殼聚糖納米粒復合明膠膜的性能研究

邢振雷 高穎 田海龍

摘要：為了減少環境污染，研究開發可生物降解的新型成膜材料代替傳統塑料包裝的需求日益增加。首先選擇通過控制殼聚糖鹽酸鹽和磺丁基-β-環糊精的質量比制備不同粒徑大小的殼聚糖納米粒，隨后與明膠混合制備復合膜，通過引入納米顆粒改善明膠膜的機械、阻隔性能和熱穩定性。結果表明，隨著殼聚糖鹽酸鹽和磺丁基-β-環糊精質量比的下降，殼聚糖納米顆粒粒徑變小;復合明膠膜的拉伸測試、水蒸氣透過率測量和差式掃描量熱分析等數據顯示，粒徑約為219.8、300.2 nm的殼聚糖納米粒能夠有效提高明膠膜的理化性能。其中粒徑為219.8 nm時，明膠膜的水分含量下降約5百分點，水蒸氣透過率下降約15%，抗拉強度提高約32%，膜的韌性明顯提高，熱穩定性提高。而粒徑為161.8、404.6 nm，則未能明顯改善膜的上述特性。系統化地研究不同粒徑殼聚糖納米粒對明膠膜性能的影響，為開發新型納米粒復合可食用膜提供了新的理論依據。

關鍵詞：殼聚糖納米粒;明膠膜;物理特性

中圖分類號： TS201? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2020）20-0234-07

明膠是由動物皮毛及肌腱等結締組織中的膠原蛋白在酸、堿或高溫條件下經過部分水解或變性得到的動物蛋白，不含有脂肪，其內有18種氨基酸以肽鍵連接起來，有7種是人體的必需氨基酸，具有較高的營養價值[1]。明膠是無色或呈淡黃色、沒有特殊氣味的透明薄片或顆粒，其分子呈三螺旋結構，不溶于無水乙醇，在冷水中可逐漸吸收水分而膨大，也可以在熱水中溶解，在水中明膠分子可與水分子之間通過氫鍵結合形成網絡結構，明膠溶液轉變為熱可逆凝膠，可作為良好的成膜基質[2]。明膠有優越的阻隔特性、可降解性和對生物的高安全性，逐漸作為可食用膜材料用于食品包裝[3]。

然而，明膠膜機械性能較差，遇濕后易被細菌污染腐敗變質，難以滿足食品包裝需求，而明膠分子中羥基、氨基等官能團的數目較多，易與其他溶劑作用，呈現良好的共混性，因而常采用復配的方法對明膠膜改性以改善膜的性能和擴大應用范圍[4]。納米粒作為一種新型載體，相比于普通載體物質來說，粒徑更小，直徑在10～500 nm之間，相關活性成分可溶解或包埋于粒子內部，亦可吸著在表面[5]。聚合物復合納米材料是一種混合材料，是以聚合物作為基本物質，與特殊粒子或者有機物等通過納米級復合得到的一種性能良好的材料。與單純的聚合物或傳統（顯微）復合材料相比，納米級尺寸的顆粒可更好地分散在聚合高分子中，其可與成膜高分子通過氫鍵等分子間相互作用強烈結合，滲透到三維網狀膜結構中，從而可以顯著改善機械性能、熱性能、晶體化學和光學性質[6]。de Moura等制備殼聚糖/三聚磷酸鈉納米顆粒并摻入羥丙基甲基纖維素薄膜中，發現殼聚糖納米粒子的納入可明顯改進膜的機械強度和阻隔性能[7]。

