纤维素微纤丝改性方式对胶原纤维复合膜性能的影响

焦 婷，张文晖，张 雪，张海艳，王稳航，张红杰,*

（1.天津科技大学轻工科学与工程学院，天津 300457；2.中国制浆造纸研究院有限公司，北京 100102；3.天津科技大学食品科学与工程学院，天津 300457）

随着2021年新版“限塑令”的实施和人们对健康环保的食品包装材料的强烈需求，寻求可以替代塑料包装的可生物降解材料迫在眉睫。天然胶原蛋白肠衣虽然各方面性能较好，但产量远低于塑料肠衣，不能满足现代工业生产的需要，人工合成胶原蛋白肠衣的研制成功在一定程度上缓解了这一问题，人造肠衣从20世纪80年代开始商业化生产。但是与常用的石油基包装材料相比，单一的胶原蛋白制备的香肠肠衣的阻隔性能和机械强度还有待提高，热稳定性较差，不能满足食品包装的要求。因此近年来，除了利用物理、化学等方法对胶原纤维（collagen fiber，CF）进行改性外，还可以通过与其他高分子聚合物（如多糖、脂质和蛋白质等）相互作用以提高CF复合材料的各项性能。

纤维素微纤丝（cellulose microfibrils，CMF）作为纤维素纳米结构材料的一种，制备方法通常为机械研磨与化学预处理相结合的方式，化学预处理方法通常包括2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧化物氧化、阳离子化、羧甲基化和羧乙基化等，因其具有生物相容性、生物可降解性、高机械强度、大比表面积和优异的氧气阻隔性等优异性能，广泛应用于食品、造纸、医药、化妆品和涂料等领域。它与亲水性聚合物共混时有较好的分散性，丰富的羟基赋予其极高的表面活性，因此可以与CF复合，以提高肠衣的机械强度和阻隔性能。

单宁酸（tannic acid，TA）广泛存在于自然界的多种植物中，具有抗氧化活性、抗菌活性和pH值响应性等。多酚与金属离子螯合通过调控可用于制备金属-多酚网络（metal-polyphenol network，MPN），Ejima等在2013年首次利用天然多酚和铁离子（Fe）在底物表面快速形成具有多种功能的MPN涂层。近些年MPN的发展非常迅猛，由于其制备过程简便快速、绿色环保，金属离子和多酚物质的可选择性多，近年来MPN开始作为一种多功能的表面涂层材料，广泛应用于薄膜、微胶囊和凝胶等，还可以用于固定金属纳米粒子于薄膜表面，对薄膜进行表面功能化改性。由于其具有抑制微生物生长、清除自由基和阻隔紫外线等功能，且细胞毒性低，在食品工业也具备很大的发展潜力。

目前已有研究利用静电相互作用将羧甲基纤维素与CF制成复合膜，提高了CF膜的阻隔性能和机械强度；由于MPN具有超强的黏附性，可以将MPN作为涂层涂布于CF膜表面，提高CF膜的阻光性和抗油污能力。MPN和羧甲基纤维素均提高CF肠衣的性能，但是很少有人将二者的优势结合起来，使复合膜既具有良好的机械性能，又兼具抗氧化等性能。因此本实验将不同程度羧基化改性及经进一步MPN复合改性的CMF添加到CF膜中制备高性能复合膜，探究CMF的不同改性方式对CF复合膜性能的影响，以期更好地应用在食品包装领域尤其是用作香肠肠衣。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

酸溶胀CF（原料来自淄博黄河龙生物工程有限公司，直径0.1～1 mm） 天津科技大学食品科学与工程学院；CMF、羧甲基纤维素微纤丝、羧乙基纤维素微纤丝（原料均为漂白阔叶木硫酸盐浆，长径比大于100，纤维直径约50～200 nm） 中国制浆造纸研究院有限公司涂布技术研发中心；三(羟甲基)氨基甲烷（分析纯）天津市科密欧化学试剂有限公司；可溶性淀粉（分析纯）北京索莱宝科技有限公司；1-二苯基-2-三硝基苯肼（1,1-dipheny1-2-picryl-hydrazyl，DPPH）（生化试剂）福州飞净生物科技有限公司；丙三醇、三氯甲烷、冰醋酸、盐酸、氢氧化钠等（均为分析纯） 北京化工厂；单宁酸、三氯化铁、无水乙醇、碘化钾、硫代硫酸钠等（均为分析纯） 天津市风船化学试剂科技有限公司。其他信息见表1。

