潘晴彦，周闯，杨子明，何祖宇，王超，刘运浩，宋书会，谷会，于丽娟，李雪瑞，屈云慧，李普旺

（1.中国热带农业科学院南亚热带作物研究所，海南省热带园艺产品采后生理与保鲜重点实验室，广东湛江524091；2.华中农业大学食品科学技术学院，湖北武汉430070；3.云南省农业科学院农产品加工研究所，云南昆明650000）

壳聚糖为天然多糖甲壳素脱除部分乙酰基的产物，具有生物降解性、生物相容性、无毒性、抑菌、成膜等多种生理功能[1-2]。壳聚糖资源的合理开发利用能提高甲壳动物的经济价值[3]，同时还能满足很多的应用要求，但其水溶性较差，因此限制了壳聚糖在实际生活中的应用[4]。通过功能化改性可以提高壳聚糖的物化性能，该法是拓宽壳聚糖实际应用的主要途径[5-6]。以季铵盐修饰壳聚糖也可以扩大其应用范围，是目前研究的热点之一。季铵盐壳聚糖是指把季铵盐基团引入壳聚糖的氨基和羟基官能团上而获得的一类衍生物[7]。季铵盐壳聚糖衍生物不仅具有季铵盐典型的吸湿、保湿和抗菌等特征，而且还保留了壳聚糖原有的易成膜性、易相容性以及易降解性等特点，是一种理想的成膜材料[8]。张艳艳[9]等采用异相法合成季铵盐壳聚糖，对其溶液的性质进行研究，结果发现，季铵盐壳聚糖具有较好的稳定性。包艳玲[10]以化学改性剂对壳聚糖进行改性，反应生成季铵盐壳聚糖，通过研究，季铵盐壳聚糖较壳聚糖具有更好的抑菌性能。本文以季铵盐对壳聚糖进行修饰改性，可以提高壳聚糖的物化性能。以产物季铵盐壳聚糖为原料，与聚乙烯醇进行复合，采用共混法制得季铵盐壳聚糖/聚乙烯醇复合膜。通过傅里叶红外光谱、热重分析、扫描电镜、水蒸气透过率分析、机械性能测试来表征壳聚糖复合膜结构及性能以确定复合膜物理机械性能的最优制备条件。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

壳聚糖（chitosan，CS，黏度＜400 mPa·s，脱乙酰度＞80%）、2，3-环氧丙基三甲基氯化铵（glycidyl trimethyl ammonium chloride，GTA，含量95%）、铬酸钾（含量99.5%）：上海麦克林生化科技有限公司；纳米二氧化钛（TiO2，亲水亲油型，锐钛型含量99.8%，平均粒径5 nm～10 nm），聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）:阿拉丁试剂（上海）有限公司；丙三醇、异丙醇、硝酸银、氢氧化钠（均为分析纯）：广东光华科技股份有限公司。

1.2 仪器与设备

FTS3000型傅里叶红外光谱仪：美国伯乐公司；Avance400核磁共振波谱仪：德国Bruker公司；集热式恒温加热磁力搅拌器：杭州大力科教仪器有限公司；FreeZone 4.5L真空冷冻干燥机：北京照生行仪器设备有限公司；pH-10型pH计、RW20 digital型IKA数显顶置机械搅拌器：湛江科铭科技有限公司；DTG-60型差热热重联用仪：日本岛津公司；UTM5000电子万能试验机：深圳三思泰科技有限公司；TG328A型分析天平：郑州华致科技有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 季铵盐壳聚糖（chitosan quaternary ammonium salt，HACC）的合成

称取2.5 g CS于100 mL异丙醇中，在60℃～90℃磁力搅拌作用下溶解6 h，并用1% NaOH调节pH值至8～9。将一定质量的GTA加入CS溶液中，在60℃～90℃下恒温搅拌反应6 h～36 h。待反应结束后，将溶液透析3d以除去未反应的GTA。最后通过真空冷冻干燥48h，得到季铵盐壳聚糖，其合成图如图1所示。

图1 季铵盐壳聚糖的合成Fig.1 The synthesis scheme of chitosan quaternary ammonium salt

1.3.2 季铵盐壳聚糖取代度的测定

季铵盐壳聚糖的取代度用滴定法测定。准确称取100 mg季铵盐壳聚糖，溶解于25 mL去离子水中，后用NaOH调节溶液的pH值（控制在8.2～9.6之间），以8%铬酸钾作为指示剂，取1 mL指示剂加入季铵盐壳聚糖溶液中，用0.05 mol/L的硝酸银缓缓滴定，溶液出现砖红色为滴定终点，用式（1）计算取代度（degree of substitution ，DS）。

