一种抗菌性高吸水树脂及其制备方法

1.本发明属于高分子聚合物基复合材料技术领域，具体涉及一种含有植物精油和噬菌体的抗菌性高吸水树脂及其制备方法。


背景技术：

2.冷鲜肉的水分、血液会在运输、贮藏、销售过程中流出，不仅影响冷鲜肉的品质，而且给嗜冷菌一个滋生的环境。针对冷鲜肉的贮藏与保鲜，目前常用的方法是在放置冷鲜肉的托盘中添加吸水衬垫，通过吸收冷鲜肉渗出的血液和水分，以达到延长贮藏期的目的。
3.目前市面上所使用的吸水衬垫结构大多以无纺布、吸水剂以及塑料垫压制而成。其中吸水剂有吸水性树脂、棉、硅藻土、高岭土、蒙脱土等具有吸水功能的材料。由于高吸水树脂的分子中具有大量的亲水性基团，因此具有超高的吸水能力以及持水能力，已经被广泛应用于农业、建筑、卫生、包装等领域。高吸水树脂根据原料，可分为纤维素系高吸水树脂、淀粉系高吸水树脂以及合成系高吸水树脂。其中合成系高吸水树脂通过使用丙烯酸作为原料的聚合方法获得。由于合成类高吸水树脂工艺简单，生产成本低，出产效率高，吸水性能良好等优点，已成为吸水材料的主流产品。单一的吸水树脂有良好的吸水效果，但是也缺乏抗菌性。
4.为了解决高吸水树脂的抗菌性，在现有的研究中把抗菌剂参杂于吸水树脂中，以增加其抗菌性能。专利文献cn107383728a公开了一种具有广谱抗菌性的高吸水树脂的制备方法，包括如下步骤：(1)丙烯酸、交联剂和水在引发剂引发下进行聚合反应，得到树脂胶体；(2)将所述树脂胶体进行处理，得到树脂颗粒；(3)向所述树脂颗粒中加入增强剂混合均匀，再加入cts-ag-sio2复合抗菌剂和表面交联液，经保温处理，得到所述高吸水树脂。使用cts-ag-sio2复合抗菌剂制得的高吸水树脂无论是对金黄色葡萄球菌还是对大肠杆菌的抑菌、杀菌效果都要远远大于传统抗菌剂，且抗黄变能力大大增强，更适用于婴儿纸尿裤、女性卫生用品等领域。
5.专利文献cn110343215a公开了一种抗菌性高吸水树脂的制备方法，包括如下步骤：将黄柏粉碎后提取，得到黄柏提取液；在冰浴环境下将丙烯酸单体、氢氧化钠溶液和n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺溶液混合，得到混合液；在氮气氛下，将羧甲基纤维素粉末加入蒸馏水中，再加入硝酸银溶液，再加入过硫酸钾引发，滴入混合液，最后加入黄柏提取液反应，经洗涤、干燥，得到抗菌性高吸水树脂。该抗菌性高吸水树脂以天然的黄柏提取物为还原剂，在提高吸水树脂的抗菌性的同时又能保证产品安全无毒，易降解，制备过程简便，抗菌性高吸水树脂可用于日常卫生用品及医疗领域。
6.然而，无论是复合抗菌剂还是金属离子的抗菌剂，在使用过程中容易出现抗药性和残留的问题。植物精油是一种纯天然的抗菌剂，其对环境中的微生物生长有显著的抑制作用，且气味舒适，对人体没有任何危害，属于广谱性、高效性的抗菌剂，是高吸水树脂较为理想的抗菌剂。


技术实现要素：

7.为了解决现有技术的高吸水树脂抗菌剂的缺陷，本发明提供了一种含有植物精油和噬菌体的抗菌性高吸水树脂，该抗菌性高吸水树脂是以魔芋葡甘聚糖接枝丙烯酸与高分子聚合物进行聚合反应，接着加入天然植物精油溶液和噬菌体乳液混合制成，制备得到的高吸水树脂具有安全无毒、易降解，抗菌效果显著，抗菌时间长的优点，可用于食品包装领域。
8.本发明提供了一种抗菌性高吸水树脂，包括以下成分及其重量份数：
9.魔芋葡甘聚糖10～30份、丙烯酸100份、高分子聚合物10～30份、交联剂3～8份、引发剂0.5～5份、柠檬精油溶液0.2～1份和噬菌体乳液0.2～1份。
