離子交聯法制備殼聚糖/結冷膠可降解復合膜的研究

高 翔，劉炳杰，李夢琦，汪東風，徐 瑩

(中國海洋大學食品科學與工程學院，山東青島 266003)

離子交聯法制備殼聚糖/結冷膠可降解復合膜的研究

高 翔，劉炳杰，李夢琦，汪東風*，徐 瑩

(中國海洋大學食品科學與工程學院，山東青島 266003)

以殼聚糖和結冷膠為成膜材料，甘油為增塑劑，4%檸檬酸鈉和2%氯化鈣溶液為交聯劑，制備水不溶性可降解復合膜。研究交聯時間和交聯pH對復合膜機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－射線衍射對其結構和熱穩定性進行表征。結果表明，檸檬酸鈉和氯化鈣對復合膜的交聯降低了殼聚糖和結冷膠的結晶度，提高了復合膜的熱穩定性;當交聯時間為5min、交聯溶液pH為6時，復合膜的機械性能最好，抗拉強度達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);復合與離子交聯改善了單一膜機械性能不足及阻水性差的缺點。

殼聚糖，結冷膠，離子交聯，復合膜

包裝在為食品提供保護，防止食品受外界微生物或其它物質的污染，防止或減少食品氧化和其它反應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］，其化學性質穩定，不易降解，造成嚴重的能源浪費和環境污染;此外，包裝材料中有害物質的遷移是造成食品不安全的因素［2］。可降解包裝膜是以天然可降解物質(如多糖類、蛋白質和脂類)為原料，通過不同分子間相互作用形成的具有多孔網絡結構的薄膜［3］，具有綠色、安全、無污染等優點。殼聚糖和結冷膠是兩種食品級多糖，但單一成分的多糖膜因機械強度不足，阻水性差等問題，限制其應用，將兩種多糖復合并交聯改性是改善其缺點的有效方法。常見的用于多糖膜的交聯劑有甲醛、乙二醛、戊二醛、環氧氯丙烷等［4］，在成膜液中添加交聯劑，或在膜的后處理過程使用交聯劑，能夠改善膜的機械性質和阻隔性質［5］。但上述交聯劑的加入可能帶來安全性問題，離子交聯逐漸受到了國內外研究者的重視［6－8］。例如，Ca2+、Zn2+等多價陽離子能交聯結冷膠、海藻酸鈉、明膠、卡拉膠等;SO、三聚磷酸鈉、檸檬酸鈉等多價陰離子能夠交聯殼聚糖。本實驗以殼聚糖和結冷膠為成膜材料，甘油為增塑劑，檸檬酸鈉和氯化鈣為交聯劑，制備水不溶性可降解復合膜，研究不同交聯時間和pH對膜性質的影響，并利用SEM、FT－IR、XRD和DSC對復合膜的結構進行表征，以期為離子交聯復合膜的應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，青島海普生物技術有限公司;結冷膠食品級，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質構儀 美國食品技術公司;102型電熱鼓風干燥器 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 實驗方法

1.2.1 膜的制備

1.2.1.1 膜液的配制 結冷膠膜液:稱取2g結冷膠，溶于100mL蒸餾水中，加入0.4%的甘油，加熱，磁力攪拌至結冷膠完全溶解，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冷膠膜液，玻璃毛細管涂布均勻，置于50℃烘箱中干燥后揭膜，于室溫、相對濕度為50%的環境中平衡備用。

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

1.2.1.4 交聯復合膜的制備 按1.2.1.3制備未交聯復合膜，干燥成膜后將其置于檸檬酸鈉與氯化鈣溶液中浸漬，進行交聯處理，交聯一定時間后用蒸餾水沖洗膜表面，并于自然環境下干燥揭膜，置于室溫、相對濕度為50%的環境中，平衡至少2d后，測定膜的各項性能［10］。

1.2.2 復合膜性能的測定

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

1.2.2.2 拉伸強度與斷裂伸長率 膜的機械性質測定方法參照文獻［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［12］。

