2種淀粉－殼聚糖－纖維素衍生物可食膜特性的對比*

方健，羅小雪，鄒玉蕾

(北京林業大學，北京，100083)

淀粉和殼聚糖都是自然界豐富的可再生資源，都有一定的生物相容性和生物降解性。近年來，人們對用淀粉與殼聚糖來制取各種環境友好材料進行了大量的研究。通過共混，可以使各組分高分子之間相互作用，以達到協同增效的目的。這種材料有極其廣泛的應用領域，其中包括高附加值的吸附劑、膜材料等。尤其在人們普遍關注白色污染的今天，開展這方面的研究工作意義更大。但目前開發的淀粉/殼聚糖基材料雖然存在力學性能不高、抑菌性能不好和抗水性差等不足，但可以通過第三組分的添加，提高共混材料的性能。

本文主要對比研究2種殼聚糖-淀粉-纖維素衍生物可食膜的性質及結構。將羧甲基纖維素鈉和甲基纖維素分別加入淀粉-殼聚糖膜中，制備出共混膜，對2種共混膜的力學性能、透濕性、透明性、耐酸耐堿性以及抗菌性等多種性能進行測試，并采用X射線衍射法、掃描電鏡、熱重分析對可食膜結構進行表征，將其與殼聚糖膜、淀粉-殼聚糖可食膜的各項性能、結構進行比較，從而研究不同纖維素衍生物對淀粉-殼聚糖可食膜性能的影響。

1 試驗部分

1.1 材料與試劑

殼聚糖，脫乙酰度≥90.0%，國藥集團化學試劑有限公司;羧甲基纖維素鈉，分析純，天津市津科精細化工研究所;甲基纖維素，國藥集團化學試劑有限公司;馬鈴薯淀粉、乙酸、丙三醇、乙二醇、氫氧化鈉、鹽酸、氯化鈉、無水磷酸氫二鈉、磷酸二氫鉀，均為國產分析純試劑;牛肉膏、蛋白胨、瓊脂粉均為國產生化試劑。

供試菌:金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)、大腸桿菌(Escherichia coli)，由北京林業大學生物學院提供。

普通營養瓊脂培養基和磷酸鹽緩沖液按照GB/T21510－2008配置。

1.2 主要設備和儀器

精密增力電動攪拌器(JJ-1)，北京市永光明醫療儀器廠;電熱恒溫水浴鍋(DZKW-D-2)，北京市永光明醫療儀器廠;脫泡機(TP-08)，北京東方泰陽科技有限公司;循環水式多用真空泵(SHB-Ⅲ)，鄭州長城科工貿有限公司;智能電子拉力機(XLW(L)-PC)，濟南蘭光機電技術有限公司;透濕性測試儀(TSY-T1)，濟南蘭光機電技術有限公司;可見分光光度計(Spectrumlab 22pc)，上海棱光技術有限公司;厚度計(7327)，日本三豐公司;恒溫振蕩器(THZ-C)，太倉市實驗設備廠;手提式壓力蒸汽消毒器(GMSX-C)，北京市永光明醫療儀器廠;生化培養箱(SPX-250B)，上海浦東榮豐科學儀器有限公司;單人單面凈化工作臺(SW-CJ-1FD)，蘇州凈化。

1.3 薄膜的制備

1.3.1 羧甲基纖維素鈉溶液的配制

將1 g羧甲基纖維素鈉加入60 mL蒸餾水，在65℃的水浴條件下充分攪拌，直至完全溶解為透明狀黏稠液體，即得到0.03 g/mL的羧甲基纖維素鈉溶液。

1.3.2 甲基纖維素溶液的配制

取3 g甲基纖維素溶于100 mL蒸餾水中，在65℃的水浴條件下溶解，溶解過程中不斷攪拌，溶解3h后從水浴中取出，靜置12 h，用80目的標準篩過濾，得到0.03 g/mL的甲基纖維素溶液。

1.3.3 可食膜的制備

將殼聚糖溶于體積分數6%的乙酸溶液中，在45℃的水浴鍋中溶解，溶解過程中進行機械攪拌，完全溶解后，制成質量分數為2%的殼聚糖溶液。將馬鈴薯淀粉溶于水溶液中，在80℃的水浴中充分糊化，糊化過程中不斷進行攪拌，防止淀粉凝結，制成質量分數為5%的淀粉溶液。將淀粉溶液和殼聚糖溶液按固含量1∶1的比例充分混合，并加入適量增塑劑，使混合液在80℃恒溫條件下共混一段時間，再分別加入羧甲基纖維素鈉溶液和甲基纖維素鈉溶液，制得兩種混合液，使殼聚糖與羧甲基纖維素鈉、殼聚糖與甲基纖維素的質量比均為2∶1?；旌弦豪鋮s后放入真空脫泡機內脫泡。將膜液均勻鋪在光滑干燥的聚酯涂硅膜上，靜置直至膜自然脫落，制得淀粉-殼聚糖-纖維素衍生物可食膜。

