殼聚糖基抗氧化功能復合膜的制備與性能

張東京，馬曉敏，高鳳偉，胡夢姚，韓方凱

(1.宿州學院生物與食品工程學院，安徽宿州 234000； 2.宿州學院，安徽宿州 234000)

隨著社會的發(fā)展，食品安全問題愈加受到重視，食品包裝更是不斷創(chuàng)新，國內外研究熱點主要聚焦生物可降解包裝材料[1]。相比較傳統(tǒng)塑料包裝，生物可降解材料制備的包裝存在力學性能差、具有天然親水性等缺點[2]，然而其可塑性強，可通過添加增塑劑，交聯劑等改善單一組分的缺點。同時，食物在儲存期會發(fā)生氧化反應導致食物腐敗變質。早期包裝材料中添加人工合成抗氧化劑，如叔丁基羥基茴香醚等[3]，其安全毒理性存在一定的爭議。而添加安全、天然且具有抗氧化作用的活性劑，如姜黃素(CUR)、天然植物花青素等來制備延長食品貨架期的活性包裝材料就具有廣闊應用前景。

殼聚糖為堿性多糖[4]，不僅具有優(yōu)良的成膜性和兼容性，而且可生物降解，同時還具有抑菌性能，備受科研工作者的廣泛關注。甘油具有良好的生物相容性，且甘油含有大量羥基，可以提高甘油與殼聚糖分子間的相容性[5]，因而可作為增塑劑改善單一材料制膜的缺點。趙郁聰等[6]驗證了甘油作為一種增塑劑，能夠改善膜的力學性能。明膠為水溶性蛋白質混合物，具有極好的生物相容性、可降解、易成膜。李海潮等[7]用實驗證明了明膠與殼聚糖共混相容性較好，復合膜均一透明。聚乙烯醇作為一種常用的安全性成膜劑，具有優(yōu)異的力學性能、生物相容性和氣體阻隔性[8]。劉文霞等[9]證明CS與PVA共混能夠改善膜的力學性能。借鑒前人的研究，以殼聚糖為成膜基底，分別添加甘油、明膠、聚乙烯醇作為增塑劑，改善殼聚糖這單一組分成膜的缺點，并比較三種增塑劑復合殼聚糖后制備出的復合膜的性能差異。

天然指示劑比如花青素等，屬于生物類黃酮物質且為水溶性色素，來源廣泛，具有一定的抗氧化能力?；ㄇ嗨匕踩珶o毒且價格低、易獲得，受到許多學者的青睞。蔣光陽等[10]利用可降解材料與紫薯花青素的結合制備活性智能指示膜；王圣等[1]研究比較了9種花青素對活性智能包裝膜的影響。CUR屬于多酚類化合物且為脂溶性色素，主要從姜科、天南星科等植物的根莖中獲取。CUR結構中的酚羥基和二酮基，可以提供質子，從而阻斷自由基反應，具有顯著的抗氧化功能[11]，引起國內外學者的廣泛關注。Liu等[12]發(fā)現，pH值在3～10范圍內，CUR溶液的顏色由亮黃色變?yōu)榧t褐色。在借鑒前人的基礎上，筆者選擇安全無害的脂溶性CUR、水溶性天然玫瑰茄花青素(REA)，作為功能性物質分別添加到上述三種復合膜中制備出兼具抗氧化功能的復合膜，并比較添加不同溶解性的花青素復合膜在物理性能、微觀結構及抗氧化能力等方面的差異。

1 實驗部分

1.1 主要原料

殼聚糖、甘油、明膠、聚乙烯醇：食品級，上海麥克林生化科技有限公司；

CUR：分析純，上海國藥集團有限公司；

REA：食品級，購自亳州市春蕾花草茶有限公司；

去離子水：自制。

1.2 主要儀器與設備

智能靜音超聲儀：XM-250UVF型，小美超聲儀器(昆山)有限公司；

酶標儀：Multiskan Go型，美國賽默飛世爾科技公司；

傅里葉變換紅外光譜(FIIR)儀：Nicolet IS 50型，美國Thermo公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)：SUI510型，日本日立公司；

