交聯殼聚糖/聚乙烯醇/蝸牛黏液復合膜的制備及性能研究

李福杰，齊 斌，，徐華亭，王立梅，*

（1.蘇州大學藥學院，江蘇 蘇州 215127；2.常熟理工學院生物與食品工程學院蘇州市食品生物技術重點實驗室，江蘇 蘇州 215500）

0 前言

近年來，塑料和不可降解聚合物造成的環境問題引起了社會極大的關注，因此許多學者致力于從天然和可再生資源中尋找合適的食品包裝替代品。CS具有無毒、可降解、廣譜抑菌及良好的成膜能力，已被廣泛用于食品包裝行業[1-2]。然而，純CS膜質脆、柔韌性和抗水性較差，且在酸性介質中極易溶脹的缺點限制了其應用。而CS與其他天然或合成聚合物共混可改善CS基膜的溶脹性能和力學性能[3]。PVA親水性高、生物降解性和力學性能良好、成膜性優異，廣泛用于食品包裝[4]。PVA膜具有優異的彈性強度和柔韌性，將PVA與CS共混可以改善CS膜質脆的缺點，也可以一定程度解決PVA基膜耐水性差、吸濕性大及易滋生細菌等問題[5]。CS/PVA薄膜的力學性能盡管與純CS膜相比得到了改善，但仍然較差，特別是在潮濕環境中[6]。在制備薄膜過程中加入交聯劑可以改善薄膜的力學性能、防水性能及阻隔性能[7]。近年來，人們更關注于綠色交聯劑，其避免了化學交聯劑對人體健康造成危害問題[8]。其中，存在于甜菜和香草莢中的V是一種生物基交聯劑，被廣泛應用于食品、飲料、香料和制藥等多個領域[9]。此外，存在于甜菜和香草莢中的V也是一種天然抗氧化劑，將其加入薄膜基質中可賦予薄膜一定的抗氧化性，這在活性食品包裝中具有極大的應用前景，可阻止食品因氧化導致的質地改變、營養價值損失、異味、變色或有毒物質產生等現象[10]。

同時，在CS薄膜基質中加入黏液等親水膠體可促進其產生協同作用，增加材料的柔韌性和延展性，進而改善CS膜的力學性能和阻隔性能[11]。其中，SM受到了極大的關注。有研究表明，SM的添加極大改變了CS膜的力學性能；其作用類似于增塑劑，可將薄膜的延展性提高至10倍并極大改善了其防水性和生物黏附性[12]。事實上，SM是一種具有黏性、保濕、潤滑作用和天然來源的活性物質，具有合成化合物所沒有的獨特性質。關于這種動物源的衍生提取物的研究不多，且研究SM基復合材料性能的論文更少[13]。本研究制備了由PVA、CS、SM及V組成的復合薄膜，研究了組分配方對復合膜結構、理化性質、力學性能等的影響，以評估它們在活性食品包裝中的適用性。