表1 样品缩写符号及羧基含量对应关系Table 1 Abbreviations for the names of collagen fiber composite films with different degrees of carboxylation

1.2 仪器与设备

PN-PT6型测厚仪 杭州品亨科技有限公司；JY92-II型超声波细胞粉碎机 上海乔跃电子有限公司；LC-DMS-H型磁力搅拌器 上海力辰邦西仪器科技有限公司；XT5108L-OV70型电热鼓风干燥箱 杭州雪中炭恒温技术有限公司；MS204S型分析天平、TGA/DSC I型热重分析仪、FE28型pH计 美国梅特勒-托利多有限公司；HC-2064型高速离心机 安徽中科中佳科学仪器有限公司；TENSOR 27型傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）仪 美国布鲁克光谱仪器公司；DSA20型接触角测定仪 德国Kruss Gmbh有限公司；MA35型快速水分测定仪 赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；FD-1D-50型冷冻干燥机北京博医康实验仪器有限公司；S-3400N型扫描电镜（scanning electron microscope，SEM） 日立先端科技股份有限公司；HH-4型电热数显恒温水浴锅 上海力辰邦西仪器科技有限公司；W3/062型水蒸气透过率测定仪济南兰光机电技术有限公司；ZB-WL30型卧式拉力机杭州纸邦自动化技术有限公司；HY-2型旋涡混匀仪上海仪电科学仪器股份有限公司；UV-1800型紫外-可见分光光度计 日本岛津公司。

1.3 方法

1.3.1 MPN改性CMF的制备

参照Gyeongwon等的方法制备MPN溶液，称取适量TA和FeCl粉末于等体积的超纯水中，使TA与FeCl的质量比为4∶1，将二者充分混合均匀后，10 000 r/min离心10 min，取上清液，通过0.22 μm的针头过滤器去除杂质，制得MPN溶液。将CMF配制成1%悬浮液，取适量CMF悬浮液，加入2% MPN溶液，用磁力搅拌器在室温下800 r/min搅拌3 h。然后10 000 r/min离心10 min，弃去上清液，用超纯水反复洗涤沉淀直至上清液无色。

1.3.2 复合膜的制备

将CF用研钵研磨成细丝状，加入超纯水配制成1%的悬浮液，再加入40%的甘油（基于CF干质量），充分搅拌使其混合均匀。向CF悬浮液中加入2%的CMF，室温下800 r/min磁力搅拌2 h，静置消泡。取90 mL成膜液，倒在15 cm×15 cm有机玻璃板上，流延法铺膜，在空气中自然干燥后，将其从玻璃板上慢慢取下，放入相对湿度（50±1）%的干燥器中，25 ℃保存。

1.3.3 复合膜抗氧化性的测定

利用成膜液对DPPH自由基的清除率表示复合膜的抗氧化性。参考戴亚妮等的方法基础上将反应时间延长至1 h，以确保反应充分。具体方法如下：配制浓度为0.1 mmol/L的DPPH溶液（以无水乙醇为溶剂），取2 mL DPPH溶液和2 mL成膜液置于5 mL离心管中，使用旋涡混匀仪充分摇匀，避光反应1 h，记为样品组。将2 mL DPPH溶液和2 mL无水乙醇使用旋涡混匀仪充分摇匀，记为空白组。将2 mL成膜液和2 mL无水乙醇使用旋涡混匀仪充分摇匀，记为参比组。使用紫外分光光度计在波长517 nm处分别测其吸光度，每个试样平行测定3 次，取平均吸光度，按式（1）计算DPPH自由基清除率。

