殼聚糖膜的制備及性能測(cè)定

趙麗麗，解則安，李露，于世濤

(青島科技大學(xué) 化工學(xué)院，山東 青島 266042)

殼聚糖是一種天然高分子生物質(zhì)資源，屬于氨基多糖，是至今為止唯一發(fā)現(xiàn)的帶陽離子性質(zhì)的堿性多糖，廣泛存在于自然界中的蝦、蟹等節(jié)肢動(dòng)物、軟體動(dòng)物、環(huán)節(jié)動(dòng)物以及真菌細(xì)胞中，具有原料豐富、再生迅速、環(huán)境和生物相容性好、可生物降解等優(yōu)點(diǎn)。殼聚糖在體內(nèi)降解成寡聚糖后，可進(jìn)一步水解，通過代謝轉(zhuǎn)化成糖蛋白，并以多種方式代謝并排泄［1-2］。殼聚糖作為天然高分子膜材料，已在食品保鮮［3］、增稠［4］及可食用膜［5］等方面有廣泛應(yīng)用。近年來，在止血材料、組織修復(fù)材料、藥物載體等方面也得到了眾多的研究和應(yīng)用［6-7］。但是目前對(duì)殼聚糖膜在機(jī)械強(qiáng)度方面的成膜工藝考察不夠詳盡，機(jī)械強(qiáng)度僅為41.98 MPa［8］，拉伸效果也不盡理想，因此，本文詳細(xì)探討了HAc 條件下殼聚糖的成膜工藝，以及獲得最大拉伸強(qiáng)度殼聚糖膜的制備條件。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

殼聚糖(黏均分子量117 萬，批號(hào)20131109，脫乙酰度≥95%);冰醋酸、氫氧化鈉均為分析純。

1.2 殼聚糖膜的制備

將殼聚糖溶解在HAc 溶液中得到殼聚糖原液，將原液流延于直徑為90 mm 的培養(yǎng)皿上，自然流延成膜，在40 ℃烘箱中(干燥溫度過高會(huì)造成干燥后的膜成糊狀，過低會(huì)增加成膜的干燥時(shí)間，所以選擇溫度比較適宜的40 ℃)烘至全干。配制一定濃度的NaOH 溶液加入培養(yǎng)皿中浸泡，得到成型的殼聚糖濕膜。揭膜并用清水洗至中性，自然晾干得到干燥完全的膜。

1.3 性能測(cè)試及結(jié)構(gòu)表征

1.3.1 膜的拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定選取干凈平整的膜試樣，用萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)定膜的拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率。測(cè)定條件為:拉伸速率100 mm/min，間距 30 mm，測(cè)定環(huán)境溫度(23 ±1)℃，相對(duì)濕度為(50 ±2)%。

①將膜干燥至恒重，用紙張厚度測(cè)定儀分別測(cè)定膜的5 個(gè)不同位置處的厚度，然后取平均值，則為干態(tài)膜的平均厚度;②用標(biāo)準(zhǔn)切紙刀將膜裁剪成15 mm 寬度，長(zhǎng)度＞30 mm 的長(zhǎng)方形膜;③準(zhǔn)確稱量該特定長(zhǎng)度下的膜的質(zhì)量及計(jì)算膜的面積，計(jì)算得到膜面積比重，單位為g/m2;④在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上輸入膜的單位面積比重后，記錄膜的斷裂強(qiáng)力(F)、斷裂伸長(zhǎng)率(R)等數(shù)據(jù)。

拉伸強(qiáng)度(σ)［9］計(jì)算按以下公式:

σ=F/(b×d)

式中 F——斷裂強(qiáng)力，N;

b——膜有效寬度，mm;

本試驗(yàn)的試件為圓柱體試件，尺寸為Φ100 mm×200 mm。根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[13](GB/T 50082—2009)(以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》)，將混凝土試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28 d后再進(jìn)行試驗(yàn)。

d——膜厚度，mm。

1.3.2 殼聚糖膜的結(jié)構(gòu)表征采用紅外光譜儀表征殼聚糖的結(jié)構(gòu)組成，測(cè)試光譜范圍4 000 ～500 cm－1，分辨率≤0.05 cm－1。

采用旋轉(zhuǎn)極X 射線粉末衍射儀測(cè)定殼聚糖膜的結(jié)晶性，掃描角度(2θ)為5 ～100 °，掃描速度為2. 4 (°)/min。靶型:Cu，管流管壓為40 kV 和40 mA，濾波片為Ni。

采用掃描電鏡觀察膜的表面及截面形貌。干膜表面及截面噴鍍金鈀合金，加速電壓為20 kV。

2 結(jié)果與討論

2.1 殼聚糖膜機(jī)械性能的影響因素考察

2.1.1 HAc 濃度按照1.2 節(jié)的方法制備殼聚糖膜，將殼聚糖溶解于不同濃度的HAc 溶液中，配成殼聚糖濃度為1.0%的溶液，在40 ℃下烘干成膜，在6%的NaOH 溶液中浸泡3 h 脫膜，洗凈晾干，測(cè)定殼聚糖膜的機(jī)械性能。

