基于牛蒡提取液的殼聚糖膜改性研究

辛穎，張華超，薛偉，*（.東北林業大學工程技術學院，黑龍江哈爾濱50040；.吉林省白河林業局，吉林延邊33000）

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基于牛蒡提取液的殼聚糖膜改性研究

辛穎1，張華超2，薛偉1，*
（1.東北林業大學工程技術學院，黑龍江哈爾濱150040；2.吉林省白河林業局，吉林延邊133000）

摘要：為改善殼聚糖膜性能，使用牛蒡提取液改性殼聚糖，制備不同配比的殼聚糖/牛蒡提取液復合膜。通過FTIR及SEM照片發現復合膜分子間形成氫鍵，表面較光滑、未出現分相。隨著牛蒡提取液質量濃度增加，復合膜的抗拉強度先增加后減小，在0.10g/mL時抗拉強度最大為（51.76±1.02）MPa；斷裂伸長率先減小后增加，在0.12 g/mL時最大為（48.06± 2.11）%；O2、CO2透過率和水蒸氣透過率均先減小后增加，在0.08 g/mL時最小分別為（0.11±0.02）（nl·m）/（h·m2·Pa）、（0.38±0.04）（nl·m）/（h·m2·Pa）、（5.01±0.03）（mg·m）/（h·m2·kPa），復合膜透氧系數/透CO2系數＜＜1；接觸角降低；抑菌率和·OH清除率增加，分別在0.10、0.08g/mL時達到100%，比殼聚糖膜提升了2.8、6.7倍。研究結果為殼聚糖/牛蒡提取液復合膜的生產和使用提供了有益參考。

關鍵詞：牛蒡；殼聚糖；復合膜；性能

隨著綠色包裝概念的提出以及消費者對食品安全關注程度的提升，聚乙烯、聚氯乙烯等被廣泛應用于食藥領域的包裝材料因不可再生、降解等弊端已不能滿足實際生產需要。因此可食用、可降解材料的研發已經成現今的研究熱點［1-3］。殼聚糖（Chitosan，CS）是多糖甲殼素經過脫乙酰化得到的產物，價格低廉、易于加工，以CS為基材制備的涂膜具有無毒無污染、氣體滲透性良好的特點，在果蔬保鮮中有很好的應用［4-5］，但因CS透濕性高，抗氧化性、抑菌性、力學性能較差，至今不能完全滿足實際生產需要，目前常用無機氧化物、淀粉、植物蛋白等對其改性，但這些材料存在成本高或功能單一等缺陷［6-7］。牛蒡（Arctium lappa L.，AL）又名東洋參，可入藥，也可食用，是一種營養價值極高的保健產品，Chan［8］等研究表明牛蒡醇提取物（Arctium lappa L.Extract，ALE）具有很強的抑菌性和抗氧化性，薛偉等［9-10］制備了殼聚糖/牛蒡提取物復合膜，并以圣女果為例驗證了其保鮮性能，但并未對成膜機理進行討論。本文以CS為基材，ALE為改性材料，再加入適量甘油制備ALE/CS復合膜，表征后測試并討論復合膜的力學性能、透氣性、透濕性、抗氧化性及抑菌性，為ALE/CS復合膜的進一步優化提供理論參考。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

牛蒡：購自哈爾濱，為江蘇徐州產新林1號；殼聚糖（脫乙酰度達≥97%）：杭州富麗生物科技有限公司；甘油（食品級）：上海榕柏生物技術有限公司。

1.2儀器與設備

CHY-U型薄膜厚度測試儀：濟南三泉中石實驗儀器有限公司；WDW-E微機控制電子萬能試驗機：濟南科盛實驗設備有限公司；FEI Quanta掃描電子顯微鏡：江蘇萬科科教儀器有限公司；JJ-2高速組織搗碎機：億通電子有限公司；UV765PC紫外分光光度計：杭州匯爾儀器設備有限公司；TENSOR 27傅立葉紅外光譜儀：布魯克公司；JC2000P接觸角測量儀：上海中晨數字技術設備有限公司。

1.3方法

1.3.1復合液及膜制備

稱取一定量的CS溶于體積分數為1%的乙酸溶液中制得CS溶液備用。將牛蒡根切塊置于2%的檸檬酸溶液中浸泡20 min后干燥粉碎，將得到的粉末放入70%的乙醇中，50℃恒溫水浴提取時間1 h后過濾三次，濾液旋轉蒸發至質量濃度為1 g/mL，用棕色試劑瓶盛裝，4℃保存備用。將ALE與CS溶液混合（復合液組成及分組見表1）。

