交聯(lián)殼聚糖用作種衣劑中成膜劑的研究

張 賢, 程 壯, 溫子慧, 朱 彩, 吳 英, 郭 成, 李 偉, 2, 覃彩芹, 2, 丁 瑜

（1.湖北工程學院, a.化學與材料科學學院；b.新能源材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院, 湖北 孝感 432000；2.生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化利用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心, 湖北 孝感 432000）

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中往往需要使用大量化肥、農(nóng)藥, 不但增加生產(chǎn)成本, 還會導致環(huán)境污染等社會和生態(tài)問題。此外, 過度頻繁使用同種化學藥劑還會導致有害生物產(chǎn)生抗藥性而使危害日益加重, 尤其是農(nóng)作物苗期更易受到危害；同時對環(huán)境中有益昆蟲、鳥類及哺乳動物造成不同程度的危害[1］。種子包衣技術(shù)作為一項農(nóng)業(yè)增產(chǎn)豐收的高新技術(shù), 可有效殺滅種子表面所攜帶的致病菌, 防治作物病蟲害[2］, 提高作物免疫力和抵抗力, 促進生長發(fā)育, 有效解決化學農(nóng)藥大量施用帶來的成本高、效果差、污染嚴重等問題[3］。因此, 與后期廣泛噴施農(nóng)藥相比, 種衣劑具有較為明顯的優(yōu)勢[4］, 可以大大增加種子價值, 降低農(nóng)藥施用量, 進而明顯降低其對環(huán)境的影響, 并且取得了頗為顯著的經(jīng)濟、社會及生態(tài)效益[5］。

種衣劑是將一種或多種活性成分, 如殺蟲劑、殺菌劑、營養(yǎng)元素、微生物、植物生長調(diào)節(jié)劑等, 與成膜劑、著色劑、填料等結(jié)合并用于種子表面的組合物[6］。其在種子殺菌、釋緩藥肥、防治病蟲鼠害、提高作物抗逆性和降低環(huán)境污染等方面均發(fā)揮著重要作用[7, 8］。成膜劑則是種衣劑中關(guān)鍵組分。目前, 成膜劑主要采用人工合成高分子化合物, 在自然環(huán)境中難以降解, 長期大量施用對土壤結(jié)構(gòu)和環(huán)境造成較大破壞, 為了進一步降低種衣劑對環(huán)境的污染, 理想的成膜劑在發(fā)揮完作用后可以快速自然降解[9］。天然高分子化合物往往容易生物降解, 并且與種子和大多數(shù)殺菌劑、殺蟲劑、添加劑兼容, 具有較高的安全性和環(huán)保性[10］, 可以適用于生物型種衣劑[11］。

殼聚糖來源于自然界中的甲殼素, 原料豐富, 是天然的高分子堿性氨基多糖, 是一種良好的化合物載體。具有無毒、易生物降解、與種子和活性成分兼容性好等特點[12］。此外, 殼聚糖具有良好的成膜性[13］, 低分子質(zhì)量的殼寡糖還具有抗菌性和生物刺激素的作用, 對提高種子和幼苗的抗逆性和發(fā)育具有良好作用, 其次還具有高彈性、低密度、高韌性、價格低廉、無毒無害、不會產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點, 是公認的環(huán)境友好型材料, 在用作種子包衣成膜劑方面具有廣泛的應(yīng)用前景[14-17］。殼聚糖可以單獨或復配其他高分子化合物用作種衣劑成膜劑[18］, 可以取得一定的包衣效果, 然而, 殼聚糖吸水溶脹性強, 成膜后遇水環(huán)境, 難以保持種衣劑的形態(tài)而失效, 故需要降低其吸水膨脹性, 以適應(yīng)用作種衣劑成膜劑的性能需要。殼聚糖分子富含氨基和羥基, 在雙官能團的醛或酸酐等作用下可以進行交聯(lián)反應(yīng)[19］, 且反應(yīng)條件溫和, 交聯(lián)程度的適當提高可以明顯降低其吸水膨脹性, 增加成膜牢固度, 但交聯(lián)程度太高會使成膜的性能變差[20］, 需要探索合適的交聯(lián)程度。此外, 適當?shù)慕宦?lián)還可以形成良好的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[21］, 有利于分散和束縛活性組分, 使之達到緩釋的效果, 從而避免活性組分被溶解流失或過快被種子吸收, 還可用于制備環(huán)境友好、應(yīng)用廣泛的懸浮種衣劑[22］。

本研究主要采用戊二醛作為交聯(lián)劑, 對不同濃度的殼聚糖溶液進行不同程度交聯(lián), 探索交聯(lián)殼聚糖溶液的成膜性能和包衣性能及其對玉米種子發(fā)芽率的影響, 為制得生物可降解種衣劑奠定基礎(chǔ)。