式中：C为硝酸银的浓度，mol/L；V为消耗硝酸银的体积，mL；W为被滴定季铵盐壳聚糖的质量，g

1.3.3 季铵盐壳聚糖的结构表征

傅里叶变换红外（Fourier transform infrared，FTIR）光谱表征：采用FTS3000型傅里叶红外光谱仪，将改性后的季铵盐壳聚糖研磨成粉末，采用KBr压片法制得待测样品。FTIR光谱对样品进行测定，采集并记录光谱数据，根据特征吸收峰推断其化学结构。扫描范围从 4 000 cm-1～400 cm-1，扫描间距为 4 cm-1。

核磁共振波谱（nuclear magnetic resonance，1HNMR）表征：将适量的季铵盐壳聚糖溶解在重水中，设定磁场强度为299.95 MHz，化学位移以10-6表示，以四甲基硅烷作为内标，谱线宽度3 264.1 MHz，扫描记录1H-NMR图。

1.3.4 季铵盐壳聚糖涂膜的制备

称取1.2 g的季铵盐壳聚糖于烧杯中，加入40 mL去离子水，利用超声处理HACC溶液使其完全溶解，制备成3%的HACC溶液。流延涂板，将脱气后的HACC溶液倒入水平面玻璃板（30 cm×30 cm）中，使其均匀流延。室温（25℃）静置24 h得到HACC膜。考察不同取代度的HACC对成膜性能的影响，测其拉伸强度和断裂延伸率。

1.3.5 季铵盐壳聚糖复合膜的制备

1.3.5.1 PVA的溶解

称取1.2 g的PVA于三口烧瓶中，加入40 mL去离子水，在电动搅拌下水浴加热，逐渐升温到80℃～90℃后，恒温加热搅拌1 h，制备成3%的PVA溶液。

1.3.5.2 季铵盐壳聚糖的溶解

称取1.2 g的季铵盐壳聚糖于烧杯中，加入40 mL去离子水，利用超声处理季铵盐壳聚糖溶液使其完全溶解，制备成3%的季铵盐壳聚糖溶液。

1.3.5.3 超声脱气

将1.3.5.1和1.3.5.2中溶液按不同体积比混合后得到HACC/PVA复合膜溶液，将所得混合溶液超声脱气。

HACC/PVA混合溶液混合比例如表1所示。

表1 HACC/PVA混合溶液的组成Table 1 Composition of HACC/PVA mixed solution

1.3.5.4 流延涂板

将脱气后的复合膜液倒入水平面玻璃板（30 cm×30 cm）中，使其均匀流延。室温（25℃）静置24 h得到复合膜。

1.3.6 复合膜的红外光谱表征

室温（25℃）下，采用FTS3000型傅里叶红外光谱仪对复合膜直接扫描测定，扫描范围为4 000cm-1～500cm-1。

1.3.7 复合膜的X-射线衍射（X-ray diffraction，XRD）分析

采用X-射线衍射仪对复合膜晶体结构进行分析，铜靶，入射线波长0.1542nm，Ni滤波片，管压40 kV，管流40mA，扫描角度 2θ为 5°～40°，扫描速度为 10°/min。使用X射线衍射仪对ZSM-5颗粒和膜样品进行分析，将样品裁剪成20 mm×20 mm的正方形，测试条件：使用Cu靶辐射（波长λ=0.154 nm），电流 40 mA，电压40 kV，扫描速度 10 °/min，扫描范围：5°～70 °。

1.3.8 复合膜的形貌观察

将干燥的复合膜裁剪成合适大小，粘在导电胶上、喷金后，用扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）观察其表面和横截面形态。

1.3.9 复合膜的热性能分析

N2保护下，以10℃/min的升温速率，在室温（25℃）至790℃范围内，用DTG-60型热重分析仪测定复合膜的热重（thermogravimetry，TG）。

1.3.10 复合膜的水蒸气透过率分析

根据美国试验材料学会标准E96-05W的检测方法[11]稍作改动，测定可食膜的水蒸汽透过系数（water vapor permeance，WVP），先用移液管移取10 mL去离子水于干净称量皿（25 mm×40 mm）中，然后用制成的复合膜将皿口紧紧密封，用橡皮筋紧紧固定，准确称重（W1）后放入温度为（23±2）℃，相对湿度为（50±5）%的恒温恒湿箱中，每24 h测称量皿的质量（W2），至称量皿质量变化趋于稳定。直到前后两次质量变化量相差不大于5%时，方可结束试验。注意每次称量时，透湿皿的先后顺序应一致，称量时间不得超过间隔时间的1%。按下面公式计算复合膜的水蒸气透过率（X）。

