聚乙烯醇/殼聚糖/芒果皮提取物復合膜的制備與表征

成 軍，劉 群，高亞惠，張玉蒼,

（1.海南大學化學工程與技術學院，海南海口 570228；2.集美大學食品與生物工程學院，福建廈門 361021）

芒果是世界第二大熱帶水果，據聯合國糧農組織（FAO）統計，2018 年世界芒果產量達5538 萬噸，并以6%左右的速度逐年增長。芒果皮占鮮果質量的15%～20%[1]，是芒果加工行業主要的廢棄物之一。研究表明，芒果皮中含有大量多糖化合物[2]、酚類化合物、類胡蘿卜素和類黃酮[3]等，具有抗菌[4]、抗氧化[5]、抗癌[6]和免疫調節[7]等作用。目前，芒果皮提取物（MPE）的制備主要采用水蒸氣蒸餾[8]、溶劑萃取[9]、超聲輔助萃取[10]等，但是提取工藝復雜、耗時長、產率低。因此，芒果皮主要還是被簡單處理后丟棄，或用于堆肥、飼料等[11]，不僅造成了資源的浪費，也帶來了環境問題。

研究發現，將MPE 添加至薄膜材料中，可以賦予薄膜抗菌、抗氧化等功能[12?14]，但薄膜較差的機械性能以及石油基薄膜材料難降解的特性限制了其應用。聚乙烯醇（PVA）是一種可由非石油原料大規模生產的高分子材料，具有優異的機械性能、生物相容性和氣體阻隔性[15]，被廣泛應用于醫用、薄膜材料行業。但是PVA 薄膜沒有抗菌抗氧化等生物活性，且耐水性差、降解時間長，直接應用于食品包裝效果較差[16]。

殼聚糖（CS）是由甲殼素脫乙酰基制備的衍生物，來源豐富[17]，具有良好的生物相容性、抗菌性和生物降解性[18]。有報道稱，PVA 與CS 之間可形成氫鍵，兩者共混有望改善PVA 的降解性與CS 的脆性[19]，同時，檸檬酸作為一種含有多羥基的天然有機酸，不僅可以作為酸溶解CS，還可以對PVA 進行復合改性，提升薄膜的各項性能[20?21]。

我國作為第二大芒果產量國，每年產生大量的芒果皮廢棄物，但是對于芒果皮廢棄物的高值化利用，研究卻較少，制備成薄膜材料的報道更少。因此，本文采用微波法高效制備了MPE，將MPE 與PVA，CS 共混，制備了PVA/CS/MPE 復合膜，對復合物的理化性能進行了系統性研究，并探討了MPE 和不同酸（檸檬酸、冰醋酸）對復合膜性能的影響，以期為芒果皮廢棄物的高值化利用提供一定的參考。

1 材料和方法

1.1 材料與儀器

聚乙烯醇1799 型、3-氧代-2-苯基-4,4,5,5-四甲基咪唑啉-1-氧（PTIO）、無水檸檬酸（CA,≥99.5%） 分析純，上海阿拉丁試劑有限公司；殼聚糖 脫乙酰度≥95%，上海麥克林生化科技有限公司；乙酸乙酯、無水乙醇、冰醋酸（AAG） 分析純，廣東光華科技股份有限公司；蛋白胨、瓊脂粉、牛肉浸膏 生化試劑，上海生物工程股份有限公司；大腸埃希菌、金黃色葡萄球菌 上海魯微科技有限公司；芒果皮 取自海南某市場。

GPS-1000C 型微波反應裝置 日本EYELA 公司；SB-3200 DTD 超聲波清洗機 中國寧波新芝生物技術公司；Nicolet iS10 型傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR） 美國Nicolet 公司；3340 型萬能拉力試驗機 美國Instro 公司；UV3600 plus 型紫外分光光度計 日本Shimadzu 公司；SU8020 型掃描電子顯微鏡（SEM） 日本HITACHI 公司；STA 449 F3 Jupiter型熱重分析儀 德國NETZSCH 公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 MPE 的制備