10.进一步地，所述的抗菌性高吸水树脂由以下成分及其重量份数组成：
11.魔芋葡甘聚糖20份、丙烯酸100份、高分子聚合物30份、交联剂6份、引发剂1份、柠檬精油溶液0.5份和噬菌体乳液0.5份。
12.进一步地，所述柠檬精油溶液与噬菌体乳液的体积比为1:1。
13.进一步地，所述高分子聚合物为环氧乙烷水解产物的聚合物，所述交联剂为n,n-亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇二缩水甘油醚和二甲基丙烯酸酯中的一种或两种以上的组合，所述引发剂为过硫酸盐中的一种。
14.进一步地，所述柠檬精油溶液的制备方法为：
15.将蛭石加入盐酸溶液中搅拌，室温静止24h后过滤，用去离子水洗涤，烘干，得到酸化的蛭石，接着将酸化的蛭石和柠檬精油加入无水乙醇中，所述酸化的蛭石、柠檬精油与无水乙醇的添加量为1g:0.5ml:(1～10)ml，完全溶解后，得蛭石负载柠檬精油溶液。
16.进一步地，所述噬菌体乳液的制备方法为：
17.a金黄色葡萄球菌噬菌体cctcc no.m2016535活化后，用sm缓冲溶液溶解并稀释，制成噬菌体悬液，所述噬菌体的效价为109pfu/ml～10
12
pfu/ml；
18.b将步骤a制得的噬菌体悬液和乳化剂加入油相中，在10000rpm/min的条件下均质12～18min，所述噬菌体悬液、乳化剂和油相的重量比为1:0.5:(10～20)，得乳液；
19.c将乳化剂加入无菌水中搅拌均匀，所述乳化剂与无菌水的重量比为0.05：1，得水相，接着加入步骤b制备得到的乳液中，所述水相与乳液的体积比为8:2，在10000rpm/min的条件下均质8～12min，即得。
20.进一步地，所述油相为椰子油、大豆油和氢化椰子油甘油酯中的一种；所述乳化剂为吐温80、司盘80和大豆磷脂酰胆碱的一种或两种以上组合。
21.进一步地，所述噬菌体乳液中金黄色葡萄球菌噬菌体的效价为106pfu/ml～109pfu/ml。
22.此外，本发明还提供了所述的抗菌性高吸水树脂的制备方法，包括以下步骤：
23.s1用20wt％naoh溶液中和丙烯酸，使中和度为60％～80％，得丙烯酸溶液；
24.s2将魔芋葡甘聚糖加入去离子水中，在水浴温度为50～80℃的恒温条件下，使其充分溶胀，接着通入氮气5～10min后，加入引发剂，再加入步骤s1制得的丙烯酸溶液和交联剂，搅拌1～3h，得魔芋葡甘聚糖接枝丙烯酸聚合物溶液；
25.s3将柠檬精油溶液和噬菌体乳液加入步骤s2制得的魔芋葡甘聚糖接枝丙烯酸聚合物溶液中，磁力搅拌1～3h，干燥，研磨，即得。
26.进一步地，所述的步骤s3中的噬菌体乳液的噬菌体效价为106pfu/ml～109pfu/ml。
27.本发明提供的噬菌体乳液为水包油包水双重乳状液，噬菌体乳液内水相为噬菌体悬浮液，噬菌体乳液外水相为无菌水。所述金黄色葡萄球菌噬菌体cctcc no.m2016535能够有效裂解金黄色葡萄球菌。
28.目前，虽然天然植物精油的抑菌功效已经得到证明，但其在抑菌衬垫的使用中需要更高浓度的精油才能达到同样的抗菌效果。精油强烈的香气，可能会对食物本身带来负面的感官影响，超过消费者接受的范围。而且，天然植物精油在使用过程中存在容易挥发，药效持续时间短的缺陷。
29.噬菌体是一种能够侵染细菌并裂解细菌的一种微生物，它广泛存在于自然界中，已经大量应用于生物防治领域。噬菌体不破坏食品中其他菌群的生态环境，应用过程中可以防止食品的二次污染。因此，噬菌体可作为食品抑菌剂。
