CN101766188B

CN101766188B - 壳聚糖抗菌剂

Info

Publication number: CN101766188B
Application number: CN2008101880304A
Authority: CN
Inventors: 张子剑
Original assignee: Individual
Current assignee: Hangzhou Sian Antibacterial Technology Research Institute Co ltd
Priority date: 2008-12-29
Filing date: 2008-12-29
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2028-12-29
Also published as: CN101766188A

Abstract

本发明公开了一种壳聚糖抗菌剂，其包括壳聚糖、联合增效剂、增溶剂和稳定剂。所述壳聚糖的重均分子量为1500-3000，脱乙酰度为90-95％。所述联合增效剂为聚季铵盐和螯合剂。所述螯合剂为EDTA。所述增溶剂及稳定剂为多元醇。所述壳聚糖抗菌剂的常规使用剂量为：0.2wt％。并且本发明还公开了上述壳聚糖抗菌剂的制备方法。

Description

壳聚糖抗菌剂

技术领域

本发明涉及一种壳聚糖抗菌剂，其包括壳聚糖、联合增效剂、增溶剂和稳定剂。所述壳聚糖的重均分子量为1500-3000，脱乙酰度为90-95％。所述联合增效剂为聚季铵盐和螯合剂。所述螯合剂为EDTA。所述增溶剂及稳定剂为多元醇。所述壳聚糖抗菌剂的常规使用剂量为：0.2wt％。并且本发明还公开了上述壳聚糖抗菌剂的制备方法。

该壳聚糖抗菌剂具有抗菌力强、抗菌谱广、安全温和、性能稳定、成本低廉、绿色环保的特点。

背景技术

随着人类生活水平的提高、健康意识的增强，抗菌产品已日益受到人们的亲睐。适合人体使用的杀菌剂主要有三类：无机杀菌剂、有机杀菌剂、天然杀菌剂。

无机杀菌剂主要是银系杀菌剂，但因银离子的变色问题始终未得到有效控制，导致该类杀菌剂的实际应用受到了很大的限制。

有机杀菌剂多为化学合成品，如：洗必泰、季铵盐、三氯生等，是目前应用最多的杀菌剂，该类杀菌剂存在安全性差、环境污染、消耗能源等缺陷。

天然杀菌剂的主要品种有：壳聚糖、茶树油、山梨酸、黄姜根醇、日柏醇、孟宗竹提取物、黄连提取物等，该类杀菌剂因有效应用剂量太大(MIC高)、成本昂贵、水溶性差、制备工艺复杂、颜色不稳定等问题，迄今难以实现工业化批量应用，大多停留在实验室研究阶段，但因其取自天然，人体应用尤其安全，符合人类“回归自然”之大趋势，故作为杀菌剂，始终是学术界潜心研究、孜孜以求的重要门类。

壳聚糖由于具有良好的生物相容性、生物降解性、无毒副作用以及抗菌、抗病毒特性，近年来在医药保健、食品保鲜、农业、化妆品中等领域具有广泛的应用前景。壳聚糖化学名称为(1-4)-2-氨基-2-脱氢-β-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、蟹等节肢动物的外壳、真菌及一些藻类植物的细胞壁中。自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、蟹壳等经酸洗除去无机钙质，经碱煮除去蛋白质，便为甲壳素。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。目前我国甲壳素和壳聚糖年产量约2500吨，主要产地为沿海的浙江、江苏、福建、广东等省，大多生产粗品甲壳素，只有少量企业生产壳聚糖。1979年，Allan首次发现壳聚糖具有广泛抗菌性。之后学术界对壳聚糖的抗菌作用进行了广泛的研究。

温玉麟等发表的文章“甲壳素及其衍生物在药物制剂中的应用”(中国海洋生物，1989；(1)：33)中记载了壳聚糖(Chitosan、Deacetylated chitin、

FlonacN、甲壳胺、脱乙酰甲壳素、可溶性甲壳质、脱乙酰壳多糖、脱乙酰几丁质、聚氨基葡糖、可溶性甲壳素)及其衍生物可用于生物制剂的用途。

CN1712417A中公开了一种硫脲壳聚糖-Ag+络合物及其制备方法和用途，其中由壳聚糖与硫氰酸铵反应制得硫脲壳聚糖，再将硫脲壳聚糖溶解后与硝酸银混合制得。该络合物用于抗菌剂中具有抗菌谱广、抗菌效果显著的特点。

CN1685831A中公开了一种壳聚糖/金属铜复合抗菌剂的制备方法，其中将原料壳聚糖提纯后与过渡金属离子铜配位，并用丙酮乙醇混合溶剂沉淀，洗涤干燥获得壳聚糖/金属铜复合抗菌剂。该方法制备的有机/无机复合抗菌剂具有优良的广谱抗菌性，对多种致病菌的抑菌活性都有大幅度提高。该抗菌剂可用于食品、纺织工业和日用品的抗菌。

