随着社会经济的飞速发展和生活水平的不断提高，人们的卫生保健意识日益增强，对健康生活环境的需求逐渐提高［1-2］。在高温条件下，食品塑料包装容易受外界细菌的影响，不仅污染食物，对人们身体健康造成危害。因此研究具有优异抗菌性能的塑料材料，对于增强食品包装材料安全性、保护人们身体健康具有重大意义[3-4]。在塑料加工过程中，加入抗菌剂是获得抗菌塑料最常见的手段[5]。呋喃类衍生物具有优异抗菌性能，目前具有抗菌效果的呋喃衍生物已超过一千多种，其与金属络合是增强有机抗菌剂抗菌活性的常用方法[6-8]。Ag+、Cu2+、Zn2+是最常见的具有抗菌活性的金属离子。其中Ag+具有最佳的抗菌效果，但其价格较高，且容易与环境中的Cl-、SO42-等反应形成沉淀而失去抗菌活性。Cu2+性价比高，是人体所需的微量元素。利用Cu2+开发有机无机复合抗菌剂具有良好的发展前景。本实验利用生物基2,5-呋喃二甲醛，通过羟胺肟化反应制备Z型2,5-呋喃二甲醛肟(Z-DFFD)，并将Z-DFFD与CuCl2进行络合反应，得到2,5-呋喃二甲醛肟铜(Ⅱ)络合物(DFFD-Cu)，并通过聚对苯二甲酸乙二酯(PET)和DFFD-Cu制备PET/DFFD-Cu复合材料。并探究DFFD-Cu对大肠杆菌以及副溶血性弧菌的抗菌活性，分析DFFD-Cu对PET/DFFD-Cu复合材料中大肠杆菌、金色葡萄球菌的抗菌效果，为开发具有抗菌性的食品级塑料材料提供依据。1实验部分1.1主要原料2,5-呋喃二甲醛，分析纯，宁波贝欧斯生物科技有限公司；乙酸钠、盐酸羟胺、环己烷、乙酸乙酯、CuCl2·2H2O，分析纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；聚对苯二甲酸乙二酯(PET)，注塑级，市售。1.2仪器与设备核磁共振波谱仪(1H NMR、13C NMR)，DRX500，瑞士布鲁克公司；高效液相色谱(HPLC)，Agilent 1260，美国安捷伦科技有限公司；扫描电子显微镜(SEM)，JSM-640LV，日本国电子公司；双螺杆挤出机，JS30A，南京以马内利仪器设备有限公司：塑料注塑成型机，HTF80X1，宁波海天股份有限公司；质谱仪(TOF-MS)，AB Sciex 4600，美国ABSCIEX公司；红外分析仪(FTIR)，Nicolet 6700，美国赛默飞世尔科技公司。1.3抗菌剂的制备将1 mmol的2,5-呋喃二甲醛，2.4 mmol的乙酸钠和2.4 mmol的盐酸羟胺依次加入50 mL反应瓶，利用水浴锅保持反应温度在室温~30 ℃之间，以300 r/min的搅拌速度反应30 min。反应结束，将混合液自然冷却至室温，利用乙酸乙酯萃取，合并有机相利用Na2SO4干燥，蒸馏浓缩，粗品经柱层析法分离，得到Z-DFFD白色粉末固体[9]。常温下采用溶液混合法合成DFFD-Cu。称取10 mmol Z-DFFD溶于40 mL水，在300 r/min搅拌速度下逐渐加入浓度为15%的NaOH溶液，直至溶液澄清。加入40 mL CuCl2·2H2O (10 mmol)水溶液，出现深绿色浑浊，继续保持300 r/min的转速搅拌反应30 min，得到深绿色沉淀。采用盐酸稀溶液调节反应体系的pH值为4.2，抽滤，利用去离子水多次洗涤沉淀，冷冻干燥获得DFFD-Cu。1.4PET/DFFD-Cu复合材料制备将一定量的PET、DFFD-Cu和助剂置于高速混合机中混合均匀，倒入主喂料，挤出造粒。挤出温度250~265 ℃，主机转速300 r/min。将不同配方的试样在120 ℃条件下烘干4 h，利用注塑机制备测试样条，注塑四段温度分别为265、265、260、260 ℃。DFFD-Cu质量百分比分别为0.5%、1%、2%、3%。表1为PET/DFFD-Cu复合材料的配方。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.019.T001表1PET/DFFD-Cu复合材料的配方Tab.1Formula of PET/DFFD-Cu composites复合材料PET助剂DFFD-CuPET/DFFD-Cu（0.5%）99.10.40.5PET/DFFD-Cu（1.0%）98.60.41.0PET/DFFD-Cu（2.0%）97.60.42.0PET/DFFD-Cu（3.0%）96.60.43.0%%1.5性能测试与表征HPLC测试：流动相，溶剂A为三氟乙酸水溶液(TFA，0.5%)，溶剂B为甲醇(MeOH/TFA为10∶90)，流速1 mL/min，柱温35℃，检测器波长304 nm，进样量10 μL。