表1 HAc 濃度對(duì)殼聚糖膜的影響Table 1 The effect of HAc concentration on chitosan membrane

由表1 可知，隨著HAc 濃度的增加，膜的斷裂強(qiáng)度也隨之增加，當(dāng)HAc 濃度達(dá)到3%時(shí)，膜的斷裂強(qiáng)度達(dá)到最大。但當(dāng)HAc 濃度繼續(xù)增加時(shí)，斷裂強(qiáng)度反而下降。因?yàn)楫?dāng)HAc 濃度較低時(shí)，溶解殼聚糖需要的時(shí)間長(zhǎng)，殼聚糖可能發(fā)生緩慢降解，分子鏈被破壞，所以殼聚糖膜的機(jī)械強(qiáng)度低;當(dāng)HAc 濃度較高時(shí)，堿液與HAc 中和的過程中HAc 分子大量從膜表面溢出，殼聚糖分子結(jié)構(gòu)疏松，導(dǎo)致膜的機(jī)械強(qiáng)度下降。所以選擇3%的HAc 溶液作為溶劑溶解殼聚糖。

2.1.2 原料濃度按照1.2 節(jié)的方法，將3%的HAc 溶液溶解殼聚糖，配成一定濃度梯度的殼聚糖HAc 溶液，在40 ℃下烘干成膜，在6%的NaOH 溶液中浸泡3 h 脫膜，洗凈晾干，測(cè)定殼聚糖膜的機(jī)械性能。由表2 可知，隨著殼聚糖濃度的增高，膜的斷裂強(qiáng)度增強(qiáng)，在1.5%的濃度下得到的膜斷裂強(qiáng)度最大。但當(dāng)殼聚糖濃度繼續(xù)增加時(shí)，膜的斷裂強(qiáng)度反而下降。這是因?yàn)闅ぞ厶悄し肿拥呐帕须S濃度有一定的變化，在低濃度時(shí)分子排列較規(guī)整，濃度稍大分子排列雜亂，影響了成膜機(jī)械強(qiáng)度的大小。而且如果濃度過小，殼聚糖溶液流動(dòng)性大，薄膜厚度也不均勻，且不易成膜和揭膜;但是濃度過大，殼聚糖溶液粘稠，不易脫泡，涂層厚且不均勻［10］。因此1.5%的原料濃度可以得到機(jī)械性能較好的殼聚糖膜。

表2 原料濃度對(duì)殼聚糖膜的影響Table 2 The effect of raw materials concentration on chitosan membrane

2.1.3 NaOH 濃度按照1.2 節(jié)的方法，配制3%的HAc 溶液溶解殼聚糖，配成1.5%的殼聚糖HAc溶液，在40 ℃下烘干成膜，在不同濃度的NaOH 溶液中浸泡3 h 脫膜，洗凈晾干，測(cè)定殼聚糖膜的機(jī)械性能。

表3 NaOH 濃度對(duì)殼聚糖膜的影響Table 3 The effect of NaOH concentration on chitosan membrane

由表3 可知，在NaOH 濃度為6%得到的殼聚糖膜的斷裂強(qiáng)度最大。在NaOH 溶液中浸泡的過程，即是干燥后膜內(nèi)殘留的HAc 分子與堿液相互中和的過程。如果濃度過小，兩者接觸不充分，造成取膜困難;濃度過大會(huì)導(dǎo)致HAc 分子中和過快，造成殼聚糖膜的韌性不夠。所以選擇6% NaOH 溶液作為溫性堿液浸泡殼聚糖膜。

2.1.4 堿液浸泡時(shí)間按照1.2 節(jié)的方法，配制3%的HAc 溶液溶解殼聚糖，配成1.5%的殼聚糖HAc 溶液，在40 ℃下烘干成膜，在6%的NaOH 溶液中浸泡不同時(shí)間脫膜，洗凈晾干，測(cè)定殼聚糖膜的機(jī)械性能。由表4 可知，殼聚糖膜在原料濃度、HAc 濃度與NaOH 溶液濃度一致的前提下，在浸泡3 h 時(shí)可以得到斷裂強(qiáng)度最大的殼聚糖膜。因?yàn)榻輹r(shí)間不夠的話，殼聚糖膜中的HAc 分子與堿液中和不完全，膜難以取下，揭膜過程中容易撕裂;而如果浸泡時(shí)間太長(zhǎng)，NaOH 會(huì)對(duì)殼聚糖膜有一定的侵蝕作用，導(dǎo)致膜性能的下降。因此，選擇浸泡3 h 作為在堿液中的浸泡時(shí)間。

表4 堿液浸泡時(shí)間對(duì)殼聚糖膜的影響Table 4 The effect of soaking time on chitosan membrane

2.1.5 甘油濃度雖然用純的殼聚糖做出的膜機(jī)械強(qiáng)度較好，但是膜的斷裂伸長(zhǎng)率不高，因此加入增塑劑甘油，它可以有效的降低殼聚糖分子間的作用力，而且可以增加薄膜的柔韌性，減少脆性，防止膜開裂［11］。因此按照2.1.4 節(jié)的方法，在殼聚糖溶液中加入一定濃度梯度的甘油，在堿液中浸泡3 h 得膜，測(cè)定殼聚糖膜的機(jī)械性能。

