基于明胶-淀粉可食用薄膜的制备与性能研究

刘长伟， 宋 敏， 施沈彬， 初 夏， 陶芙蓉

(齐鲁工业大学化学与制药工程学院，山东 济南 250353)

*通讯作者：陶芙蓉，女，1984年出生，博士，副教授。研究方向：纤维素膜材料的制备与表征。

以淀粉、1,2,3,4-丁烷四羧酸、N-羟基丁二酰亚胺为原料，制备了一种新型大分子交联剂，用于接枝改性明胶膜。通过红外光谱证实了交联剂的成功制备，通过残余伯胺基含量测试证实了明胶膜的成功改性。与空白明胶薄膜相比，改性后的明胶膜表现出了良好的疏水性和机械性能。本研究制备的改性明胶膜材料因其绿色、环保，可以应用于食品包装行业。

淀粉；明胶；化学改性；机械性能

明胶是由动物组织中提取的大分子多肽化合物，是一种可食用、可生物降解并且可再生的生物大分子。明胶是胶原经过碱性或酸性水解得到的多肽链状聚合物，其成膜特性使其被广泛地应用于食品包装产业中。作为一种以蛋白质为基础的高分子化合物，与传统的聚合物材料相比，明胶呈现出良好的阻氧性能和机械性能[1]。明胶优良的理化性质使其被广泛应用于食品、药品和化妆品等领域。

明胶具有易成膜、可生物降解、来源广泛、价格低廉及易于加工等优点。但是，其韧性差，易断裂，疏水性能差，这些力学性能的缺点严重阻碍了它的实际应用，因此，对明胶进行改性是目前的研究方向。主要改性方法有增塑改性[2]、交联改性[3]及高聚物共混改性[4]等。此外，国内外关于明胶膜的研究主要集中在明胶与天然高分子复合[5]、物理化学交联对明胶的影响方面[6]。

本研究以淀粉(starch)、1,2,3,4-丁烷四羧酸(BTCAD)、N-羟基丁二酰亚胺(NHS)为原料，制备了一种新型的大分子交联剂(SBN)，用于接枝改性明胶膜。通过一系列表征手段，如，红外、元素分析、范斯莱克等证实了交联剂的成功制备及明胶膜的成功改性。改性后的明胶膜表现出了良好的疏水性和机械性能。

明胶(CP，猪皮，M=50 000，pI=8，)，国药集团化学试剂有限公司；淀粉(玉米淀粉，药用级)；N-羟基琥珀酰亚胺(AR)，1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳化二亚胺(EDC，AR)，萨恩化学技术(上海)有限公司；1,2,3,4-丁烷四羧酸(BTCA，AR)，乙酸(AR)，乙酸酐(AR)，丙三醇(AR)，DMF(AR)，天津市富宇精细化工有限公司。所用溶剂未经过纯化直接使用。

1.2.1 丁烷四羧酸二酐(BTCAD)的制备

2.344 g 1,2,3,4-丁烷四羧酸(BTCA)，5.143 g乙酸酐，2.420 g乙酸，40 ℃下加热搅拌回流18 h，停止加热，80 ℃～100 ℃旋蒸，氯仿洗涤3次，得白色固体BTCAD，于干燥箱中40 ℃下干燥。

1.2.2 BTCAD功能化淀粉(SB)

3 g淀粉，7.34 g BTCAD(摩尔比1∶2)，90 mL DMF混合，60 ℃搅拌回流24 h，之后，产物依次用DMF、蒸馏水、饱和碳酸氢钠溶液、无水乙醇洗涤、真空抽滤，然后于干燥箱中于40 ℃下干燥。

1.2.3 NHS活性酯的制备(SBN)

5 g SB，7.10 g NHS，11.84 g EDC(摩尔比1∶2∶2)，150 mL水混合，室温条件下搅拌反应1.5 h，水洗抽滤，干燥得大分子交联剂SBN。

1.2.4 SBN接枝改性明胶膜

1) 称取相应质量的交联剂SBN于20 mL蒸馏水中，室温搅拌12 h得化合物SBN的悬浊液(交联剂占明胶干重的比例为0%，5%，10%，15%，20%，25%，30%)；

