甲殼素-明膠復合膜性能研究

楊斯喬，李海朝

（青海民族大學化學與化工學院，青海西寧810007）

明膠是一種線形多肽高分子，它是膠原蛋白部分水解的產物，包含有18 種不同的氨基酸和部分三股螺旋結構[1]。由于膠原的水解原有的三股螺旋結構遭到破壞[2]，產生了氨基，羥基、羧基等官能團。這些基團的存在會產生極性作用或吸附異性電荷的相互作用，進而產生分子間的范德華力、靜電吸引、和氫鍵，有利于分子的結合[1，3-4]。明膠中含有較多的親水性氨基酸[5]，因此吸水性很強，能達到自身重量的5 倍到10 倍。吸水后會發生膨脹。明膠凝膠具有加熱融化、冷卻膠凝的可逆性，稱之為膠凝性。明膠凝膠熔點接近凝固點，且低于人體正常身體的生理溫度[6]，因此可做成可食用的食品包裝膜，但純明膠形成的膜質地比較脆、延展性差，存在著較多的缺點[7-9]。

甲殼素是一種可生物降解的天然高分子物質，廣泛存在于甲殼動物的外殼、各類昆蟲的表皮、軟體動物的骨髓及真菌和藻類的細胞壁中[10-11]，分子結構為2-乙酰氨基-2-脫氧-D-吡喃葡萄聚糖和2-氨基-2-脫氧-D-吡喃葡萄聚糖以β-1，4 糖苷鍵連接而成的二元線型聚合物[12]，具有一定的抗病毒能力[13]。由于甲殼素具有較高的分子量和較強的分子間氫鍵作用，因而難在一般溶劑中溶解[10-15]。因此甲殼素分子容易聚集，且不溶于水和其他有機溶劑，但可以溶于強酸強堿。此外甲殼素中的剛性鏈是通過氫鍵作用和親水性、疏水性相互作用平行排列的[15]。天然甲殼素具有高結晶度，存在有 α、β、γ3 種形式[16]，β 晶型可以轉化為 α 晶型[17-20]。由于甲殼素特有的性質，利用時均會對其進行處理將乙酰基脫去成為殼聚糖加以利用[21-22]，還可以通過硫酸改性，在醫學上起到抗腫瘤的作用[23]。

可食性膜通過分子間力的相互作用，形成的具有網格結構的膜，能夠阻擋一部分的氣體和水分的進入，并有一定的力學性能，有利于保持食品保鮮、延長食品在貨架上擺放的時間等性能，因此可食性膜，已經成為食品保鮮與包裝領域研究的熱點[24]。由于明膠有較好的凝膠性、生物相容性、生物可降解性[25]、官能團有利于形成氫鍵、水溶性較好等特點，因此用來當作制備復合膜的基體，通過添加不同的增強相來改變其性能，如添加魔芋粉[26]、香豆素[27]等。

本文主要以共混的方法制備不同濃度甲殼素-明膠的復合膜，從膜的力學性能和熱穩定性以及吸水性等方面進行檢測，判斷甲殼素作為增強相對基體明膠產生的改變。

1 材料和方法

1.1 材料和試劑

明膠（分析純）、甲殼素（生物純，98 %）：阿拉丁試劑（上海）有限公司；甘油（分析純）：天津大茂化學試劑廠。

1.2 儀器與設備

IRPrestige21 熱分析儀：日本島津公司；RSY-R2熱縮試驗儀、XLW 智能電子拉力試驗機：濟南蘭光機電技術有限公司；JCM-6000 BENCHTOP SEM 掃描電鏡：日本電子株式會社；XH-50E 數字控溫攪拌器：北京祥鵠科技發展有限公司；752N 紫外可見分光光度計：上海儀電分析儀器有限公司；NDJ-8 黏度計：上海方瑞儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 制備復合膜

取 5 g 明膠加入 70 mL 超純水，（20±1）℃下泡制30 min 讓明膠充分吸收水分，用磁力攪拌器60 ℃，攪拌30 min 速度不宜太快，后加入甘油2 mL，在60 ℃下攪拌30 min，后加入不同質量的甲殼素共混繼續攪拌，在60 ℃下攪拌60 min（濃度高時需要用超聲波清洗器，除泡40 min），最后將溶液置于自制的聚氯乙烯（polyvinyl chloride，PVC）板上采用流延法制備復合膜，常溫20 ℃條件下干燥不少于24 h，用手觸摸膜表面并未有濕潤感方可揭膜。