式中：为样品组吸光度；为空白组吸光度；为参比组吸光度。

1.3.4 复合膜力学性能的测定

在复合膜的中央和四角各取一点，用测厚仪测其厚度，结果取平均值。将薄膜裁剪成100 mm×15 mm的矩形，采用卧式拉力机，设定夹头间距50 mm，拉伸速度100 mm/min，测定复合膜的弹性模量、拉伸强度和断裂延伸率，每张膜做5个平行，结果取平均值。

1.3.5 复合膜透光性的测定

根据Maria等的方法进行测定。将薄膜裁剪成4 cm×1 cm的矩形，贴在比色皿内壁，用紫外-可见分光光度计测其在波长600 nm处的吸光度，根据式（2）计算光透过性值。

式中：为吸光度；为膜厚度/mm。

1.3.6 复合膜亲水性和耐油性的测定

通过水接触角反映薄膜表面的亲疏水性。将薄膜裁剪为4 cm×1 cm的矩形，置于水平平台上，将1 滴超纯水滴于薄膜表面，测量水滴两侧的接触角，每个样品取5个测量点，最终结果取平均值。

根据TAPPI T 559 cm-12标准测定复合膜的防油等级，通过防油等级反映复合膜的耐油性能。用蓖麻油、甲苯和正庚烷3种物质按一定比例配制成12种不同表面张力的液体，将滴定液从13 mm的高度轻轻的释放，滴到待测纸品上，15 s后用干净的棉花球轻轻的擦去纸上的油液。若油液渗透到纸张内部使纸张滴油部分变暗，表明这张纸的抗油性能没有达到这种油滴代表的防油等级。再选取下一等级油液滴在一个未经测试的区域继续测试，直到某一等级油滴不产生渗透现象，该等级即为被测样的抗油脂值。

1.3.7 复合膜水蒸气透过率和氧气透过率的测定

将薄膜裁剪成直径为7.5 cm的圆片，使用水蒸气透过率仪测定其水蒸气透过系数（water vapor permeability，WVP），平行测定3 次取平均值。称取5 g植物油于40 mL离心管中，用复合膜覆盖住瓶口并用皮筋扎紧，置于35 ℃干燥箱中，7 d后揭膜。薄膜的氧气透过率用油脂的过氧化值（peroxide value，POV）表示，根据GB/T 5009.27—2016测定POV。把油脂换成水，用同一方法做空白实验，按式（3）计算POV：

式中：为试样消耗的硫代硫酸钠标准溶液的体积/mL；为空白实验消耗的硫代硫酸钠标准溶液的体积/mL；为硫代硫酸钠标准溶液浓度/（mol/L）；为试样质量/g；0.126 9为与1 mL硫代硫酸钠标准溶液（1.00 mol/L）相当的碘质量/g。

1.3.8 复合膜溶解性的测定

将薄膜裁剪成20 mm×20 mm，与称量瓶一起放入恒温干燥箱中干燥至恒质量，加入25 mL蒸馏水，室温下溶解24 h后将水倒掉，干燥至恒质量，根据式（4）计算复合膜的溶解性。

式中：为称量瓶的质量/g；W为第1次干燥至恒质量时称量瓶与膜的质量/g；为第2次干燥至恒质量时称量瓶与膜的质量/g。

1.3.9 复合膜的FTIR分析

将薄膜裁剪成2 cm×2 cm，在室温（25 ℃）下，利用红外光谱仪的ATR探头对薄膜样品进行测定。扫描波数为4 000～600 cm，扫描次数为32 次，扫描分辨率为4 cm，扫描频率为1 Hz。

1.3.10 复合膜的SEM观察

将薄膜裁剪成5 mm×5 mm，用导电胶粘在样品台上，使用液氮将样品膜脆断以观察截面。将薄膜样品表面喷金后，置于SEM下观察薄膜的表面和截面，加速电压为15.0 kV。