30.本发明为解决高吸水树脂的抑菌问题，首次提出了将天然植物精油与噬菌体联合使用作为高吸水树脂的抗菌剂使用，既可以赋予魔芋葡甘聚糖接枝丙烯酸吸水树脂的抑菌功能，还可以减少高浓度的植物精油对食物本身带来的负面感官影响。
31.然而，天然植物精油的种类很多，其抗菌效果也参差不齐，在众多种类的天然植物精油中筛选出一种抗菌效果好且能与噬菌体联合使用，又不影响噬菌体的抗菌作用的天然植物精油，工作量十分庞大。发明人经过大量的研究比对和摸索实验，意外地发现，柠檬精油可以与噬菌体联合使用，而且噬菌体添加到高吸水树脂中会随着树脂吸水后不断释放，其二者恰好可以协调起抗菌的作用，维持抗菌效果。另外，发明人在不断的深入研究中还意外地发现，在一定浓度范围内柠檬精油可以促进噬菌体的杀菌作用，提高杀菌效果。因此，发明人提出了一种含有柠檬精油和噬菌体的抗菌性高吸水树脂，其不仅降低柠檬精油的使用浓度，还解决了柠檬精油因挥发而导致的抗菌效果下降的问题。
32.本发明提供的高吸水树脂的抗菌原理为：前期柠檬精油浓度较高，其杀菌作用较强，对杀菌效果起主要作用，噬菌体协助补充杀菌，二者相互协调作用，其杀菌效果比单独使用柠檬精油或噬菌体效果显著。而随着时间延长，柠檬精油开始挥发，待柠檬精油浓度下降到一定的浓度，其低浓度的柠檬精油可以促进噬菌体的抗菌作用，解决了柠檬精油在使用过程中因挥发浓度降低而导致抗菌效果效果下降的问题，保证了高吸水树脂的长效抗菌作用。
33.与现有技术相比，本发明提供的抗菌性高吸水树脂具有以下优势：
34.(1)本发明提供的抗菌性高吸水树脂以魔芋葡甘聚糖为原料，以天然柠檬精油和噬菌体为抗菌剂，具有可降解、无毒、不残留、不产生耐药性、生物相容性高、安全性高等优点；
35.(2)本发明提供的抗菌性高吸水树脂抗菌效果显著，抗菌时间长，其抗菌功能性优于目前市面上的高吸水树脂。
附图说明：
36.图1为实施例2制得的抗菌性高吸水树脂抑菌情况图；
37.图2为实施例2制得的抗菌性高吸水树脂中噬菌体的释放能力曲线图。
具体实施方式
38.以下通过具体实施方式的描述对本发明作进一步说明，但这并非是对本发明的限制，本领域技术人员根据本发明的基本思想，可以做出各种修改或改进，但是只要不脱离本发明的基本思想，均在本发明的范围之内。本发明中所涉及的材料和试剂，均可通过市售或本领域常规技术手段获得。所述环氧乙烷水解产物的聚合物购自麦克林生化技术有限公司；魔芋葡甘聚糖购自湖北胜星魔芋制品有限公司；金黄色葡萄球菌噬菌体购自中国典型培养物保藏中心。柠檬精油购自麦克林生化技术有点公司。
39.实施例1、一种抗菌性高吸水树脂
40.所述抗菌性高吸水树脂由以下成分及其重量份数组成：
41.魔芋葡甘聚糖10份、丙烯酸100份、环氧乙烷水解产物的聚合物30份、n,n-亚甲基双丙烯酰胺3份、过硫酸钾2份、柠檬精油溶液0.2份和噬菌体乳液0.2份；所述柠檬精油溶液与噬菌体乳液的体积比(ml)为1:1；
42.所述柠檬精油溶液的制备方法为：
43.将1000目蛭石加入浓度为1mol/l盐酸溶液中搅拌，室温静止24h后过滤，用去离子水洗涤，烘干，得到酸化的蛭石，接着将酸化的蛭石和柠檬精油加入无水乙醇中，所述酸化的蛭石、柠檬精油与无水乙醇的添加量为1g:0.5ml:(1～10)ml，完全溶解后，得蛭石负载柠檬精油溶液，所述柠檬精油浓度在0.005ml/ml～0.05ml/ml。
44.所述噬菌体乳液的制备方法为：
45.a金黄色葡萄球菌噬菌体cctcc no.m2016535活化后，用sm缓冲溶液溶解并稀释，制成噬菌体悬液，所述噬菌体的效价为109pfu/ml～10
