潘晴彥，周闖，楊子明，何祖宇，王超，劉運浩，宋書會，谷會，于麗娟，李雪瑞，屈云慧，李普旺

（1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院南亞熱帶作物研究所，海南省熱帶園藝產(chǎn)品采后生理與保鮮重點實驗室，廣東湛江524091；2.華中農(nóng)業(yè)大學食品科學技術學院，湖北武漢430070；3.云南省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，云南昆明650000）

殼聚糖為天然多糖甲殼素脫除部分乙酰基的產(chǎn)物，具有生物降解性、生物相容性、無毒性、抑菌、成膜等多種生理功能[1-2]。殼聚糖資源的合理開發(fā)利用能提高甲殼動物的經(jīng)濟價值[3]，同時還能滿足很多的應用要求，但其水溶性較差，因此限制了殼聚糖在實際生活中的應用[4]。通過功能化改性可以提高殼聚糖的物化性能，該法是拓寬殼聚糖實際應用的主要途徑[5-6]。以季銨鹽修飾殼聚糖也可以擴大其應用范圍，是目前研究的熱點之一。季銨鹽殼聚糖是指把季銨鹽基團引入殼聚糖的氨基和羥基官能團上而獲得的一類衍生物[7]。季銨鹽殼聚糖衍生物不僅具有季銨鹽典型的吸濕、保濕和抗菌等特征，而且還保留了殼聚糖原有的易成膜性、易相容性以及易降解性等特點，是一種理想的成膜材料[8]。張艷艷[9]等采用異相法合成季銨鹽殼聚糖，對其溶液的性質進行研究，結果發(fā)現(xiàn)，季銨鹽殼聚糖具有較好的穩(wěn)定性。包艷玲[10]以化學改性劑對殼聚糖進行改性，反應生成季銨鹽殼聚糖，通過研究，季銨鹽殼聚糖較殼聚糖具有更好的抑菌性能。本文以季銨鹽對殼聚糖進行修飾改性，可以提高殼聚糖的物化性能。以產(chǎn)物季銨鹽殼聚糖為原料，與聚乙烯醇進行復合，采用共混法制得季銨鹽殼聚糖/聚乙烯醇復合膜。通過傅里葉紅外光譜、熱重分析、掃描電鏡、水蒸氣透過率分析、機械性能測試來表征殼聚糖復合膜結構及性能以確定復合膜物理機械性能的最優(yōu)制備條件。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

殼聚糖（chitosan，CS，黏度＜400 mPa·s，脫乙酰度＞80%）、2，3-環(huán)氧丙基三甲基氯化銨（glycidyl trimethyl ammonium chloride，GTA，含量95%）、鉻酸鉀（含量99.5%）：上海麥克林生化科技有限公司；納米二氧化鈦（TiO2，親水親油型，銳鈦型含量99.8%，平均粒徑5 nm～10 nm），聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）:阿拉丁試劑（上海）有限公司；丙三醇、異丙醇、硝酸銀、氫氧化鈉（均為分析純）：廣東光華科技股份有限公司。

1.2 儀器與設備

FTS3000型傅里葉紅外光譜儀：美國伯樂公司；Avance400核磁共振波譜儀：德國Bruker公司；集熱式恒溫加熱磁力攪拌器：杭州大力科教儀器有限公司；FreeZone 4.5L真空冷凍干燥機：北京照生行儀器設備有限公司；pH-10型pH計、RW20 digital型IKA數(shù)顯頂置機械攪拌器：湛江科銘科技有限公司；DTG-60型差熱熱重聯(lián)用儀：日本島津公司；UTM5000電子萬能試驗機：深圳三思泰科技有限公司；TG328A型分析天平：鄭州華致科技有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 季銨鹽殼聚糖（chitosan quaternary ammonium salt，HACC）的合成

稱取2.5 g CS于100 mL異丙醇中，在60℃～90℃磁力攪拌作用下溶解6 h，并用1% NaOH調節(jié)pH值至8～9。將一定質量的GTA加入CS溶液中，在60℃～90℃下恒溫攪拌反應6 h～36 h。待反應結束后，將溶液透析3d以除去未反應的GTA。最后通過真空冷凍干燥48h，得到季銨鹽殼聚糖，其合成圖如圖1所示。

