Fe3+-單寧酸絡(luò)合物涂層對膠原纖維膜性能的影響

王鴻雁，馬云昊，王穩(wěn)航*

（1.武威市食品檢驗(yàn)檢測中心，甘肅 武威 733000；2.天津科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300457）

近年來，膠原纖維作為石油材料的替代品，由于其優(yōu)異的機(jī)械性能，良好的生物相容性、可降解性等引起了研究人員的廣泛關(guān)注。同時(shí)也出現(xiàn)了許多對膠原纖維材料進(jìn)行改性的方法，例如交聯(lián)[1]、引入外源物質(zhì)[2]、進(jìn)行表面涂層[3]等。其中，在材料表面添加涂層是增強(qiáng)材料特性或者賦予材料新的性能的一種簡單、有效的方法，Góes等[4]利用浸泡法在膠原膜表面涂覆磷灰石，極大地?cái)U(kuò)展了膠原膜的應(yīng)用。

最近研究人員發(fā)現(xiàn)海洋生物貽貝能夠分泌特殊的黏附物質(zhì)，使其能夠牢固地吸附在各種固體表面[5]。根據(jù)這一現(xiàn)象，研究人員發(fā)現(xiàn)金屬與苯酚基團(tuán)可形成絡(luò)合物即金屬-酚醛網(wǎng)絡(luò)可以牢固的黏附于物體表面作為涂層以改性或增強(qiáng)材料性能[5]。這種配位自組裝過程可以在有機(jī)、無機(jī)平面上進(jìn)行，組裝過程簡單、成本低、反應(yīng)快速，具有pH值響應(yīng)性且細(xì)胞毒性低[6]。因此，這種配位網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在生物、醫(yī)療、食品等領(lǐng)域具有較高的研究價(jià)值。

單寧酸（tannic acid，TA）是一種高分子量的水溶性多酚[7]，其具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性，可以通過靜電相互作用、氫鍵和疏水相互作用等多種反應(yīng)途徑促進(jìn)其與各種材料的相互作用，被廣泛用于生物材料的改性[8]。與其他多酚一樣，金屬螯合作用是TA的一個(gè)顯著特征，含有沒食子?；膯螌幩峥梢耘cFe3+形成高度穩(wěn)定的絡(luò)合物[9]。近年來以TA為基礎(chǔ)構(gòu)建的金屬―酚醛網(wǎng)絡(luò)也逐漸引起人們關(guān)注。Rahim等[9]利用Fe3+與TA可以形成絡(luò)合物的原理，利用多步自組裝的方法制備了穩(wěn)定的Fe3+-TA微膠囊。據(jù)Dong等[10]的研究，在聚酰胺薄膜表面涂覆Fe3+-TA絡(luò)合網(wǎng)絡(luò)可以調(diào)整薄膜表面的物理化學(xué)作用，改善薄膜的親水性、抗污性。

盡管目前越來越多的人開始關(guān)注金屬―酚醛網(wǎng)絡(luò)對材料的改性及增強(qiáng)作用，但是很少有人將其構(gòu)建于生物大分子材料的表面，研究其對生物大分子材料的影響。據(jù)此原理，本文將Fe3+-TA絡(luò)合物涂布于膠原纖維膜表面，形成一種新型的層次結(jié)構(gòu)，探究其對膠原纖維膜性能的影響。因此，本試驗(yàn)將制備并將其涂布于納米膠原纖維膜表面，研究其與膠原纖維之間的相互作用并探究其對膠原纖維膜性能的影響。本試驗(yàn)利用傅里葉變化紅外光譜研究了Fe3+-TA涂層與膠原纖維膜之間的相互作用，測定了膜的親水性，阻光性能，楊氏模量、拉伸強(qiáng)度、斷裂功等機(jī)械性能來評(píng)估Fe3+-TA絡(luò)合物涂層對膠原纖維膜性能的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