1.3.2 掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM）

用掃描電鏡對膜的表面形貌和斷面形貌的微觀結構進行觀察。

1.3.3 抗拉強度測試

按照GB/T 1040.3-2006《塑料拉伸性能的測試》，利用XLW 智能電子拉力試驗機進行測試，試樣寬度為30 mm，有效長度為100 mm，拉伸速度為200 mm/min，每組試樣測試3 次，得到抗拉強度數值取平均值。按照下式進行計算：

式中：σ 為抗拉強度，單位面積上的力，MPa；F 為力值，N；b 為寬度，mm；d 為厚度，mm。

1.3.4 斷裂伸長率測試

按照GB/T 1040.3-2006《塑料拉伸性能的測試》，利用XLW 智能電子拉力試驗機進行測試，試樣寬度為30 mm，有效長度為100 mm，拉伸速度為200 mm/min，每組試樣測試3 次，得到斷裂伸長率數值取平均值。按照下式進行計算：

式中：ε 為斷裂伸長率，%；l1為夾頭之間的距離，mm；l0為拉伸長度，mm。

1.3.5 熱差式掃描量分析

利用熱差式掃描量儀對甲殼素-明膠復合膜進行測試。對不同質量濃度甲殼素-明膠復合膜進行熱差式掃描量分析，將樣品剪成細小顆粒，稱量5 mg～10 mg，設定溫度范圍為22.4 ℃至200 ℃，升溫速率為 10 ℃/min，以Al2O3作空白對照。在以氮氣為保護氣體的環境中進行試驗，記錄結果，進行分析。

1.3.6 熱縮性測試

按照GB/T 13519-2016《包裝用聚乙烯熱收縮薄膜》規范，利用RSY-R2 熱縮試驗儀進行測試，試樣尺寸≦140 mm×140 mm，然后將試樣放入儀器內進行加熱，溫度為120 ℃，時間為20 s，取出冷卻后用直尺測量，每組試樣測試3 次，得到熱縮率數值，取平均值。熱縮率按照下式進行計算：

式中：E 為熱縮率，%；L0為加熱前試樣標線長度，mm；L 為加熱后試樣標線長度，mm。

1.3.7 吸水率測試

將復合膜進行裁剪，規格為20 mm×20 mm，置于干燥箱直至膜表面干燥無水分，用分析天平進行稱重，記為m0，然后將其放入蒸餾水中直至吸水完全，用濾紙吸去膜表面水分，稱重，記為m1，直至恒重（質量變化在1%以內）。吸水率按照下式計算：

式中：Q 為吸水率，%；m0為干膜重量，g；m1為濕膜重量，g。

1.3.8 紫外可見透光率測試

膜的透光率用752N 型紫外分光光度計，裁剪樣品尺寸為10 mm×50 mm，將膜樣品貼在比色皿外側，在400 nm～800 nm 下測試膜的透光率。以空氣作為空白對照。

1.3.9 明膠溶液黏度測定

按照GB 6783-2013《食品安全國家標準食品添加劑明膠》規范，將質量比為0 %、0.5 %、1 %、5 %、10%、15%、20%甲殼素與明膠進行共混，混合后的溶液倒入試管中用勃氏黏度計測量其黏度，用0 號轉子，在60 ℃下，12 r/min 下測得數據。

2 結果與分析

2.1 不同濃度甲殼素-明膠溶液黏度分析

運用黏度計對甲殼素-明膠溶液的黏度進行測定，結果見圖1，甲殼素分子結構式見圖2。

圖1 不同含量的甲殼素-明膠溶液黏度變化Fig.1 Solution viscosity with different concentration chitin in gelatin