表1　 共混液組成及分組Table 1　Composite membrane composition and grouping

加入適量甘油，調節pH為4.0，攪勻后靜置脫泡。將復合液分別置于培養皿中流延，在40℃烘箱中烘干后用10%的氫氧化鈉凝固65 s，立即用水將氫氧化鈉沖洗干凈，最后揭膜晾干。

1.3.2性能測試

1.3.2.1結構表征

結構表征使用FEI Quanta掃描電子顯微鏡和TENSOR 27傅立葉紅外光譜儀進行。

1.3.2.2厚度測試

膜厚度測試使用CHY-U型薄膜厚度測試儀。

1.3.2.3機械性能

抗拉強度及斷裂伸長率測定按照GB/T 1040.3-2006（塑料拉伸性能的測定第3部分：薄塑和薄片的試驗條件》規定的方法進行［11］。

1.3.2.4透濕性

水蒸氣透過系數測定參采用擬杯子法［12］。將待測膜裁成直徑為2.5 cm的圓形密封在裝有CaCl2的測試瓶口，置于密封容器中（相對濕度為90%，溫度為40℃），每隔24 h稱量瓶重的變化，得到水蒸氣透過膜的量，共測3次取平均值。按下式計算PW：

PW=W×T/（t×A×ΔP）

式中：PW為水蒸氣透過系數，（mg·m）/（h·m2·kPa）；W為重量差，mg；T為膜厚度，m；A為膜面積，m2；t為測試時間，h；ΔP為測試瓶內外氣壓差，kPa。

1.3.2.5透氣性

ALE/CS的透氣性測定在的體積增加方法［13］基礎上略作修改。用待測膜將密閉不銹鋼容器分成兩室，向1室中沖入CO2（O2），一定時間后在2室取樣測定CO2（O2）質量濃度，具體計算見下式：

P=（V·ρ·T）/（A·t·ΔP）

式中：P為氣體透過率，（nl·m）/（h·m2·Pa）；V為2室內體積，m3；ρ為2室內測試氣體密度，mL/m3；T為膜厚度，m；A為膜面積，m2；t為測試時間，h；ΔP為測試瓶內外氣壓差，kPa。

1.3.2.6接觸角

接觸角測定使用JC2000P接觸角測量儀進行。

1.3.2.7抑菌率

制備LB（Luria-Bertani）培養基（胰蛋白胨10 g，酵母粉5 g，NaCl 10 g，蒸餾水1000 mL，用1 mol/L NaOH調節pH為7.0～7.2，在高壓蒸氣滅菌器中于0.1 MPa下滅菌30 min），培養基（10mL）中分別加入1 mL不同配比的復合液，混勻后向各管加入0.1 mL大腸桿菌菌懸液（濃度約為1.0×107CFU/mL），混勻37℃培養24 h。分光光度計在600 nm處測試吸光度值。

式中：ODCK為初始吸光度值；OD為24h吸光度值。

1.3.2.8·OH清除率。

·OH清除率測定采用鄰菲羅啉法［14］，Fenton反應是產生·OH的主要反映，反應式為：Fe2++H2O2→Fe3+OH-+·OH。用比色分析法測定體系產生的·OH，反應體系見表2。

表2　·OH清除率反應體系Table 2　The reaction system of radical scavenging mL

其中Fe2SO4質量濃度為9 mmol/L，H2O2質量濃度為16 mmol/L，磷酸緩沖液pH為7.4，反應溫度為37℃，測試在536 nm處第1、3組的吸光度值（以第2組為參比）。