式中：S 为皿口面积，m2；T 为间隔时间，h；X 为水蒸气透过率，g/（m2·h）。每个数据取3个样品进行测量，结果取平均值。

1.3.11 复合膜的机械性能测试

根据ASTM D882-12测试膜的机械性能，用万能试验机进行测量，将样品膜裁剪成15 mm×40 mm的样品，用螺旋测微器在每个样品薄膜上取5个点，测定厚度，取平均值。样品膜在温度为25℃、相对湿度为65%下进行测试。设置Material TestV4.3软件拉力机的拉伸速度为10 mm/min，薄膜断裂后关停拉力机，然后读出拉伸强度及断裂延伸率的值，每组样品做3次试验，取平均值。

1.4 数据分析

试验结果采用Excel软件和MestReNova进行数据处理和分析，Origin 8.5软件作图。

2 结果与分析

2.1 季铵盐壳聚糖的结构表征

2.1.1 红外光谱分析

CS、GTA及其产物季铵盐壳聚糖（HACC）的红外光谱分析见图2。

图2 壳聚糖、2.3-环氧丙基三甲基氯化铵及季铵盐壳聚糖红外光谱Fig.2 Infrared spectra of chitosan，2.3-epoxypropyl trimethylammonium chloride and chitosan quaternary ammonium salt

从图2可以看出，CS的分子结构中存在乙酰基和氨基，CS的乙酰基特征图谱出现于1 650 cm-1左右，这是常见的酰胺Ⅰ带，氨基（-NH2）的特征图谱则出现于1 600 cm-1。而在季铵盐壳聚糖的红外光谱中，在1 485cm-1处出现了与GTA相同的甲基（-CH3）的弯曲振动吸收峰，而在1600cm-1处氨基弯曲振动吸收峰消失，这表明CS的氨基（-NH2）上引入了季铵盐侧链的三甲基基团，故可以确定产物季铵盐壳聚糖已制备成功[12]。

2.1.2 核磁氢谱分析

CS及季铵盐壳聚糖的核磁氢谱如图3所示。

图3 壳聚糖及季铵盐壳聚糖核磁共振氢谱Fig.3 1H-NMR spectra of CS and HACC

从图中CS的1H-NMR可知：化学位移δ=2.0×10-6时的信号归因于 CS的-CH2OH，4.446×10-6（H-1）是杂环 C1上的质子信号，3.036×10-6（H-2）、3.762×10-6（H-3）、3.758×10-6（H-4）、3.637×10-6（H-5）、3.574×10-6（H-6）分别是为杂环羟甲基 C2、C3、C4、C5、C6上的质子信号。经对比分析，在季铵盐壳聚糖1H-NMR中的δ=3.14×10-6时的强信号归因于季铵盐壳聚糖结构的3个甲基，而2.683×10-6（H-a）、4.232×10-6（H-b）、3.323×10-6（H-c）分别为季铵盐壳聚糖取代支链上a、b、c处的质子信号[13]，由此，可以进一步确认所制备产物为季铵盐壳聚糖。

2.2 季铵盐壳聚糖涂膜的机械性能测试

不同取代度（接枝率）的产物季铵盐壳聚糖对季铵盐壳聚糖膜的拉伸强度和断裂延伸率的影响如表2所示。

表2 不同取代度的季铵盐壳聚糖膜的拉伸强度和断裂延伸率Table 2 Tensile strength and elongation at break of chitosan quaternary ammonium salt membrane with different degree of substitution

随着取代度的增加，季铵盐壳聚糖膜的拉伸强度逐渐减小，在取代度为53.5%时拉伸强度取得最大值，为17.74 MPa，而断裂延伸率随取代度的增加呈逐渐增加趋势，表明取代度越大，壳聚糖分子上活性氨基上氢被季铵盐官能团取代的越多，从而引进的羟基数目增多，使膜柔韧性增加，使得机械强度降低，断裂延伸率增加[14]。因此，为保证涂膜具有一定的拉伸强度和断裂延伸率，后续的复合涂膜试验采用取代度为53.5%的季铵盐壳聚糖。

2.3 复合膜的红外光谱分析

不同配比HACC/PVA复合膜的红外谱图如图4所示。

图4 不同比例HACC/PVA复合膜的红外光谱图Fig.4 FTIR spectra of various HACC/PVA composite membrane