2) 将2 g明胶溶于20 mL蒸馏水中，加入塑化剂丙三醇0.12 g(明胶质量的10%)，45 ℃搅拌溶解2 h，得明胶水溶液；

3) 在上述明胶水溶液中逐滴滴加化合物SBN悬浊液，加入1.2 mL乙酸，混合液于45 ℃下搅拌反应12 h，制得改性后的明胶溶液；

4) 将上述改性后的明胶溶液30 g，置于准备好的聚四氟乙烯模具中，室温下放置2 h，40 ℃鼓风干燥24 h，干燥后得到透明的改性明胶膜。

傅立叶红外光谱仪(YENSOR-27，德国Bruker公司)表征交联剂SBN的结构；液滴法测得改性明胶膜的水接触角；改性后明胶溶液中残余伯胺基的含量通过改良了的范斯莱克仪进行测量；机械性能使用电子拉力试验机测得，样品膜的厚度通过游标卡尺(0.02 mm/150.00 mm，上海)测得。

淀粉、改性淀粉SB及大分子交联剂SBN的结构通过红外谱图和元素分析进行确定。根据本课题组之前的工作[7]，目标产物1,2,3,4-丁烷四酸酐(BTCAD)的结构已通过1H-NMR谱图和红外表征证实。图1给出了淀粉、改性淀粉SB及大分子交联剂SBN的红外谱图。从图1可以看出，与淀粉的红外谱图相比，改性淀粉的红外谱图中，1 732 cm-1处隶属酯基中羰基的伸缩振动吸收峰，1 590 cm-1和1 400 cm-1处是羧基的不对称及对称弯曲振动吸收峰，同时，-OH的伸缩振动吸收峰变宽，这些官能团的出现证实了淀粉与酸酐BTCAD的化学反应。另外，对于大分子交联剂SBN的红外谱图，1 652 cm-1处隶属γ-二羰基的伸缩振动吸收峰，1 210 cm-1处是C-N单键的伸缩振动吸收峰，酯基(1 735 cm-1)和-CH2(2 934 cm-1)处吸收峰的增强，羧基中羰基(1 580 cm-1)吸收峰的减弱共同证明了活性酯SBN的成功制备。

图1 淀粉、改性淀粉SB及大分子交联剂SBN的红外谱图

图2比较了不同交联剂SB和SBN用量下的改性明胶液(Gel-SBN和Gel/SB)的伯胺基浓度(mol/g)。非常明显，对于NHS活化后的样品(Gel-SBN,a)，交联剂的用量与改性明胶溶液中伯胺基的含量呈反比，进一步证实了大分子活性酯SBN与明胶的酯化反应。也就是说，经过NHS活化，活性酯SBN中的酯基与明胶结构中的氨基发生化学反应，从而消耗明胶中的伯胺基，并且，随着SBN用量的增加，溶液中残余伯胺基的含量明显下降。从图2中可以看出，当活性酯用量为明胶干重的30%时，伯胺基的浓度降为1.741 0 mol/g～4.000 0 mol/g。另外，对于样品Gel/SB，改性后明胶溶液的伯氨基含量与大分子酯类化合物SB的用量几乎没有关系。结果说明，BTCAD改性淀粉后制备的交联剂SB的结构中酯基非常稳定，明胶中的伯胺基不能作为亲核试剂进攻SB的酯基，从而不能消耗伯胺基的含量。这一实验结果，从侧面证实了NHS作为活性中间体，在EDC的催化作用下，有效地促进了酯化反应的发生。

图2 不同SB和SBN用量下的改性明胶液中

疏水性能对于包装材料是一项重要的指标，一般通过接触角测试来评价材料的亲疏水性能。明胶的强亲水性能严重限制了其应用。图3给出了空白明胶薄膜及不同比例活性酯SBN改性后明胶薄膜的接触角测试结果。从图3中可以看出，由于明胶结构中的亲水基团(羟基、氨基、羧基等)的存在，使得空白明胶薄膜的水接触角仅为76.04°。与之比较，改性明胶膜的疏水性能明显提高，并且随着交联剂SBN用量的增加，改性明胶膜的接触角数值越来越大。当活性酯SBN的用量从5%增加至30%时，复合明胶膜SBN-Gel的水接触角从108.13°增加到127.35°。改性明胶膜疏水性能的明显提高是由于活性酯SBN与明胶之间化学反应的发生，降低了明胶结构中亲水基团的数量，相反的，增加了复合明胶膜表面疏水基团的暴露。另外，化学交联过程中氢键的形成进一步提高了改性明胶膜表面的疏水性能。

