茶多酚改性牛干灰皮膠原復合膜的制備及其性能

許 偉， 海 芳， 劉 浩， 楊 銳， 郝麗芬， 王學川

(1.陜西科技大學 輕化工程國家級實驗教學示范中心， 陜西 西安 710021； 2.陜西科技大學 生物與功能材料研究所， 陜西 西安 710021； 3.陜西科技大學 化學與化工學院， 陜西 西安 710021)

0 引言

目前，塑料被廣泛地應用于食品包裝材料方面[1].但是塑料包裝難降解，污染環境，對人們的健康存在潛在的風險.因此，環境管理部門鼓勵研究者對可食用膜進行研究[2].可食用膜的優點是可以食用，同時具備良好的包裝性能，如抗氧化性、良好的機械性能、抗菌性、容易降解等[3].

膠原蛋白是動物結締組織中的主要成分，是動物體內含量最多、分布最廣、具有免疫學性質的蛋白質[4].由于其天然的三股螺旋結構、無毒、生物相容性好且具有良好的成膜性，在皮革、生物醫學、包裝、化妝品等方面具有廣泛的應用.膠原蛋白來源于牛、羊、魚、雞等各種不同的動物，特別是牛皮膠原蛋白，在食品、醫療、化妝品等方面具有重大應用前景[5].牛干灰皮膠原纖維作為制革加工中產生的廢棄物，成本低且含有豐富的膠原蛋白，因而可在食品、醫療、化妝品等多領域具有較大的應用價值.但是，純膠原蛋白膜力學性能差，較脆，需要通過添加化學交聯劑[6,7]或與纖維素[8]、殼聚糖[9]、淀粉[7]等進行復合，再加入增塑劑如甘油或者山梨醇以提高膠原復合膜的綜合性能.

茶多酚是一種分子內含有多酚結構的天然產物.能夠與蛋白質、多糖形成氫鍵等相互作用[10].對膠原蛋白的穩定性可起重要作用[11].近年來，由于茶多酚的低成本、無毒、豐富度高和生物相容性好等優點[12,13]，應用在食品工業中可提高食品包裝的物理和功能特性，因此，越來越受到人們的關注.

基于此，本研究的目的是初步探討以牛干灰皮膠原纖維為原料，通過回濕、酸溶脹和磨漿處理，再分別與不同濃度的茶多酚和甘油充分分散后采用溶液鑄膜法制備系列膠原復合膜(CCF).以考察不同濃度的茶多酚對膠原復合膜結構、熱性能、親疏水性、微觀形貌和機械性能的影響.

1 實驗部分

1.1 材料與試劑

牛干灰皮膠原纖維，由維斯克凡(蘇州)科技有限公司提供；茶多酚，工業品，陜西慧科植物開發有限公司；鹽酸，AR(36%～38%)，成都市科隆化學品有限公司；甘油，AR，天津天鋒化學品有限公司.

1.2 儀器與設備

GSD 800×600不銹鋼控溫對比試驗轉鼓(無錫新達皮革機械制造公司)；PFI型磨漿機(日本KRK公司)；RW20型頂置式機械攪拌器(德國IKA公司)；Vertex70型傅里葉轉換紅外光譜(德國Bruker)；D8 ADVANCE型X射線衍射儀(德國Bruker)；DSC7000X型差示掃描量熱儀(日本日立公司)；OCA20型光學接觸角(德國Dataphysics公司)；VEGA3型掃描電鏡(捷克Tescan公司)；MH-YDI型數字皮革厚度測量儀(陜西科技大學陽光電子研究所)；1036PC型萬能材料試驗機(臺灣寶大儀器有限公司).

1.3 膠原復合膜的制備

稱適量的牛干灰皮膠原纖維于轉鼓中，加4倍的水回濕24 h，再加2 wt%～4 wt%(基于牛干灰皮膠原纖維)的鹽酸于轉鼓中并轉動轉鼓使其分散均勻，酸膨脹24 h，然后水洗若干次，使浴液的pH達3.0.然后取膨脹的皮漿用絞肉機打碎，接著用磨漿機把打碎的膠原磨成漿.

參考文獻[14]的方法制備牛干灰皮-茶多酚膠原復合膜，膠原復合膜的成膜液配方表如表1所示.首先，檢測牛膠原纖維皮漿的含水量，然后據此控制每個成膜液中的膠原質量濃度為20 g/L，依次加入皮膠原和甘油于去離子水中，在45 ℃的條件下高速攪拌1 h，隨后將不同量(0、0.2%、1.0%和1.8%，基于干基膠原)的茶多酚加入上述混合溶液，攪拌均勻.最后，將成膜液倒入聚四氟乙烯膜具中.在35 ℃下干燥3天，待膜干燥后放于25 ℃和50%的相對濕度下平衡48 h后待用.