2 结果与分析

2.1 CMF改性方式对复合膜抗氧化性的影响

图1 CMF改性方式对复合膜抗氧化性的影响Fig. 1 Influence of CMF modification methods on antioxidant activity of composite films

利用成膜液对DPPH自由基的清除能力表示复合膜抗氧化性的强弱。DPPH是一种稳定的含氮自由基，其乙醇溶液呈紫色，在波长517 nm处有强吸收峰，当体系中有自由基清除剂存在时，会与其中的单电子配对使其明显褪色，其波长517 nm处的吸光度减小，褪色程度与其所接受的电子数量成定量关系。如图1所示，与CF-CMF膜相比，引入MPN的复合膜抗氧化性均有显著提高，是CF-CMF膜的1.93～3.58 倍。其中加入了只经MPN改性而未经羧基改性的CMF复合膜的抗氧化性提高51.49%。对于同种羧基基团改性的CMF，随着羧基含量的增加，抗氧化性逐渐增强。这是因为随着羧基化程度的加深，CMF所带电荷量增加，根据DPPH自由基清除率的测定原理，导致褪色程度加深，表现出对DPPH自由基清除率增加。但电荷量的增加可能会影响MPN的结构，从而影响其发挥抗氧化作用，因此经过羧基改性CMF制备的复合膜抗氧化性弱于未经羧基改性CMF制备的复合膜。

2.2 CMF改性方式对复合膜力学性能的影响

图2 CMF改性方式对复合膜力学性能的影响Fig. 2 Effect of CMF modification on mechanical properties of composite films

由图2可以看出，与CF-CMF膜相比，经MPN改性的复合膜的拉伸强度有所降低，断裂延伸率和弹性模量提高；经不同程度羧基化改性和MPN复合改性的复合膜具有与CF-CMF-MPN膜相似的规律，不同程度的羧基化改性能够一定程度提高CF-CMF-MPN膜的弹性模量，但并不能改善其拉伸强度下降的趋势，甚至低羧基含量改性会使其断裂延伸率明显下降。综合对比不同改性方式CMF对复合膜3种力学性能指标的影响，说明向CMF中单独引入网络状MPN后CF复合膜的机械强度降低而韧性升高。

造成这种现象的原因为网络状高分子成分的加入提升了膜材料整体的延展性，进而表现为断裂延伸率和弹性模量不同程度的提高。因为膜材料的拉伸强度主要由氢键提供，网络状的MPN的加入影响了氢键的形成，导致复合膜的拉伸强度下降，但因为羧基也能和CF的羟基形成氢键，所以高含量羧基（羧甲基、羧乙基）化改性的CMF能抵消MPN导致的强度损失，尤其是高含量羧甲基改性的复合膜，因此表现为和CF-CMF-MPN膜性能几乎持平或略有上升。

2.3 CMF改性方式对复合膜透光性的影响

图3 CMF改性方式对复合膜透光性的影响Fig. 3 Effect of CMF modification on light transmittance of composite films

光透过性值表示薄膜对光的阻挡程度，光透过性值越大，表明对光的阻挡效果越好。由图3可知，含有MPN的复合膜光透过性值均比CF-CMF膜有所增加。因为MPN填充在CF之间，使复合膜形成更致密的网络结构，影响光路通过，导致阻光性变强。CMF的羧基与CF的氨基间的静电相互作用、水与CF间的氢键作用都可促进聚集，起到阻光的作用。TA与Fe形成的络合物呈紫色，也能起到一定的阻光效果，说明CMF的添加可以防止因紫外线及可见光而引起的脂质氧化，从而起到食品保鲜的作用。对于同种羧基基团改性的CMF，羧基含量越低，对光的阻隔效果越强，未经羧基改性的CMF阻光性最好，可能是由于羧基会破坏膜致密的网络结构，羧基含量越高破坏程度越大。虽然对光的阻挡能力增强，但肉眼观察并没有显著的颜色，透明度较好，用于食品包装时不影响对内部所包装食品的观察。

