高 翔，刘炳杰，李梦琦，汪东风，徐 莹

(中国海洋大学食品科学与工程学院，山东青岛 266003)

离子交联法制备壳聚糖/结冷胶可降解复合膜的研究

高 翔，刘炳杰，李梦琦，汪东风*，徐 莹

(中国海洋大学食品科学与工程学院，山东青岛 266003)

以壳聚糖和结冷胶为成膜材料，甘油为增塑剂，4%柠檬酸钠和2%氯化钙溶液为交联剂，制备水不溶性可降解复合膜。研究交联时间和交联pH对复合膜机械性能和阻水性的影响，并通过扫描电镜、差示扫描量热法、红外光谱和X－射线衍射对其结构和热稳定性进行表征。结果表明，柠檬酸钠和氯化钙对复合膜的交联降低了壳聚糖和结冷胶的结晶度，提高了复合膜的热稳定性;当交联时间为5min、交联溶液pH为6时，复合膜的机械性能最好，抗拉强度达91.45MPa，水溶性为7.28%，溶胀度为416.63%，水蒸气透过率为0.68×10－10g/(Pa·s·m2);复合与离子交联改善了单一膜机械性能不足及阻水性差的缺点。

壳聚糖，结冷胶，离子交联，复合膜

包装在为食品提供保护，防止食品受外界微生物或其它物质的污染，防止或减少食品氧化和其它反应方面有着不可替代的作用。目前的食品包装材料主要是聚乙烯、聚丙烯等合成塑料［1］，其化学性质稳定，不易降解，造成严重的能源浪费和环境污染;此外，包装材料中有害物质的迁移是造成食品不安全的因素［2］。可降解包装膜是以天然可降解物质(如多糖类、蛋白质和脂类)为原料，通过不同分子间相互作用形成的具有多孔网络结构的薄膜［3］，具有绿色、安全、无污染等优点。壳聚糖和结冷胶是两种食品级多糖，但单一成分的多糖膜因机械强度不足，阻水性差等问题，限制其应用，将两种多糖复合并交联改性是改善其缺点的有效方法。常见的用于多糖膜的交联剂有甲醛、乙二醛、戊二醛、环氧氯丙烷等［4］，在成膜液中添加交联剂，或在膜的后处理过程使用交联剂，能够改善膜的机械性质和阻隔性质［5］。但上述交联剂的加入可能带来安全性问题，离子交联逐渐受到了国内外研究者的重视［6－8］。例如，Ca2+、Zn2+等多价阳离子能交联结冷胶、海藻酸钠、明胶、卡拉胶等;SO、三聚磷酸钠、柠檬酸钠等多价阴离子能够交联壳聚糖。本实验以壳聚糖和结冷胶为成膜材料，甘油为增塑剂，柠檬酸钠和氯化钙为交联剂，制备水不溶性可降解复合膜，研究不同交联时间和pH对膜性质的影响，并利用SEM、FT－IR、XRD和DSC对复合膜的结构进行表征，以期为离子交联复合膜的应用研究提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

壳聚糖 食品级，脱乙酰度92%，黏度320mPa·s，青岛海普生物技术有限公司;结冷胶食品级，青岛美辰食品有限公司;甘油、冰醋酸 分析纯，天津博迪化工有限公司;柠檬酸钠 分析纯，天津科密欧化学试剂有限公司;氯化钙 分析纯，北京化工厂。

Q/ICL12－92型测厚仪 上海川陆量具有限公司;TMS－Pro质构仪 美国食品技术公司;102型电热鼓风干燥器 上海仪器总厂;B－N240型电子天平

梅特勒－托利多仪器(上海)有限公司;200PC型差示扫描量热仪 德国耐驰仪器制造有限公司;D8 Advance X射线粉末衍射仪 德国Bruker公司;JSM－840型扫描电子显微镜 日本东京电子公司; Nicolet 200SXV型傅立叶变换红外光谱仪 美国Nicolet公司。

1.2 实验方法

1.2.1 膜的制备

1.2.1.1 膜液的配制 结冷胶膜液:称取2g结冷胶，溶于100mL蒸馏水中，加入0.4%的甘油，加热，磁力搅拌至结冷胶完全溶解，成透明膜液。

壳聚糖膜液:称取1.5g壳聚糖，溶于100mL 1% (v/v)的醋酸溶液中，加入0.4%的甘油，搅拌溶解，静置12h得澄清的膜液。

1.2.1.2 壳聚糖膜、结冷胶膜的制备 在8×12cm的聚碳酸酯(PC)板上倒一定量的壳聚糖膜液或结冷胶膜液，玻璃毛细管涂布均匀，置于50℃烘箱中干燥后揭膜，于室温、相对湿度为50%的环境中平衡备用。