圖1 季銨鹽殼聚糖的合成Fig.1 The synthesis scheme of chitosan quaternary ammonium salt

1.3.2 季銨鹽殼聚糖取代度的測定

季銨鹽殼聚糖的取代度用滴定法測定。準確稱取100 mg季銨鹽殼聚糖，溶解于25 mL去離子水中，后用NaOH調節(jié)溶液的pH值（控制在8.2～9.6之間），以8%鉻酸鉀作為指示劑，取1 mL指示劑加入季銨鹽殼聚糖溶液中，用0.05 mol/L的硝酸銀緩緩滴定，溶液出現(xiàn)磚紅色為滴定終點，用式（1）計算取代度（degree of substitution ，DS）。

式中：C為硝酸銀的濃度，mol/L；V為消耗硝酸銀的體積，mL；W為被滴定季銨鹽殼聚糖的質量，g

1.3.3 季銨鹽殼聚糖的結構表征

傅里葉變換紅外（Fourier transform infrared，F(xiàn)TIR）光譜表征：采用FTS3000型傅里葉紅外光譜儀，將改性后的季銨鹽殼聚糖研磨成粉末，采用KBr壓片法制得待測樣品。FTIR光譜對樣品進行測定，采集并記錄光譜數(shù)據(jù)，根據(jù)特征吸收峰推斷其化學結構。掃描范圍從 4 000 cm-1～400 cm-1，掃描間距為 4 cm-1。

核磁共振波譜（nuclear magnetic resonance，1HNMR）表征：將適量的季銨鹽殼聚糖溶解在重水中，設定磁場強度為299.95 MHz，化學位移以10-6表示，以四甲基硅烷作為內(nèi)標，譜線寬度3 264.1 MHz，掃描記錄1H-NMR圖。

1.3.4 季銨鹽殼聚糖涂膜的制備

稱取1.2 g的季銨鹽殼聚糖于燒杯中，加入40 mL去離子水，利用超聲處理HACC溶液使其完全溶解，制備成3%的HACC溶液。流延涂板，將脫氣后的HACC溶液倒入水平面玻璃板（30 cm×30 cm）中，使其均勻流延。室溫（25℃）靜置24 h得到HACC膜?？疾觳煌〈鹊腍ACC對成膜性能的影響，測其拉伸強度和斷裂延伸率。

1.3.5 季銨鹽殼聚糖復合膜的制備

1.3.5.1 PVA的溶解

稱取1.2 g的PVA于三口燒瓶中，加入40 mL去離子水，在電動攪拌下水浴加熱，逐漸升溫到80℃～90℃后，恒溫加熱攪拌1 h，制備成3%的PVA溶液。

1.3.5.2 季銨鹽殼聚糖的溶解

稱取1.2 g的季銨鹽殼聚糖于燒杯中，加入40 mL去離子水，利用超聲處理季銨鹽殼聚糖溶液使其完全溶解，制備成3%的季銨鹽殼聚糖溶液。

1.3.5.3 超聲脫氣

將1.3.5.1和1.3.5.2中溶液按不同體積比混合后得到HACC/PVA復合膜溶液，將所得混合溶液超聲脫氣。

HACC/PVA混合溶液混合比例如表1所示。

表1 HACC/PVA混合溶液的組成Table 1 Composition of HACC/PVA mixed solution

1.3.5.4 流延涂板

將脫氣后的復合膜液倒入水平面玻璃板（30 cm×30 cm）中，使其均勻流延。室溫（25℃）靜置24 h得到復合膜。

1.3.6 復合膜的紅外光譜表征

室溫（25℃）下，采用FTS3000型傅里葉紅外光譜儀對復合膜直接掃描測定，掃描范圍為4 000cm-1～500cm-1。

1.3.7 復合膜的X-射線衍射（X-ray diffraction，XRD）分析

采用X-射線衍射儀對復合膜晶體結構進行分析，銅靶，入射線波長0.1542nm，Ni濾波片，管壓40 kV，管流40mA，掃描角度 2θ為 5°～40°，掃描速度為 10°/min。使用X射線衍射儀對ZSM-5顆粒和膜樣品進行分析，將樣品裁剪成20 mm×20 mm的正方形，測試條件：使用Cu靶輻射（波長λ=0.154 nm），電流 40 mA，電壓40 kV，掃描速度 10 °/min，掃描范圍：5°～70 °。

