交联壳聚糖/聚乙烯醇/蜗牛黏液复合膜的制备及性能研究

2022-06-09李福杰徐华亭王立梅

中国塑料 2022年5期

李福杰，齐斌，，徐华亭，王立梅，*

（1.苏州大学药学院，江苏苏州 215127；2.常熟理工学院生物与食品工程学院苏州市食品生物技术重点实验室，江苏苏州 215500）

0 前言

近年来，塑料和不可降解聚合物造成的环境问题引起了社会极大的关注，因此许多学者致力于从天然和可再生资源中寻找合适的食品包装替代品。CS具有无毒、可降解、广谱抑菌及良好的成膜能力，已被广泛用于食品包装行业[1-2]。然而，纯CS膜质脆、柔韧性和抗水性较差，且在酸性介质中极易溶胀的缺点限制了其应用。而CS与其他天然或合成聚合物共混可改善CS基膜的溶胀性能和力学性能[3]。PVA亲水性高、生物降解性和力学性能良好、成膜性优异，广泛用于食品包装[4]。PVA膜具有优异的弹性强度和柔韧性，将PVA与CS共混可以改善CS膜质脆的缺点，也可以一定程度解决PVA基膜耐水性差、吸湿性大及易滋生细菌等问题[5]。CS/PVA薄膜的力学性能尽管与纯CS膜相比得到了改善，但仍然较差，特别是在潮湿环境中[6]。在制备薄膜过程中加入交联剂可以改善薄膜的力学性能、防水性能及阻隔性能[7]。近年来，人们更关注于绿色交联剂，其避免了化学交联剂对人体健康造成危害问题[8]。其中，存在于甜菜和香草荚中的V是一种生物基交联剂，被广泛应用于食品、饮料、香料和制药等多个领域[9]。此外，存在于甜菜和香草荚中的V也是一种天然抗氧化剂，将其加入薄膜基质中可赋予薄膜一定的抗氧化性，这在活性食品包装中具有极大的应用前景，可阻止食品因氧化导致的质地改变、营养价值损失、异味、变色或有毒物质产生等现象[10]。

同时，在CS薄膜基质中加入黏液等亲水胶体可促进其产生协同作用，增加材料的柔韧性和延展性，进而改善CS膜的力学性能和阻隔性能[11]。其中，SM受到了极大的关注。有研究表明，SM的添加极大改变了CS膜的力学性能；其作用类似于增塑剂，可将薄膜的延展性提高至10倍并极大改善了其防水性和生物黏附性[12]。事实上，SM是一种具有黏性、保湿、润滑作用和天然来源的活性物质，具有合成化合物所没有的独特性质。关于这种动物源的衍生提取物的研究不多，且研究SM基复合材料性能的论文更少[13]。本研究制备了由PVA、CS、SM及V组成的复合薄膜，研究了组分配方对复合膜结构、理化性质、力学性能等的影响，以评估它们在活性食品包装中的适用性。

1 实验部分

1.1 主要原料

CS，脱乙酰度≥90%，上海生物工程有限公司；

V，纯度≥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，取自陕西秦岭白玉蜗牛，西安百川生物科技有限公司；

福林酚试剂，试剂级，上海生物工程有限公司；

没食子酸，纯度≥98%，上海生物工程有限公司；

1，1-二苯基-2-三硝基本肼（DPPH），纯度≥99%，福州飞净生物科技有限公司。

1.2 主要设备及仪器

电热恒温鼓风干燥箱，WGL-230B，天津市泰斯特仪器有限公司；

数显恒温水浴锅，HH-6，常州隆和仪器制造有限公司；

紫外分光光度计，UV3600，岛津（上海）实验器材有限公司；

傅里叶红外光谱分析仪（FTIR），FTIR-650，天津港东科技发展股份有限公司；

TG，HS-TGA-103，上海和晟科技有限公司；

SEM，Hitachi X-650，日立（中国）有限公司；

视频光学接触角测量仪，OCA15EC，德国艾菲仪器股份有限公司；

万能材料试验机，UTM-1451，承德市金建检测仪器有限公司。

1.3 样品制备

将2 g CS溶于100 mL体积分数为1%的醋酸溶液中并在室温下搅拌均匀；再将CS溶液与SM以体积比5/1、5/2、5/3、5/4或5/5混合，磁力搅拌2 h后在12 000 r/min、4℃下离心10 min，去除不溶性物质，得到CS/SM混合溶液；将2 g PVA溶于100 mL去离子水中，在86℃水浴下搅拌至其完全溶解，再将30 mL 5种不同体积比的CS/SM溶液分别与20 mL PVA溶液以体积比3/2进行混合，再加入2 mL 20%（质量分数，下同）V溶液，得到V交联的CS/PVA/SM共混液，分别记为 CSPV1、CSPV2、CSPV3、CSPV4、CSPV5；将30 mL CS溶液与20 mL PVA溶液共混，记为CS/PVA；同时将仅加入SM，不加V和仅加入V，不加SM的CS/PVA共混液作为对照，分别记为CSP和CPV；然后将混合液在500 r/min、30℃下磁力搅拌3 h，最后将共混膜液均匀平铺在干燥洁净的模具中，在40℃下干燥24 h成膜。