1.2.1.3 未交联复合膜的制备 未交联复合膜的制备参照文献［9］，倒板后置于50℃烘箱中干燥后揭膜，于室温、相对湿度为50%的环境中平衡备用。

1.2.1.4 交联复合膜的制备 按1.2.1.3制备未交联复合膜，干燥成膜后将其置于柠檬酸钠与氯化钙溶液中浸渍，进行交联处理，交联一定时间后用蒸馏水冲洗膜表面，并于自然环境下干燥揭膜，置于室温、相对湿度为50%的环境中，平衡至少2d后，测定膜的各项性能［10］。

1.2.2 复合膜性能的测定

1.2.2.1 膜厚 选取平整、光滑的复合膜，使用测厚仪分别测定膜的4个顶点和一个中心的厚度，然后取平均值作为膜厚，单位以mm表示。

1.2.2.2 拉伸强度与断裂伸长率 膜的机械性质测定方法参照文献［11］。

1.2.2.3 水蒸气透过率 膜的水蒸气透过率测定方法参照文献［12］。

1.2.2.4 水溶性 膜的水溶性测定方法参照文献［13］。

1.2.2.5 溶胀度 膜的溶胀度测定方法参照文献［13］。

2 结果与讨论

2.1 交联时间对复合膜性质的影响

复合膜必须具有较高的机械强度和较好的阻隔性能才能应用到生活中。因此，本实验以抗拉强度大，水溶性、溶胀度和水蒸气透过率小，断裂伸长率适中为制备水不溶性可降解复合膜的最佳指标。

在考察交联时间对复合膜性质的影响时，固定4%柠檬酸钠－2%氯化钙溶液pH为7。由图1可知，随着交联时间的增加，复合膜的抗拉强度呈增加趋势，在交联时间为15min时达到最大值，随着交联时间的继续增加，抗拉强度随之降低，在30min以后基本保持不变。交联后复合膜的抗拉强度均高于未经交联的复合膜，这表明柠檬酸钠－氯化钙离子交联剂的交联能有效提高复合膜的机械性能。当交联时间到30min时，复合膜的抗拉强度从 15min时的77.71MPa下降到52.46MPa，这可能是随着交联时间的延长，部分甘油从复合膜中溶出，使得复合膜的结构变得松散，导致抗拉强度下降。

图1 交联时间对复合膜机械性能的影响Fig.1 Effect of cross－linking time on mechanical properties of the composite film

未交联复合膜的断裂伸长率为5.13%，交联时间为30min时断裂伸长率下降到最低点3.25%，但对于交联复合膜来说交联时间对断裂伸长率的影响很小。交联复合膜断裂伸长率降低这可能一方面是由于柠檬酸根离子、Ca2+的引入增加了膜的硬度和脆性，降低了膜的延展性;另一方面交联过程中部分甘油溶解到交联溶液中，增塑剂含量降低，使膜的延展性下降［13］。

由图2可知，交联后复合膜的水蒸气透过率与未交联的复合膜相比，并没有太大的变化，甚至交联略微的提高了复合膜的水蒸气透过率，这可能是多糖在交联溶液中部分溶解的影响大于离子交联剂对复合膜的交联［14］，最终导致水蒸气透过率的升高。

图2 交联时间对复合膜水蒸气透过率的影响Fig.2 Effect of cross－linking time on WVP of the composite film

由图3可知，复合膜的溶胀度随交联时间降低，在交联时间为15min时达到最小值281.32%，随交联时间继续增加，溶胀度又随之增加。由图4可知，交联后复合膜的水溶性明显降低，水溶性最低点仅为1.43%。这表明，柠檬酸钠－氯化钙的交联能够明显提高壳聚糖－结冷胶复合膜的阻水性。

图3 交联时间对复合膜溶胀度的影响Fig.3 Effect of cross－linking time on swelling ratio of the composite film

图4 交联时间对复合膜水溶性的影响Fig.4 Effect of cross－linking time on water solubility of the composite film

2.2 交联pH对复合膜性质的影响

在考察交联溶液pH对复合膜性质的影响时，固定交联时间为5min。如图5所示，复合膜的抗拉强度随交联溶液pH的增加呈先增大后减小的趋势，pH为6时，抗拉强度最大，达到91.45MPa;断裂伸长率变化不大，呈微小的先减后增趋势。如图6，复合膜的水蒸气透过率随交联pH先减小后增加，pH为6时达到最小值0.68×10－10g/(Pa·s·m2)。这表明，当交联溶液的pH为6时，柠檬酸钠－氯化钙交联剂对复合膜的交联是最充分的。

图5 交联pH对复合膜机械性能的影响Fig.5 Effect of pH on mechanical properties of the composite film

