改性扇貝殼粉與殼聚糖復合膜的制備及性質研究

紀登杰，許依能，楊 威，馬 潔，王 磊，陳 麗,

（1.江蘇海洋大學，江蘇連云港 222005；2.江蘇海洋大學江蘇省海洋資源開發研究院，江蘇連云港 222005）

殼聚糖（Chitosan，CTS）是由甲殼素脫乙酰作用得到的一種多糖[1]。以殼聚糖為成分制成的保鮮膜，能夠有效減弱呼吸速率、控制水分損失以及抑制微生物等[2-3]。在抑制細菌生長的同時，殼聚糖還可以通過清除機體自由基等作用隔絕食品與空氣的接觸，從而達到抗氧化效果。殼聚糖因其良好的生物相容性、可降解性和安全無毒等特性，備受關注，具有很高的應用前景[4-7]。但是，單一的殼聚糖膜機械能較差，一定程度上限制了應用范圍。為解決這個問題，需要尋求適合的填充材料，改善膜的性能[8-11]。

扇貝是我國重要的優勢高值養殖貝類之一，年養殖產量占世界扇貝類年養殖產量的80%以上[12]。扇貝殼資源豐富，其主要成分為碳酸鈣，經粉碎后的貝殼粉可以作為良好的無機填充材料加入到有機聚合物中，起到增強韌性的作用[13]。但是將貝殼粉直接應用于有機聚合物時，由于貝殼粉顆粒表面能較大，粉體團聚現象明顯，導致在聚合物中分散性能較差[14]。因此，需要對貝殼粉進行表面改性，消除表面高勢能，減弱粒子表面極性等方式降低貝殼粉的團聚現象，從而提高聚合物制品的物理性能[15]。

本文探究改性扇貝殼粉的質量分數對殼聚糖復合膜性能的影響，為進一步研究該復合膜在食品保鮮中的應用提供理論基礎。開發貝殼資源利用新途徑，一定程度上解決了廢棄貝殼造成的環境問題，同時還能創造經濟效益，促進我國貝殼資源的有效利用。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮扇貝 購于江蘇連云港大潤發超市；殼聚糖（脫乙酰度＞95%）、冰乙酸、丙三醇、無水乙醇、硬脂酸鈉 國藥集團化學試劑有限公司。

DHG-9140A 型電恒溫鼓風干燥機 上海一恒科技有限公司；DF-1015 型集熱式恒溫加熱套 上海力辰邦西儀器科技有限公司；KQ-300B 型超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司；XQM-04L 型變頻行星式球磨機 南京科析實驗儀器研究所；TMSPRO 質構儀 美國FTC 公司；UV-1100 紫外可見分光光度計 上海凌析達儀器公司；Nicolet 5700 傅立葉紅外光譜儀 Thermo Electron Corporation；JSM-5610LV 掃描電鏡 日本電子（JEOL）；XPERT POWDER 荷蘭帕納科公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 貝殼預處理 稱取一定量的扇貝貝殼，在超聲波清洗器內超聲2 h，加以清洗除去貝殼表面殘余的肉質和附著物，在電恒溫鼓風干燥機內300 ℃烘干24 h。將烘干的貝殼進行粉碎機粗粉后，放入球磨機內進行一定時間的球磨得到貝殼粉粉體。

1.2.2 貝殼粉改性步驟 稱取一定量的貝殼粉，以1:10 的質量比加入蒸餾水于集熱式恒溫加熱套內加熱，加熱到一定溫度后，加入硬脂酸鈉反應，經過一段時間后反應結束，進行抽濾，置于60 ℃下烘干，得到改性貝殼粉。

1.2.3 單因素實驗 分別以硬脂酸鈉添加量、改性時間、改性溫度3 個因素進行單因素實驗，以粉體活化度作為衡量指標。

1.2.3.1 硬脂酸鈉添加量對貝殼粉改性效果的影響

在改性溫度為80 ℃,改性時間為40 min 時，分別添加1%、1.5%、2%、2.5%、3%的硬脂酸鈉，探究硬脂酸鈉對貝殼粉改性效果的影響。

1.2.3.2 改性溫度對貝殼粉改性效果的影響 在硬脂酸鈉添加量為2.5%，改性時間為40 min 時，分別在60、70、80、90、100 ℃下進行改性，考察改性溫度對貝殼粉改性效果的影響。

