有机抗菌剂研究现状及发展趋势张葵花1, 2 , 林松柏 1 , 谭绍早 2(1. 华侨大学材料学院 , 泉州 362000; 2. 暨南大学化学系 , 广州 510630)摘要: 综述了国内外天然、低分子、高分子有机抗菌剂的研究现状及应用 , 探讨了不同抗菌剂的结构与性能的关系 , 展望其发展趋势。
指出有机 - 无机复合抗菌剂兼有了有机抗菌剂的高效性、持续性及无机抗菌剂的安全性、耐热性 , 将是今后国内研究的热点。
关键词: 天然有机抗菌剂 ; 低分子有机抗菌剂 ; 高分子有机抗菌剂 ; 研究现状 ; 发展趋势0 引言随着生活水平的提高, 人们对生活环境的认识和要求在不断提高, 特别是对健康的意识也在不断增强。
由于有害细菌在自然界分布非常广泛 , 而且种类繁多 , 数量庞大 , 严重威胁着人类的健康[ 1 ] 。
由细菌传播感染产生的疾病 , 已构成了一大社会问题 , 引起广泛关注。
有机类抗菌剂具有杀菌速度快 , 抗菌效能高 , 加工方便, 颜色稳定等特点, 使用历史长 , 在某些领域中有着不可替代的作用。
近年来, 科研人员致力于发展高效、低毒、环境友好、缓释、长效的有机抗菌剂。
1 天然有机抗菌剂天然有机抗菌剂主要是从蟹和虾的壳中提炼出来的壳聚糖 , 壳聚糖是一种价廉、具有活性— NH 2 的天然高分子 , 具有广谱抗菌性 , 对霉菌、细菌都有很好的抗菌性能 , 对人体无毒、无刺激。
不过壳聚糖的抗菌性能受 pH 值、相对分子质量、脱乙酰度的影响 , 一般 pH 值为 5 . 5 ～ 6 . 5 时抗菌性最强 , 相对分子质量在 10 000 ～100 000 范围内抗菌性能更好 , 随着脱乙酰度的增加而出现极值 [ 2 ] 。
为了更好地利用壳聚糖作抗菌剂, J ia Zhishen 等[ 3 ] 在壳聚糖上接上不同长度的烷基季铵盐 , 制备了一系列的壳聚糖衍生物。
由于壳聚糖的衍生物在酸性和碱性条件下都可溶 , 因此有着更广泛的应用。
对抗菌性能的研究表明经过改性的壳聚糖抗菌活性有所提高 , 而且抗菌活性随着烷基链的增长而增加。
Sun Yun 等[ 4 ] 通过两步法在海藻酸钠 ( SA) 中引入壳聚糖齐聚物 (COS) 支链 , 实验表明SA - COS 中 , 只需含 1 . 8% 的 COS, 就能使金黄色葡萄球菌减少 991 9% 。
这种抗菌海藻酸盐可以与多价金属离子 ( 通常为Ca2 + ) 交联形成各种形状的水凝胶。
用这种水凝胶做成的伤口覆盖物 , 既能保持有利于伤口愈合的湿度 , 又能防止细菌感染。
由于壳聚糖及其衍生物对人体无毒和具有生物相容性 , 被广泛用于食品加工行业及医药行业。
但是天然有机抗菌剂的耐热性差 , 不适宜用在塑料等对耐热性要求较高的行业。
2 低分子有机抗菌剂低分子有机抗菌剂主要有季铵盐类、季鏻盐、双胍类、醇类、酚类、有机金属、吡啶类、咪唑类等。
其抗菌机理主要是与细菌和霉菌的细胞膜表面的阴离子相结合 , 或与巯基反应 , 破坏蛋白质和细胞膜的合成系统 ,从而抑制细菌和霉菌的繁殖。
2. 1 季铵盐类抗菌剂季铵盐类抗菌剂由于价格低廉 , 杀菌速度快 , 已经被人们广泛研究和利用。
国际上已经开发出 4 代有典型意义的季铵盐抗菌剂。
这类抗菌剂的抗菌能力和毒性随结构变化的一般规律是[ 5 ] : 同类季铵盐抗菌剂含短烷基链的毒性要比长烷基链的大 ; 在烷基链长相同时 , 带苄基的毒性要比带甲基的小 ; 单烷基的毒性要比双烷基的大。