1.2.2.4 水溶性 膜的水溶性測定方法參照文獻［13］。

1.2.2.5 溶脹度 膜的溶脹度測定方法參照文獻［13］。

2 結果與討論

2.1 交聯時間對復合膜性質的影響

復合膜必須具有較高的機械強度和較好的阻隔性能才能應用到生活中。因此，本實驗以抗拉強度大，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合膜的最佳指標。

在考察交聯時間對復合膜性質的影響時，固定4%檸檬酸鈉－2%氯化鈣溶液pH為7。由圖1可知，隨著交聯時間的增加，復合膜的抗拉強度呈增加趨勢，在交聯時間為15min時達到最大值，隨著交聯時間的繼續增加，抗拉強度隨之降低，在30min以后基本保持不變。交聯后復合膜的抗拉強度均高于未經交聯的復合膜，這表明檸檬酸鈉－氯化鈣離子交聯劑的交聯能有效提高復合膜的機械性能。當交聯時間到30min時，復合膜的抗拉強度從 15min時的77.71MPa下降到52.46MPa，這可能是隨著交聯時間的延長，部分甘油從復合膜中溶出，使得復合膜的結構變得松散，導致抗拉強度下降。

圖1 交聯時間對復合膜機械性能的影響Fig.1 Effect of cross－linking time on mechanical properties of the composite film

未交聯復合膜的斷裂伸長率為5.13%，交聯時間為30min時斷裂伸長率下降到最低點3.25%，但對于交聯復合膜來說交聯時間對斷裂伸長率的影響很小。交聯復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;另一方面交聯過程中部分甘油溶解到交聯溶液中，增塑劑含量降低，使膜的延展性下降［13］。

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

圖2 交聯時間對復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，復合膜的溶脹度隨交聯時間降低，在交聯時間為15min時達到最小值281.32%，隨交聯時間繼續增加，溶脹度又隨之增加。由圖4可知，交聯后復合膜的水溶性明顯降低，水溶性最低點僅為1.43%。這表明，檸檬酸鈉－氯化鈣的交聯能夠明顯提高殼聚糖－結冷膠復合膜的阻水性。

圖3 交聯時間對復合膜溶脹度的影響Fig.3 Effect of cross－linking time on swelling ratio of the composite film

圖4 交聯時間對復合膜水溶性的影響Fig.4 Effect of cross－linking time on water solubility of the composite film

2.2 交聯pH對復合膜性質的影響

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

圖5 交聯pH對復合膜機械性能的影響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pH對復合膜溶脹度和水溶性的影響，當交聯溶液pH為8時，交聯復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為交聯的最佳pH，此時，復合膜的抗拉強度為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pH對復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pH對復合膜溶脹度的影響Fig.7 Effect of pH on swelling ratio of the composite film

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

2.3 復合膜的表征

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，結冷膠膜有些微小的孔洞，膜連接不緊密，結構不緊實;殼聚糖膜雖然切面平整，結構緊實，但已出現裂紋;未交聯復合膜呈山脊狀，但增大放大倍數可見斷面也比較平整，說明兩種膜在連接面存在較強的相互作用力，相容性好，復合膜也存在一定程度的裂紋;如D2可知，復合膜被很好的交聯，結構非常緊密，沒有裂紋出現，這表明，離子交聯能更好的改善復合膜內部的結構以提升復合膜的性能。

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

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

D－離子交聯復合膜;1－平面電鏡圖，2－切面電鏡圖。四條譜線，交聯復合膜的熱穩定性是最好的，這是由于離子交聯劑與氨基、羧基產生作用，使水鏈結晶熔融峰向高溫方向移動，從而提高了交聯復合膜的熱穩定性。