清除率計算如下：

式中：A1為第1組吸光度值；A3為第三組吸光度值。

1.3.3數據處理

采用Origin9.0軟件繪圖。數據用SPSS 19.0進行統計分析，采用新復極差法進行方差分析，檢驗差異顯著性。

2　結果與分析

2.1傅立葉光譜分析（Fourier Translation Infrared spectroscopy，FTIR）

CS膜及ALE/CS復合膜的FTIR見圖1。

圖1　殼聚糖單膜及復合膜FTIRFig.1　The FTIR of CS and ALE/CS composite films

各組復合膜FTIR基本相同，但與CS膜差異較大，說明ALE與CS發生了反應。在CS膜的FTIR中，1 637 cm-1的吸收峰歸屬于ν（N-H）的伸縮震動，1 401 cm-1處的吸收峰歸屬于δ（O-H）的面內彎曲振動。比較后發現：復合膜1 637 cm-1處的ν（N-H）吸收峰變寬并向低波數移動至1 628 cm-1處，894 cm-1處的β-糖苷鍵吸收峰向低波數移動至886 cm-1處，隨著ALE質量濃度的增加兩吸收峰漸寬，這表明共混液反應產生氫鍵而且隨著ALE質量濃度的增加氫鍵減少，這些氫鍵可能是CS同ALE中的酸性物質反應形成的；復合膜在1 401 cm-1處的δ（O-H）吸收峰隨著ALE質量濃度增加吸收峰漸窄，表明ALE使復合膜中的δ（O-H）含量增加，這些δ（O-H）歸屬于ALE中具有抑菌性的多酚類物質及其他親水性基團；復合膜在663 cm-1和584 cm-1處出現兩個新的吸收峰，前者是CO2干擾造成的，后者屬于ALE中多糖的ν（C-CO）伸縮振動。

2.2SEM照片分析

CS膜及ALE/CS復合膜的SEM照片見圖2。

圖2　殼聚糖單膜及復合膜SEM照片Fig.2　The SEM photographs of CS and ALE/CS composite films

圖2中CS膜表面比較光滑、緊致，復合膜表面比較平整，隨著ALE質量濃度的增加復合膜表面平整度降低，這是為因為ALE中有大量的游離基團，與殼聚糖復合后，暴露在復合膜表面，當ALE質量濃度小于0.10 g/mL時隨其增加復合膜表面白色結晶體增加，而ALE質量濃度大于0.10 g/mL時開始減少，復合膜的結晶度與成膜性是相對應的，ALE質量濃度過高時成膜性下降，結晶度降低。綜合各圖得出：復合膜未出現分相，CS與ALE之間的相容性較好，ALE的添加有利于CS結晶，在0.10 g/mL時最佳。

2.3牛蒡提取物對復合膜厚度的影響

CS膜及ALE/CS復合膜的厚度見圖3。

由圖3可知，復合膜厚度的范圍為（22.38±0.23）μm～（23.21±0.15）μm，均大于CS膜而且與ALE質量濃度沒有明顯的函數關系，但隨著ALE質量濃度的增加先增大后減小，由于CS是等量的，所以ALE和水的含量是造成這一變化的主要因素。由FTIR可知ALE質量濃度增加后復合膜中親水性δ（O-H）和游離多糖增加，這使得膜含水量增加，厚度變大。但ALE質量濃度過高時復合膜結晶度下降，成膜性降低導致結構分散，厚度略微減小。這與張赟彬［15］等制備的薰衣草提取物/殼聚糖復合膜厚度變化基本一致，但并不代表這一規律具有普遍性，因為試驗條件、CS分子量、提取植物種類等的不同都會使測試結果發生變化。

2.4牛蒡提取物對復合膜機械性能的影響

CS膜及ALE/CS復合膜的抗拉強度和斷裂伸長率見圖4。

圖3　 殼聚糖單膜及復合膜厚度Fig.3　Thickness of CS and ALE/CS composite films

圖4　殼聚糖單膜及復合膜機械性能Fig.4　The tensile strength and elongatian at break of CS and ALE/ CS composite films

由圖4可知，CS膜的抗拉強度為（36.23±0.73）MPa，斷裂伸長率為（32.64±0.68）%，添加ALE后復合膜的抗拉強度明顯提高且隨其質量濃度增加先增加后減小，在ALE質量濃度為0.10 g/mL時抗拉強度最大，為（51.76±1.02）MPa，由FITR可知ALE可以與CS形成氫鍵使分子間相互作用力變大，抗拉強度增加，但ALE的加入使復合膜的親水性提升，復合膜吸水膨脹結構疏松，而且ALE與CS共混后成膜液中形成的NH3+會與CS分子質子化基團間產生靜電排斥力，對分子之間結合造成影響，這又會導致抗拉強度下降，這些影響在ALE質量濃度為0.10 g/mL時達到臨界狀態。復合膜的斷裂伸長率先下降后上升，在ALE質量濃度為0.04 g/mL時最低，為（28.65±0.23）%，ALE的加入使復合膜在堿處理時凝固速度加快導致斷裂伸長率下降，但在0.04 g/mL～0.12 g/mL時因為復合膜網狀結構松散，游離的親水性基團破壞了CS的大分子鏈，造成斷裂伸長增加。綜合以上分析得出，ALE質量濃度在0.8 g/mL～0.12 g/mL時復合膜機械性能較好。