图7、图8分别表示了不同交联pH对复合膜溶胀度和水溶性的影响，当交联溶液pH为8时，交联复合膜有最低的溶胀度394.06%，最低的水溶性5.17%。但综合各方面的情况考虑，选择pH 6为交联的最佳pH，此时，复合膜的抗拉强度为91.45MPa，断裂伸长率为4.74%，水蒸气透过率为0.68×10－10g/ (Pa·s·m2)，溶胀度为416.63%，水溶性为7.28%。

图6 交联pH对复合膜水蒸气透过率的影响Fig.6 Effect of pH on WVP of the composite film

图7 交联pH对复合膜溶胀度的影响Fig.7 Effect of pH on swelling ratio of the composite film

图8 交联pH对复合膜水溶性的影响Fig.8 Effect of pH on water solubility of the composite film

2.3 复合膜的表征

2.3.1 扫描电镜分析 如图9可以看出，膜表面都非常的均匀、平整、光滑;从切面图A2、B2、C2看，结冷胶膜有些微小的孔洞，膜连接不紧密，结构不紧实;壳聚糖膜虽然切面平整，结构紧实，但已出现裂纹;未交联复合膜呈山脊状，但增大放大倍数可见断面也比较平整，说明两种膜在连接面存在较强的相互作用力，相容性好，复合膜也存在一定程度的裂纹;如D2可知，复合膜被很好的交联，结构非常紧密，没有裂纹出现，这表明，离子交联能更好的改善复合膜内部的结构以提升复合膜的性能。

2.3.2 DSC分析 由图10可知，4种膜均在80℃左右出现了一个宽的吸收峰，主要表现为水链结晶的熔融吸热。壳聚糖膜的水链结晶熔融峰出现在82℃左右，结冷胶膜的出现在73℃左右，未交联复合膜则在72℃左右出现了新的水链结晶熔融峰，这说明未交联复合膜中的壳聚糖和结冷胶存在相互作用;离子交联复合膜的水链结晶熔融峰出现在86℃。比较

图9 膜电镜扫描图Fig.9 Scanning electron microscopy(SEM)of film

D－离子交联复合膜;1－平面电镜图，2－切面电镜图。四条谱线，交联复合膜的热稳定性是最好的，这是由于离子交联剂与氨基、羧基产生作用，使水链结晶熔融峰向高温方向移动，从而提高了交联复合膜的热稳定性。

图10 膜差示扫描量热(DSC)图Fig.10 DSC curves of film

2.3.3 红外光谱分析 由图11红外谱图可知，壳聚糖膜在3431cm－1处的吸收峰归属为氨基和羟基伸缩振动引起的谱带，1638cm－1处的－NH2吸收峰强度较大，1518cm－1处的N－H带较弱，这表明壳聚糖还存在一定数量的乙酰基［15］。从结冷胶红外谱图可以看出，3434cm－1处的吸收峰是由－OH伸缩振动引起的，1715cm－1处说明有C=O存在，1636cm－1和1513cm－1分别对应的是－NH2峰和N－H峰。比较四张红外谱图，可以发现未交联复合膜中的氨基和羟基的伸缩振动峰向低波数移动，这说明壳聚糖和结冷胶分子间存在着较强的分子间氢键作用;而交联后复合膜中的氨基和羟基的伸缩振动峰在未交联复合膜的基础上向低波数移动且峰宽变宽［16］，壳聚糖膜的酰胺带向低波数移动，这都进一步说明了交联能够增强复合膜分子间的相互作用力。由此看来，复合和交联并没有涉及功能团的产生或消失，主要的变化表现在非共价键和一些次级键的变化方面［17］。

2.3.4 X－射线衍射分析 如图12可知，壳聚糖膜的两个主要衍射峰，2θ在9.3°和20.6°，结冷胶膜有3个主要衍射峰，2θ在6.1、9.3、21.7°，而28.7°的衍射峰不太明显;未交联复合膜28.7°处的衍射峰消失，在6°左右的衍射峰变弱，保留了9°和20°左右的衍射峰，可以看出，复合膜的衍射峰并不是简单的单一膜衍射峰的叠加，从而说明壳聚糖分子与结冷胶分子之间存在着相互作用;与未交联复合膜相比，交联复合膜在6°左右的衍射峰消失，而9°和20°左右衍射峰的强度降低，这说明离子交联剂与复合膜发生了交联作用，从而增强了复合膜分子间的相互作用。

图11 膜傅立叶红外光谱图Fig.11 FT－IR Infrared spectrogram of film

图12 膜X－衍射图Fig.12 X－ray diffraction of film

3 结论

将壳聚糖与结冷胶复合，再用4%的柠檬酸钠和2%的氯化钙溶液对其进行交联，得到水不溶性可降解复合膜。确定了交联条件为交联溶液pH6、交联5min时复合膜的性能最好，此时复合膜的抗拉强度达91.45MPa，水溶性为7.28%，水蒸气透过率为0.68 ×10－10g/(Pa·s·m2)，复合与离子交联作用有效地改善了单一膜机械性能不足，抗水性差的问题。SEM、FT－IR、XRD和DSC结果表明，壳聚糖与结冷胶并不是单纯的叠加，而是在界面产生了较强的相互作用力;柠檬酸钠和氯化钙能对复合膜产生交联作用，增强复合膜分子间的相互作用力，从而提高复合膜的稳定性。

［1］Stuart R，Evans D.The environmental effect of reusing and recycling a plastic－basedpackaging system［J］.Journal of Cleaner Production，2003，11(5):561－571.