1.2.2 芒果皮粉末的制備 選取新鮮無蟲害的芒果皮，清洗干凈，放入60 ℃恒溫烘箱里干燥24 h，干燥后放入高速多功能粉碎機中粉碎，過篩至60 目，然后將芒果皮粉末密封在儲物瓶中，置于干燥器中避光保存。

1.2.3 不同工藝對MPE 提取率的影響 在覃麗儉[22]對芒果皮中多糖、多酚和類黃酮活性物質的提取工藝基礎上進行優化。將無水乙醇和乙酸乙酯（v:v=3:1）加入燒瓶中，然后加入一定量制備好的芒果皮粉末，充分搖勻。為探究超聲和微波對提取率的影響，以普通攪拌提取作為對照（35 ℃，500 r/min，4 h）；超聲輔助提取采用先將混合液超聲處理（35 ℃，59 kHz，2 h），然后繼續攪拌（35 ℃，500 r/min，2 h）；微波提取則使用低轉數和短時間進行比較（35 ℃，300 r/min，1 h）。提取后的混合物使用過量無水乙醇進行洗滌，并用布氏漏斗對其過濾，濾液于60 ℃下旋轉蒸發去除乙醇和乙酸乙酯得到MPE。提取殘渣在60 ℃真空干燥箱干燥24 h 至恒重，提取率按公式(1)進行計算：

式中，M 表示提取殘渣質量，g；M0表示芒果皮粉末原料質量，g。

1.3 PVA/CS/MPE 復合膜的制備

在裝有攪拌子、冷凝管的燒瓶中，按照表1 中的配比，加入PVA、CS、AAG 或CA 以及去離子水，加熱至94 ℃后攪拌2 h，待PVA 完全溶解后，降溫至70 ℃，再加入0.5 g MPE，恒溫攪拌2 h 至共混液充分混勻。取50 g 共混溶液倒入玻璃板中，流延均勻后于室溫下靜置至凝固，然后轉移到40 ℃電熱恒溫干燥箱中，12 h 后得到均一的薄膜樣品，各種共混膜命名及配比如表1 所示。將制備的薄膜在25 ℃，相對濕度為40%±5%下放置3 d 后，再分析測試各項性能。

表1 復合膜的原料配比Table 1 Raw material ratio of composite film

1.4 復合膜的表征

1.4.1 復合膜的厚度 按照國標《塑料薄膜和薄片厚度測定-機械測量法》（GB/T6672-2001）測定。取完整均勻復合膜，使用精度為0.001 mm 的測厚儀在薄膜隨機取7 個點，測定其厚度，計算平均值、標準差。

1.4.2 FT-IR 分析 采用溴化鉀壓片法（MKBr:MMPE=100:1）對MPE 進行紅外分析，薄膜采用配有ATR附件的傅里葉變換紅外光譜儀進行掃描。掃描波數為500～4000 cm?1，分辨率為4 cm?1，掃描次數為32 次。

1.4.3 復合膜透明度測試 取硫酸鋇充填積分球，先測背景峰，然后將薄膜樣品壓平到硫酸鋇表面，用漫反射方法測量紫外光譜，測量范圍200～800 nm，步長1 nm。按照式（2）計算薄膜在600 nm 處的不透明度[23]。

式中，Abs 為薄膜在600 nm 處的吸光度，X 為薄膜的厚度，mm。

1.4.4 SEM 分析 使用液氮對復合膜進行脆斷，然后對斷面噴金處理后，使用掃描電鏡對復合膜脆斷面進行微觀形貌分析。

1.4.5 力學性能測試 按照國標《塑料拉伸性能的測定》（GB/T 1040.3-2006）測定。薄膜樣品被裁剪成長75 mm，寬4 mm 的啞鈴型，測試夾具間距50 mm，拉伸速度為50 mm/min。

1.4.6 耐水性測試 將薄膜樣品裁剪成5 cm×5 cm大小，放置在70 ℃真空干燥箱中干燥至恒重，稱得干膜質量記為W0，然后將薄膜浸沒于去離子水中，2 h 后取出，用濾紙吸干薄膜表面水分后稱重得W1，然后再將薄膜放置在70 ℃真空干燥箱中干燥至恒重，稱得最終質量W2。吸水率與水溶率按照式（3）與式（4）計算[24]。