烷基链长短对抗菌力影响较大 , 当烷基链中碳原子数少于 10 或大于 16 时 , 抗菌剂对细菌的杀伤力不大 ; 而当碳原子数为 14 时 , 抗菌剂的抗菌力最大。
烷基链为苄基及其衍生物时抗菌力要比为甲基时高得多。
Kourai 等[ 6 ] 于 1995 年报导了一些含有不饱和烷基季铵盐抗菌剂 , 它们均具有高效、广谱的抗菌性 , 并且认为季铵盐中引入不饱和烷基有助于提高抗菌活性。
由于一些传统的季铵盐类抗菌剂长期使用会产生一定的抗药性和使用后的残余物产生一定的毒性 , 于是新的、对环境友好的抗菌剂引起广泛关注。
1980 年 Boder 等[ 7 ] 人提出了软抗菌剂的概念并制备出了一系列的软抗菌剂。
软抗菌剂是指具有抗菌活性并容易在 Vivo 和环境中生物降解为无毒、对环境友好的物质 , 随后各种各样的软抗菌剂得到广泛的发展[ 9 - 10 ] 。
Torste inn 等人[ 11 ] 也制备了一系列季铵盐软抗菌剂 , 并与一般的长链烷基季铵盐的抗菌性能进行了比较 , 这些抗菌剂的合成路线和降解路线如图 1 所示。
图 1 季铵盐软抗菌剂的合成路线和降解路线示意图这样合成的化合物都具有可降解的— CONH —和— COO — , 使用完后可降解成无毒的、对环境友好的物质 , 并且抗菌效果与洁尔灭、普通的长链烷基季铵盐的抗菌效果相当 , 具有广谱抗菌性 , 毒性和刺激性小得多。
同时 Nagam une H 等人[ 12 ] 合成了一系列新的双季铵盐 , 由于 1 个分子中有 2 个季铵盐离子 , 电荷密度更高 , 比典型的单季铵盐有更强的抗细菌和抗霉菌活性 , 并且几乎不受 pH 值和温度的影响 , 这些抗菌剂都是用— CONH —和— COO —、— S —联接 2 个季氮离子。
因此 , 在环境中能降解成无毒的物质, 这些可生物降解的抗菌剂都是理想的抗菌药物和消毒剂。
2. 2 季鏻盐抗菌剂1990 年 Gram ham 指出 , 季鏻盐是抗菌剂研究的方向之一。
从季鏻盐和季铵盐的结构来看 , 磷原子比氮原子的离子半径大 , 极化作用强 , 使得季鏻盐更容易吸附带负电荷的菌体 , 同时由于 P 元素在元素周期表中位于 N 元素的下方 , P 比 N 有更弱的电负性。
因此季鏻盐分子结构比较稳定 , 与一般的氧化剂和还原剂以及酸、碱都不发生反应。
因此 , 季鏻盐的使用范围广 , 可在pH = 2 ～ 12 的范围内的水中使用 , 而季铵盐只有在 pH ≥ 9 时效果才最佳[ 13 ] 。
日本对季鏻盐的研究较多 , 最有代表性的是 Kam azawa A等人的研究。
Kam azawa A 等 [ 14 ] 于 1993 年报导的带一个长链的三丁基鏻 , 当长链烷基的碳数为 12 、14 、 16 、 18 时 , 均对 E. Coli 及 S .Aureus 菌有高效、快速的杀菌活性。
且烷基链越长 , 抗菌性能越好, 并且烷基相同的季鏻盐和季铵盐相比 , 季鏻盐比季铵盐的抗菌性能高出 2 个数量级。
同年, Kamazawa A 等[ 15 ] 报道的乙基苄基三烷基氯化鏻 , 当烷基为正辛基、乙基、正丁基、苯基时 , 其中烷基为正辛基时 , 抗菌活性最佳。
1994 年 Kam azawa A 等报道了单、双长烷基链基、二甲基季鏻盐 , 这里长烷基链的碳数分别为 10 、 14 、 18, 这些季鏻盐对所试的 11 种典型的微生物均有好的抗菌性[ 16 ] , 单长烷基三甲基季鏻盐对 E . Coli 及 S. Aureus 菌抗菌活性随着烷基链增长而增加 , 活性最佳的是十八烷基三甲基季鏻盐在2 . 8 ～ 28 μ m ol/L 浓度范围内在0 . 5 h 内能全部杀灭所有的 E. Coli 菌和S . Aureus 菌。
