納米二氧化硅改性藻多糖與殼聚糖復合膜的性能研究

羅愛國，慶祎帆, ，胡變芳, ，趙紅梅，田艷花，楊兆艷，郝建偉，時曉麗，楊博雯

（1.晉中學院生物科學與技術系，山西 晉中 030619；2.山西藥科職業學院食品工程系，山西 太原 030031）

食品包裝膜在食品的運輸、貯藏中扮演著極其重要的角色，為人們的生活帶來了極大的便利?，F如今，在食品包裝領域，大多是以石化為原料制成的聚乙烯，聚氯乙烯等作為食品包裝膜，這類產品因其價格低廉、輕便美觀而得到廣泛應用。但是，利用這些材料制備的食品包裝膜不僅會消耗石油資源，而且其中含有的害物質，會使人體致癌，同時，在使用后不易被降解，也會造成白色污染。因此，隨著人們對食品安全、低碳生活、保護環境的關注度日益重視，利用可再生資源開發安全、可生物降解的包裝材料是當前研究熱點[1]。研究者們發現，以纖維素及衍生物、多糖、脂質、蛋白質等可再生資源為原料制成的綠色可食性膜具有生物可降解性，廢棄后也可被土壤微生物分解，解決了包裝廢棄物的污染問題[2?3]。殼聚糖（Chitosan, CH）作為可再生生物資源，是蝦、蟹、昆蟲等節肢動物外殼的重要組成部分甲殼素的脫乙酰產物[4]，其來源豐富、成本低廉、可生物降解、無毒害和具有可再生性，目前已被廣泛應用于食品添加劑、醫藥、飼料、環保、化妝品等多個領域[5?6]。石彬等[7]研究了不同殼聚糖復合膜和不同劑量輻照保鮮技術對貴長獼猴桃的保鮮效果，發現殼聚糖復合膜在短期內保鮮效果較好。但純殼聚糖膜因機械性能、阻光性及抑菌性等問題，大大限制了其作為食品包裝材料的廣泛應用[8]。目前，研究領域主要通過復合活性材料、改性劑等，開發性能優良的復合膜，以拓寬食品包裝材料殼聚糖膜的應用。

鈍頂螺旋藻（Spirulina platensis）屬于藍藻門螺旋藻屬，其中，富含豐富的藻藍蛋白、多糖等活性物質，同時具有易培養、成本低、占地面積小、生長速度快等優勢，因此可以實現大規模工業化養殖[9?11]。鈍頂螺旋藻多糖（polysaccharides fromSpirulina platensis, PSP）具有抗腫瘤、抗氧化等多種生物活性，所以將PSP與CH等活性物質共混可賦予復合膜更優的性能，例如：抗菌性和保鮮性等[12?13]。Tavassolik等[14]研究發現食用薄膜可在水果周圍形成保護層，發揮其抗氧化、抗菌的作用，使其避免水分流失、組織軟化和微生物污染。孫彥峰等[15]發現綠球藻多糖提取和殼聚糖-綠球藻多糖復合膜有良好的阻濕性、抗氧化性和保鮮性，再一次印證了藻多糖與殼聚糖復合可賦予復合膜更佳的性能。

然而，目前關于可食性多糖類膜的研究基本集中在簡單的材料組合、共混和配比上，并且存在機械性能較弱、耐候性較差等缺陷。因此，深入研究基材的改性，拓寬可食性膜研究與應用的重要性不容忽視。當前可增強復合材料理化性質的改性材料種類繁多，而其中頗受歡迎的便是被稱為“環境友好型材料”的納米二氧化硅（SiO2）。納米SiO2具有較大的比表面積、力學強度和耐老化性，表面因含有大量的活性硅羥基，所以其廣泛應用于涂料、塑料、包裝材料、橡膠中的改性粘結劑[16?17]。對無機納米粒子通過涂覆、包覆和吸附等方法進行表面改性，將其添入其它材料中可以增強復合材料的理化性能[18?20]?；诩{米改性的保鮮膜技術在楊梅、馬蹄和鮮切荸薺中已經得到研究證明，改性膜材料也可展現出強CO2阻隔、抗菌、低透氧等有利于食品保鮮的許多性質[21?22]。

