離子交聯(lián)法制備殼聚糖/結(jié)冷膠可降解復(fù)合膜的研究

高 翔，劉炳杰，李夢琦，汪東風(fēng)，徐 瑩

(中國海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266003)

離子交聯(lián)法制備殼聚糖/結(jié)冷膠可降解復(fù)合膜的研究

高 翔，劉炳杰，李夢琦，汪東風(fēng)*，徐 瑩

(中國海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266003)

以殼聚糖和結(jié)冷膠為成膜材料，甘油為增塑劑，4%檸檬酸鈉和2%氯化鈣溶液為交聯(lián)劑，制備水不溶性可降解復(fù)合膜。研究交聯(lián)時(shí)間和交聯(lián)pH對復(fù)合膜機(jī)械性能和阻水性的影響，并通過掃描電鏡、差示掃描量熱法、紅外光譜和X－射線衍射對其結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性進(jìn)行表征。結(jié)果表明，檸檬酸鈉和氯化鈣對復(fù)合膜的交聯(lián)降低了殼聚糖和結(jié)冷膠的結(jié)晶度，提高了復(fù)合膜的熱穩(wěn)定性;當(dāng)交聯(lián)時(shí)間為5min、交聯(lián)溶液pH為6時(shí)，復(fù)合膜的機(jī)械性能最好，抗拉強(qiáng)度達(dá)91.45MPa，水溶性為7.28%，溶脹度為416.63%，水蒸氣透過率為0.68×10－10g/(Pa·s·m2);復(fù)合與離子交聯(lián)改善了單一膜機(jī)械性能不足及阻水性差的缺點(diǎn)。

殼聚糖，結(jié)冷膠，離子交聯(lián)，復(fù)合膜

包裝在為食品提供保護(hù)，防止食品受外界微生物或其它物質(zhì)的污染，防止或減少食品氧化和其它反應(yīng)方面有著不可替代的作用。目前的食品包裝材料主要是聚乙烯、聚丙烯等合成塑料［1］，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易降解，造成嚴(yán)重的能源浪費(fèi)和環(huán)境污染;此外，包裝材料中有害物質(zhì)的遷移是造成食品不安全的因素［2］?？山到獍b膜是以天然可降解物質(zhì)(如多糖類、蛋白質(zhì)和脂類)為原料，通過不同分子間相互作用形成的具有多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的薄膜［3］，具有綠色、安全、無污染等優(yōu)點(diǎn)。殼聚糖和結(jié)冷膠是兩種食品級多糖，但單一成分的多糖膜因機(jī)械強(qiáng)度不足，阻水性差等問題，限制其應(yīng)用，將兩種多糖復(fù)合并交聯(lián)改性是改善其缺點(diǎn)的有效方法。常見的用于多糖膜的交聯(lián)劑有甲醛、乙二醛、戊二醛、環(huán)氧氯丙烷等［4］，在成膜液中添加交聯(lián)劑，或在膜的后處理過程使用交聯(lián)劑，能夠改善膜的機(jī)械性質(zhì)和阻隔性質(zhì)［5］。但上述交聯(lián)劑的加入可能帶來安全性問題，離子交聯(lián)逐漸受到了國內(nèi)外研究者的重視［6－8］。例如，Ca2+、Zn2+等多價(jià)陽離子能交聯(lián)結(jié)冷膠、海藻酸鈉、明膠、卡拉膠等;SO、三聚磷酸鈉、檸檬酸鈉等多價(jià)陰離子能夠交聯(lián)殼聚糖。本實(shí)驗(yàn)以殼聚糖和結(jié)冷膠為成膜材料，甘油為增塑劑，檸檬酸鈉和氯化鈣為交聯(lián)劑，制備水不溶性可降解復(fù)合膜，研究不同交聯(lián)時(shí)間和pH對膜性質(zhì)的影響，并利用SEM、FT－IR、XRD和DSC對復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，以期為離子交聯(lián)復(fù)合膜的應(yīng)用研究提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

殼聚糖 食品級，脫乙酰度92%，黏度320mPa·s，青島海普生物技術(shù)有限公司;結(jié)冷膠食品級，青島美辰食品有限公司;甘油、冰醋酸 分析純，天津博迪化工有限公司;檸檬酸鈉 分析純，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司;氯化鈣 分析純，北京化工廠。