1.4.7 熱重分析 測試前將復合膜剪碎置于70 ℃真空干燥箱中干燥過夜，然后在N2氛圍中使用熱重分析儀對薄膜進行測試。測試溫度范圍40～800 ℃，升溫速率10 ℃/min。

1.4.8 抗菌測試 使用抑菌圈法測定薄膜的抑菌活性。將薄膜制成直徑為5 mm 的圓片，分別貼在接種了大腸埃希菌與金黃色葡萄菌的牛肉膏蛋白胨瓊脂培養基上；或將共混溶液濃縮，吸取100 μL 至牛津杯中。24 h 后拍照觀察抑菌效果，并使用游標卡尺測定抑菌圈直徑。

1.4.9 抗氧化測試 配制1 mmol/L 的PTIO 水溶液，移取5 mL PTIO 溶液加入裝有0.100 g 薄膜樣品的試管中，充分搖勻后，置于黑暗條件下反應2 h，于555 nm 處測定溶液吸光度，PTIO 原始溶液做空白對照。自由基清除率按式（5）計算：

式中，A0為PTIO 溶液吸光度，A 為樣品吸光度。

1.4.10 可降解實驗 將薄膜裁剪成5 cm×5 cm 的正方形，于70 ℃的真空干燥箱中烘至恒重，稱得質量記為M0，然后埋入10 cm 深的泥土中，每隔6 d 取出薄膜，處理干凈后烘至恒重，稱得質量記為M，按照式（6）計算降解率：

1.5 數據處理

所有實驗重復5 次，計算平均值與標準差，結果以均數±標準差表示。所得數據采用Origin 9.0 繪圖，示意圖采用PowerPoint 繪制。

2 結果與分析

2.1 不同工藝對芒果皮提取物提取率的影響

由表2 可以看出，利用超聲輔助提取，提取率得到大幅度提高，這是由于超聲產生了機械、空化以及熱效應，從而增大分子移動速度，提高分子間的有效碰撞，促使芒果皮中活性物質能加速溶解在提取液中。而使用微波萃取，提取率進一步提高，這是由于微波輻射能使芒果皮細胞內部迅速升溫、破裂，細胞內物質流出，而且微波所產生的電磁場能加速物質運動，從而進一步提高提取率。超聲輔助和微波萃取在一定范圍內都不會破壞植物中的活性物質[25?26]，因此，可以使用微波萃取工藝對芒果皮中活性物質進行高效提取。

表2 不同提取工藝下的提取率Table 2 Extraction rates of different extraction processes

2.2 復合膜的FT-IR 分析

研究了MPE 中主要吸收峰，比較了薄膜各組分之間的特征吸收峰和相互作用，結果如圖1 所示。圖a 為MPE 的紅外吸收圖，圖中3305 cm?1處的吸收峰為MPE 中締合狀態下OH 伸縮振動[27]，1725 cm?1歸因于C=O 的振動吸收峰，1450 cm?1為-OH 面內彎曲振動峰，1029 cm?1為酚中C-O 伸縮振動，在1200,874 和810 cm?1處的吸收歸屬于α-糖苷和D-半乳糖[28]。

圖1 MPE 和薄膜的紅外光譜圖Fig.1 Infrared spectra of MPE and thin films

薄膜的紅外吸收峰如圖b 所示，五種薄膜有幾處共同的吸收峰，2924、1325 cm?1處歸因于C-H 對稱伸縮振動和面內彎曲振動吸收峰，1082 cm?1為C-O 的伸縮振動峰。在AAG 體系中，可以觀察到CS 中仲酰胺在1634 cm?1（酰胺Ⅰ帶）、1551 cm?1（酰胺Ⅱ帶）兩處特征吸收峰[29]，未出現羧酸的特征吸收峰，說明未反應的AAG 在薄膜干燥過程中全部揮發。在CA 體系中，1710 cm?1處為CA 羧基中C=O吸收峰，1208 cm?1歸因于羧酸上C-O 的伸縮振動峰。因為所處化學環境差異，1410 cm?1左右的-OH面內彎曲振動峰在不同薄膜間出現了幾個波數的移動。在純PVA 薄膜中3260 cm?1處強吸收峰歸因于氫鍵締合狀態下OH 的伸縮振動，添加了CS 的復合膜由于-NH2和羧基上-OH 的疊加效應，使得-OH 伸縮振動峰變寬，往高波數移動。

