壳聚糖复合抗菌膜的绿色制备及性能研究

李名媛 赵丹宁

摘要：以天然生物高分子壳聚糖为原料制得的薄膜因其原料易得、成本低廉、可生物降解等优良特点具有广泛的应用前景，但通常纯壳聚糖薄膜存在机械性能较差、水阻隔率较低、抗菌性较弱等不足，对此可以通过制备多组分复合膜的方法进行改进。利用壳聚糖、乳酸和单宁酸三者制备复合膜，研究了单宁酸添加量对复合抗菌膜结构和性能的影响。结果表明，当壳聚糖与乳酸的质量比为1：1、壳聚糖与单宁酸的质量比为100：4且固化并未改变壳聚糖结构的情况下，复合膜具有较高的拉伸强度和断裂伸长率。此外，复合膜还具有优良的抑菌性能和抗氧化性能。

关键词：复合抗菌膜；交联；壳聚糖；绿色

中图分类号：TB48 文献标识码：A 文章编号：1400 （2021） 08-0024-05

Study On the Green Preparation and Properties of Chitosan Composite Antibacterial Membrane

LI Ming-yuan， ZHAO Dan-ning（College of Materials & Engineering， Donghua University， Shanghai 201620， China）

Abstract： Thin films made from natural biological polymer chitosan are widely used because of their easy raw materials， low cost， biodegradable characteristics， but usually pure chitosan films have poor mechanical performance， low water barrier rate and weak antibacterial properties， which can be improved by the preparation of multi-component composite film. The preparation of chitosan， lactic acid and tannin has studied the effect of the tannin addition on the structure and properties of the composite antibacterial film. The results showed that the tensile strength and fracture elongation when the mass ratio was 1： 1， the mass ratio of chitosan to tannic acid was 100： 4， and the composite film had high tensile strength and fracture elongation. In addition， the composite film also has excellent antibacterial properties and antioxidant properties.

Key words： composite antibacterial membrane； cross-linked； chitosan； green

隨着科学技术的进步，对食品包装材料的研究也进入到了新的阶段。具有可降解的绿色包装材料逐渐成为学者们的研究热点。每年由于食品腐败导致的卫生安全问题与食品浪费问题都十分严重，因此研发具有抑菌性的食品包装材料就十分必要。

壳聚糖（chitosan， CS）是一种天然的多糖，来源广泛且无毒无害，具有可降解性与广谱抑菌性，可作为制备食品包装膜的优良材料[1-2]，符合当下倡导绿色可持续发展的社会环境。此外，目前壳聚糖的工业化生产规模正逐步扩大。可见立足于壳聚糖资源的开发与研究有着广阔的前景，进一步的开发与研究也能充分利用巨大的天然壳聚糖资源并使其得到有效合理的应用。但在机械性能、耐水性能和综合抑菌性能等方面，单一组分的壳聚糖膜仍相对不足，目前壳聚糖类材料的主要研究方向之一是增强壳聚糖膜的机械性能与功能性。

乳酸（lactic acid， LA）是一种具有抑菌作用的有机酸，能与壳聚糖形成壳聚糖乳酸盐，具有良好的韧性和强度，但其在水中的稳定性差。而单宁酸（tannin， TA）是从植物和微生物中提取的一种多酚物质，它具有交联壳聚糖、纤维素、蛋白质等生物大分子的作用。与其他化学衍生物相比，单宁酸是完全可生物降解的，且生产成本更低，具有很高的抗氧化能力，可以与其他生物大分子相互作用，能解决乳酸和壳聚糖的复合物易溶于水的问题。因此本文以本身具有抗菌作用的乳酸水溶液为溶剂、植物中提取且完全可生物降解的单宁酸为交联剂配制壳聚糖溶液，采用单因素试验与正交试验相结合的方法，探讨溶液配比对成膜性能的影响（包括力学性能测试、耐水性能测试和抑菌性能测试等），从而确定溶液最佳配比。此外，实验采用真空固化对复合膜进一步改善其溶胀度。

本文将三种天然的抗菌材料复合，旨在得到一种综合性能良好的壳聚糖基复合抗菌膜，可应用于食品包装领域以解决目前存在的抑菌率低、材料不可降解带来的污染及本身潜在的安全性等问题，使得食物保质期得到延长的同时促进包装材料绿色循环可持续发展。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