磺丁基-β-環糊精（SBE-β-CD）是一種離子型的β-CD衍生物，具有高水溶性，在水溶液中，殼聚糖鹽酸鹽（CSH）和SBE-β-CD可直接離子交聯形成殼聚糖納米粒[8]。自2000年開始出現用納米纖維改善淀粉復合膜的機械和阻隔性能的研究以來，Chang等將殼聚糖納米粒填充于淀粉膜中，當殼聚糖納米粒添加量為6%時，可顯著增強膜的穩定性和機械性能[9]。由此可見，殼聚糖納米粒結構簡單、易于制備，且穩定性好，生物相容性高，對可食用膜具有增強作用。已有報道指出，殼聚糖納米粒可使膜基質變得更為緊密，提高膜的機械、阻隔性和熱穩定性[10]。目前的研究多集中在殼聚糖或多聚磷酸鹽的濃度或添加量對納米粒以及復合膜的影響上，而殼聚糖納米粒的粒徑大小對復合膜性能影響的相關研究很少。因此，本研究將殼聚糖納米載體技術應用于明膠膜，通過控制CSH和SBE-β-CD的質量比制備不同粒徑大小的殼聚糖納米粒，并研究其粒徑大小對復合明膠膜性能的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

殼聚糖鹽酸鹽（CSH），脫乙酰度 80%～90%，氯化物含量10%～20%，購自浙江金殼藥業股份有限公司;磺丁基-β-環糊精（SBE-β-CD），取代度50～8.0，含量 ≥ 98%，購自昆山瑞斯克化工原料有限公司;明膠、甘油，均購自中國醫藥（集團）上海化學試劑公司;水為去離子水。

1.2 儀器設備

電熱恒溫鼓風干燥箱，購自上海森信試驗儀器有限公司;電子分析天平，購自梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司;磁力攪拌器，購自德國IKA公司;ZetaPALS型Zeta電位及粒度分析儀，購自美國布魯克海文儀器公司;OCA15EC光學接觸角測量儀，購自德國德菲儀器股份有限公司;螺旋測微器，購自桂林廣陸有限公司;X射線衍射儀，購自德國布魯克AXS有限公司;傅立葉紅外光譜儀（Nicolet IS50 FT-IR），購自美國賽默飛世爾科技公司;差式掃描量熱儀，購自德國耐馳儀器制造有限公司;TA.XTPlus物性分析儀，購自源順國際有限公司;亞克力干燥箱，購自飛世爾試驗器材（上海）有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 不同粒徑殼聚糖鹽酸鹽-磺丁基-β-環糊精納米粒的制備 先配制濃度為1.0 mg/mL的CSH溶液，再分別稱取0.230、0.250、0.270、0.300、0.350、0.375 g的SBE-β-CD，各加入100 mL去離子水，攪拌至完全溶解。采用離子交聯法，將 5 mL 相應濃度的SBE-β-CD溶液逐滴緩慢加入到15 mL CSH溶液中，制得質量比分別為1.3/1、12/1、1.1/1、1.0/1、0.86/1和0.8/1的殼聚糖鹽酸鹽-磺丁基-β-環糊精納米粒（CSNs）。

1.3.2 殼聚糖納米粒粒徑的測定 將殼聚糖納米粒懸浮液稀釋100倍，取0.1 mL CSNs溶液，加入99 mL去離子水，混勻。依靠顆粒的穩定溶液體系，基于動態光散射原理，采用ZetaPALS型Zeta電位及粒度分析儀測定殼聚糖納米粒粒徑大小及其分布。樣品池體積2.5 mL，掃描次數為3，掃描時間2 min。

1.3.3 殼聚糖納米粒復合明膠膜的制備 參考文獻[6]的方法，采用溶液澆注法制膜。準確稱取 56 g 明膠，加入700 mL去離子水，在室溫下溶脹 1 h 后，于65 ℃下攪拌3～4 h，直至溶解，得到8%（w/v）的明膠溶液。隨后加入20%甘油（塑化劑），在磁力攪拌器上攪拌均勻。再將“1.3.1”節中得到的不同粒徑的殼聚糖納米粒懸浮液（質量比為 0.8/1、086/1、1.0/1、1.2/1）加入明膠-甘油溶液中，室溫下在磁力攪拌器上攪拌1 h，得到均勻的成膜溶液，最終在膜溶液中明膠的濃度為2%（w/v）。分別以去離子水、1.0 mg/mL CSH溶液和相應濃度的 SBE-β-CD溶液作為對照。殼聚糖納米粒復合明膠膜成膜溶液的配方如表1所示。最后將 40 mL 成膜溶液倒入10 cm×10 cm的方型塑料模具中，放入電熱恒溫鼓風干燥箱于45 ℃下干燥成膜。得到的膜材料儲存在濕度為53%的亞克力干燥箱中平衡約48 h后待測。

