檸檬酸改性聚乙烯醇淀粉復合膜的結構及性能研究

（東北林業大學 工程技術學院，哈爾濱 150040）

0 引言

聚乙烯醇（Polyvinyl alcohol，PVA）是一種環境友好型的高分子聚合物，具有無色、無毒、無腐蝕性，可生物降解。PVA成膜性、生物相容性好，機械性能（較高的強度及拉伸、撕裂和沖擊性能）、印刷適性好并且氣體阻隔性高，因此在包裝、生物醫藥等領域廣泛應用［1］。但是，聚乙烯醇的羥基數目過多，導致水溶性高，用于制備薄膜后會存在易吸水、易受環境濕度影響等缺點，導致機械性能和阻隔性等變差，因此使其應用范圍受到了一定限制。淀粉（Starch），是一類天然多糖類高聚物，主要是由葡萄糖分子聚集形成的，為碳水化合物極其常見的儲存方式［2］。淀粉來源廣泛，自然界中的儲量豐富并且純天然、安全無毒、可再生、生物相容性好，是食品中成膜的理想原料，而且可降解，對環境友好［3］。但是，淀粉膜也存在一些缺點，如親水性、機械性能較差而且容易老化，使其應用受到了一定程度的限制。為了改善聚乙烯醇膜和淀粉膜的性能，擴大兩者的應用范圍，研究者通過不同性質互補的材料共混改性等方法進行操作來彌補單一薄膜的不足［4］。Bhanu等［5］制備了淀粉/聚乙烯醇/纖維素三元復合膜，研究表明添加的纖維素顯著提高了復合膜的拉伸強度、伸長率、溶脹度和生物降解性。張小雪等［6］制備了羧甲基纖維素/聚乙烯醇/納米二氧化硅共混膜，研究表明相對于聚乙烯醇單元膜，共混膜的拉伸強度有所提高但親水性也增加了。Liu等［7］將PVA與淀粉共混作為成膜基材，花青素和檸檬烯二者混合作為指示劑，制備新鮮度指示膜。Yan等［8］將火龍果提取物加入淀粉/聚乙烯醇中制備活性智能包裝膜用作蝦的新鮮度檢測。另外，將淀粉與高聚物聚乙烯醇混合制備的成膜材料具有增強疏水性的特性［9］。張蓉佳等［10］制備了聚乙烯醇/淀粉膜，研究表明聚乙烯醇可以提高復合膜的拉伸強度，淀粉的存在可以提高其熱穩定性以及儲能模量。

檸檬酸作為一種無毒且易溶于水和乙醇的可食用抗氧化劑，同時具有很好的抑菌效果。將檸檬酸與聚乙烯醇和淀粉共混，獲得一種綜合性能優異的復合膜。本文以聚乙烯醇作為成膜基材混合一定比例的淀粉，通過添加不同比例（質量比）的檸檬酸制備一種聚乙烯醇淀粉復合膜。圍繞檸檬酸對復合膜的改性效果展開研究，并對復合膜的微觀組織結構、含水率、水蒸汽透過率、力學性能、光學性能和抑菌性能等進行研究，最終找出最佳檸檬酸在聚乙烯醇淀粉復合膜中的添加比例。為聚乙烯醇淀粉基復合膜在防腐保鮮包裝領域的推廣應用提供一定的理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

可溶性淀粉（天津市恒興化學試劑制造有限公司）；聚乙烯醇（天津市光復精細化工研究所）；檸檬酸（天津市永達化學試劑有限公司）；1，1-二苯基-2-苦肼基（DPPH）（美國Sigma-Aldrich公司）；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

90-4數顯控溫磁力攪拌器（上海振捷實驗設備有限公司）；FA2004B電子天平（上海舜宇恒平科學儀器有限公司）；SB-800D超聲波清洗機（寧波新芝生物科技股份有限公司）；B260恒溫水浴鍋（上海亞榮生化儀器廠）；BSY-200T直立式多功能粉碎機（永康市鉑歐五金制品有限公司）；HWS-250B恒溫恒濕干燥箱（天津市泰斯特儀器有限公司）；SDH-25055GT臺式鼓風干燥箱（上海島純實業有限公司）；WGT-S透光率/霧度測定儀（上海儀電物理光學儀器有限公司）；LD-05電腦測控拉力試驗機（長春市月明小型試驗機有限責任公司）；X' Pert3 Powedr X射線衍射儀（荷蘭帕納科）；傅立葉變換紅外光譜儀（FRONTIER，PerkinElmer公司）；JSM-7500F掃描電子顯微鏡（日本電子株式會社）。