2.4 CMF改性方式对复合膜表面亲水性和耐油性的影响

水接触角表示薄膜表面亲疏水情况，接触角越小，薄膜越亲水。从表2可以看出，与CF-CMF膜相比，CFCMF-MPN膜表面的接触角减小，主要是因为MPN是亲水性物质，导致复合膜的亲水性增强，抗油污性能增强。与CF-CMF-MPN膜相比，经羧基改性的CMF制成复合膜的接触角均增加，即亲水性减小。对于同种基团改性的CMF，羧基含量越高，薄膜的接触角越大，说明羧基改性CMF可以增强复合膜的疏水性。静置15 min后，接触角的变化量减小，说明羧基对保持薄膜表面的疏水性起到一定作用。换言之，利用MPN和羧基复合改性CMF能较长时间保持膜初始疏水性，阻止水进一步向内渗透，不因接触水而影响膜性质，从而能较好的保护内部食品。CF-CMF复合膜的防油等级为最高级12，经过MPN和不同程度羧基化改性的CMF的添加对复合膜的高耐油性无负面影响，防油等级仍为12。

表2 CMF改性方式对复合膜表面亲水性和耐油性的影响Table 2 Influence of CMF modification on surface hydrophilicity and oil resistance of composite films

2.5 CMF改性方式对复合膜水蒸气透过性和氧气透过性的影响

图4 CMF改性方式对复合膜的水蒸气透过性（a）和氧气透过性（b）的影响Fig. 4 Water vapor permeability (a) and oxygen barrier property (b)of composite films added with different modified CMF

如图4a所示，由于MPN的加入，膜的WVP呈现下降的趋势，其中高含量羧乙基改性的CMF下降的程度最大，说明加入MPN 可以使复合膜具备一定的阻隔水蒸气作用，MPN和高含量羧乙基共同改性CMF可以使阻隔效果增强。无论是羧甲基还是羧乙基改性的CMF，高羧基含量均比低羧基含量的WVP值低，即阻隔水蒸气能力强。MPN和高含量羧乙基共同改性的CMF能使复合膜对水蒸气的阻隔能力提高1.30 倍。这是因为CF分子的氨基和羧基基团与CMF分子上的残余羟基发生了氢键相互作用，使蛋白质分子内部的部分疏水基团暴露出来，同时MPN的加入还引入了大量亲水性基团，与小部分水分子形成水化膜阻碍水蒸气通过，使水分子在膜中的扩散速率变慢。

使用膜包覆一定质量的油脂，一段时间后测定油脂的POV，从而反映出薄膜对氧气的阻隔性能。如图4b所示，与CF-CMF膜相比，仅使用MPN改性的CMF制备的复合膜POV略有降低，而经过羧基化改性的CMF，尤其是高含量羧乙基化改性的CMF可以使复合膜的POV大幅降低，即对氧气的阻隔能力提高了3.48 倍，说明复合膜具有良好的阻隔氧气的能力，用于食品包装尤其是高脂食品（如香肠），可以有效阻止因氧化导致的变质。这是因为CMF表面具有大量羧基和羟基、TA结构具有的丰富的羟基，与CF交联后，使复合膜的网络结构更致密，此时小分子如氧气在复合膜中的穿透路径变的曲折，阻隔性能提高。

2.6 CMF改性方式对复合膜溶解性的影响

图5 CMF改性方式对复合膜溶解性的影响Fig. 5 Effect of different modification methods on solubility of composite films

如图5所示，与CF-CMF膜相比，MPN改性会使复合膜的溶解度变大，因为MPN是亲水性物质，引入复合膜体系中会使薄膜的耐水性变差。与CF-CMF-MPN膜相比，羧甲基改性的CMF使复合膜的溶解性增大，且含量越高，溶解性越大；羧乙基改性的CMF制备的复合膜溶解性降低，羧基化程度越高，降低的程度越大。因为羧甲基为亲水性基团，会增加薄膜的溶解性；羧乙基碳链较长，具有一定的疏水性，且含量越高，疏水效果越好，因此高含量羧乙基改性的CMF可以使复合膜的溶解性略微下降，缓解因MPN加入而导致的亲水性增加，在一定程度上能增强其耐水性。