1.3.8 復合膜的形貌觀察

將干燥的復合膜裁剪成合適大小，粘在導電膠上、噴金后，用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察其表面和橫截面形態(tài)。

1.3.9 復合膜的熱性能分析

N2保護下，以10℃/min的升溫速率，在室溫（25℃）至790℃范圍內(nèi)，用DTG-60型熱重分析儀測定復合膜的熱重（thermogravimetry，TG）。

1.3.10 復合膜的水蒸氣透過率分析

根據(jù)美國試驗材料學會標準E96-05W的檢測方法[11]稍作改動，測定可食膜的水蒸汽透過系數(shù)（water vapor permeance，WVP），先用移液管移取10 mL去離子水于干凈稱量皿（25 mm×40 mm）中，然后用制成的復合膜將皿口緊緊密封，用橡皮筋緊緊固定，準確稱重（W1）后放入溫度為（23±2）℃，相對濕度為（50±5）%的恒溫恒濕箱中，每24 h測稱量皿的質量（W2），至稱量皿質量變化趨于穩(wěn)定。直到前后兩次質量變化量相差不大于5%時，方可結束試驗。注意每次稱量時，透濕皿的先后順序應一致，稱量時間不得超過間隔時間的1%。按下面公式計算復合膜的水蒸氣透過率（X）。

式中：S 為皿口面積，m2；T 為間隔時間，h；X 為水蒸氣透過率，g/（m2·h）。每個數(shù)據(jù)取3個樣品進行測量，結果取平均值。

1.3.11 復合膜的機械性能測試

根據(jù)ASTM D882-12測試膜的機械性能，用萬能試驗機進行測量，將樣品膜裁剪成15 mm×40 mm的樣品，用螺旋測微器在每個樣品薄膜上取5個點，測定厚度，取平均值。樣品膜在溫度為25℃、相對濕度為65%下進行測試。設置Material TestV4.3軟件拉力機的拉伸速度為10 mm/min，薄膜斷裂后關停拉力機，然后讀出拉伸強度及斷裂延伸率的值，每組樣品做3次試驗，取平均值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗結果采用Excel軟件和MestReNova進行數(shù)據(jù)處理和分析，Origin 8.5軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 季銨鹽殼聚糖的結構表征

2.1.1 紅外光譜分析

CS、GTA及其產(chǎn)物季銨鹽殼聚糖（HACC）的紅外光譜分析見圖2。

圖2 殼聚糖、2.3-環(huán)氧丙基三甲基氯化銨及季銨鹽殼聚糖紅外光譜Fig.2 Infrared spectra of chitosan，2.3-epoxypropyl trimethylammonium chloride and chitosan quaternary ammonium salt

從圖2可以看出，CS的分子結構中存在乙?；桶被?，CS的乙?；卣鲌D譜出現(xiàn)于1 650 cm-1左右，這是常見的酰胺Ⅰ帶，氨基（-NH2）的特征圖譜則出現(xiàn)于1 600 cm-1。而在季銨鹽殼聚糖的紅外光譜中，在1 485cm-1處出現(xiàn)了與GTA相同的甲基（-CH3）的彎曲振動吸收峰，而在1600cm-1處氨基彎曲振動吸收峰消失，這表明CS的氨基（-NH2）上引入了季銨鹽側鏈的三甲基基團，故可以確定產(chǎn)物季銨鹽殼聚糖已制備成功[12]。