1.3 方法

1.3.1 聚乙烯醇溶液和淀粉溶液的制備

稱取一定量聚乙烯醇添加到適量蒸餾水中，在95 ℃水浴條件下磁力攪拌1 h使其完全溶解，得到質量分數為2%的聚乙烯醇溶液；稱取一定量淀粉添加到適量蒸餾水中，在85 ℃水浴條件下磁力攪拌30 min使其糊化，得到質量分數為2%的淀粉溶液。

1.3.2 聚乙烯醇淀粉膜的制備

將淀粉溶液添加到聚乙烯醇溶液中，淀粉添加量為25%（聚乙烯醇質量比），待溶液溫度降至65 ℃時，加入不同質量分數的檸檬酸溶液（A:0%，B:2%，C:4%，D:6%，E:8%，F:10%），然后在65 ℃下磁力攪拌反應1 h，使檸檬酸、淀粉和聚乙烯醇三者混合均勻。再使用超聲波清洗機脫氣。最后將脫氣后的混合溶液緩慢流延在培養皿中，于室溫干燥24 h后揭取成膜。得到不含檸檬酸的聚乙烯醇淀粉膜（PSC0）、含有2%檸檬酸的聚乙烯醇淀粉膜（PSC2）、含有4%檸檬酸的聚乙烯醇淀粉膜（PSC4）、含有6%檸檬酸的聚乙烯醇淀粉膜（PSC6）、含有8%檸檬酸的聚乙烯醇淀粉膜（PSC8）、含有10%檸檬酸的聚乙烯醇淀粉膜（PSC10）。

1.3.3 復合膜XRD測試

使用荷蘭帕納科的X' Pert3 Powedr 型自動X射線衍射儀對薄膜樣品進行測試掃描，掃描范圍：5°～60°，波長：15.4 nm，電壓為 40 kV，掃描速度：5°/min。

1.3.4 復合膜FTIR測試

使用PerkinElmer公司的frontier 型傅里葉交換紅外光譜儀，對薄膜樣品采用全反射法進行掃描測定，掃描范圍是4 000～500 cm-1。

1.3.5 復合膜SEM測試

使用QUANTA200掃描電子顯微鏡對薄膜樣品表面及斷面進行觀察。

1.3.6 復合膜厚度測試

使用數顯千分尺對薄膜厚度進行測試。

1.3.7 復合膜含水率測試

將質量為M1（g）的薄膜放入鼓風干燥箱中，在105 ℃下烘干至恒質量，然后取出薄膜稱量的質量為M2（g），每種薄膜的3個平行樣品的平均值作為薄膜的含水率。按照公式（1）算含水率（moisture content，MC）：

1.3.8 水蒸汽透過率測試

參照文獻［11］的方法測試薄膜的水蒸汽透過系數。

1.3.9 復合膜力學性能測試

使用LD-05型拉伸電腦測控拉力試驗機對薄膜進行拉伸測試試驗。根據GB/T 1040.2—2006“塑料拉伸性能的測定”中的方法進行測試。

1.3.10 復合膜光學性能測試

使用透光率/霧度測定儀對薄膜進行透光率和霧度測試，根據國家標準GB2410-2008《透明塑料透光率和霧度的測定標準》及美國材料實驗協會標準ASTM D1003-61《Standard Test Method for Haze and Luminous Transmittance of Transparent Plastics》中的方法進行測試。

1.3.11 復合膜抑菌性能測試

采用抑菌圈法對薄膜進行抑菌性測試。參照GB/T 20944.1—2007［12］，選用大腸桿菌和金黃色葡萄球菌測試薄膜的抑菌性。

2 結果與討論

2.1 復合膜的XRD分析

圖1為檸檬酸改性聚乙烯醇淀粉膜的XRD圖譜。由圖可見，加入檸檬酸后，聚乙烯醇淀粉膜并未出現新的衍射峰，產生新的晶型只是添加檸檬酸的聚乙烯醇淀粉膜的晶態衍射峰強度相對于未添加檸檬酸的聚乙烯醇淀粉膜有所增加，表明復合膜的晶型并未改變。在2θ=19.4°均出現了較強的特征衍射峰，19.4°處為聚乙烯醇的晶態衍射峰［13］，表明共混物中聚乙烯醇的衍射圖譜占主導地位。此外，未出現淀粉的衍射峰可能是與聚乙烯醇混合過程中，由于糊化作用而破壞了淀粉顆粒的晶體結構，也可能是聚乙烯醇強烈抑制了淀粉的晶體結構［14］。檸檬酸的加入，提高了聚乙烯醇淀粉膜的相容性，使晶態衍射峰的強度有所增加，結晶度提高。