对于单纯的PVA膜，3200cm-1～3400cm-1为分子间氢键和-OH伸缩振动峰；当HACC含量大于50%小于100%时，此处的峰开始减弱，说明此时氢键作用弱，会造成复合膜的机械性能下降。2 927 cm-1和1 088 cm-1分别为烷基C-H和-C-O伸缩振动峰。此外3’-OH和5’-OH 的伸缩振动吸收峰分别是 1 060、1 020 cm-1，而在复合膜中向低波移动[15]，与钱嫦云[16]的研究一致，并且吸收峰的强度逐渐减弱，是因为复合膜中的羟基形成了共价键，从而减弱了在两处的吸收峰。另外从图中可以看出随着PVA含量的增加，1 569 cm-1（酰胺Ⅱ弯曲振动）、1 651 cm-1（酰胺Ⅰ弯曲振动）偏移至1 580、1 656 cm-1，并且吸收峰的强度逐渐增加。这是由于氢键的存在使官能团吸收峰产生了位移，上述现象说明HACC与PVA之间存在氢键的作用。

2.4 复合膜的X-射线衍射分析

XRD分析可得出物相的结构及元素的存在状态，若图谱中出现尖锐的衍射峰即为结晶衍射，它与样品的结晶结构以及无定形区域有密切的关系。不同配比HACC/PVA复合膜的XRD谱图如图5所示。

图5 不同配比的HACC/PVA复合膜X射线衍射谱图Fig.5 XRD pattern of HACC/PVA composite membrane with different ratios

由图5可知，所有配比复合膜的晶型类似，衍射峰的位置均在2θ为20°附近。此外季铵盐壳聚糖膜的X射线衍射图谱在11.5°左右出现结晶峰。与文献[17]研究的季铵盐壳聚糖的结晶峰一致。而复合膜中的X射线衍射图谱在11.5°未出现结晶峰。这是由于复合膜中季铵盐壳聚糖与PVA存在着较强的相互作用，从而扰乱了季铵盐壳聚糖原有的晶体结构，导致有些衍射峰消失[18]。这也进一步证明，复合膜中两种物质具有较好的相容性。根据X射线衍射曲线拟合计算分峰法可知纯PVA膜的结晶度为34.12%，纯季铵盐壳聚糖膜的结晶度为20.57%。HACC与PVA配比为1/9、3/7、5/5、7/3、9/1的复合膜相对结晶度分别为 28.71%、25.30%、34.60%、25.78%、17.83%。纯PVA膜和HACC/PVA配比为5/5的复合膜结晶度较高，复合膜的结晶度与其力学性能关系密切，结晶度越高，强度越好，随着季铵盐壳聚糖含量增加，复合膜的结晶度总体上降低，复合膜的强度也降低。

2.5 复合膜的形貌观察

不同配比HACC/PVA复合膜扫描电镜图如图6和7所示。扫描电镜是最直观有效地观察到膜结构和相容性的方法，可直接观察复合膜的自由表面，从而分析薄膜的混合及分布情况[19]，

图6和图7中可以看出季铵盐壳聚糖的添加量对PVA膜的影响，单纯PVA膜表面平整光滑；截面微观形貌可以观察到，纯PVA膜结构紧密，然而，随着季铵盐壳聚糖含量的增加，复合膜电镜图表现出不同的形态。与纯PVA单一体系薄膜相比，季铵盐壳聚糖含量为50%（即HACC/PVA为5/5）表面略显粗糙，仅出现了少量小的团聚，无明显相分离。对应的截面图变得更为细腻，能观察到网络结构，说明在此配比下两者相容性较好，与单纯的季铵盐壳聚糖膜相比，季铵盐壳聚糖的添加量过多时，横截面会有轻微层状结构[20]。而当季铵盐壳聚糖含量达到50%时，相比于其他配比复合膜，复合膜层与层之间结合较为紧密。由图6（B、C、E、F）可以看出相比季铵盐壳聚糖含量为50%时的复合膜表面粗糙程度明显增加。从相应截面也可以看出HACC/PVA配比为5/5时的截面比HACC/PVA配比1/9、3/7、7/3、9/1的截面致密细腻。膜抗拉强度和断裂延伸率数据也证实了这一观点。

图6 不同配比的HACC/PVA复合膜表面扫描电镜图（×30 000）Fig.6 SEM of HACC/PVA composite membrane with different ratios（×30 000）

图7 不同配比HACC/PVA复合膜横截面扫描电镜图（×5 000）Fig.7 SEM of cross section of HACC/PVA composite membrane with different ratios（×5 000）