表1 膠原復合膜的成膜液配方表

1.4 測試方法

1.4.1 傅里葉變換紅外光譜

采用薄膜法制樣，以ATM模式測試，分辨率為2 cm-1，掃描次數32次，掃描范圍4 000～400 cm-1.

1.4.2 X射線衍射

使用X射線衍射儀在Cu Kα(波長0.154 nm)輻射、運行狀況45 mA和45 kV條件下，對CCF膜進行檢測分析，衍射角范圍5 °～60 °，衍射步長為0.02 °，衍射步時為0.1 s.

1.4.3 熱性能

使用差示掃描量熱儀，對CCF膜的熱性能進行測試.樣品(3～4 mg)在10 ℃～200 ℃的掃描溫度下以10 ℃/min加熱[15].

1.4.4 掃描電子顯微鏡

先將CCF膜在液氮中冷凍脆斷，用導電膠將脆斷的橫截面和CCF膜表面分別固定在載物臺上并噴金，真空條件下用掃描電子顯微鏡在20 kV或10 kV的加速電壓下對CCF膜的斷面和表面形貌進觀測，放大倍數分別為1 000和200.

1.4.5 水接觸角的測定

采用固著滴法，用視頻光學接觸角測量儀對CCF膜進行水接觸角測試，每個樣品測量5次，結果取平均值，所用介質為蒸餾水，液滴5 μL.

1.4.6 薄膜厚度的測定

將樣品薄膜用啞鈴形的磨具制樣，采用數字皮革厚度測定儀測出啞鈴形的薄膜，測兩端和中間的位置，最后求出平均值.

1.4.7 機械性能的測定

室溫下，用萬能試驗機對CCF膜進行機械性能的測定，實驗控制負荷1 000 N，入口速度20 mm/min，拉伸速度5 mm/min.

2 結果與討論

2.1 紅外光譜

本研究所制得的幾個CCF的紅外光譜圖如圖1所示.從圖1可見，4個CCF的紅外光譜圖外形和吸收峰的位置基本相同.3 300 cm-1、3 080 cm-1、1 640 cm-1、1 549 cm-1和1 244 cm-1處的吸收峰分別來自于膠原肽鏈的酰胺-A、酰胺-B、酰胺-Ⅰ、酰胺-Ⅱ和酰胺-Ⅲ帶的吸收[16,17]，也即N-H的伸縮振動吸收、與N-H毗鄰的C-H的伸縮振動吸收、C=O的伸縮振動、N-H的彎曲振動和C-N的伸縮振動的疊加峰、C-N的面內振動和甘氨酸中-CH2-的面外搖擺振動的疊加峰.2 935 cm-1和2 880 cm-1處為-CH2-的不對稱和對稱伸縮振動吸收.1 450 cm-1處為吡咯烷環的振動吸收峰[16,18].此外，4個CCF的紅外譜圖中酰胺-Ⅲ帶與1 450 cm-1處吸收峰的吸光度的比值在1.003～1.037，說明4個CCF內膠原肽鏈的三股螺旋結構保持完整[17].

圖1 CCF的紅外光譜圖

2.2 XRD分析

采用X射線衍射分析可以研究不同膠原復合膜內的分子結構，如膠原三股螺旋結構的含量或分子間橫向堆積距離[17,19,20].圖2為幾個CCF及茶多酚(TP)的XRD圖.由圖2可以看出，TP在2θ=19.4 °處有一寬彌散峰，說明其結構主要為無定型.幾個CCF均有兩個明顯的特征峰，即2θ=7 °～8 °處的尖峰和2θ=20 °處寬的彌散峰，它們分別代表膠原左手螺旋肽鏈橫向堆積距離和三股螺旋中氨基酸殘基的距離，后者表示CCF內以無定形結構為主[21].而且隨著茶多酚的用量增加，2θ=7 °～8 °處尖峰的峰位向小角度移動，2θ= 20 °處寬彌散峰的強度有增大趨勢.原因可能如下：茶多酚的引入填充分散于膠原纖維鏈間，使得膠原左手螺旋肽鏈橫向堆積距離變大；同時，也使三股螺旋結構含量下降，無定形結構增加.故造成CCF中兩個特征峰隨著TP添加量的增加，尖峰峰位向小角度移動，寬彌散峰的強度增大.

圖2 CCF的XRD圖

2.3 熱性能

CCF的DSC曲線如圖3所示.從圖3可以看出，所有膜樣品都有一個吸熱峰，為膠原纖維的三股螺旋結構轉化為雜亂無序的單鏈結構的轉化峰，峰值溫度的變化與膠原纖維分子的降解過程密切相關[22].而CCF-0、CCF-1、CCF-2和CCF-3的峰值溫度分別為63.3 ℃、71.3 ℃、88.3 ℃和90.7 ℃，隨著茶多酚用量的增加而逐漸增大，說明CCF的熱穩定性逐漸增強.由于茶多酚的加入，它的酚羥基可與膠原纖維上的活性基團(肽鏈、側鏈上的氨基、羥基、羧基等)間可形成氫鍵或其它形式的作用力，從而使得CCF在受熱發生分子鏈運動時受阻，故CCF的熱穩定性逐漸增強[23-25].

