环糊精金属有机框架复合材料的制备及抗菌应用研究

来源 :浙江大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:szhanyc
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金属有机框架是一种新型多孔材料,具有比表面积大、良好孔结构及稳定性高等性质,大部分金属有机框架由于采用的原材料具有一定毒性,因此难以直接应用于食品研究中。环糊精金属有机框架(Cyclodextrin metal-organic framework,CD-MOF)具有安全无毒、可再生环保和生物相容性好等优点,已作为载体材料被广泛研究。然而,CD-MOF原料的低毒性使其在食品安全中的应用受到限制,此外CD-MOF存在制备过程繁琐,易在水环境下崩解的问题。因此如何实现CD-MOF的快速合成并结合抗菌剂增强其抗菌性能,解决CD-MOF的水稳定性差问题并拓展其在食品安全中的应用范围具有重要意义。主要研究结果如下:(1)开发基于超声辅助合成CD-MOF的方法,探究了超声辅助制备工艺条件,发现其功率、处理时间、处理温度均会影响CD-MOF的形貌结构,结果表明,超声功率为540 W、处理时间为10 min、处理温度为60℃时为制备CD-MOF的最佳工艺,并可得到形貌均一的材料。通过扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)、粉末X-射线衍射(Powder X-ray diffraction,PXRD)、傅里叶红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FT-IR)等对所得CD-MOF外观形貌及晶体性质进行表征,发现所得CD-MOF结晶度可达95.96±5.03%,与传统法制备得到的CD-MOF结构相似,具有良好的立方体结构,平均尺寸为8.60±1.95μm。(2)采用天然抗菌产物咖啡酸(Caffeic acid,CA)作为抗菌剂,探究了CD-MOF对其的负载行为及机制,通过浸渍法将咖啡酸装载于所得CD-MOF上以得到具有抗菌效果的复合材料(CA@CD-MOF),优化了CA@CD-MOF的制备工艺并探索了CD-MOF对咖啡酸的负载机制。研究表明,反应时间为720 min、反应温度为40℃、CD-MOF中γ-CD与咖啡酸的摩尔比为1:64的反应条件下,可达到19.63±2.53%的最高咖啡酸负载率。采用SEM、PXRD、FT-IR、热重分析(Thermogravimetric analysis,TGA)等对CA@CD-MOF材料外观形貌、热稳定性和结构性质进行分析,结果显示CA@CD-MOF的形貌与晶体结构无明显变化,其中咖啡酸主要以非晶态形式存在于CD-MOF内部空腔。CA@CD-MOF在水及磷酸缓冲盐溶液(Phosphate buffered saline,PBS)环境中表现为在1 min内对咖啡酸的突释行为。CA@CD-MOF在乙醇环境中表现为缓释行为,动力学方程拟合结果显示释放过程更符合Higuchi方程。抗菌试验结果显示CA@CD-MOF对大肠杆菌O157:H7的最小抑菌浓度(Minimum inhibitory concentration,MIC)及最小杀菌浓度(Minimum bactericidal concentration,MBC)均为25 mg·m L-1,对金黄色葡萄球菌的MIC为25 mg·m L-1。通过分子模拟对CD-MOF负载咖啡酸的机理进行探究,结果表明咖啡酸倾向于先分布于CD-MOF的双γ-CD分子对(D-γ-CD)结构中,随着咖啡酸负载量的增加,咖啡酸向着CD-MOF内部大空腔分布。(3)采用研究广泛的纳米银(Silver nanoparticles,Ag NPs)作为抗菌剂进一步实现CD-MOF对两种抗菌剂的同时负载,以提高复合材料的协同抗菌性能。利用CD-MOF结构中的氢氧根离子,实现以CD-MOF为模板还原硝酸银制备Ag NPs,并通过浸渍法构建了可同时负载咖啡酸及纳米银的CD-MOF材料(CA@Ag@CD-MOF)。优化了CA@Ag@CD-MOF的制备工艺并通过细胞毒性试验证明其安全无毒。研究表明,硝酸银浓度及反应时间分别为7.5 m M及12 h、CD-MOF中γ-CD与咖啡酸的摩尔比为1:64、咖啡酸反应时间为15 h的反应条件下,可达到CA@Ag@CD-MOF对咖啡酸和银的最高负载率,分别为13.55±4.2%和4.97±0.84%。采用能量色散X射线光谱仪(Energy dispersive spectrum,EDS)、SEM、PXRD、FT-IR、TGA等对所得复合材料外观形貌、热稳定性和结构性质进行分析,PXRD结果显示所得材料在38.12°、44.28°、64.43°处出现单质银的特征峰,表明纳米银的成功制备;EDS结果显示材料中银元素与钾元素分布一致,表明制备的纳米银在CD-MOF中均匀分布。CA@Ag@CD-MOF形貌与晶体结构无明显变化,其中咖啡酸主要以非晶态形式存在于CD-MOF内部空腔。CA@Ag@CD-MOF在水环境中表现为在1 min内对负载物的突释行为,在乙醇环境中难以释放银离子。抗菌试验结果显示CA@Ag@CD-MOF对大肠杆菌O157:H7的MIC及MBC均为250μg·m L-1,而对金黄色葡萄球菌的MIC为250μg·m L-1,MBC为500μg·m L-1。细胞毒性试验表明所得复合材料在1000μg·m L-1条件下无细胞毒性。(4)为提高CA@Ag@CD-MOF在水中的稳定性以实现缓释应用,基于疏水性材料聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)为基质,采用物理共混法制备CA@Ag@CD-MOF/PDMS杂化膜。优化了杂化膜的制备工艺并探索了杂化膜的缓释抗菌能力。研究表明,CA@Ag@CD-MOF质量分数为15 wt%时制备的杂化膜具有最佳性能(CA@Ag@CD-MOF/PDMS-15)。CA@Ag@CD-MOF/PDMS-15相对于纯PDMS,断裂伸长率增加了18%,弹性模量提高了近100%。采用SEM、XRD、FT-IR等对杂化膜外观形貌和结构性质进行分析,XRD结果显示在6.9°、16.7°出现归属于CD-MOF的特征峰,在38.1°、44.3°、64.4°处出现单质银的特征峰,表明CA@Ag@CD-MOF的成功掺入且其晶体结构基本保持不变。水接触角结果显示杂化膜两侧的疏水性均大于90°,表明由于PDMS基质的引入使膜具有良好的疏水性。溶胀结果显示,在最佳制备条件下杂化膜在水中的溶胀度约为41.8%,表明CD-MOF良好的亲水性赋予了杂化膜可在水环境中溶胀的特性。杂化膜在水环境下表现为对负载物的缓释行为,68%咖啡酸在24 h内被释放,咖啡酸的释放过程符合一级动力学方程;66%银离子在24 h被释放,银离子的释放过程符合Higuchi方程。相较于其他溶剂(乙醇、甲苯和乙腈),杂化膜易在水中释放咖啡酸及银离子,SEM结果显示在水中浸泡后的膜截面存在更多的空隙与孔洞。大肠杆菌O157:H7及金黄色葡萄球菌抗菌动力学曲线表明,杂化膜具有良好的缓释抗菌效果且相对于金黄色葡萄球菌,可在更短时间将大肠杆菌O157:H7杀灭。
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