圖2 甲殼素分子結構Fig.2 Chitin molecular structure

從圖1 中可以看出不同濃度甲殼素黏度的變化，明膠的黏度是影響明膠的成膜性的主要因素，黏度的大小反映了明膠中多肽鏈的長短和其分子量的大小。明膠多肽鏈越短，則明膠的網狀結構越容易形成，其黏度也就越小[28]。其中溶液中甲殼素含量10%時黏度最大為 17.7 mPa·s，其它各值相差不大均在 10 mPa·s～14 mPa·s 之間。從圖1 中可以看出隨著加入甲殼素的含量增加，其黏度值呈現出增長的趨勢，表明甲殼素破壞了明膠原有的網狀結構。由圖2 可知，由于甲殼素分子量較大且含有羥基，容易和明膠中的氨基和羥基形成氫鍵，從而破壞明膠結構使其與甲殼素結合形成較大的分子鏈，導致其黏度增加。當甲殼含在溶液中含量超過10%（最大黏度值）后，隨著甲殼素含量越來越高，明膠與甲殼素分子相互搶奪對方的基團成鍵，但由于轉子轉動時的剪切力，使得較大分子鏈，受到剪切力的影響，破裂變成小分子多肽，黏度降低。甲殼素在溶液中的含量為0.5%時，因為甲殼素的加入量少與明膠形成了分子鏈結合較好，形成了較為穩定的結構，所以0.5%時黏度最低，對比抗拉強度和斷裂伸長率0.5%處的數據，得0.5%力學性能較好。

2.2 不同含量甲殼素-明膠復合膜宏觀與微觀分析

運用SEM 對甲殼素-明膠復合膜的微觀結構進行測定，及復合膜的宏觀形貌，結果見圖3。

圖3 不同含量的甲殼素-明膠復合膜的微觀形貌Fig.3 SEM of composite membrane with different concentration chitin in gelatin

從圖3 中可以看甲殼素含量為0%、1%和20%時復合膜的SEM 圖像，及甲殼素-明膠復合膜的宏觀形貌。空白樣中甲殼素含量為0%，表面無雜質，基本比較平整；而甲殼素含量為1%時的復合膜有少量雜質的存在，但也比較平整；甲殼素含量為20%時的復合膜有較多的雜質，且不均勻的附著在表面，看出甲殼素含量越高和明膠的相容性越不好。

從宏觀圖中看出隨著甲殼素含量的升高，膜的表面出現的顆粒度的越來越多，這是由于甲殼素是生物大分子其結構本身較為穩定可以與明膠形成氫鍵，但在明膠基本不溶，摻雜在明膠膜中變現為顆粒，又由于甲殼素的分子間和分子內的力，導致其本身容易聚在一起，所以圖中甲殼素含量較高的膜看起來比較粗糙，雜質較多。

2.3 不同含量甲殼素-明膠復合膜抗拉強度分析

運用拉力試驗機對甲殼素-明膠復合膜的力學性能進行測定，結果見圖4。

圖4 不同含量的甲殼素-明膠復合膜的抗拉強度Fig.4 Tensile strength of composite membrane with different concentration chitin in gelatin

從圖4 中可以看出甲殼素含量不同時，復合膜的抗拉強度，呈現為波浪狀的下降趨勢。甲殼素是自然界中唯一帶有正電荷的纖維素[29]，而明膠中的羧基帶有負電荷，所以正負結合會產生一定的結合力；明膠和甲殼素之間形成氫鍵也會產生一定的結合力。加入甲殼素后抗拉強度整體為12 MPa 到20 MPa 之間，均比空白樣強，加入少量（0.5%）甲殼素時，明膠和甲殼素結合較好形成分子間氫鍵，從而起到了增強抗拉強度的作用；但隨著甲殼素含量的過多增加，抗拉強度出現減小，這是由于甲殼素含量增加，明膠與甲殼素結合生成的分子鏈之間互相搶奪對方的分子成鍵，使得兩者的結合變差，造成了抗拉強度的波浪狀減小；含量為20%時又略有增加，這是由于甲殼素含量較多，并且其分子與分子之間容易聚集，聚集在一起分子間結合力較強產生了分子間的剛性[30]，因此略有回升。得出0.5%甲殼素含量時復合膜抗拉強度較好，比空白樣增強67.4%。

在日常的生活中，使用的膜抗拉強度必須大于3.5 MPa[31]，對比所以數據均已超過3.5 MPa，并且甲殼素的加入讓其更好。膜的力學性能的強弱與明膠分子間排列結構[32]和結晶結構產生的作用力有關[33]，郭開紅等[34]海藻酸鈉對鰱魚皮明膠的影響，其抗拉強度是39.62 MPa，加入海藻酸鈉（20 %）其抗拉強度達到60 MPa 左右，隨著繼續添加開始減小。胡熠等[27]研究的香豆素對魚鱗明膠影響，空白樣時抗拉強度時10.58 MPa，加入 0.09（g/100 mL）香豆素時抗拉強度是11.69 MPa，隨后隨著香豆素的增加開始減小。與本次試驗結果相差不大。

