结果表明GCH-1菌株与Bacillus cereus的16SrDNA序列有较高的同源性, 其中与Bacillus cereus IAM 12605T (D16266) 有99.8%的同源性。参考GCH-1细菌16SrDNA在GenBank的比较结果, 利用MegAlign4.0软件构建系统发育树, 系统进化树显示, 菌株GCH-1与IAM 12605 (T) 构成一个分支 (见图3) 。
2.4 GCH-1所产生的纤维素酶的特性
2.4.1 测定不同发酵时间的酶活力
GCH-1菌株在0～24h内发酵, 酶活力上升不快, 到48h时达到峰值0.581U/mL, 随着发酵延续, 酶活力保持平稳或略有下降趋势 (见图4) , 可能因为到48h时, 部分纤维素酶失活。
2.4.2 测定不同温度发酵液的酶活力
GCH-1菌株所产生的纤维素酶在40～60℃条件下, 相对酶活力较高, 达到85～100%, 在这个温度范围之外, 相对酶活力较低, 在40℃条件下能达到100%的相对酶活 (见图5) 。
2.4.3 生物量的变化
试验结果表明, 生物量的变化趋势和酶活力的变化趋势类似, 当发酵24h时能达到了最大生物量, OD600为1.612, 继续培养, 吸光度变化趋势平稳或略有下降 (见图6) 。
2.4.4 不同pH值的酶活力变化
GCH-1所产的粗酶pH值在7～9时, 相对酶活90～100% (见图7) 。而在此范围之外, 酶活力下降较快, 可能是因为pH值的改变能影响酶分子活性部位的解离, 最适pH值时, 酶分子上活性基团的解离状态最易与底物结合, pH值高于或低于最适值时, 活性基团的解离状态发生改变, 酶和底物的结合力降低, 因而酶反应速度降低[13]。
2.4.5 还原性糖的变化
还原性糖的含量均是先上升后下降, 在24h时达到峰值0.456mg/L (见图8) 。在发酵过程中, 产生的还原性糖又逐步被细菌利用, 而后期含量保持稳定, 消耗的还原糖与产生的还原糖的量达到平衡, 这与S.Subramaniyan的研究类似[14], 也有研究认为还原糖是产酶的必要条件, 还原糖耗尽后进入快速产酶期[15], 存在这样的差别可能和不同的菌种产酶过程不同相关。
2.4.6 蛋白含量及粗酶比活力的变化
蛋白的含量的变化趋势和酶活力变化趋势类似 (见图9) , 在24～48h均出现了峰值, 可见该时间段是细菌发酵产酶的高峰期, 一般在菌体生长的对数期, 菌体代谢活动旺盛, 分泌胞外酶的活性也最强[16], 在48～168h内可溶性蛋白含量变化幅度不大, GCH-1菌株在96h后出现蛋白含量下降, 可能是蛋白出现少许降解。在12h处最大, 可见在刚产生纤维素酶时, 酶的比活力最大, 菌体产酶的高峰时间与菌种的生长期有密切关系, 随着发酵过程的延续, 比活力下降, 但下降幅度不大, 比活力保持在0.1～0.2之间, 可见纤维素酶活力较稳定, 48h时酶比活力为0.184U/mg。发酵48h后蛋白的含量增加, 而纤维素酶活力呈现下降趋势, 可能是因为部分酶失活, 或后期产生部分杂蛋白。
3 讨论