1 實驗部分

1.1 主要原料

CS，脫乙酰度≥90%，上海生物工程有限公司；

V，純度≥98%，上海生物工程有限公司；

PVA，1788，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；

SM，取自陜西秦嶺白玉蝸牛，西安百川生物科技有限公司；

福林酚試劑，試劑級，上海生物工程有限公司；

沒食子酸，純度≥98%，上海生物工程有限公司；

1，1-二苯基-2-三硝基本肼（DPPH），純度≥99%，福州飛凈生物科技有限公司。

1.2 主要設備及儀器

電熱恒溫鼓風干燥箱，WGL-230B，天津市泰斯特儀器有限公司；

數顯恒溫水浴鍋，HH-6，常州隆和儀器制造有限公司；

紫外分光光度計，UV3600，島津（上海）實驗器材有限公司；

傅里葉紅外光譜分析儀（FTIR），FTIR-650，天津港東科技發展股份有限公司；

TG，HS-TGA-103，上海和晟科技有限公司；

SEM，Hitachi X-650，日立（中國）有限公司；

視頻光學接觸角測量儀，OCA15EC，德國艾菲儀器股份有限公司；

萬能材料試驗機，UTM-1451，承德市金建檢測儀器有限公司。

1.3 樣品制備

將2 g CS溶于100 mL體積分數為1%的醋酸溶液中并在室溫下攪拌均勻；再將CS溶液與SM以體積比5/1、5/2、5/3、5/4或5/5混合，磁力攪拌2 h后在12 000 r/min、4℃下離心10 min，去除不溶性物質，得到CS/SM混合溶液；將2 g PVA溶于100 mL去離子水中，在86℃水浴下攪拌至其完全溶解，再將30 mL 5種不同體積比的CS/SM溶液分別與20 mL PVA溶液以體積比3/2進行混合，再加入2 mL 20%（質量分數，下同）V溶液，得到V交聯的CS/PVA/SM共混液，分別記為 CSPV1、CSPV2、CSPV3、CSPV4、CSPV5；將30 mL CS溶液與20 mL PVA溶液共混，記為CS/PVA；同時將僅加入SM，不加V和僅加入V，不加SM的CS/PVA共混液作為對照，分別記為CSP和CPV；然后將混合液在500 r/min、30℃下磁力攪拌3 h，最后將共混膜液均勻平鋪在干燥潔凈的模具中，在40℃下干燥24 h成膜。

1.4 性能測試與結構表征

水分含量、溶脹度、水溶性測定：將薄膜剪成1 cm2小塊并稱重（M1，g），再將其在105℃烘箱中干燥至恒重并稱重（M2，g），隨后將干燥后的薄膜浸入蒸餾水中浸泡24 h，用紙巾擦干表面水分后稱重（M3，g），最后將充分溶脹后的薄膜在烘箱中干燥至恒重并稱重（M4，g）；復合膜的水分含量（WC，%）、溶脹度（SD，%）及水溶性（WS，%）按照以下公式進行計算：

不透明度測定[14]：將尺寸為10 mm×40 mm的薄膜放入比色皿中，以空比色皿作為參比，用紫外分光光度計在600 nm處測定吸光值（A600），薄膜不透明度（Op，mm-1）按式（4）計算：

式中d——薄膜厚度，mm

DPPH·清除率測定[15]：稱取剪碎的薄膜500 mg于錐形瓶中，加入20 mL甲醇后用封口膜將瓶口密封以防止甲醇揮發，再將其放入搖床中，以30℃、150 r/min振搖24 h制備膜提取液；稱取39.4 mg DPPH溶于500 mL甲醇中以制備0.2 mmol/L DPPH溶液，充分振搖均勻并避光保存備用；在10 mL玻璃管中加入3 mL DPPH溶液和1 mL甲醇混勻，反應穩定后以甲醇為參比溶液，在517 nm處測定吸光值（A0）；同法依次加入3 mL甲醇和1 mL膜提取液，測定吸光值（A1）；依次加入3 mL DPPH溶液和1 mL膜提取液，測定吸光值（A2），按式（5）計算 DPPH·清除率（C，%）：

總酚化合物含量測定[16]：采用抗氧化性測定中同樣的方法制備膜提取液，取100 μL膜提取液于10 mL試管中，加入1 mL福林酚試劑后渦旋振蕩20 s，再加入3 mL 5% Na2CO3，最后加水至10 mL，將其在45℃水浴中反應1.5 h后，以甲醇為參比溶液，在760 nm處測定吸光度；同時繪制沒食子酸標準曲線，得到線性回歸方程為y=0.052x+0.024 5，r2=0.998 3，樣品的總酚化合物含量（Tpc，mg/g干膜）以每克干膜的沒食子酸當量表示，見式（6）：