質構儀：TMS-PRO型，美國FTC公司。

1.3 復合膜的制備

將適量殼聚糖與質量分數為1%的醋酸混合[13]，得質量濃度為2%的殼聚糖溶液。稱取2 g明膠溶于100 mL蒸餾水中制得質量濃度為2%的明膠溶液。稱取2 g聚乙烯醇溶于100 mL蒸餾水中制得質量濃度為2%的聚乙烯醇溶液。將三者放入90 ℃的恒溫水浴鍋中，用玻璃棒攪拌至溶解。取1.6 mL甘油備用。然后將上述明膠溶液、聚乙烯醇溶液和甘油分別與2%的殼聚糖溶液混合(質量比1∶1)。充分攪拌使之混合，獲得殼聚糖/甘油、殼聚糖/明膠、殼聚糖/聚乙烯醇混合液。將混合液放置數控超聲波清洗器中超聲除泡30 min后倒入模具。然后將模具置于電熱恒溫鼓風干燥箱中45 ℃烘干成膜，可得到三種殼聚糖/甘油膜(CG)、殼聚糖/明膠膜(CE)、殼聚糖/聚乙烯醇膜(CP)復合膜。

按照上述方法，將上述三種混合液中分別加入0.04%脂溶性CUR和0.2%水溶性REA，充分攪拌使之融合，得到六種不同的混合液。按照上述方法，分別得到六種具有一定活性的復合膜，分別為殼聚糖/甘油/CUR膜(CGU)、殼聚糖/明膠/CUR膜(CEU)、殼聚糖/聚乙烯醇/CUR 膜(CPU)、殼聚糖/甘油/玫瑰茄膜(CGR)、殼聚糖/明膠/玫瑰茄膜(CER)、殼聚糖/聚乙烯醇/玫瑰茄膜(CPR)。

1.4 測試與表征

(1) 膜厚度的測定。

參照GB/T 1040.3-2006[14]，膜厚度采用精準數顯千分尺(±0.001 mm)進行測定。在每張膜上按“2-1-2-1-2”順序依次取八個點進行測量，記錄并計算平均值[10]，單位為mm。

(2) 膜力學性能的測定。

參照GB/T 13022-1991，按照要求進行測試，每個指標測定3個平行樣品，取平均值[14]。9種復合膜的拉伸強度(TS，MPa)與斷裂伸長率（EAB，%)按照如下公式計算得出：

式中：F為樣品斷裂時承受的最大拉伸力，N；W為樣品寬度，mm；T為樣品厚度，mm；L1為樣品的初始長度，mm；L2為樣品斷裂時的長度，mm。

(3) 膜含水率(MC)的測定。

先將洗凈后的坩堝放入烘箱中105 ℃烘至恒重，將膜裁成3 cm×3 cm式樣，并稱量得到質量為M1(g)。將樣品置于干燥箱中至恒重，溫度設置為105 ℃，恒重的樣品為M2(g)，則含水率根據兩次質量之差計算得到，每組膜重復測定三次[15]。

(4) 膜水溶性(WS)的測定。

將干燥至恒重的膜稱量記為W1(g)，取50 mL蒸餾水放在各小燒杯中，在室溫下將膜浸于蒸餾水中，靜置24 h后將膜取出再次放于烘箱中105 ℃烘干至恒重，稱得質量記為W2(g)，則水溶性根據兩次質量之差計算得到，每組膜重復測定三次[16]。

(5) FIIR分析。

取適量恒重膜和溴化鉀混合研磨，壓片，備用。掃描范圍設定在400-4 000 cm-1之間。

(6) SEM分析。

將膜裁成規(guī)格為2 cm×2 cm，干燥箱中干燥，溫度設為45 ℃，時間為24 h，然后真空濺射噴金，加速電壓設置為15 kV，通過SEM進行觀察其結構[17]。