基于此，本研究以期利用SiO2改善藻多糖-殼聚糖復合膜的理化性質，探究不同質量含量、粒子直徑的納米SiO2對改性復合膜各性能的影響，旨在開發性能優異的復合包裝膜，提高復合膜的耐用性，為包裝領域提供環保型復合新材料。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

鈍頂螺旋藻多糖（PSP，含量≥98%） 西安優碩生物科技有限公司；殼聚糖（CH，脫乙酰度：90%）山東陸海藍圣生物科技有限公司；30、50、500 nm粒徑的納米SiO2粉末 上海麥克林生化有限公司；大腸桿菌（ATCC 25922） 中國普通微生物菌種保藏管理中心；牛肉膏蛋白胨（成分含量≥99%） 北京鴻潤寶順科技有限公司；其他試劑均為分析純；所用水為超純水。

UV-1100紫外/可見分光光度計 上海美析儀器有限公司；91531螺旋測微儀 世達工具（上海）有限公司；UTM2502電子萬能試驗機 深圳三思縱橫科技股份有限公司；WQF-510A傅里葉變幻紅外吸收光譜儀 上海精學科學儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 螺旋藻多糖-殼聚糖復合膜（PSP/CH-film）的制備 復合膜的制備按照Ubonrat等[23]的方法，并做部分修改。殼聚糖溶液：100 mL 1%的乙酸溶液以60 ℃ ，1200 r/min水浴磁力攪拌30 min溶解2 g殼聚糖和1 g甘油。藻多糖溶液5 g/L：100 mL 60 ℃的蒸餾水溶解5 g螺旋藻多糖并在熱水浴中持續攪拌，將此溶液進行抽濾后貯存于試劑瓶中備用，每次使用時取1 mL并用超純水將其稀釋至10 mL。藻多糖-殼聚糖復合溶液：以0.2 g明礬加入10 mL藻多糖液和90 mL殼聚糖液的共混液并持續水浴攪拌至均勻，然后置于超聲波清洗機除氣泡。PSP/CHfilm制備：分別取45 mL上述殼聚糖溶液、藻多糖-殼聚糖溶液緩慢倒入15 cm×7.5 cm玻璃成膜模具，水平放置，60 ℃水浴干燥2.5 h得到成膜，制備成殼聚糖膜（CH-film）、螺旋藻多糖-殼聚糖復合膜（PSP/CH-film）。揭膜后將其置于5 ℃冰箱中，平衡48 h，測定膜的各項性能指標。

1.2.2 納米二氧化硅改性藻多糖-殼聚糖復合膜（SiO2/PSP/CH-film）的制備 以1.2.1中藻多糖-殼聚糖復合液為基體，向其中加入整體混合液的不同質量含量和粒徑的納米SiO2，以40 ℃，800 r/min磁力攪拌30 min。將改性復合膜液定量45 mL趁熱倒在已預熱的15 cm×7.5 cm自制玻璃成膜模具上，水平置于60 ℃水浴鍋上干燥2.5 h得到成膜。揭膜后將其置于5 ℃冰箱中，平衡48 h，測定膜的各項性能指標。在考察SiO2質量含量對復合膜性能影響時，采用粒徑為30 nm，質量含量分別為0.05%、0.1%及0.15%；在考察SiO2粒徑大小對復合膜性能影響時，采用質量含量為0.1%，粒徑大小分別為30、50及500 nm。

1.2.3 PSP/CH-film與SiO2/PSP/CH-film的紅外光譜掃描 將PSP/CH-film與0.1%的30 nm SiO2/PSP/CH-film樣品裁剪為適宜大小，平鋪于傅立葉變換紅外光譜儀樣品架上進行掃描模式與透射模式的分析。掃描波數，500～4000 cm?1；掃描次數，8次；分辨率，2 cm?1。