表5 甘油濃度對(duì)殼聚糖膜的影響Table 5 The effect of glycerine concentration on chitosan membrane

由表5 可知，隨著甘油加入量的增大，殼聚糖膜的拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但其斷裂伸長(zhǎng)率先增大后趨于平緩，但是斷裂強(qiáng)度下降的幅度要比斷裂伸長(zhǎng)率的增長(zhǎng)幅度緩慢，綜合兩方面因素考慮，選取甘油和殼聚糖相對(duì)配比為8%，殼聚糖膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率都表現(xiàn)得較為理想。

得到的最佳工藝:以3% 的HAc 溶液溶解1.5%的殼聚糖原料，加入甘油(N=m甘油/m殼聚糖)為8%，得到成膜原液后，轉(zhuǎn)移到玻璃培養(yǎng)皿中流延成膜，在40 ℃烘箱中完全烘干，在6%的NaOH 溶液中浸泡3 h。取出后溫水沖洗至中性，干燥得膜。得到殼聚糖膜的拉伸強(qiáng)度為88.74 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為14.3%，并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征。

2.2 殼聚糖膜的結(jié)構(gòu)表征分析

2.2.1 紅外分析圖1 為殼聚糖膜的紅外光譜圖。

圖1 殼聚糖膜的紅外光譜圖Fig.1 Chitosan membranes infrared spectra

由圖1 可知，3 433.1 cm－1處的寬峰是υ(N─H)與υ(O─H)重疊而成的多重吸收峰，這個(gè)寬峰說明這些氨基和羥基存在著強(qiáng)弱不同的分子內(nèi)和分子間氫鍵。2 922.0 cm－1是─CH3反對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰。2 970.2 cm－1和2 885.4 cm－1為υ(C─H)的吸收譜帶，這兩個(gè)峰的吸收強(qiáng)度都較強(qiáng)，峰形較陡，說明該殼聚糖樣品的脫乙酰度較高。1 645 cm－1為υ(C O)的特征譜帶，1 090 cm－1為υ(C─O)(二級(jí)醇羥基)的特征譜帶，1 035 cm－1為υ(C─O)(一級(jí)醇羥基)的特征譜帶，894 cm－1是多糖的β-構(gòu)型糖苷鍵的特征峰。與殼聚糖原料的紅外譜圖基本一致［12］，因此，在溶解過程中殼聚糖分子的基本骨架未發(fā)生改變。

2.2.2 X-射線衍射分析圖2 為殼聚糖膜的X-射線衍射峰。

由圖2 可知，殼聚糖分子內(nèi)及分子間都存在較強(qiáng)的氫鍵作用，分子結(jié)構(gòu)較規(guī)整，因而呈現(xiàn)出較強(qiáng)的結(jié)晶性和較高的致密性。殼聚糖膜在2θ =10，20°都出現(xiàn)兩個(gè)主要的衍射峰，說明殼聚糖膜具有晶體結(jié)構(gòu)，且結(jié)晶形式與文獻(xiàn)報(bào)道殼聚糖膜的結(jié)晶性一致［13］。

圖2 殼聚糖膜的X-射線衍射圖譜Fig.2 X-ray diffraction patterns of chitosan membrane

2.2.3 掃描電鏡分析

由圖3、圖4 可知，殼聚糖膜表面平整、致密，較光滑，稍微有顆粒狀突起，膜中殼聚糖和甘油形成了錯(cuò)綜復(fù)雜的離子交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且進(jìn)一步放大觀察也證實(shí)復(fù)合膜中各組分之間并沒有產(chǎn)生相分離，且有很好的相容性。

圖3 殼聚糖膜表面Fig.3 Surface of chitosan membrane

圖4 殼聚糖膜截面Fig.4 Cross section of chitosan membrane

3 結(jié)論

(1)殼聚糖的成膜性能受HAc 濃度、殼聚糖濃度、NaOH 濃度、堿液浸泡時(shí)間、甘油濃度的影響。通過優(yōu)化，得到了制作殼聚糖膜的最佳工藝。即以3%的醋酸溶液溶解1.5%的殼聚糖原料，加入甘油(N=m甘油/m殼聚糖)8%，得到成膜原液后，轉(zhuǎn)移到玻璃培養(yǎng)皿中流延成膜，在40 ℃烘箱中完全烘干，在6%的NaOH 溶液中浸泡3 h。取出后溫水沖洗至中性，干燥得膜。得到殼聚糖膜的拉伸強(qiáng)度為88.74 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為14.3%。

(2)IR 譜圖分析說明在溶解過程中殼聚糖分子的基本骨架未發(fā)生改變，XRD 譜圖分析證明殼聚糖膜具有晶體結(jié)構(gòu)，且結(jié)晶形式與文獻(xiàn)報(bào)道殼聚糖膜的結(jié)晶性一致，SEM 分析證實(shí)復(fù)合膜中各組分之間并沒有產(chǎn)生相分離，且有很好的相容性。

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