上述結果表明，MPE 中含有多糖、多酚和黃酮類物質，復合膜組分間主要以氫鍵形式連接。

2.3 復合膜UV 分析

透明度是薄膜應用的關鍵指標，特別是作為包裝行業的薄膜材料。表3 中可以發現復合膜的厚度逐漸增加，薄膜厚度較為均勻，說明CS、MPE 與PVA 相容性良好，而CA 不容易揮發殘留下來與基體相互作用導致厚度進一步增大。圖2 中薄膜在400～800 nm 可見光區吸光度幾乎沒有增加，計算600 nm 處薄膜的不透明度分別為0.36%、0.44%、0.57%、0.46%和0.62%，這表明薄膜在可見光區透光性良好，如果進行食品包裝不會影響消費者對食品的視覺判斷；在200～400 nm 的紫外光區，PVA/CSAAG 薄膜吸光度逐漸增大，這是由CS 吸收紫外光所致[30]，而CA 中羰基能誘導n-π*躍遷，從而使PVA/CS-CA 薄膜在300 nm 左右處出現吸收峰[31]，PVA/CS-AAG/MPE 薄膜由于MPE 含有羰基也出現這一現象。添加MPE 的復合膜，吸光度進一步增大，這主要是由于MPE 中多酚類化合物吸收紫外光能力較強，以及共混膜組分間形成的氫鍵降低了入射光的穿透量[32]。因此制備的復合膜可以有效防止紫外光引發的光化學反應，從而對食品起到一定的保護作用。

表3 薄膜厚度和不透明度Table 3 Film thickness and opacity

圖2 薄膜的紫外-可見光譜圖Fig.2 UV-vis spectrum of thin film

2.4 復合膜的微觀形貌

從圖3 薄膜的截面微觀形貌可以觀察到，純PVA 膜結構緊密，基體自組裝過量導致出現皺褶；PVA/CS-AAG 膜，截面均勻無突出的顆粒和相分離，這說明CS 與PVA 相容性良好，AAG 揮發過程緩慢未產生氣泡；進一步添加MPE 的PVA/CS-AAG/MPE膜可以發現，截面變得更為細膩，能觀察到網絡結構，說明MPE 的加入進一步促進了組分間的相容性。CA 因為含有三個羧基和一個羥基，可以與PVA，CS 之間形成氫鍵作用達到增塑的作用[33]，PVA/CSCA 膜截面能清晰發現過量CA 堆積導致截面褶皺明顯，但是組分間分布均勻未出現相分離；而添加MPE 后，MPE 與組分之間結合，改善了CA 堆積的情況，使得PVA/CS-CA/MPE 薄膜截面無明顯皺褶，變得光滑。綜上所述，推測復合膜組分之間結構示意圖可能如圖3 示意圖中所示。

圖3 復合膜截面微觀形貌與結構示意圖Fig.3 Micro-morphology and structure diagram of the cross section of the composite film

