壳聚糖马来酸盐的制备及其膜性能

李 英,赵婉君,叶 霞,丁俊阳,刘长霞

(沧州师范学院化学与化工学院,河北沧州 061001)

壳聚糖是甲壳素的脱乙酰化产物,自然界中唯一的碱性多糖,无毒、生物相容性好,具有良好的成膜性、吸附性和抗菌性,在食品、农业、医药和环保等领域广泛应用[1-4]。壳聚糖只能溶解在酸性介质中,大大限制了其应用范围[5]。壳聚糖酸溶液不能长期贮存,在实际应用中需要现用现配,操作繁琐,应用不方便[6]。固体壳聚糖盐是壳聚糖发生质子化成盐反应的产物,溶解性能好,生物相容性好,制备工艺简单,是非常重要的壳聚糖应用形态[7-8],在抑菌膜、卫生材料、食品保鲜等方面被广泛应用[9-12]。为进一步改善壳聚糖的溶解性、提高壳聚糖盐的功能性,开发新型固体壳聚糖盐具有重要的现实意义。

马来酸化学名称为顺丁烯二酸,作为一种不饱和二元酸,如果与壳聚糖发生质子化成盐反应,不仅能改善壳聚糖的溶解性能,还可能起到超分子组装作用,提高壳聚糖盐的功能性质。马来酸在食品、医药、农药等方面应用广泛[13],但是有关壳聚糖马来酸盐(Ch-Ma)的研究未见文献报道。本文采用半湿研磨法制备固体Ch-Ma,通过流延法制备Ch-Ma膜,并对其结构、理化性能进行研究,为新的功能性壳聚糖盐的制备提供一定的思路。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

壳聚糖 脱乙酰度85.7%,粘度200 cps,济南海得贝海洋生物工程有限公司;马来酸 分析纯,天津市化学试剂一厂;醋酸 分析纯,天津市科密欧化学试剂有限公司。

PHSJ-3F实验室pH计 上海雷磁仪器厂;NDJ-8S数显粘度计 上海精密科学仪器有限公司;Nicolet-is5傅里叶变换红外光谱仪 赛默飞世尔科技有限公司;TM3030台式扫描电镜 日本株式会社日立高新技术那珂事业所;TD3000 X-射线衍射仪 丹东通达科技有限公司;CMT6202微机控制电子万能试验机 美特斯工业系统(中国)有限公司深圳分公司。

1.2 实验方法

1.2.1 Ch-Ma的制备、结构表征和理化性能测定方法

1.2.1.1 制备方法 称取固体马来酸0.947 g,溶解在3～4 mL去离子水中,配制马来酸水溶液。称取1.50 g干燥壳聚糖置于研钵中(壳聚糖氨基与马来酸羧基的物质的量比为1∶2),一边向研钵中缓慢滴加马来酸水溶液,一边充分研磨,得到潮湿、蓬松状的固体,置于鼓风干燥箱中,50 ℃干燥6 h,得到固体Ch-Ma。同样方法制备了壳聚糖醋酸盐(Ch-Ac)[14]。

1.2.1.2 结构表征 红外光谱(FT-IR)表征:分别取少量的壳聚糖、Ch-Ma和Ch-Ac与适量的KBr混合,充分研磨,在压力约20 MPa下压片1.5 min,扫描范围4000～400 cm-1,测绘红外光谱图。

X-射线衍射光谱(XRD)表征:将壳聚糖、Ch-Ma和Ch-Ac样品充分研磨、压片,测绘X-射线衍射光谱图。工作条件:CuKa(λ=1.5406 Å),电压为10 kV,电流为40 mA,扫描速率0.01 °/s,扫描范围为4～50 °。

1.2.1.3 理化性能测定 分别量取100.00 mL去离子水于7个烧杯中,用0.10 mol/L HCl和0.10 mol/L NaOH溶液调节pH至2.0、4.0、7.0、9.0、11.0、12.0和13.0。称取1.00 g Ch-Ma分别加入到上述不同pH的水溶液介质中,磁力搅拌,观察其溶解情况并用pH计测定上述Ch-Ma水溶液的pH。将上述溶液静置至无气泡,用NDJ-8S数显粘度计测定其粘度。

