殼聚糖復(fù)合抗菌膜的綠色制備及性能研究

李名媛 趙丹寧

摘要：以天然生物高分子殼聚糖為原料制得的薄膜因其原料易得、成本低廉、可生物降解等優(yōu)良特點具有廣泛的應(yīng)用前景，但通常純殼聚糖薄膜存在機械性能較差、水阻隔率較低、抗菌性較弱等不足，對此可以通過制備多組分復(fù)合膜的方法進(jìn)行改進(jìn)。利用殼聚糖、乳酸和單寧酸三者制備復(fù)合膜，研究了單寧酸添加量對復(fù)合抗菌膜結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)殼聚糖與乳酸的質(zhì)量比為1：1、殼聚糖與單寧酸的質(zhì)量比為100：4且固化并未改變殼聚糖結(jié)構(gòu)的情況下，復(fù)合膜具有較高的拉伸強度和斷裂伸長率。此外，復(fù)合膜還具有優(yōu)良的抑菌性能和抗氧化性能。

關(guān)鍵詞：復(fù)合抗菌膜；交聯(lián)；殼聚糖；綠色

中圖分類號：TB48 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1400 （2021） 08-0024-05

Study On the Green Preparation and Properties of Chitosan Composite Antibacterial Membrane

LI Ming-yuan， ZHAO Dan-ning（College of Materials & Engineering， Donghua University， Shanghai 201620， China）

Abstract： Thin films made from natural biological polymer chitosan are widely used because of their easy raw materials， low cost， biodegradable characteristics， but usually pure chitosan films have poor mechanical performance， low water barrier rate and weak antibacterial properties， which can be improved by the preparation of multi-component composite film. The preparation of chitosan， lactic acid and tannin has studied the effect of the tannin addition on the structure and properties of the composite antibacterial film. The results showed that the tensile strength and fracture elongation when the mass ratio was 1： 1， the mass ratio of chitosan to tannic acid was 100： 4， and the composite film had high tensile strength and fracture elongation. In addition， the composite film also has excellent antibacterial properties and antioxidant properties.

Key words： composite antibacterial membrane； cross-linked； chitosan； green

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對食品包裝材料的研究也進(jìn)入到了新的階段。具有可降解的綠色包裝材料逐漸成為學(xué)者們的研究熱點。每年由于食品腐敗導(dǎo)致的衛(wèi)生安全問題與食品浪費問題都十分嚴(yán)重，因此研發(fā)具有抑菌性的食品包裝材料就十分必要。

殼聚糖（chitosan， CS）是一種天然的多糖，來源廣泛且無毒無害，具有可降解性與廣譜抑菌性，可作為制備食品包裝膜的優(yōu)良材料[1-2]，符合當(dāng)下倡導(dǎo)綠色可持續(xù)發(fā)展的社會環(huán)境。此外，目前殼聚糖的工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模正逐步擴大?？梢娏⒆阌跉ぞ厶琴Y源的開發(fā)與研究有著廣闊的前景，進(jìn)一步的開發(fā)與研究也能充分利用巨大的天然殼聚糖資源并使其得到有效合理的應(yīng)用。但在機械性能、耐水性能和綜合抑菌性能等方面，單一組分的殼聚糖膜仍相對不足，目前殼聚糖類材料的主要研究方向之一是增強殼聚糖膜的機械性能與功能性。

乳酸（lactic acid， LA）是一種具有抑菌作用的有機酸，能與殼聚糖形成殼聚糖乳酸鹽，具有良好的韌性和強度，但其在水中的穩(wěn)定性差。而單寧酸（tannin， TA）是從植物和微生物中提取的一種多酚物質(zhì)，它具有交聯(lián)殼聚糖、纖維素、蛋白質(zhì)等生物大分子的作用。與其他化學(xué)衍生物相比，單寧酸是完全可生物降解的，且生產(chǎn)成本更低，具有很高的抗氧化能力，可以與其他生物大分子相互作用，能解決乳酸和殼聚糖的復(fù)合物易溶于水的問題。因此本文以本身具有抗菌作用的乳酸水溶液為溶劑、植物中提取且完全可生物降解的單寧酸為交聯(lián)劑配制殼聚糖溶液，采用單因素試驗與正交試驗相結(jié)合的方法，探討溶液配比對成膜性能的影響（包括力學(xué)性能測試、耐水性能測試和抑菌性能測試等），從而確定溶液最佳配比。此外，實驗采用真空固化對復(fù)合膜進(jìn)一步改善其溶脹度。

本文將三種天然的抗菌材料復(fù)合，旨在得到一種綜合性能良好的殼聚糖基復(fù)合抗菌膜，可應(yīng)用于食品包裝領(lǐng)域以解決目前存在的抑菌率低、材料不可降解帶來的污染及本身潛在的安全性等問題，使得食物保質(zhì)期得到延長的同時促進(jìn)包裝材料綠色循環(huán)可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