圖1 檸檬酸改性聚乙烯醇淀粉膜的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of polyvinyl alcohol and starch composite films modified by citric acid

2.2 復合膜的FTIR分析

圖2為檸檬酸改性聚乙烯醇淀粉復合膜的FTIR圖譜。由圖可見，添加檸檬酸后薄膜沒有出現新的特征峰，僅表現為特征峰有所偏移，說明檸檬酸與聚乙烯醇淀粉是物理結合。復合膜在3 256 cm-1處的吸收峰為-OH的伸縮振動，在2 937 cm-1處的吸收峰為-CH的對稱收縮，在1 421 cm-1處吸收峰為CH-OH 的彎曲振動，在1 095 cm-1處吸收峰為C=O的伸縮振動［10］。添加檸檬酸后，因為分子間的氫鍵作用，使薄膜的特征峰有所偏移。-OH伸縮振動的吸收峰轉移在3 275 cm-1左右，且峰值處伸縮振動有所減弱；CH-OH彎曲振動的吸收峰轉移到1 418 cm-1處；1 085 cm-1處吸收峰為C=O的伸縮振動，也有可能是檸檬酸中的酯鍵、羧基和C=O的伸縮振動所致［15］。

圖2 檸檬酸改性聚乙烯醇淀粉復合膜的FTIR圖譜Fig.2 FTIR patterns of polyvinyl alcohol and starch composite films modified by citric acid

2.3 復合膜的SEM分析

圖3為檸檬酸改性聚乙烯醇淀粉復合膜的表面SEM圖。

圖3 檸檬酸改性聚乙烯醇淀粉復合膜的表面SEM形貌Fig.3 SEM micrographs of polyvinyl alcohol and starch composite films modified by citric acid

圖中3a、3b、3c、3d、3e、3f分別為0%、2%、4%、6%、8%和10%檸檬酸含量的聚乙烯醇淀粉膜。由圖可見，薄膜的表面都較為光滑，沒有孔洞，沒有明顯裂痕。未添加檸檬酸的聚乙烯醇淀粉膜發現少量粒徑較大的顆粒；2%檸檬酸的聚乙烯醇淀粉膜有少數的粒徑較小的顆粒，其顆粒遠小于未加檸檬酸的薄膜；4%、6%和8%檸檬酸的聚乙烯醇淀粉膜表面光滑，分布均勻無明顯粒徑大的顆粒存在；10%檸檬酸的聚乙烯醇淀粉膜出現了粒徑大小位于0%和2%檸檬酸薄膜之間的顆粒，并且出現了團聚現象。分析原因，可能是大分子的淀粉在水中并不能和聚乙烯醇完全相容，所以未加檸檬酸的薄膜存在粒徑較大的顆粒；檸檬酸的加入提高了聚乙烯醇和淀粉的相容性，因此加入檸檬酸的薄膜表面分布較均勻；但是檸檬酸含量較多會由于檸檬酸溶解不充分導致薄膜出現較大顆粒。綜上分析，檸檬酸改善了聚乙烯醇和淀粉的相容性。

圖4為檸檬酸改性聚乙烯醇淀粉復合膜截面SEM圖。

圖4 檸檬酸改性聚乙烯醇淀粉復合膜的截面SEMFig.4 SEM cross-sectional micrographs of polyvinyl alcohol and starch composite films modified by citric acid

由圖可見，復合膜斷面結構不規則，但無明顯氣孔、斷痕和分層現象。斷面的不規則性是一些半結晶結構的典型特點，與聚合物鏈的某些鏈段的有序排列有關，因此聚乙烯醇的存在使薄膜的斷面具有不規則性。聚乙烯醇淀粉膜的斷面明顯看出聚乙烯醇的網狀結構，存在少許的顆粒；由于淀粉容易聚集而且聚乙烯醇和淀粉在水中并不能完全相容，聚乙烯醇和淀粉之間發生了微相分離。因此薄膜的斷面顯示出結晶相和非晶相的兩相共存，與 CANO A I等［16］對 PVA/淀粉的斷面形貌分析一致。隨著檸檬酸的加入，薄膜的斷面更加平整、規則性和相分離現象有所改善，這說明檸檬酸與聚乙烯醇淀粉膜相容性較好。當檸檬酸的含量為4%時，薄膜的斷面光滑平整、無顆粒存在，結構緊密；隨著檸檬酸含量的繼續增加，薄膜斷面的不規則結構、微相分離現象增加，導致相容性變差。