［2］卢敏，吴修利.我国食品包装材料的安全现状和发展趋势［J］.吉林工商学院学报，2010，26(5):44－47.

［3］陈光，孙旸，王刚，等.可食性膜的研究进展［J］.吉林农业大学学报，2008，30(4):596－604.

［4］陈强，吕伟娇，张文清，等.醛交联剂对壳聚糖复合膜性能的影响［J］.华东理工大学学报，2005，31(3):398－402.

［5］张华，王振宇，王雪，等.多糖化学改性方法及其生物活性研究进展［J］.食品与发酵工业，2010，36(7):102－107.

［6］崔铮，相艳，张涛.硫酸交联壳聚糖膜质子传导行为的研究［J］.化学学报，2007，65(17):1902－1906.

［7］Shu X Z，Zhu K J，Song W H.Novel pH sensitive citrate cross－linked chitosan film for drug controlled release［J］.International Journal of Pharmaceutics，2001，212:19－28.

［8］Chan L W，Jin Y，Heng P W S.Cross linking mechanisms of calcium and zinc in production of alginate microspheres［J］.International Journal of Pharmaceutics，2002，242:255－258.

［9］汪东风.一种具有抗菌功能的海洋多糖多层复合包装膜［P］.中国，CN201010577744.1.

［10］Yu Z，Yong S X，Fei L Y.Antimicrobial，physical and mechanical properties of kudzu starch－chitosan composite films as a function of acid solvent types［J］.Carbohydrate Polymers，2011，84:335－336.

［11］ASTM.Standard test methods for tensile properties of thin plastic sheeting［S］.method D882－00.Philadelphia，PA:American Society for Testing and Materials，2000a:34－38.

［12］ASTM.Standard test methods for water vapor transmission of materials［S］.method E 96－00.Philadelphia，PA:American Society for Testing and Materials，2000b:27－32.

［13］高美玲，汪东风，杨伟，等.离子交联壳聚糖/海藻酸钠可降解复合膜的研究［J］.中国海洋大学学报，2011，41(10): 61－66.

［14］Pavlath A E，Gosset C，Camirand W，et al.Ionomeric film of alginic acid［J］.Journal of Food Science，1999，64:61－63.

［15］Pearson F G，Marchessault R H，Liang C Y.Infrared spectra of crystalline polysaccharides.V.Chitin［J］.Polymer Science，2003，43:101－116.

［16］唐汝培，杜予民，樊李红.魔芋葡甘聚糖/羧甲基淀粉共混膜及其阻水性能［J］.高分子材料科学与工程，2003，19(4): 181－184.

［17］KoyanoaT，Koshizakib N，Umehara H，et al.Surface states of PVA/chitosan blended hydrogels［J］.Polymer，2000，41: 4461－4465.

Study on preparation of chitosan and gellan gum biodegradable composite film by ionic cross－linking

GAO Xiang，LIU Bing－jie，LI Meng－qi，WANG Dong－feng*，XU Ying
(College of Food Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266003，China)

A biodegradable composite film without water solubility was made from chitosan and gellan，glycerin as plasticizers，cross－linked by 4%sodium citrate and 2%calcium chloride.Effect of cross－linking time and pH on the mechanical properties and water resistance of composite film were investigated.Besides，infrared spectrum (FT－IR)，X－ray diffraction(X－RD)，scanning electron microscopy(SEM)and differential scanning calorimetry (DSC)were used to characterize and analyze the structure and thermal stability of the film.The results showed that sodium citrate and calcium chloride cross－linked composite film，and the cross－linking decreased the crystallinity of chitosan and gellan，and then improved thermal stability of composite film.The composite film had the best properties under a cross－linking time of 5min and pH6.0，tensile strength 91.45MPa，water solubility 7.28%，swelling ratio 416.63%，water vapor permeability 0.68×10－10g/(Pa·s·m2)，compounding and ion crosslinking improved mechanical properties and water resistance of single film.

chitosan;gellan gum;ionic cross－linking;composite film

TS206.4

A

1002－0306(2012)21－0282－05

2012－04－23 *通讯联系人

高翔(1987－)，女，在读硕士，研究方向:食品化学与营养。

海洋公益性行业科研专项经费项目(201005020－6);青岛市公共领域科技支撑计划项目(11－2－3－33－nsh)。