式中c——從標準曲線中得到的沒食子酸濃度，mg/mL

V——膜提取液體積，mL

M——干膜重量，g

表觀形貌分析：用導電膠帶將薄膜固定在樣品板上，然后在15 kV加速電壓下對樣品進行成像，使用SEM觀察樣品表面形態；

靜態水接觸角測定：使用接觸角測量儀測定水在薄膜表面上的靜態接觸角，測試溫度為（25±2）℃；測量用雙蒸餾水體積約為1 μL；

紅外分析：使用FTIR在4 000～400 cm-1波數范圍內對樣品進行掃描，掃描次數為32次，分辨率為4 cm-1；

水蒸氣透過率測定[17]：向玻璃管中加入5 g干燥至恒重的硅膠以提供數值為零的相對濕度，借助石蠟將玻璃管用薄膜進行封口，將密封好的玻璃管放入含有飽和硫酸鉀溶液的干燥器中，以提供97%的相對濕度，間隔一定時間后測定玻璃管的增重情況，水蒸氣透過率（WVP，g/（m·h·Pa）]按照式（7）計算：

式中t——時間間隔，h

Δm——t時間內燒杯的質量變化，g

A——燒杯杯口面積，m2

ΔP——玻璃管內外壓差，為3.074×103Pa

氧氣阻隔能力測試：氧氣的阻隔能力可以通過油脂的過氧化值反映；向錐形瓶中加入30 mL新鮮大豆油，將瓶口用薄膜密封，再將密封的錐形瓶在60℃水浴中放置10 d；同時，將沒有薄膜密封的油樣品作為空白對照；通過硫代硫酸鈉滴定法測定脂質過氧化的結果[18]；過氧化值（PV，mmol/kg）用1 kg樣品中活性氧的毫摩爾數表示，通過式（8）進行計算：

式中V1——油樣品消耗的硫代硫酸鈉標準溶液體積，mL

V0——空白實驗消耗的硫代硫酸鈉標準溶液體積，mL

C0——硫代硫酸鈉標準溶液濃度，mol/L

m——油樣品質量，g

熱力學分析：通過TG進行分析，氮氣流速20mL/min，以10°C/min的升溫速率將薄膜樣品從30°C升溫至900 °C，記錄其熱失重曲線[19]；

拉伸性能測試：按照ASTM D882[20]測試樣品的拉伸強度（TS）和斷裂伸長率（Eb），在室溫下進行試驗，樣品尺寸為1 cm×5 cm，拉伸速率為50 mm/min，十字頭速率為5 mm/min，稱重傳感器為500 N；

生物降解度測定：將薄膜裁剪成10 mm×10 mm大小并稱重（m0，g），將其埋入裝有50 g的潮濕土壤的試管中，每天將1 mL的水噴灑在土壤表面上，間隔一段時間取出樣品，用水沖洗以去除表面黏附的土壤，然后在室溫下干燥24 h并稱重記為（mt，g）；薄膜的生物降解度（WL，%）按式（9）計算：

統計分析：所有實驗至少1式3份進行，采用統計分析軟件SPSS 20進行數據評估，使用單因素ANOVA分析中的Duncan檢驗評估樣本之間的差異（P＜0.05）。

2 結果與討論

2.1 物理性能

如表1所示，CSPV1～CSPV5的厚度在0.110～0.174 mm之間，且隨著CS溶液/SM溶液體積比的增加，膜厚度逐漸降低；CS及CS/PVA與CSP及CPV的厚度存在顯著差異，這可能是由于CS鏈的水合層較寬，因此其對水的鍵合能力較強，而SM含量增加時CS含量相應減少，因此其對水的結合能力減弱，導致復合膜厚度降低；此外，膜厚度與各組分間的相互作用、成膜聚合物的性質和添加劑含量及制備工藝等緊密相關，膜厚度的降低可歸因于分子鏈阻塞的減少和成膜溶液黏度的急劇下降[21]。

表1 樣品的物理性能Tab.1 Physical properties of the samples

由表1還可見，CS和CS/PVA的WC較低，分別為（7.48±0.30）%和（10.75±0.18）%，而CSP表現出最高的含水量（58.10±0.98）%，與對照組相比存在差異顯著。這可能是由于SM的添加擾亂了膜結合水的性能，進而導致了含水量的差異。由表還可以發現，隨著SM含量的增加，CS/PVA/SM復合膜WC逐漸增加，進一步說明了SM的添加會使薄膜WC增加。