酸溶脹膠原纖維：淄博黃河龍生物工程有限公司；氯化鐵（分析純）、氫氧化鈉（分析純）：天津市江天化工技術(shù)有限公司；單寧（分析純）：天津西瑪試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

分析天平（TG328A）：上海天平儀器廠；手持測厚儀（Q/ILBN2—2006CH-1）：上海六菱儀器廠；傅里葉變換紅外光譜儀（VECTOR 22）：布魯克儀器有限公司；酸度計(jì)（PH-3CW）：上海理達(dá)儀器廠；掃描電子顯微鏡（SU 1510）：日本日立公司；質(zhì)構(gòu)儀（TA.XT.Plus）：英國Stable Micro System；紫外可見近紅外分光光度計(jì)（UV 3600 Plus）：日本島津公司；水接觸角測定儀（PGX）：瑞典FIBRO SYSTEM.AB公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 具有Fe3+-單寧酸絡(luò)合物溶液制備

稱取適量FeCl3、單寧酸粉末，調(diào)整Fe3+與單寧酸的摩爾比分別為 1∶1（1Fe-TA）、1∶2（2Fe-TA）、1∶3（3Fe-TA）。將單寧酸與FeCl3粉末混合均勻后充分溶解在蒸餾水中，得到Fe3+-TA絡(luò)合物溶液。

1.3.2 具有Fe3+-單寧酸絡(luò)合物涂層膠原纖維膜的制備

按照Ma等[11]的方法，將酸溶脹膠原纖維團(tuán)用去離子水配制成1%（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）的懸浮液，用高壓均質(zhì)機(jī)研磨成納米尺寸的膠原纖維懸浮液。用量筒量取處理好的膠原纖維懸浮液120 mL倒在大小為12 cm×12 cm的有機(jī)玻璃板上，在空氣中自然干燥后，將其從有機(jī)玻璃板上輕輕取下。將干燥的膠原纖維膜浸于Fe3+與單寧酸不同比例的絡(luò)合物溶液中，浸泡5 min后取出，在空氣中自然干燥。浸泡次數(shù)分別為1次（1Fe-TA-1，2Fe-TA-1，3Fe-TA-1）、2 次 （1Fe-TA-2，2Fe-TA-2，3Fe-TA-2）和 3 次（1Fe-TA-3，2Fe-TA-3，3Fe-TA-3），得到具有1～3浸涂層數(shù)Fe3+-單寧酸絡(luò)合物的膠原纖維復(fù)合膜。

1.3.3 薄膜的微觀結(jié)構(gòu)觀察

將薄膜裁剪為5 mm×5 mm大小，用導(dǎo)電膠粘在樣品臺(tái)上，將薄膜樣品噴金后，置于掃描電鏡下觀察薄膜的表面和橫截面，加速電壓為3.0 kV，放大倍數(shù)為1 500倍。

1.3.4 薄膜的紅外光譜

在室溫（25℃）下，利用紅外光譜儀的ATR模式對薄膜樣品進(jìn)行測定。將薄膜裁剪成2 cm×2 cm大小，折疊兩次，將折疊好的薄膜放于紅外光譜儀ATR探頭下方進(jìn)行測定。通過對4 000 cm-1～400 cm-1范圍內(nèi)的每個(gè)樣品進(jìn)行32次掃描，獲得紅外光譜圖像。掃描分辨率為4 cm-1，每個(gè)樣品的掃描頻率為1 Hz。

1.3.5 薄膜的光透過性分析

根據(jù)Masoumeh等[12]的方法對薄膜的光透過性進(jìn)行測定。將薄膜裁剪成5.0 cm×3.0 cm片狀，將薄膜夾在樣品夾上，利用紫外可見光分光光度計(jì)測定薄膜在波長600 nm納米處的光透過率T600，用式（1）計(jì)算薄膜的光透性值（TV），根據(jù)式（1），光透性值越大，表示薄膜的阻光性能越好。

