两亲性壳聚糖/改性结冷胶复合膜的制备方法

摘要

本发明公开了两亲性壳聚糖/改性结冷胶复合膜的制备方法，属于复合膜制备技术领域。本发明通过羧甲基化和胆酸化改性壳聚糖，通过羧甲基化改性结冷胶，然后以改性壳聚糖为主要成膜材料，结冷胶为增强相，丙三醇为增塑剂，制备得到两亲性壳聚糖/改性结冷胶复合膜。本发明的复合膜中两亲性壳聚糖与改性结冷胶质量比为5:2混合时，得到的复合膜最大热降解速率推迟到260℃左右，透明度达到84％，同时机械性能的拉伸强度值达到3.35MPa，断裂伸长率达到111.0％，表明通过本发明的制备方法得到的两亲性壳聚糖/改性结冷胶复合膜具备优异的热稳定性、光学性能和机械性能，应用价值十分广泛。

说明书

技术领域

本发明涉及复合膜制备技术领域，特别是涉及两亲性壳聚糖/改性结冷胶复合膜的制备方法。

背景技术

壳聚糖(CS)是甲壳素经脱乙酰化形成的物质，其结构为1,4-2-氨基-2脱氧-β-D葡萄糖。由于其具有无毒、无害、易降解、成膜性好等特点而被广泛应用于各种功能性高分子材料。然而，它在水中的溶解性很差，需要含有酸的水溶液才能溶解，使其结构中的氨基质子化(R-NH

在众多的壳聚糖衍生物里，羧甲基壳聚糖具高度水溶性、生物相容性和可生物降解，并且容易在市场上获得。通过壳聚糖制备的可食用性复合膜可以保持食品的固有气体和风味，增加食品的保质期。胆酸(CA)是存在于人和动物体内的天然分子，由于其化学结构上具有亲水的一面和憎水的性质，将胆酸分子接枝到壳聚糖上，可赋予壳聚糖两亲性，两亲性胆酸化高分子自组装形成的纳米微胶囊在溶液中十分稳定，可用于包埋难溶的组分。而单一组分的壳聚糖成膜后机械性能较差，膜脆、易断裂，采用聚合物增强是用于制备具有良好力学性能薄膜材料常用的方法之一。

结冷胶(GG)是一种由假单胞杆菌分泌的阴离子细胞外多糖。它是一种无毒、有韧性、可生物降解的线性多糖，包含摩尔比为1:1:2的葡萄糖醛酸、鼠李糖和葡萄糖残基的重复四糖单元，它具有透明度高、耐酸性广、稳定性强、凝胶性强、风味释放性好、耐高温等性能。由于酰基的存在，天然结冷胶柔软而有弹性，低酰基结冷胶在工业上应用广泛。结冷胶水凝胶(GG)在许多研究中显示出对各种细胞类型的适应性。结冷胶在高温下形成一个随机的线圈，但在低温下它形成一个双螺旋，从而导致物理交联。结冷胶作为一种安全、高效、高性能的凝胶和悬浮稳定剂，近年来在医药、食品、化妆品等产品中得到了广泛的应用，受到越来越多的商家和消费者的青睐。同时结冷胶无毒，所形成的水凝胶透明且稳定性好，这些优势可利用在食品保鲜行业中，其作为稳定剂广泛应用于乳制品、果汁悬浮饮料、粗粮饮料、果酱等食品中。但结冷胶在常温下溶解易成凝胶，因此研究一种能够解决壳聚糖成膜后机械性能差、结冷胶易成凝胶的复合膜制备方法是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是提供两亲性壳聚糖/改性结冷胶复合膜的制备方法，以解决壳聚糖成膜后机械性能差、结冷胶易成凝胶的问题，本发明通过胆酸与羧甲基化修饰壳聚糖、羧甲基改性结冷胶，然后将两亲性壳聚糖(CMCS-CA)和羧甲基结冷胶(CMGG)合理配比，制备得到的复合膜具备优异的机械性能、光学性能和热稳定性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明目的之一是提供一种两亲性壳聚糖/改性结冷胶复合膜的制备方法，包括如下步骤：通过羧甲基化和胆酸化改性壳聚糖，通过羧甲基化改性结冷胶，然后以改性壳聚糖为主要成膜材料，结冷胶为增强相，丙三醇为增塑剂，制备得到两亲性壳聚糖/改性结冷胶复合膜。

进一步地，具体包括以下步骤：

(1)羧甲基化壳聚糖的合成

将壳聚糖与异丙醇混合，于集热式恒温磁力搅拌器上25℃下搅拌30min使其溶胀，然后滴加氢氧化钠溶液至pH为碱性，搅拌30min，取氯乙酸溶液加入上述溶液中，在60℃下反应3h，将反应产物移入蒸馏水中，用冰醋酸调节溶液pH至7.0，经抽滤、洗涤、干燥得到羧甲基化壳聚糖；

(2)两亲性壳聚糖的合成

将羧甲基化壳聚糖溶于水中得到羧甲基化壳聚糖溶液，将胆酸溶于无水甲醇中得到胆酸溶液，将1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺(EDC)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)用甲醇溶解得到混合溶液；然后将胆酸溶液、混合溶液依次滴加到羧甲基化壳聚糖溶液中，室温下搅拌反应24h，反应产物用去离子水透析(截留分子质量7000Da)三天，将透析液真空冷冻干燥，得到两亲性壳聚糖；

