庄远红, 林娇芬, 潘裕添

(1.闽南师范大学生物科学与技术学院；2.闽南师范大学菌物产业工程技术中心，福建 漳州 363000)



羧化壳聚糖—卡波姆复合凝胶的制备及抑菌性研究

庄远红1,2, 林娇芬1,2, 潘裕添1,2

(1.闽南师范大学生物科学与技术学院；2.闽南师范大学菌物产业工程技术中心，福建 漳州 363000)

以羧化壳聚糖为原料，卡波姆为凝胶增稠剂，经过充分溶胀、搅拌和破碎，制成羧化壳聚糖—卡波姆复合凝胶，研究卡波姆添加量、羧化壳聚糖添加量、贮藏温度及pH对复合凝胶感官、稳定性及质构特性的影响，探讨了羧化壳聚糖—卡波姆复合凝胶的抑菌效果，确定其最佳制备工艺.结果表明，羧化壳聚糖与卡波姆具有很好的相容性，复合凝胶呈无色透明半固体状，质地均匀细腻有光泽，无异味，性质温和，稳定性好.以质量分数为1%的卡波姆为辅料，配制羧化壳聚糖质量分数为1%的复合凝胶，此时复合凝胶pH约为5.0，质构稳定性良好，易于涂展，可常温下贮藏，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色假丝酵母、酿酒酵母和枯草芽孢杆菌均具有良好的抑菌效果，抑菌率分别达到74.3%、64.6%、96.4%、98.4%、74.3%.

卡波姆940; 羧化壳聚糖; 复合凝胶; 稳定性; 质构; 抑菌活性

羧化壳聚糖是最重要的壳聚糖衍生物之一，水溶性高，具有优良的乳化性、吸湿保湿性、成膜性和生物相溶性等特点[1]，广泛应用于医用敷料、化妆品保湿剂、食品保鲜剂等方面，也常作为药物靶向控释载体材料[2].羧化壳聚糖同时具备有效抑制细菌和真菌的生长和繁殖的能力，对常见的口腔致病菌、皮肤癣菌、伤口感染菌等具有显著的抑制效果，并有促进伤口愈合和消炎、止血等功能[3]，但这些功能常被人们所忽略.若将羧化壳聚糖作为直接涂抹药用材料，单一羧化壳聚糖凝胶存在制备成本高、机械强度差、涂展性能差等缺点，目前国内外对抑菌型羧化壳聚糖凝胶的研究及其应用的报导很少.本实验拟添加卡波姆与羧化壳聚糖发生交联反应，通过羧化壳聚糖中和卡波姆酸度，使其分子链弥散伸展呈极大的膨胀状态增稠形成凝胶[4]，改善羧化壳聚糖凝胶性能差的缺点.卡波姆为一类丙烯酸与丙烯基蔗糖交联的高分子聚合物[5]，质地均匀，无油腻感，与皮肤黏膜的耦合效果好，释药快[6]，广泛用于凝胶剂和乳膏剂的研究生产中，2005年已收载在《中国药典》中.实验以羧化壳聚糖为主料，以卡波姆为辅料，制备羧化壳聚糖—卡波姆复合凝胶，利用二者的协同增效作用改善羧化壳聚糖凝胶机械强度低、涂展性能差等不足，制备成本较低、性状稳定、易于涂抹的凝胶，研究卡波姆添加量、羧化壳聚糖添加量、贮藏温度及pH对复合凝胶感官特性、稳定性及质构特性的影响，同时研究复合凝胶对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色假丝酵母、酿酒酵母和枯草芽孢杆菌的抑菌效果，确定羧化壳聚糖-卡波姆凝胶的最佳工艺配方，为发挥羧化壳聚糖抑菌功效，优化羧化壳聚糖凝胶的制备，拓宽羧化壳聚糖在日用化工方面的应用提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

羧化壳聚糖(羧化度85%，粘度40 mpa·s)(浙江金壳生物化学有限公司)、卡波姆940(青岛天力源生物科技有限公司)、金黄色葡萄球菌(广东省微生物菌种保藏中心)、大肠杆菌(广东省微生物菌种保藏中心)、白色假丝酵母(广东省微生物菌种保藏中心)、枯草芽孢杆菌(广东省微生物菌种保藏中心)、酿酒酵母菌(广东省微生物菌种保藏中心)、普通肉汤培养基(北京陆桥技术有限责任公司)、营养琼脂(北京陆桥技术有限责任公司)、三乙醇胺(西陇化工股份有限公司).

