方健，羅小雪，鄒玉蕾

(北京林業(yè)大學(xué)，北京，100083)

淀粉和殼聚糖都是自然界豐富的可再生資源，都有一定的生物相容性和生物降解性。近年來，人們對用淀粉與殼聚糖來制取各種環(huán)境友好材料進(jìn)行了大量的研究。通過共混，可以使各組分高分子之間相互作用，以達(dá)到協(xié)同增效的目的。這種材料有極其廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，其中包括高附加值的吸附劑、膜材料等。尤其在人們普遍關(guān)注白色污染的今天，開展這方面的研究工作意義更大。但目前開發(fā)的淀粉/殼聚糖基材料雖然存在力學(xué)性能不高、抑菌性能不好和抗水性差等不足，但可以通過第三組分的添加，提高共混材料的性能。

本文主要對比研究2種殼聚糖-淀粉-纖維素衍生物可食膜的性質(zhì)及結(jié)構(gòu)。將羧甲基纖維素鈉和甲基纖維素分別加入淀粉-殼聚糖膜中，制備出共混膜，對2種共混膜的力學(xué)性能、透濕性、透明性、耐酸耐堿性以及抗菌性等多種性能進(jìn)行測試，并采用X射線衍射法、掃描電鏡、熱重分析對可食膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，將其與殼聚糖膜、淀粉-殼聚糖可食膜的各項(xiàng)性能、結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，從而研究不同纖維素衍生物對淀粉-殼聚糖可食膜性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與試劑

殼聚糖，脫乙酰度≥90.0%，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;羧甲基纖維素鈉，分析純，天津市津科精細(xì)化工研究所;甲基纖維素，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;馬鈴薯淀粉、乙酸、丙三醇、乙二醇、氫氧化鈉、鹽酸、氯化鈉、無水磷酸氫二鈉、磷酸二氫鉀，均為國產(chǎn)分析純試劑;牛肉膏、蛋白胨、瓊脂粉均為國產(chǎn)生化試劑。

供試菌:金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)、大腸桿菌(Escherichia coli)，由北京林業(yè)大學(xué)生物學(xué)院提供。

普通營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基和磷酸鹽緩沖液按照GB/T21510－2008配置。

1.2 主要設(shè)備和儀器

精密增力電動攪拌器(JJ-1)，北京市永光明醫(yī)療儀器廠;電熱恒溫水浴鍋(DZKW-D-2)，北京市永光明醫(yī)療儀器廠;脫泡機(jī)(TP-08)，北京東方泰陽科技有限公司;循環(huán)水式多用真空泵(SHB-Ⅲ)，鄭州長城科工貿(mào)有限公司;智能電子拉力機(jī)(XLW(L)-PC)，濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司;透濕性測試儀(TSY-T1)，濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司;可見分光光度計(jì)(Spectrumlab 22pc)，上海棱光技術(shù)有限公司;厚度計(jì)(7327)，日本三豐公司;恒溫振蕩器(THZ-C)，太倉市實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠;手提式壓力蒸汽消毒器(GMSX-C)，北京市永光明醫(yī)療儀器廠;生化培養(yǎng)箱(SPX-250B)，上海浦東榮豐科學(xué)儀器有限公司;單人單面凈化工作臺(SW-CJ-1FD)，蘇州凈化。

1.3 薄膜的制備

1.3.1 羧甲基纖維素鈉溶液的配制

將1 g羧甲基纖維素鈉加入60 mL蒸餾水，在65℃的水浴條件下充分?jǐn)嚢瑁敝镣耆芙鉃橥该鳡铕こ硪后w，即得到0.03 g/mL的羧甲基纖維素鈉溶液。

1.3.2 甲基纖維素溶液的配制

取3 g甲基纖維素溶于100 mL蒸餾水中，在65℃的水浴條件下溶解，溶解過程中不斷攪拌，溶解3h后從水浴中取出，靜置12 h，用80目的標(biāo)準(zhǔn)篩過濾，得到0.03 g/mL的甲基纖維素溶液。

1.3.3 可食膜的制備

將殼聚糖溶于體積分?jǐn)?shù)6%的乙酸溶液中，在45℃的水浴鍋中溶解，溶解過程中進(jìn)行機(jī)械攪拌，完全溶解后，制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的殼聚糖溶液。將馬鈴薯淀粉溶于水溶液中，在80℃的水浴中充分糊化，糊化過程中不斷進(jìn)行攪拌，防止淀粉凝結(jié)，制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的淀粉溶液。將淀粉溶液和殼聚糖溶液按固含量1∶1的比例充分混合，并加入適量增塑劑，使混合液在80℃恒溫條件下共混一段時(shí)間，再分別加入羧甲基纖維素鈉溶液和甲基纖維素鈉溶液，制得兩種混合液，使殼聚糖與羧甲基纖維素鈉、殼聚糖與甲基纖維素的質(zhì)量比均為2∶1。混合液冷卻后放入真空脫泡機(jī)內(nèi)脫泡。將膜液均勻鋪在光滑干燥的聚酯涂硅膜上，靜置直至膜自然脫落，制得淀粉-殼聚糖-纖維素衍生物可食膜。