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引起的譜帶，1638cm－1處的－NH2吸收峰強度較大，1518cm－1處的N－H帶較弱，這表明殼聚糖還存在一定數量的乙?；?5］。從結冷膠紅外譜圖可以看出，3434cm－1處的吸收峰是由－OH伸縮振動引起的，1715cm－1處說明有C=O存在，1636cm－1和1513cm－1分別對應的是－NH2峰和N－H峰。比較四張紅外譜圖，可以發現未交聯復合膜中的氨基和羥基的伸縮振動峰向低波數移動，這說明殼聚糖和結冷膠分子間存在著較強的分子間氫鍵作用;而交聯后復合膜中的氨基和羥基的伸縮振動峰在未交聯復合膜的基礎上向低波數移動且峰寬變寬［16］，殼聚糖膜的酰胺帶向低波數移動，這都進一步說明了交聯能夠增強復合膜分子間的相互作用力。由此看來，復合和交聯并沒有涉及功能團的產生或消失，主要的變化表現在非共價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，殼聚糖膜的兩個主要衍射峰，2θ在9.3°和20.6°，結冷膠膜有3個主要衍射峰，2θ在6.1、9.3、21.7°，而28.7°的衍射峰不太明顯;未交聯復合膜28.7°處的衍射峰消失，在6°左右的衍射峰變弱，保留了9°和20°左右的衍射峰，可以看出，復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冷膠分子之間存在著相互作用;與未交聯復合膜相比，交聯復合膜在6°左右的衍射峰消失，而9°和20°左右衍射峰的強度降低，這說明離子交聯劑與復合膜發生了交聯作用，從而增強了復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 結論

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

［1］Stuart R，Evans D.The environmental effect of reusing and recycling a plastic－basedpackaging system［J］.Journal of Cleaner Production，2003，11(5):561－571.

［2］盧敏，吳修利.我國食品包裝材料的安全現狀和發展趨勢［J］.吉林工商學院學報，2010，26(5):44－47.

［3］陳光，孫旸，王剛，等.可食性膜的研究進展［J］.吉林農業大學學報，2008，30(4):596－604.

［4］陳強，呂偉嬌，張文清，等.醛交聯劑對殼聚糖復合膜性能的影響［J］.華東理工大學學報，2005，31(3):398－402.

［5］張華，王振宇，王雪，等.多糖化學改性方法及其生物活性研究進展［J］.食品與發酵工業，2010，36(7):102－107.

［6］崔錚，相艷，張濤.硫酸交聯殼聚糖膜質子傳導行為的研究［J］.化學學報，2007，65(17):1902－1906.

［7］Shu X Z，Zhu K J，Song W H.Novel pH sensitive citrate cross－linked chitosan film for drug controlled release［J］.International Journal of Pharmaceutics，2001，212:19－28.

［8］Chan L W，Jin Y，Heng P W S.Cross linking mechanisms of calcium and zinc in production of alginate microspheres［J］.International Journal of Pharmaceutics，2002，242:255－258.

［9］汪東風.一種具有抗菌功能的海洋多糖多層復合包裝膜［P］.中國，CN201010577744.1.

［10］Yu Z，Yong S X，Fei L Y.Antimicrobial，physical and mechanical properties of kudzu starch－chitosan composite films as a function of acid solvent types［J］.Carbohydrate Polymers，2011，84:335－336.

［11］ASTM.Standard test methods for tensile properties of thin plastic sheeting［S］.method D882－00.Philadelphia，PA:American Society for Testing and Materials，2000a:34－38.

［12］ASTM.Standard test methods for water vapor transmission of materials［S］.method E 96－00.Philadelphia，PA:American Society for Testing and Materials，2000b:27－32.

［13］高美玲，汪東風，楊偉，等.離子交聯殼聚糖/海藻酸鈉可降解復合膜的研究［J］.中國海洋大學學報，2011，41(10): 61－66.

［14］Pavlath A E，Gosset C，Camirand W，et al.Ionomeric film of alginic acid［J］.Journal of Food Science，1999，64:61－63.

［15］Pearson F G，Marchessault R H，Liang C Y.Infrared spectra of crystalline polysaccharides.V.Chitin［J］.Polymer Science，2003，43:101－116.

［16］唐汝培，杜予民，樊李紅.魔芋葡甘聚糖/羧甲基淀粉共混膜及其阻水性能［J］.高分子材料科學與工程，2003，19(4): 181－184.

［17］KoyanoaT，Koshizakib N，Umehara H，et al.Surface states of PVA/chitosan blended hydrogels［J］.Polymer，2000，41: 4461－4465.

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 *通訊聯系人

高翔(1987－)，女，在讀碩士，研究方向:食品化學與營養。

海洋公益性行業科研專項經費項目(201005020－6);青島市公共領域科技支撐計劃項目(11－2－3－33－nsh)。