主要原料：殼聚糖（脫乙酰度≥95.0%）、乳酸、單寧酸

主要儀器：磁力攪拌器、真空干燥箱、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、電腦式拉壓力試驗機

1.2 方法

1.2.1 復(fù)合膜的制備

實驗流程圖如圖1所示。將2g殼聚糖加入至2%乳酸溶液（殼聚糖與乳酸質(zhì)量比為1：1）中并攪拌24h，隨后向溶液中加入0.01g（1%）、0.02g（2%）、0.03g（3%）、0.04g（4%）、0.05g（5%）、0.06g（6%）單寧酸并攪拌1-2h直至完全溶解。然后將混合溶液倒入圓形模具，放置于37℃干燥箱中，待完全干燥后從模具上揭下，即可得到單寧酸含量不同的復(fù)合膜。將膜放入真空固化箱于150℃下固化30min[3]，隨后將膜放置于室溫（25℃）、相對濕度為70%的恒濕器中保存12h。

1.2.2 傅里葉紅外光譜分析

采用傅里葉紅外顯微成像光譜儀對復(fù)合膜進(jìn)行紅外分析，分辨率≤0.09cm-1，掃描范圍為 4000～500cm-1。

1.2.3 復(fù)合膜的力學(xué)性能測試

采用電腦式拉壓力試驗機測試復(fù)合膜的拉伸強度和斷裂伸長率，樣品統(tǒng)一制備成寬度為2.7mm的啞鈴型，試驗機標(biāo)距為15mm，拉伸速率為10mm/min。

1.2.4 復(fù)合膜溶脹度測試

將2cm×2cm的薄膜烘干至恒質(zhì)量m0后，將薄膜樣品放入去離子水中，各試驗組去離子水體積保持一致。樣品吸水溶脹24h后取出，拭去表面的水分后再進(jìn)行稱重。根據(jù)公式（1）計算樣品的溶脹度（Sd）。

式中：m1，m0分別為吸水溶脹后和不處理的樣品質(zhì)量；ρ為溶劑密度（g/mL）。

1.2.5 復(fù)合膜抑菌性能測試

選用大腸桿菌和金黃色葡萄球菌對復(fù)合膜的抑菌性能進(jìn)行測試，取0.75g±0.05g樣品放入PBS緩沖液，采用振蕩法測試膜的抑菌性。

1.2.6 抗氧化性能測試

參照Siripatrawan[4]等的方法，在室溫條件下將濃度為1mmol/L的DPPH甲醇溶液與復(fù)合膜浸泡液混合（體積比為1：3），并使溶液遠(yuǎn)離光照30min。通過紫外分光光度計測定混合液在517nm波長處的吸光度。根據(jù)公式（2）計算DPPH自由基清除率RDPPH：

式中：ADPPH為517nm處DPPH甲醇溶液的吸光度；AS為517nm處混合液的吸光度。

1.2.7 透光率測試

采用紫外分光光度計進(jìn)行測試，將復(fù)合膜統(tǒng)一制備成10mm×30mm的矩形，平整放置于石英比色皿的一側(cè)，測試波長范圍為200～800nm。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅外光譜分析

復(fù)合膜樣品的紅外光譜圖如圖2所示。由圖2可知，（a）和（b）中，3250～3270cm-1處出現(xiàn)的較寬的吸收峰主要是羥基和胺基的伸縮振動峰，與（c）中3350cm-1處的吸收峰相比，譜峰變寬且紅移，表明復(fù)合體系中含有大量的氫鍵；1570cm-1附近出現(xiàn)酰胺Ⅱ帶的伸縮振動峰，同時（e）中乳酸在1740cm-1處C=O的伸縮振動峰在（a）和（b）的譜圖中變?nèi)?，表明殼聚糖的胺基與乳酸的羧基發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生了酰胺鍵[5]。由于單寧酸的含量很少，根據(jù)與（d）的譜圖對比發(fā)現(xiàn)，單寧酸的加入對化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響不大，而（a）和（b）的譜圖幾乎沒有明顯差異，說明交聯(lián)固化不會對殼聚糖-乳酸體系產(chǎn)生本質(zhì)的破壞，基本保留其相容性。