12
pfu/ml；
46.b将步骤a制得的噬菌体悬液和大豆磷脂酰胆碱加入氢化椰子油甘油酯中，在10000rpm/min的条件下均质12min，所述噬菌体悬液、乳化剂和油相的重量比为1g:0.5g:10g，得乳液；
47.c将乳化剂加入无菌水中搅拌均匀，所述乳化剂与无菌水的重量比为0.05g：1g，得水相，接着加入步骤b制备得到的乳液中，所述水相与乳液的体积比(ml)为8:2，在10000rpm/min的条件下均质8min，制得噬菌体效价为106pfu/ml～109pfu/ml的乳液。
48.制备方法：
49.s1用20wt％naoh溶液中和丙烯酸，使中和度为60％，得丙烯酸溶液；
50.s2将魔芋葡甘聚糖加入去离子水中，在水浴温度为50℃的恒温条件下，使其充分溶胀，接着通入氮气5～10min后，加入过硫酸钾，再加入步骤s1制得的丙烯酸溶液和n,n-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌2h，得魔芋葡甘聚糖接枝丙烯酸聚合物溶液；
51.s3将柠檬精油溶液和噬菌体乳液加入步骤s2制得的魔芋葡甘聚糖接枝丙烯酸聚合物溶液中，磁力搅拌2h，干燥，研磨，即得。
52.实施例2、一种抗菌性高吸水树脂
53.所述抗菌性高吸水树脂由以下成分及其重量份数组成：
54.魔芋葡甘聚糖20份、丙烯酸100份、环氧乙烷水解产物的聚合物30份、n,n-亚甲基双丙烯酰胺6份、过硫酸钾1份、柠檬精油溶液0.5份和噬菌体乳液0.5份；所述柠檬精油溶液与噬菌体乳液的体积比(ml)为1:1；
55.所述柠檬精油溶液的制备方法为：
56.将1000目蛭石加入浓度为1mol/l盐酸溶液中搅拌，室温静止24h后过滤，用去离子水洗涤，烘干，得到酸化的蛭石，接着将酸化的蛭石和柠檬精油加入无水乙醇中，所述酸化的蛭石、柠檬精油与无水乙醇的添加量为1g:0.5ml:(1～10)ml，完全溶解后，得蛭石负载柠檬精油溶液，所述柠檬精油浓度在0.005ml/ml～0.05ml/ml。
57.所述噬菌体乳液的制备方法为：
58.a金黄色葡萄球菌噬菌体cctcc no.m2016535活化后，分别用sm缓冲溶液溶解并稀释，制成噬菌体悬液，所述噬菌体的效价为109pfu/ml～10
12
pfu/ml；
59.b将步骤a制得的噬菌体悬液和大豆磷脂酰胆碱加入氢化椰子油甘油酯中，在10000rpm/min的条件下均质15min，所述噬菌体悬液、乳化剂和油相的重量比为1g:0.5g:15g，得乳液；
60.c将乳化剂加入无菌水中搅拌均匀，所述乳化剂与无菌水的重量比为0.05g：1g，得水相，接着加入步骤b制备得到的乳液中，所述水相与乳液的体积比(ml)为8:2，在10000rpm/min的条件下均质10min，制得噬菌体效价为106pfu/ml～109pfu/ml的乳液。
61.制备方法：
62.s1用20wt％naoh溶液中和丙烯酸，使中和度为70％，得丙烯酸溶液；
63.s2将魔芋葡甘聚糖加入去离子水中，在水浴温度为60℃的恒温条件下，使其充分溶胀，接着通入氮气5～10min后，加入过硫酸钾，再加入步骤s1制得的丙烯酸溶液和n,n-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌2h，得魔芋葡甘聚糖接枝丙烯酸聚合物溶液；
64.s3将柠檬精油溶液和噬菌体乳液加入步骤s2制得的魔芋葡甘聚糖接枝丙烯酸聚合物溶液中，磁力搅拌2h，干燥，研磨，即得。