2.1.2 核磁氫譜分析

CS及季銨鹽殼聚糖的核磁氫譜如圖3所示。

圖3 殼聚糖及季銨鹽殼聚糖核磁共振氫譜Fig.3 1H-NMR spectra of CS and HACC

從圖中CS的1H-NMR可知：化學位移δ=2.0×10-6時的信號歸因于 CS的-CH2OH，4.446×10-6（H-1）是雜環(huán) C1上的質子信號，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）分別是為雜環(huán)羥甲基 C2、C3、C4、C5、C6上的質子信號。經(jīng)對比分析，在季銨鹽殼聚糖1H-NMR中的δ=3.14×10-6時的強信號歸因于季銨鹽殼聚糖結構的3個甲基，而2.683×10-6（H-a）、4.232×10-6（H-b）、3.323×10-6（H-c）分別為季銨鹽殼聚糖取代支鏈上a、b、c處的質子信號[13]，由此，可以進一步確認所制備產(chǎn)物為季銨鹽殼聚糖。

2.2 季銨鹽殼聚糖涂膜的機械性能測試

不同取代度（接枝率）的產(chǎn)物季銨鹽殼聚糖對季銨鹽殼聚糖膜的拉伸強度和斷裂延伸率的影響如表2所示。

表2 不同取代度的季銨鹽殼聚糖膜的拉伸強度和斷裂延伸率Table 2 Tensile strength and elongation at break of chitosan quaternary ammonium salt membrane with different degree of substitution

隨著取代度的增加，季銨鹽殼聚糖膜的拉伸強度逐漸減小，在取代度為53.5%時拉伸強度取得最大值，為17.74 MPa，而斷裂延伸率隨取代度的增加呈逐漸增加趨勢，表明取代度越大，殼聚糖分子上活性氨基上氫被季銨鹽官能團取代的越多，從而引進的羥基數(shù)目增多，使膜柔韌性增加，使得機械強度降低，斷裂延伸率增加[14]。因此，為保證涂膜具有一定的拉伸強度和斷裂延伸率，后續(xù)的復合涂膜試驗采用取代度為53.5%的季銨鹽殼聚糖。

2.3 復合膜的紅外光譜分析

不同配比HACC/PVA復合膜的紅外譜圖如圖4所示。

圖4 不同比例HACC/PVA復合膜的紅外光譜圖Fig.4 FTIR spectra of various HACC/PVA composite membrane

對于單純的PVA膜，3200cm-1～3400cm-1為分子間氫鍵和-OH伸縮振動峰；當HACC含量大于50%小于100%時，此處的峰開始減弱，說明此時氫鍵作用弱，會造成復合膜的機械性能下降。2 927 cm-1和1 088 cm-1分別為烷基C-H和-C-O伸縮振動峰。此外3’-OH和5’-OH 的伸縮振動吸收峰分別是 1 060、1 020 cm-1，而在復合膜中向低波移動[15]，與錢嫦云[16]的研究一致，并且吸收峰的強度逐漸減弱，是因為復合膜中的羥基形成了共價鍵，從而減弱了在兩處的吸收峰。另外從圖中可以看出隨著PVA含量的增加，1 569 cm-1（酰胺Ⅱ彎曲振動）、1 651 cm-1（酰胺Ⅰ彎曲振動）偏移至1 580、1 656 cm-1，并且吸收峰的強度逐漸增加。這是由于氫鍵的存在使官能團吸收峰產(chǎn)生了位移，上述現(xiàn)象說明HACC與PVA之間存在氫鍵的作用。

2.4 復合膜的X-射線衍射分析

XRD分析可得出物相的結構及元素的存在狀態(tài)，若圖譜中出現(xiàn)尖銳的衍射峰即為結晶衍射，它與樣品的結晶結構以及無定形區(qū)域有密切的關系。不同配比HACC/PVA復合膜的XRD譜圖如圖5所示。

圖5 不同配比的HACC/PVA復合膜X射線衍射譜圖Fig.5 XRD pattern of HACC/PVA composite membrane with different ratios