1.2.3.3 改性時間對貝殼粉改性效果的影響 在硬脂酸鈉添加量為2.5%，改性溫度為80 ℃時，分別在20、30、40、50、60 min 下進行改性，探究改性時間對貝殼粉改性效果的影響。

1.2.4 貝殼粉最佳改性條件優化響應面設計 使用Design Expert 8.0.6 軟件進行響應面設計。以硬脂酸鈉添加量、改性溫度、改性時間3 個考察因素及其變化水平設計三因素三水平響應面方案，試驗因素設計如表1。

表1 響應面試驗因子水平Table 1 Response surface test factor levels

1.2.5 貝殼粉活化度測定 將貝殼粉置于分液漏斗中，加200 mL 純化水，反復震蕩1 min 后，放于漏斗架上，靜置，待其明顯分層后將下層貝殼粉放入坩堝中，置于105 ℃恒溫干燥箱內干燥至恒重，精確至0.001 g[16]。按下式計算活化度（X）：

式中：X1為樣品中漂浮部分的質量；X2為樣品總質量。

1.2.6 貝殼粉的結構表征

1.2.6.1 X 射線衍射分析 取一定量改性前后的貝殼粉干燥后進行粉末衍射實驗，對貝殼粉晶體結構進行分析。儀器掃描范圍20°～60°，掃描速度為1°·min-1[17]。

1.2.6.2 紅外光譜分析 將貝殼粉與KBr 粉末按1:100 的質量比在研缽中研磨均勻后，進行紅外分析，測定貝殼粉的官能團，儀器掃描范圍400～4000 cm-1。

1.2.6.3 掃描電子顯微鏡分析 取少量改性前后的貝殼粉干燥后均勻平鋪在鋁片上，噴金，觀察貝殼粉的微觀結構形貌。

1.2.7 貝殼粉-殼聚糖復合膜的制備

復合膜的制備工藝見圖1。稱取1.5%（m/v）的殼聚糖溶于冰乙酸1%（v/v）和丙三醇0.6%（v/v）的混合溶液，40 ℃下攪拌至完全溶解。依次按0%、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%的添加量分別加入改性貝殼粉，超聲脫氣15 min 后，取80 mL 膜液倒入20 cm×20 cm 的亞克力板上流延制膜，置于30 ℃下鼓風干燥，脫膜[18]。實驗中以不添加改性貝殼粉的殼聚糖復合膜為空白對照。復合膜中改性扇貝殼粉質量分數以其與殼聚糖的質量比計。

圖1 復合膜制備流程Fig.1 Composite film preparation process

1.2.8 復合膜性能測定

1.2.8.1 機械性能測定 采用質構儀測定復合膜的拉伸強度（Ts）和斷裂伸長率（EB）[19]。

式中：P 為復合膜斷裂時的拉力，N；b 為復合膜的寬度，mm；d 為復合膜的厚度，mm。

式中：L0為復合膜的初始長度，mm；L 為復合膜斷裂時的長度，mm。

1.2.8.2 水蒸氣透過量（WVTR）測定 在稱量瓶中倒入不超過2/3 的純化水，用復合膜包住瓶口，放于30 ℃干燥器內，每隔12 h 測定1次稱量瓶的質量，連續測量3次計算：

式中：Δm 為稱量瓶質量損失量，g；A 為稱量瓶口膜的面積，m2；t 為時間，h。

1.2.8.3 透光性測定 將復合膜貼在比色皿內，采用紫外-可見分光光度計測定450 nm 下的透光率，以“透光率×厚度”表示測定結果。

1.3 數據處理

以上實驗結果平行測定3次。使用Design-Expert 8.0.6 進行響應面設計，實驗結果用Origin7.5軟件進行統計分析并作圖，用Jade 軟件對XRD 圖譜進行分析。其中P＜0.05 說明差異顯著，P＜0.01 說明差異極顯著[20-21]。