Q/ICL12－92型測厚儀 上海川陸量具有限公司;TMS－Pro質(zhì)構(gòu)儀 美國食品技術(shù)公司;102型電熱鼓風(fēng)干燥器 上海儀器總廠;B－N240型電子天平

梅特勒－托利多儀器(上海)有限公司;200PC型差示掃描量熱儀 德國耐馳儀器制造有限公司;D8 Advance X射線粉末衍射儀 德國Bruker公司;JSM－840型掃描電子顯微鏡 日本東京電子公司; Nicolet 200SXV型傅立葉變換紅外光譜儀 美國Nicolet公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 膜的制備

1.2.1.1 膜液的配制 結(jié)冷膠膜液:稱取2g結(jié)冷膠，溶于100mL蒸餾水中，加入0.4%的甘油，加熱，磁力攪拌至結(jié)冷膠完全溶解，成透明膜液。

殼聚糖膜液:稱取1.5g殼聚糖，溶于100mL 1% (v/v)的醋酸溶液中，加入0.4%的甘油，攪拌溶解，靜置12h得澄清的膜液。

1.2.1.2 殼聚糖膜、結(jié)冷膠膜的制備 在8×12cm的聚碳酸酯(PC)板上倒一定量的殼聚糖膜液或結(jié)冷膠膜液，玻璃毛細(xì)管涂布均勻，置于50℃烘箱中干燥后揭膜，于室溫、相對濕度為50%的環(huán)境中平衡備用。

1.2.1.3 未交聯(lián)復(fù)合膜的制備 未交聯(lián)復(fù)合膜的制備參照文獻(xiàn)［9］，倒板后置于50℃烘箱中干燥后揭膜，于室溫、相對濕度為50%的環(huán)境中平衡備用。

1.2.1.4 交聯(lián)復(fù)合膜的制備 按1.2.1.3制備未交聯(lián)復(fù)合膜，干燥成膜后將其置于檸檬酸鈉與氯化鈣溶液中浸漬，進(jìn)行交聯(lián)處理，交聯(lián)一定時(shí)間后用蒸餾水沖洗膜表面，并于自然環(huán)境下干燥揭膜，置于室溫、相對濕度為50%的環(huán)境中，平衡至少2d后，測定膜的各項(xiàng)性能［10］。

1.2.2 復(fù)合膜性能的測定

1.2.2.1 膜厚 選取平整、光滑的復(fù)合膜，使用測厚儀分別測定膜的4個(gè)頂點(diǎn)和一個(gè)中心的厚度，然后取平均值作為膜厚，單位以mm表示。

1.2.2.2 拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長率 膜的機(jī)械性質(zhì)測定方法參照文獻(xiàn)［11］。

1.2.2.3 水蒸氣透過率 膜的水蒸氣透過率測定方法參照文獻(xiàn)［12］。

1.2.2.4 水溶性 膜的水溶性測定方法參照文獻(xiàn)［13］。

1.2.2.5 溶脹度 膜的溶脹度測定方法參照文獻(xiàn)［13］。

2 結(jié)果與討論

2.1 交聯(lián)時(shí)間對復(fù)合膜性質(zhì)的影響

復(fù)合膜必須具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和較好的阻隔性能才能應(yīng)用到生活中。因此，本實(shí)驗(yàn)以抗拉強(qiáng)度大，水溶性、溶脹度和水蒸氣透過率小，斷裂伸長率適中為制備水不溶性可降解復(fù)合膜的最佳指標(biāo)。

在考察交聯(lián)時(shí)間對復(fù)合膜性質(zhì)的影響時(shí)，固定4%檸檬酸鈉－2%氯化鈣溶液pH為7。由圖1可知，隨著交聯(lián)時(shí)間的增加，復(fù)合膜的抗拉強(qiáng)度呈增加趨勢，在交聯(lián)時(shí)間為15min時(shí)達(dá)到最大值，隨著交聯(lián)時(shí)間的繼續(xù)增加，抗拉強(qiáng)度隨之降低，在30min以后基本保持不變。交聯(lián)后復(fù)合膜的抗拉強(qiáng)度均高于未經(jīng)交聯(lián)的復(fù)合膜，這表明檸檬酸鈉－氯化鈣離子交聯(lián)劑的交聯(lián)能有效提高復(fù)合膜的機(jī)械性能。當(dāng)交聯(lián)時(shí)間到30min時(shí)，復(fù)合膜的抗拉強(qiáng)度從 15min時(shí)的77.71MPa下降到52.46MPa，這可能是隨著交聯(lián)時(shí)間的延長，部分甘油從復(fù)合膜中溶出，使得復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)變得松散，導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度下降。