图3 改性明胶膜的水接触角测试

表1给出了空白明胶膜与6种改性明胶膜的厚度、抗张强度(Ts)、弹性模量(Em)和断裂伸长率(Eab)的对此数据。从表1中可以看出，与空白明胶膜(Gel)相比，改性明胶膜的抗张强度明显下降，说明改性膜对压力的承受能力比较小。并且，当交联剂SBN用量为明胶干重的5%～20%时，抗张强度随交联剂用量的增加而增大，但当比例为25%和30%时，抗张强度随交联剂量的增加而减小。这是因为，当大分子活性酯SBN与明胶的伯胺基反应时，形成了不连续区域的多相结构。Martucci课题组的前期工作中指出，将双醛淀粉用于改性明胶，使得改性后明胶膜的Ts降低，并对这一现象进行了解释：双醛淀粉的聚合物结构性质，使其不能像单分子甲醛、戊二醛等短链小分子化合物一样，在明胶基质中形成坚固的保护层结构，而且，明胶-双醛淀粉膜体系中一定程度的相分离现象也会使得抗张强度有所降低。本项工作中，改性后明胶膜的弹性模量和断裂伸长率，与空白明胶膜相比，明显提高。结果表明，改性明胶膜材料的弹性和柔韧性提高，从而克服了原始明胶膜易碎的致命缺点。从表1数据可以看出，改性后明胶膜Gel-30%SBN的断裂伸长率是41.08%，是空白明胶膜的40倍之多；而弹性模量为446.19 MPa，几乎是空白明胶膜(1 736.11 MPa)的1/4。机械性能的测试结果表明，大分子交联剂SBN与明胶之间新形成的酰胺键与分子内氢键，减弱了对明胶稳定性十分有效的分子间相互作用，因此，提高了改性明胶膜的柔韧性和弹性，这在其实际应用中起到了关键性的作用。

表1 改性明胶膜的机械性能

本项工作主要介绍了天然高分子活性酯SBN的合成及接枝改性明胶后对明胶膜材料结构和性质的影响。FT-IR光谱证实了交联剂的成功制备，改性明胶液中残余伯胺基含量的测试结果确定了活性酯SBN与明胶伯胺基的化学反应，这种通过希夫碱反应形成酰胺键的化学改性方法打破了大分子物质通过共混方法改性明胶的局限性。接触角测试证明，与空白明胶薄膜对比，改性明胶复合薄膜的疏水性能得到明显提高；另外，机械性能测试结果表明，改性后明胶薄膜的断裂伸长率提高，弹性模量明显下降，进一步证实化学方法接枝改性明胶膜材料的弹性和柔韧性得到明显改善。

[1] Kozlov P V,Burdygina G I.The structure and properties of solid gelatin and the principles of their modification[J].Polymer,1983(24):651-666.

[2] 陈颖佳，李文丽，刘海英，单宁改性明胶的性质变化研究[J].食品与发酵工业，2009(10)：40-43.

[3] Fuchs S,Kutscher M,Hertel T,et al.Transglutaminase:new insights into gelatin nanoparticle crosslinking[J]J.Microencapsul,2010(27):747-754.

[4] Chen T,Embree H D,Wu L Q,et al.In vitro proteinpolysaccharide conjugation:tyrosinasecatalyzed conjugation of gelatin and chitosan[J].Biopolymers,2002,64(6):292-302.

[5] 林绍强，刘彬，谭嗣光,等.PLGA改性明胶的性质研究[J].现代生物医学进展，2008，8(8)：1449-1451.

[6] 李慧，卢立新，王利强.海藻酸钠-羧甲基纤维素钠-明胶共混膜的结构及性能研究[J].食品科学，2010，31(1)：91-95.

[7] Shi C,Zhuang C,Cui Y,et al.Preparation and characterization of gelatin film modified by cellulose active ester,Polymer Bulletin,2017(74):3505-3525.