殼聚糖馬來酸鹽的制備及其膜性能

李 英,趙婉君,葉 霞,丁俊陽,劉長霞

(滄州師范學院化學與化工學院,河北滄州 061001)

殼聚糖是甲殼素的脫乙?；a物,自然界中唯一的堿性多糖,無毒、生物相容性好,具有良好的成膜性、吸附性和抗菌性,在食品、農業、醫藥和環保等領域廣泛應用[1-4]。殼聚糖只能溶解在酸性介質中,大大限制了其應用范圍[5]。殼聚糖酸溶液不能長期貯存,在實際應用中需要現用現配,操作繁瑣,應用不方便[6]。固體殼聚糖鹽是殼聚糖發生質子化成鹽反應的產物,溶解性能好,生物相容性好,制備工藝簡單,是非常重要的殼聚糖應用形態[7-8],在抑菌膜、衛生材料、食品保鮮等方面被廣泛應用[9-12]。為進一步改善殼聚糖的溶解性、提高殼聚糖鹽的功能性,開發新型固體殼聚糖鹽具有重要的現實意義。

馬來酸化學名稱為順丁烯二酸,作為一種不飽和二元酸,如果與殼聚糖發生質子化成鹽反應,不僅能改善殼聚糖的溶解性能,還可能起到超分子組裝作用,提高殼聚糖鹽的功能性質。馬來酸在食品、醫藥、農藥等方面應用廣泛[13],但是有關殼聚糖馬來酸鹽(Ch-Ma)的研究未見文獻報道。本文采用半濕研磨法制備固體Ch-Ma,通過流延法制備Ch-Ma膜,并對其結構、理化性能進行研究,為新的功能性殼聚糖鹽的制備提供一定的思路。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

殼聚糖 脫乙酰度85.7%,粘度200 cps,濟南海得貝海洋生物工程有限公司;馬來酸 分析純,天津市化學試劑一廠;醋酸 分析純,天津市科密歐化學試劑有限公司。

PHSJ-3F實驗室pH計 上海雷磁儀器廠;NDJ-8S數顯粘度計 上海精密科學儀器有限公司;Nicolet-is5傅里葉變換紅外光譜儀 賽默飛世爾科技有限公司;TM3030臺式掃描電鏡 日本株式會社日立高新技術那珂事業所;TD3000 X-射線衍射儀 丹東通達科技有限公司;CMT6202微機控制電子萬能試驗機 美特斯工業系統(中國)有限公司深圳分公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 Ch-Ma的制備、結構表征和理化性能測定方法

1.2.1.1 制備方法 稱取固體馬來酸0.947 g,溶解在3～4 mL去離子水中,配制馬來酸水溶液。稱取1.50 g干燥殼聚糖置于研缽中(殼聚糖氨基與馬來酸羧基的物質的量比為1∶2),一邊向研缽中緩慢滴加馬來酸水溶液,一邊充分研磨,得到潮濕、蓬松狀的固體,置于鼓風干燥箱中,50 ℃干燥6 h,得到固體Ch-Ma。同樣方法制備了殼聚糖醋酸鹽(Ch-Ac)[14]。

1.2.1.2 結構表征 紅外光譜(FT-IR)表征:分別取少量的殼聚糖、Ch-Ma和Ch-Ac與適量的KBr混合,充分研磨,在壓力約20 MPa下壓片1.5 min,掃描范圍4000～400 cm-1,測繪紅外光譜圖。

X-射線衍射光譜(XRD)表征:將殼聚糖、Ch-Ma和Ch-Ac樣品充分研磨、壓片,測繪X-射線衍射光譜圖。工作條件:CuKa(λ=1.5406 ?),電壓為10 kV,電流為40 mA,掃描速率0.01 °/s,掃描范圍為4～50 °。

1.2.1.3 理化性能測定 分別量取100.00 mL去離子水于7個燒杯中,用0.10 mol/L HCl和0.10 mol/L NaOH溶液調節pH至2.0、4.0、7.0、9.0、11.0、12.0和13.0。稱取1.00 g Ch-Ma分別加入到上述不同pH的水溶液介質中,磁力攪拌,觀察其溶解情況并用pH計測定上述Ch-Ma水溶液的pH。將上述溶液靜置至無氣泡,用NDJ-8S數顯粘度計測定其粘度。