1 試驗部分

1.1 材料

殼聚糖, 黏度100～200 mPa·s, 阿拉丁有限公司；冰乙酸, 分析純, 天津市天力化學試劑有限公司；戊二醛, 50%水溶液, 天津市大茂化學試劑廠；玉米種子, 河南省天中種子有限責任公司。

1.2 成膜劑的制備

稱取2.0 g 殼聚糖, 加入100 mL 去離子水中, 再加入1 mL 冰乙酸, 用磁力攪拌至殼聚糖全部溶解。取0.062 mL 50%的戊二醛邊攪拌邊加入上述溶液中, 反應(yīng)5 min 之后, 取50 mL 溶液倒入有機玻璃板（10 cm×10 cm×0.5 cm）中, 置于烘箱中50 ℃烘干成膜。因此, 殼聚糖質(zhì)量濃度2.0%, 戊二醛交聯(lián)劑用量占殼聚糖質(zhì)量的百分比為1.5%, 用2.0wt.%-1.5%表示, 下文中各樣品用類似表示方法。按照上述試驗步驟, 分別進行殼聚糖質(zhì)量濃度1.0%、1.5%、2.0%、2.5% 和交聯(lián)劑用量0%、1.5%、3.0%、6.0%、9.0%的試驗, 共20 組。

1.3 膜的拉伸強度分析

參照GB/T1040.3—2006[23］拉伸性能的測定, 對20 組試驗樣品用AG-IC 型拉伸試驗機測定試樣的拉伸強度。將膜裁成10 mm×30 mm 大小的啞鈴狀, 每個樣品做3 個測試樣, 在標距20 mm, 拉伸速度為10 mm/min 的條件下, 用拉伸測驗機測試其最大應(yīng)力值, 并取平均值。

1.4 成膜劑包衣性能測試

根據(jù)上述研究, 篩選出合適黏度和拉伸強度的交聯(lián)殼聚糖溶液, 由于殼聚糖濃度過高或者交聯(lián)劑用量過大導致溶液呈凝膠狀無法使用, 最終篩選出1.0wt.%-9.0%、1.5wt.%-3.0%、2.0wt.%-1.5% 3 組樣品和未交聯(lián)殼聚糖溶液作為成膜劑, 根據(jù)標準GB/Tl7768—1999[24］對成膜劑的黏度、成膜時間等成膜性能進行測試, 并采用玉米種子包衣后, 測試其包衣脫落率、包衣均勻度等包衣性能。

1.5 種子發(fā)芽率試驗

根據(jù)GB/T3543.4—1995[25］農(nóng)作物種子檢驗規(guī)程來進行發(fā)芽試驗。將上述未包衣、單純殼聚糖（未交聯(lián)）包衣和交聯(lián)殼聚糖包衣玉米種子共8 組, 按每組50 粒在30 ℃保持3 d 時間, 然后統(tǒng)計種子發(fā)芽率, 重復4 次, 當發(fā)芽率均在最大允許容差范圍內(nèi)時記錄平均發(fā)芽率。

2 結(jié)果與分析

2.1 成膜性能分析

采用FANGRUI NDJ-8T 轉(zhuǎn)子黏度計測試殼聚糖溶液黏度。交聯(lián)殼聚糖溶液部分由于黏度過大, 超量程而無法測量。測試結(jié)果如表1 所示, 未交聯(lián)殼聚糖溶液的黏度較小, 殼聚糖質(zhì)量濃度為1.0%時, 其黏度為51.3 mPa·s, 隨著殼聚糖濃度的增加, 黏度增加, 當殼聚糖質(zhì)量濃度為2.5%時, 其黏度為749.8 mPa·s, 黏度升高較為明顯。當殼聚糖溶液進行戊二醛交聯(lián)后, 其黏度明顯增加, 可測樣品中, 1.5wt.%-3.0%樣品的黏度最高, 為3 459.4 mPa·s, 約是1.5wt.%-0%樣品黏度的23 倍；1.0wt.%-9.0%樣品黏度稍?。?.0wt.%-1.5%樣品黏度最小, 為2 886.5 mPa·s, 相同濃度的其他樣品由于交聯(lián)劑用量較高, 呈現(xiàn)凝膠狀。黏度大小反映了分子質(zhì)量的大小, 不同黏度的殼聚糖溶液對成膜性能有很大的影響, 上述可測濃度樣品可選作種衣劑成膜劑。