SD和WS是影響薄膜耐水性的2個重要特性。由表1可見，CS表現出最高的SD和最低的WS；添加PVA、SM和V均可以顯著降低其SD，可以很好地改善CS膜易溶脹的缺點；添加PVA和SM均可以顯著增加CS膜的WS。有趣的是，隨著CS溶液/SM溶液體積比的增加，CS/PVA/SM復合膜的SD和WS逐漸增加；SM的加入導致薄膜WS顯著增加，這歸因于SM中含有親水性物質，如乙醇酸、尿囊素、葡糖糖醛酸等[22]。

2.2 不透明度

由圖1可見，CS薄膜的不透明度為（0.33±0.01）mm-1，加入PVA及SM均可顯著降低其不透明度，而加入V可以使其不透明度顯著增加；CS/PVA/SM復合膜的不透明度隨著SM含量的增加逐漸降低，進一步說明了SM的添加可以降低其不透明度；CS/PVA/SM復合膜整體不透明度較高，對光線具有很好的屏障作用，從而可保護一些光敏食物免受光降解。

圖1 樣品的不透明度Fig.1 Opacity of the samples

2.3 抗氧化活性

如圖2所示，CS和CS/PVA的DPPH·清除活性較低；加入SM后CSP的抗氧化活性顯著增加；加入V后CPV和CSPV的抗氧化性能均顯著提高，這歸因于V的高抗氧化活性。還可以發現，隨著CS溶液/SM溶液體積比的降低，CS/PVA/SM復合膜的抗氧化性能逐漸提升。推測這是因為SM的主要成分為尿囊素，尿囊素不僅具有消炎與修復的作用，還是一種天然的抗氧化劑；此外，SM中含有的維生素C和維生素E也具有一定的抗氧化作用[23]；因此SM中的抗氧化活性物質可與V發揮協同抗氧化作用，這對于延緩食品氧化具有重要意義。

圖2 樣品的的抗氧化活性Fig.2 Antioxidant property of the samples

抗氧化活性主要來源于具有高抗氧化活性的酚類化合物，因此酚類化合物含量與抗氧化活性間有密切的聯系。由圖3可知，CS和CS/PVA的總酚化合物含量較低，且兩者之間無顯著性差異；而加入SM和V后，總酚化合物含量顯著增加，且隨著CS溶液/SM溶液體積比的降低，CS/PVA/SM復合膜的總酚化合物含量增加，其中CSPV5的總酚化合物含量高達540.63 mg/g干膜。

圖3 樣品的總酚化合物含量Fig.3 Total phenolic compound content of the samples

2.4 表面形貌

如圖4所示，CS、CS/PVA及CPV表面光滑平整、無顆粒聚集，說明各組分間相容性良好；添加SM后，CSP表面出現不規則紋理，這可能是由于SM中某些成分與CS、PVA產生了相互作用，形成交聯網；加入V和SM時，復合膜表面出現不同于CSP的紋理，且隨著CS溶液/SM溶液體積比的不同呈現出一定差異；CSPV1和CSPV2表面無明顯紋理，但其表面光滑平整、無顆粒聚集，說明SM與CS、PVA及V間有良好的相容性；而CSPV3表面出現紋理，且與未加入V的CSP表面紋理不同，這可能是由于V與CS、PVA或SM中某些成分發生了相互作用，形成了不同于CSP的交聯網；CSPV4的表面開始出現一些顆粒物的聚集，CSPV5的顆粒物聚集更顯著，這是由于當CS溶液/SM溶液體積比增加時，CS含量逐漸減少，使得過量的V未參與CS的交聯反應，進而在干燥過程中殘留在復合膜表面上，這一結果與Zhang等[24]的研究結果一致。

圖4 樣品的SEM照片Fig.4 SEM image of the samples

2.5 靜態水接觸角

靜態水接觸角是評價薄膜親/疏水性能的重要指標，通常接觸角較低（＜90°）表示為親水性，較高（＞90°）表示為疏水性。如圖5所示，CS膜的接觸角為109°，表現出疏水性；而 CS/PVA、CPV、CSP及CS/PVA/SM復合膜表現出親水性，且隨著CS溶液/SM溶液體積比的增加，CS/PVA/SM復合膜的親水性逐漸增加，這主要與疏水性CS含量減少和SM中極性物質的存在有關，如乙醇酸、尿囊素和蛋白質[23]。

