低甲氧基果胶/壳聚糖复合膜的制备及特性研究

李 洁, 郑诗钰, 张美清, 叶妍琦, 曾繁森, 费 鹏

(闽南师范大学 生物科学与技术学院， 福建 漳州 363000)

天然高分子材料来源广泛、廉价易得、安全可靠，近年来被大量应用于保鲜膜的研究[1]。壳聚糖和果胶是常见的两类天然高分子材料，无毒，且具有良好的生物相容性和可降解性[2]。壳聚糖具有良好的成膜性、渗透性、抑菌性，且价廉无毒[3]；果胶不仅具有良好的凝胶性和乳化稳定性，而且还具有良好的抗腹泻、抗癌等作用，是医药不可缺少的辅料[4]，因此被广泛应用于食品工业和医药业。而聚氯乙烯薄膜是目前使用最广泛的一种包装材料[5]，这种薄膜容易产生有害气体，而且使用后遗弃在环境中降解困难，会造成“白色污染”[6-7]，因此利用果胶壳聚糖代替聚氯乙烯制膜，提高了膜的环保性和安全性。

在适当体系下，果胶和壳聚糖之间会发生复合反应，生成果胶/壳聚糖聚电解质复合凝胶[8-9]。目前对于壳聚糖与果胶复合物应用方面的研究较多，如Medeiros等[10]将果胶和壳聚糖纳米膜用于Tommy Atkins芒果的保鲜，货架期可以达到45 d；王虹霞等[11]将果胶、壳聚糖、魔芋胶共混，制备出的膜降解快，且具有一定抗菌性。可以看出，果胶壳聚糖复合膜作为胶囊膜材料和可食性包装材料具有很大的潜力。

自然界中的果胶多为高甲氧基果胶(甲酯化度>50%)，大多数研究也直接以高甲氧基果胶和壳聚糖为原料制备食品包装膜。高甲氧基果胶与低甲氧基果胶在物理化学性质及凝胶机理上存在很大差异，但很少有学者关注到低甲氧基果胶(简称果胶)与壳聚糖之间的作用及其在食品包装膜方面的作用。因此，课题组通过果胶、壳聚糖及甘油共混制备复合膜，并研究了壳聚糖、果胶、甘油不同添加量后的成膜特性，分析了成膜条件与膜结构之间的关系，以期为食品包装行业寻求一种方便、安全的包装材料。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

壳聚糖(生物试剂)，国药集团化学试剂有限公司；低甲氧基果胶(半乳糖醛酸含量74%，甲酯化度33.7%)，简称果胶，上海源叶生物科技有限公司；丙三醇(分析纯)，乙酸(分析纯)和氢氧化钠(分析纯)，西陇科学股份有限公司。

1.2 仪器与设备

CT3- 10K型质构仪，美国博勒飞公司；Nicolet- is- 10型傅立叶红外分光光度计，美国赛默飞世尔公司；Rigaku Uitima IV型X射线衍射仪，日本理学株式会社。

1.3 实验方法

1.3.1低甲氧基果胶-壳聚糖复合包装膜的制备

在100 mL去离子水中放入一定量的壳聚糖，再加入2.0 mL乙酸，用磁力搅拌器搅拌60 min，其溶液澄清且呈现为淡黄色；在200 mL去离子水中放入一定量的甘油和果胶，再磁力搅拌60 min；为了使膜溶液均匀，将壳聚糖溶液超声处理5 min脱气，再在常温下磁力搅拌5 min；将上述的壳聚糖溶液和果胶溶液混合，然后磁力搅拌60 min，最后得到混合膜溶液；从混合膜溶液中量取20 mL，倒入9 cm玻璃平皿中，置于40 ℃鼓风烘箱中干燥12 h，取出备用。

1.3.2机械性能分析

通过CT3- 10K型质构仪分析复合包装膜的机械性能，探讨添加不同量的果胶、壳聚糖、甘油对复合包装膜力学强度的影响。

图1 果胶、壳聚糖及果胶/壳聚糖复合膜的红外光谱和XRD图谱Fig.1 Infrared spectra and XRD spectra of pectin, chitosan, and pectin/chitosan composite membrane

1.3.3表面基团表征

通过IS10型全反射红外光谱(ATR- FTIR)表征复合包装膜的表面基团，波数为4 000～400 cm-1，扫描次数为64次，分辨率为4 cm-1。

1.3.4X射线衍射分析

通过Rigaku Uitima IV型X射线衍射仪表征复合包装膜的结晶结构，来探讨果胶和壳聚糖对复合包装膜结晶结构的影响。

2 结果与分析

2.1 低甲氧基果胶- 壳聚糖复合包装膜成膜机理分析

图1(b)为果胶、壳聚糖及果胶/壳聚糖复合膜的XRD图。由图1(b)可以看出，果胶在2θ为28.61°处有一个很强的结晶峰，且分别在2θ为11.63°、20.92°、40.32°、66.65°处均有较为明显的结晶峰，这表明果胶分子的结晶度极高且晶体结构十分完整。壳聚糖在2θ为19.93°有一个宽而弱的结晶峰，其分子排列规整度不如果胶，但也较为良好。通过Jade 6.0计算，本文使用壳聚糖结晶度为70.19%。而壳聚糖和果胶交联形成复合膜几乎没有被观察到结晶峰，这可能是由于在成膜过程中，果胶的—COOH和壳聚糖的—NH2结合，形成凝胶网络结构，从而抑制了果胶及壳聚糖的重结晶，导致其结晶结构几乎完全被破坏[12-17]。