1.4 性能测试与结构表征

水分含量、溶胀度、水溶性测定：将薄膜剪成1 cm2小块并称重（M1，g），再将其在105℃烘箱中干燥至恒重并称重（M2，g），随后将干燥后的薄膜浸入蒸馏水中浸泡24 h，用纸巾擦干表面水分后称重（M3，g），最后将充分溶胀后的薄膜在烘箱中干燥至恒重并称重（M4，g）；复合膜的水分含量（WC，%）、溶胀度（SD，%）及水溶性（WS，%）按照以下公式进行计算：

不透明度测定[14]：将尺寸为10 mm×40 mm的薄膜放入比色皿中，以空比色皿作为参比，用紫外分光光度计在600 nm处测定吸光值（A600），薄膜不透明度（Op，mm-1）按式（4）计算：

式中d——薄膜厚度，mm

DPPH·清除率测定[15]：称取剪碎的薄膜500 mg于锥形瓶中，加入20 mL甲醇后用封口膜将瓶口密封以防止甲醇挥发，再将其放入摇床中，以30℃、150 r/min振摇24 h制备膜提取液；称取39.4 mg DPPH溶于500 mL甲醇中以制备0.2 mmol/L DPPH溶液，充分振摇均匀并避光保存备用；在10 mL玻璃管中加入3 mL DPPH溶液和1 mL甲醇混匀，反应稳定后以甲醇为参比溶液，在517 nm处测定吸光值（A0）；同法依次加入3 mL甲醇和1 mL膜提取液，测定吸光值（A1）；依次加入3 mL DPPH溶液和1 mL膜提取液，测定吸光值（A2），按式（5）计算 DPPH·清除率（C，%）：

总酚化合物含量测定[16]：采用抗氧化性测定中同样的方法制备膜提取液，取100 μL膜提取液于10 mL试管中，加入1 mL福林酚试剂后涡旋振荡20 s，再加入3 mL 5% Na2CO3，最后加水至10 mL，将其在45℃水浴中反应1.5 h后，以甲醇为参比溶液，在760 nm处测定吸光度；同时绘制没食子酸标准曲线，得到线性回归方程为y=0.052x+0.024 5，r2=0.998 3，样品的总酚化合物含量（Tpc，mg/g干膜）以每克干膜的没食子酸当量表示，见式（6）：

式中c——从标准曲线中得到的没食子酸浓度，mg/mL

V——膜提取液体积，mL

M——干膜重量，g

表观形貌分析：用导电胶带将薄膜固定在样品板上，然后在15 kV加速电压下对样品进行成像，使用SEM观察样品表面形态；

静态水接触角测定：使用接触角测量仪测定水在薄膜表面上的静态接触角，测试温度为（25±2）℃；测量用双蒸馏水体积约为1 μL；

红外分析：使用FTIR在4 000～400 cm-1波数范围内对样品进行扫描，扫描次数为32次，分辨率为4 cm-1；

水蒸气透过率测定[17]：向玻璃管中加入5 g干燥至恒重的硅胶以提供数值为零的相对湿度，借助石蜡将玻璃管用薄膜进行封口，将密封好的玻璃管放入含有饱和硫酸钾溶液的干燥器中，以提供97%的相对湿度，间隔一定时间后测定玻璃管的增重情况，水蒸气透过率（WVP，g/（m·h·Pa）]按照式（7）计算：

式中t——时间间隔，h

Δm——t时间内烧杯的质量变化，g

A——烧杯杯口面积，m2

ΔP——玻璃管内外压差，为3.074×103Pa

氧气阻隔能力测试：氧气的阻隔能力可以通过油脂的过氧化值反映；向锥形瓶中加入30 mL新鲜大豆油，将瓶口用薄膜密封，再将密封的锥形瓶在60℃水浴中放置10 d；同时，将没有薄膜密封的油样品作为空白对照；通过硫代硫酸钠滴定法测定脂质过氧化的结果[18]；过氧化值（PV，mmol/kg）用1 kg样品中活性氧的毫摩尔数表示，通过式（8）进行计算：