2.6 复合膜的热性能分析

不同配比HACC/PVA复合膜的热重分析曲线如图8所示。

图8 不同配比HACC/PVA复合膜的热重分析曲线Fig.8 TG curves of HACC/PVA composite membrane with different ratios

不同配比样品膜的热降解过程类似，均分为三个阶段。第一个阶段在30℃～250℃温度区间，热降解速率较小，是因为膜中含有的水分（含结合水）汽化吸收热量[21]；第二个阶段在250℃～450℃温度区间，是热降解速率最快的过程。这主要是交联的成膜聚合物的降解以及成膜焦炭的形成过程[22]；第三个阶段在450℃～800℃温度区间，热降解速率较小，其主要是对应成膜的炭渣热降解。

不同配比HACC/PVA复合膜的热重分析如表3所示。

由表3可知，纯PVA薄膜的最大热降解速率温度为300.44℃，纯HACC薄膜的最大热降解速率温度为258.98℃，随着季铵盐壳聚糖含量的增加，复合膜的最大热降解速率呈下降趋势，但季铵盐壳聚糖含量为50%的复合膜最大热降解速率高于纯PVA膜，这说明50%季铵盐壳聚糖的加入有效地提高了PVA的热稳定性。这是因为季铵盐壳聚糖与PVA之间形成了氢键，获得了比纯PVA热稳定性更强的结构。随着季铵盐壳聚糖含量的增加，复合膜的结晶度呈下降趋势，这与姚云真等[22]结论一致。但当季铵盐壳聚糖含量为50%时，复合膜的结晶度高于纯PVA膜。即结晶态的减弱表示热稳定性降低，这与吴富奇等[11]结论一致。

表3 不同配比HACC/PVA复合膜的热重分析Table3 TG of HACC/PVA composite membrane with different ratios

2.7 复合膜的水蒸气透过率分析

根据以上复合膜的性能表征和结构表征可以看出，季铵盐壳聚糖含量差距较小时对复合膜的性能和结构影响不大，故选取5种复合膜测水蒸气透过率。复合膜的水蒸气透过率如表4所示。

表4 复合膜的水蒸气透过率Table 4 Water vapor transmission rate of composite membrane

从表4可以看出，由HACC膜密封的称量瓶的水蒸气透过率最高，与HACC具有良好的亲水性密切相关；HACC/PVA 复合膜中，5/5（HACC/PVA）时的水蒸气透过率最低，即膜的阻湿性最高，说明这一比例下复合膜中两聚合物之间的相互作用效果最好，使得膜的质地最为密实。

2.8 复合膜的机械性能测试分析

图9为不同比例HACC/PVA复合膜的机械性能测试曲线。

从图9中可以看出随着HACC添加量的增加，复合膜的拉伸强度逐渐增加，断裂延伸率逐渐减小，其值均介于复合膜不含HACC和PVA时的机械性能之间，HACC/PVA复合膜（5/5）具有较为适中的拉伸强度和断裂延伸率。上述XRD测试分析的结论得以证实。结晶度越高，力学性能越好。这些现象可能是因为HACC的壳聚糖主链上含有环状结构，阻碍了分子链的运动和旋转，因而分子链柔性差而刚性大，当其与柔性较好的聚乙烯醇共混时，两种高分子链之间形成氢键相互作用，从而拉伸强度逐渐增加、断裂延伸率逐渐降低。

图9 不同比例HACC/PVA复合膜的力学性能测试Fig.9 Mechanical properties test of HACC/PVA composite membrane in different proportions

3 结论

本试验以季铵盐对壳聚糖进行修饰改性，并探究不同取代度的季铵盐壳聚糖制备的季铵盐壳聚糖膜的机械性能，采用溶液共混法制得季铵盐壳聚糖/聚乙烯醇复合膜，通过傅里叶红外光谱、热重分析、扫描电镜、水蒸气透过率分析、机械性能测试表征复合膜的结构和性能确定复合膜最佳制备体积比，得出的结论：1）不同取代度对季铵盐壳聚糖膜的拉伸强度和断裂延伸率有显著的影响，随着取代度的增加，季铵盐壳聚糖膜的拉伸强度逐渐减小，在取代度为53.5%时拉伸强度取得最大值17.74 MPa，而断裂延伸率随取代度的增加呈逐渐增加趋势。2）当3%季铵盐与3%的聚乙烯醇以体积比为5/5时，涂膜具有最优性能，复合膜拉伸强度为16.52 MPa，断裂延伸率为56.55%，结晶度为34.60%，水蒸气透过率为98.71 g/（m2·h）。涂膜的最大失重速率为83.20%，最大失重速率温度为347.21℃。