1.2.2 Ch-Ma膜、Ch-Ac膜的制備、結構表征及性能測定方法

1.2.2.1 制備方法 準確稱取1.00 g Ch-Ma若干份,分別溶于100.00 mL pH2.0、3.0、5.0、7.0、9.0、11.0的水溶液介質中,磁力攪拌1.5 h至完全溶解,靜置脫泡后移取一定量的溶液,均勻平鋪于潔凈干燥的塑料培養皿上,置于鼓風干燥箱中,55 ℃干燥3.5 h,膜與培養皿分離之后揭膜,保存備用。同樣方法制備Ch-Ac膜。

1.2.2.2 結構表征 掃描電子顯微鏡(SEM)表征:分別將Ch-Ma膜、Ch-Ac膜固定于導電膠上,置于離子濺射儀中噴金60 s,利用SEM觀察其形貌。

XRD表征:分別將Ch-Ma膜、Ch-Ac膜置于X-射線衍射儀中,測繪XRD光譜,測試條件同1.2.1.2。

紫外光譜(UV)表征:將Ch-Ma膜小心固定于比色皿的一側,以空氣為參照,測定其200～400 nm的吸收光譜,同時測定Ch-Ma水溶液的UV光譜。

1.2.2.3 透光性測定方法 將1.2.2.1制備的備用膜剪成40 mm×10 mm大小,隨機選取五個點測定膜的厚度,計算平均值。然后,將其小心固定于比色皿的一側,使其無折皺,在可見光(λ=480 nm)下,以空氣作為參照,測定膜的透光率(%)[15]。

1.2.2.4 孔隙率測定 將1.2.2.1制備的備用膜剪成40 mm×10 mm大小,隨機選取五個點測定膜的厚度,計算其平均值(mm)。首先稱量樣品膜的質量(M0),然后將其浸入無水乙醇中,2 h后取出,用濾紙吸干膜表面的乙醇并稱重(Mt);每組3個平行樣品。膜的孔隙率P(%)計算公式如下[16]:

其中,Mt為2 h后膜的質量(g),M0為膜的初始質量(g),ρ是乙醇在20 ℃時的密度(0.789 g/mL),V是樣品膜的體積(mL)。

1.2.2.5 吸水率測定方法 1.2.2.1制備的備用膜剪成10 mm×10 mm大小,將其浸入4% NaOH溶液浸泡0.5 h,蒸餾水沖洗五次,置于鼓風干燥箱中,55 ℃干燥3.5 h。首先稱量膜初始質量M0,然后將其浸泡于水中60 min,取出,濾紙吸干膜表面的水,再稱量樣品膜的質量Mt,每組3個平行樣品。樣品膜的吸水率W(%),參照文獻[17]方法求得:

1.2.2.6 吸濕率測定方法 將1.2.2.1制備的備用膜置于潔凈干燥的稱量瓶中,稱量加入樣品膜前后稱量瓶的質量,得到膜的初始質量W0;將盛有樣品膜的稱量瓶置于裝有飽和KNO3水溶液(維持相對濕度為91%)的干燥器內吸濕24 h,測定稱量瓶和膜的質量,得到吸濕后膜的質量Wn,每組3個平行樣品。膜的吸濕率M(%)計算公式如下[18]:

1.2.2.7 水蒸氣透過率系數測定方法 采用擬杯法,在杯子中放入無水CaCl2,將1.2.2.1制備的備用膜蒙在杯口密封,再把杯子置于盛有一定量KCl飽和溶液的干燥器中,使樣品膜兩側保持一定的蒸汽壓差。通過樣品膜的水蒸氣量計算水蒸氣透過系數。水蒸氣透過系數WVP按下式計算[19]:

式中:q/t-在穩定透過時,單位時間內透濕杯增加質量的算術平均值(g/s);d-樣品膜厚度(mm),在5個不同部位取樣測量,取其平均值;s-樣品膜面積(mm2)。ΔP-試樣兩側的蒸汽壓差(mmHg柱)。

1.2.2.8 機械性能測定方法 將1.2.2.1制備的備用膜裁剪成1 cm×4 cm的長方形樣條。利用電子萬能試驗機在室溫條件下測定膜的力學性能[15]。拉伸速度為10 mm/min;標距:30 mm。

1.3 數據處理

采用Origin 8.5軟件,多曲線疊加繪制FT-IR、XRD和UV光譜圖;膜性能每組數據測定三次,測定結果以平均值±標準偏差表示。

2 結果與分析

2.1 Ch-Ma的結構表征

圖1 殼聚糖(a)、Ch-Ma(b)和Ch-Ac(c)的紅外光譜圖Fig.1 FT-IR spectra of chitosan(a),Ch-Ma(b)and Ch-Ac(c)