此外，樣品膜的厚度在24～25 μm之間，說明檸檬酸對聚乙烯醇淀粉膜的厚度基本沒影響，而且薄膜的厚度可精確控制，誤差在1 μm左右。

2.4 復合膜的含水率分析

不同質量分數的檸檬酸改性聚乙烯醇淀粉復合膜的含水率分別為：15.34%（PSC0）、10.58%（PSC2）、10.42%（PSC4）、3.17%（PSC6）、4.58%（PSC8）、2.36%（PSC10）。不含檸檬酸的聚乙烯醇淀粉膜的含水率最高，為15.34%；檸檬酸含量為10%的聚乙烯醇淀粉膜含水率最小，為2.36%，比未加檸檬酸的薄膜減少了12.98%。分析認為，含水率減小的原因可能是檸檬酸分子上存在羥基和羧基，它們在聚乙烯醇和淀粉分子之間形成了更多的氫鍵，從而限制了薄膜與水分子間的交聯，使得含水率顯著降低。

2.5 復合膜的水蒸汽透過率分析

圖5為檸檬酸改性聚乙烯醇淀粉復合膜的水蒸汽透過率。

圖5 檸檬酸改性聚乙烯醇淀粉復合膜的水蒸汽透過率Fig.5 The water vapor transmittance of polyvinyl alcohol and starch composite films modified by citric acid

由圖可見，含檸檬酸的聚乙烯醇淀粉膜的水蒸汽透過率相對于聚乙烯醇淀粉膜的水蒸氣透過率均有所減少，隨著檸檬酸含量的增大而減少，減少趨勢有所降低。未添加檸檬酸，薄膜的水蒸汽透過率為 6.205×10-11g/m·s·Pa；檸檬酸含量為10%時，水蒸汽透過率最小，為2.169×10-11g/m·s·Pa，同比降低了 65.04%。因此證明，檸檬酸的加入提高了薄膜的阻水性。這可能是因為檸檬酸分子上存在羥基和羧基，它們在聚乙烯醇和淀粉分子之間形成氫鍵發生交聯作用，使薄膜結構更加致密，水分的通過受到了阻礙減少了水分透過量，從而薄膜的水蒸氣透過率降低［17-18］。張燕等［189］的研究得到了相似研究結果：檸檬酸的加入降低了PVA薄膜的水蒸汽透過率。

2.6 復合膜的力學性能分析

不同質量分數的檸檬酸改性聚乙烯醇淀粉復合膜的拉伸強度分別為：40.8702 MPa（PSC0）、38.8734 MPa（PSC2）、37.6156 MPa（PSC4）、37.4578 MPa（PSC6）、37.1840 MPa（PSC8）、36.5786 MPa（PSC10）。檸檬酸的加入降低了聚乙烯醇淀粉膜的拉伸強度且隨著加入檸檬酸含量的增加，聚乙烯醇淀粉膜的拉伸強度不斷下降，且最大下降了10.50%。分析認為，由于在共混過程中檸檬酸減少了聚乙烯醇和淀粉大分子之間的相互作用［18］。相互作用的減少可能是因為檸檬酸分子上存在羥基和羧基，它們在聚乙烯醇和淀粉分子之間形成氫鍵，破壞了聚乙烯醇和淀粉分子之間的結構導致拉伸強度降低。與Bhanu等對PVA/淀粉復合膜的力學性能分析結果相類似。