2 結果與分析

2.1 貝殼粉改性條件的工藝優化

2.1.1 單因素實驗

2.1.1.1 硬脂酸鈉添加量對貝殼粉活化度的影響在改性溫度為80 ℃，改性時間為40 min 的條件下，硬脂酸鈉添加量對貝殼粉的活化度的影響如圖2所示。貝殼粉的活化度隨著硬脂酸鈉的增加而提高，當硬脂酸鈉增加到2.5%時，貝殼粉活化度最高。繼續增加硬脂酸鈉添加量時，活化度開始下降。這與雷鵬飛[22]研究的硬脂酸鈉用量對碳酸鈣原位改性結果趨勢一致，由于貝殼粉已經被完全包覆，過量的硬脂酸鈉分子與貝殼粉表面長鏈硬脂酸鈉分子發生纏繞作用，使粉體表面的硬脂酸鈉分子具有親水能力的羧基裸露出來，導致貝殼粉活化度的降低。因此，選取2.5%為硬脂酸鈉的最適添加量。

圖2 硬脂酸鈉添加量對改性扇貝殼粉活化度的影響Fig.2 Effect of mass fraction of sodium stearate on activity of modified scallop powder

2.1.1.2 改性溫度對貝殼粉活化度的影響 在硬脂酸鈉添加量為2.5%，改性時間40 min 的條件下，改性溫度對貝殼粉活化度的影響如圖3所示。隨著改性溫度的提升，硬脂酸鈉溶解度增加，貝殼粉活化度逐漸提升并在溫度為80 ℃時達到最大值。當溫度高于80 ℃時，溶劑揮發過快，粉體與改性劑不能充分混合均勻，不利于改性過程的進行，使得粉體活化度逐步下降。因此，選取80 ℃為最佳改性溫度。

圖3 改性溫度對改性扇貝殼粉活化度的影響Fig.3 Effect of modification temperature on activity of modified scallop powder

2.1.1.3 改性時間對貝殼粉活化度的影響 在硬脂酸鈉添加量為2.5%，改性溫度80 ℃的條件下，改性時間對貝殼粉活化度的影響如圖4所示。隨著改性時間的增加，貝殼粉漿液中的Ca2+、CaOH+等組分與硬脂酸鈉RCOO-反應較為充分，硬脂酸鈉對貝殼粉較快包覆，粉體活化度提高。覃筱燕[23]也研究了相關對生蠔殼粉改性效果實驗，她發現在不同的改性溫度下貝殼粉體活化度呈現先升高后略有降低的的趨勢。當溫度超過一定數值時，由于長時間的攪拌，導致貝殼粉表面少量硬脂酸鈉的脫落，使得改性效果變差。因此，選取40 min 為最佳反應時間。

圖4 改性時間對改性扇貝殼粉活化度的影響Fig.4 Effect of modification time on activity of modified scallop powder

2.1.2 響應面試驗設計結果 在單因素實驗基礎上，以硬脂酸鈉添加量、改性溫度、改性時間為變量，以活化度為響應值，設計響應面分析試驗，試驗結果見表2 和表3。

表3 響應面方差分析結果Table 3 Analysis of variance results of response surface test

用Design Expert 8.0.6 軟件對表2 中的響應值進行多元二次分析，得到貝殼粉活化度的回歸模型方程如下：

表2 響應面試驗結果Table 2 Response surface test results

該方程的R2為98.9%，模型達到顯著水平（P＜0.0001），失擬項不顯著，表明該模型擬合性能良好、方法可靠。模型的R2=98.9%，說明響應值變化的98.9%與選擇的變量相關，模型校正決定系數R2Adj=0.9750，表明此回歸方程可以表示響應值變化具有可行性。

根據以上回歸方程繪制響應面交互作用曲面圖，研究硬脂酸鈉添加量、改性溫度、改性時間三個因素對貝殼粉活化度的影響，響應面如圖5～圖7。

硬脂酸鈉添加量、改性溫度、改性時間對貝殼粉活化度的影響趨勢可以通過圖5～圖7 直接得出，改性時間對貝殼粉活化度的影響較大，表現為較陡曲線；硬脂酸鈉添加量、改性溫度對貝殼粉活化度的影響較小，曲線相對平滑。通過軟件分析，確定貝殼粉最佳改性條件：硬脂酸鈉添加量為2.53%，改性溫度為80.70 ℃，改性時間為43.19 min，在此條件下貝殼粉的活化度為76.33%。在此條件下，重復3次貝殼粉改性實驗，此時的貝殼粉的活化度為76.41%±0.3%，與模型預測結果基本相同，說明該模型能夠較好的模擬貝殼粉改性過程和預測貝殼粉的活化度。