2.4 不同含量甲殼素-明膠復合膜斷裂伸長率分析

運用拉力試驗機對甲殼素-明膠復合膜的力學性能進行測定，結果見圖5。

圖5 不同含量的甲殼素-明膠復合膜中的斷裂伸長率Fig.5 Elongation at break of composite membrane with different concentration chitin in gelatin

從圖5 中可以看出甲殼素含量不同時，復合膜的斷裂伸長率隨著甲殼素加入呈現的是先增加后有起伏的減小趨勢，空白樣的斷裂伸長率較低，在甲殼素含量較少（0.5%）時，斷裂伸長率增大，主要是因為形成甲殼素的分子與明膠結構產生氫鍵，結合較好產生了較穩定的大分子鏈，但隨著甲殼素含量的越來越高，甲殼素之間的分子力增強，容易聚集產生分子間的剛性，使得膜抗拉強度增加但彈性降低。得出0.5%甲殼素含量時，復合膜斷裂伸長率最優，比空白樣增強80.6%。

郭開紅等[34]海藻酸鈉對鰱魚皮明膠的影響，空白樣斷裂伸長率是2.77%，加入鈉溶液（20%）達到4%左右隨著繼續添加開始減小，與本次試驗結果相差不大。

2.5 不同含量甲殼素-明膠復合膜熱縮性能分析

運用熱塑試驗儀對甲殼素-明膠復合膜的熱穩定性能進行測定，結果見圖6。

圖6 不同含量的甲殼素-明膠復合膜中熱縮率Fig.6 Thermal shrinkage of composite membrane with different concentration chitin in gelatin

從圖6 中可以看出甲殼素含量不同時，復合膜的熱縮變化整體的趨勢是略有起伏下降的趨勢。熱縮是在120 ℃環境下加熱20 s，熱縮性能可視作薄膜中的分子鏈受熱發生解取向[35]。空白樣的熱縮率最差，受熱后影響較大，隨著甲殼素的加入，起到抑制復合膜熱縮率比例的作用，由于甲殼素的晶體分子結構較為穩定，在此溫度下受熱較為穩定，摻雜在明膠的結構中在受熱時，起到了一定的骨架支撐作用，所以甲殼素含量越多熱縮率越小。查閱文獻并未找到關于明膠熱縮率變化的文獻資料。得出加入甲殼素起到對熱縮的抑制作用，含量越大抑制越大，空白樣熱縮為61.75%，20%甲殼素含量的復合膜的熱縮為8.25%，減小了7倍。

2.6 不同含量甲殼素-明膠復合膜DSC 分析

運用熱差式掃描對甲殼素-明膠復合膜的DSC 進行測定，結果見圖7。

從圖7 中可以看出甲殼素含量不同時，復合膜的吸熱后的變化情況。含量為1%和0.5%基本所呈現的曲線幾乎完全重合，DSC 曲線中的峰面積則代表著單位質量的樣品發生相態轉變所需要吸收或釋放的熱量，而對吸熱反應而言，峰面積越大，相態轉變越困難[36]。

圖7 不同含量的甲殼素-明膠復合膜的DSC 圖像Fig.7 DSC of composite membrane with different concentration chitin in gelatin

從圖中可以看出第一個峰出現時的溫度差別不大（70 ℃～80 ℃），尤其是含量為0%、0.5%、1%和 5%時，DSC 曲線基本一致；甲殼含量為10%和15%時也基本一致；其次是甲殼素含量為20%時。由圖7 可知含量為10%、15%、20%的熱穩定性較好。對比空白樣（0%）熱穩定性得到改善，第一個峰為復合膜的熔融吸熱峰，在這個峰是由于復合膜發生吸熱融化，使得復合膜內的水分蒸發除去[37]。甲殼素含量為0%、0.5%、1%和5%時，出現高低不同的尖峰，其溫度也較為集中在130 ℃～160 ℃，但含量為10 %～20 %，溫度為130 ℃～160 ℃的未出現峰，表明甲殼素含量為0 %、0.5%、1%和5%時復合膜的熱穩定性較差，明膠與甲殼素吸熱后發生一些反應，出現的尖峰可能是由于分子中的作用力和分子間作用力在受熱時發生了改變如明膠分子間的氫鍵、明膠和甲殼素之間的氫鍵等吸熱現象引起的。從圖中可以看出高甲殼素含量的甲殼素-明膠復合膜相態的轉變比較困難，并且熱穩定性較高，這主要是因為甲殼素在254 ℃開始熱解并生成揮發性物質[38]，因此甲殼素在20 ℃～220 ℃范圍內不會發生熱解，所以甲殼素含量越高相態轉變就越困難，熱穩定性就越高。