1.3.4 殼聚糖納米粒復合明膠膜的水分含量測定 將膜裁剪成尺寸為2 cm×2 cm的試樣，稱其初質量m0，將試樣放在105 ℃烘箱中干燥約24 h至恒質量m1，測定3組平行。按照下列公式（1）計算水分含量：

1.3.5 殼聚糖納米粒復合明膠膜的水蒸氣透過系數測定 參照American Society of Testing Materials（ASTM）（2004）的方法測量水蒸氣滲透率（WVP），將殼聚糖納米粒復合膜切成4 cm×4 cm的方塊，采用螺旋測微器測定膜上隨機5個點的厚度，取平均值。向透濕杯中加入10 mL去離子水，并用膜將杯口密封。測定密封好的透濕杯的初始質量m0，然后將杯放入裝有無水硅膠的干燥器中，以保持內外蒸氣壓差穩定，在干燥器中儲存72 h取出測質量m1。繪制質量變化-時間關系曲線，參照McHugh等提出的WVP值的修訂方法[11]計算水蒸氣透過系數（WVP），計算公式如公式（2）和（3）所示：

1.3.6 殼聚糖納米粒復合明膠膜的機械特性測定 按照國家標準GB/T 1040.3—2006《塑料 拉伸性能的測定 第3部分：薄膜和薄片的試驗條件》對膜材料進行力學性能測試。選擇均勻的薄膜裁剪成2 cm×8 cm的矩形，用螺旋測微器測定長條上隨機8個點的厚度，取平均值。采用TA.XTPlus物性分析儀測定膜的機械性能。初始夾具的距離為50 mm，拉伸速度0.5 mm/s。用公式（4）和（5）從應力（單位面積上所承受的附加內力）對應變（線段單位長度內的形變）的曲線圖中計算抗拉強度（TS）和斷裂伸長率（EB）：

1.3.7 殼聚糖納米粒復合明膠膜熱性能的測定 采用差式掃描量熱儀測定復合明膠膜的相關熱性能，選用鋁坩堝，準確稱取樣品質量4～5 mg，密封好[6]。測試以氮氣作為吹掃氣，流量為30 mL/min，保護氣流量70 mL/min，測試溫度范圍-10～150 ℃，升溫速率為10 ℃/min。第1次掃描完成后，樣品冷卻至-10 ℃，再進行第2次掃描，以空坩堝為參比。

1.4 試驗地點及時間

試驗地點為江南大學膠體試驗室;試驗時間為2019年9—11月。

1.5 數據處理

使用OriginPro 2017和SPSS 19.0軟件分析所得數據和作圖，結果以平均值±標準差形式表示，做3次平行。對數據進行單向方差分析（ANOVA），用鄧肯多重范圍檢驗來確定平均值的顯著差異（P<0.05）。

2 結果與分析

2.1 殼聚糖鹽酸鹽-磺丁基-β-環糊精納米粒的制備分析

采用離子交聯法，選用水溶性的CSH和SBE-β-CD為基體，通過調整CSH/ SBE-β-CD的質量獲得不同粒徑的殼聚糖納米粒（CSNs）。所得的納米粒懸液如圖1-a所示，隨著CSH/SBE-β-CD質量比的降低，CSNs懸液由半透明變為乳白色。磺丁基-β-環糊精中央疏水空腔，而環外側是親水的，作為一種可溶于水的陰離子型環糊精衍生物，可與帶正電荷的CSH產生更強烈的離子相互作用，可以非常有效地包埋在納米顆粒中，占納米顆粒總組分的50%以上[12]。經試驗發現，只有對特定比例的CSH和 SBE-β-CD或者在特定濃度的 SBE-β-CD情況下才會形成穩定的納米粒懸浮液。當質量比低至0.7/1時，形成沉淀或納米粒子在分離后難以懸浮穩定。這可能是由于納米粒過度聚集，易出現絮狀沉淀物[13-14]，即形成了較大粒子。