式中：T600為薄膜在波長600 nm處的光透過率數(shù)值，%；x為薄膜的厚度，mm。

1.3.6 薄膜的水接觸角分析

通過測定水接觸角來確定薄膜表面的親疏水性。根據(jù)Shankar等[13]的方法將薄膜裁剪為4.0 cm×6.0 cm的矩形狀，置于水平的平臺(tái)上，將一滴（約0.4 μL）超純水滴于薄膜表面，測量水滴兩側(cè)的水接觸角。每個(gè)樣品薄膜四周與中間部分共5個(gè)測量點(diǎn)，測定薄膜的水接觸角，取5個(gè)點(diǎn)的平均值為樣品的最終結(jié)果。

1.3.7 薄膜的機(jī)械性能分析

將薄膜樣品裁剪成80mm×20 mm大小，使用多功能質(zhì)構(gòu)儀的A/TG的探頭將樣品固定后進(jìn)行機(jī)械性能測定。設(shè)定初始夾距為30mm；測試前速度為0.5 mm/s，測試過程中的速度為1 mm/s，測試后速度為10 mm/s。每個(gè)樣品測定5組平行，取平均值作為最終結(jié)果。測試前將薄膜置于25℃，RH為（50±1）%的干燥器里平衡2 d，測試時(shí)在室溫25℃下進(jìn)行。計(jì)算斷裂延伸率（elongation at break，EAB）及拉伸強(qiáng)度（TS）的公式如下。

式中：F為拉伸薄膜樣品至斷裂時(shí)候所用的力，N；x為薄膜的厚度，mm；S為薄膜的寬度，mm；L為斷裂時(shí)薄膜的長度，mm；L0為薄膜初始時(shí)的長度，30 mm。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

使用單因素方差分析在顯著性水平為0.05的情況下分析數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。利用數(shù)據(jù)分析軟件SPSS 24.0分析數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 薄膜的微觀結(jié)構(gòu)

圖1為具有Fe3+－單寧酸（TA）涂層的膠原纖維膜的表面和截面的電鏡觀察圖。

圖1 具有Fe3+-TA涂層的膠原纖維膜的表面（A-J）和截面（a-j）電鏡圖像Fig.1 Surface（A-J）and cross section（a-j）of collagen fiber membrane with Fe3+-TA complex coating

由圖1A～圖1J可以看出，沒有涂層的薄膜樣品具有光滑的表面，而具有涂層的樣品表面變得粗糙，且隨著Fe3+與單寧酸的比例及涂層數(shù)的增加，F(xiàn)e3+-TA絡(luò)合物覆蓋在膜表面的面積增加。此外，從圖1a～圖1j可以看出，覆有Fe3+-TA涂層的薄膜橫截面的纖維束之間出現(xiàn)了輕微聚集，而沒有Fe3+-TA涂層的薄膜樣品仍然具有明顯的片層結(jié)構(gòu)，同時(shí)隨著涂層數(shù)的增多，薄膜的橫截面內(nèi)部出現(xiàn)孔隙。這是因?yàn)橹苽渫繉訒r(shí)將膜浸入從絡(luò)合物懸浮液中，涂層結(jié)束后將膜從懸浮液中取出，結(jié)合了水的膜進(jìn)行了再次的水分蒸發(fā)過程，膠原纖維間出現(xiàn)了重組，打亂了膠原纖維原有的均勻分布，而這也會(huì)對薄膜的機(jī)械性能產(chǎn)生潛在的影響。

2.2 薄膜的紅外光譜分析

膠原纖維膜的紅外光譜如圖2所示。

圖2 純膠原膜及具有Fe3+-TA絡(luò)合物涂層的膠原膜的表面FTIR光譜圖Fig.2 The FTIR spectra of the collagen and Fe3+-TA complex coated collagen films