2.1.2 XRD表征 殼聚糖在2θ 11 °處的弱衍射峰,20 °處的較強衍射峰(圖2),分別屬于殼聚糖的Form I和Form II晶型[27]。Ch-Ma中2θ 11 °處衍射峰消失,20 °處的衍射峰鈍化;Ch-Ac在11 °和20 °附近出現多個小的衍射峰,表明殼聚糖-NH2與有機酸-COOH發生質子化成鹽反應后,氫鍵被打破,破壞了殼聚糖的晶體結構,結晶度降低[25,28]。

圖2 殼聚糖(a)、Ch-Ma(b)和Ch-Ac(c)的X-射線衍射圖Fig.2 X-ray diffraction spectra of chitosan(a),Ch-Ma(b)and Ch-Ac(c)

2.2 Ch-Ma的理化性能

殼聚糖只能溶解于酸性介質中[5]。由表1可以看出:Ch-Ma在酸性、中性、堿性(pH<11)介質中均能溶解,極大改善了殼聚糖的溶解性能。Ch-Ma溶解性能的改善,一方面正如FT-IR光譜(圖1)表明的殼聚糖氨基質子化,另一方面如XRD光譜(圖2)表明的Ch-Ma結晶度降低。Ch-Ma分別溶解在pH2.0～11.0的不同介質中,水溶液的pH和粘度均沒有明顯變化,說明Ch-Ma具有良好的緩沖能力。pH>11的堿性介質超出Ch-Ma的緩沖范圍,溶解能力下降,粘度下降,溶液pH升高。Ch-Ma溶解性能的改善和強的緩沖能力可以擴大其應用范圍。

表1 Ch-Ma在不同pH介質中的溶解性和溶液粘度Table 1 Solubility and viscosity of Ch-Masolution in different pH media

2.3 膜的結構表征

Ch-Ma膜、Ch-Ac膜的SEM、XRD和UV表征分別如圖3～圖5所示。由圖3可以看出,Ch-Ac膜、Ch-Ma膜的表面均勻且光滑,膜截面均出現層狀結構,Ch-Ma膜的層狀結構不如Ch-Ac膜的層狀結構明顯。XRD表征(圖4)表明,Ch-Ma膜和Ch-Ac膜的結晶度比Ch-Ma和Ch-Ac(圖2)的結晶度低,而且Ch-Ma膜的結晶度比Ch-Ac膜的更低。一方面表明殼聚糖鹽溶解后殼聚糖氨基被充分質子化,氫鍵破壞,澆筑膜結晶度降低;另一方面表明Ch-Ma膜的排布比Ch-Ac膜疏松,也正如SEM表征所示(圖3)。UV表征(圖5)表明,在Ch-Ma溶液中,211 nm處最大吸收峰歸屬于馬來酸的不飽和共軛雙鍵特征峰[13]。在Ch-Ma膜中,該吸收峰加寬而且發生紅移,表明在Ch-Ma成膜過程中,分子間發生π-π超分子相互作用[29]。因此,Ch-Ma膜中的π-π作用和殼聚糖氨基的質子化(圖5),破壞了殼聚糖分子鏈間強的氫鍵作用,使Ch-Ma膜的結構更加疏松。

圖3 Ch-Ma膜(A,A′)和Ch-Ac膜(B,B′)的SEM圖譜Fig.3 SEM images of Ch-Ma film(A,A′)and Ch-Ac film(B,B′)

圖4 Ch-Ma膜(a)和Ch-Ac(b)膜的XRD圖譜Fig.4 X-ray diffraction spectra ofCh-Ma film(a)and Ch-Ac film(b)

圖5 Ch-Ma溶液(a)、Ch-Ma膜(b)和Ch-Ac膜(c)的UV光譜Fig.5 UV spectra of Ch-Ma solution(a),Ch-Ma film(b)and Ch-Ac film(c)

2.4 膜性能

2.4.1 透光率 按照實驗方法制備的Ch-Ma膜、Ch-Ac膜厚度均為10 μm,膜的透光率測定結果如圖6所示。由圖6可以看出,酸性、中性和弱堿性(pH<9.0)介質澆筑的Ch-Ma膜的透光率大于90%,比Ch-Ac膜透光率略強。當介質pH>9時,Ch-Ma膜的透光率開始下降。由表1可以知道,Ch-Ma在酸性、中性,弱堿性(pH<9.0)介質中具有良好的溶解性能;當pH>9時,隨著介質pH的增大,Ch-Ma的溶解性逐漸下降,因此導致膜的透光性降低。Ch-Ma在pH<9的介質中展現良好的成膜性和透光性,為擴寬應用奠定基礎。