圖5 改性溫度和硬脂酸鈉添加量對貝殼粉活化度的交互影響Fig.5 Interactive effects of modification temperature and amount of sodium stearate on the activity of shell powder

圖7 改性時間和改性溫度對貝殼粉活化度的交互影響Fig.7 Interactive effects of modification time and temperature on the activity of shell powder

2.2 改性貝粉的表征

2.2.1 貝殼粉XRD 分析 圖8所示是扇貝殼粉和改性扇貝殼粉的XRD 圖，利用jade 軟件檢索分析，扇貝殼粉的XRD 圖中23°、29°、36°、39°、43°、47°、49°處的7 個衍射峰分別對應方解石型碳酸鈣的（012）、（104）、（110）、（113）、（202）、（018）、（116）7 個晶面。改性扇貝殼粉的XRD 圖譜與之相比，也出現了方解石的7 個衍射峰，說明經硬脂酸鈉對貝殼粉的改性只是改善扇貝殼粉的疏水性，并沒有破壞扇貝殼粉的晶體結構，因此不會影響扇貝殼粉的原有性質[24]。

圖6 改性時間和硬脂酸鈉添加量對貝殼粉活化度的交互影響Fig.6 Interactive effects of modification time and amount of sodium stearate on the activity of shell powder

圖8 改性扇貝殼粉XRD 圖譜Fig.8 XRD pattern of modified scallop powder

2.2.2 貝殼粉改性前后的FT-IR 分析 為證明改性成功，以未改性的扇貝殼粉作為實驗的對照組，圖9表示扇貝殼粉改性前后的紅外光譜圖。從圖9可知，未改性的扇貝粉在713 和873 cm-1處有較大的峰，分別對應著面外變形振動峰，O-C-O 面內變形振動的吸收峰，為碳酸鈣方解石晶型的特征峰。1500 cm-1處有一個較寬的峰，這是碳酸根的特征峰，2500 cm-1附近為質子化形態的伸縮振動吸收峰[25]。3440 cm-1的寬吸收峰，是由于貝殼粉微粒表面的羥基和吸附水的存在造成的H-O 鍵的對稱伸縮振動和不對稱伸縮振動。與未改性的扇貝殼粉相比，用2.5%的硬脂酸鈉改性后的扇貝粉在2850 和2917 cm-1處出現了特征峰，這兩個特征峰對應的是-CH3和-CH2伸縮振動吸收峰，這說明改性后的扇貝粉表面存在CH 化合物，實驗結果表明硬脂酸鈉成功包覆在扇貝粉表面[26-27]。

圖9 改性扇貝殼粉紅外圖譜Fig.9 Infrared spectrum of modified scallop powder

2.2.3 貝殼粉改性前后的SEM 分析 利用發射掃描電子顯微鏡對貝殼粉進行觀察，貝殼粉的SEM 照片如圖所示。從圖10a 中可知，經過行星式球磨機細粉后的扇貝粉團聚現象非常明顯，其中纖維狀結構的方解石型碳酸鈣最多，相互交錯團聚一塊。從圖10b中可知，經過硬脂酸鈉改性后的扇貝粉顆粒，團聚現象明顯減弱，顆粒與顆粒之間間隔較大。粉體經過改性后得到了很好的分散效果[28]。

圖10 扇貝殼粉改性前后SEM 圖譜Fig.10 SEM of modified scallop powder

2.3 貝殼粉-殼聚糖復合膜理化性質分析

2.3.1 改性貝殼粉質量分數對復合膜機械性能的影響 改性扇貝殼粉添加量對復合膜機械性能的影響如圖所示。由圖11 可以看出，隨著改性扇貝殼粉添加量的增加，貝殼粉與殼聚糖復合膜的拉伸強度（Ts）緩慢提升，當貝殼粉添加為1%時，復合膜的拉伸強度達到最大；繼續增加貝殼粉添加量，復合膜的拉伸強度降低。由圖12 可以看出，當改性扇貝殼粉添加量在0.5%時，復合膜斷裂伸長率達到最大，之后隨著貝殼粉的添加量增加而逐步下降[29]。

圖11 改性扇貝殼粉質量分數對復合膜拉伸強度的影響Fig.11 Effect of mass fraction of modified fan shells powder on tensile strength of composite membranes