1.2 试验仪器

AR124CN电子天平(上海奥豪斯仪器有限公司)、JC101型电热鼓风干燥箱(上海成顺仪器仪表有限公司)DHG型智能电热鼓风干燥箱(上海成顺仪器仪表有限公司)、HH-2数显恒温水浴锅(江苏省金坛市江南仪器厂)、SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵(郑州长城科工贸有限公司)、NDJ-9S旋转粘度计(上海上天精密仪器有限公司)、TA-plus质构仪(英国LLOYD公司)、JHBE-50S闪式提取控制器、立式压力蒸汽灭菌器(上海博迅实业有限公司医疗设备)、SW-CJ系列净化工作台(苏州安泰空气技术有限公司)、SPX-250B-Z型生化培养箱(上海博迅实业有限公司医疗设备)、RW20顶置式电子搅拌器(德国IKA集团)、EL20K实验室pH计(梅特勒—托利多仪器有限公司).

1.3 试验设计

1.3.1 羧化壳聚糖—卡波姆复合凝胶的制备 羧化壳聚糖溶胶的制备：称取一定量的羧化壳聚糖粉末溶于20 mL超纯水中，充分搅拌均匀，得到不同质量分数的羧化壳聚糖溶胶.

卡波姆溶胶的制备：取适量超纯水，均匀撒入卡波姆粉末，静置，自然溶胀24 h，制得不同质量分数的卡波姆溶胶，备用.

复合凝胶的制备：在电动搅拌下将羧化壳聚糖溶胶慢慢加入卡波姆溶胶中，混合均匀，使样品成粘稠状，破碎后制得羧化壳聚糖—卡波姆复合凝胶.

1.3.2 试验设计 卡波姆添加量的筛选：试验设4个处理，每个处理3个重复，分别以质量分数为0.6%、0.8%、1.0%、1.2%的卡波姆溶胶为辅料，配制羧化壳聚糖质量分数为1.0%的复合凝胶，此时复合凝胶pH为5.33、5.17、5.03、4.89，室温下贮藏.

羧化壳聚糖添加量的筛选：实验设3个处理，每个处理3个重复，以质量分数为1.0%的卡波姆溶胶为辅料，配制羧化壳聚糖质量分数分别为0.5%、1.0%、1.5%的复合凝胶，此时复合凝胶pH为4.87、5.03、5.23，室温下贮藏.

pH对羧化壳聚糖—卡波姆复合凝胶质构特性的影响：实验设5个处理，每个处理3个重复，以质量分数为1%的卡波姆为辅料，配制羧化壳聚糖质量分数为1%的复合凝胶，通过滴加三乙醇胺调节凝胶pH分别为5.0、5.5、6.0、6.5、7.0，室温下贮藏.

贮藏温度对羧化壳聚糖-卡波姆复合凝胶质构特性的影响：实验设4个处理，每个处理3个重复，以质量分数为1%的卡波姆为辅料，配制羧化壳聚糖质量分数为1%的复合凝胶，此时复合凝胶pH为5.03，分别置于7、17、27、37 ℃条件下贮藏.

卡波姆对复合凝胶抑菌效果的影响：实验设5个处理，每个处理3个重复，分别以质量分数为0.6%、0.8%、1.0%、1.2%的卡波姆溶胶为辅料，配制羧化壳聚糖质量分数为1.0%的复合凝胶，以单一的1.0%羧化壳聚糖为空白对照，测定其对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色假丝酵母、枯草芽孢杆菌、酿酒酵母的抑制效果.