1.4 薄膜物理性能測試

1.4.1 力學性能的測試

力學性能測試標準參照GB/T13022－1991。

1.4.2 透濕性的測試

透濕性測試標準參照GB/T 1037－1988。

1.4.3 透明性的測試

將膜切成10 mm×60 mm的矩形。用透明膠帶紙貼于比色皿表面，用分光光度計，分別在460、480、540、600 nm下，以蒸餾水作為標準物，以比色皿作為空白參照物，分別測定膜的透光率(T)，以透光率的大小間接表示膜的透明度。每種膜做4組平行實驗，取平均值，作為試驗結果。

1.4.4 耐酸耐堿性的測試

將膜切成若干個20 mm×20 mm的矩形，分別浸入不同的酸堿液中，觀察記錄膜在酸堿液中溶解的情況，記錄觀察溶解現象。酸堿溶液包括:2%乙酸、0.1 mol/L HCl、6 mol/L HCl、1%NaOH、4%NaOH。

1.4.5 抗菌性的測試

抗菌性試驗參照國標GB/T 21510－2008，菌落計數按中華人民共和國衛生部《化妝品衛生規范》(2002版)中菌落總數測定方法，試驗用標準菌種為金黃色葡萄球菌和大腸桿菌。

抗菌率R按式(1)計算:

式中:R，抗菌率，%;A，對照樣品與受試菌接觸一定時間后平均回收菌數，單位為菌落形成單位每毫升(CFU/mL);B，試驗樣品與受試菌接觸一定時間后平均回收菌數，單位為菌落形成單位(CFU/mL)。

1.5 薄膜結構觀測與表征

1.5.1 X射線衍射(XRD)測定

采用日本SHIMADZU公司生產的XRD-6000型X射線衍射儀進行測定。XRD測試條件:輻射管電壓40 kV，輻射管電流30 mA，掃描范圍5～60°，步長0.2°，掃描速度2°/min。

1.5.2 掃描電鏡(SEM)觀察

用日本Hiachi公司S-3000N型掃描電鏡觀察可食膜，真空噴金后觀察膜的表面、截面形貌并拍照。

1.5.3 熱重(TGA)分析

采用島津 DTG-60(H)分析儀測定，升溫速率10℃ /min，通入 N2，流量為 20 mL/min，樣品量 8 ～9 mg。

2 結果與分析

2.1 理化與生物學特性分析

2.1.1 可食膜的力學性能

將制備好的3種可食膜切成15 mm×150 mm，然后浸入1%或4%NaOH溶液中1 h后取出，自然干燥1 d后測其力學性能，試驗結果見圖1、圖2。

圖1 不同可食膜的抗拉強度

從圖1可以看出，未經堿液浸泡的可食膜中，加入羧甲基纖維素鈉溶液使膜的抗拉強度有所下降?？赡艿脑蚴荂MCNa帶有負電荷，而殼聚糖含有正電荷，混合后由于電荷的中和，減少了氫鍵的作用，所以膜抗拉強度有所下降。加入甲基纖維素溶液使膜的抗拉強度顯著增大，這種現象的主要原因可能是殼聚糖分子中含有疏水鍵乙?；?，而在甲基纖維素中有大量的親水性基團如羥基、甲基等。在成膜過程中，隨著水分的不斷散失，分子間的氫鍵結合更強烈了，同時分子間的力也隨之增大。

圖2 不同可食膜的伸長率

經過1%和4%NaOH溶液浸泡的3種膜的強度非常接近。經過1%堿液浸泡的淀粉-殼聚糖膜和淀粉-殼聚糖-羧甲基纖維素膜的抗拉強度明顯優于未處理膜，其原因可能是殼聚糖膜是酸處理膜，酸性條件下分子中第二位的—NH2上帶有正電荷，在成膜過程中正電荷相互排斥，使膜的結構相對較為松散，而堿處理則使膜的結構更加致密。而加入甲基纖維素的膜經過NaOH溶液浸泡后抗拉強度比未浸泡的有所降低。從圖2可以看出，未經堿液浸泡的可食膜中，加入羧甲基纖維素鈉溶液使膜的伸長率明顯增大。其原因是帶負電荷的CMCNa與含有正電荷的殼聚糖通過靜電作用形成高分子離子復合物。加入甲基纖維素溶液對膜的伸長率的影響并不大。淀粉-殼聚糖-羧甲基纖維素鈉可食膜經過NaOH溶液浸泡后，伸長率比未經堿液浸泡的膜要小很多，與未加CMCNa的膜伸長率相當，柔度明顯降低。淀粉-殼聚糖膜和淀粉-殼聚糖-甲基纖維素膜經過NaOH溶液浸泡后，其伸長率略有增大。