1.4 薄膜物理性能測試

1.4.1 力學(xué)性能的測試

力學(xué)性能測試標(biāo)準(zhǔn)參照GB/T13022－1991。

1.4.2 透濕性的測試

透濕性測試標(biāo)準(zhǔn)參照GB/T 1037－1988。

1.4.3 透明性的測試

將膜切成10 mm×60 mm的矩形。用透明膠帶紙貼于比色皿表面，用分光光度計(jì)，分別在460、480、540、600 nm下，以蒸餾水作為標(biāo)準(zhǔn)物，以比色皿作為空白參照物，分別測定膜的透光率(T)，以透光率的大小間接表示膜的透明度。每種膜做4組平行實(shí)驗(yàn)，取平均值，作為試驗(yàn)結(jié)果。

1.4.4 耐酸耐堿性的測試

將膜切成若干個(gè)20 mm×20 mm的矩形，分別浸入不同的酸堿液中，觀察記錄膜在酸堿液中溶解的情況，記錄觀察溶解現(xiàn)象。酸堿溶液包括:2%乙酸、0.1 mol/L HCl、6 mol/L HCl、1%NaOH、4%NaOH。

1.4.5 抗菌性的測試

抗菌性試驗(yàn)參照國標(biāo)GB/T 21510－2008，菌落計(jì)數(shù)按中華人民共和國衛(wèi)生部《化妝品衛(wèi)生規(guī)范》(2002版)中菌落總數(shù)測定方法，試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)菌種為金黃色葡萄球菌和大腸桿菌。

抗菌率R按式(1)計(jì)算:

式中:R，抗菌率，%;A，對照樣品與受試菌接觸一定時(shí)間后平均回收菌數(shù)，單位為菌落形成單位每毫升(CFU/mL);B，試驗(yàn)樣品與受試菌接觸一定時(shí)間后平均回收菌數(shù)，單位為菌落形成單位(CFU/mL)。

1.5 薄膜結(jié)構(gòu)觀測與表征

1.5.1 X射線衍射(XRD)測定

采用日本SHIMADZU公司生產(chǎn)的XRD-6000型X射線衍射儀進(jìn)行測定。XRD測試條件:輻射管電壓40 kV，輻射管電流30 mA，掃描范圍5～60°，步長0.2°，掃描速度2°/min。

1.5.2 掃描電鏡(SEM)觀察

用日本Hiachi公司S-3000N型掃描電鏡觀察可食膜，真空噴金后觀察膜的表面、截面形貌并拍照。

1.5.3 熱重(TGA)分析

采用島津 DTG-60(H)分析儀測定，升溫速率10℃ /min，通入 N2，流量為 20 mL/min，樣品量 8 ～9 mg。

2 結(jié)果與分析

2.1 理化與生物學(xué)特性分析

2.1.1 可食膜的力學(xué)性能

將制備好的3種可食膜切成15 mm×150 mm，然后浸入1%或4%NaOH溶液中1 h后取出，自然干燥1 d后測其力學(xué)性能，試驗(yàn)結(jié)果見圖1、圖2。

圖1 不同可食膜的抗拉強(qiáng)度

從圖1可以看出，未經(jīng)堿液浸泡的可食膜中，加入羧甲基纖維素鈉溶液使膜的抗拉強(qiáng)度有所下降。可能的原因是CMCNa帶有負(fù)電荷，而殼聚糖含有正電荷，混合后由于電荷的中和，減少了氫鍵的作用，所以膜抗拉強(qiáng)度有所下降。加入甲基纖維素溶液使膜的抗拉強(qiáng)度顯著增大，這種現(xiàn)象的主要原因可能是殼聚糖分子中含有疏水鍵乙?；?，而在甲基纖維素中有大量的親水性基團(tuán)如羥基、甲基等。在成膜過程中，隨著水分的不斷散失，分子間的氫鍵結(jié)合更強(qiáng)烈了，同時(shí)分子間的力也隨之增大。