由圖5可知，所有配比復合膜的晶型類似，衍射峰的位置均在2θ為20°附近。此外季銨鹽殼聚糖膜的X射線衍射圖譜在11.5°左右出現(xiàn)結晶峰。與文獻[17]研究的季銨鹽殼聚糖的結晶峰一致。而復合膜中的X射線衍射圖譜在11.5°未出現(xiàn)結晶峰。這是由于復合膜中季銨鹽殼聚糖與PVA存在著較強的相互作用，從而擾亂了季銨鹽殼聚糖原有的晶體結構，導致有些衍射峰消失[18]。這也進一步證明，復合膜中兩種物質具有較好的相容性。根據(jù)X射線衍射曲線擬合計算分峰法可知純PVA膜的結晶度為34.12%，純季銨鹽殼聚糖膜的結晶度為20.57%。HACC與PVA配比為1/9、3/7、5/5、7/3、9/1的復合膜相對結晶度分別為 28.71%、25.30%、34.60%、25.78%、17.83%。純PVA膜和HACC/PVA配比為5/5的復合膜結晶度較高，復合膜的結晶度與其力學性能關系密切，結晶度越高，強度越好，隨著季銨鹽殼聚糖含量增加，復合膜的結晶度總體上降低，復合膜的強度也降低。

2.5 復合膜的形貌觀察

不同配比HACC/PVA復合膜掃描電鏡圖如圖6和7所示。掃描電鏡是最直觀有效地觀察到膜結構和相容性的方法，可直接觀察復合膜的自由表面，從而分析薄膜的混合及分布情況[19]，

圖6和圖7中可以看出季銨鹽殼聚糖的添加量對PVA膜的影響，單純PVA膜表面平整光滑；截面微觀形貌可以觀察到，純PVA膜結構緊密，然而，隨著季銨鹽殼聚糖含量的增加，復合膜電鏡圖表現(xiàn)出不同的形態(tài)。與純PVA單一體系薄膜相比，季銨鹽殼聚糖含量為50%（即HACC/PVA為5/5）表面略顯粗糙，僅出現(xiàn)了少量小的團聚，無明顯相分離。對應的截面圖變得更為細膩，能觀察到網(wǎng)絡結構，說明在此配比下兩者相容性較好，與單純的季銨鹽殼聚糖膜相比，季銨鹽殼聚糖的添加量過多時，橫截面會有輕微層狀結構[20]。而當季銨鹽殼聚糖含量達到50%時，相比于其他配比復合膜，復合膜層與層之間結合較為緊密。由圖6（B、C、E、F）可以看出相比季銨鹽殼聚糖含量為50%時的復合膜表面粗糙程度明顯增加。從相應截面也可以看出HACC/PVA配比為5/5時的截面比HACC/PVA配比1/9、3/7、7/3、9/1的截面致密細膩。膜抗拉強度和斷裂延伸率數(shù)據(jù)也證實了這一觀點。

圖6 不同配比的HACC/PVA復合膜表面掃描電鏡圖（×30 000）Fig.6 SEM of HACC/PVA composite membrane with different ratios（×30 000）

圖7 不同配比HACC/PVA復合膜橫截面掃描電鏡圖（×5 000）Fig.7 SEM of cross section of HACC/PVA composite membrane with different ratios（×5 000）

2.6 復合膜的熱性能分析

不同配比HACC/PVA復合膜的熱重分析曲線如圖8所示。

圖8 不同配比HACC/PVA復合膜的熱重分析曲線Fig.8 TG curves of HACC/PVA composite membrane with different ratios

不同配比樣品膜的熱降解過程類似，均分為三個階段。第一個階段在30℃～250℃溫度區(qū)間，熱降解速率較小，是因為膜中含有的水分（含結合水）汽化吸收熱量[21]；第二個階段在250℃～450℃溫度區(qū)間，是熱降解速率最快的過程。這主要是交聯(lián)的成膜聚合物的降解以及成膜焦炭的形成過程[22]；第三個階段在450℃～800℃溫度區(qū)間，熱降解速率較小，其主要是對應成膜的炭渣熱降解。