不同質量比的CSNs的粒徑大小如圖1-b所示，CSNs粒徑隨著CSH/ SBE-β-CD質量比下降而增大，這與納米粒懸浮液表現的渾濁現象一致。當CSH/SBE-β-CD質量比較高時（SBE-β-CD的可用量較小），SBE-β-CD可能主要通過與CSH產生分子內和分子間交聯作用形成小的單顆粒。隨著CSH/SBE-β-CD質量比的下降，SBE-β-CD的可用量相應地增加，并且多余的SBE-β-CD將連接單顆粒以形成更大的納米顆粒，這也可以從CSNs的粒徑變化得以證實。在CSH/SBE-β-CD質量比分別為1.2/1、1.0/1、0.86/1、0.8/1時，殼聚糖納米粒粒徑分別在150、200、300、400 nm左右，差異較明顯，因此選用這4組殼聚糖納米粒懸液來制備納米粒復合明膠膜，以探究不同納米粒粒徑對復合明膠膜相關性能的影響。

2.2 殼聚糖納米粒復合明膠膜的基本物理特性分析

如表2所示，向明膠中單獨加入CSH或SBE-β-CD或加入CSNs均會使明膠膜的水分含量顯著下降（P<0.05）。而對于不同粒徑大小的殼聚糖納米粒，在CSNs粒徑約為219.8 nm時，復合膜水分含量下降最為明顯。這可能是因為Gel/SBE-β-CD質量比為1.0/1時形成的納米粒較為穩定，納米粒易與明膠分子的親水部分相互作用，形成更為致密的網絡結構，從而使可食用膜的水分含量下降[15]。與單獨加入CSH溶液或SBE-β-CD溶液相比，CSNs的緊湊結構允許它們在聚合物基體中占據更多的自由體積，并因此減少更多的水分含量。此外，CSNs形成的致密結構也會使原本CSH分子上的羥基較少地暴露在水分子中。

水分在食物與環境之間以及食物和食物之間的轉移對食品的保存至關重要。增塑劑的添加（甘油）有利于水分子的吸附和解吸，并增加聚合物分子的鏈間間距，最終形成透水性更高的膜材料[16]。由表2可知，明膠膜的水蒸氣阻隔性能較差，其WVP值較高，為3.40 g/（m·h·Pa）。而CSNs的加入會使膜的WVP值降低，這可能是由于納米粒子具有更有效地占據多孔膜基質空隙的能力，減少高分子鏈間的相互作用[17]，含有CSNs的膜所形成的緊密結構使水分子的擴散滲透途徑更加困難，因此降低了復合膜的WVP值。此外，在薄膜基體中納米顆粒以不連續的方式存在，顆粒會阻止聚合物分子鏈的流動性，所以在納米顆粒誘導下聚合物鏈間遷移率的降低可以正面影響復合可食用薄膜的WVP值。在CSNs粒徑約為219.8 nm時，復合膜對水蒸氣的阻隔性能有明顯改善，這與水分含量的顯示結果相一致，該質量比下形成的納米粒粒徑較小且穩定，其緊湊結構阻礙了水分的擴散。

SBE-β-CD的添加會使明膠膜的WVP值顯著增大。這可能是由于SBE-β-CD為陰離子化合物， 其濃度增大時，離子強度也增大，會阻礙明膠分子的有序排列，使復合可食用膜的分子內部結構變得松散，網孔增大[13]，從而使WVP值變大。