圖12 改性扇貝殼粉質量分數對復合膜斷裂伸長率的影響Fig.12 Effect of mass fraction of modified fan shells powder on the breaking elongation of composite membranes

分析認為，改性扇貝殼粉添加量較少時，貝殼粉粒子在復合膜中均勻分布，且經改性后的貝殼粉體親水性能降低，與殼聚糖相容性更好，進而改善了兩者間的粘合狀態和應力的傳遞，促進了機械性能的改善[30]。當改性貝殼粉添加量過高時，貝殼粉體粒子間團聚作用加巨，使其在殼聚糖溶液中分布不均，導致復合膜拉伸強度降低。李金星等[9]在研究殼聚糖復合膜時發現甘油具有較強的親水性，甘油中的羥基能夠與殼聚糖分子中的羥基結合形成鏈間氫鍵，導致殼聚糖分子內部間的作用力減小，使復合膜更加柔軟，而復合膜的斷裂伸長率受柔韌性的影響。韓英等[31]在研究碳酸鈣殼聚糖復合膜時發現，碳酸鈣與殼聚糖分子發生氫鍵作用，殼聚糖分子間連接點減少，減弱了分子間作用力，所以隨著貝殼粉添加量的提高，殼聚糖分子之間的連接點減少，復合膜的柔韌性增強；當改性扇貝殼粉添加量過大時，貝殼粉體、甘油和殼聚糖連接位點形成大量鏈式氫鍵，使得復合膜韌性降低剛性增強，因而斷裂伸長率降低。

2.3.2 水蒸氣透過量 如圖13所示，隨著改性扇貝殼粉質量分數的增加，水蒸氣透過量逐步降低，當未加入改性扇貝殼粉時可能由于單一殼聚糖空隙較大，結構較為松散，導致水蒸氣透過量較大。通過李金星等[9]與韓英等[31]對殼聚糖復合膜的研究發現甘油、貝殼粉與殼聚糖分子以氫鍵結合，這促使分子緊密排列，改善了殼聚糖分子間結構，因而降低了復合膜水蒸氣透過量。

圖13 改性扇貝殼粉質量分數對復合膜水蒸氣透過量的影響Fig.13 Effect of mass fraction of modified fan shell powder on water vapor transmission of composite membrane

2.3.3 透光性 復合膜的透光性反映了殼聚糖與改性貝殼粉分子間的相容性，分子間相容性越好，復合膜透光性越大。由圖14 可以看出，隨著改性貝殼粉質量分數的增加，復合膜的透光性先增加后降低，當改性貝殼粉質量分數為1.5%時，粉體粒子與殼聚糖相容性最好，粉體均勻分散在復合膜中，此時復合膜的透光性能最好。當改性貝殼質量分數超過1.5%時，在改性貝殼粉/殼聚糖復合液超聲過程中，貝殼粉體粒子碰撞幾率增大，導致部分粉體團聚，復合膜界面因光的折射和散射作用，致使透光性降低[30]。

圖14 改性扇貝殼粉質量分數對復合膜透光性的影響Fig.14 Effect of mass fraction of modified fan shell powder on light transmittance of composite membrane

3 結論

本實驗以硬脂酸鈉為改性劑，通過單因素實驗和響應面試驗分析改性溫度、硬脂酸鈉質量分數、改性時間對扇貝殼粉活化度的影響，并確定了最佳的反應條件：硬脂酸鈉添加量2.53%，改性溫度80.70 ℃，改性時間43.19 min，在此條件下改性扇貝殼粉活化度可以達到76.41%。隨后對改性扇貝殼粉的進行表征實驗，對其在晶體結構、基團和微觀結構對粉體進行分析并確定改性實驗的成功。

隨后采用流延法制備了改性扇貝殼粉與殼聚糖的復合膜，以不添加改性扇貝殼粉的殼聚糖復合膜為對照。結果表明，當改性扇貝殼粉質量分數為1%時，復合膜拉伸強度最大，水蒸氣透過率降低，透光性提高，此時改性扇貝殼粉粒子與殼聚糖分子的相容性較好。

本文對貝殼利用方式進行探索，以資源量豐富的扇貝殼作為復合膜材料來源，為進一步研究改性扇貝殼粉/殼聚糖復合膜在食品保鮮中的應用提供基礎研究。