辛颖，张华超，薛伟，*（.东北林业大学工程技术学院，黑龙江哈尔滨50040；.吉林省白河林业局，吉林延边33000）



基于牛蒡提取液的壳聚糖膜改性研究

辛颖1，张华超2，薛伟1，*
（1.东北林业大学工程技术学院，黑龙江哈尔滨150040；2.吉林省白河林业局，吉林延边133000）

摘要：为改善壳聚糖膜性能，使用牛蒡提取液改性壳聚糖，制备不同配比的壳聚糖/牛蒡提取液复合膜。通过FTIR及SEM照片发现复合膜分子间形成氢键，表面较光滑、未出现分相。随着牛蒡提取液质量浓度增加，复合膜的抗拉强度先增加后减小，在0.10g/mL时抗拉强度最大为（51.76±1.02）MPa；断裂伸长率先减小后增加，在0.12 g/mL时最大为（48.06± 2.11）%；O2、CO2透过率和水蒸气透过率均先减小后增加，在0.08 g/mL时最小分别为（0.11±0.02）（nl·m）/（h·m2·Pa）、（0.38±0.04）（nl·m）/（h·m2·Pa）、（5.01±0.03）（mg·m）/（h·m2·kPa），复合膜透氧系数/透CO2系数＜＜1；接触角降低；抑菌率和·OH清除率增加，分别在0.10、0.08g/mL时达到100%，比壳聚糖膜提升了2.8、6.7倍。研究结果为壳聚糖/牛蒡提取液复合膜的生产和使用提供了有益参考。

关键词：牛蒡；壳聚糖；复合膜；性能

随着绿色包装概念的提出以及消费者对食品安全关注程度的提升，聚乙烯、聚氯乙烯等被广泛应用于食药领域的包装材料因不可再生、降解等弊端已不能满足实际生产需要。因此可食用、可降解材料的研发已经成现今的研究热点［1-3］。壳聚糖（Chitosan，CS）是多糖甲壳素经过脱乙酰化得到的产物，价格低廉、易于加工，以CS为基材制备的涂膜具有无毒无污染、气体渗透性良好的特点，在果蔬保鲜中有很好的应用［4-5］，但因CS透湿性高，抗氧化性、抑菌性、力学性能较差，至今不能完全满足实际生产需要，目前常用无机氧化物、淀粉、植物蛋白等对其改性，但这些材料存在成本高或功能单一等缺陷［6-7］。牛蒡（Arctium lappa L.，AL）又名东洋参，可入药，也可食用，是一种营养价值极高的保健产品，Chan［8］等研究表明牛蒡醇提取物（Arctium lappa L.Extract，ALE）具有很强的抑菌性和抗氧化性，薛伟等［9-10］制备了壳聚糖/牛蒡提取物复合膜，并以圣女果为例验证了其保鲜性能，但并未对成膜机理进行讨论。本文以CS为基材，ALE为改性材料，再加入适量甘油制备ALE/CS复合膜，表征后测试并讨论复合膜的力学性能、透气性、透湿性、抗氧化性及抑菌性，为ALE/CS复合膜的进一步优化提供理论参考。

1　材料与方法

1.1材料与试剂

牛蒡：购自哈尔滨，为江苏徐州产新林1号；壳聚糖（脱乙酰度达≥97%）：杭州富丽生物科技有限公司；甘油（食品级）：上海榕柏生物技术有限公司。

1.2仪器与设备

CHY-U型薄膜厚度测试仪：济南三泉中石实验仪器有限公司；WDW-E微机控制电子万能试验机：济南科盛实验设备有限公司；FEI Quanta扫描电子显微镜：江苏万科科教仪器有限公司；JJ-2高速组织捣碎机：亿通电子有限公司；UV765PC紫外分光光度计：杭州汇尔仪器设备有限公司；TENSOR 27傅立叶红外光谱仪：布鲁克公司；JC2000P接触角测量仪：上海中晨数字技术设备有限公司。

1.3方法

1.3.1复合液及膜制备

称取一定量的CS溶于体积分数为1%的乙酸溶液中制得CS溶液备用。将牛蒡根切块置于2%的柠檬酸溶液中浸泡20 min后干燥粉碎，将得到的粉末放入70%的乙醇中，50℃恒温水浴提取时间1 h后过滤三次，滤液旋转蒸发至质量浓度为1 g/mL，用棕色试剂瓶盛装，4℃保存备用。将ALE与CS溶液混合（复合液组成及分组见表1）。

