蚕蛹壳聚糖/聚乙烯醇复合膜的结构、性能及对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的抗菌活性研究

《Polysaccharides》：Silkworm Pupae-Derived Chitosan/Poly(vinyl alcohol) Films with Silver Nitrate: Structure, Properties, and Antibacterial Activity Against Gram-Negative and Gram-Positive Bacteria

　　

壳聚糖（chitosan, CS）基薄膜作为可再生的食品包装抗菌材料正受到关注，但来源于甲壳类动物的壳聚糖成本高昂，且昆虫来源的替代品鲜有探索。本研究考察了聚合物配比与硝酸银（AgNO3）的引入如何共同决定由桑蚕（Bombyx mori）蛹（乌兹别克斯坦蚕丝产业的一种丰富副产物）中提取的壳聚糖所制备薄膜的性能。研究人员采用溶液铸膜法，以体积比75:25、60:40和50:50的壳聚糖与聚乙烯醇（poly(vinyl alcohol), PVA）溶液制备薄膜，分别含或不含AgNO3，并通过红外光谱、X射线衍射、扫描电子显微镜结合元素分析、热分析，以及力学性能、溶胀度、酸稳定性和水蒸气透过率测试对薄膜进行表征。采用琼脂扩散法评估薄膜对十株参考菌株和临床菌株的抗菌活性。所有组成中两种聚合物的特征谱带均保持在基本不变的位置，结构有序程度随PVA含量而变化。CS/PVA 50:50薄膜在二元薄膜中达到最高拉伸强度（60.7 ± 7.8 MPa）和最低的厚度归一化水蒸气渗透率；AgNO3的引入提高了加热后的残余质量，降低了溶胀度，并将抗菌谱扩展至十株菌株中的九株，包括两株金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）分离株和鲍曼不动杆菌（Acinetobacter baumannii），而所有薄膜均不能抑制粪肠球菌（Enterococcus faecalis）。因此，薄膜性能可通过组成进行调控，这支持了以蚕蛹来源壳聚糖薄膜作为抗菌高分子材料用于包装及相关非接触应用的发展。

蚕蛹壳聚糖/聚乙烯醇复合膜的结构、性能及抗菌活性研究解读

一、研究背景与问题提出

壳聚糖（chitosan, CS）作为一种天然高分子，因其生物相容性、低毒性和成膜能力，在环境友好型可降解材料领域备受关注。然而，甲壳类来源的壳聚糖生产成本高昂，限制了其工业化应用。桑蚕（Bombyx mori）蛹作为蚕丝产业的大宗副产物，在乌兹别克斯坦年产量约1.5万吨，且茧产量计划增至每年约3万吨，为生物高分子提供了潜力巨大的替代原料。已有研究证实蚕蛹壳聚糖具有良好的稀酸溶解性、抗菌活性和细胞相容性，但壳聚糖薄膜普遍存在水蒸气阻隔性能较差的弱点。将壳聚糖与聚乙烯醇（poly(vinyl alcohol), PVA）共混可改善力学、亲水性和生物相容性，而引入AgNO₃可增强抗菌活性。然而，此前关于CS/PVA-银体系的研究多采用甲壳类壳聚糖，通常仅考察一两种组成，且表征性能有限，缺乏对昆虫来源壳聚糖在单一样品集中系统关联组成与结构、热学、力学、水相关性能及抗菌性能的系统研究。本研究旨在回答两个问题：昆虫来源壳聚糖能否在包装薄膜中替代甲壳类壳聚糖而不损失所需性能；何种聚合物配比与银添加组合能实现性能最佳平衡。

二、研究设计与技术方法

研究人员以桑蚕蛹提取的壳聚糖（粘均分子量约187 kDa，脱乙酰度91%）与PVA（分子量约75 kDa，水解度99.27 mol%）为原料，采用溶液铸膜法制备了CS/PVA体积比75:25、60:40、50:50三种配比薄膜，每种配比分别含或不含AgNO₃（每膜约5 mg），共8种配方，所有配方均添加甘油作为增塑剂。薄膜经0.25 M NaOH中和处理后用于表征。主要技术方法包括：傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析化学结构与官能团；X射线衍射（XRD）评估结构与结晶特性；扫描电子显微镜结合能量色散X射线光谱（SEM/EDS）观察表面形貌与元素组成；热重分析/差热分析（TGA/DTA）评价热稳定性；万能试验机进行单轴拉伸测试；重量法测定溶胀度、酸性介质稳定性及水蒸气透过率（WVTR）；琼脂扩散法评估对十株革兰氏阳性与阴性菌株（含两株临床金黄色葡萄球菌分离株和鲍曼不动杆菌）的抗菌活性，每组合三次重复，采用单因素方差分析与Tukey检验进行统计。