65.实施例3、一种抗菌性高吸水树脂
66.所述抗菌性高吸水树脂由以下成分及其重量份数组成：
67.魔芋葡甘聚糖30份、丙烯酸100份、环氧乙烷水解产物的聚合物10份、聚乙二醇二缩水甘油醚8份、过硫酸钾3份、柠檬精油溶液0.8份和噬菌体乳液0.8份；所述柠檬精油溶液与噬菌体乳液的体积比(ml)为1:1；
68.所述柠檬精油溶液的制备方法：
69.将1000目蛭石加入浓度为1mol/l盐酸溶液中搅拌，室温静止24h后过滤，用去离子水洗涤，烘干，得到酸化的蛭石，接着将酸化的蛭石和柠檬精油加入无水乙醇中，所述酸化的蛭石、柠檬精油与无水乙醇的添加量为1g:0.5ml:(1～10)ml，完全溶解后，得蛭石负载柠檬精油溶液，所述柠檬精油浓度在0.005ml/ml～0.05ml/ml。
70.所述噬菌体乳液的制备方法为：
71.a金黄色葡萄球菌噬菌体cctcc no.m2016535活化后，用sm缓冲溶液溶解，混合均匀后制成噬菌体悬液，所述噬菌体的效价为109pfu/ml～10
12
pfu/ml；
72.b将步骤a制得的噬菌体悬液和吐温80加入椰子油中，在10000rpm/min的条件下均质16min，所述噬菌体悬液、乳化剂和油相的重量比为1g:0.5g:20g，得乳液；
73.c将乳化剂加入无菌水中搅拌均匀，所述乳化剂与无菌水的重量比为0.05g：1g，得水相，接着加入步骤b制备得到的乳液中，所述水相与乳液的体积比(ml)为8:2，在10000rpm/min的条件下均质12min，制得噬菌体效价为106pfu/ml～109pfu/ml的乳液。
74.制备方法：
75.s1用20wt％naoh溶液中和丙烯酸，使中和度为80％，得丙烯酸溶液；
76.s2将魔芋葡甘聚糖加入去离子水中，在水浴温度为80℃的恒温条件下，使其充分溶胀，接着通入氮气5～10min后，加入过硫酸钾，再加入s1制得的丙烯酸溶液和聚乙二醇二缩水甘油醚，搅拌2h，得魔芋葡甘聚糖接枝丙烯酸聚合物溶液；
77.s3将柠檬精油溶液和噬菌体乳液加入步骤s2制得的魔芋葡甘聚糖接枝丙烯酸聚合物溶液中，磁力搅拌2h，干燥，研磨，即得。
78.对比例1、一种抗菌性高吸水树脂
79.与实施例2的区别在于：所述抗菌性高吸水树脂由魔芋葡甘聚糖20份、丙烯酸100份、环氧乙烷水解产物的聚合物30份、n,n-亚甲基双丙烯酰胺6份、过硫酸钾1份和柠檬精油溶液1份组成，其余与实施例2类似。
80.对比例2、一种抗菌性高吸水树脂
81.与实施例2的区别在于：所述抗菌性高吸水树脂由魔芋葡甘聚糖20份、丙烯酸100份、环氧乙烷水解产物的聚合物30份、n,n-亚甲基双丙烯酰胺6份、过硫酸钾1份和噬菌体乳液1份组成，其余与实施例2类似。
82.对比例3、一种抗菌性高吸水树脂
83.与实施例2的区别在于：所述柠檬精油溶液与噬菌体乳液的体积比(ml)为2:1，所述柠檬精油溶液与噬菌体乳液的总重量份数为1份，其余与实施例2类似。
84.对比例4、一种抗菌性高吸水树脂
85.与实施例2的区别在于：所述柠檬精油溶液与噬菌体乳液的体积比(ml)为1:2，所述柠檬精油溶液与噬菌体乳液的总重量份数为1份，其余与实施例2类似。
86.对比例5、一种抗菌性高吸水树脂
87.与实施例2的区别在于：所述抗菌性高吸水树脂由魔芋葡甘聚糖20份、丙烯酸100份、环氧乙烷水解产物的聚合物30份、n,n-亚甲基双丙烯酰胺6份、过硫酸钾1份、噬菌体乳液0.5份和肉桂精油溶液0.5份组成，所述肉桂精油溶液的制备方法与柠檬精油溶液的制备方法类似，其余与实施例2类似。