(7) 抗氧化性分析。

參照王杰等[18]的試驗方法，并作適當調整，測定各膜清除DPPH自由基的能力。將膜裁成35 mm×15 mm的式樣，備用。分別將樣品裁成適宜的規(guī)格，依次置于離心管中，避光條件下恒溫振蕩，溫度為25 ℃，時間控制為30 min，然后在517 nm處測其吸光度值A1，同時按如上方法，測空白組吸光度值為A2。每種膜平行測定3次取平均值，自由基清除率α計算公式如下所示。

式中：A1為試樣組吸光值；A2為空白組吸光值。

2 結果與討論

2.1 膜的厚度和力學性能

膜厚度是否均勻一致是膜各項性能的基礎。復合膜的力學性能與厚度有著密切的聯系。表1為復合膜的厚度和力學性能。表1結果顯示，以甘油作為增塑劑制備的復合膜，厚度較大，其中CGU膜厚度最大，為0.190 mm。為了避免食品在運輸中受到擠壓，其包裝膜需要較好的力學性能，拉伸強度和斷裂伸長率是表征薄膜力學性能的重要指標[19]。

表1 復合膜的厚度和力學性能

從表1可以看出，與CG膜相比，CE膜和CP膜的TS高，增塑劑明膠和聚乙烯醇與殼聚糖共混成膜具有較好的力學性能。9種膜中，CPR膜的TS最高，為71.417 MPa，高于CPU膜，表明在分別添加CUR和REA后，REA更易獲得力學性能良好的復合膜。CGU膜的EAB最高，為66.771%。彭勇等[20]研究發(fā)現分子間的氫鍵作用力和結晶結構影響著膜的力學性能強弱。由此可見各復合膜之間TS和EAB的差異可能是由于各基材的單分子中所含羥基數目的不同所導致的。

2.2 膜的含水率和水溶性

膜的含水率是評價膜性能的重要參數，膜的水溶性可用以評價生物降解膜對外界水分的抵抗能力。從表2可以看出，REA的加入使CGR膜、CER膜、CPR膜的含水率下降，其中CER膜的含水率最低，為11.639%，這可能是因為REA分子的酚羥基與殼聚糖親水基團作用而限制了殼聚糖與水分子形成分子間氫鍵，使得含水率降低[1]。CE膜的水溶性最大，為47.699%。加入CUR或者REA的復合膜如CEU膜、CER膜的水溶性均較CE膜有所下降，這與添加的天然物質有部分物質不溶于水有關。各復合膜水溶性的差異也可能是與各復合膜內部結構疏松程度有關。

表2 復合膜的含水率和水溶性

2.3 膜的FTIR分析

FTIR光譜靈敏度高、波數準確，重復性好，是分析相同分子或不同分子間是否存在相互作用的有力工具[21]。圖1是9種復合膜在波長4 000～400 cm-1下的FTIR光譜圖，如圖1所示，紅外光譜在3 500～3 300 cm-1范圍內有明顯的O—H鍵的伸縮振動吸收，與殼聚糖、甘油、明膠、聚乙烯醇、CUR，REA原料里含有豐富的羥基是一致的[10]。在2 917 cm-1和2 845 cm-1有明顯的吸收振動伸縮峰，與有機化合物的特征結構—CH2和—CH引起的吸收峰相符合[22]。加入CUR或REA后，吸收峰明顯向高波數偏移，這與指示劑中的酚羥基結構相關。且當加入CUR或REA后，1 650～1 420 cm-1間的吸收峰有明顯的增強和偏移，是由C=C鍵振動引起的，表明CUR和REA均與聚合物間存在一定的分子間作用力[23]。1 080～1 030 cm-1有明顯的吸收振動伸縮峰，可能是由于C—O—C的伸縮振動以及C—C，C—H的骨架振動。綜上，根據紅外光譜分析結果，可得出在制備復合包裝膜的過程中，各基材是依靠分子間作用力強弱而影響膜的性能，而基材的化學成分未發(fā)生明顯變化。

圖1 9種復合膜的FTIR譜圖

2.4 復合膜的SEM結果分析

SEM可以直觀地觀察出復合膜的表面形態(tài)和各組分之間的相容性，是衡量共混物相容性好壞的重要方法[13]。相容性越佳，則其截面的微觀結構越平滑；反之，說明各基質由于相斥分離而導致其截面的微觀結構越粗糙[24]。圖2是放大1 000倍的9種復合膜的SEM圖。