2.3 殼聚糖納米粒復合明膠膜的機械性能分析

可用抗拉強度（TS）和斷裂伸長率（EB）來表征可食用膜的機械性能，抗拉強度指材料在拉斷前承受的最大應力值，即表征材料均勻塑性變形的抗力;斷裂伸長率可用來衡量薄膜在未斷裂時的延伸能力[10]。明膠膜和殼聚糖納米粒復合膜的力學性能如表3 所示，通過對比發現，加入CSH的復合膜的抗拉強度顯著提高，這可能是由于殼聚糖分子的羥基和氨基含量較高，容易與明膠分子的側鏈基團以氫鍵結合，形成強的分子間的相互作用[16]。而加入CSNs后，尤其在納米粒的粒徑為219.8 nm左右時，復合膜的抗拉強度顯著增大，增大約32%。因此CSNs的復合可以增加明膠膜的抗拉性能，使膜材料更加堅硬。膜的斷裂伸長率隨著CSNs粒徑的增大而增大，表明膜材料的韌性提高。復合膜的力學性能與薄膜基質中聚合物鏈分子內和分子間相互作用的強度和分子分布密切相關。上述結果表明，CSN顯著提高明膠膜的斷裂伸長率，且粒徑越大效果越明顯[15]。

2.4 殼聚糖納米粒復合明膠膜的熱特性分析

采用差式掃描量熱儀（DSC）測定殼聚糖納米粒復合膜的熱性能，本試驗中采用2次升溫，第1次掃描結果如圖2所示，所有的膜樣品升溫時均在80 ℃左右出現1個吸熱峰，這主要是結晶熔融吸熱導致的。DSC曲線上只有1個吸熱峰也可說明體系內的物質相容性較好[18]。

此外，在加熱過程中，復合膜內水分的散失也可能導致50～100 ℃的溫度范圍內形成相應的吸熱峰[19]。如表4所示，加入粒徑200～300 nm的CSNs后，峰值溫度明顯提升，在粒徑為219.8 nm時達最大，約提升了10 ℃。說明合適粒徑的CSNs可明顯提高明膠膜的熱穩定性。

通過第2次加熱掃描可獲得復合膜的玻璃化轉變溫度（TG），結果如圖3、表5所示。聚合物的TG是指高分子鏈凍結后在升溫時被解凍時的溫度，采用DSC法測定TG，隨著溫度逐步提升，當到達TG時，DSC曲線會向吸熱方向移動[20]，呈現較明顯的轉折，即進行玻璃態區到彈性態區的轉變。由圖3可知，當各復合膜在DSC熱分析圖上只出現1個TG值時，說明各聚合物互溶形成了均一共混物。

由表5可知，向明膠溶液中摻入粒徑大小 200～300 nm的殼聚糖納米粒后，復合膜的TG升高，這說明該粒徑大小的CSNs可以顯明提高復合膜的耐熱性，而粒徑較大時不能提高膜的耐熱性，這可能是由于大尺寸的CSNs會阻礙薄膜緊湊結構的形成。CSH的添加雖然顯著提升了明膠膜的機械強度，但未能改善其熱穩定性。

3 討論與結論

本研究通過控制CSH/SBE-β-CD質量比制備出不同粒徑大小的CSNs（161.8、219.8、300.2、404.6 nm）。在一定范圍內，CSH/SBE-β-CD質量比越低，納米顆粒粒徑越大。復合CSH、SBE-β-CD和不同粒徑的CSNs后，明膠膜各特性有一定的改善。其中CSNs的添加雖然明顯改變膜的厚度，但可能填充了膜基質中的孔洞，抑制原有分子鏈的移動，從而有效改善膜的機械性能和阻隔性能;CSNs可與明膠分子側鏈基團相互作用，使膜的網絡結構更加致密，阻礙水分子的擴散，從而使復合膜的水分含量降低，同時也降低了其水蒸氣透過系數。同時，CSNs對明膠膜的熱穩定性有明顯的改善效果。當CSNs粒徑為219.8 nm時對膜相關性能的改善效果最為明顯，其抗拉強度提升了約32%，TG增大了約 1 ℃，而粒徑為161.8、404.6 nm時對明膠膜特性的改善效果不明顯。本研究對明膠膜多種性能的改善和應用范圍的擴大具有重要意義。

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