2.7 CMF改性方式对复合膜FTIR光谱的影响

由图6可以看出，复合膜在3 312、2 932、1 637、1 550 cm和1 240 cm附近的峰为CF的特征峰，分别对应于酰胺A带N—H基团的拉伸与氢键结合、酰胺B带CH基团的不对称拉伸、酰胺I带的酰胺或肽中C＝O基团的拉伸振动、酰胺II带C—N基团的拉伸振动和酰胺III带N—H基团弯曲振动，以及甘氨酸主链和脯氨酸侧链的CH基团的振荡振动。复合膜在3 000～3 650 cm处的峰强度的提高是由于TA结构（图7）和CMF具有丰富的羟基。

图6 纯CF膜和复合膜的FTIRFig. 6 FTIR spectra of CF film and CF-CMF-MPN composite films

图7 TA的分子结构Fig. 7 Molecular structure of TA

图6 中不同图谱间只有峰强度的差别而无特征峰的差别，说明CMF与CF的结合是物理交联过程。酰胺III带吸光度与1 450 cm处吸光度的比值（/）反映了CF三螺旋结构的完整性。如表3所示，添加不同改性方式CMF的复合膜的/的比值几乎不变。纯CF膜为0.949，与CMF复合后，其比值下降到0.821～0.882范围间，但均高于0.6的变性临界值，说明CMF不会破坏CF的三螺旋结构。值得注意的是，添加了仅经过MPN改性的CMF复合膜的/增加到了0.974，说明MPN单独改性CMF对保持CF的三螺旋结构有一定的作用。产生这种现象的原因是CMF取代了CF中水的位置，从而与CF产生新的氢键相互作用，因此其三螺旋结构得以保存。换言之，CMF分子作为交联剂，但不破坏CF的骨架结构。

表3 纯CF膜和复合膜的AIII/A1 450Table 3 AIII/A1 450 of CF film and composite films

2.8 复合膜的SEM观察

图8 纯CF膜和CF-CMF复合膜的表面Fig. 8 SEM images of the surface of CF film and CF-CMF composite films

如图8a所示，由于CF尺寸较大，可以看到薄膜表面凹凸不平，能观察到明显的纤维形态。图8b～f表示CF复合膜的表面微观形貌，由于CMF的加入，薄膜表面出现了更多褶皱，纤维形态更明显，且出现了白色团状物，即MPN颗粒。

图9纯CF膜和CF-CMF复合膜的截面Fig. 9 SEM images of the cross-section of CF film and CF-CMF film

图9A中纯CF膜的截面较光滑，具有一定的层状结构，但层与层之间排列较松散。从图9B～D可以明显看出，复合膜的层状结构变得致密，纤维间排列整齐，这是由于CMF能均匀地填充于CF的间隙，形成一层致密的网络结构，这也印证了前述的实验结果。MPN纳米颗粒镶嵌在纤维层中间，再次证明MPN存在于复合膜体系中。

3 结 论

利用羧甲基、羧乙基和MPN对CMF进行功能化改性，并与CF共混制成复合膜，通过测定薄膜的抗氧化性、力学性能、对水蒸气和氧气的阻隔性能等指标，探究不同改性方式的CMF对CF复合膜性能的影响。综合考虑复合膜在香肠肠衣方面的应用前景，使用仅MPN改性的CMF能使CF复合膜的抗氧化性提高51.49%，并能显著提高薄膜的阻光性，且成本较低，但在提高复合膜的气体阻隔性方面，效果不如高羧乙基含量改性的CMF效果好。SEM和FTIR分析表明MPN改性的CMF与CF之间有良好相容性。综上，CMF能显著增强CF复合膜的阻隔性能，MPN能增强复合膜的阻光性并赋予其抗氧化性能，因此使用MPN改性的CMF与CF制成复合膜，以提高复合膜的性能从而更好地应用在食品包装领域。