TOF-MS测试：APCI电离源，负离子模式，毛细管电压3 000 Ｖ，扫描范围(m/z)为50~1 000。1H NMR和13C NMR分析：以DMSO-d6溶解样品，TMS为内标物，脉冲官渡30°，谱宽3 000 Hz，脉冲重复时间4 s，指数衰减常数12。FTIR分析：测试范围500~4 000 cm-1。抗菌性测试：抗菌性能按GB/T 31402—2105进行测试。分别选用大肠杆菌和副溶血性弧菌为试验菌种，采用摇瓶振荡法测定材料的抗菌性能。以PBS缓冲液(pH=7.4)配置DFFD-Cu和CuCl2的母液，并在浓度为105 CFU/mL的细菌悬浊液中加入一定量的母液，配置抗菌剂浓度为3.5 mg/L和14 mg/L的试验处理。将试验处理置于培养温度为37 ℃，120 r/min条件下，进行杀菌实验（烧瓶振荡法），分别在振荡培养3、6、12、24 h时，量取0.1 mL菌液在24孔板中进行梯度稀释。吸取0.1 mL稀释的菌液滴加在固体营养琼脂板，利用涂布器涂布均匀，每个处理设置3个重复。涂布的培养皿倒置在恒温培养箱中，恒温37 ℃培养24 h后，利用菌落计数器读取每个培养皿上细菌菌落数(CFUs)。杀菌率(R)的计算公式为：R=(Nc-Ns)Nc×100% （1）式（1）中：Nc为对照组的菌落数，Ns为实验组的菌落数。2结果与讨论2.1抗菌剂的表征2.1.1Z-DFFD的结构表征图1为通过HPLC、TOF-MS、1H NMR和13C NMR表征Z-DFFD的结构。从图1a可以看出，Z-DFFD出峰时间为21.09 min，HPLC纯度为97.31%，含有少量E型2,5-呋喃二甲醛肟(E-DFFD)。肟通常具有Z、E异构体，但Z构型不稳定，容易转化成E构型。通过条件控制、溶液萃取获得纯度97%的Z-DFFD。从图1b可以看出，通过质谱法和核磁共振确定Z-DFFD构型。质荷比(m/z)计算值(C6H5N2O3)为153.030 0 [M-H]-，实测值为153.030 9。从图1c可以看出，1H NMR (400 MHz，DMSO-d6，δ)：11.40 ppm (s，1H；oxime OH)，8.01 ppm (s，1H；CH)，6.77 ppm (s，1H；furan-H)。从图1d可以看出，13C NMR (101 MHz，DMSO-d6，δ)：149.10 ppm (furan C)，139.18 ppm (CH)，113.68 ppm (furan CH)。图2为Z-DFFD的FTIR谱图。从图2可以看出，3 203 cm-1为肟羟基特征峰，1 639 cm-1为C=N特征峰，1 002 cm-1为N-O特征峰，可以确定此化合物为Z-DFFD。图1Z-DFFD的HPLC、TOF-MS、1H NMR和13C NMR谱图Fig.1HPLC， TOF-MS， 1H NMR and 13C NMR spectra of Z-DFFD10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.019.F1a1（a）HPLC10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.019.F1a2（b）TOF-MS10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.019.F1a3（c）1H NMR10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.019.F1a4（d）13C NMR10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.019.F002图2Z-DFFD的FTIR谱图Fig.2The FTIR spectrum of Z-DFFD2.1.2DFFD-Cu的结构表征通过SEM-EDS对DFFD-Cu的结构及元素组成进行表征，图3为测试结果。从图3可以看出，Cu在配合物中占比为27.60%，表明DFFD与Cu2+的摩尔比为1∶1，配合物表示为[Cu(DFFD)]。图4为DFFD-Cu的FTIR谱图。从图4可以看出，肟羟基的伸缩振动峰蓝移至3 340 cm-1，说明肟羟基与Cu发生配位反应。