圖1 交聯(lián)時(shí)間對復(fù)合膜機(jī)械性能的影響Fig.1 Effect of cross－linking time on mechanical properties of the composite film

未交聯(lián)復(fù)合膜的斷裂伸長率為5.13%，交聯(lián)時(shí)間為30min時(shí)斷裂伸長率下降到最低點(diǎn)3.25%，但對于交聯(lián)復(fù)合膜來說交聯(lián)時(shí)間對斷裂伸長率的影響很小。交聯(lián)復(fù)合膜斷裂伸長率降低這可能一方面是由于檸檬酸根離子、Ca2+的引入增加了膜的硬度和脆性，降低了膜的延展性;另一方面交聯(lián)過程中部分甘油溶解到交聯(lián)溶液中，增塑劑含量降低，使膜的延展性下降［13］。

由圖2可知，交聯(lián)后復(fù)合膜的水蒸氣透過率與未交聯(lián)的復(fù)合膜相比，并沒有太大的變化，甚至交聯(lián)略微的提高了復(fù)合膜的水蒸氣透過率，這可能是多糖在交聯(lián)溶液中部分溶解的影響大于離子交聯(lián)劑對復(fù)合膜的交聯(lián)［14］，最終導(dǎo)致水蒸氣透過率的升高。

圖2 交聯(lián)時(shí)間對復(fù)合膜水蒸氣透過率的影響Fig.2 Effect of cross－linking time on WVP of the composite film

由圖3可知，復(fù)合膜的溶脹度隨交聯(lián)時(shí)間降低，在交聯(lián)時(shí)間為15min時(shí)達(dá)到最小值281.32%，隨交聯(lián)時(shí)間繼續(xù)增加，溶脹度又隨之增加。由圖4可知，交聯(lián)后復(fù)合膜的水溶性明顯降低，水溶性最低點(diǎn)僅為1.43%。這表明，檸檬酸鈉－氯化鈣的交聯(lián)能夠明顯提高殼聚糖－結(jié)冷膠復(fù)合膜的阻水性。

圖3 交聯(lián)時(shí)間對復(fù)合膜溶脹度的影響Fig.3 Effect of cross－linking time on swelling ratio of the composite film

圖4 交聯(lián)時(shí)間對復(fù)合膜水溶性的影響Fig.4 Effect of cross－linking time on water solubility of the composite film

2.2 交聯(lián)pH對復(fù)合膜性質(zhì)的影響

在考察交聯(lián)溶液pH對復(fù)合膜性質(zhì)的影響時(shí)，固定交聯(lián)時(shí)間為5min。如圖5所示，復(fù)合膜的抗拉強(qiáng)度隨交聯(lián)溶液pH的增加呈先增大后減小的趨勢，pH為6時(shí)，抗拉強(qiáng)度最大，達(dá)到91.45MPa;斷裂伸長率變化不大，呈微小的先減后增趨勢。如圖6，復(fù)合膜的水蒸氣透過率隨交聯(lián)pH先減小后增加，pH為6時(shí)達(dá)到最小值0.68×10－10g/(Pa·s·m2)。這表明，當(dāng)交聯(lián)溶液的pH為6時(shí)，檸檬酸鈉－氯化鈣交聯(lián)劑對復(fù)合膜的交聯(lián)是最充分的。

圖5 交聯(lián)pH對復(fù)合膜機(jī)械性能的影響Fig.5 Effect of pH on mechanical properties of the composite film

圖7、圖8分別表示了不同交聯(lián)pH對復(fù)合膜溶脹度和水溶性的影響，當(dāng)交聯(lián)溶液pH為8時(shí)，交聯(lián)復(fù)合膜有最低的溶脹度394.06%，最低的水溶性5.17%。但綜合各方面的情況考慮，選擇pH 6為交聯(lián)的最佳pH，此時(shí)，復(fù)合膜的抗拉強(qiáng)度為91.45MPa，斷裂伸長率為4.74%，水蒸氣透過率為0.68×10－10g/ (Pa·s·m2)，溶脹度為416.63%，水溶性為7.28%。