式中V1——油样品消耗的硫代硫酸钠标准溶液体积，mL

V0——空白实验消耗的硫代硫酸钠标准溶液体积，mL

C0——硫代硫酸钠标准溶液浓度，mol/L

m——油样品质量，g

热力学分析：通过TG进行分析，氮气流速20mL/min，以10°C/min的升温速率将薄膜样品从30°C升温至900 °C，记录其热失重曲线[19]；

拉伸性能测试：按照ASTM D882[20]测试样品的拉伸强度（TS）和断裂伸长率（Eb），在室温下进行试验，样品尺寸为1 cm×5 cm，拉伸速率为50 mm/min，十字头速率为5 mm/min，称重传感器为500 N；

生物降解度测定：将薄膜裁剪成10 mm×10 mm大小并称重（m0，g），将其埋入装有50 g的潮湿土壤的试管中，每天将1 mL的水喷洒在土壤表面上，间隔一段时间取出样品，用水冲洗以去除表面黏附的土壤，然后在室温下干燥24 h并称重记为（mt，g）；薄膜的生物降解度（WL，%）按式（9）计算：

统计分析：所有实验至少1式3份进行，采用统计分析软件SPSS 20进行数据评估，使用单因素ANOVA分析中的Duncan检验评估样本之间的差异（P＜0.05）。

2 结果与讨论

2.1 物理性能

如表1所示，CSPV1～CSPV5的厚度在0.110～0.174 mm之间，且随着CS溶液/SM溶液体积比的增加，膜厚度逐渐降低；CS及CS/PVA与CSP及CPV的厚度存在显著差异，这可能是由于CS链的水合层较宽，因此其对水的键合能力较强，而SM含量增加时CS含量相应减少，因此其对水的结合能力减弱，导致复合膜厚度降低；此外，膜厚度与各组分间的相互作用、成膜聚合物的性质和添加剂含量及制备工艺等紧密相关，膜厚度的降低可归因于分子链阻塞的减少和成膜溶液黏度的急剧下降[21]。

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

由表1还可见，CS和CS/PVA的WC较低，分别为（7.48±0.30）%和（10.75±0.18）%，而CSP表现出最高的含水量（58.10±0.98）%，与对照组相比存在差异显著。这可能是由于SM的添加扰乱了膜结合水的性能，进而导致了含水量的差异。由表还可以发现，随着SM含量的增加，CS/PVA/SM复合膜WC逐渐增加，进一步说明了SM的添加会使薄膜WC增加。

SD和WS是影响薄膜耐水性的2个重要特性。由表1可见，CS表现出最高的SD和最低的WS；添加PVA、SM和V均可以显著降低其SD，可以很好地改善CS膜易溶胀的缺点；添加PVA和SM均可以显著增加CS膜的WS。有趣的是，随着CS溶液/SM溶液体积比的增加，CS/PVA/SM复合膜的SD和WS逐渐增加；SM的加入导致薄膜WS显著增加，这归因于SM中含有亲水性物质，如乙醇酸、尿囊素、葡糖糖醛酸等[22]。

2.2 不透明度

由图1可见，CS薄膜的不透明度为（0.33±0.01）mm-1，加入PVA及SM均可显著降低其不透明度，而加入V可以使其不透明度显著增加；CS/PVA/SM复合膜的不透明度随着SM含量的增加逐渐降低，进一步说明了SM的添加可以降低其不透明度；CS/PVA/SM复合膜整体不透明度较高，对光线具有很好的屏障作用，从而可保护一些光敏食物免受光降解。

图1 样品的不透明度Fig.1 Opacity of the samples

2.3 抗氧化活性

如图2所示，CS和CS/PVA的DPPH·清除活性较低；加入SM后CSP的抗氧化活性显著增加；加入V后CPV和CSPV的抗氧化性能均显著提高，这归因于V的高抗氧化活性。还可以发现，随着CS溶液/SM溶液体积比的降低，CS/PVA/SM复合膜的抗氧化性能逐渐提升。推测这是因为SM的主要成分为尿囊素，尿囊素不仅具有消炎与修复的作用，还是一种天然的抗氧化剂；此外，SM中含有的维生素C和维生素E也具有一定的抗氧化作用[23]；因此SM中的抗氧化活性物质可与V发挥协同抗氧化作用，这对于延缓食品氧化具有重要意义。