迄今为止，壳聚糖作为抗菌剂已在国内外得到了广泛的应用，但目前主要的应用领域集中于生物制剂或将壳聚糖与重金属复合形成的复合抗菌剂。但是上述抗菌剂制备成本高，对人类的安全性差，对于环境污染大，其生物毒性不能满足当前发展绿色无毒抗菌剂的要求。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种壳聚糖抗菌剂。该壳聚糖抗菌剂包括壳聚糖、联合增效剂、增溶剂和稳定剂。联合增效剂为聚季铵盐和螯合剂。所述螯合剂为EDTA。增溶剂和稳定剂为多元醇。该壳聚糖抗菌剂使单纯壳聚糖的杀菌效力提高了近30倍，而且解决了壳聚糖作为杀菌剂工业化批量应用的技术难点，实现了对天然海洋资源产物的深加工利用。该壳聚糖抗菌剂具有抗菌力强、抗菌谱广、安全温和、性能稳定、成本低廉、绿色环保的特点。本品(0.2wt％)对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、白色念珠菌的2分钟杀灭率达99％以上。本品之杀菌作用室温下至少可保持两年。在常规使用剂量下，本品对皮肤、眼睛、黏膜无刺激，不会引起皮肤过敏。

壳聚糖的主要杀菌机理是：1)壳聚糖分子进入细菌细胞内，破坏DNA到RNA的转录，致细菌繁殖终止；2)带正电荷的壳聚糖分子通过库仑作用吸附带负电荷的细菌细胞壁，使其呼吸抑制而死亡。前者是主要的杀菌途径。实验表明，壳聚糖的抑菌作用与其分子量之间存在一定的关系。壳聚糖分子量小于2500，相对易于进入细胞内而不利于吸附细菌；分子量大于3500，相对易于吸附细菌而不利于进入细胞内。另，壳聚糖分子中的-NH₃ ⁺是其重要杀菌因子，其相对密度大小与杀菌效力直接相关，而-NH₃ ⁺之相对密度与壳聚糖的脱乙酰度成正比关系，与重均分子量成反比关系。经过大量实验研究，发现相对最具杀菌效力的壳聚糖的技术参数是：重均分子量1500-3000，脱乙酰度90-95％。

根据壳聚糖的抑菌机理，壳聚糖抑菌活性的强弱与壳聚糖上的氨基有关，其正电性越强，其抑菌活性越强。而经过实验发现，对壳聚糖进行季铵化后，其抑菌活性比壳聚糖有明显的增强。针对单纯壳聚糖在抗菌方面的弱点(分子量较大，不易进入细胞内)，根据抗菌增效原理，经大量对照实验，最终确定采用聚季铵盐、乙二胺四乙酸(EDTA)，壳聚糖复配增效剂后，可使综合杀菌效力提高近30倍。

针对壳聚糖水溶性差、易水解的特性，经大量筛选实验，最终确定多元醇为溶剂及稳定剂。

在实验测定MGC(最低抑菌浓度)、MIC(最低杀菌浓度)的基础上，根据实际应用工艺情况及相关国家标准要求，最终确定壳聚糖抗菌剂的常规使用剂量为：0.2wt％。

不同浓度对壳聚糖抗菌剂抗菌性能的影响

对于上述实验，壳聚糖的取代度为1.02；温度为25摄氏度；PH为6.3。实验表明，本发明制备的壳聚糖抗菌剂在0.20wt％时，对大肠杆菌和葡萄球菌有很好的抗菌效果。

实验表明，该壳聚糖抗菌剂在PH值为6.5-7.5时其抑菌效果最佳。其中PH值测定按照《中华人民共和国药典》2000年版第二部附录第46页PH值测定法测定。

其中杀菌效果测试按消毒技术规范2002年版2.1.1.5条中和剂鉴定测试方法、2.1.1.7条细菌定量基2.1.1.9条真菌杀灭测试方法。

该壳聚糖抗菌剂的相对密度在25摄氏度下为1.15-1.20(按照《中华人民共和国药典》2000年版第二部附录第40页相对密度测定法中比重瓶法测定)。

该壳聚糖抗菌剂的固体物含量为48-52wt％。

固体物含量的测定方法为：

在烘干恒重的烧杯中称取2g试样(精确至0.0002g)于105±1摄氏度恒温烘箱内烘干三小时。取出放入干燥器内，冷却至室温，称其质量(精确至0.0002g)。

固体物浓度计算：

总固体(％)＝(m3-m1)×100/(m2-m1)