圖6 不同pH介質澆筑的Ch-Ma膜、Ch-Ac膜的透光率Fig.6 Transmittance curve of Ch-Ma filmand Ch-Ac film poured from different pH media

2.4.2 孔隙率 由圖7可以看出,Ch-Ma膜的孔隙率大于Ch-Ac膜的孔隙率。正如SEM表征(圖3)和XRD表征(圖4)表明,Ch-Ma膜的結構比Ch-Ac膜的結構疏松,因此Ch-Ma膜的孔隙率更大。Ch-Ma膜的孔隙率由酸性pH2介質澆筑膜的42.6%降低到堿性pH9的38.4%,受介質pH影響較小。

圖7 不同pH介質澆筑的Ch-Ma膜和Ch-Ac膜的孔隙率Fig.7 Porosity curves of Ch-Ma filmand Ch-Ac film poured from different pH media

2.4.3 吸水率 由圖8可以看出,Ch-Ma膜的吸水率小于Ch-Ac膜的吸水率。殼聚糖氨基被醋酸質子化,親水性強,溶脹性能好,導致Ch-Ac溶液澆筑的膜耐水性差[30]。Ch-Ma膜的吸水率低可能是由于Ch-Ma膜中存在π-π相互作用,疏水性能增強。Ch-Ma膜的吸水率由酸性pH2介質澆筑膜的280%降低到堿性pH9的205%,受介質pH影響較小。

圖8 不同pH介質澆筑的Ch-Ma膜和Ch-Ac膜的吸水率Fig.8 Water adsorption curves Ch-Ma filmand Ch-Ac film poured from different pH media

2.4.4 吸濕率 由圖9可以看出,Ch-Ma膜的吸濕率小于Ch-Ac膜的吸濕率。膜吸濕率與膜的吸水率實驗結果一致,進一步說明了Ch-Ma膜比Ch-Ac膜具有更強的耐水性。Ch-Ma膜的吸濕率由酸性pH2介質澆筑膜的21%變到pH9的17%。隨著介質pH的變大,Ch-Ma膜的吸濕率變化不明顯。由上面兩個實驗結果表明,Ch-Ma膜具有更強的耐水性而且受介質pH的影響較小。

圖9 不同pH介質條件下澆筑的Ch-Ma膜和Ch-Ac膜的吸濕率Fig.9 Moisture ratio curves of Ch-Ma filmand Ch-Ac film poured from different pH media

2.4.5 水蒸氣透過率 由圖10可以看出,Ch-Ma膜的水蒸氣透過率系數小于Ch-Ac膜。膜的吸濕率和吸水率實驗結果表明,Ch-Ac膜比Ch-Ma膜具有更強的親水性能,Ch-Ac膜和水蒸氣之間的結合力強,膜容易吸水溶脹,從而疏松了膜的致密結構,水容易通過,水蒸氣通過系數大[19]。盡管Ch-Ma膜的結構比Ch-Ac排布疏松,孔隙率大,但是Ch-Ma膜的吸濕率、吸水率小,疏水性強,導致Ch-Ma膜的水蒸氣透過率小。

圖10 不同pH介質澆筑的Ch-Ma膜和Ch-Ac膜的水蒸氣透過率系數Fig.10 Water vapor permeability of Ch-Ma filmand Ch-Ac film poured from different pH media

2.4.6 機械性能 由表2可以看出,Ch-Ma膜的拉伸強度增加,斷裂伸長率也增加,表明馬來酸改性殼聚糖構筑的膜機械強度比Ch-Ac膜機械強度增強。

表2 Ch-Ma膜和Ch-Ac膜的機械性能比較Table 2 Comparison of mechanical properties ofCh-Ma film and Ch-Ac film

3 結論

通過半濕研磨法制備了固體Ch-Ma鹽。殼聚糖氨基與馬來酸發生質子化成鹽反應,破壞殼聚糖分子間強的氫鍵作用,結晶度降低,因此改善了殼聚糖的溶解性能。Ch-Ma可溶解在酸性、中性和堿性(pH<9)介質中,具有較強的緩沖能力。Ch-Ma在pH<9介質中,展現良好的成膜性能,膜透光率超過90%。Ch-Ma膜中殼聚糖氨基的質子化和π-π超分子作用,破壞了殼聚糖分子鏈間強的氫鍵作用,使Ch-Ma膜的結構更加疏松,孔隙率增加,疏水性增強。與Ch-Ac膜比較,Ch-Ma膜吸濕率、吸水率和水蒸氣透過率小,具有更強的耐水性能和機械強度。Ch-Ma膜的透光性好、耐水性強而且受介質pH影響小,為殼聚糖功能材料的制備提供新的思路。