不同質量分數的檸檬酸改性聚乙烯醇淀粉復合膜的斷裂伸長率分別為：19.5442%（PSC0）、19.7190%（PSC2）、20.0742%（PSC4）、30.1902%（PSC6）、38.0758%（PSC8）、42.1358%（PSC10）。隨著檸檬酸含量的增加薄膜的斷裂伸長率隨著增加，當檸檬酸含量為10%時，復合膜的斷裂伸長率最高增加了22.59%。這是因為加入檸檬酸后，提高了聚乙烯醇淀粉膜相容性減弱了淀粉脆性大對薄膜的影響提高了薄膜的柔韌性；但隨著檸檬酸含量的增加，進一步破壞聚乙烯醇淀粉膜的交聯結構，可以較好地提高薄膜的柔韌性。綜合分析，檸檬酸含量為6%和8%時聚乙烯醇淀粉膜的整體力學性能較好。

2.7 復合膜的光學性能分析

不同質量分數的檸檬酸改性聚乙烯醇淀粉復合膜的透光率分別為：90.90%（PSC0）、90.64%（PSC2）、90.60%（PSC4）、90.42%（PSC6）、90.52%（PSC8）、90.88%（PSC10）。聚乙烯醇淀粉膜的透光率隨著檸檬酸含量的增加而下降。但是薄膜的透光率相差不大，基本上都在90.6%左右，并且均符合包裝薄膜的透光率大于80%的要求。由此說明，檸檬酸對聚乙烯醇淀粉膜的透光率影響較小。

不同質量分數的檸檬酸改性聚乙烯醇淀粉復合膜的霧度分別為：12.362%（PSC0）、19.882%（PSC2）、12.814%（PSC4）、17.604%（PSC6）、14.660%（PSC8）、13.192%（PSC10）。 隨 著 檸檬酸含量的增加，聚乙烯醇淀粉膜的霧度隨之增加，并且薄膜的霧度都小于30%，同樣也符合包裝薄膜的要求。霧度增加的原因可能是檸檬酸增加了聚乙烯醇淀粉的相容性，使淀粉更均勻的分散在聚乙烯醇中，淀粉顆粒的存在增加了薄膜的霧度。

2.8 復合膜的抑菌性分析

圖6為檸檬酸改性聚乙烯醇淀粉復合膜的大腸桿菌抑菌圈。由圖可見，當未添加檸檬酸時，聚乙烯醇淀粉膜不具有抑菌性，加入檸檬酸后，復合膜能明顯抑制大腸桿菌的生長。隨著檸檬酸含量的增加，復合膜對大腸桿菌的抑菌性先增大后減小。該結果與張燕研究的檸檬酸抑菌結果相一致。當檸檬酸含量為6%時，抑菌圈直徑最大，為6.54 mm。分析認為，添加檸檬酸后的復合膜具有抑菌性，可能是因為檸檬酸改變了培養基的pH，破壞了菌種生長繁殖的適宜環境。也有可能是因為檸檬酸與細菌的細胞膜產生了離子結合，影響了蛋白質的合成，破壞了細胞膜的生成，從而抑制了細菌繁殖［20］。

圖6 檸檬酸改性聚乙烯醇淀粉復合膜的大腸桿菌抑菌圈Fig.6 The bacteriostatic circle of escherichia coli of polyvinyl alcohol and starch composite films modified by citric acid

3 結論

（1）XRD結果表明添加檸檬酸并未改變聚乙烯醇淀粉膜的晶型結構。當檸檬酸含量在4%以上，膜層晶態衍射峰的強度顯著增強。同時，紅外光圖譜中也沒有出現新的特征峰［21］，表明檸檬酸與聚乙烯醇淀粉之間是物理結合。

（2）添加少量的檸檬酸使復合膜的表面分布更加均勻平整，顆粒孔徑較小；斷面結構更加規則、致密。

（3）隨著檸檬酸含量的增加，復合膜的含水率和水蒸氣透過率逐漸降低。當檸檬酸含量為10%時膜層含水率最低、水蒸氣透過率最小。復合膜拉伸強度逐漸減小、斷裂伸長率逐漸增加。當檸檬酸含量為10%時，聚乙烯醇淀粉膜的拉伸強度最小，斷裂伸長率最高。

（4）檸檬酸的添加對薄膜的透光率影響較小；而霧度隨著檸檬酸含量的增加而提高。復合膜的透光率在90%以上，霧度在20%以下。

（5）檸檬酸的添加使復合對大腸桿菌具有良好的抑菌性。隨著檸檬酸含量的增加，復合膜對大腸桿菌的抑菌圈先增大后減小。當檸檬酸添加量為6%時，大腸桿菌的抑菌圈可達6.54 mm。

（6）檸檬酸的添加量為6%時的改性聚乙烯淀粉復合膜綜合性能最佳。