2.2 單寧酸添加量對復(fù)合膜力學(xué)性能影響

為了確定復(fù)合膜中單寧酸的添加量，進(jìn)行了殼聚糖中單寧酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的改變對膜力學(xué)性能影響的探究試驗。不同單寧酸添加量的復(fù)合膜的力學(xué)性能如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)單寧酸添加量為4%的時候，復(fù)合膜的綜合力學(xué)性能最好，其中最大拉伸強度為33066.39KPa，最大斷裂伸長率為84.89%。可見用4%單寧酸制成的復(fù)合膜的機械性能較好。殼聚糖和乳酸中分子間相互作用力的增大來源于彼此的羥基會發(fā)生相互作用，使得拉伸強度增大；乳酸在體系中也起到增塑劑的作用，分子鏈的柔性增加，膜的塑性增加，并且其斷裂伸長率增大。除此之外，單寧酸中的酚羥基會與殼聚糖分子中的氨基形成離子交聯(lián)殼聚糖鏈[6]，而離子交聯(lián)的形成可以增大斷裂強度，降低斷裂伸長率。然而，單寧酸含量高可能會導(dǎo)致單寧酸分子的團(tuán)聚，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)缺陷。

2.3 復(fù)合膜性能研究

2.3.1 耐水性能分析

不同單寧酸添加量的復(fù)合膜的溶脹度如圖4所示。由圖4可知，單寧酸的溶脹度維持在93.7%-113.1%，原因是殼聚糖與乳酸反應(yīng)形成酰胺，減少了親水基團(tuán)。此外，單寧酸與殼聚糖之間的離子交聯(lián)阻斷了殼聚糖大分子親水性，從而提高了疏水性和氫鍵作用使復(fù)合膜的溶脹度進(jìn)一步下降，抗菌復(fù)合膜溶脹度的下降可促進(jìn)殼聚糖應(yīng)用效率的提高。

2.3.2 抑菌性能分析

不同單寧酸添加量的復(fù)合膜對大腸桿菌的抑菌性如圖5所示。由圖5可知，在相同條件下，當(dāng)單寧酸添加量大于3%后，基本不會出現(xiàn)大腸桿菌菌落的生長。復(fù)合膜對金黃色葡萄球菌的抑菌性如圖6所示。由圖6可知，所有的試驗組中均未出現(xiàn)金黃色葡萄球菌的生長，所以復(fù)合膜對金黃色葡萄球菌的抑菌作用要更好。在復(fù)合膜中主要是殼聚糖起到抗菌效果，它在弱酸條件下形成氨基，這些氨基結(jié)合電子發(fā)揮抗菌作用[7]，也說明殼聚糖在與單寧酸和乳酸的相互作用的過程中不會失去其高效和廣譜的抗菌性能。此外，單寧酸分子中的疏水基團(tuán)苯環(huán)與細(xì)菌蛋白質(zhì)分子中的疏水基團(tuán)結(jié)合，可使細(xì)菌中的蛋白質(zhì)變性或凝固，達(dá)到殺菌效果[8]。

2.3.3 抗氧化性能分析

DPPH法是一種常用的以清除自由基體外測定抗氧化能力的方法。不同單寧酸添加量的復(fù)合膜DPPH自由基清除率如圖7所示。由圖7可知，當(dāng)單寧酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于4%時，DPPH自由基清除率隨添加量的增加而增加。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到4%以后，DPPH自由基清除率趨近飽和并維持在84%左右。由于單寧酸含有多個容易被氧化且是良好供氫體的鄰位酚羥基，使得加入單寧酸的復(fù)合膜呈現(xiàn)良好的抗氧化性。

2.3.4 透光率分析

復(fù)合膜透光率對比如圖8所示。由圖8可知，加入單寧酸后，相比于CS/LA膜而言，復(fù)合膜的透光率在不同波長下均呈現(xiàn)下降趨勢。這是由于單寧酸氧化后呈現(xiàn)淡棕色，分散到殼聚糖溶液時，增加了溶液的不透明度，從而影響了膜的透光率。將低透光率的復(fù)合膜用于容易受到光誘導(dǎo)氧化的食品包裝中，將會起到事半功倍的效果。

3 結(jié)論

殼聚糖與乳酸的質(zhì)量比為1：1，殼聚糖與單寧酸的質(zhì)量比為100：4時，制備的復(fù)合膜具有較好的力學(xué)性質(zhì)，抗拉強度和斷裂伸長率分別為33.07MPa和84.886%。相比于單一組分的殼聚糖膜，復(fù)合膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均表現(xiàn)出更好的抑菌性能。復(fù)合膜的DPPH清除率達(dá)到了84.27%，比CS/LA復(fù)合膜的DPPH自由基清除率提高了約50%。FTIR分析結(jié)果表明，復(fù)合成膜與固化過程中沒有產(chǎn)生新的基團(tuán)，此外復(fù)合膜溶脹度為103.96%。綜上所述，殼聚糖/乳酸/單寧酸復(fù)合膜具有良好的力學(xué)性能和抑菌性能，還具有較好的抗氧化性和透光性，可用于食品保鮮及包裝膜等包裝材料中。

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