圖6 交聯(lián)pH對復(fù)合膜水蒸氣透過率的影響Fig.6 Effect of pH on WVP of the composite film

圖7 交聯(lián)pH對復(fù)合膜溶脹度的影響Fig.7 Effect of pH on swelling ratio of the composite film

圖8 交聯(lián)pH對復(fù)合膜水溶性的影響Fig.8 Effect of pH on water solubility of the composite film

2.3 復(fù)合膜的表征

2.3.1 掃描電鏡分析 如圖9可以看出，膜表面都非常的均勻、平整、光滑;從切面圖A2、B2、C2看，結(jié)冷膠膜有些微小的孔洞，膜連接不緊密，結(jié)構(gòu)不緊實(shí);殼聚糖膜雖然切面平整，結(jié)構(gòu)緊實(shí)，但已出現(xiàn)裂紋;未交聯(lián)復(fù)合膜呈山脊?fàn)?，但增大放大倍?shù)可見斷面也比較平整，說明兩種膜在連接面存在較強(qiáng)的相互作用力，相容性好，復(fù)合膜也存在一定程度的裂紋;如D2可知，復(fù)合膜被很好的交聯(lián)，結(jié)構(gòu)非常緊密，沒有裂紋出現(xiàn)，這表明，離子交聯(lián)能更好的改善復(fù)合膜內(nèi)部的結(jié)構(gòu)以提升復(fù)合膜的性能。

2.3.2 DSC分析 由圖10可知，4種膜均在80℃左右出現(xiàn)了一個(gè)寬的吸收峰，主要表現(xiàn)為水鏈結(jié)晶的熔融吸熱。殼聚糖膜的水鏈結(jié)晶熔融峰出現(xiàn)在82℃左右，結(jié)冷膠膜的出現(xiàn)在73℃左右，未交聯(lián)復(fù)合膜則在72℃左右出現(xiàn)了新的水鏈結(jié)晶熔融峰，這說明未交聯(lián)復(fù)合膜中的殼聚糖和結(jié)冷膠存在相互作用;離子交聯(lián)復(fù)合膜的水鏈結(jié)晶熔融峰出現(xiàn)在86℃。比較

圖9 膜電鏡掃描圖Fig.9 Scanning electron microscopy(SEM)of film

D－離子交聯(lián)復(fù)合膜;1－平面電鏡圖，2－切面電鏡圖。四條譜線，交聯(lián)復(fù)合膜的熱穩(wěn)定性是最好的，這是由于離子交聯(lián)劑與氨基、羧基產(chǎn)生作用，使水鏈結(jié)晶熔融峰向高溫方向移動(dòng)，從而提高了交聯(lián)復(fù)合膜的熱穩(wěn)定性。

圖10 膜差示掃描量熱(DSC)圖Fig.10 DSC curves of film

2.3.3 紅外光譜分析 由圖11紅外譜圖可知，殼聚糖膜在3431cm－1處的吸收峰歸屬為氨基和羥基伸縮振動(dòng)引起的譜帶，1638cm－1處的－NH2吸收峰強(qiáng)度較大，1518cm－1處的N－H帶較弱，這表明殼聚糖還存在一定數(shù)量的乙酰基［15］。從結(jié)冷膠紅外譜圖可以看出，3434cm－1處的吸收峰是由－OH伸縮振動(dòng)引起的，1715cm－1處說明有C=O存在，1636cm－1和1513cm－1分別對應(yīng)的是－NH2峰和N－H峰。比較四張紅外譜圖，可以發(fā)現(xiàn)未交聯(lián)復(fù)合膜中的氨基和羥基的伸縮振動(dòng)峰向低波數(shù)移動(dòng)，這說明殼聚糖和結(jié)冷膠分子間存在著較強(qiáng)的分子間氫鍵作用;而交聯(lián)后復(fù)合膜中的氨基和羥基的伸縮振動(dòng)峰在未交聯(lián)復(fù)合膜的基礎(chǔ)上向低波數(shù)移動(dòng)且峰寬變寬［16］，殼聚糖膜的酰胺帶向低波數(shù)移動(dòng)，這都進(jìn)一步說明了交聯(lián)能夠增強(qiáng)復(fù)合膜分子間的相互作用力。由此看來，復(fù)合和交聯(lián)并沒有涉及功能團(tuán)的產(chǎn)生或消失，主要的變化表現(xiàn)在非共價(jià)鍵和一些次級鍵的變化方面［17］。