主要原料：壳聚糖（脱乙酰度≥95.0%）、乳酸、单宁酸

主要仪器：磁力搅拌器、真空干燥箱、电热恒温鼓风干燥箱、电脑式拉压力试验机

1.2 方法

1.2.1 复合膜的制备

实验流程图如图1所示。将2g壳聚糖加入至2%乳酸溶液（壳聚糖与乳酸质量比为1：1）中并搅拌24h，随后向溶液中加入0.01g（1%）、0.02g（2%）、0.03g（3%）、0.04g（4%）、0.05g（5%）、0.06g（6%）单宁酸并搅拌1-2h直至完全溶解。然后将混合溶液倒入圆形模具，放置于37℃干燥箱中，待完全干燥后从模具上揭下，即可得到单宁酸含量不同的复合膜。将膜放入真空固化箱于150℃下固化30min[3]，随后将膜放置于室温（25℃）、相对湿度为70%的恒湿器中保存12h。

1.2.2 傅里叶红外光谱分析

采用傅里叶红外显微成像光谱仪对复合膜进行红外分析，分辨率≤0.09cm-1，扫描范围为 4000～500cm-1。

1.2.3 复合膜的力学性能测试

采用电脑式拉压力试验机测试复合膜的拉伸强度和断裂伸长率，样品统一制备成宽度为2.7mm的哑铃型，试验机标距为15mm，拉伸速率为10mm/min。

1.2.4 复合膜溶胀度测试

将2cm×2cm的薄膜烘干至恒质量m0后，将薄膜样品放入去离子水中，各试验组去离子水体积保持一致。样品吸水溶胀24h后取出，拭去表面的水分后再进行称重。根据公式（1）计算样品的溶胀度（Sd）。

式中：m1，m0分别为吸水溶胀后和不处理的样品质量；ρ为溶剂密度（g/mL）。

1.2.5 复合膜抑菌性能测试

选用大肠杆菌和金黄色葡萄球菌对复合膜的抑菌性能进行测试，取0.75g±0.05g样品放入PBS缓冲液，采用振荡法测试膜的抑菌性。

1.2.6 抗氧化性能测试

参照Siripatrawan[4]等的方法，在室温条件下将浓度为1mmol/L的DPPH甲醇溶液与复合膜浸泡液混合（体积比为1：3），并使溶液远离光照30min。通过紫外分光光度计测定混合液在517nm波长处的吸光度。根据公式（2）计算DPPH自由基清除率RDPPH：

式中：ADPPH为517nm处DPPH甲醇溶液的吸光度；AS为517nm处混合液的吸光度。

1.2.7 透光率测试

采用紫外分光光度计进行测试，将复合膜统一制备成10mm×30mm的矩形，平整放置于石英比色皿的一侧，测试波长范围为200～800nm。

2 结果与分析

2.1 红外光谱分析

复合膜样品的红外光谱图如图2所示。由图2可知，（a）和（b）中，3250～3270cm-1处出现的较宽的吸收峰主要是羟基和胺基的伸缩振动峰，与（c）中3350cm-1处的吸收峰相比，谱峰变宽且红移，表明复合体系中含有大量的氢键；1570cm-1附近出现酰胺Ⅱ带的伸缩振动峰，同时（e）中乳酸在1740cm-1处C=O的伸缩振动峰在（a）和（b）的谱图中变弱，表明壳聚糖的胺基与乳酸的羧基发生反应产生了酰胺键[5]。由于单宁酸的含量很少，根据与（d）的谱图对比发现，单宁酸的加入对化学结构的影响不大，而（a）和（b）的谱图几乎没有明显差异，说明交联固化不会对壳聚糖-乳酸体系产生本质的破坏，基本保留其相容性。

2.2 单宁酸添加量对复合膜力学性能影响

为了确定复合膜中单宁酸的添加量，进行了壳聚糖中单宁酸的质量分数的改变对膜力学性能影响的探究试验。不同单宁酸添加量的复合膜的力学性能如图3所示。由图3可知，当单宁酸添加量为4%的时候，复合膜的综合力学性能最好，其中最大拉伸强度為33066.39KPa，最大断裂伸长率为84.89%。可见用4%单宁酸制成的复合膜的机械性能较好。壳聚糖和乳酸中分子间相互作用力的增大来源于彼此的羟基会发生相互作用，使得拉伸强度增大；乳酸在体系中也起到增塑剂的作用，分子链的柔性增加，膜的塑性增加，并且其断裂伸长率增大。除此之外，单宁酸中的酚羟基会与壳聚糖分子中的氨基形成离子交联壳聚糖链[6]，而离子交联的形成可以增大断裂强度，降低断裂伸长率。然而，单宁酸含量高可能会导致单宁酸分子的团聚，从而导致结构缺陷。

