具有片層或原纖狀結構的殼聚糖膜制備及性能比較

陳玄墨，寧晚娥，彭澤冶，黃繼偉，林海濤

1.廣西科技大學生物與化學工程學院（柳州 545006）；2.廣西糖資源綠色加工重點實驗室（柳州 545006）；3.廣西高校糖資源加工重點實驗室（柳州 545006）

殼聚糖是自然界三大生物質資源之一，其不僅具有來源廣、安全、無毒、可生物降解等優點，還具有優良的生物相容性和抗菌性能，被廣泛應用于食品、藥品、生物醫學工程、環境保護、精細化工等領域[1-8]。殼聚糖膜是殼聚糖基材料的最基本形式，大量研究聚焦于獲得具有不同性能或功能的殼聚糖膜材料[9-11]。殼聚糖膜的性能或功能與其微細結構緊密相關，特別是殼聚糖膜微納級層次結構，對殼聚糖膜的力學性能存在顯著影響，直接關乎其在實際應用領域中的使用[12-15]，對開發具有不同功能的殼聚糖膜，亦有深遠意義。

殼聚糖膜制備的首要步驟是殼聚糖的溶解，而殼聚糖溶解的關鍵是溶劑。作為一種堿性多糖的殼聚糖難溶于水而易溶于稀酸，其中，乙酸是最常用的殼聚糖溶劑，其具有溶解殼聚糖速度快，分子降解小，溶液黏度適中等優點[16-18]。甲酸也是一種常用的殼聚糖溶劑，已有研究表明：相對于乙酸，在同一溫度下，采用相同質量分數的甲酸可使等量的殼聚糖完全溶解[19-22]。同時，甲酸對大部分高聚物的溶解能力均優于乙酸，使得采用甲酸溶解殼聚糖獲得的溶液更易于與其他高聚物進行混溶[23]，這對甲酸作為溶劑溶解殼聚糖的應用極為有利。雖然乙酸與甲酸作為溶劑對溶解殼聚糖的研究較多，但就2種溶劑溶解殼聚糖所制膜的結構與性能研究卻較少，特別是對兩者成膜的微細結構及其與性能之間關系的研究鮮有報道。

試驗分別采用甲酸與乙酸為溶劑，制備出具有片層狀或原纖狀結構的殼聚糖膜，進而對比分析了2種膜的力學性能、結構特征（XRD和FTIR）和熱性能（TG、DTG和DSC）等的差異。試驗結果不僅為制備具有不同層級結構的殼聚糖膜提供思路，更為以層級結構調控殼聚糖膜的性能提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

殼聚糖（脫乙酰度80%～95%，國藥集團化學試劑有限公司）；乙酸（質量分數99.5%，廣東光華科技股份有限公司）；氫氧化鈉、甲酸（質量分數98%，西隴化工股份有限公司）；試劑均為分析純。

1.2 設備與儀器

DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（鞏義市予華儀器有限責任公司）；DDS-307A電導率儀（上海儀電科學儀器股份有限公司）；數顯外徑千分尺（桂林廣陸數字測控有限公司）；AX124ZH/E型電子天平（奧豪斯儀器有限公司）；E43.104型電子萬能試驗機（美特斯工業系統有限公司）；S-4800型冷場發射掃描電子顯微鏡（日本日立公司）；X’Pert-Pro型全自動X射線衍射儀（荷蘭PANalytical公司）；Nico LET 5700型紅外光譜儀（美國熱電Nicolet公司）；Q2000差示掃描量熱儀、Discovery TGA 55熱重分析儀（美國TA儀器公司）。

1.3 方法

1.3.1 殼聚糖的溶解

分別配置不同質量分數甲酸和乙酸溶液，稱取一定量殼聚糖倒入指定質量分數的甲酸或乙酸溶液中，將所得混合溶液置于集熱式恒溫磁力攪拌器，在一定溫度下勻速攪拌，使殼聚糖溶解。

1) 溶解時間的測定。分別取所配置的質量分數1%～5%甲酸和乙酸溶液20 mL置于燒杯中，分別稱取殼聚糖0.3 g倒入其中（殼聚糖質量分數1.5%），設置集熱式恒溫磁力攪拌器的溫度30 ℃，以200 r/min進行勻速攪拌，記錄殼聚糖從開始加入酸溶液至完全無法觀測到殼聚糖聚集塊或顆粒為止所經歷的時間，以此作為殼聚糖溶解時間。