表1　 共混液组成及分组Table 1　Composite membrane composition and grouping

加入适量甘油，调节pH为4.0，搅匀后静置脱泡。将复合液分别置于培养皿中流延，在40℃烘箱中烘干后用10%的氢氧化钠凝固65 s，立即用水将氢氧化钠冲洗干净，最后揭膜晾干。

1.3.2性能测试

1.3.2.1结构表征

结构表征使用FEI Quanta扫描电子显微镜和TENSOR 27傅立叶红外光谱仪进行。

1.3.2.2厚度测试

膜厚度测试使用CHY-U型薄膜厚度测试仪。

1.3.2.3机械性能

抗拉强度及断裂伸长率测定按照GB/T 1040.3-2006（塑料拉伸性能的测定第3部分：薄塑和薄片的试验条件》规定的方法进行［11］。

1.3.2.4透湿性

水蒸气透过系数测定参采用拟杯子法［12］。将待测膜裁成直径为2.5 cm的圆形密封在装有CaCl2的测试瓶口，置于密封容器中（相对湿度为90%，温度为40℃），每隔24 h称量瓶重的变化，得到水蒸气透过膜的量，共测3次取平均值。按下式计算PW：

PW=W×T/（t×A×ΔP）

式中：PW为水蒸气透过系数，（mg·m）/（h·m2·kPa）；W为重量差，mg；T为膜厚度，m；A为膜面积，m2；t为测试时间，h；ΔP为测试瓶内外气压差，kPa。

1.3.2.5透气性

ALE/CS的透气性测定在的体积增加方法［13］基础上略作修改。用待测膜将密闭不锈钢容器分成两室，向1室中冲入CO2（O2），一定时间后在2室取样测定CO2（O2）质量浓度，具体计算见下式：

P=（V·ρ·T）/（A·t·ΔP）

式中：P为气体透过率，（nl·m）/（h·m2·Pa）；V为2室内体积，m3；ρ为2室内测试气体密度，mL/m3；T为膜厚度，m；A为膜面积，m2；t为测试时间，h；ΔP为测试瓶内外气压差，kPa。

1.3.2.6接触角

接触角测定使用JC2000P接触角测量仪进行。

1.3.2.7抑菌率

制备LB（Luria-Bertani）培养基（胰蛋白胨10 g，酵母粉5 g，NaCl 10 g，蒸馏水1000 mL，用1 mol/L NaOH调节pH为7.0～7.2，在高压蒸气灭菌器中于0.1 MPa下灭菌30 min），培养基（10mL）中分别加入1 mL不同配比的复合液，混匀后向各管加入0.1 mL大肠杆菌菌悬液（浓度约为1.0×107CFU/mL），混匀37℃培养24 h。分光光度计在600 nm处测试吸光度值。

式中：ODCK为初始吸光度值；OD为24h吸光度值。

1.3.2.8·OH清除率。

·OH清除率测定采用邻菲罗啉法［14］，Fenton反应是产生·OH的主要反映，反应式为：Fe2++H2O2→Fe3+OH-+·OH。用比色分析法测定体系产生的·OH，反应体系见表2。

表2　·OH清除率反应体系Table 2　The reaction system of radical scavenging mL

其中Fe2SO4质量浓度为9 mmol/L，H2O2质量浓度为16 mmol/L，磷酸缓冲液pH为7.4，反应温度为37℃，测试在536 nm处第1、3组的吸光度值（以第2组为参比）。