2.5牛蒡提取物對復合膜透濕性的影響

CS膜及ALE/CS復合膜的透濕性見圖5。

圖5　殼聚糖單膜及復合膜水蒸氣透過系數Fig.5　The water vapor transmission rate of CS and ALE/CS composite films

由圖5可知，CS膜的水蒸氣透過系數為（5.19± 0.13）（mg·m）/（h·m2·kPa），隨ALE質量濃度的增加復合膜的水蒸氣透過系數先減小后增大，在0.08 g/mL時最低，為（5.01±0.03）（mg·m）/（h·m2·kPa），ALE與CS分子間形成氫鍵使復合膜結合緊密，通透性下降，復合膜水蒸氣透過系數降低，當ALE質量濃度過高時親水性基團增多促使復合膜吸水膨脹，結構疏松，通透性提升，水蒸氣透過系數變大。在生產使用中保鮮膜的水蒸氣透過系數是實現保鮮性能的重要因素，在合理范圍內透過系數越低保鮮效果越好，所以ALE質量濃度為0.08 g/mL時效果最佳。

2.6牛蒡提取物對復合膜透氣性的影響

CS膜及ALE/CS復合膜的透氣性見圖6。

圖6　殼聚糖單膜及復合膜透氣系數Fig.6　The air permeability coefficient of CS and ALE/CS composite films

由圖6可知，CS膜的O2和CO2透過系數分別為（0.21±0.01）、（0.54±0.03）（nl·m）/（h·m2·Pa），復合膜的O2和CO2透過系數隨著ALE質量濃度的增加均先降低后增加，因為隨著ALE質量濃度增加復合膜網狀結構致密，透氣性降低，當質量濃度過高時復合膜成膜性差，透氣性增加，在0.08 g/mL時最小，分別為（0.11± 0.02）、（0.38±0.04）（nl·m）/（h·m2·Pa）；由圖還可以看出復合膜透O2系數/透CO2系數＜＜1，這是因為氣體對高分子化合物的透氣系數P=D·S（D為擴散系數；S為溶解系數），CO2和O2向空氣的擴散系數基本一致，但前者在CS中的溶解度較大，所以CO2的透氣系數比O2的透氣系數大［16］。在果蔬保鮮中，復合膜透O2系數/透CO2系數＜＜1既能夠保證果蔬進行呼吸，維持其生命的延續，又能控制和減緩其呼吸強度，延長果蔬采后壽命［17-18］。

2.7牛蒡提取物對復合膜接觸角的影響

CS膜及ALE/CS復合膜的接觸角見圖7。

圖7　 殼聚糖單膜及復合膜接觸角Fig.7　Water contact angle of CS and ALE/CS composite films

由圖7可知，CS膜的接觸角為73.21°±0.23°，這與張赟彬［15］等所得結果基本一致，復合膜的接觸角隨著ALE質量濃度的增加線性下降，在ALE質量濃度為0.10 g/mL時達到最小值68.15°±0.37°，由FITR可知加入ALE后，復合膜中的親水基團增加，親水性增強，而且結合SEM照片也可以看出隨ALE質量濃度增大，游離的多糖分子增多使復合膜表面粗糙，復合膜親水性增強，接觸角逐漸減小。

2.8牛蒡提取物對復合膜抑菌率的影響

表3　殼聚糖單膜及復合膜抑菌率Table 3　The bacteriostatic rate of CS and ALE/CS composite films

表3為CS膜及ALE/CS復合膜的抑菌率。

由表3可知，CS膜的抑菌率為（36.24±0.54）%，本試驗使用的CS分子量較大為230 000，部分有效抑菌基團-NH3+包裹在CS分子鏈中，無法發揮作用，所以抑菌率較低［19］。隨ALE質量濃度增加復合膜的抑菌率非線性增加，在0.08 g/mL時達到100%，與CS膜相比提升了2.6倍。CS分子中的-NH3+可以與細菌細胞膜上的類脂-蛋白質反應，使細胞膜通透性提升，這樣ALE中帶有正電荷的1，11-十三碳二烯-3，5，7，9-四炔；1，3，11-十三碳三烯-5，7，9-三炔，以及綠原酸等化合物可以快速的滲入細菌細胞內部，損壞細菌細胞的內容物、酶、蛋白質、核酸［20］等生命物質，同時CS形成一層高分子膜吸附在細胞表面，抑制營養物質向細胞內的運輸及呼吸作用，兩者共同作用下抑菌率明顯提升。