2.3.4 X－射線衍射分析 如圖12可知，殼聚糖膜的兩個(gè)主要衍射峰，2θ在9.3°和20.6°，結(jié)冷膠膜有3個(gè)主要衍射峰，2θ在6.1、9.3、21.7°，而28.7°的衍射峰不太明顯;未交聯(lián)復(fù)合膜28.7°處的衍射峰消失，在6°左右的衍射峰變?nèi)?，保留?°和20°左右的衍射峰，可以看出，復(fù)合膜的衍射峰并不是簡單的單一膜衍射峰的疊加，從而說明殼聚糖分子與結(jié)冷膠分子之間存在著相互作用;與未交聯(lián)復(fù)合膜相比，交聯(lián)復(fù)合膜在6°左右的衍射峰消失，而9°和20°左右衍射峰的強(qiáng)度降低，這說明離子交聯(lián)劑與復(fù)合膜發(fā)生了交聯(lián)作用，從而增強(qiáng)了復(fù)合膜分子間的相互作用。

圖11 膜傅立葉紅外光譜圖Fig.11 FT－IR Infrared spectrogram of film

圖12 膜X－衍射圖Fig.12 X－ray diffraction of film

3 結(jié)論

將殼聚糖與結(jié)冷膠復(fù)合，再用4%的檸檬酸鈉和2%的氯化鈣溶液對其進(jìn)行交聯(lián)，得到水不溶性可降解復(fù)合膜。確定了交聯(lián)條件為交聯(lián)溶液pH6、交聯(lián)5min時(shí)復(fù)合膜的性能最好，此時(shí)復(fù)合膜的抗拉強(qiáng)度達(dá)91.45MPa，水溶性為7.28%，水蒸氣透過率為0.68 ×10－10g/(Pa·s·m2)，復(fù)合與離子交聯(lián)作用有效地改善了單一膜機(jī)械性能不足，抗水性差的問題。SEM、FT－IR、XRD和DSC結(jié)果表明，殼聚糖與結(jié)冷膠并不是單純的疊加，而是在界面產(chǎn)生了較強(qiáng)的相互作用力;檸檬酸鈉和氯化鈣能對復(fù)合膜產(chǎn)生交聯(lián)作用，增強(qiáng)復(fù)合膜分子間的相互作用力，從而提高復(fù)合膜的穩(wěn)定性。

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Study on preparation of chitosan and gellan gum biodegradable composite film by ionic cross－linking

GAO Xiang，LIU Bing－jie，LI Meng－qi，WANG Dong－feng*，XU Ying
(College of Food Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266003，China)

A biodegradable composite film without water solubility was made from chitosan and gellan，glycerin as plasticizers，cross－linked by 4%sodium citrate and 2%calcium chloride.Effect of cross－linking time and pH on the mechanical properties and water resistance of composite film were investigated.Besides，infrared spectrum (FT－IR)，X－ray diffraction(X－RD)，scanning electron microscopy(SEM)and differential scanning calorimetry (DSC)were used to characterize and analyze the structure and thermal stability of the film.The results showed that sodium citrate and calcium chloride cross－linked composite film，and the cross－linking decreased the crystallinity of chitosan and gellan，and then improved thermal stability of composite film.The composite film had the best properties under a cross－linking time of 5min and pH6.0，tensile strength 91.45MPa，water solubility 7.28%，swelling ratio 416.63%，water vapor permeability 0.68×10－10g/(Pa·s·m2)，compounding and ion crosslinking improved mechanical properties and water resistance of single film.

chitosan;gellan gum;ionic cross－linking;composite film

TS206.4

A

1002－0306(2012)21－0282－05

2012－04－23 *通訊聯(lián)系人

高翔(1987－)，女，在讀碩士，研究方向:食品化學(xué)與營養(yǎng)。

海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201005020－6);青島市公共領(lǐng)域科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(11－2－3－33－nsh)。