圖3 CCF的DSC曲線

2.4 膜形貌

為獲得CCF的表面和斷面形貌，我們用掃描電鏡對CCF的表面和斷面微觀形態進行觀察拍照，其結果分別如圖4和圖5所示.

圖4 CCF表面的SEM

圖5 CCF斷面的SEM

從圖4可以看出，沒有添加TP的CCF-0表面不致密，上面有少許小孔洞或溝壑存在；與CCF-0相比，添加了TP的CCF-1、CCF-2和CCF-3的表面均致密無孔洞，且隨著TP用量的增加，膜表面的顆粒數量逐漸增多.從圖5可以看出，CCF-0斷面不致密且存在有橫向縫隙；隨添加的TP量逐漸增多，CCF-1～CCF-3的斷面縫隙變少至逐漸緊實.此現象應與茶多酚填充分散于膠原纖維鏈間并與膠原發生作用有關，隨著TP用量的增加，纖維內部得到充分地填充，致密性逐漸增強，甚至于膠原復合膜表面也富集有顆粒.

2.5 膠原復合膜的親疏水性

用接觸角測量儀測試了CCF表面的靜態接觸角以說明膜的親疏水性，其結果如圖6所示.從圖6可知，CCF-0、CCF-1、CCF-2和CCF-3表面的水接觸角分別為93.4 °、99.6 °、119.5 °和124.3 °，均大于90 °，說明為疏水表面.而且隨TP用量的升高，CCF表面的水接觸角逐漸增大.原因可能為：

一方面，牛干灰皮膠原纖維中的油脂去除不太徹底，故以它為基礎所制得的膠原膜略顯疏水性.當添加TP后，膠原中的親水性羥基、羰基或氨基會與之發生氫鍵作用，從而被埋藏于CCF表面內，另外，也造成CCF表面致密性增加，水分子難以向膜內滲透，因而疏水性增強[26].

另一方面，根據Wenzel表面潤濕方程cosθrw=rcosθc[27]，其中θrw為粗糙表面上的實際CA，r為液體與固體表面接觸面積和粗糙表面的突出面積的比值，一般r>1.由于CCF表面是疏水的，也即θc>90 °，可知表面越粗糙，θrw越大.結合圖4的結果可知，隨TP用量的升高，CCF表面粗糙度有一定程度地增加，也即CCF表面的疏水性相應增加.綜合上述兩方面原因，隨著茶多酚用量的增加，CCF表面的疏水性增大.

圖6 CCF表面的水接觸角

2.6 機械性能

膠原復合膜的厚度及機械性能測試結果如表2所示.由表2可以看出，加入TP的膠原復合膜和純膠原膜的厚度沒有顯著差別，其分布范圍在0.15～0.18 mm.

表2 膠原復合膜的機械性能

純膠原膜的抗張強度和斷裂伸長率分別為5.17 MPa和6.1%，隨著茶多酚含量的增加，抗張強度呈上升趨勢，分別增加了5.0%、72.3%和89.2%；斷裂伸長率逐漸下降，分別下降了8.2%、52.5%和69.5%.這一結果可能與茶多酚和膠原纖維中的活性基團發生氫鍵或其它作用有關，這些作用力導致了膠原復合膜的強度增加，韌性下降.當TP用量較少時，作用力較弱，故抗張強度略微增大，斷裂伸長率稍作降低；當TP用量大于1%時，作用力較強，故抗張強度和斷裂伸長率變化較大.因此，合適茶多酚的加入可有效地提高膠原膜的機械性能.而此結果也與有關文獻的研究結果相一致[28-30].

3 結論

以牛干灰皮膠原纖維為原料，通過添加甘油和不同用量的茶多酚，采用溶液鑄膜法制備了系列茶多酚改性膠原復合膜并研究了膜的性能.隨著茶多酚用量的增加，CCF內膠原肽鏈主要以無定形態分布且膠原鏈間橫向堆積距離有變大趨勢.CCF的熱穩定性增加.CCF表面的空洞消失且顆粒數量逐漸增加，膜斷面的緊實度也不斷增大.CCF的疏水性增加，表面靜態水接觸角由對照組的93.4 °逐漸增加至124.3 °.膜抗張強度也由5.17 MPa增加至9.78 MPa，延伸率由6.1%降至2.5%.因此，本研究可為牛干灰皮膠原纖維的資源化利用帶來新的契機.