2.1.2 可食膜的透濕性

圖3 可食膜的透濕量

從圖3中可以看出，羧甲基纖維素鈉和甲基纖維素的加入增大了淀粉-殼聚糖膜的水蒸氣透過量，原因可能是纖維素衍生物中的親水基團使水蒸氣透過量上升。

2.1.3 可食膜的透明性

由圖4可知，各膜在460 nm處對應的透光率最小，表明該波長為最大吸收波長。

圖4 可食膜的透明性

由試驗得知，加入羧甲基纖維素鈉和甲基纖維素的薄膜比淀粉-殼聚糖膜的透光率下降較多。原因可能是由于膜中的粒子粒度較大且不均勻，導致透光率下降，導致界面由于光的散射或反射而使膜的透明度降低。

2.1.4 可食膜的耐酸耐堿性

各種膜浸入酸堿溶液中，其現象基本一樣。從表1中可以看出，膜在稀酸中明顯溶脹，這是因為在稀酸中，殼聚糖的主鏈會緩慢水解。而在堿液中，膜緩慢卷曲，不溶脹。這是由于殼聚糖與淀粉都是親水性的高分子材料，在堿液中，膜會吸濕卷曲，但并不溶解。

表1 可食膜的耐酸堿性

2.1.5 可食膜的抗菌性

通過公式(1)計算得出各種膜的抗菌率如圖5所示。

由圖5可以看出，各種殼聚糖膜對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌均具有明顯的抗菌性，抗菌率都達到90%以上，且對于金黃色葡萄球菌的抗菌性明顯優于對大腸桿菌的抗菌性。其中純殼聚糖膜和淀粉-殼聚糖膜對金黃色葡萄球菌的抗菌效果最好，抗菌率達到99.9%，淀粉-殼聚糖-甲基纖維素膜對大腸桿菌的抗菌效果最好，抗菌率達93.3%。殼聚糖的抗菌作用主要有以下2種機理:一種是殼聚糖通過吸附在細胞表面，形成一層高分子膜，阻止了營養物質向細胞內的運輸，從而起到抑菌殺菌作用;另外一種機理是殼聚糖通過滲透進入細胞體內，吸附細胞體內帶有陰離子的細胞質，并發生絮凝作用，擾亂細胞正常的生理活動，從而殺滅細菌。因為金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的細胞壁結構不同，兩種作用對其影響程度也不同。對于金黃色葡萄球菌，前一種作用機理起主導作用。而對于大腸桿菌來講，后一種作用機理起主導作用。［1］本試驗中采用的殼聚糖分子量較大，故在細胞表面形成的外層膜致密，能阻止營養物質進入細菌細胞，因而對金黃色葡萄球菌的抗菌作用效果更明顯。

圖5 可食膜的抗菌性

2.2 結構表征

2.2.1 X射線衍射分析

馬鈴薯淀粉、殼聚糖及各共混膜的X射線衍射光譜見圖6和圖7。馬鈴薯淀粉的衍射峰出現在17°處，殼聚糖的衍射峰位于12°、20.2°，羧甲基纖維素鈉的衍射峰位于 27.4°、31.8°、45.6°，甲基纖維素的衍射峰位于 8.4°、13.2°、20.4°、44°。若羧甲基纖維素鈉或甲基纖維素、馬鈴薯淀粉、殼聚糖之間沒有相互作用或相互作用很弱，則在其共混膜中會有各自的結晶區，衍射峰則會表現為膜中各組分按共混比例簡單的疊加。但實際上，由于共混物的晶體結構發生了變化，圖6d中19.4°處的特征衍射峰、圖7d中20.2°處的特征衍射峰變得更寬，馬鈴薯淀粉、殼聚糖、羧甲基纖維素鈉、甲基纖維纖維素的特征峰幾乎消失。這些變化證實了共混膜各組分之間存在強的相互作用并具有很好的相容性。

圖6 殼聚糖(a)、淀粉(b)、羧甲基纖維素鈉(c)和三元共混膜(d)的X射線衍射圖

圖7 殼聚糖(a)、淀粉(b)、甲基纖維素(c)和三元共混膜(d)的X射線衍射圖

2.2.2 掃描電鏡分析

采用SEM對殼聚糖膜，淀粉-殼聚糖-羧甲基纖維素鈉可食膜、淀粉-殼聚糖-甲基纖維素可食膜表面和斷面進行初步分析，掃描電鏡照片如圖8所示。

圖8 純殼聚糖膜(a)、淀粉-殼聚糖-羧甲基纖維素鈉膜(b)、淀粉-殼聚糖-甲基纖維素膜(c)的掃描電鏡照片(表面)