圖2 不同可食膜的伸長率

經(jīng)過1%和4%NaOH溶液浸泡的3種膜的強(qiáng)度非常接近。經(jīng)過1%堿液浸泡的淀粉-殼聚糖膜和淀粉-殼聚糖-羧甲基纖維素膜的抗拉強(qiáng)度明顯優(yōu)于未處理膜，其原因可能是殼聚糖膜是酸處理膜，酸性條件下分子中第二位的—NH2上帶有正電荷，在成膜過程中正電荷相互排斥，使膜的結(jié)構(gòu)相對較為松散，而堿處理則使膜的結(jié)構(gòu)更加致密。而加入甲基纖維素的膜經(jīng)過NaOH溶液浸泡后抗拉強(qiáng)度比未浸泡的有所降低。從圖2可以看出，未經(jīng)堿液浸泡的可食膜中，加入羧甲基纖維素鈉溶液使膜的伸長率明顯增大。其原因是帶負(fù)電荷的CMCNa與含有正電荷的殼聚糖通過靜電作用形成高分子離子復(fù)合物。加入甲基纖維素溶液對膜的伸長率的影響并不大。淀粉-殼聚糖-羧甲基纖維素鈉可食膜經(jīng)過NaOH溶液浸泡后，伸長率比未經(jīng)堿液浸泡的膜要小很多，與未加CMCNa的膜伸長率相當(dāng)，柔度明顯降低。淀粉-殼聚糖膜和淀粉-殼聚糖-甲基纖維素膜經(jīng)過NaOH溶液浸泡后，其伸長率略有增大。

2.1.2 可食膜的透濕性

圖3 可食膜的透濕量

從圖3中可以看出，羧甲基纖維素鈉和甲基纖維素的加入增大了淀粉-殼聚糖膜的水蒸氣透過量，原因可能是纖維素衍生物中的親水基團(tuán)使水蒸氣透過量上升。

2.1.3 可食膜的透明性

由圖4可知，各膜在460 nm處對應(yīng)的透光率最小，表明該波長為最大吸收波長。

圖4 可食膜的透明性

由試驗(yàn)得知，加入羧甲基纖維素鈉和甲基纖維素的薄膜比淀粉-殼聚糖膜的透光率下降較多。原因可能是由于膜中的粒子粒度較大且不均勻，導(dǎo)致透光率下降，導(dǎo)致界面由于光的散射或反射而使膜的透明度降低。

2.1.4 可食膜的耐酸耐堿性

各種膜浸入酸堿溶液中，其現(xiàn)象基本一樣。從表1中可以看出，膜在稀酸中明顯溶脹，這是因?yàn)樵谙∷嶂?，殼聚糖的主鏈會緩慢水解。而在堿液中，膜緩慢卷曲，不溶脹。這是由于殼聚糖與淀粉都是親水性的高分子材料，在堿液中，膜會吸濕卷曲，但并不溶解。

表1 可食膜的耐酸堿性

2.1.5 可食膜的抗菌性

通過公式(1)計(jì)算得出各種膜的抗菌率如圖5所示。

由圖5可以看出，各種殼聚糖膜對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌均具有明顯的抗菌性，抗菌率都達(dá)到90%以上，且對于金黃色葡萄球菌的抗菌性明顯優(yōu)于對大腸桿菌的抗菌性。其中純殼聚糖膜和淀粉-殼聚糖膜對金黃色葡萄球菌的抗菌效果最好，抗菌率達(dá)到99.9%，淀粉-殼聚糖-甲基纖維素膜對大腸桿菌的抗菌效果最好，抗菌率達(dá)93.3%。殼聚糖的抗菌作用主要有以下2種機(jī)理:一種是殼聚糖通過吸附在細(xì)胞表面，形成一層高分子膜，阻止了營養(yǎng)物質(zhì)向細(xì)胞內(nèi)的運(yùn)輸，從而起到抑菌殺菌作用;另外一種機(jī)理是殼聚糖通過滲透進(jìn)入細(xì)胞體內(nèi)，吸附細(xì)胞體內(nèi)帶有陰離子的細(xì)胞質(zhì)，并發(fā)生絮凝作用，擾亂細(xì)胞正常的生理活動，從而殺滅細(xì)菌。因?yàn)榻瘘S色葡萄球菌和大腸桿菌的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)不同，兩種作用對其影響程度也不同。對于金黃色葡萄球菌，前一種作用機(jī)理起主導(dǎo)作用。而對于大腸桿菌來講，后一種作用機(jī)理起主導(dǎo)作用。［1］本試驗(yàn)中采用的殼聚糖分子量較大，故在細(xì)胞表面形成的外層膜致密，能阻止?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞，因而對金黃色葡萄球菌的抗菌作用效果更明顯。