2) 電導率的測定。分別取所配置的質量分數1%～5%甲酸和乙酸溶液20 mL置于燒杯中，分別稱取殼聚糖0.1g倒入其中（殼聚糖質量分數0.5%），設置集熱式恒溫磁力攪拌器的溫度30 ℃，以200 r/min勻速攪拌，采用DDS-307A電導率儀以設定的時間間隔逐次測定溶液的電導率值，其中，時間間隔設置為：第1 h內每間隔5 min測定1次，第2 h每隔10 min測定1次，第3 h每個30 min測定1次，之后每間隔1 h測定1次。

1.3.2 殼聚糖膜的制備

殼聚糖膜的制備過程主要分3個步驟，分別是殼聚糖溶解、鋪膜和膜的后處理。

1) 殼聚糖膜的溶解與鋪膜。分別取所配置的質量分數1%～5%甲酸和乙酸溶液20 mL置于燒杯中，分別稱取殼聚糖0.6 g倒入，設置集熱式恒溫磁力攪拌器的溫度30 ℃，以200 r/min勻速攪拌，待殼聚糖完全溶解后，將溶解好的殼聚糖溶液靜置脫泡30 min，采用流延法將溶解液倒入塑料皿中，在室溫條件下自然揮發干燥24 h后成膜。

2) 殼聚糖膜的后處理。將干燥的殼聚糖膜浸泡于0.5%氫氧化鈉溶液2 h以中和膜中殘余的酸。用去離子水對膜進行反復沖洗，將膜浸泡于1 000 mL去離子水中24 h以去除多余的氫氧化鈉殘留物，將膜在室溫下干燥，備用。

1.3.3 殼聚糖膜的力學性能測定

分別將所制備的殼聚糖膜切成10 mm×30 mm條狀。采用數顯千分尺在每條上取5個點測其厚度，求其平均值作為該條膜試樣的厚度。拉伸測試采用微機控制電子萬能試驗機進行，每一試驗條件測試20次，測定條件為：拉伸速率10 mm/min，間距10 mm，測定環境溫度25±1 ℃，相對濕度65%±5%。

1.3.4 殼聚糖膜的結構及熱性能測試

分別選取3%甲酸和乙酸溶解殼聚糖制模各1份，用于SEM觀察，選取1%和3%的甲酸和乙酸溶解殼聚糖制模各1份，將其剪碎至粉末狀，用于XRD、FTIR、TG和DSC測試。

1) SEM觀察：將殼聚糖膜用導電膠黏貼于樣品臺上，經噴金處理后，室溫下采用S-4800型冷場發射掃描電子顯微鏡進行形態觀察。

2) XRD測試：將所得殼聚糖膜粉末，采用X’Pert-Pro型X射線衍射儀進行測試，其中，X射線光源為CuKα射線，電壓40 kV，電流25 mA，掃描速度10°/min，掃描范圍0°～50°。

3) FTIR測試：將所得殼聚糖膜粉末采用KBr壓片法在Nicolet 5700型傅里葉紅外光譜儀進行測試，掃描范圍500～4 000 cm-1，分辨率4 cm-1，掃描次數64次。

4) TG測試：采用Discovery TGA 55熱重分析儀對所得殼聚糖粉末進行熱失重分析，其中，溫度范圍0～750 ℃，升溫速率10°/min，測試環境為氮氣氣氛，氮氣流量20 mL/min。

5) DSC測試：采用Q2000差示掃描量熱儀對所得殼聚糖粉末進行測試，其中，溫度范圍0～750 ℃，升溫速率10 ℃/min，測試環境為氮氣氣氛，氮氣流量20 mL/min。