2.5 薄膜機械性能分析

拉伸強度和斷裂伸長率是表征薄膜力學性能兩個重要指標。薄膜的力學性能結果如圖4 所示。FT-IR 表征中表明AAG 體系薄膜中AAG 在干燥制膜過程中已全部揮發，因此，PVA/CS-AAG 薄膜力學性能變化主要是CS 的加入破壞了PVA 之間的氫鍵，形成了新的分子間氫鍵，使得薄膜拉伸強度下降，拉斷伸長率提高[34]；而添加MPE 后，MPE 與組分間形成網絡結構，增加了薄膜的剛性，因此拉伸強度有所提高，而網絡結構使得薄膜的延展性下降，因此薄膜拉斷伸長率的輕微減低。CA 體系中，因為CA 與PVA，CS 之間相互作用，分子間氫鍵數量增多，加上CA 自身堆積，因而削弱了聚合物基體間的相互作用，減低了薄膜的剛性，薄膜的拉伸強度下降，而分子間氫鍵能夠滑動，從而提高了聚合物鏈之間吸收外力的能力，能在不破裂鏈的前提下發生塑性變形，使得拉斷伸長率提高[35]；MPE 可與CA 相互作用，因此MPE 的加入，改善了CA 的堆積情況，組分間混合更為均勻，分子間可滑動的氫鍵變多，薄膜剛性下降，延展性進一步提高。在SEM 中可以發現上述情況。

圖4 薄膜力學性能結果Fig.4 Results of mechanical properties of thin films

2.6 薄膜耐水性分析

薄膜耐水性優劣對薄膜的應用至關重要，圖5為薄膜吸水率與水溶率的結果圖。AAG 體系中，AAG 干燥過程揮發，無法提供交聯作用，而CS 與PVA 結合的氫鍵不牢固，因此該薄膜基體中暴露的親水基團較多，使得薄膜吸水率大幅度提高[36]，實驗中甚至出現薄膜破裂、溶解情況；而添加MPE 直接改變了薄膜耐水性，這是由于MPE 與基體中親水基團形成更多牢固的氫鍵，薄膜組分間交聯更為緊密，從SEM 和機械性能表征中也可以得到印證。而在CA 體系中，雖然CA 與基體結合，使得基體親水基團減少，但是CA 自身親水性也較強，因此薄膜吸水率增大[37]；而MPE 的加入改善了CA 的堆積情況，使得水分子更好的進入，因此吸水性進一步增加，但是CA 體系下的薄膜都沒有出現破裂情況，說明CA 與組分間的氫鍵較強，這為CA 體系制備復合膜的應用提供了條件。

圖5 薄膜耐水性結果Fig.5 The result of water resistance of the film

2.7 薄膜熱穩定性分析

通過熱重(TG)和熱重一階微商曲線(DTG)考察了復合膜的熱穩定性，結果如圖6 所示。從圖可以看出，純PVA 膜出現兩個明顯的熱分解階段，因為薄膜樣品測試前已經烘干，所以在40～240 ℃階段只有微量水分子損失；241～376 ℃主要是PVA 側鏈的斷裂[38]；377～495 ℃為PVA 聚合物骨架裂解[39]。與CS 共混后的復合膜呈現出三個熱分解階段，第一階段CA 體系的薄膜表現出更寬的溫度范圍，這主要是CA 自身分解吸熱，因此需要更高的溫度[40]；第二階段復合膜組分側鏈的斷裂溫度較純PVA 薄膜高，特別是CA 與PVA，CS 之間形成了更多氫鍵，降解溫度達到280 ℃以上；第三階段主鏈的斷裂溫度有所升高，徹底的斷裂溫度都在530 ℃以上，這說明CS 的加入提高了薄膜的熱穩定性。對比添加MPE的薄膜，可以發現薄膜的熱穩定未出現較大變化，說明MPE 的加入不會影響薄膜的熱穩定性。

圖6 薄膜的TG 和DTG 曲線圖Fig.6 TG and DTG curves of the film

由上述分析以及表4 薄膜熱重一階微商數據可以看出，復合膜失重50%和最大失重速率時的溫度都比純PVA 薄膜高，同時，復合膜的殘留量都高于PVA 薄膜，說明PVA 與CS 共混后形成的氫鍵使得薄膜熱穩定性提高，而MPE 的加入數據變化較小，說明MPE 不會影響薄膜的熱穩定性。