2.3 复合膜性能研究

2.3.1 耐水性能分析

不同单宁酸添加量的复合膜的溶胀度如图4所示。由图4可知，单宁酸的溶胀度维持在93.7%-113.1%，原因是壳聚糖与乳酸反应形成酰胺，减少了亲水基团。此外，单宁酸与壳聚糖之间的离子交联阻断了壳聚糖大分子亲水性，从而提高了疏水性和氢键作用使复合膜的溶胀度进一步下降，抗菌复合膜溶胀度的下降可促进壳聚糖应用效率的提高。

2.3.2 抑菌性能分析

不同单宁酸添加量的复合膜对大肠杆菌的抑菌性如图5所示。由图5可知，在相同条件下，当单宁酸添加量大于3%后，基本不会出现大肠杆菌菌落的生长。复合膜对金黄色葡萄球菌的抑菌性如图6所示。由图6可知，所有的试验组中均未出现金黄色葡萄球菌的生长，所以复合膜对金黄色葡萄球菌的抑菌作用要更好。在复合膜中主要是壳聚糖起到抗菌效果，它在弱酸条件下形成氨基，这些氨基结合电子发挥抗菌作用[7]，也说明壳聚糖在与单宁酸和乳酸的相互作用的过程中不会失去其高效和广谱的抗菌性能。此外，单宁酸分子中的疏水基团苯环与细菌蛋白质分子中的疏水基团结合，可使细菌中的蛋白质变性或凝固，达到杀菌效果[8]。

2.3.3 抗氧化性能分析

DPPH法是一种常用的以清除自由基体外测定抗氧化能力的方法。不同单宁酸添加量的复合膜DPPH自由基清除率如图7所示。由图7可知，当单宁酸的质量分数小于4%时，DPPH自由基清除率随添加量的增加而增加。当质量分数达到4%以后，DPPH自由基清除率趋近饱和并维持在84%左右。由于单宁酸含有多个容易被氧化且是良好供氢体的邻位酚羟基，使得加入单宁酸的复合膜呈现良好的抗氧化性。

2.3.4 透光率分析

复合膜透光率对比如图8所示。由图8可知，加入单宁酸后，相比于CS/LA膜而言，复合膜的透光率在不同波长下均呈现下降趋势。这是由于单宁酸氧化后呈现淡棕色，分散到壳聚糖溶液时，增加了溶液的不透明度，从而影响了膜的透光率。将低透光率的复合膜用于容易受到光诱导氧化的食品包装中，将会起到事半功倍的效果。

3 结论

壳聚糖与乳酸的质量比为1：1，壳聚糖与单宁酸的质量比为100：4时，制备的复合膜具有较好的力学性质，抗拉强度和断裂伸长率分别为33.07MPa和84.886%。相比于单一组分的壳聚糖膜，复合膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均表现出更好的抑菌性能。复合膜的DPPH清除率达到了84.27%，比CS/LA复合膜的DPPH自由基清除率提高了约50%。FTIR分析结果表明，复合成膜与固化过程中没有产生新的基团，此外复合膜溶胀度为103.96%。综上所述，壳聚糖/乳酸/单宁酸复合膜具有良好的力学性能和抑菌性能，还具有较好的抗氧化性和透光性，可用于食品保鲜及包装膜等包装材料中。

参考文献：

[1] LECETA I， GUERRERO P， IBARBURU I， et al. Characterization and antimicrobial analysis of chitosan-based films[J]. Journal of Food Engineering， 2013， 116（4）：889-899.

[2] 朱明秀，黄崇杏，蓝鸿雁，柳英，李志嘉，杜恒.茶多酚对壳聚糖/聚乙烯醇复合膜性能的影响[J].包装工程，2018，39（05）：110-114.

[3] XU F H， WENG B， GILKERSON R， et al. Development of tannic acid/chitosan/pullulan composite nanofibers from aqueous solution for potential applications as wound dressing[J]. Carbohydrate Polymers， 2015.

[4] AUS， BBRH. Physical properties and antioxidant activity of an active film from chitosan incorporated with green tea extract[J]. Food Hydrocolloids， 2010，24（8）：770-775.

[5] 马现光. 壳聚糖薄膜共混改性研究[D].齐鲁工业大学，2019.

[6] RUBENTHEREN V， WARD T A， CHEE C Y， et al. Processing and analysis of chitosan nanocomposites reinforced with chitin whiskers and tannic acid as a crosslinker[J]. Carbohydr Polym， 2015，115：379-387.

[7] 徐忠，高阳，冯欣宁，谷芳，赵丹.玉米皮半纤维素/壳聚糖/甘油复合膜制备及性质研究[J].中国粮油学报，2020，35（05）：174-180.

[8] 江凯. 五倍子单宁的提取纯化及其抗菌、抗突變作用研究[D].陕西师范大学，2011.

[9] 侯留鑫. 三种抗氧化剂在不同体系中抗氧化能力的比较研究[D].南京师范大学，2014.