三、研究结果

3.1 结构表征结果

FTIR分析显示，所有共混膜均保留两种聚合物的特征吸收带，峰位基本不随组成变化，AgNO₃引入未产生可分辨的新谱带或系统位移，表明聚合物化学结构得以保留。XRD结果表明，纯CS呈现宽弥散衍射带（2θ = 21.3°），PVA则显示尖锐主峰（2θ = 19.434°，FWHM = 2.42°），共混膜主衍射区保持在19–20°，峰高随PVA质量分数降低而下降，结构有序程度主要由可结晶PVA含量决定。含AgNO₃的75:25膜在约23°出现附加宽峰，但未检测到结晶态AgNO₃、Ag₂O或金属Ag的尖锐反射，表明银以非晶态或极细分散形式存在。SEM显示所有薄膜表面致密连续，CS/PVA 50:50局部异质性较大，AgNO₃引入增加表面局部高对比区域但未破坏聚合物基质；EDS在含银膜表面检测到Ag-L谱线，银信号分布较均匀。

3.2 热学性能结果

TGA/DTA分析显示所有薄膜均呈多阶段热降解。纯PVA在450 °C残余质量3.2%，纯CS在600 °C残余质量4.4%。共混使600 °C残余质量升至7.7–10.1%，且随CS含量增加而升高；T₅₀（50%质量损失温度）随PVA含量增加从217 °C升至286 °C。AgNO₃引入显著提高残余质量至600 °C的17.9–24.5%，增幅达10–14个百分点，远超名义银含量（1.2–1.5 wt%），表明银组分改变了基质降解化学路径，促进成炭而非挥发；含银膜的T₅₀收敛于262–268 °C较窄范围。

3.3 力学性能结果

纯PVA断裂伸长率最高（242.47%），纯CS拉伸强度略高（34.37 MPa）但伸长率低（65.16%）。二元共混膜中CS/PVA 50:50拉伸强度最高（60.71 MPa）且伸长率较高（157.51%），强度与延展性平衡最佳；随CS溶液比例增加，拉伸强度与伸长率单调下降。AgNO₃引入产生组成依赖性效应：50:50膜强度降至42.48 MPa，而60:40膜强度升至49.33 MPa且伸长率升至126.00%，含银膜中60:40组合强度与延展性最优。

3.4 水相关性能结果

纯CS与PVA溶胀度分别为200%与190%，CS/PVA 50:50溶胀度最低（180%），60:40最高（235%）。AgNO₃引入使所有共混膜溶胀度降低，50:50膜降至150%。酸性介质（pH 1.6）稳定性测试显示纯CS质量损失约5%，PVA低于1%，所有共混膜损失不超过3%，AgNO₃进一步降低50:50膜损失至约1%。WVTR随CS比例增加而升高，纯CS最高（26.88 g·m^?2·h^?1），CS/PVA/AgNO₃ 50:50最低（11.88 g·m^?2·h^?1）；但厚度归一化的水蒸气渗透率（WVP）显示，聚合物配比是唯一具有一致效应的因素，AgNO₃仅在75:25组成中降低WVP。

3.5 抗菌活性结果

纯CS对十株菌中八株有活性（抑菌圈12.5–18.2 mm），但对粪肠球菌和大肠杆菌无活性；PVA对所有菌株均无活性。无银共混膜活性呈非单调组成依赖：60:40膜抑制七株菌，而50:50和75:25膜各仅抑制一株。AgNO₃引入显著增强抗菌活性：CS/PVA/AgNO₃ 50:50和60:40对九株菌有活性，最大抑菌圈分别为19.6和20.4 mm；75:25含银膜对七株菌有活性，对阴沟肠杆菌产生全研究最大抑菌圈21.1 mm。AgNO₃赋予了对大肠杆菌的活性（14.6–16.6 mm），但所有薄膜均不能抑制粪肠球菌。等配比配对比较中，AgNO₃的增强效应在25个组合中的17个具有统计学显著性。

四、讨论与结论

讨论部分指出，FTIR未分辨出组成依赖性位移并不意味着组分间无相互作用，而是受测量条件限制；XRD与力学数据共同支持PVA微晶作为物理交联点承载负荷、壳聚糖稀释效应的结构模型。银组分在碱性中和处理后期望以Ag₂O或金属Ag形式存在，XRD未检测到结晶相表明银以非晶态或亚纳米级分散，残余质量的大幅增加主要归因于银促进成炭的降解化学改变而非无机银本身。抗菌活性方面，中和后薄膜中壳聚糖以不带电形式存在，抑菌圈的形成依赖可扩散的质子化低分子量组分释放，因此活性与壳聚糖含量无简单对应关系，60:40膜的高溶胀度可能促进活性组分释放。研究结论为：蚕蛹来源壳聚糖可成功替代甲壳类壳聚糖制备CS/PVA包装膜，聚合物配比与AgNO₃引入可分别和共同调控薄膜的结构组织、理化力学性能及抗菌谱，CS/PVA/AgNO₃ 50:50和60:40组成具有最广抗菌谱，支持此类薄膜作为抗菌包装材料的候选应用。