图2 样品的的抗氧化活性Fig.2 Antioxidant property of the samples

抗氧化活性主要来源于具有高抗氧化活性的酚类化合物，因此酚类化合物含量与抗氧化活性间有密切的联系。由图3可知，CS和CS/PVA的总酚化合物含量较低，且两者之间无显著性差异；而加入SM和V后，总酚化合物含量显著增加，且随着CS溶液/SM溶液体积比的降低，CS/PVA/SM复合膜的总酚化合物含量增加，其中CSPV5的总酚化合物含量高达540.63 mg/g干膜。

图3 样品的总酚化合物含量Fig.3 Total phenolic compound content of the samples

2.4 表面形貌

如图4所示，CS、CS/PVA及CPV表面光滑平整、无颗粒聚集，说明各组分间相容性良好；添加SM后，CSP表面出现不规则纹理，这可能是由于SM中某些成分与CS、PVA产生了相互作用，形成交联网；加入V和SM时，复合膜表面出现不同于CSP的纹理，且随着CS溶液/SM溶液体积比的不同呈现出一定差异；CSPV1和CSPV2表面无明显纹理，但其表面光滑平整、无颗粒聚集，说明SM与CS、PVA及V间有良好的相容性；而CSPV3表面出现纹理，且与未加入V的CSP表面纹理不同，这可能是由于V与CS、PVA或SM中某些成分发生了相互作用，形成了不同于CSP的交联网；CSPV4的表面开始出现一些颗粒物的聚集，CSPV5的颗粒物聚集更显著，这是由于当CS溶液/SM溶液体积比增加时，CS含量逐渐减少，使得过量的V未参与CS的交联反应，进而在干燥过程中残留在复合膜表面上，这一结果与Zhang等[24]的研究结果一致。

图4 样品的SEM照片Fig.4 SEM image of the samples

2.5 静态水接触角

静态水接触角是评价薄膜亲/疏水性能的重要指标，通常接触角较低（＜90°）表示为亲水性，较高（＞90°）表示为疏水性。如图5所示，CS膜的接触角为109°，表现出疏水性；而 CS/PVA、CPV、CSP及CS/PVA/SM复合膜表现出亲水性，且随着CS溶液/SM溶液体积比的增加，CS/PVA/SM复合膜的亲水性逐渐增加，这主要与疏水性CS含量减少和SM中极性物质的存在有关，如乙醇酸、尿囊素和蛋白质[23]。

图5 样品的静态水接触角Fig.5 Static water contact angle of the samples

2.6 红外分析

如图6所示，CS的FTIR谱图在3 395 cm-1处对应—OH的拉伸振动；1 634 cm-1和1 545 cm-1处分别对应C=O和N—H的拉伸振动；1 150 cm-1处对应于C—O—C的拉伸振动[25]。在PVA的谱图中，3 340 cm-1处的宽带归因于分子间和分子内氢键的O—H伸缩振动；2 935 cm-1处存在不对称拉伸振动峰，表明存在—CH2；1 718 cm-1处为PVA骨架中剩余醋酸乙烯酯单元的C=O基团的伸缩振动[26]；1 083 cm-1处的谱带对应于C—O伸缩振动。CS/PVA的谱图表明，与C—C拉伸和C=O相关的峰向更高波数移动，分别从1 240、1 634 cm-1移至1 257、1 650 cm-1；1 718 cm-1处的峰消失表明CS和PVA分子间存在相互作用[27]，且与CS相比，CS/PVA中没有新的峰，表明CS与PVA兼容。在CSP的谱图中，3 400 cm-1处的谱带对应O—H伸缩振动；1 640、1 525 cm-1处的特征峰对应SM中的蛋白质的α-螺旋和无规则卷曲2级结构；1 110 cm-1处的吸收峰是由C—O—C伸缩振动引起的。CSPV3谱图中3 400 cm-1处的宽峰对应—OH拉伸振动；1 716 cm-1处对应于V分子中苯甲醛的C=O伸缩振动；1 642 cm-1处为CS的氨基与V的醛基间形成的亚胺键（C=N）的伸缩振动；1 597 cm-1处的峰是叠加在C—H面内变形上的芳香族的C=C拉伸振动；517 cm-1处对应—CHO组的C—H拉伸振动及芳环的面内变形[28-29]。