清除率计算如下：

式中：A1为第1组吸光度值；A3为第三组吸光度值。

1.3.3数据处理

采用Origin9.0软件绘图。数据用SPSS 19.0进行统计分析，采用新复极差法进行方差分析，检验差异显著性。

2　结果与分析

2.1傅立叶光谱分析（Fourier Translation Infrared spectroscopy，FTIR）

CS膜及ALE/CS复合膜的FTIR见图1。

图1　壳聚糖单膜及复合膜FTIRFig.1　The FTIR of CS and ALE/CS composite films

各组复合膜FTIR基本相同，但与CS膜差异较大，说明ALE与CS发生了反应。在CS膜的FTIR中，1 637 cm-1的吸收峰归属于ν（N-H）的伸缩震动，1 401 cm-1处的吸收峰归属于δ（O-H）的面内弯曲振动。比较后发现：复合膜1 637 cm-1处的ν（N-H）吸收峰变宽并向低波数移动至1 628 cm-1处，894 cm-1处的β-糖苷键吸收峰向低波数移动至886 cm-1处，随着ALE质量浓度的增加两吸收峰渐宽，这表明共混液反应产生氢键而且随着ALE质量浓度的增加氢键减少，这些氢键可能是CS同ALE中的酸性物质反应形成的；复合膜在1 401 cm-1处的δ（O-H）吸收峰随着ALE质量浓度增加吸收峰渐窄，表明ALE使复合膜中的δ（O-H）含量增加，这些δ（O-H）归属于ALE中具有抑菌性的多酚类物质及其他亲水性基团；复合膜在663 cm-1和584 cm-1处出现两个新的吸收峰，前者是CO2干扰造成的，后者属于ALE中多糖的ν（C-CO）伸缩振动。

2.2SEM照片分析

CS膜及ALE/CS复合膜的SEM照片见图2。

图2　壳聚糖单膜及复合膜SEM照片Fig.2　The SEM photographs of CS and ALE/CS composite films

图2中CS膜表面比较光滑、紧致，复合膜表面比较平整，随着ALE质量浓度的增加复合膜表面平整度降低，这是为因为ALE中有大量的游离基团，与壳聚糖复合后，暴露在复合膜表面，当ALE质量浓度小于0.10 g/mL时随其增加复合膜表面白色结晶体增加，而ALE质量浓度大于0.10 g/mL时开始减少，复合膜的结晶度与成膜性是相对应的，ALE质量浓度过高时成膜性下降，结晶度降低。综合各图得出：复合膜未出现分相，CS与ALE之间的相容性较好，ALE的添加有利于CS结晶，在0.10 g/mL时最佳。

2.3牛蒡提取物对复合膜厚度的影响

CS膜及ALE/CS复合膜的厚度见图3。

由图3可知，复合膜厚度的范围为（22.38±0.23）μm～（23.21±0.15）μm，均大于CS膜而且与ALE质量浓度没有明显的函数关系，但随着ALE质量浓度的增加先增大后减小，由于CS是等量的，所以ALE和水的含量是造成这一变化的主要因素。由FTIR可知ALE质量浓度增加后复合膜中亲水性δ（O-H）和游离多糖增加，这使得膜含水量增加，厚度变大。但ALE质量浓度过高时复合膜结晶度下降，成膜性降低导致结构分散，厚度略微减小。这与张赟彬［15］等制备的薰衣草提取物/壳聚糖复合膜厚度变化基本一致，但并不代表这一规律具有普遍性，因为试验条件、CS分子量、提取植物种类等的不同都会使测试结果发生变化。

2.4牛蒡提取物对复合膜机械性能的影响

CS膜及ALE/CS复合膜的抗拉强度和断裂伸长率见图4。

图3　 壳聚糖单膜及复合膜厚度Fig.3　Thickness of CS and ALE/CS composite films

图4　壳聚糖单膜及复合膜机械性能Fig.4　The tensile strength and elongatian at break of CS and ALE/ CS composite films

由图4可知，CS膜的抗拉强度为（36.23±0.73）MPa，断裂伸长率为（32.64±0.68）%，添加ALE后复合膜的抗拉强度明显提高且随其质量浓度增加先增加后减小，在ALE质量浓度为0.10 g/mL时抗拉强度最大，为（51.76±1.02）MPa，由FITR可知ALE可以与CS形成氢键使分子间相互作用力变大，抗拉强度增加，但ALE的加入使复合膜的亲水性提升，复合膜吸水膨胀结构疏松，而且ALE与CS共混后成膜液中形成的NH3+会与CS分子质子化基团间产生静电排斥力，对分子之间结合造成影响，这又会导致抗拉强度下降，这些影响在ALE质量浓度为0.10 g/mL时达到临界状态。复合膜的断裂伸长率先下降后上升，在ALE质量浓度为0.04 g/mL时最低，为（28.65±0.23）%，ALE的加入使复合膜在碱处理时凝固速度加快导致断裂伸长率下降，但在0.04 g/mL～0.12 g/mL时因为复合膜网状结构松散，游离的亲水性基团破坏了CS的大分子链，造成断裂伸长增加。综合以上分析得出，ALE质量浓度在0.8 g/mL～0.12 g/mL时复合膜机械性能较好。