1.2.4 PSP/CH-film與SiO2/PSP/CH-film的物理性能測定

1.2.4.1 膜的厚度、密度測定 采用孫彥峰等[15]的方法。選擇平整、均質、干燥、大小相同的復合膜和改性膜各3個，取各膜四角及中心5個點分別測厚度，取均值。將各膜切割為2 cm×2 cm的大小，電子天平稱重，計算各膜的密度見公式：

式中：ρ為密度，g/cm3；m為樣品膜的質量，g；s為樣品膜的面積，cm2；d為樣品膜的厚度，cm。

1.2.4.2 膜的不透明度測定 采用Park等[24]的方法并做修改。取平整、均質的PSP/CH-film與SiO2/PSP/CH-film各3個，將膜裁剪成4.5 cm×0.8 cm的條狀，使其垂直緊貼比色皿內壁且不留氣泡。選定不貼膜的比色皿為空白對照。紫外/可見分光光度計設定波長為600 nm。計算各膜的不透明度見公式：

式中：O為不透明度，μm-1；Abs600為600 nm處膜的吸光值；d為膜的厚度，μm。

1.2.4.3 膜的吸水性能測定 采用Pornpimon等[25]的方法并稍作修改。將PSP/CH-film與SiO2/PSP/CHfilm切割為2 cm×2 cm的4個正方塊。放入85 ℃電熱恒溫鼓風干燥箱使其恒重wi，接下來放置于超純水中室溫30 min。濾紙擦去表面水分，分別放于電子天平上稱重取平均值wf。計算各膜的溶脹度見公式：

式中：SI為溶脹度，%；wi為膜吸水前的質量，g；wf為膜吸水后的質量，g。

1.2.5 PSP/CH-film與SiO2/PSP/CH-film的機械性能測定 采用GB/T1040.3-2006《塑料拉伸性能的測定第3部分：薄膜和薄片的條件》方法對各膜的機械性能進行測定[26]。測定前將復合膜置于冰箱中平衡2 d，裁剪膜為1 cm×15 cm的條狀，用電子萬能試驗機測定膜的抗拉強度、斷裂伸長率，膜樣品測定重復3次，記錄膜斷裂時的最大長度與最大拉力。設定電子萬能試驗機參數：原始標距100 mm，試驗速度50 mm/min。計算拉伸強度與斷裂伸長率公式分別如下：

式中：TS為抗拉強度，MPa；Fmax為膜斷裂時的最大拉力，N；b為膜的寬度，cm；d為膜的厚度，cm。

式中：EB為斷裂伸長率，%；L為膜斷裂時的最大長度，cm；L0為膜的初始長度，cm。

1.2.6 PSP/CH-film與SiO2/PSP/CH-film的生物降解性能測定 選擇均質干燥的PSP/CH-film與SiO2/PSP/CH-film分別切割為3 cm×3 cm正方塊，放置于85 ℃電熱恒溫鼓風干燥機使其恒重，記為m0。選擇草坪等距離挖坑，各膜分別埋入土中，并做好標記。分別在第3、6、9 d挖出各膜觀察降解情況，第10 d時全部取出并小心用水沖洗灰土，再次將各膜放入85 ℃電熱恒溫鼓風干燥箱使其恒重m。計算各膜的失重率見公式：

式中：W為失重率，%；m0為各膜土埋前的質量，g；m為各膜土埋降解后的質量，g。

1.2.7 PSP/CH-film與SiO2/PSP/CH-film的抑菌性能測定 復合膜的抑菌活性測定方法參考陳桂蕓等[27]的方法并稍作修改。將融化良好的牛肉膏蛋白胨培養基倒入培養皿并冷卻到凝固，加入0.1 mL 10倍稀釋法制備的大腸桿菌（Escherichia coli）菌懸液，均勻涂布并制平板。裁剪各膜的直徑為0.8 cm并緊貼于平板中央，倒置于37 ℃的培養箱中24 h。根據抑菌圈直徑大小判斷抑菌效果。

1.3 數據處理

所有試驗做三組重復，數據用Mean±SE形式，分析處理采用DPS 9.01進行Duncan’s新復極差法方差分析，P<0.05，有顯著性差異。作圖采用Microsoft Office 2016。