表1 不同濃度和交聯(lián)劑用量殼聚糖溶液的成膜性能

經(jīng)過成膜試驗, 未交聯(lián)殼聚糖溶液的成膜時間較長, 隨著溶液濃度的增加, 成膜時間有所下降, 經(jīng)過戊二醛交聯(lián)后, 成膜時間明顯下降, 均低于10 min, 其中殼聚糖質(zhì)量濃度為1.5%, 交聯(lián)劑用量為3.0%時成膜時間最短, 僅需5.9 min。未交聯(lián)殼聚糖包衣后脫落率均高于20%, 經(jīng)過交聯(lián)后, 其包衣脫落率明顯下降, 說明適當?shù)慕宦?lián), 能有效降低殼聚糖的溶脹剝離情況；經(jīng)過交聯(lián)后, 包衣均勻度也得到提升, 但1.0wt.%-9.0%樣品的包衣均勻度較其他交聯(lián)成膜劑低, 可能是由于交聯(lián)度過大造成分散不均勻?？傮w而言, 經(jīng)過交聯(lián)后的殼聚糖溶液基本符合成膜劑對成膜性能的要求。

2.2 膜的形貌分析

不同濃度和交聯(lián)劑用量殼聚糖溶液成膜后的光學觀察如圖1 所示。膜表面光滑、有光澤, 其中, 圖1d 為未交聯(lián)殼聚糖膜, 呈均勻淺黃色, 韌性較強。不同濃度殼聚糖溶液成膜后外觀與其基本相同, 僅膜厚度和柔韌性有所差別。隨著交聯(lián)劑用量的升高, 膜的顏色加深, 逐漸變?yōu)樽丶t色, 膜內(nèi)部的不規(guī)則網(wǎng)狀紋路越來越密集明顯, 且其韌性變差, 脆性增加。因此, 并非交聯(lián)劑用量越高, 越適宜用作成膜劑, 需要通過其他性能選擇適當?shù)慕宦?lián)度。

將圖1 所示樣品進行掃描電子顯微鏡（SEM）觀察, 如圖2 所示。未交聯(lián)殼聚糖膜表面十分光滑平整, 微觀結(jié)構(gòu)細膩均勻, 無明顯凸凹和孔洞（圖2d）。圖2c 為交聯(lián)劑用量為1.5%的樣品, 膜表面變得凹凸不平, 呈現(xiàn)顆粒感, 且有一些孔洞形成, 隨著交聯(lián)劑用量的升高, 膜表面的孔洞數(shù)量增加, 孔洞尺寸增加, 交聯(lián)劑用量為9.0%（圖2a）時, 孔洞尺寸為100～600 nm。殼聚糖交聯(lián)后形成的這些孔洞有利于水分和氧氣的通過, 此外, 交聯(lián)也有助于成膜劑更好地鎖住活性組分。

圖1 不同濃度和交聯(lián)劑用量殼聚糖溶液所成膜的光學觀察

圖2 不同濃度和交聯(lián)劑用量殼聚糖溶液所成膜的SEM 觀察

2.3 拉伸性能分析

拉伸性能測得的結(jié)果如圖3 所示。未交聯(lián)殼聚糖溶液成膜后, 膜的拉伸強度隨著溶液濃度的升高而升高, 同一濃度溶液成膜后, 膜的力學性能隨交聯(lián)劑用量的提高先增加后降低, 且隨著交聯(lián)劑用量的增加, 其力學性能增加變緩, 當交聯(lián)劑用量超過6.0%時, 其拉伸強度開始下降, 說明交聯(lián)劑用量較高時, 膜的脆性增加。較高濃度殼聚糖溶液交聯(lián)后, 膜的力學性能變化趨勢基本相同。

圖3 中圈內(nèi)指示樣品即為不同濃度殼聚糖溶液交聯(lián)后可用的最大交聯(lián)劑用量, 當在同一濃度下, 超過當前交聯(lián)度時, 溶液呈凝膠狀, 不能用于成膜劑。如在殼聚糖溶液質(zhì)量濃度2.5%、交聯(lián)劑用量1.5%時即成為凝膠狀, 由于其濃度較大, 基本不能交聯(lián)后使用, 不交聯(lián)時膜的拉伸強度為32.5 MPa；殼聚糖溶液質(zhì)量濃度2.0%時可按交聯(lián)劑用量1.5%進行交聯(lián), 其膜的拉伸強度為37.5 MPa；殼聚糖溶液質(zhì)量濃度為1.5%時則可按交聯(lián)劑用量3.0%進行交聯(lián), 其膜的拉伸強度為42.2 MPa；當殼聚糖溶液質(zhì)量濃度為1.0%時, 由于其濃度較小, 當交聯(lián)劑用量為9.0%時, 溶液較適合用作成膜劑, 其膜的拉伸強度為42.2 MPa。