2.5牛蒡提取物对复合膜透湿性的影响

CS膜及ALE/CS复合膜的透湿性见图5。

图5　壳聚糖单膜及复合膜水蒸气透过系数Fig.5　The water vapor transmission rate of CS and ALE/CS composite films

由图5可知，CS膜的水蒸气透过系数为（5.19± 0.13）（mg·m）/（h·m2·kPa），随ALE质量浓度的增加复合膜的水蒸气透过系数先减小后增大，在0.08 g/mL时最低，为（5.01±0.03）（mg·m）/（h·m2·kPa），ALE与CS分子间形成氢键使复合膜结合紧密，通透性下降，复合膜水蒸气透过系数降低，当ALE质量浓度过高时亲水性基团增多促使复合膜吸水膨胀，结构疏松，通透性提升，水蒸气透过系数变大。在生产使用中保鲜膜的水蒸气透过系数是实现保鲜性能的重要因素，在合理范围内透过系数越低保鲜效果越好，所以ALE质量浓度为0.08 g/mL时效果最佳。

2.6牛蒡提取物对复合膜透气性的影响

CS膜及ALE/CS复合膜的透气性见图6。

图6　壳聚糖单膜及复合膜透气系数Fig.6　The air permeability coefficient of CS and ALE/CS composite films

由图6可知，CS膜的O2和CO2透过系数分别为（0.21±0.01）、（0.54±0.03）（nl·m）/（h·m2·Pa），复合膜的O2和CO2透过系数随着ALE质量浓度的增加均先降低后增加，因为随着ALE质量浓度增加复合膜网状结构致密，透气性降低，当质量浓度过高时复合膜成膜性差，透气性增加，在0.08 g/mL时最小，分别为（0.11± 0.02）、（0.38±0.04）（nl·m）/（h·m2·Pa）；由图还可以看出复合膜透O2系数/透CO2系数＜＜1，这是因为气体对高分子化合物的透气系数P=D·S（D为扩散系数；S为溶解系数），CO2和O2向空气的扩散系数基本一致，但前者在CS中的溶解度较大，所以CO2的透气系数比O2的透气系数大［16］。在果蔬保鲜中，复合膜透O2系数/透CO2系数＜＜1既能够保证果蔬进行呼吸，维持其生命的延续，又能控制和减缓其呼吸强度，延长果蔬采后寿命［17-18］。

2.7牛蒡提取物对复合膜接触角的影响

CS膜及ALE/CS复合膜的接触角见图7。

图7　 壳聚糖单膜及复合膜接触角Fig.7　Water contact angle of CS and ALE/CS composite films

由图7可知，CS膜的接触角为73.21°±0.23°，这与张赟彬［15］等所得结果基本一致，复合膜的接触角随着ALE质量浓度的增加线性下降，在ALE质量浓度为0.10 g/mL时达到最小值68.15°±0.37°，由FITR可知加入ALE后，复合膜中的亲水基团增加，亲水性增强，而且结合SEM照片也可以看出随ALE质量浓度增大，游离的多糖分子增多使复合膜表面粗糙，复合膜亲水性增强，接触角逐渐减小。

2.8牛蒡提取物对复合膜抑菌率的影响

表3　壳聚糖单膜及复合膜抑菌率Table 3　The bacteriostatic rate of CS and ALE/CS composite films

表3为CS膜及ALE/CS复合膜的抑菌率。

由表3可知，CS膜的抑菌率为（36.24±0.54）%，本试验使用的CS分子量较大为230 000，部分有效抑菌基团-NH3+包裹在CS分子链中，无法发挥作用，所以抑菌率较低［19］。随ALE质量浓度增加复合膜的抑菌率非线性增加，在0.08 g/mL时达到100%，与CS膜相比提升了2.6倍。CS分子中的-NH3+可以与细菌细胞膜上的类脂-蛋白质反应，使细胞膜通透性提升，这样ALE中带有正电荷的1，11-十三碳二烯-3，5，7，9-四炔；1，3，11-十三碳三烯-5，7，9-三炔，以及绿原酸等化合物可以快速的渗入细菌细胞内部，损坏细菌细胞的内容物、酶、蛋白质、核酸［20］等生命物质，同时CS形成一层高分子膜吸附在细胞表面，抑制营养物质向细胞内的运输及呼吸作用，两者共同作用下抑菌率明显提升。