圖5 樣品的靜態水接觸角Fig.5 Static water contact angle of the samples

2.6 紅外分析

如圖6所示，CS的FTIR譜圖在3 395 cm-1處對應—OH的拉伸振動；1 634 cm-1和1 545 cm-1處分別對應C=O和N—H的拉伸振動；1 150 cm-1處對應于C—O—C的拉伸振動[25]。在PVA的譜圖中，3 340 cm-1處的寬帶歸因于分子間和分子內氫鍵的O—H伸縮振動；2 935 cm-1處存在不對稱拉伸振動峰，表明存在—CH2；1 718 cm-1處為PVA骨架中剩余醋酸乙烯酯單元的C=O基團的伸縮振動[26]；1 083 cm-1處的譜帶對應于C—O伸縮振動。CS/PVA的譜圖表明，與C—C拉伸和C=O相關的峰向更高波數移動，分別從1 240、1 634 cm-1移至1 257、1 650 cm-1；1 718 cm-1處的峰消失表明CS和PVA分子間存在相互作用[27]，且與CS相比，CS/PVA中沒有新的峰，表明CS與PVA兼容。在CSP的譜圖中，3 400 cm-1處的譜帶對應O—H伸縮振動；1 640、1 525 cm-1處的特征峰對應SM中的蛋白質的α-螺旋和無規則卷曲2級結構；1 110 cm-1處的吸收峰是由C—O—C伸縮振動引起的。CSPV3譜圖中3 400 cm-1處的寬峰對應—OH拉伸振動；1 716 cm-1處對應于V分子中苯甲醛的C=O伸縮振動；1 642 cm-1處為CS的氨基與V的醛基間形成的亞胺鍵（C=N）的伸縮振動；1 597 cm-1處的峰是疊加在C—H面內變形上的芳香族的C=C拉伸振動；517 cm-1處對應—CHO組的C—H拉伸振動及芳環的面內變形[28-29]。

圖6 樣品的FTIR譜圖Fig.6 FTIR spectra of the samples

2.7 水蒸氣透過率

水蒸氣透過率是預測包裝產品貨架期和適用性的重要參數，薄膜的水蒸氣透過率應盡可能低，以減少食物與周圍環境之間的水分傳遞。由圖7可知，復合膜的水蒸氣透過率均低于CS，而SM的添加可以使復合膜水蒸氣透過率顯著降低（P＜0.05）；與CS相比，CSP的水蒸氣透過率降低了73.90%，這可能是由于SM中含有某些非極性結構，對水蒸氣有很好的阻隔作用；CS/PVA/SM的水蒸氣透過率隨著CS溶液/SM溶液體積比的變化表現出一定差異，當該比值大于5/3時，復合膜的水蒸氣透過率隨著比值減小而逐漸降低；當該比值為5/3時，復合膜的水蒸氣透過率最低，比CS低78.67%，這可能是由于V與CS產生了分子間相互作用形成了致密的膜結構，使得水分子難以滲透；當該比值小于5/3時，隨著比值的減小復合膜的水蒸氣透過率略有增加但差異不顯著。這可以說明，添加V可能會為水分子的遷移引入路徑；當復合膜中的CS溶液/SM溶液體積比較大時，CS含量較大，此時V可以與CS進行很好的交聯反應，從而更好地分散在薄膜基質中，幾乎沒有水分子通過的路徑，進而阻止了水蒸氣通過薄膜；此外，SM中含有的某些非極性結構及各組分間形成的相互作用對降低復合膜的水蒸氣透過性也具有重要意義。