光譜圖中，1 600 cm-1～1 700 cm-1處的酰胺 I帶與C=O的拉伸振動(dòng)有關(guān)，1 510 cm-1～1 580 cm-1處的酰胺II帶與N-H的面內(nèi)彎曲及C-N拉伸有關(guān)。1 200 cm-1～1 300 cm-1左右處的酰胺III帶與C-N振動(dòng)及N-H面內(nèi)彎曲振動(dòng)有關(guān)。3 100 cm-1～3 440 cm-1范圍的酰胺A帶與氫鍵的拉伸振動(dòng)有關(guān)。從圖中可以看出，具有絡(luò)合物涂層的薄膜在759 cm-1（苯基的C-H面外彎曲振動(dòng)）以及1 200 cm-1處（多元醇C-O的拉伸振動(dòng)）[14]出現(xiàn)了TA的特征峰，且隨著浸泡次數(shù)的增多，特征峰出現(xiàn)了不同程度的增強(qiáng)，而單寧酸在1 615 cm-1處（芳香族C-C的拉伸振動(dòng)）的特征峰消失。這表明單寧酸與膠原纖維及Fe3+間具有有效的物理或化學(xué)相互作用[15]。同時(shí)，從圖中也可以看出，當(dāng)薄膜具有Fe3+-TA絡(luò)合物涂層及隨層數(shù)的增加，位于酰胺A帶的峰變寬。這表明TA的芳香族羥基與膠原蛋白基質(zhì)之間具有氫鍵作用[16]，且隨著涂層次數(shù)的增加，F(xiàn)e3+-TA絡(luò)合物逐步吸附于膠原膜表面，這與SEM分析的結(jié)果一致。綜上，紅外結(jié)果表明，由于強(qiáng)的氫鍵作用，F(xiàn)e3+-TA涂層與膠原膜間具有強(qiáng)烈的相互作用。

2.3 薄膜的光透過性分析

沒有Fe3+-TA絡(luò)合物涂層與含有不同F(xiàn)e3+-TA絡(luò)合物涂層的膠原纖維膜在200 nm～800 nm波長的紫外線和可見光透射率見表1。膠原纖維膜的光透過值及水接觸角見表2。

表1 膠原纖維膜在不同波長處的透光率Table 1 Light transmission of the collagen fiber films in different wavelengths

在200 nm～280 nm的紫外波長下，具有Fe3+-TA涂層的薄膜樣品與對照相比，透光率顯著降低。且隨著Fe3+-TA涂層層數(shù)的增加，此波長下的透光率逐漸降低。而在400 nm～800 nm的可見-近紅外光波長下的透光率略有下降。同時(shí)，表2中的透明度值結(jié)果顯示，隨著涂層層數(shù)的增加，以及Fe3+濃度的升高，與對照膜相比，其具有涂層的薄膜的阻光性能增加到原先的1.7倍～4.27倍。引起這種現(xiàn)象的原因是，F(xiàn)e3+與TA在膠原纖維膜表面形成了具有良好阻光性能的絡(luò)合物降低了紫外線對薄膜滲透作用。這些結(jié)果表明，具有表面涂層的薄膜可以有效地防止食品系統(tǒng)中因紫外線而引起的脂質(zhì)氧化。

表2 膠原纖維膜的光透過值及水接觸角Table 2 The transparency value and water contact angle of the collagen and collagen/gelatin films

2.4 薄膜的水接觸角分析

通過測定水接觸角，可以分析具有Fe3+-TA絡(luò)合物涂層的膠原纖維膜的表面疏水性。水接觸角的值越小，表示薄膜表面的親水性越大。

從表2可以看出，純膠原纖維膜的水接觸角為79.70°，而具有單寧酸涂層的膜與對照相比，其水接觸角顯著降低，且隨著Fe3+-TA涂層數(shù)的增加，水接觸角的值顯著降低，親水性增強(qiáng)。這是因?yàn)閱螌幩峋哂懈哂H水性，因此形成了具有親水性的Fe3+-TA絡(luò)合物。值得注意的是，3Fe-TA-1樣品的水接觸角值比其他具有Fe3+-TA涂層的薄膜樣品大。這是因?yàn)閱螌幩岬臎]食子酰基和鄰苯二酚的羥基提供了吸附水分子的位置[17]，而Fe3+濃度的升高，使其與TA的羥基間形成更多的配位鍵，從而減少了TA對水分子的吸附，因此隨著Fe3+濃度的升高，薄膜的水接觸角降低，親水性增強(qiáng)。