图3 果胶的添加量对果胶/壳聚糖复合膜表面分子基团的影响Fig.3 Effect of pectin addition on molecular groups on surface of pectin/chitosan composite membranes

2.2 果胶添加量对复合包装膜力学性能的影响

图2 果胶添加量对复合膜力学性能的影响Fig.2 Effect of pectin addition on mechanical properties of composite membranes

另外，当果胶添加量达到5 g时，复合膜的拉伸强度和断裂伸长率发生了小幅降低，这可能是由于果胶过量造成的。

2.3 壳聚糖添加量对复合包装膜力学性能的影响

当壳聚糖添加量为1 g时，果胶/壳聚糖复合膜的拉伸强度为3.21 MPa，断裂伸长率为40.64%，如图4。随着壳聚糖添加量的上升，复合膜的拉伸强度逐渐上升，当壳聚糖的添加量为4 g时，复合膜的拉伸强度达到最大，为4.13 MPa，这主要是因为果胶分子与壳聚糖交联结合造成的。随着壳聚糖添加量的增加，果胶分子与壳聚糖分子间的交联越来越强，导致膜的拉伸强度不断上升；同时，随着壳聚糖添加量的增加，复合膜的断裂伸长率逐渐下降，这表明，果胶可能通过其凝胶特性为复合膜提供延展性。因此，当果胶浓度随着壳聚糖添加量的增加而被不断稀释时，复合膜的断裂伸长率不断降低。

图4 壳聚糖添加量对复合膜力学性能的影响Fig.4 Effect of chitosan addition on mechanical properties of composite membranes

2.4 甘油添加量对复合包装膜力学性能的影响

当甘油的添加量为1 mL时，果胶/壳聚糖复合膜的拉伸强度为24.32 MPa，断裂伸长率仅为4.86%，与其他复合膜相比，其强度极大但弹性极差，如图6。当甘油添加量达到2 mL时，复合膜的拉升强度迅速下降至5.12 MPa，同时断裂伸长率增大至19.85%。这是由于甘油作为增塑剂，其分子链可以浸入壳聚糖和果胶的结晶结构中，破坏其结晶，增强其非结晶区的分子链强度，同时甘油中的羟基与复合膜中的羟基结合形成氢键，从而降低复合膜的强度而提高其弹性。因此，当甘油添加量过低时，复合膜的拉伸强度极大而断裂伸长率低。图7反映了甘油添加量对复合膜表面分子基团的影响。如图7可见，随着甘油添加量的增加，复合膜表面的羟基峰(～3 293 cm-1)迅速增强，这是由于甘油中含有丰富的羟基导致的(每1分子甘油含3个羟基)。

图5 壳聚糖的添加量对果胶/壳聚糖复合膜表面分子基团的影响Fig.5 Effect of chitosan addition on molecular groups on surface of pectin/chitosan composite membranes

图6 甘油的添加量对复合膜力学性能的影响Fig.6 Effect of glycerol addition on mechanical properties of composite membranes

图7 甘油的添加量对果胶/壳聚糖复合膜表面分子基团的影响Fig.7 Effect of glycerol addition on surface molecular groups of pectin/chitosan composite membranes

3 结 论

通过流延法制备了低甲氧基果胶/壳聚糖复合膜，研究了复合膜的形成机理，并以力学性能为指标探讨了果胶添加量、壳聚糖添加量以及甘油添加量对复合膜结构与性能的影响。

实验结果表明：果胶中的—COOH和壳聚糖的—NH2反应生成酰胺并成膜，并且抑制了果胶及壳聚糖的重结晶，导致其结晶结构几乎完全被破坏。当果胶添加量较低时，壳聚糖处于过量状态，膜的总体强度和弹性均较弱。随着果胶添加量的增加，复合膜在1 638 cm-1(酰胺Ⅰ带)和1 557 cm-1(酰胺Ⅱ带)处产生的吸收峰强度不断上升，表明果胶分子与壳聚糖分子间的交联越来越强，这也造成了膜的拉伸强度和断裂伸长率不断上升。

在果胶添加量为4 g时，随着壳聚糖含量的上升，复合膜在1 550 cm-1(酰胺Ⅱ带)和1 410 cm-1(酰胺Ⅲ带)处产生的吸收峰强度增强，这同样表明了果胶分子与壳聚糖分子间的交联结构的增加，同样导致膜的拉伸强度上升。但复合膜的断裂伸长率却随之降低，这是由于在复合膜中，果胶的柔性分子链为复合膜提供延展性。随着壳聚糖含量不断上升，果胶的相对含量逐渐降低，从而造成复合膜的弹性下降。

当甘油添加量为1 mL时，复合膜的拉伸强度极大而断裂伸长率极低，分别为24.32 MPa和4.86%。而随着甘油添加量的增加，复合膜的拉伸强度迅速上升而断裂伸长率急剧降低，当甘油添加量达到2 mL时，复合膜的拉升强度下降至5.12 MPa，同时断裂伸长率增大至19.85%。

通过分析各组分对膜拉升强度值、断裂伸长率等指标的影响，确定复合膜的适宜配方为果胶、壳聚糖以及甘油的添加量分别为4 g、4 g和3 mL。此比例的果胶/壳聚糖复合膜的力学性能较优。