1.2.2 Ch-Ma膜、Ch-Ac膜的制备、结构表征及性能测定方法

1.2.2.1 制备方法 准确称取1.00 g Ch-Ma若干份,分别溶于100.00 mL pH2.0、3.0、5.0、7.0、9.0、11.0的水溶液介质中,磁力搅拌1.5 h至完全溶解,静置脱泡后移取一定量的溶液,均匀平铺于洁净干燥的塑料培养皿上,置于鼓风干燥箱中,55 ℃干燥3.5 h,膜与培养皿分离之后揭膜,保存备用。同样方法制备Ch-Ac膜。

1.2.2.2 结构表征 扫描电子显微镜(SEM)表征:分别将Ch-Ma膜、Ch-Ac膜固定于导电胶上,置于离子溅射仪中喷金60 s,利用SEM观察其形貌。

XRD表征:分别将Ch-Ma膜、Ch-Ac膜置于X-射线衍射仪中,测绘XRD光谱,测试条件同1.2.1.2。

紫外光谱(UV)表征:将Ch-Ma膜小心固定于比色皿的一侧,以空气为参照,测定其200～400 nm的吸收光谱,同时测定Ch-Ma水溶液的UV光谱。

1.2.2.3 透光性测定方法 将1.2.2.1制备的备用膜剪成40 mm×10 mm大小,随机选取五个点测定膜的厚度,计算平均值。然后,将其小心固定于比色皿的一侧,使其无折皱,在可见光(λ=480 nm)下,以空气作为参照,测定膜的透光率(%)[15]。

1.2.2.4 孔隙率测定 将1.2.2.1制备的备用膜剪成40 mm×10 mm大小,随机选取五个点测定膜的厚度,计算其平均值(mm)。首先称量样品膜的质量(M0),然后将其浸入无水乙醇中,2 h后取出,用滤纸吸干膜表面的乙醇并称重(Mt);每组3个平行样品。膜的孔隙率P(%)计算公式如下[16]:

其中,Mt为2 h后膜的质量(g),M0为膜的初始质量(g),ρ是乙醇在20 ℃时的密度(0.789 g/mL),V是样品膜的体积(mL)。

1.2.2.5 吸水率测定方法 1.2.2.1制备的备用膜剪成10 mm×10 mm大小,将其浸入4% NaOH溶液浸泡0.5 h,蒸馏水冲洗五次,置于鼓风干燥箱中,55 ℃干燥3.5 h。首先称量膜初始质量M0,然后将其浸泡于水中60 min,取出,滤纸吸干膜表面的水,再称量样品膜的质量Mt,每组3个平行样品。样品膜的吸水率W(%),参照文献[17]方法求得:

1.2.2.6 吸湿率测定方法 将1.2.2.1制备的备用膜置于洁净干燥的称量瓶中,称量加入样品膜前后称量瓶的质量,得到膜的初始质量W0;将盛有样品膜的称量瓶置于装有饱和KNO3水溶液(维持相对湿度为91%)的干燥器内吸湿24 h,测定称量瓶和膜的质量,得到吸湿后膜的质量Wn,每组3个平行样品。膜的吸湿率M(%)计算公式如下[18]:

1.2.2.7 水蒸气透过率系数测定方法 采用拟杯法,在杯子中放入无水CaCl2,将1.2.2.1制备的备用膜蒙在杯口密封,再把杯子置于盛有一定量KCl饱和溶液的干燥器中,使样品膜两侧保持一定的蒸汽压差。通过样品膜的水蒸气量计算水蒸气透过系数。水蒸气透过系数WVP按下式计算[19]:

式中:q/t-在稳定透过时,单位时间内透湿杯增加质量的算术平均值(g/s);d-样品膜厚度(mm),在5个不同部位取样测量,取其平均值;s-样品膜面积(mm2)。ΔP-试样两侧的蒸汽压差(mmHg柱)。

1.2.2.8 机械性能测定方法 将1.2.2.1制备的备用膜裁剪成1 cm×4 cm的长方形样条。利用电子万能试验机在室温条件下测定膜的力学性能[15]。拉伸速度为10 mm/min;标距:30 mm。

1.3 数据处理

采用Origin 8.5软件,多曲线叠加绘制FT-IR、XRD和UV光谱图;膜性能每组数据测定三次,测定结果以平均值±标准偏差表示。

2 结果与分析

2.1 Ch-Ma的结构表征

图1 壳聚糖(a)、Ch-Ma(b)和Ch-Ac(c)的红外光谱图Fig.1 FT-IR spectra of chitosan(a),Ch-Ma(b)and Ch-Ac(c)