2 結果與分析

2.1 殼聚糖溶解時間

分別以不同質量分數甲酸和乙酸為溶劑，在相同溫度和攪拌速度條件下，溶解相同質量的殼聚糖所需時間的測定結果，見圖1所示。

由圖1可知，在溶解條件相同、溶解殼聚糖的量相同的情況下，甲酸溶解殼聚糖所需時間隨其質量分數的增加而逐漸減小，乙酸則呈現出先減小后增加的趨勢。分析認為，殼聚糖大分子間存在較強的氫鍵作用，易于形成規整的結晶結構，是一種具有較高結晶度的聚合物[24]，而殼聚糖的溶解實質就是破壞掉其分子間的氫鍵和晶格結構[25]。因此，在酸溶液中，當氫離子（H+）活度達到一定程度，可使殼聚糖分子上的氨基（—NH2）質子化成銨根離子（—NH3+），進而使殼聚糖分子間的氫鍵斷裂和晶格結構破壞，導致了殼聚糖的溶解[32]。在此過程中，酸溶液對殼聚糖溶解存在2種相關的作用機制，首先，酸根離子（HCOO-和CH3COO-）和殼聚糖分子上的—NH2之間存在一定吸引力，以鹽鍵形式存在，當酸根離子體積大時，對糖苷鍵有位阻作用，使得溶解能力下降。其次，受酸電離出H+的影響，H+濃度越高，形成的機會越多，分子間的靜電相互作用越強，分子間氫鍵越易于斷裂，越有利于溶解。就本研究而言，甲酸作為最簡單的有機酸，對可以電離H+的束縛力比較小，擁有更大的電離度，當溶液中甲酸的質量分數增加時，能釋放更多的H+，提高H+活度從而加快殼聚糖的溶解[26]。在乙酸為溶劑時，低質量分數下的溶解情況與甲酸的溶解機理一致，升高到一定質量分數后，由于此時CH3COO-離子的濃度明顯大于殼聚糖電離出來的—NH3+離子，使得正負離子之間的距離變小，導致離子之間吸引力增加，引起離子遷移速率降低，使得此時殼聚糖的溶解反而趨于困難[27]。

圖1 不同質量分數甲酸或乙酸對殼聚糖溶解時間的影響

2.2 殼聚糖溶解中電導率的變化

以一定時間間隔，分別測定不同質量分數的甲酸或乙酸溶解相同質量殼聚糖的過程中電導率的變化，結果見圖2所示。

從電導率值可以看出，甲酸溶解殼聚糖時溶液的電導率顯著大于乙酸。從溶解過程中電導率的變化趨勢可以看出，兩種酸在溶解的開始階段，電導率均有下降的趨勢，且甲酸的下降幅度高于乙酸。另外，相對于甲酸，乙酸電導率在下降一段時間后，又呈現出上升趨勢，且乙酸質量分數越低，這種上升趨勢越明顯。溶液的電導率趨于穩定。分析認為，甲酸的電離度較乙酸大，甲酸溶液中大量存在的H+與殼聚糖分子鏈上的—NH2反應生成為—NH3+，使得在較短時間內溶液中的游離H+急劇減少，驗證甲酸溶液中H+濃度的提升加快殼聚糖溶解，待殼聚糖完全溶解后溶液中H+濃度趨于穩定，電導率不再出現明顯變化。另一方面，就乙酸的溶解而言，乙酸溶液的電導率存在3個階段的變化。在第1階段，電導率曲線下降，但這種下降行為并不完全意味著殼聚糖的溶解，還存在一定的吸附或自聚集過程[26]。在第2階段，隨著殼聚糖溶解，溶液中—NH3+數目逐漸增多，溶液的電導率也隨之增大[27]，此時電導率的上升代表著殼聚糖溶解速度加快，殼聚糖分子逐漸舒展，分子遷移速度加快，使得溶液中的離子濃度增大。在第3階段，隨著殼聚糖的完全溶解，溶液中的各種離子處于相對穩定的狀態，從而使曲線趨于平穩[19]。

圖2 不同質量分數甲酸和乙酸溶解殼聚糖時電導率的變化曲線

2.3 殼聚糖膜的形態特征

圖3 所示為3%甲酸和乙酸為溶劑溶解等量殼聚糖制模表面的SEM圖。結果表明，乙酸溶解殼聚糖制模的形態有類片層的結構，而甲酸溶解殼聚糖制模存在明顯的原纖化結構，分析認為殼聚糖可甲酸中可自組裝成原纖的結構。與此同時，發現甲酸溶解殼聚糖制模中存在一些空洞，這些空洞表現為原纖間隙。