2.5 薄膜的機(jī)械性能分析

膠原膜的各項(xiàng)機(jī)械性能如表3所示。

從表3中可以看出，膜的彈性模量受涂層的影響不大。而與對照膜相比，具有Fe3+-TA涂層的膜的拉伸強(qiáng)度降低了4.41%～51.9%，斷裂延伸率降低了9.0%～50.4%，斷裂功降低了15.7%～72.6%，且隨著涂層數(shù)的增加以上各項(xiàng)機(jī)械性能出現(xiàn)顯著下降。這表明隨著Fe3+-TA絡(luò)合物涂層的形成，薄膜的機(jī)械強(qiáng)度降低而脆性增加。這是可能是因?yàn)镕e3+-TA絡(luò)合物懸浮液作為涂層涂布于薄膜表面上時(shí)，膠原蛋白首先吸水溶脹，同時(shí)，由于水的存在膠原蛋白可以發(fā)生不同程度的移動(dòng)[18]，之后又經(jīng)過了脫水收縮過程，使膠原纖維間發(fā)生了部分重組，導(dǎo)致膠原纖維分布不均勻，從而產(chǎn)生了在膠原纖維膜內(nèi)部出現(xiàn)凝結(jié)及空隙。這種現(xiàn)象也可以從圖1中薄膜的截面電鏡圖像中觀察到：隨著表面涂層的形成，薄膜的內(nèi)部出現(xiàn)了氣泡及斷層。機(jī)械性能的結(jié)果表明，F(xiàn)e3+-TA絡(luò)合物與膠原纖維膜之間的相互作用不僅沒有增強(qiáng)膜的結(jié)構(gòu)，反而由于水的存在，給薄膜的機(jī)械性能造成了負(fù)面影響。

表3 膠原纖維膜的拉伸強(qiáng)度、斷裂延伸率、彈性模量以及斷裂功Table 3 The tensile strength，elongation at break，elastic modulus and work to fracture

3 結(jié)論

本部分試驗(yàn)制備了具有Fe3+-TA絡(luò)合物涂層的膠原纖維膜。電鏡結(jié)果表明，F(xiàn)e3+-TA絡(luò)合物均勻的涂布在膠原纖維膜表面且使薄膜表面變得更為粗糙。通過紅外分析可知，膠原纖維與Fe3+-TA絡(luò)合物之間有強(qiáng)氫鍵相互作用，說明絡(luò)合物涂層能夠與膠原纖維膜緊密結(jié)合。而隨著Fe3+-TA絡(luò)合物涂層在薄膜表面的形成，薄膜的親水性升高，這會(huì)使薄膜在實(shí)際應(yīng)用時(shí)具有更強(qiáng)的抗油污能力。而隨著表面涂層層數(shù)的增加以及Fe3+與TA比例的增加，薄膜在波長200 nm～800 nm處的阻光性能逐漸增強(qiáng)，表明具有Fe3+-TA絡(luò)合物涂層的薄膜能很好的阻止紫外線穿透薄膜。然而具有Fe3+-TA絡(luò)合物涂層的薄膜的脆性增加，拉伸強(qiáng)度、斷裂延伸率、斷裂功都出現(xiàn)大幅下降。綜上所述，盡管Fe3+-TA絡(luò)合物能在膠原纖維膜表面形成涂層并與膠原纖維膜產(chǎn)生相互作用，但其對于膠原纖維這種生物大分子薄膜的性能的提升效果十分有限。