2.7 不同含量甲殼素-明膠復合膜吸水性分析

運用天平對甲殼素-明膠復合膜的吸水質量變化進行測定，結果見圖8。

圖8 不同含量的甲殼素-明膠復合膜的吸水率Fig.8 Water-absorbing of composite membrane with different concentration chitin in gelatin

甲殼素-明膠復合膜的吸水12 h 后圖像，見圖9。

圖9 不同含量的甲殼素-明膠復合膜中吸水后的圖像Fig.9 Water-absorbing of composite membrane with different concentration chitin in gelatin picture in the end

從圖8 中可以看出，在同一環境下甲殼素含量不同時，復合膜的吸水能力各不相同，但基本的趨勢為甲殼素含量越高吸水率越低。開始的1 h 內吸水能力都比較強，隨著在水中浸泡的時間越來越長吸水性逐漸變弱，有些復合膜由于浸泡時間過長或發生溶解出現一些裂痕或破裂，甲殼素含量為1%和0%的復合膜在7 h 時還比較完整，但8 h 時破裂以無法將其取出稱量，甲殼素含量5%的復合膜在9 h 時破裂無法取出稱量。

明膠具有很好的吸水性，吸水后會膨脹變厚，且甲殼素具有較好的吸水保濕性[38]，加入甲殼素后其吸水性受到了抑制，甲殼素含量高的膜變厚的程度降低，這是可能由于明膠和甲殼素結合形成氫鍵后，使的水進入明膠和甲殼素中的結合的減少，使其在水中比較穩定。從圖8 中的純明膠的吸水性最高，加入甲殼素后和明膠形成氫鍵，抑制了明膠原有的吸水性，在8 h 后吸水性基本趨于穩定，這于劉丹維等[36]研究的氧化甲殼素與明膠膜吸水性相符，隨著時間越長吸水變慢，趨勢變緩。得出甲殼素-明膠復合膜，在甲殼素含量為20%、15%和0.5%時對水的抑制較好，但只有含量為0.5%最后能保持完整。

2.8 不同含量甲殼素-明膠復合膜的透明度分析

運用紫外分光光度計對甲殼素-明膠復合膜的透光率變化進行測定，結果見圖10。

從圖10 中可以看出在甲殼素含量不同時，復合膜在400 nm～800 nm 范圍內的透光情況。紫外光線會引起脂肪的氧化，可以通過判斷復合膜是否對阻隔紫外線起到作用，從而保護復合膜中的食品[40]，從圖中可以看出甲殼素含量越高對紫外光線的阻擋越強，圖3 中宏觀的照片對比可以看出來甲殼素含量越高，顆粒的程度越大，其表面的粗糙程度越強，這是因為甲殼素與明膠的相互作用減少膜中有序排列的網絡結構，增加對光的散射，使其影響膜的光阻隔性[41-42]。

圖10 不同含量甲殼素-明膠復合膜的紫外可見分光譜圖Fig.10 UV-Vis spectra of composite membrane with different concentration chitin in gelatin

關于對紫外光線的透光情況無國家相關標準，但作為食品包裝應該讓顧客能夠看清楚內部的物品，在阻隔紫外線的同時應該盡可能小的影響顧客觀看包裝內物品的品相，甲殼素含量為0%和0.5%的復合膜的透明度接近90%[43]。宋琳璐等[5]在明膠中添加桔子精油后、胡熠等[27]在明膠中添加香豆素后、劉永等[44]在明膠中添加黃秋葵多糖后，王竹等[45]在明膠中添加聚乙烯醇后，其復合膜的透光率隨添加物的含量增加逐漸減小，其結果與甲殼素/明膠復合膜隨著甲殼素含量的增加，透光率逐漸減小相符。

3 結論

對不同甲殼素含量的甲殼素-明膠復合膜進行各項測試，對比各項數據得出甲殼素含量為0.5%的復合膜在抗拉強度、斷裂伸長率、黏度值、透光性方面占優，對水的抑制作用最優；甲殼素含量為20%的復合膜阻隔紫外線、黏度值、對水的抑制作用最好、DSC、熱縮性方面占優，抗拉強度中等，斷裂伸長率較差；相互對比得出0.5%甲殼素含量的復合膜，其各項性能均較好，作為研究食品包裝材料時，可優先作為參考。