圖3 質量分數3%甲酸或乙酸溶解殼聚糖制膜的SEM

2.4 殼聚糖膜的力學性能

以不同質量分數甲酸和乙酸為溶劑溶解等量殼聚糖制模，對所制膜進行拉伸測試，圖4所示為典型的拉伸測試應力-應變曲線，表1所示為2種酸溶解膜的強度及伸長率的統計分析結果。

由圖4和表1可知，酸質量分數較低（1%和2%）時，甲酸溶解殼聚糖所制的膜的強度、斷裂伸長率和楊氏模量均低于乙酸，隨著酸質量分數的增加（3%，4%和5%），甲酸溶解殼聚糖制模的斷裂強度逐漸增加，斷裂伸長率和楊氏模量逐漸下降，而乙酸溶解殼聚糖制模的斷裂強度卻逐漸下降，斷裂伸長率和楊氏模量逐漸增加。另外，在酸質量分數為3%，4%和5%時，甲酸溶解殼聚糖制模的斷裂強度優于乙酸，斷裂伸長率和楊氏模量劣于乙酸。綜合評判可知，甲酸溶解殼聚糖膜的更硬更脆，而乙酸溶解的殼聚糖膜更有韌性，特別是隨著酸質量分數的增加，這種差異約明顯。

圖4 不同質量分數的甲酸或乙酸溶解殼聚糖制膜的應力-應變曲線

表1 不同質量分數的甲酸或乙酸溶解殼聚糖制膜的力學性能數據統計

2.5 XRD與FTIR分析

分別對采用1%和3%質量分數的甲酸與乙酸溶解殼聚糖所制膜進行粉末X射線衍射測試和紅外光譜測試，其結果分別見圖5和圖6所示。

由圖5可知，甲酸與乙酸溶解殼聚糖所制膜在10.5°和20.0°附近均存在較強衍射峰。其中，10.5°附近的衍射峰歸屬于FormⅠ晶形，20.0°附近的衍射峰歸屬于FormⅡ晶形，說明兩者具有類似的半結晶結構[28-29]。然而，甲酸溶解殼聚糖所制膜在15°附近存在一個較強的衍射峰，而乙酸溶解殼聚糖制模卻沒有，一般認為，15°附近的衍射峰為無水結晶峰，對應于殼聚糖的無定形結構（也翻譯成非晶態結構）[30-31]。結合力學測試的結果可知，甲酸溶解殼聚糖所制膜具有更高的強度，但延伸性卻較乙酸溶解殼聚糖膜差，這或許是由于甲酸具有一定的誘導結晶作用，使甲酸溶解殼聚糖所制膜具有更高的結晶度所致。

由圖6所示可知，分別采用1%和3%質量分數的甲酸與乙酸溶解殼聚糖所制膜的FTIR譜圖并無顯著差異。其中，893 cm-1為殼聚糖的六元環的伸縮振動吸收峰，1 025 cm-1為C—O伸縮振動（一級醇羥基），1 062 cm-1為C—O的伸縮振動（二級醇羥基），1 149 cm-1為C—O—C的不對稱變形振動，1 258 cm-1為O—H屬于C3上的二級羥基和C6上的一級羥基的C—O伸縮振動，1 317 cm-1為C—N伸縮振動和N—H彎曲振動（酰胺Ⅱ譜帶），1 377 cm-1附近為CH2彎曲振動，1 420 cm-1為CH3彎曲振動，1 587 cm-1處的吸收峰為C＝O伸縮振動（酰胺Ⅰ譜帶），1 652 cm-1處的吸收峰為N—H彎曲振動（包括酰胺Ⅱ譜帶δ（C—N）+δ（N—H）），2 867 cm-1和2 922 cm-1附近為甲基和次甲基的C—H伸縮振動[33]，3 361 cm-1附近為N—H的伸縮振動，3 452 cm-1附近為O—H的伸縮振動[34]。乙酸溶解殼聚糖所制膜在3 452 cm-1處存在的弱峰比甲酸在此處明顯。通常，3 452 cm-1附近被認為是羥基的伸縮振動，是分子間羥基間的氫鍵形成所致。這或許可作為解釋乙酸溶解殼聚糖所制膜具有更好延伸性的原因之一。