2 結果與分析

2.1 外觀結構觀察

如圖1所示，殼聚糖膜呈現無色透明狀；PSP/CH-film由于有藻多糖的加入，藻多糖去色不夠完全，所以導致其呈現淡綠色狀；在PSP/CH-film基礎上添加質量含量為0.1%、粒徑為30 nm的SiO2，制備出的SiO2/PSP/CH-film呈現較透明的灰綠色狀，外觀上與PSP/CH-film無明顯差異。各類膜質地均勻，質感柔軟光滑。

圖1 CH-film、PSP/CH-film、SiO2/PSP/CH-film的外觀Fig.1 Appearance of CH-film, PSP/CH-film and SiO2/PSP/CH-film

2.2 傅里葉紅外光譜分析

傅里葉紅外光譜分析可以反映高分子聚合物之間的相容性及各組分的特征基團間相互作用[28]。PSP/CH-film與質量含量為0.1%的30 nm粒徑的SiO2制備的SiO2/PSP/CH-film傅里葉紅外光譜分析如圖2所示。PSP/CH-film在3500～3700 cm?1處有著強吸收峰，這是由于藻多糖中-OH與殼聚糖中-NH2相互作用，締合成氫鍵[29]。隨著SiO2的加入，SiO2/PSP/CH-film在此處也有較強的吸收峰，這說明SiO2的游離-OH與PSP/CH-film中游離-OH結合成氫鍵，兩者具有較好的相容性[30]。1723.61 cm?1的吸收峰是羧基的伸縮振動峰，PSP/CH-film與SiO2/PSP/CH-film在2251.49 cm?1和 1723.61 cm?1兩處的峰值強度幾乎相同，且無新吸收峰出現，吸收峰歸因于藻多糖和殼聚糖在聚集狀態下的晶體結構。表明SiO2/PSP/CH-film復合過程中形成一定的氫鍵，各基團間有良好的相容性和協同性。

圖2 PSP/CH-film與SiO2/PSP/CH-film的紅外分析圖譜Fig.2 IR of PSP/CH-film and SiO2/PSP/CH-film

2.3 SiO2添加量對復合膜性能的影響

2.3.1 SiO2添加量對復合膜物理性能的影響 由表1可以看出，改性劑納米粒子30 nm SiO2的添加對改性膜的厚度、密度、不透明度、溶脹度有顯著影響（P<0.05）。這可能是由于小粒徑的SiO2可以更均勻分散于藻多糖和殼聚糖基質的網絡結構中，填補了分子之間的間隙，使膜的結構更為緊密，并且小粒徑分子更易團聚，從而導致改性膜的厚度增加[31]。同時SiO2添加量達到閾值后，部分SiO2已不能繼續與殼聚糖和藻多糖相容形成致密網狀結構，獨立分散在各分子間，使得膜變得蓬松。由于膜的厚度的增加，膜的體積增大，所以密度隨SiO2的增加而減少。此外，改性膜的厚度增大，降低了可見光的透過率，并且SiO2自身呈白色，所以SiO2的添入使得SiO2/PSP/CH-film顏色逐漸灰化，最終導致透明度逐漸降低。由于納米SiO2表面存在較多的活性硅基團，具有良好的親水性，同時，可能由于納米SiO2與殼聚糖和藻多糖之間形成分子間氫鍵，破壞原有分子間的定向結構，導致水分子更易進入膜中，并且SiO2中的羥基可以使得復合膜的吸水率增加[32]，促進了膜的溶脹。但過量的SiO2與藻多糖和殼聚糖結合不完全，分子間氫鍵減少，獨立的納米SiO2具有強疏水性，所以當納米SiO2添加量為0.15%時溶脹度下降。