2.1.2 XRD表征 壳聚糖在2θ 11 °处的弱衍射峰,20 °处的较强衍射峰(图2),分别属于壳聚糖的Form I和Form II晶型[27]。Ch-Ma中2θ 11 °处衍射峰消失,20 °处的衍射峰钝化;Ch-Ac在11 °和20 °附近出现多个小的衍射峰,表明壳聚糖-NH2与有机酸-COOH发生质子化成盐反应后,氢键被打破,破坏了壳聚糖的晶体结构,结晶度降低[25,28]。

图2 壳聚糖(a)、Ch-Ma(b)和Ch-Ac(c)的X-射线衍射图Fig.2 X-ray diffraction spectra of chitosan(a),Ch-Ma(b)and Ch-Ac(c)

2.2 Ch-Ma的理化性能

壳聚糖只能溶解于酸性介质中[5]。由表1可以看出:Ch-Ma在酸性、中性、碱性(pH<11)介质中均能溶解,极大改善了壳聚糖的溶解性能。Ch-Ma溶解性能的改善,一方面正如FT-IR光谱(图1)表明的壳聚糖氨基质子化,另一方面如XRD光谱(图2)表明的Ch-Ma结晶度降低。Ch-Ma分别溶解在pH2.0～11.0的不同介质中,水溶液的pH和粘度均没有明显变化,说明Ch-Ma具有良好的缓冲能力。pH>11的碱性介质超出Ch-Ma的缓冲范围,溶解能力下降,粘度下降,溶液pH升高。Ch-Ma溶解性能的改善和强的缓冲能力可以扩大其应用范围。

表1 Ch-Ma在不同pH介质中的溶解性和溶液粘度Table 1 Solubility and viscosity of Ch-Masolution in different pH media

2.3 膜的结构表征

Ch-Ma膜、Ch-Ac膜的SEM、XRD和UV表征分别如图3～图5所示。由图3可以看出,Ch-Ac膜、Ch-Ma膜的表面均匀且光滑,膜截面均出现层状结构,Ch-Ma膜的层状结构不如Ch-Ac膜的层状结构明显。XRD表征(图4)表明,Ch-Ma膜和Ch-Ac膜的结晶度比Ch-Ma和Ch-Ac(图2)的结晶度低,而且Ch-Ma膜的结晶度比Ch-Ac膜的更低。一方面表明壳聚糖盐溶解后壳聚糖氨基被充分质子化,氢键破坏,浇筑膜结晶度降低;另一方面表明Ch-Ma膜的排布比Ch-Ac膜疏松,也正如SEM表征所示(图3)。UV表征(图5)表明,在Ch-Ma溶液中,211 nm处最大吸收峰归属于马来酸的不饱和共轭双键特征峰[13]。在Ch-Ma膜中,该吸收峰加宽而且发生红移,表明在Ch-Ma成膜过程中,分子间发生π-π超分子相互作用[29]。因此,Ch-Ma膜中的π-π作用和壳聚糖氨基的质子化(图5),破坏了壳聚糖分子链间强的氢键作用,使Ch-Ma膜的结构更加疏松。

图3 Ch-Ma膜(A,A′)和Ch-Ac膜(B,B′)的SEM图谱Fig.3 SEM images of Ch-Ma film(A,A′)and Ch-Ac film(B,B′)

图4 Ch-Ma膜(a)和Ch-Ac(b)膜的XRD图谱Fig.4 X-ray diffraction spectra ofCh-Ma film(a)and Ch-Ac film(b)

图5 Ch-Ma溶液(a)、Ch-Ma膜(b)和Ch-Ac膜(c)的UV光谱Fig.5 UV spectra of Ch-Ma solution(a),Ch-Ma film(b)and Ch-Ac film(c)

2.4 膜性能

2.4.1 透光率 按照实验方法制备的Ch-Ma膜、Ch-Ac膜厚度均为10 μm,膜的透光率测定结果如图6所示。由图6可以看出,酸性、中性和弱碱性(pH<9.0)介质浇筑的Ch-Ma膜的透光率大于90%,比Ch-Ac膜透光率略强。当介质pH>9时,Ch-Ma膜的透光率开始下降。由表1可以知道,Ch-Ma在酸性、中性,弱碱性(pH<9.0)介质中具有良好的溶解性能;当pH>9时,随着介质pH的增大,Ch-Ma的溶解性逐渐下降,因此导致膜的透光性降低。Ch-Ma在pH<9的介质中展现良好的成膜性和透光性,为扩宽应用奠定基础。

图6 不同pH介质浇筑的Ch-Ma膜、Ch-Ac膜的透光率Fig.6 Transmittance curve of Ch-Ma filmand Ch-Ac film poured from different pH media