其中：m1为空烧杯的质量g；

m2为烘干前试样和烧杯的质量g；

m3为烘干后残余物和烧杯的质量g。结果保留一位小数。

该壳聚糖抗菌剂的制备方法为：

制备壳聚糖的主要原料

注：黏度指甲壳素或壳聚糖溶于1％乙酸溶液时的黏度(旋转黏度仪测试，25℃，下文同)。

配制杀菌剂的主要原料

其中螯合剂优选为EDTA。对于多元醇没有限制。

附图说明：

图1为工艺路线及流程图。

1)壳聚糖制备

原料检验→甲壳素粉碎(25-30目)

反应釜中加入去离子水及NaOH，启动搅拌，配成40-45％碱液，恒温至98-102℃→加入甲壳素，浸泡1-2h→充氮反应若干时间→加入过氧化剂，反应若干时间→洗涤→脱水→在98-102℃下真空干燥→检验。

2)杀菌剂配制

原料检验→按上述重量比配料称量

聚季铵盐、多元醇加至液体搅拌锅内，启动搅拌，恒温至48-52℃→加入壳聚糖、螯合剂，搅拌20-30分钟→降至常温→放料、包装→成品检验。

其中过氧化剂优选为过碳酸钠，但并不限定于此。此外，除非另作说明，否则表示浓度的％均指代重量百分比。

杀菌剂配伍机理

壳聚糖制备工艺研究

1)脱乙酰度控制实验

实验显示：在原料规格及碱液浓度、反应温度相对固定的的条件下，反应2-3小时较为合理。

2)分子量控制实验

实验显示：在降解剂用量及反应温度相对固定的的条件下，反应0.7-1.4小时较为合理。

微生物实验研究

实验依据：《消毒技术规范》(***2002年版)、GB15979-2002《一次性使用卫生用品卫生标准》

(1)杀/抑菌实验

A、单味原料杀菌实验(实验菌株：大肠杆菌8099)

实验显示：4种单味原料的0.5％水溶液对大肠杆菌均无明显杀灭作用。

B、配方拆分杀菌实验(实验菌株：大肠杆菌8099)

实验显示：

1)4种原料合用(各0.5wt％)的水溶液对大肠杆菌有较强杀灭作用。

2)配方中去除壳聚糖或聚季铵盐，对大肠杆菌无明显杀灭作用。

3)配方中去除螯合剂，对大肠杆菌的杀灭效果有明显影响。

4)配方中去除多元醇，对大肠杆菌的杀灭效果无明显影响。

C、最小杀菌浓度(MIC)实验

a)壳聚糖规格筛选

实验显示：平均分子量1500-3000、脱乙酰度95-100％的壳聚糖杀菌效力最强。

b)壳聚糖杀菌剂MIC测定

实验显示：壳聚糖经复配增效剂后，其杀菌效力提高了近30倍；壳聚糖杀菌剂对3个代表菌种的杀灭效果排序：金黄色葡萄球菌＞大肠杆菌＞白色念珠菌。

D、最小抑菌浓度(MGC)实验

实验显示：壳聚糖杀菌剂对3个代表菌种的抑制效果排序同MIC。

(2)毒理实验

A、皮肤刺激试验

0.2wt％壳聚糖杀菌剂对豚鼠的皮肤刺激指数为0，属无刺激性。

B、皮肤***反应试验

0.2wt％壳聚糖杀菌剂对豚鼠皮肤的致敏率为0，属I级致敏。

C、***黏膜刺激试验

0.2wt％壳聚糖杀菌剂对雌性家兔***黏膜的刺激指数为0.2，属无刺激性。

D、眼刺激试验

0.2wt％壳聚糖杀菌剂对家兔的急性眼刺激积分指数为3，属无刺激性。

(3)稳定实验

A、杀菌稳定性实验(37℃加速试验)

实验结论：产品的杀菌作用在室温下至少可保持二年。

B、黏度稳定性实验

实验显示：壳聚糖杀菌剂常温条件下无明显分解。

应用研究

(1)卫生湿巾

A、巾材：水刺布(粘胶/涤纶＝70/30，50g/m²)。

B、含液量：300％。

C、壳聚糖杀菌剂用量：0.2wt％。

D、卫生指标：

E、实验结论：产品达到GB15979“卫生湿巾”的卫生标准。

(2)抗菌ES纤维

A、纤维规格：线密度2.0～2.6dtex，长度51±3mm，卷曲数16±5个/25mm，含油率0.35～0.65wt％。

B、壳聚糖杀菌剂用法、用量：配制纺丝油剂时直接加入。杀菌剂实际耗用0.15-0.25wt％。

C、纤维抑菌性能(溶出法)

D、实验结论：参照GB15979要求，产品对实验菌种具有较强的抑制作用。

(3)抗菌非织造布

A、布料规格：热轧型，18-20g/m²。

B、壳聚糖杀菌剂用法、用量：在线涂布，涂液率20-30wt％。杀菌剂实际耗用0.15-0.25wt％。

C、非织造布抑菌性能(溶出法)