2.3.2 SiO2添加量對復合膜機械性能的影響 復合膜的機械性能主要包括抗拉強度和斷裂伸長率，良好的機械性能有助于抵抗流動過程中的壓力，延長膜的使用期[33]。其中，抗拉強度反映了膜的力學強度，而斷裂伸長率是反映膜的柔韌性[34]。從表2可以看出，當SiO2添加量為0.1%時，SiO2/PSP/CH-film的抗拉強度最高。隨著SiO2的添加量持續增加到0.15%時，抗拉強度下降到了6.3 MPa，但是仍高于對照組。Rhim等[35]的研究也證明，通過納米粘土的改性作用提升了殼聚糖薄膜的抗拉強度和阻隔性能。SiO2/PSP/CH-film的抗拉強度顯著提高，表明改性膜中納米SiO2顆粒表面高活性硅羥基與藻多糖和殼聚糖的羧基形成氫鍵，增強了分子間相互作用，三者在水浴中不斷攪拌溶解，加速藻多糖-殼聚糖與納米SiO2顆粒的分子間的聚合作用，使得分子鏈相互交織形成彼此強有力的網絡結構，提高了膜的力學性能，進而達到改善膜機械性能的目的。膜的力學性能主要是由分子力來決定的，所以即使密度減小，但是抗拉強度在增大。但當添加量過大時，SiO2團聚率升高，導致共混液分散不均勻，進而導致改性復合膜的拉伸強度下降。同時，隨著納米SiO2含量的增加，SiO2/PSP/CH-film的斷裂伸長率下降，此結果與Tang等[36]采用納米SiO2對淀粉/聚乙烯醇共混膜性能的研究結果一致，可能是由于改性復合膜中的網絡結構在外力作用下分子延展性弱，從而導致改性膜的斷裂伸長率下降。

表2 不同納米SiO2添加量對復合膜機械性能的影響Table 2 The effect of different nano-SiO2 additions on the mechanical properties of composite films

2.3.3 SiO2添加量對復合膜生物降解性能和抑菌性能的影響 SiO2/PSP/CH-film的生物降解性能和抑菌性結果如表3所示，由表中可以看出，SiO2/PSP/CHfilm的失重率顯著小于PSP/CH-film的失重率（P<0.05）。并且隨著SiO2添加量的增加，SiO2/PSP/CHfilm的失重率逐漸降低。這表明納米SiO2可以減緩薄膜的生物降解性，納米SiO2作為一種無機剛性納米材料，其自身性能穩定且耐老化性強，此外，添加納米SiO2增加了藻多糖和殼聚糖之間的混溶性和相容性，并可以形成致密網狀結構，從而降低了微生物的滲透速度。此結果與Yao等[30]和Tang等[36]對SiO2改性膜的研究結果相一致。

食品的腐敗變質主要是因為微生物的繁殖所導致的，所以衡量膜的抑菌性能是極其重要的[37]。由表3可知，SiO2/PSP/CH-film的抑菌圈直徑隨著納米SiO2添加量的增加而增大，即表明抑菌活性在增強，與PSP/CH-film有差異但并不顯著（P>0.05）。因為殼聚糖分子結構中的氨基基團可通過靜電力粘附在細胞膜上，使殼聚糖對細菌外膜產生干擾從而起到抑菌作用，并且藻多糖也有較好的抗氧化性，因此，殼聚糖和藻多糖在膜中起到了主要的抑菌作用，SiO2/PSP/CH-film與PSP/CH-film均有良好的抑菌性。此外，SiO2的添加可能進一步破壞了細菌外膜[38?39]，使細菌的DNA和脂質等遭到氧自由基的攻擊，導致細菌死亡[40]。所以SiO2/PSP/CH-film的抑菌性略優于PSP/CH-film。

表3 不同納米SiO2添加量對復合膜失重率、抑菌性的影響Table 3 The effect of different nano-SiO2 additions on the weight loss and antibacterial property rate of composite films