图6 样品的FTIR谱图Fig.6 FTIR spectra of the samples

2.7 水蒸气透过率

水蒸气透过率是预测包装产品货架期和适用性的重要参数，薄膜的水蒸气透过率应尽可能低，以减少食物与周围环境之间的水分传递。由图7可知，复合膜的水蒸气透过率均低于CS，而SM的添加可以使复合膜水蒸气透过率显著降低（P＜0.05）；与CS相比，CSP的水蒸气透过率降低了73.90%，这可能是由于SM中含有某些非极性结构，对水蒸气有很好的阻隔作用；CS/PVA/SM的水蒸气透过率随着CS溶液/SM溶液体积比的变化表现出一定差异，当该比值大于5/3时，复合膜的水蒸气透过率随着比值减小而逐渐降低；当该比值为5/3时，复合膜的水蒸气透过率最低，比CS低78.67%，这可能是由于V与CS产生了分子间相互作用形成了致密的膜结构，使得水分子难以渗透；当该比值小于5/3时，随着比值的减小复合膜的水蒸气透过率略有增加但差异不显著。这可以说明，添加V可能会为水分子的迁移引入路径；当复合膜中的CS溶液/SM溶液体积比较大时，CS含量较大，此时V可以与CS进行很好的交联反应，从而更好地分散在薄膜基质中，几乎没有水分子通过的路径，进而阻止了水蒸气通过薄膜；此外，SM中含有的某些非极性结构及各组分间形成的相互作用对降低复合膜的水蒸气透过性也具有重要意义。

图7 样品的水蒸气透过率Fig.7 Water vapor transmission rate of the samples

2.8 氧渗透性

脂质和食品氧化会导致食品变质，所以氧渗透性是评估食品包装适用性的另一种重要参数，用薄膜密封后油脂的过氧化值可以代表氧渗透性。如图8所示，与复合膜相比，CS膜的过氧化值最大，达到（47.51±1.19）mmol/kg；添加V和SM均可显著降低过氧化值（p＜0.05），CSPV1～CSPV5的过氧化值呈现一定差异；当CS溶液/SM溶液体积比大于5/3时，复合膜过氧化值随该比值的减小而逐渐降低；当该比值为5/3时，复合膜的过氧化值最低，为（6.13±0.52）mmol/kg，比CS低87.12%；当该比值小于5/3时，复合膜的过氧化值随该比值的减小略有增加但差异不显著，这可能是因为V的醛基和羟基或SM中的某些物质与CS反应性基团形成了稳定的相互作用，促进了CS链的排列及其在膜基质中的内聚，从而导致结构更加紧凑，进而导致氧气透过率的降低[30]。

图8 样品的过氧化值Fig.8 Peroxide value of the samples

2.9 热力学性能

如图9所示，CS的热降解主要分为3个阶段：第一阶段在在30～120℃，质量损失率为13.25%，主要归因于水分及残留乙酸的蒸发；第二阶段在240～360℃（质量快速损失阶段），主要由CS分子内化学键断裂造成；第三阶段在320～600℃，此时剩余的CS开始逐渐炭化，最终仅剩23%左右的残渣。CS/PVA在130℃前的质量损失主要是膜内结合水及溶剂的流失；180～500℃的质量损失主要由CS分解及PVA聚合物骨架裂解引起；500℃后的质量损失由PVA分解产生的副产物降解引起[31]。添加SM后，CSP的热稳定性降低；而添加V后，CPV的热稳定性增加。CS/PVA/SM复合膜的稳定性随着CS溶液/SM溶液体积比的降低而逐渐降低，这进一步证实了添加SM会使复合膜的稳定性降低。

图9 样品的TG曲线Fig.9 TG curve of the samples

2.10 力学性能

由表2可知，与CS膜相比，CS/PVA的拉伸强度和断裂伸长率均显著提高，而CPV的拉伸强度显著增加、断裂伸长率有所降低，说明添加PVA和V均可使复合膜的拉伸强度增大，但添加V会使膜的脆性增加；而添加SM后，薄膜的断裂伸长率显著提高，说明SM可提高薄膜的延展性和柔韧性，其效果类似于增塑剂；薄膜延展性的增加可归因于SM的添加减弱了聚合物链的分子间相互作用，促进聚合物间的滑动和流动性并提高了整体的延展性；有趣的是，随着SM含量的增加复合膜的拉伸强度和断裂伸长率逐渐降低，这可能是因为SM中的某些物质影响了V与CS及PVA间的交联，改变了复合膜的膜结构，并限制了膜基质中大分子的运动[32]。

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

2.11 生物降解性能

图10是CSPV1～CSPV5的生物降解曲线。由图可知，随着CS溶液/SM溶液体积比的减小，复合膜的降解度不断增加，且随着时间的延长，降解度也逐渐增加；90 d后CSPV1～5的降解度分别为80.25%、83.58%、86.34%、88.45%、90.23%，由此可知所制备的复合膜是可生物降解的，说明该复合膜在食品包装领域具有潜在的应用前景。