作者采用刚果红平板法进行产纤维素酶的菌株筛选。刚果红平板法是指将产纤维素酶产生菌接种到含有羧甲基纤维素钠为惟一碳源培养基平板上, 通过刚果红溶液染色, 能产生透明晕圈现象的菌株, 为产外胞纤维素酶的菌株, 并且可以通过透明圈的大小来比较所产生的纤维素酶活力大小[17]。该菌株的主要生理生化指标与蜡质芽孢杆菌标准菌株大致相符;通过MEGA 4.0软件采用N-J法所构建的系统进化树显示, Bacillus cereus IAM 12605 (T) 处于同一分支, 相似性为99.8%, Chun J[18]等人的发表的关于16SrDNA鉴定菌种的文章认为, 当细菌16SrDNA序列与最近缘种相似性大于99%可认为为同一种, 因此认为strain GCH-1为蜡质芽孢杆菌 (Bacillus cereus) , 该菌株发酵48h能达到最大产酶量, 所产纤维素酶在40℃酶活力最高为0.581u/mL, 产生的纤维素酶酶系在pH 7.0～9.0能够保持较高的相对酶活力, 具有超过85%的相对活力。
细菌纤维素 篇7
1 实验部分
1.1 主要化学试剂和仪器
1.1.1 主要化学试剂
细菌纤维素(BC):广州易德化工有限公司;钛酸异丙酯(TIPT):上海晶纯试剂有限公司,分析纯;三氯甲烷:天津市富宇精细化工有限公司,分析纯;硝酸:广州化学试剂厂;甲基橙:天津化学试剂一厂。
1.1.2 主要仪器
X射线衍射仪,苏州大华电器仪表厂XD-2型;X-光电子能谱仪,英国KRATOS AXIS ULTRA;傅立叶变换红外光谱仪,德国BRUKER公司EQUINOX55型;热重分析仪,北京精仪高科仪器有限公司;扫描电子显微镜,荷兰Philips公司XL-30ESEM型;754紫外分光光度计,上海菁华科技仪器有限公司;紫外灯(220V,15W),型号ZW15S15W-2437,波长254nm。
1.2 实验方法
1.2.1 TiO2/BC复合膜的制备
取充分溶胀的BC膜(40 mm×30 mm×3mm),压扁挤干BC里的水。然后把该湿BC膜放入钛酸异丙酯和三氯甲烷的混合溶液中浸泡12h,加入稀硝酸搅拌水解6h。然后取出TiO2/BC复合膜充分清洗,即得TiO2/BC复合膜。
1.2.2 TiO2/BC复合膜光催化降解甲基橙水溶液
1.2.2.1 光催化降解
制备30%(wt,下同)和45%两种不同TiO2浓度的TiO2/BC复合膜,挤干复合膜中的水分然后放入10mg/L、15mg/L、20mg/L、25mg/L 4种不同浓度的甲基橙溶液中,在黑暗条件下搅拌1h。然后放入自制的光催化反应箱(60cm×50cm×20cm)中,使得紫外灯和液面的距离为10cm。光催化降解25h,以纯BC为对照组。
1.2.2.2 催化活性评价
实验采用20mg/L的甲基橙水溶液为对象,以蒸馏水为参比液,用754紫外分光光度计测得其最大吸收波长λmax为462nm以及在此最大吸收波长下的吸光度A。光催化降解过程中每5h取出5mL反应液进行吸光度测定。按下式计算甲基橙的降解率:
D = (A始-A终)/ A始 × 100% (1)
其中,A始和A终分别代表光催化降解前后的吸光度。
2 结果与讨论
2.1 细菌纤维素/TiO2纳米复合材料的表征
2.1.1 X射线衍射光谱分析
纯BC和TiO2/BC复合膜进行XRD测试,测试条件为电压36kV,电流20mA,Cu靶,X射线波长λ=0.154056 nm,衍射角2θ从10°～80°。结果如图1所示。
从图1可知,纯BC在衍射角2θ为14.78°和22.5°时出现特征峰,分别对应的晶面为(101)和(002)。除纯BC的特征峰外,TiO2/BC在衍射角2θ为25.42°、37.98°、48.16°、54.08°和62.64°时出现了特征峰,分别对应的晶面为(101)、(004)、(200)、(105)和(204)。与相关文献[6]报道制备的锐钛矿TiO2的XRD特征峰相一致。因此本实验用溶胶-凝胶法制备的TiO2的晶型为锐钛矿。
2.1.2 X射线光电子能谱分析(XPS)