圖5 可食膜的抗菌性

2.2 結(jié)構(gòu)表征

2.2.1 X射線衍射分析

馬鈴薯淀粉、殼聚糖及各共混膜的X射線衍射光譜見圖6和圖7。馬鈴薯淀粉的衍射峰出現(xiàn)在17°處，殼聚糖的衍射峰位于12°、20.2°，羧甲基纖維素鈉的衍射峰位于 27.4°、31.8°、45.6°，甲基纖維素的衍射峰位于 8.4°、13.2°、20.4°、44°。若羧甲基纖維素鈉或甲基纖維素、馬鈴薯淀粉、殼聚糖之間沒有相互作用或相互作用很弱，則在其共混膜中會有各自的結(jié)晶區(qū)，衍射峰則會表現(xiàn)為膜中各組分按共混比例簡單的疊加。但實(shí)際上，由于共混物的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，圖6d中19.4°處的特征衍射峰、圖7d中20.2°處的特征衍射峰變得更寬，馬鈴薯淀粉、殼聚糖、羧甲基纖維素鈉、甲基纖維纖維素的特征峰幾乎消失。這些變化證實(shí)了共混膜各組分之間存在強(qiáng)的相互作用并具有很好的相容性。

圖6 殼聚糖(a)、淀粉(b)、羧甲基纖維素鈉(c)和三元共混膜(d)的X射線衍射圖

圖7 殼聚糖(a)、淀粉(b)、甲基纖維素(c)和三元共混膜(d)的X射線衍射圖

2.2.2 掃描電鏡分析

采用SEM對殼聚糖膜，淀粉-殼聚糖-羧甲基纖維素鈉可食膜、淀粉-殼聚糖-甲基纖維素可食膜表面和斷面進(jìn)行初步分析，掃描電鏡照片如圖8所示。

圖8 純殼聚糖膜(a)、淀粉-殼聚糖-羧甲基纖維素鈉膜(b)、淀粉-殼聚糖-甲基纖維素膜(c)的掃描電鏡照片(表面)

由圖8可以看出，膜a和膜c表面均較光滑致密平整，所以甲基纖維素和淀粉、殼聚糖之間相容性較好。純殼聚糖膜中的部分雜質(zhì)可能是由于殼聚糖溶液過濾時(shí)，沒有過濾完全，以致有少量殼聚糖固體殘留。而膜b表面較粗糙。從肉眼直接觀察看到的是3種膜都比較均勻平整。

圖9 純殼聚糖膜(a)、淀粉-殼聚糖-羧甲基纖維素鈉膜(b)、淀粉-殼聚糖-甲基纖維素膜(c)的掃描電鏡照片(斷面)

在圖9中，3種膜斷面紋理清晰，雖然膜斷面凸凹不平，但沒有出現(xiàn)分層。以上說明，淀粉-殼聚糖-羧甲基纖維素鈉膜及淀粉-殼聚糖-甲基纖維素膜有很好的相容性，并且各組分之間存在相互作用。

2.2.3 熱重分析

由圖10中可以看出，羧甲基纖維素鈉、殼聚糖二者開始分解的溫度相差不大，這主要是由纖維素與殼聚糖相似的結(jié)構(gòu)決定的。羧甲基纖維素鈉(圖10b)開始分解的溫度為233.98℃，分解速率在275.92～298.86℃內(nèi)最大;殼聚糖粉末(圖10a)開始分解的溫度為210.65℃，分解速率在262.28～320.31℃內(nèi)最大;淀粉粉末(圖10c)開始分解的溫度為258.16℃，其主要分解溫度在288.19～328.57℃的范圍內(nèi)最大。羧甲基纖維素鈉-淀粉-殼聚糖復(fù)合膜(圖10d)開始分解的溫度為86.80℃，其主要分解溫度在130.10～313.17℃內(nèi)，且其分解曲線在232.89℃處有明顯的轉(zhuǎn)折。結(jié)合四者的曲線圖可以看出，在258.16～313.17℃內(nèi)，殼聚糖粉末、淀粉粉末、羧甲基纖維素鈉粉末的失重率均大于淀粉-殼聚糖-羧甲基纖維素鈉膜，這說明羧甲基纖維素鈉與淀粉、殼聚糖分子之間存在著較強(qiáng)的相互作用，這種作用是復(fù)合膜失重率較小的主要原因，而且復(fù)合膜分解完全時(shí)的溫度介于殼聚糖、淀粉、羧甲基纖維素鈉之間，且在232.89℃處失重的轉(zhuǎn)折點(diǎn)也說明了羧甲基纖維素鈉和淀粉、殼聚糖三者之間有強(qiáng)相互作用。