圖3 不同質(zhì)量濃度和交聯(lián)劑用量殼聚糖溶液所成膜的拉伸性能

2.4 膜的紅外分析

上述4 種樣品的紅外光譜如圖4 所示, 可以看出, 未交聯(lián)的殼聚糖膜在3 378 cm-1左右的峰為O-H的伸縮振動吸收峰和N-H 的伸縮振動吸收峰重疊而成多重寬峰；2 926 cm-1左右是C-H 伸縮振動峰, 1 556 cm-1處的峰為-NH2的特征峰；1 412 cm-1左右是C=N 的伸縮振動吸收峰；在1 082 cm-l和1 025 cm-1處的多重峰是C-O 伸縮振動峰；在650 cm-l附近是C-H 面外彎曲振動峰。殼聚糖經(jīng)過戊二醛交聯(lián)后, 3 378 cm-1左右的寬峰逐漸變窄, 說明氨基和醛基發(fā)生反應(yīng)導致氨基數(shù)量減少；2 926 cm-1左右峰逐漸增強, 說明C-H 含量增加；l 556 cm-1處形成多重峰, 特別是1 535 cm-1處的峰增強, 說明-CNH 基團形成；1 412 cm-1和1 082 cm-1左右的峰逐漸變強, 是因為C=N 鍵增多；1 082 cm-1處的峰也變強, 這是因為醛基與氨基反應(yīng)使體系中-CH2基團增加。綜上所述, 說明殼聚糖與戊二醛已經(jīng)反應(yīng), 并且交聯(lián)程度隨著交聯(lián)劑用量的增加而增加。

圖4 不同質(zhì)量濃度殼聚糖溶液和交聯(lián)劑用量所成膜的FTIR 譜

2.5 種子發(fā)芽率分析

未包衣和包衣玉米種子均采用同一種方法進行發(fā)芽試驗, 其種子平均發(fā)芽率結(jié)果如表2 所示。空白對照組（未包衣）種子的發(fā)芽率為90%；經(jīng)過不同濃度未交聯(lián)殼聚糖包衣后, 玉米種子的發(fā)芽率基本≥90%, 僅殼聚糖質(zhì)量濃度為2.5%包衣后種子發(fā)芽率略微下降, 說明殼聚糖濃度過高對種子發(fā)芽存在一些消極影響。殼聚糖經(jīng)過交聯(lián)后, 其種子發(fā)芽率與空白組相比變化較為明顯, 2.0wt.%-1.5%樣品包衣種子的發(fā)芽率最高, 達93%, 而隨著交聯(lián)劑用量的提高, 1.0wt.%-9.0%樣品包衣種子的發(fā)芽率僅76%, 種子發(fā)芽率下降較為明顯, 說明殼聚糖經(jīng)過適當程度的交聯(lián), 有利于提高成膜劑的包衣性能。結(jié)合前面力學強度分析可知, 1.0wt.%-9.0%和1.5wt.%-3.0%樣品膜的拉伸強度高于2.0wt.%-1.5%樣品, 說明過高的拉伸強度可能限制了種子的吸水膨脹, 從而影響其萌發(fā), 而2.0wt.%-1.5%樣品膜兼具良好的力學性能、吸濕性和透氣性, 有利于種子的萌發(fā)。

表2 玉米種子的發(fā)芽率

4 小結(jié)

經(jīng)過對不同濃度和交聯(lián)劑用量殼聚糖成膜劑黏度、成膜性能、膜的形貌和結(jié)構(gòu)以及成膜劑包衣后玉米種子發(fā)芽情況等多方面的研究, 得出以下結(jié)論。

1）殼聚糖溶液具有良好的成膜性, 進行玉米種子包衣后, 基本不影響玉米種子的發(fā)芽率, 但單純殼聚糖成膜劑遇水環(huán)境后會溶脹脫落, 造成種衣劑失效。

2）經(jīng)過適當交聯(lián)改性后, 殼聚糖膜的力學性能大大增強, 其玉米種子發(fā)芽率受交聯(lián)劑用量的影響較大, 交聯(lián)劑用量過大時, 膜的力學強度過大, 吸水性降低, 從而使玉米種子發(fā)芽率低于空白組, 適當程度的交聯(lián)則有利于提高玉米種子發(fā)芽率。

3）經(jīng)過綜合研究, 目前篩選出2.0wt.%-1.5%成膜劑, 即殼聚糖質(zhì)量濃度2.0%, 戊二醛交聯(lián)劑用量1.5%, 包衣后玉米種子的發(fā)芽率為93%, 為試驗樣品中最高, 其黏度為2 886.5 mPa·s, 成膜時間為9.6 min, 膜的拉伸強度為37.5 MPa, 包衣脫落率為8.4%, 包衣均勻度為91.8%, 基本滿足種衣劑中成膜劑的應(yīng)用要求。