对纯BC和TiO2/BC复合膜的表面进行组成和化学状态分析。图2为纯BC和TiO2/BC复合膜的XPS全谱图,图3为TiO2/BC中Ti2p的高分辨XPS图谱。
从纯BC的XPS谱图(图2a)可以看出,纯BC表面主要由C、O元素组成,其结合能分别为286.66eV和533.23eV,C/O原子比为1∶0.89。纯BC的XPS谱中的O原子主要来源于其所含有的羟基,由于C/O原子比接近1,可认为纯BC表面大部分被羟基占据,因此纯BC具有很好的吸水性能。由TiO2/BC复合膜的谱图(图2b)检测到了复合膜中主要由C、O、Ti和N元素组成, 结合能分别为284.83eV、530.47eV、458.73eV和399.85eV,其中C/O/Ti原子比为1∶2.15∶0.75。与纯BC的元素组成相比,TiO2/BC复合膜中增加了N和Ti原子,微量的N原子是由溶胶-凝胶法中使用的硝酸而引入的[7]。与纯BC的元素结合能相比,TiO2/BC复合膜中,C和O原子的结合能分别降低了1.83eV和2.76eV,O原子的结合能变化是因为BC表面的O原子来源于C-OH和Ti-O两个方面,而O原子的结合能变化则表明TiO2并非简单覆盖在BC表面,而是与BC表面存在一定的结合作用,因此更增加了BC作为固定纳米TiO2的载体的可行性。剔除了TiO2引入的O原子量(C/O/Ti原子比为1∶(2.15-0.75×2))后,TiO2/BC复合膜的C/O原子比从1∶0.89降低至1∶0.65,同样也表明了BC材料表面有部分的C-OH被TiO2所占据。
从TiO2/BC中Ti2p的高分辨XPS图谱(图3)可知,Ti的能级峰尖锐且对称,说明Ti只以一种价态存在。另外,Ti2p3/2和Ti2p1/2的结合能分别为458.7eV和464.3eV,两者相差5.6eV。根据相关文献[8]报道可知,TiO2/BC中的Ti应该以TiO2的形式存在。
2.1.3 傅立叶变换红外光谱分析(FTIR)
用KBr压片法分别对纯BC膜和TiO2/BC复合膜做FTIR分析,如图4所示。
从图4可以看出,在400～600cm-1波数的范围内,TiO2/BC复合膜吸收峰面积要明显大于纯BC的。这是因为TiO2和纯BC的红外光谱在400～600cm-1波数的范围都有吸收[6,9,10],因此两者在此波数范围内吸收出现叠加。由图4可知,TiO2已经原位复合在纯BC上。
2.1.4 扫描电镜分析(SEM)
利用扫描电镜可以直观地观察纯BC膜和TiO2/BC复合膜的微观形貌,从图5(a)中可以清晰地看到纯BC中的纳米纤维和三维网络结构。此网络结构由直径小于20nm的纤维交错而成,单根纤维表面光滑无附着物,纤维间的空隙较大,因此为纳米TiO2粒子原位复合留下了足够的空间。图5(b)图所示在BC纳米纤维表面负载了大量的微粒,表明TiO2已经有效地复合到BC纳米网络中,TiO2粒子的尺寸远小于BC纤维直径,复合后的TiO2纳米颗粒均匀紧密地分布在BC的纤维上,且很少发生团聚。这说明在BC浸泡在TIPT和三氯甲烷的混合溶液中时,由于BC极强的吸水性和精细的纳米网络结构,再加上三氯甲烷的稀释作用使得TIPT充分地进入BC里,从而在BC里面原位生成了TiO2 纳米颗粒,并且在BC网络结构中分散开来,很少发生团聚。
2.2 光催化降解实验
2.2.1 TiO2/BC复合膜的光催化降解