C=N的伸缩振动峰保持不变，说明肟基团的O原子与Cu原子发生配位反应。由此说明，DFFD和Cu成功配位。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.019.F003图3DFFD-Cu的SEM-EDS结果Fig.3SEM-EDS results of DFFD-Cu10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.019.F004图4Z-DFFD和DFFD-Cu的FTIR谱图Fig.4The FTIR spectra of Z-DFFD and DFFD-Cu2.2抗菌性试验分析图5为DFFD-Cu与CuCl2对大肠杆菌、副溶血性弧菌的抗菌效果。从图5可以看出，DFFD-Cu与CuCl2对两种细菌的杀菌效果均随着抗菌剂浓度的增加、接触时间的延长而升高，DFFD-Cu与CuCl2在短期(6 h)内，对副溶血性弧菌的杀菌效果优于大肠杆菌。对于大肠杆菌，DFFD-Cu浓度为14 mg/L时，比CuCl2更快达到100%杀菌率，DFFD-Cu的杀菌效率优于CuCl2溶液。而DFFD-Cu浓度为3.5 mg/L时，6 h前杀菌效果优于CuCl2。虽然CuCl2溶液比DFFD-Cu更早实现100%杀菌，但因差异不大，说明DFFD-Cu具有较好的杀菌效果。图5DFFD-Cu与CuCl2对大肠杆菌、副溶血性弧菌的抗菌效果Fig.5The antibacterial effects of DFFD-Cu and CuCl2 on Escherichia coli and Vibrio Parahemolyticus10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.019.F5a1（a）对大肠杆菌10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.019.F5a2（b）对副溶血性弧菌而对于副溶血性弧菌，DFFD-Cu与CuCl2的浓度为3.5 mg/L时，处理3 h后杀菌率达到98%以上；而处理6 h后，两者均实现100%杀菌，体现优异的杀菌性能。另外，两种杀菌剂对于副溶血性弧菌的杀灭效果优于大肠杆菌，可能是大肠杆菌具有更厚的肽聚糖引起[10]。2.3PET/DFFD-Cu复合材料的抗菌性能分析表2为PET/DFFD-Cu复合材料抗菌率。从表2可以看出，当DFFD-Cu的含量为0.5%，复合材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌效果不佳。这是因为DFFD-Cu的分散性较差，复合材料单位面积分布的抗菌粒子较少。随着抗菌剂含量的增加，复合材料的抗菌率逐渐提升，抗菌效果增强。当DFFD-Cu的含量为2.0%，PET/DFFD-Cu(2.0%)的抗菌达到90%以上。随着DFFD-Cu含量继续增加，复合材料的抗菌作用提升不明显。DFFD-Cu对金黄色葡萄球菌的抗菌效果优于大肠杆菌。为了使PET/DFFD-Cu复合材料达到抗菌要求（抗菌率≥90%），抗菌剂DFFD-Cu的添加量在2%以上。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.019.T002表2PET/DFFD-Cu抗菌复合材料抗菌率Tab.2The antibacterial effect of PET/DFFD-Cu复合材料抗菌含量大肠杆菌金黄色葡萄球菌PET/DFFD-Cu（0.5%）0.55070PET/DFFD-Cu（1.0%）1.07080PET/DFFD-Cu（2.0%）2.09095PET/DFFD-Cu（3.0%）3.09197%%3结论利用生物基2,5-呋喃二甲醛，通过羟胺肟化反应以及络合反应成功合成DFFD-Cu。对于大肠杆菌，DFFD-Cu处理24 h，浓度为14 mg/L的条件下，杀菌率达到100%，表现良好的杀菌性能。对于副溶血性弧菌，浓度为3.5 mg/L的条件下，处理3 h后，其杀菌率达到98%，处理6 h后，其杀菌率达到100%，表现更优异的杀菌性能。生物基呋喃肟铜络合物抗菌剂不仅能够高效杀灭食源性致病细菌，而且有潜力开发成新的抗生素，对于开发新型的食品材料灭菌技术、保障食品安全具有重要的参考价值。当DFFD-Cu的含量为2%，PET/DFFD-Cu的抗菌率达到90%以上。