该壳聚糖抗菌剂在杀菌效果及对皮肤的刺激性、致敏性方面反应在实验中指标：0.2wt％水溶液对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、白色念珠菌的2分钟杀灭率＞99％；0.2wt％水溶液对豚鼠皮肤进行一次性刺激试验，皮肤刺激指数应为0.0-0.4，属无刺激性；以0.2wt％水溶液对豚鼠皮肤进行***反应试验，致敏率应为0-8％(I级)，致敏强度极轻。

本产品的其它指标：砷含量≤0.001％；铅含量≤0.004％。

本产品主要可用于各类非织造布及湿巾、卫生巾、纸尿裤、口罩等一次性使用卫生用品、医疗用品。另外，还可用于各类日用化学品。

该壳聚糖抗菌剂的特点为：杀菌力强，主要体现在0.2wt％使用剂量对常规代表菌种的2分钟杀灭率均大于99％；杀菌谱广，对化脓菌、肠道感染菌、酵母菌等代表菌种均有显效。另外，本项目产品安全温和，对皮肤、眼睛、黏膜无刺激，不会引起过敏反应；性能稳定，其杀菌及贮存有效期时间在两年以上。再次，项目产品成本低廉，应用成本仅为进口同类杀菌剂的70％左右；制造、应用工艺简便；以天然生物原料为主，对环境无污染。

虽然已经描述了本发明的具体内容，但是，本发明的范围并不限于上述，而是在不脱离本发明精神实质下的各种变型、变化和替换仍落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种壳聚糖抗菌剂，其特征在于该壳聚糖抗菌剂包括壳聚糖、联合增效剂、增溶剂和稳定剂，所述联合增效剂为聚季铵盐和螯合剂，所述增溶剂及稳定剂为多元醇，其中按100wt％重量计，该壳聚糖抗菌剂包括40wt％-60wt％的壳聚糖、10wt％-20wt％的聚季铵盐、10wt％-20wt％的螯合剂和20wt％-30wt％的多元醇。

2.根据权利要求1所述的壳聚糖抗菌剂，其特征在于所述壳聚糖的重均分子量为1500-3000，脱乙酰度为90-95％。

3.根据权利要求1所述的壳聚糖抗菌剂，其特征在于所述螯合剂为乙二胺四乙酸。

4.根据权利要求1-3任一项所述的壳聚糖抗菌剂，其特征在于所述壳聚糖抗菌剂的常规使用剂量为：0.2wt％。

5.根据权利要求4所述的壳聚糖抗菌剂，其特征在于所述壳聚糖抗菌剂的pH值为6.5-7.5时其抑菌效果最佳。

6.根据权利要求1-3任一项所述的壳聚糖抗菌剂，其特征在于所述壳聚糖抗菌剂的相对密度在25摄氏度下为1.15-1.20。

7.根据权利要求1-3任一项所述的壳聚糖抗菌剂，其特征在于所述壳聚糖抗菌剂的固体物含量为48wt％-52wt％。

8.根据权利要求4所述的壳聚糖抗菌剂，其特征在于所述壳聚糖抗菌剂的相对密度在25摄氏度下为1.15-1.20。

9.根据权利要求4所述的壳聚糖抗菌剂，其特征在于所述壳聚糖抗菌剂的固体物含量为48wt％-52wt％。

10.如权利要求1-9任一项所述的壳聚糖抗菌剂的制备方法，依次包括下述步骤：

1)壳聚糖的制备：

按组合物重量为100wt％计，将黏度为14-16Pa.s以及脱乙酰度为45-50％的1.5wt％-2.5wt％甲壳素原料粉碎成25-30目，加入40wt％-45wt％的NaOH，恒温至98-102℃，浸泡1-2h，然后充氮反应2至3h，之后浸泡，加入0.5wt％-1.5wt％的过氧化剂，然后加入余量的去离子水使得组合物的重量为100wt％，反应0.7-1.4h，进行脱乙酰基，接着进行洗涤、脱水、在98-102℃下真空干燥，得到重均分子量为1500-3000以及脱乙酰度为90-95％的壳聚糖；

2)壳聚糖抗菌剂的制备：

将聚季铵盐、增溶剂、稳定剂加至液体搅拌锅内，所述增溶剂和稳定剂为多元醇，启动搅拌，恒温至48-52℃，之后加入上述壳聚糖和螯合剂，搅拌20-30分钟，降至常温得到壳聚糖抗菌剂，其中按100wt％重量计，该壳聚糖抗菌剂包括40wt％-60wt％的壳聚糖、10wt％-20wt％的聚季铵盐、10wt％-20wt％的螯合剂和20wt％-30wt％的多元醇。

11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于所述螯合剂为乙二胺四乙酸。

12.根据权利要求10或11所述的制备方法，其特征在于所述过氧化剂为过碳酸钠。