TiO2是一种优良的光敏半导体,当其受到具有一定能量的光辐射后,就会激发产生自由电子和空穴,空穴与水、电子及溶解氧发生反应,分别生产了·OH和O2-[11,12]。由于·OH和O2-具有极强的氧化性,因此能够使得有机物逐步氧化分解成无机物,最终生产CO2、H2O及其他离子。将30%和45%两种不同TiO2含量的复合膜在10mg/L、15mg/L、20mg/L、25mg/L 4种不同浓度的甲基橙溶液中紫外光催化降解25h,以纯BC膜作为对照组。光催化后TiO2/BC复合膜使得甲基橙的颜色由降解前的深橙色变为无色,说明BC复合膜中的纳米TiO2在紫外光催化下使得甲基橙被完全降解,而用纯BC处理甲基橙水溶液,结果颜色没有变化。
2.2.2 不同TiO2含量的复合材料对染料废水处理效果的研究
3种不同TiO2浓度的BC复合膜在10mg/L、15mg/L、20mg/L、25mg/L 4种浓度的甲基橙水溶液中光催化25h的降解率变化曲线,如图6所示。
从图6可以看出,纯BC膜几乎不能使甲基橙发生降解,随着TiO2含量的增加,降解率也随之增加,达到降解终点的时间也越短。这说明TiO2含量越高,光辐射激发产生的自由电子-空穴对就越多,产生的具有高活性的·OH和O2-也越多,因此有机物氧化分解的速率也加快,达到降解终点的时间也就越短。没有TiO2时,则几乎不能产生·OH和O2-,使得降解反应不能发生。
2.2.3 相同TiO2含量的复合材料对不同浓度的染料废水处理效果的研究
3种不同TiO2浓度的BC复合膜对10mg/L、15mg/L、20mg/L、25 mg/L 4种不同浓度甲基橙水溶液光催化降解不同时间的降解率曲线,如图7所示。从图7可以看出,对于相同TiO2含量的复合材料,随着甲基橙浓度的增加,降解率随之减小。对于45%的TiO2的BC复合膜,5h后,对10mg/L的甲基橙降解率达到85.2%;而对25mg/L的甲基橙的却只有29.1%,两者相差56.1%。但随着降解时间的延长,两者的差值逐渐减小。15h后两者差值为36.0%,25h后为2.9%。因此可以得出:对于高浓度的甲基橙溶液,延长光催化降解时间,降解率可大幅度增加,最终降解率几乎可以和低浓度甲基橙溶液相当。
2.2.4 细菌纤维素负载TiO2纳米复合材料重复使用次数对染料废水处理效果的影响
不同TiO2浓度的BC复合膜在甲基橙水溶液中反复光催化降解4次,每次的降解时间均为25h,以浓度为15mg/L的甲基橙水溶液为例,降解率曲线如图8所示。
从图8可以看出,光催化25h后,高浓度TiO2的BC复合膜比低浓度的降解率要高,其高浓度的TiO2的降解率下降速率并不显著。第4次降解后,含45% TiO2的TiO2/BC复合膜降解率达到了51.8%;而含30% TiO2的TiO2/BC复合膜却只有13.4%。这说明高TiO2浓度的BC复合膜经多次降解后仍具有很好的降解率,具有一定的重复降解性。BC复合膜经多次降解后,降解率逐渐降低,估计是因为复合膜中的具有光催化作用的纳米TiO2颗粒含量在多次降解过程中有所减少,通过热重分析测得降解前后TiO2的含量逐渐减少可以证实这种猜测。
3 结论
原位制备了细菌纤维素/纳米TiO2复合材料,并将复合材料应用于甲基橙水溶液的光催化降解实验,可得出如下结论:
(1) 在复合材料的纤维结构中,TiO2均匀分布其中,晶型为锐钛矿型。
(2) 随着复合材料中TiO2含量的增加,降解率也随之增加,达到降解终点(降解率为100%)的时间也越短。对于高浓度的甲基橙水溶液,延长光催化降解时间,降解率可大幅增加,最终降解率几乎可以和低浓度甲基橙溶液相当。复合材料的重复降解性很好,重复降解4次后降解率仍有51.8%。
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