1.4 测定方法

1.4.1 感官评价 观察复合凝胶的色泽、气味、稠度、均匀度、光泽度、涂展性能.

1.4.2 凝胶稳定性测定 离心法：取样品5 g，置于离心管中，以2500 r·min-1转速离心30 min后，观察是否水分析出及分层现象[7,8].

留样观察法：取样品10 g，置室温避光贮存6个月，观察均匀度、稠度、pH值、外观是否存在明显变化[9].

耐热耐寒试验：样品置于85 ℃水浴中6 h，取出，置室温观察外观是否变化，凝胶有无分层现象；再将样品置于-18 ℃冰箱内24 h，取出解冻后，观察外观是否变化，凝胶有无分层现象[9].

1.4.3 凝胶质构测定 使用TA-plus质构仪，采用TPA模式，选用直径12.7 mm柱形探头，具体参数设定：测前速度：1 mm·s-1；测试速度：1 mm·s-1；测试后速度：1 mm·s-1；测试距离：30.0 mm.测定项目：硬度、弹性、胶着性.测定时间分别为第1、6、11、16、21 d.

1.4.4 凝胶的抑菌性能测定 采用琼脂扩散纸片法和菌落计数法测定复合凝胶对待测菌种(大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色假丝酵母、枯草芽孢杆菌、酿酒酵母)的抑菌效果：制备含有108个·m·L-1待测菌种的菌悬液，均匀涂布于凝固的营养琼脂培养基平板表面，每个平板100 μL；无菌条件下将复合凝胶均匀涂于直径0.3 cm、灭菌烘干过的滤纸片上，将制备好的复合凝胶纸片(以灭菌滤纸片为空白对照)贴于涂布好测试菌种的平板上，每个平板上纸片重复数为4，37 ℃恒温培养24 h，取接触面培养物作梯度稀释，取1 mL稀释菌悬液于平板中，用琼脂倾注平板，混匀，待凝固后倒置于37 ℃恒温培养24 h[9]，计算菌落总数，菌落总数的计算方法参照GB 47892-2010[10].

抑菌率/%=(空白对照菌落总数-凝胶菌落总数)/空白对照菌落总数×100

2 结果与分析

2.1 复合凝胶的感官评定

复合凝胶中，卡波姆作为凝胶基质包裹介质羧化壳聚糖，凝胶呈透明半固体状，有光泽，无异味，涂抹后有清凉感.从表1可以看出，羧化壳聚糖质量分数为1%时，随着基质卡波姆添加量的升高，复合凝胶的稠度先增大后降低；而当卡波姆质量分数为1%时，随着羧化壳聚糖添加量的增加，复合凝胶的稠度有所降低，可能是因为pH升高影响卡波姆的解离，使复合凝胶稳定性下降，稠度降低；复合凝胶的稠度直接影响它的涂展性能，从评定结果还可以看出，稠度太高的复合凝胶不易涂展，以质量分数为1%的卡波姆为辅料的1%羧化壳聚糖复合凝胶稠度适宜，易于涂展，感官效果最佳.

表1 复合凝胶感官评定

2.2 复合凝胶的稳定性

从表2可以看出，复合凝胶性状稳定，不受羧化壳聚糖添加量和卡波姆添加量的影响，离心法和耐热耐寒试验发现，复合凝胶均无分层和脱水收缩现象，但羧化壳聚糖和卡波姆的添加量影响复合凝胶的耐储性，从长霉情况可以看出，羧化壳聚糖和卡波姆质量分数均为1%以上的复合凝胶保存时间较长，说明羧化壳聚糖和卡波姆添加量越高，越不容易长霉，贮藏稳定性越好；耐热性试验可知，复合凝胶具有很强的耐热性，因此制作后期可灭菌后灌装，进一步提高其贮藏稳定性.