2.9牛蒡提取物對復合膜·OH清除率的影響

圖8　殼聚糖單膜及復合膜·OH清除率Fig.8　The aximum scavenging rate of·OH of CS and ALE/CS composite films

由8圖可知，CS膜的·OH清除率僅有（15.2±0.43）%，添加ALE后·OH清除率明顯提升而且隨ALE質量濃度的增加逐漸增加，在0.10 g/mL時達到100%，是CS膜的6.7倍。·OH是已知最強的氧化劑，ALE中的酚酸衍生物（1-O-，5-O-二咖啡酰基奎寧酸，1-O-，5-O-雙咖啡酰-3-O-酮基戊酸奎寧酸；1-O-，5-O-雙咖啡酰-4-O-酮基戊酸奎寧酸；1-O-，5-O-雙咖啡酰-3-O-，4-O-丁二酰奎寧酸；1-O-，3-O-，5-O-三咖啡酰基-4-O-丁二酰酮基戊酸奎寧酸等）及綠原酸上的-H可以與· OH發生還原反應，與CS共混后雙重抗氧化作用使· OH清除率提升。

3　結論

ALE對復合膜性能的影響主要歸結于3個方面：首先是ALE與CS形成氫鍵，對復合膜的機械性能影響明顯；其次是ALE使復合膜親水性增強，復合膜吸收溶脹，通透性變化明顯；最后是ALE中含有游離的基團，對復合膜的表面平整度影響明顯。ALE對復合膜性能影響的具體結論如下：

1）通過FTIR和SEM照片分析得出，ALE/CS復合膜分子間形成氫鍵，表面較光滑，未出現分相，親水性強。

2）ALE/CS復合膜厚度范圍為（22.38±0.23）μm～（23.21±0.15）μm，機械性能提升，透氣、濕性能降低，其中透氧系數/透CO2系數＜＜1，接觸角降低，親水性好，抑菌率和·OH清除率比CS膜分別提升了2.8、6.7倍。

3）ALE對CS膜的各項性能影響優略不一，在實際應用中要針對具體性能要求選擇ALE質量濃度，為了更好的提升復合膜性能，后續試驗中會嘗試加入明膠、吐溫-80等材料進一步提升綜合性能，并通過保鮮試驗來測試其實用價值。

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DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2016.11.010

作者簡介：辛穎（1977—），女（漢），副教授，博士，從事復合包裝材料研究。

*通信作者：薛偉（1962—），男（漢），教授，博士，從事復合包裝材料研究。

收稿日期：2015-05-13

Study on the Influence of Arctium lappa L.Extracts to Chitosan

XIN Ying1，ZHANG Hua-chao2，XUE Wei1，*

（1.College of Engineering&Technology，Northeast Forestry University，Harbin 150040，Heilongjiang，China；2.Baihe Forestry Bureau，Yanbian 133000，Jilin，China）

Abstract：The performance of composite film made of chitosan and Arctium lappa L.extraction with different mix ratio were tested.The Arctium lappa L.extractions were mainly used to modify the chitosan properties.The result showed that the surface of composite film became smooth and there were no split phase.Besides，with Arctium lappa L.extracts increased，tensile strength of composite membrane increased after the first decreases，and maximum was（51.76±1.02）MPa when the concentration was 0.10 g/mL；breaking elongation reduced after the first increases，when the concentration was 0.12 g/mL up to（48.06±2.11）%；transmittance of O2，CO2and water vapor through the first decrease in increasing，be the smallest when the concentration was 0.08 g/mL，re spectivelywas（0.11±0.02）（nl·m）/（h·m2·Pa），（0.38±0.04）（nl·m）/（h·m2·Pa），（5.01±0.03）（mg·m）/（h·m2·kPa）. The ratio of O2permeability coefficient and CO2permeability coefficient in composite film was far less than 1.0；contact Angle decreased；antibacterial rate and·OH clearance increases，and up to 100%，the concentration，respectively，was 0.10，0.08 g/mL，membrane increased 2.8，6.7 times than chitosan.The results of the study provided a useful reference of the composite use in production.

Key words：Arctium lappa L.；chitosan；composite film；performance