由圖8可以看出，膜a和膜c表面均較光滑致密平整，所以甲基纖維素和淀粉、殼聚糖之間相容性較好。純殼聚糖膜中的部分雜質可能是由于殼聚糖溶液過濾時，沒有過濾完全，以致有少量殼聚糖固體殘留。而膜b表面較粗糙。從肉眼直接觀察看到的是3種膜都比較均勻平整。

圖9 純殼聚糖膜(a)、淀粉-殼聚糖-羧甲基纖維素鈉膜(b)、淀粉-殼聚糖-甲基纖維素膜(c)的掃描電鏡照片(斷面)

在圖9中，3種膜斷面紋理清晰，雖然膜斷面凸凹不平，但沒有出現分層。以上說明，淀粉-殼聚糖-羧甲基纖維素鈉膜及淀粉-殼聚糖-甲基纖維素膜有很好的相容性，并且各組分之間存在相互作用。

2.2.3 熱重分析

由圖10中可以看出，羧甲基纖維素鈉、殼聚糖二者開始分解的溫度相差不大，這主要是由纖維素與殼聚糖相似的結構決定的。羧甲基纖維素鈉(圖10b)開始分解的溫度為233.98℃，分解速率在275.92～298.86℃內最大;殼聚糖粉末(圖10a)開始分解的溫度為210.65℃，分解速率在262.28～320.31℃內最大;淀粉粉末(圖10c)開始分解的溫度為258.16℃，其主要分解溫度在288.19～328.57℃的范圍內最大。羧甲基纖維素鈉-淀粉-殼聚糖復合膜(圖10d)開始分解的溫度為86.80℃，其主要分解溫度在130.10～313.17℃內，且其分解曲線在232.89℃處有明顯的轉折。結合四者的曲線圖可以看出，在258.16～313.17℃內，殼聚糖粉末、淀粉粉末、羧甲基纖維素鈉粉末的失重率均大于淀粉-殼聚糖-羧甲基纖維素鈉膜，這說明羧甲基纖維素鈉與淀粉、殼聚糖分子之間存在著較強的相互作用，這種作用是復合膜失重率較小的主要原因，而且復合膜分解完全時的溫度介于殼聚糖、淀粉、羧甲基纖維素鈉之間，且在232.89℃處失重的轉折點也說明了羧甲基纖維素鈉和淀粉、殼聚糖三者之間有強相互作用。

圖11中甲基纖維素(圖11b)開始分解溫度為232.56℃，分解速率在294.61～378.40℃內最大;三元共混膜(圖11d)開始分解的溫度為76.65℃，其主要分解溫度在139.84～351.59℃內，且其分解曲線在220.31℃處有明顯的轉折。結合四者的曲線圖可以看出，在258.16～351.59℃內，殼聚糖、淀粉、甲基纖維素的失重率均大于三元共混膜，這說明甲基纖維素與淀粉、殼聚糖分子之間也存在著較強的相互作用，這種作用是甲基纖維素-淀粉-殼聚糖復合膜失重率較小的主要原因。

圖10 殼聚糖(a)、羧甲基纖維素鈉(b)、淀粉(c)和三元共混膜(d)的熱重曲線

圖11 殼聚糖(a)、甲基纖維素(b)、淀粉(c)和三元共混膜(d)的熱重曲線

3 結論

(1)加入羧甲基纖維素鈉使可食膜的抗拉強度有所下降，而伸長率卻明顯增大;加入甲基纖維素使可食膜的抗拉強度顯著增大，而伸長率的變化并不大。羧甲基纖維素鈉或甲基纖維素的加入都增大了淀粉-殼聚糖膜的水蒸氣透過量，羧甲基纖維素鈉的影響更大。復合膜的透明性隨著羧甲基纖維素納和甲基纖維素的加入而下降。2種可食膜均在稀酸中緩慢水解，在濃酸中不溶解;在堿液中吸濕卷曲，但不溶解。

(2)淀粉-殼聚糖-羧甲基纖維素膜與淀粉-殼聚糖-甲基纖維素膜對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌都有明顯的抗菌性，而且對前者的抗菌性明顯優于后者。

(3)X射線衍射及熱重分析結果表明可食膜中羧甲基纖維素鈉、淀粉、殼聚糖及甲基纖維素、淀粉、殼聚糖有較強的相互作用;掃描電鏡結果表明淀粉-殼聚糖-纖維素衍生物可食膜表面較均勻平整，斷面無分層，說明各組分間相容性較好。

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