圖2 放大1 000倍的9種復合膜SEM圖

如圖2所示，CG、CE復合膜表面光滑平整、CP膜表面均勻有序，膜的結構致密，說明CS與甘油、明膠、聚乙烯醇均可較好地相容。與Rivero等[25]關于CG膜的描述相一致。當加入CUR后，三種復合膜的微觀結構均發(fā)生明顯改變，CGU膜和CPU膜表面仍較為完整但出現少許孔洞，而CEU膜截面變得粗糙?？赡苁荂UR破壞了CS與三種增塑劑的連續(xù)結構，使得交聯處脆性增加[26]。當加入REA后，三種復合膜的微觀結構也發(fā)生了改變，但較CUR，變化程度不大，這也說明REA能與CS和三種增塑劑更好地相容，且CGR膜相容得更好。

2.5 復合膜的抗氧化活性

導致食品氧化變質的重要因素之一是外界因素誘導產生的游離自由基，DPPH自由基清除活性評價法操作簡便、快速靈敏，是最常用測定物質抗氧化能力的方法[27]。本試驗測9種復合膜的DPPH自由基清除活性如圖3所示。由圖3可知，9種復合膜的抗氧化能力存在差異，CER膜的DPPH自由基清除活性最大，為63.97%，其次為CPR膜，為59.00%。添加甘油作為增塑劑的復合膜，加入REA后，CGR膜的DPPH自由基清除活性提高最大，從23.30%提高到45.23%。添加CUR或REA均明顯提高了復合膜的抗氧化能力，且添加水溶性REA的效果優(yōu)于添加脂溶性CUR的?；ㄇ嗨匾蚱涠嗔u基結構使其具有較強的供氫能力[28]，CUR其兩側苯環(huán)上的甲氧基能夠增強其抗氧化活性[12]。因此，將CUR和REA結合到復合膜中制備出的食品包裝膜可以保護食品免受氧化損傷，延長食品儲存期。王圣等[1]也在相關試驗中探討得出CUR，REA可顯著增強復合膜的抗氧化能力。

圖3 9種復合膜的DPPH自由基清除能力

3 結論

利用環(huán)保、可降解材料CS為成膜基底，分別添加不同的增塑劑通過流延法制成CG膜，CE膜，CP膜，然后再分別添加脂溶性CUR、水溶性REA作為功能性膜。分析比較9種復合膜的厚度、力學性能、含水率和水溶性、FTIR譜圖、SEM圖和抗氧化活性的差異。

結果表明：添加聚乙烯醇制備的膜，其TS相對較大，其中CPR膜的TS最高，為71.417 MPa，表明CPR具有較好的力學性能。添加甘油制備的膜，其EAB相對較大，其中CGU膜的EAB最高，為66.771%。在含水率測試中，REA的加入使得CGR膜、CER膜、CPR膜的含水率下降，其中CER膜的含水率最低，為11.639%，REA的加入提高膜的穩(wěn)定性。紅外光譜顯示CUR，REA中的羥基可與成膜基材間形成氫鍵，導致鍵能改變，而化學成分未發(fā)生變化。掃描電鏡表明CUR加入后，膜中的組分交聯被破壞，而REA的加入使得膜結構變得更加緊致均勻，其中CGR膜和CPR膜相容性較好。在抗氧化能力測試中，添加CUR或REA明顯提高DPPH自由基清除活性，且添加REA的效果優(yōu)于添加CUR。其中，CPR復合膜的DPPH自由基清除活性為59.00%，僅次于CER膜。實驗結果可以得出，將CUR、REA用于包裝材料，可賦予包裝膜抗氧化功能，且引入水溶性REA的抗氧化效果優(yōu)于脂溶性的CUR。綜合分析，CPR膜不僅具有較好的力學性能，而且相容性好，同時抗氧化活性也強于CPU。所以CPR膜是一種比較理想的復合膜，可以作為一種檢測食品新鮮度，延緩食品氧化，延長食品貨架期的智能膜。