表2 复合凝胶的稳定性

2.3 卡波姆添加量的筛选

图1 不同质量分数卡波姆对复合凝胶质构特性的影响(第11天)Fig.1 Effect of different concentration of carbomer on the textural properties of the complexed gel (on the eleventh day)

第11 d复合凝胶质构特性如图1所示，随着辅料卡波姆添加量的增加，羧化壳聚糖—卡波姆复合凝胶胶着性和硬度呈先上升后下降的趋势，弹性变化不大.这是因为质量分数为1.0%的羧化壳聚糖pH为5.5-6.0，而质量分数为1%的卡波姆分散体pH为2.5-3.0[11]，两者复合后卡波姆被中和，pH升高使卡波姆分子链弥散伸展呈极大的膨胀状态，并具黏性[12].卡波姆添加量过低，会影响复合凝胶的增稠性能，硬度和胶着性偏低；而卡波姆添加量过高，复合凝胶pH会降低，影响到凝胶的键合能力，硬度和胶着性也将下降，故选取质量分数为1%的卡波姆作为辅料.

2.4 羧化壳聚糖添加量的筛选

由图2可知，随着羧化壳聚糖添加量的增加，复配凝胶的硬度稍有降低，胶着性和弹性变化相对较小.羧化壳聚糖添加量过低，会降低复合凝胶的pH，进而影响其硬度和稠度，又会影响其贮藏性能和抑菌效果，过高不利于成本，因此选择质量分数为1%的羧化壳聚糖为主料.

2.5 1%羧化壳聚糖—卡波姆复合凝胶的质构稳定性

经筛选后，确定以1%卡波姆为辅料，配制羧化壳聚糖质量分数为1%的复合凝胶，并测定该凝胶贮藏期间的质构稳定性.由图3可知，贮藏期间，羧化壳聚糖—卡波姆复合凝胶的硬度、胶着性、弹性变化不大，稳定性好.

图2 不同质量分数羧化壳聚糖对复合凝胶质构特性的影响(第11天)

2.6贮藏温度对羧化壳聚糖—卡波姆复合凝胶质构特性的影响

由图4可观察到，贮藏温度对羧化壳聚糖—卡波姆复合凝胶硬度、胶着性和弹性都影响不大，因此复合凝胶只需在常温下贮藏即可，无需冷藏.

2.7 pH对羧化壳聚糖—卡波姆复合凝胶质构特性的影响

由图5可知，随着pH的上升，复合凝胶的硬度、胶着性、弹性呈现下降趋势，pH>6.0时，硬度和胶着性趋于稳定，说明pH影响复合凝胶的质构特性.卡波姆的pKa为4.5-5.0，当介质pH高于其pKa时，凝胶的键合能力降低，凝胶稳定性下降，质构性能降低[13]，所以复合凝胶在pH为5.0时具有较佳的硬度、胶着性和弹性，而本配方若不调节酸碱度，所制得的复合凝胶pH约为5.0，因此制备复配凝胶时将不再调节其pH.

图4 贮藏温度对羧化壳聚糖—卡波姆复合凝胶质构特性的影响

2.8 卡波姆对复合凝胶抑菌效果的影响

图6 卡波姆对复合凝胶抑制大肠杆菌效果的影响Fig.6 Effect of carbomer on the complexed gel against E.coli

由图6-图10可知，质量分数为1%的羧化壳聚糖对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色假丝酵母、酿酒酵母和枯草芽孢杆菌分别为44.8%、12.7%、72.5%、78.4%、53.3%，而以卡波姆为基质的复合凝胶不仅没有降低羧化壳聚糖的抑菌效果，反而提高了其抑菌能力，其中以质量分数为1%卡波姆为辅料的复合凝胶对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色假丝酵母、酿酒酵母和枯草芽孢杆菌均具有最高的抑菌效果，抑菌率分别为74.3%、64.6%、96.4%、98.4%、74.3%，比单一羧化壳聚糖分别提高29.5%、51.9%、23.9%、20.0%、21.0%，对白色假丝酵母、酿酒酵母的抑菌效果特别明显，也大大提高了对金黄色葡萄球菌的抑菌能力.