2.4.2 孔隙率 由图7可以看出,Ch-Ma膜的孔隙率大于Ch-Ac膜的孔隙率。正如SEM表征(图3)和XRD表征(图4)表明,Ch-Ma膜的结构比Ch-Ac膜的结构疏松,因此Ch-Ma膜的孔隙率更大。Ch-Ma膜的孔隙率由酸性pH2介质浇筑膜的42.6%降低到碱性pH9的38.4%,受介质pH影响较小。

图7 不同pH介质浇筑的Ch-Ma膜和Ch-Ac膜的孔隙率Fig.7 Porosity curves of Ch-Ma filmand Ch-Ac film poured from different pH media

2.4.3 吸水率 由图8可以看出,Ch-Ma膜的吸水率小于Ch-Ac膜的吸水率。壳聚糖氨基被醋酸质子化,亲水性强,溶胀性能好,导致Ch-Ac溶液浇筑的膜耐水性差[30]。Ch-Ma膜的吸水率低可能是由于Ch-Ma膜中存在π-π相互作用,疏水性能增强。Ch-Ma膜的吸水率由酸性pH2介质浇筑膜的280%降低到碱性pH9的205%,受介质pH影响较小。

图8 不同pH介质浇筑的Ch-Ma膜和Ch-Ac膜的吸水率Fig.8 Water adsorption curves Ch-Ma filmand Ch-Ac film poured from different pH media

2.4.4 吸湿率 由图9可以看出,Ch-Ma膜的吸湿率小于Ch-Ac膜的吸湿率。膜吸湿率与膜的吸水率实验结果一致,进一步说明了Ch-Ma膜比Ch-Ac膜具有更强的耐水性。Ch-Ma膜的吸湿率由酸性pH2介质浇筑膜的21%变到pH9的17%。随着介质pH的变大,Ch-Ma膜的吸湿率变化不明显。由上面两个实验结果表明,Ch-Ma膜具有更强的耐水性而且受介质pH的影响较小。

图9 不同pH介质条件下浇筑的Ch-Ma膜和Ch-Ac膜的吸湿率Fig.9 Moisture ratio curves of Ch-Ma filmand Ch-Ac film poured from different pH media

2.4.5 水蒸气透过率 由图10可以看出,Ch-Ma膜的水蒸气透过率系数小于Ch-Ac膜。膜的吸湿率和吸水率实验结果表明,Ch-Ac膜比Ch-Ma膜具有更强的亲水性能,Ch-Ac膜和水蒸气之间的结合力强,膜容易吸水溶胀,从而疏松了膜的致密结构,水容易通过,水蒸气通过系数大[19]。尽管Ch-Ma膜的结构比Ch-Ac排布疏松,孔隙率大,但是Ch-Ma膜的吸湿率、吸水率小,疏水性强,导致Ch-Ma膜的水蒸气透过率小。

图10 不同pH介质浇筑的Ch-Ma膜和Ch-Ac膜的水蒸气透过率系数Fig.10 Water vapor permeability of Ch-Ma filmand Ch-Ac film poured from different pH media

2.4.6 机械性能 由表2可以看出,Ch-Ma膜的拉伸强度增加,断裂伸长率也增加,表明马来酸改性壳聚糖构筑的膜机械强度比Ch-Ac膜机械强度增强。

表2 Ch-Ma膜和Ch-Ac膜的机械性能比较Table 2 Comparison of mechanical properties ofCh-Ma film and Ch-Ac film

3 结论

通过半湿研磨法制备了固体Ch-Ma盐。壳聚糖氨基与马来酸发生质子化成盐反应,破坏壳聚糖分子间强的氢键作用,结晶度降低,因此改善了壳聚糖的溶解性能。Ch-Ma可溶解在酸性、中性和碱性(pH<9)介质中,具有较强的缓冲能力。Ch-Ma在pH<9介质中,展现良好的成膜性能,膜透光率超过90%。Ch-Ma膜中壳聚糖氨基的质子化和π-π超分子作用,破坏了壳聚糖分子链间强的氢键作用,使Ch-Ma膜的结构更加疏松,孔隙率增加,疏水性增强。与Ch-Ac膜比较,Ch-Ma膜吸湿率、吸水率和水蒸气透过率小,具有更强的耐水性能和机械强度。Ch-Ma膜的透光性好、耐水性强而且受介质pH影响小,为壳聚糖功能材料的制备提供新的思路。