2.9牛蒡提取物对复合膜·OH清除率的影响

图8　壳聚糖单膜及复合膜·OH清除率Fig.8　The aximum scavenging rate of·OH of CS and ALE/CS composite films

由8图可知，CS膜的·OH清除率仅有（15.2±0.43）%，添加ALE后·OH清除率明显提升而且随ALE质量浓度的增加逐渐增加，在0.10 g/mL时达到100%，是CS膜的6.7倍。·OH是已知最强的氧化剂，ALE中的酚酸衍生物（1-O-，5-O-二咖啡酰基奎宁酸，1-O-，5-O-双咖啡酰-3-O-酮基戊酸奎宁酸；1-O-，5-O-双咖啡酰-4-O-酮基戊酸奎宁酸；1-O-，5-O-双咖啡酰-3-O-，4-O-丁二酰奎宁酸；1-O-，3-O-，5-O-三咖啡酰基-4-O-丁二酰酮基戊酸奎宁酸等）及绿原酸上的-H可以与· OH发生还原反应，与CS共混后双重抗氧化作用使· OH清除率提升。

3　结论

ALE对复合膜性能的影响主要归结于3个方面：首先是ALE与CS形成氢键，对复合膜的机械性能影响明显；其次是ALE使复合膜亲水性增强，复合膜吸收溶胀，通透性变化明显；最后是ALE中含有游离的基团，对复合膜的表面平整度影响明显。ALE对复合膜性能影响的具体结论如下：

1）通过FTIR和SEM照片分析得出，ALE/CS复合膜分子间形成氢键，表面较光滑，未出现分相，亲水性强。

2）ALE/CS复合膜厚度范围为（22.38±0.23）μm～（23.21±0.15）μm，机械性能提升，透气、湿性能降低，其中透氧系数/透CO2系数＜＜1，接触角降低，亲水性好，抑菌率和·OH清除率比CS膜分别提升了2.8、6.7倍。

3）ALE对CS膜的各项性能影响优略不一，在实际应用中要针对具体性能要求选择ALE质量浓度，为了更好的提升复合膜性能，后续试验中会尝试加入明胶、吐温-80等材料进一步提升综合性能，并通过保鲜试验来测试其实用价值。

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DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2016.11.010

作者简介：辛颖（1977—），女（汉），副教授，博士，从事复合包装材料研究。

*通信作者：薛伟（1962—），男（汉），教授，博士，从事复合包装材料研究。

收稿日期：2015-05-13

Study on the Influence of Arctium lappa L.Extracts to Chitosan

XIN Ying1，ZHANG Hua-chao2，XUE Wei1，*

（1.College of Engineering&Technology，Northeast Forestry University，Harbin 150040，Heilongjiang，China；2.Baihe Forestry Bureau，Yanbian 133000，Jilin，China）

Abstract：The performance of composite film made of chitosan and Arctium lappa L.extraction with different mix ratio were tested.The Arctium lappa L.extractions were mainly used to modify the chitosan properties.The result showed that the surface of composite film became smooth and there were no split phase.Besides，with Arctium lappa L.extracts increased，tensile strength of composite membrane increased after the first decreases，and maximum was（51.76±1.02）MPa when the concentration was 0.10 g/mL；breaking elongation reduced after the first increases，when the concentration was 0.12 g/mL up to（48.06±2.11）%；transmittance of O2，CO2and water vapor through the first decrease in increasing，be the smallest when the concentration was 0.08 g/mL，re spectivelywas（0.11±0.02）（nl·m）/（h·m2·Pa），（0.38±0.04）（nl·m）/（h·m2·Pa），（5.01±0.03）（mg·m）/（h·m2·kPa）. The ratio of O2permeability coefficient and CO2permeability coefficient in composite film was far less than 1.0；contact Angle decreased；antibacterial rate and·OH clearance increases，and up to 100%，the concentration，respectively，was 0.10，0.08 g/mL，membrane increased 2.8，6.7 times than chitosan.The results of the study provided a useful reference of the composite use in production.

Key words：Arctium lappa L.；chitosan；composite film；performance