图7 卡波姆对复合凝胶抑制金黄色葡萄球效果的影响

图9 卡波姆对复合凝胶抑制酿酒酵母效果的影响

3 结论

感官分析表明，羧化壳聚糖—卡波姆复合凝胶呈透明半固体状，质地均匀细腻有光泽，无异味，涂抹后有清凉感；复合凝胶的稠度随卡波姆添加量的升高先增大后降低，随羧化壳聚糖添加量的增加有所降低，但稠度太高不易涂展；以质量分数为1%的卡波姆为辅料的1%羧化壳聚糖复合凝胶稠度适宜，易于涂展，感官效果最佳.

稳定性实验表明，复合凝胶性状稳定，无分层和脱水收缩现象，但羧化壳聚糖和卡波姆添加量越高，越不容易长霉，耐储性能越好；质量分数均为1%以上的复合凝胶保存时间较长，制作后期可灭菌后灌装，进一步提高其贮藏稳定性.

通过质构特性对复合凝胶配方进行筛选表明，质量分数为1%的卡波姆和羧化壳聚糖组成的复合凝胶具有较好的硬度、胶着性和弹性，且贮藏期间质构稳定性良好，贮藏温度对复合凝胶质构特性影响不大，可常温贮藏；但随着pH的上升，复合凝胶的硬度、胶着性、弹性呈下降趋势，而未经调节酸碱度的复合凝胶pH约为5.0，质构特性优良，因此不建议调节pH.

以卡波姆为基质的复合凝胶提高了羧化壳聚糖的抑菌能力，其中卡波姆质量分数为1%的复合凝胶对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色假丝酵母、酿酒酵母和枯草芽孢杆菌的抑菌能力分别比单一羧化壳聚糖提高了29.5%、51.9%、23.9%、20.0%、21.0%，对白色假丝酵母、酿酒酵母的抑菌效果特别明显，抑菌率分别达到96.4%、98.4%.

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(责任编辑:吴显达)

Preparation and antibacterial effect of complexed gel with carboxymethylchitosan and carbomer

ZHUANG Yuan-hong1,2, LIN Jiao-fen1,2, PAN Yu-tian1,2

(1.College of Biological Science and Technology, Minnan Normal University; 2.Engineering Technological Center of Mushroom Industry, Minnan Normal University, Zhangzhou, Fujian 363000, China)

Complexed gel of carboxymethylchitosan-carbomer was obtained by full swelling, stirring and crushing, using carboxymethylchitosan as a raw material and carbomer as a thickener. The effect of adding proportion of carbomer and carboxymethylchitosan, storage temperature and pH was optimized for the best sensory properties, stability and textural properties of complexed gel, and the antibacterial effect was tested. The results showed that carboxymethylchitosan and carbomer had a good compatibility, and the prepared complexed gel was colorless, semisolid, stable, luster, smooth, uniform, mild, and had no peculiar odor. The optimized complexed gel contained 1% carbomer and 1% carboxymethylchitosan, and the pH was about 5.0. Its textural properties stability was better, it was easy-to-spread and could be stored at normal temperature. The antibacterial activities of the gel onEscherichiacoli,Staphylococcusaureus,Candidaalbicans,SaccharomycescerevisiaeandBacillussubtiliswas outstanding, and the inhibitory rates were 74.3%, 64.6%, 96.4%, 98.4% and 74.3%, respectively.

Carbomer 940; carboxymethylchitosan; complexed gel; stability; texture; antibacterial activity

2014-07-10

2014-11-03

漳州市自然科学基金项目(ZZ2013J06)；福建省教育厅A类科技项目(JA14205).

庄远红(1981-)，女，硕士，讲师.研究方向：功能性食品加工与质量安全研究.通讯作者潘裕添(1969-)，男，教授.研究方向：功能性产品开发.Email：xmpyt@sina.com.

TQ464; R943

A

1671-5470(2015)04-0408-06

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2015.04.013