季鏻盐类抗菌剂可广泛用于各个行业 , 如四羟甲基季鏻盐被用于制革行业代替长期使用的有毒的铬鞣剂 , 具有良好的抗菌防霉作用 , 同时还具有高阻燃的性能[ 19 ] 。
季鏻盐还能杀灭藻类、对异养菌、铁氧菌、硫酸盐还原菌具有很好的杀菌效果 , 与国外产品 B -350 相当。
因此 , 被用于油田系统和循环水系统[ 18 ] 。
目前 , 由于合成材料有限、价格较高 , 且合成条件相对于季铵盐来说更为苛刻 , 因此 , 国内对季鏻盐的研究已受到关注。
虽然目前还处于起步阶段 , 但季鏻盐优异的性能吸引着研究者们的目光 , 相信以后将会成为有机抗菌剂发展的主流。
3 高分子有机抗菌剂高分子有机抗菌剂和低分子有机抗菌剂相比 , 其性能更稳定 , 不挥发 , 使用寿命长 , 易于加工 , 易于贮存, 不会渗入人或动物表皮 , 因此近几年来的研究较多。
抗菌高分子的抗菌性能是通过引入抗菌官能团而获得的,抗菌官能团可以通过带官能团单体均聚或 __ 共聚引入 , 也可以通过接枝的方式引入。
3. 1 单体均聚或共聚制备高分子有机抗菌剂这类抗菌剂是通过聚合单体连接抗菌活性官能团后再进行聚合来制备。
Kam azawa A 等[ 19 ] 对季铵盐型和季膦盐型抗菌聚合物的性能作了一系列的研究。
制备了氯化三丁基( 4 - 乙烯基苄基 ) 铵和氯化三丁基 (4 - 乙烯基苄基 ) 膦的均聚物及其共聚物 , 并研究了它们的协同效应。
Sun Gang 等[ 20 ] 人用苯乙烯和丙烯乙内酰脲通过悬浮共聚合制备多孔聚苯乙烯乙内酰脲 , 用丁二烯作交联剂 , 它是一种长久的、可再生的抗菌剂。
这种氯化的多孔性树脂杀菌失效后 , 只要浸渍在含有自由氯的溶液中 , 又可恢复抗菌性能。
由于它的多孔结构 , 使它具有更大的接触面积 , 对各种菌类具有更好的抗菌性能。
由于在水中的不溶性 , 可用于水处理 , 不带来二次污染。
目前 , 通过聚合单体连接抗菌活性官能团后再进行聚合制备的抗菌剂较少 , 主要是过程较为复杂和合成原料的选择有一定困难。
3. 2 接枝法制备高分子有机抗菌剂Sauvet G 等[ 21 ] 通过用带 3 - 氯丙基或 3 - 溴丙基的线性硅氧烷与 n - 庚基二甲胺或 n - 十二烷基二甲胺反应制得带季铵盐侧基的硅氧烷 , 当带季铵盐侧基的硅氧烷接入硅树脂网络结构中时 , 对大肠杆菌有较好的抗菌性。
值得注意的是这种含季铵盐的抗菌硅树脂在水中浸泡 66 d 后 , 抗菌性能比浸泡前还要好。
浸泡后抗菌性能提高可能是亲水性的含季铵盐的硅氧烷在浸泡过程中迁移到样品表面的缘故。
美国专利 4 349 646 报道的以聚苯乙烯或交联聚苯乙烯的氯甲基化合物为载体进行季铵化所得的聚铵盐或聚双季铵盐为水不溶性的聚合物 , 能有效地杀灭细菌、真菌、病毒及藻类。
并且 Adriana Popa 等[ 22 ] 把不同的季鏻盐接枝到不溶性的交联的聚苯乙烯氯甲基化合物的载体上 , 此抗菌材料可以重复使用。
对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌都有很好的抗菌效果。
卢滇楠等[ 23 ] 人成功地在纤维素的纤维表面接枝季铵盐单体 ( 甲基丙烯酰氧乙基 - 苄基 - 二甲基氯化铵 ) , 在纤维表面接枝季铵盐后 , 纤维对菌体具有很强的吸附能力 , 而且纤维具有很高的吸附容量。