2.4 粒徑對復合膜性能的影響

2.4.1 粒徑對復合膜物理性能的影響 為進一步研究在添加相同質量含量的前提下，不同粒徑的納米SiO2對PSP/CH-film改性的影響。選擇質量含量為0.1%，但粒子直徑分別為50和500 nm的納米SiO2粉末制備的改性復合膜，進而與30 nm改性膜比較物理性能和機械性能。不同粒徑的納米SiO2復合膜各物理性能如表4所示。由表4可知，隨著納米SiO2粒徑尺寸的增大，SiO2/PSP/CH-film的厚度、密度、和溶脹度隨之降低，但是不透明度與納米SiO2粒徑大小呈正相關關系。由于小顆粒容易團聚[41]，且小顆粒更容易分散在殼聚糖基質結構中形成致密網絡結構，所以小粒徑的改性膜密度較大。同時，隨著納米SiO2粒徑的增大粒子表面由比較粗糙逐漸變為形狀規整的球形且比表面積下降[42]，因此，SiO2/PSP/CH-film的厚度隨納米SiO2粒徑尺寸的增大而減小。改性膜的不透明度呈現出顯著的升高趨勢（P<0.05），可能是由于大粒徑的SiO2在改性膜中逐漸形成一定的連續相，因此，對可見光的透過率逐漸下降，也從側面反映出納米SiO2在改性膜中有較好的分散與分布程度。Rahman等[43]認為隨著粒子粒徑的增大，SiO2表面的羥基數量雖然增加，但SiO2的比表面積和表面Si-OH濃度下降。因此，復合薄膜的吸水率減小，所以溶脹度也隨之降低。

表4 不同粒徑納米SiO2對復合膜物理性能的影響Table 4 The effect of nano-SiO2 with different particle size on the physical properties of composite films

2.4.2 粒徑對復合膜機械性能、降解性能及抑菌性的影響 不同粒徑納米SiO2對復合膜機械性能和失重率、抑菌性的影響見表5。由表5可以看出，隨著納米SiO2粒徑的增大，復合膜的抗拉強度顯著降低（P<0.05），斷裂伸長率增大但變化不顯著（P>0.05）。可能是由于當納米SiO2粒子的粒徑小于30 nm時，其表面的Si-OH主要以孤立的形式存在[44]，孤立的Si-OH小粒徑納米SiO2容易與殼聚糖和藻多糖之間形成網絡結構，并且其比表面積大，表面粗糙也可能增加了摩擦力，所以30 nm的納米SiO2復合膜抗拉強度較大。納米SiO2是一種的高剛度的粘結劑，隨著粒徑的增大，其表面變為形狀規整的球形，柔韌度提高，所以500 nm的納米SiO2復合膜的斷裂伸長率升高。當SiO2粒子尺寸大于60 nm時，大部分的Si-OH是以主要以氫鍵的方式結合[45]，抗老化性能好，所以500 nm的納米SiO2復合膜失重率顯著降低（P<0.05），說明此時復合膜的降解速率降低。此外，抑菌結果表明，不同粒徑（30、50、500 nm）的納米SiO2對改性膜抑菌性無顯著性影響（P>0.05）。

表5 不同粒徑的納米SiO2對復合膜機械性能、失重率和抑菌性的影響Table 5 The effect of nano-SiO2 with different particle size on the mechanical properties, weight loss rate and antibacterial activity of composite films

3 結論

本文研究了納米SiO2對PSP/CH-film的影響，通過傅里葉紅外光譜分析對SiO2/PSP/CH-film進行表征，結果表明：SiO2/PSP/CH-film中SiO2與殼聚糖和藻多糖間發生了氫鍵的相互作用，具有較好的相容性和協同作用。通過SiO2的改性，可以提高SiO2/PSP/CH-film的抗拉強度和抑菌性，也增加了厚度、溶脹度和不透明度，但同時也延緩了其生物降解性，降低了斷裂伸長率。當納米SiO2質量含量為0.1%，粒徑尺寸為30 nm時，制備的SiO2/PSP/CH-film有較好的抑菌性和抗拉強度，可提高膜的實際耐用性。此外，為進一步考察不同粒子直徑的納米SiO2對SiO2/PSP/CH改性復合膜的影響，發現添加粒徑為500 nm的SiO2/PSP/CH-film，盡管厚度變薄，但大粒徑的SiO2/PSP/CH-film與小粒徑的SiO2/PSP/CH-film相比，斷裂伸長率增大。因此，優化SiO2/PSP/CH-film的制備工藝，使其更充分展現優良性能的研究有待更深入的思考與探索。上述研究結果也可為SiO2在可食用膜和保鮮領域的應用提供理論依據。