表4 薄膜熱重一階微商數據Table 4 First-order derivative data of film thermogravimetry

2.8 薄膜抗菌性分析

為了考察復合膜的抗菌活性，選擇了革蘭氏陰性菌（大腸埃希氏菌）與革蘭氏陽性菌（金黃色葡萄球菌），采用抑菌圈法測定薄膜的抗菌能力。圖7 為實驗抑菌圈實物圖和測量的抑菌圈大小，圖中可以看出PVA 未發現抑菌圈，說明PVA 不會抑制細菌生長；a、b 為薄膜的抑菌效果，圖中可以發現PVA/CSAAG 與PVA/CS-CA 薄膜抑菌效果一般，這主要是薄膜吸水性過高，內部組分不容易擴散至瓊脂表面，導致抑菌效果差，與前文耐水性研究一致；PVA/CSAAG/MPE 與PVA/CS-CA/MPE 薄膜抑菌效果明顯提高，這是由于薄膜中的MPE 具有較強的抑菌效果[41]。c、d 為薄膜濃縮液的抑菌效果，因為薄膜以溶液形式抑菌，因此四種復合膜液都表現出良好的抑菌效果。圖7 中可以發現，不論是薄膜還是濃縮液，對革蘭氏陽性菌（金黃色葡萄球菌）抑制效果明顯高于革蘭氏陰性菌（大腸埃希氏菌）。這是因為復合膜中抑菌機制主要是CS 存在的正電基團與細胞壁成分發生離子相互作用，使得細胞壁中的肽聚糖水解，引起細胞內電解質泄漏，導致細胞死亡[42]。而革蘭氏陽性菌因為細胞壁中磷壁酸的存在[43]，使其帶有更多的負電荷，因此與CS 結合力更強，更容易導致細胞死亡。

圖7 薄膜與薄膜濃縮液抑菌圈照片及抑菌圈大小Fig.7 Photo of inhibition zone and size of film and film concentrate

2.9 薄膜抗氧化能力比較

為了測定添加MPE 后復合膜抗氧化能力的情況，選擇了PTIO 水溶性自由基進行測定。圖8 為不同復合膜對PTIO 自由基清除率的結果，從圖中可以看出，未添加MPE 的薄膜對自由基幾乎沒有清除作用，而添加MPE 的復合膜對自由基清除率幾乎一致，這表明MPE 與薄膜結合不會降低自身的抗氧化性，復合膜的抗氧化性是由溶解在水中的MPE 以及薄膜結合的MPE 所提供[44?45]。抗氧化能力對食品、藥物包裝有著重要意義，在應用中，可以通過調節MPE 含量，制備所需的抗氧化復合膜。

圖8 復合膜對PTIO 自由基的清除結果Fig.8 Scavenging results of PTIO free radicals by composite membrane

2.10 薄膜降解性能分析

圖9 為復合膜降解率與埋土時間關系圖。由圖可知，PVA 的降解性較慢，主要是泥土中水分對其溶解，使得質量下降[46]。添加CS 后的復合膜降解率迅速升高，這主要是CS、AAG、CA 和MPE 四種成分都會被微生物釋放的酶所降解[47?48]，使薄膜表面呈多孔狀，有利于復合膜的降解，而且這些物質能作為泥土中微生物的營養物質，使得微生物和水分粘附在復合膜表面，加速復合膜的降解速率。

圖9 復合膜降解率與埋土時間關系圖Fig.9 Relationship between composite membrane degradation rate and soil burying time

3 結論

本文證明了微波工藝可以大幅度提高MPE 的提取率，可以選擇微波工藝高效的制備MPE。FTIR 表明AAG 在薄膜干燥過程中已全部揮發，各組分之間主要以氫鍵作用結合。SEM 可以發現各組分相容性良好，MPE 能使組分直接分散更為均勻。AAG 體系的薄膜在添加MPE 后，耐水性得到大幅度改善，且有著媲美純PVA 膜的機械性能，并且具有良好的透光性、抗紫外、耐水性、抗菌性、抗氧化性和可降解性，有望在食品包裝行業得到應用。CA 體系的復合膜優異的吸水性，且吸水后不會破碎，同時抗菌性和可降解性良好，MPE 進一步賦予了薄膜抗氧化性，可以在此基礎上進一步添加藥物分子（如止血、消炎藥物等），在傷口敷料中得以應用。兩種體系的薄膜為芒果皮廢棄物不同利用方向提供了一定參考價值。