不同配比HACC/PVA復合膜的熱重分析如表3所示。

由表3可知，純PVA薄膜的最大熱降解速率溫度為300.44℃，純HACC薄膜的最大熱降解速率溫度為258.98℃，隨著季銨鹽殼聚糖含量的增加，復合膜的最大熱降解速率呈下降趨勢，但季銨鹽殼聚糖含量為50%的復合膜最大熱降解速率高于純PVA膜，這說明50%季銨鹽殼聚糖的加入有效地提高了PVA的熱穩(wěn)定性。這是因為季銨鹽殼聚糖與PVA之間形成了氫鍵，獲得了比純PVA熱穩(wěn)定性更強的結構。隨著季銨鹽殼聚糖含量的增加，復合膜的結晶度呈下降趨勢，這與姚云真等[22]結論一致。但當季銨鹽殼聚糖含量為50%時，復合膜的結晶度高于純PVA膜。即結晶態(tài)的減弱表示熱穩(wěn)定性降低，這與吳富奇等[11]結論一致。

表3 不同配比HACC/PVA復合膜的熱重分析Table3 TG of HACC/PVA composite membrane with different ratios

2.7 復合膜的水蒸氣透過率分析

根據(jù)以上復合膜的性能表征和結構表征可以看出，季銨鹽殼聚糖含量差距較小時對復合膜的性能和結構影響不大，故選取5種復合膜測水蒸氣透過率。復合膜的水蒸氣透過率如表4所示。

表4 復合膜的水蒸氣透過率Table 4 Water vapor transmission rate of composite membrane

從表4可以看出，由HACC膜密封的稱量瓶的水蒸氣透過率最高，與HACC具有良好的親水性密切相關；HACC/PVA 復合膜中，5/5（HACC/PVA）時的水蒸氣透過率最低，即膜的阻濕性最高，說明這一比例下復合膜中兩聚合物之間的相互作用效果最好，使得膜的質地最為密實。

2.8 復合膜的機械性能測試分析

圖9為不同比例HACC/PVA復合膜的機械性能測試曲線。

從圖9中可以看出隨著HACC添加量的增加，復合膜的拉伸強度逐漸增加，斷裂延伸率逐漸減小，其值均介于復合膜不含HACC和PVA時的機械性能之間，HACC/PVA復合膜（5/5）具有較為適中的拉伸強度和斷裂延伸率。上述XRD測試分析的結論得以證實。結晶度越高，力學性能越好。這些現(xiàn)象可能是因為HACC的殼聚糖主鏈上含有環(huán)狀結構，阻礙了分子鏈的運動和旋轉，因而分子鏈柔性差而剛性大，當其與柔性較好的聚乙烯醇共混時，兩種高分子鏈之間形成氫鍵相互作用，從而拉伸強度逐漸增加、斷裂延伸率逐漸降低。

圖9 不同比例HACC/PVA復合膜的力學性能測試Fig.9 Mechanical properties test of HACC/PVA composite membrane in different proportions

3 結論

本試驗以季銨鹽對殼聚糖進行修飾改性，并探究不同取代度的季銨鹽殼聚糖制備的季銨鹽殼聚糖膜的機械性能，采用溶液共混法制得季銨鹽殼聚糖/聚乙烯醇復合膜，通過傅里葉紅外光譜、熱重分析、掃描電鏡、水蒸氣透過率分析、機械性能測試表征復合膜的結構和性能確定復合膜最佳制備體積比，得出的結論：1）不同取代度對季銨鹽殼聚糖膜的拉伸強度和斷裂延伸率有顯著的影響，隨著取代度的增加，季銨鹽殼聚糖膜的拉伸強度逐漸減小，在取代度為53.5%時拉伸強度取得最大值17.74 MPa，而斷裂延伸率隨取代度的增加呈逐漸增加趨勢。2）當3%季銨鹽與3%的聚乙烯醇以體積比為5/5時，涂膜具有最優(yōu)性能，復合膜拉伸強度為16.52 MPa，斷裂延伸率為56.55%，結晶度為34.60%，水蒸氣透過率為98.71 g/（m2·h）。涂膜的最大失重速率為83.20%，最大失重速率溫度為347.21℃。