圖5 甲酸與乙酸溶解殼聚糖所制膜的FTIR譜圖

圖6 甲酸與乙酸溶解殼聚糖所制膜的FTIR譜圖

2.6 熱分析

分別對采用質量分數1%和3%的甲酸與乙酸溶解殼聚糖所制膜進行TGA/DTG測試和DSC測試，其結果分別見圖7和圖8所示。

圖7 甲酸與乙酸溶解殼聚糖所制膜的TGA/DTG圖

圖8 甲酸與乙酸溶解殼聚糖所制膜的DSC譜圖

圖7 （A）為殼聚糖膜的熱失重曲線（TGA）。隨著溫度升高，殼聚糖膜質量逐漸損失，呈現出明顯的3階段變化趨勢：第1階段位于30～260 ℃，其歸屬于殼聚糖膜中水分的散失，質量損失10%～15%；第2階段位于260～360 ℃，其表現為急劇的質量損失，對應于殼聚糖的熱分解，至該階段結束殼聚糖膜剩余約50%左右；第3階段位于360～750 ℃，該階段的質量損失明顯放緩，說明殼聚糖熱分解逐漸結束，最終殼聚糖剩余約37%左右。圖7（B）是殼聚糖膜的DTG曲線，是殼聚糖膜TGA曲線對溫度求一階導數所得的曲線，由圖可知，殼聚糖膜存在2個主要的失重過程，第1階段出現在125 ℃左右，與水的蒸發有關；第2階段出現在312 ℃附近（起始溫度262 ℃，結束溫度361℃），對應的是殼聚糖的分解[35]。不同的酸及其不同酸質量分數下溶解的殼聚糖溶液具有近乎相同的失重變化。甲酸溶解殼聚糖膜的熱分解殘余多于乙酸溶解殼聚糖膜，這可能與甲酸具有較高的結晶度有關。

由圖8可知，所有殼聚糖膜在100 ℃左右出現一個吸熱峰，這歸因于殼聚糖膜中水分的損失；在320 ℃左右出現一個放熱峰，這歸因于殼聚糖膜的分解。甲酸質量分數由1%提升至3%時，殼聚糖膜的DSC曲線最大值由85 ℃變為135 ℃，表明甲酸與殼聚糖反應使得殼聚糖膜擁有更加緊密的結構，導致水分蒸發溫度提升，需要更多能量釋放水分[26]。乙酸溶解的殼聚糖膜的吸熱峰均出現在125 ℃，說明乙酸質量分數對殼聚糖膜結構并沒有顯著影響。

3 結論

分別以甲酸與乙酸為溶劑溶解殼聚糖制備，獲得2種具有不同微納層級結構的殼聚糖模型，進而就2種殼聚糖膜的力學性能、結構特征和熱學性質等進行對比分析。

1) 從溶解及溶液性質上看，甲酸與乙酸溶解殼聚糖的速度和性質顯著不同。甲酸溶解殼聚糖隨著其酸質量分數增加而加快，乙酸則呈現出先加快后減慢趨勢，酸質量分數大于3%時，甲酸溶解殼聚糖的速度明顯大于乙酸。甲酸溶解殼聚糖溶液的電導率明顯大于乙酸。

2) 甲酸溶解殼聚糖所制膜具有明顯的原纖化結構，而乙酸溶解殼聚糖所制膜具有片層狀結構特征。對比原纖化的甲酸溶解殼聚糖膜與片層狀的乙酸溶解殼聚糖膜可知，乙酸溶解殼聚糖所制膜具有更好的力學性能，特別是斷裂伸長率和模量較高，但相對于甲酸溶解殼聚糖所制膜，其斷裂強度卻較低。

3) XRD和FTIR測試分析結果反映出甲酸溶解殼聚糖膜具有更高的結晶度，而熱分析（TG/DTG和DSC）結果表明兩者的熱學性質差異不大，但在相同溫度范圍內，甲酸溶解殼聚糖所制膜的熱分解殘余更多。