圖7 樣品的水蒸氣透過率Fig.7 Water vapor transmission rate of the samples

2.8 氧滲透性

脂質和食品氧化會導致食品變質，所以氧滲透性是評估食品包裝適用性的另一種重要參數，用薄膜密封后油脂的過氧化值可以代表氧滲透性。如圖8所示，與復合膜相比，CS膜的過氧化值最大，達到（47.51±1.19）mmol/kg；添加V和SM均可顯著降低過氧化值（p＜0.05），CSPV1～CSPV5的過氧化值呈現一定差異；當CS溶液/SM溶液體積比大于5/3時，復合膜過氧化值隨該比值的減小而逐漸降低；當該比值為5/3時，復合膜的過氧化值最低，為（6.13±0.52）mmol/kg，比CS低87.12%；當該比值小于5/3時，復合膜的過氧化值隨該比值的減小略有增加但差異不顯著，這可能是因為V的醛基和羥基或SM中的某些物質與CS反應性基團形成了穩定的相互作用，促進了CS鏈的排列及其在膜基質中的內聚，從而導致結構更加緊湊，進而導致氧氣透過率的降低[30]。

圖8 樣品的過氧化值Fig.8 Peroxide value of the samples

2.9 熱力學性能

如圖9所示，CS的熱降解主要分為3個階段：第一階段在在30～120℃，質量損失率為13.25%，主要歸因于水分及殘留乙酸的蒸發；第二階段在240～360℃（質量快速損失階段），主要由CS分子內化學鍵斷裂造成；第三階段在320～600℃，此時剩余的CS開始逐漸炭化，最終僅剩23%左右的殘渣。CS/PVA在130℃前的質量損失主要是膜內結合水及溶劑的流失；180～500℃的質量損失主要由CS分解及PVA聚合物骨架裂解引起；500℃后的質量損失由PVA分解產生的副產物降解引起[31]。添加SM后，CSP的熱穩定性降低；而添加V后，CPV的熱穩定性增加。CS/PVA/SM復合膜的穩定性隨著CS溶液/SM溶液體積比的降低而逐漸降低，這進一步證實了添加SM會使復合膜的穩定性降低。

圖9 樣品的TG曲線Fig.9 TG curve of the samples

2.10 力學性能

由表2可知，與CS膜相比，CS/PVA的拉伸強度和斷裂伸長率均顯著提高，而CPV的拉伸強度顯著增加、斷裂伸長率有所降低，說明添加PVA和V均可使復合膜的拉伸強度增大，但添加V會使膜的脆性增加；而添加SM后，薄膜的斷裂伸長率顯著提高，說明SM可提高薄膜的延展性和柔韌性，其效果類似于增塑劑；薄膜延展性的增加可歸因于SM的添加減弱了聚合物鏈的分子間相互作用，促進聚合物間的滑動和流動性并提高了整體的延展性；有趣的是，隨著SM含量的增加復合膜的拉伸強度和斷裂伸長率逐漸降低，這可能是因為SM中的某些物質影響了V與CS及PVA間的交聯，改變了復合膜的膜結構，并限制了膜基質中大分子的運動[32]。

表2 樣品的拉伸性能Tab.2 Tensile properties of the samples

2.11 生物降解性能

圖10是CSPV1～CSPV5的生物降解曲線。由圖可知，隨著CS溶液/SM溶液體積比的減小，復合膜的降解度不斷增加，且隨著時間的延長，降解度也逐漸增加；90 d后CSPV1～5的降解度分別為80.25%、83.58%、86.34%、88.45%、90.23%，由此可知所制備的復合膜是可生物降解的，說明該復合膜在食品包裝領域具有潛在的應用前景。

圖10 樣品的生物降解曲線Fig.10 Biodegradation curves of the samples

3 結論

（1）當CS溶液/SM溶液體積比為5/3時，所制備的CS/PVA/SM復合膜性能較好，抗氧化活性為87.51%；與CS膜相比，復合膜的水蒸氣透過率降低了75.16%，氧氣透過率降低了87.74%，拉伸強度提高了16.04%，斷裂伸長率提高了28.26倍，且可降解；

（2）V的添加提高了復合膜的拉伸強度、抗氧化能力；SM的添加使得復合膜具有很好的延展性和柔韌性；V與SM具有協同及互補作用，這為新型食品包裝材料的研發提供了一定的研究基礎。