88.试验例一、抗菌性高吸水树脂的抑菌性试验
89.1、试验对象：
90.实施例2制得的抗菌性高吸水树脂。
91.2、试验方法：
92.参考国家标准gb/t21510-2008的检测方法进行抑菌性测定，取实施例2制得的抗菌性高吸水树脂颗粒0.5g
±
0.05g放入三角烧瓶中，加入含95ml磷酸盐缓冲液，混匀后，再加入5.0ml金黄色葡萄球菌菌悬液，活菌数均为105cfu/ml，以加入100ml磷酸盐缓冲液作为空白对照。将样本于37℃
±
1℃、150r/min振荡接触24h，后稀释样液进行活菌计数。
93.3、试验结果：
94.试验结果如图1所示，其中：a为实施例2制得的抗菌性高吸水树脂抑菌情况，b为空白对照组情况。
95.试验例二、高吸水树脂的吸收性能测试测定试验
96.1、试验对象：
97.实施例2制得的抗菌性高吸水树脂。
98.2、试验方法：
99.将实施例2制得的抗菌性高吸水树脂样品1g分别置于蒸馏水和生理盐水中，待其充分膨胀后测定吸水率：
100.w＝(b-g)/g
×
100％
101.其中g为样品干燥的重量/g；b为样品饱含水后的重量/g；w为吸水率
102.3、试验结果：
103.试验结果如表1所示.
104.表1高吸水树脂的吸收性能数据
[0105][0106]
由表1可知，本发明制得的抗菌性高吸水树脂具有较高的吸水性。
[0107]
试验例三、高吸水树脂中噬菌体的释放能力测定试验
[0108]
1、试验对象：
[0109]
实施例2制得的抗菌性高吸水树脂。
[0110]
2、试验方法：
[0111]
将实施例2制得的抗菌性高吸水树脂1g置于无菌水中，待树脂充分膨胀后静置于30℃无菌水里，每隔10min取无菌水进行梯度稀释，利用双层平板法测定噬菌体效价。
[0112]
3、试验结果：
[0113]
试验结果如图2所示，本发明制得的抗菌性高吸水树脂中的噬菌体在充分膨胀后的树脂后慢慢释放。
[0114]
试验例四、抗菌性高吸水树脂的抑菌测定试验
[0115]
1、试验对象：
[0116]
实施例1、实施例2、实施例3、对比例1、对比例2、对比例3、对比例4和对比例5制得的抗菌性高吸水树脂。
[0117]
2、试验方法：
[0118]
参考国家标准gb/t21510-2008的检测方法进行抑菌性测定，分别取实施例1、实施例2、实施例3、对比例1、对比例2、对比例3、对比例4和对比例5制得的抗菌性高吸水树脂颗粒0.5g
±
0.05g放入三角烧瓶中，加入含95ml磷酸盐缓冲液，混匀后，再加入5.0ml金黄色葡萄球菌悬液105cfu/ml，以加入100ml磷酸盐缓冲液作为空白对照组。将样品放置在37℃
±
1℃、150r/min的条件下振荡接触12h，稀释样液进行活菌计数，记录为12h的活菌数，接着再次加入5.0ml金黄色葡萄球菌浓度105cfu/ml，再次将样品放置在37℃
±
1℃、150r/min的条件下振荡接触12h，稀释样液进行活菌计数，记录为24h的活菌数。
[0119]
3、试验结果：
[0120]
试验结果如表2所示。
[0121]
表2抗菌性高吸水树脂的抑菌测定数据
[0122][0123][0124]
由表2可知，本发明实施例1～3制得的抗菌性高吸水树脂抗菌效果好，而且能长时间维持抗菌效果不变，更有利于抗菌性高吸水树脂的开发和利用。
[0125]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。