圖11中甲基纖維素(圖11b)開始分解溫度為232.56℃，分解速率在294.61～378.40℃內(nèi)最大;三元共混膜(圖11d)開始分解的溫度為76.65℃，其主要分解溫度在139.84～351.59℃內(nèi)，且其分解曲線在220.31℃處有明顯的轉(zhuǎn)折。結(jié)合四者的曲線圖可以看出，在258.16～351.59℃內(nèi)，殼聚糖、淀粉、甲基纖維素的失重率均大于三元共混膜，這說明甲基纖維素與淀粉、殼聚糖分子之間也存在著較強(qiáng)的相互作用，這種作用是甲基纖維素-淀粉-殼聚糖復(fù)合膜失重率較小的主要原因。

圖10 殼聚糖(a)、羧甲基纖維素鈉(b)、淀粉(c)和三元共混膜(d)的熱重曲線

圖11 殼聚糖(a)、甲基纖維素(b)、淀粉(c)和三元共混膜(d)的熱重曲線

3 結(jié)論

(1)加入羧甲基纖維素鈉使可食膜的抗拉強(qiáng)度有所下降，而伸長率卻明顯增大;加入甲基纖維素使可食膜的抗拉強(qiáng)度顯著增大，而伸長率的變化并不大。羧甲基纖維素鈉或甲基纖維素的加入都增大了淀粉-殼聚糖膜的水蒸氣透過量，羧甲基纖維素鈉的影響更大。復(fù)合膜的透明性隨著羧甲基纖維素納和甲基纖維素的加入而下降。2種可食膜均在稀酸中緩慢水解，在濃酸中不溶解;在堿液中吸濕卷曲，但不溶解。

(2)淀粉-殼聚糖-羧甲基纖維素膜與淀粉-殼聚糖-甲基纖維素膜對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌都有明顯的抗菌性，而且對前者的抗菌性明顯優(yōu)于后者。

(3)X射線衍射及熱重分析結(jié)果表明可食膜中羧甲基纖維素鈉、淀粉、殼聚糖及甲基纖維素、淀粉、殼聚糖有較強(qiáng)的相互作用;掃描電鏡結(jié)果表明淀粉-殼聚糖-纖維素衍生物可食膜表面較均勻平整，斷面無分層，說明各組分間相容性較好。

［1］ 鄭連英，朱江峰，孫昆山.殼聚糖的抗菌性能研究［J］．材料科學(xué)與工程，2000，18(2):22－24.

［2］ 趙國華，鄭剛，劉麗丹，等.抗菌木薯淀粉可食膜的研究［J］．食品與發(fā)酵工業(yè)，2010，36(4):84－87.

［3］ 馬浩，鄭長青，李毅群.纖維素/殼聚糖復(fù)合膜的制備及結(jié)構(gòu)表征［J］．纖維素科學(xué)與技術(shù)，2010，18(2):33－37.

［4］ 岳曉華，沈月新，壽霞，等.殼聚糖－甲基纖維素復(fù)合膜的制作研究與性能測定［J］．農(nóng)產(chǎn)品加工·學(xué)刊，2005，34(3):28 －30，34.

［5］ 田春美，鐘秋平.木薯淀粉/殼聚糖可食復(fù)合膜的制備及性能研究［J］．食品研究與開發(fā)，2006，27(7):25－29.

［6］ 邵自強(qiáng)，王飛俊，譚惠民，等.纖維素與殼聚糖混合體系膜的性能研究［J］．纖維素科學(xué)與技術(shù)，2002，10(1):8－11.

［7］ 王群，杜予民，樊李紅，等.殼聚糖-淀粉-苯甲酸鈉三元共混膜的結(jié)構(gòu)和性能［J］．武漢大學(xué)學(xué)報(bào):理學(xué)版，2003，49(6):725 －730.

［8］ 劉鄰渭，陳宗道，王光慈.可食性甲基纖維素膜的制作及性質(zhì)研究［J］．食品工業(yè)科技，1995(5):7－9.

［9］ Park S Y，Marsh K S，Rhim J W.Characteristics of different molecular weight chitosan films affected by the type of organic solvents［J］．Journal of Food Science，2002，67(1):194－197.

［10］ Jong-Whan Rhim，Seok-In Hong，Hwan-Man Park，et al.Preparation and characterization of chitosan-based nanocomposite films with antimicrobial activity［J］．Journal of Agricultural and Food Chemistry，2006，54(16):5 814－5 822.