(3)羧甲基结冷胶的合成

将结冷胶和氢氧化钠加入到水中，在50℃下搅拌30min得到水性分散体，磁力搅拌下滴加氯乙酸水溶液，在70℃下反应30min，冷却后加入甲醇进行沉淀，将形成的羧甲基结冷胶沉淀物过滤并用冰醋酸中和多余的氢氧化钠，用甲醇洗涤，过滤进行冷冻干燥得到羧甲基结冷胶；

(4)两亲性壳聚糖/改性结冷胶复合膜的制备

将步骤(2)的两亲性壳聚糖溶于水中得到两亲性壳聚糖水溶液，将步骤(3)的羧甲基结冷胶溶于水中得到羧甲基结冷胶水溶液，将两种溶液混合，加入丙三醇磁力搅拌30min充分混合，将得到的复合膜溶液倒入90mm玻璃培养皿中，在室温下放置1h以消除气泡，最后放入55℃的鼓风干燥箱中，24h干燥固化成膜，得到两亲性壳聚糖/改性结冷胶复合膜。

进一步地，在步骤(1)中，所述壳聚糖与异丙醇的质量体积比为2g:(15～25)mL，优选为2g:20mL；所述氢氧化钠溶液浓度为20wt％，滴加至溶液呈碱性；所述氯乙酸溶液是将氯乙酸和水按1g:10mL的比例混合得到，氯乙酸溶液的用量为异丙醇体积的2.5倍。

进一步地，在步骤(1)中，所述氯乙酸溶液分5次加入，五次加入量的体积比为1:1:1:1:1。

进一步地，在步骤(1)中，所述洗涤为用95％乙醇、无水乙醇依次洗涤，所述干燥为冷冻干燥。

进一步地，在步骤(2)中，所述羧甲基化壳聚糖溶液的浓度为1wt％，所述胆酸溶液的浓度为0.25wt％；所述EDC、NHS和甲醇的质量体积比为(0.1～0.2)g:(0.1～0.2)g:5mL，优选为0.125g:0.125g:5mL。

进一步地，在步骤(2)中，所述羧甲基化壳聚糖溶液、胆酸溶液和混合溶液的体积比为50mL:50mL:5mL。

进一步地，在步骤(3)中，所述结冷胶、氢氧化钠和水的质量体积比为(1～3)g:10g:50mL，优选为2g:10g:50mL；所述氯乙酸水溶液的浓度为10wt％，滴加的质量为结冷胶质量的5倍；所述甲醇的体积分数为80％，用量为水的体积的2倍。

进一步地，在步骤(4)中，所述两亲性壳聚糖与水的质量体积比为0.5g:20mL；所述羧甲基结冷胶与水的质量体积比为(0.1～0.5)g:20mL。

进一步地，在步骤(4)中，所述两亲性壳聚糖与羧甲基结冷胶的质量比为5:(1～5)。

进一步地，在步骤(4)中，所述丙三醇加入量为两种溶液混合后总质量的2％。

本发明目的之二是提供一种所述的制备方法制备得到的两亲性壳聚糖/改性结冷胶复合膜。

本发明公开了以下技术效果：

本发明通过羧甲基化和胆酸化改性壳聚糖，使其具有两亲性，使改性后的壳聚糖易溶于水；然后通过羧甲基化改性结冷胶，使其在常温下为均一水溶性材料，不再形成凝胶状；最后以改性壳聚糖为主要成膜材料，结冷胶为增强相、丙三醇为增塑剂，制备了两亲性壳聚糖/改性结冷胶复合膜。复合涂膜中两亲性壳聚糖与改性结冷胶质量比为5:2混合时，添加2％丙三醇，55℃干燥24h，得到的复合膜最大热降解速率推迟到260℃左右，透明度达到84％，同时机械性能的拉伸强度值达到3.35MPa，断裂伸长率达到111.0％，表明通过本发明的制备方法得到的两亲性壳聚糖/改性结冷胶复合膜具备优异的热稳定性、光学性能和机械性能，具有十分广泛的应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为壳聚糖(CS)标准曲线；

图2为结冷胶(GG)与羧甲基结冷胶(CMGG)的红外光谱；

图3为壳聚糖(CS)、羧甲基壳聚糖(CMCS)、两亲性壳聚糖(CMCS-CA)的红外光谱；

图4为结冷胶(GG)与羧甲基结冷胶(CMGG)的核磁共振氢谱；

图5为壳聚糖(CS)、羧甲基壳聚糖(CMCS)、两亲性壳聚糖(CMCS-CA)的核磁共振氢谱；

图6为不同比例羧甲基结冷胶与两亲性壳聚糖复合膜的热重TG曲线图；

图7为不同比例羧甲基结冷胶与两亲性壳聚糖复合膜的热重DTG曲线图；

图8为羧甲基结冷胶添加量对复合膜机械性能的影响；

图9为不同比例羧甲基结冷胶添加量对复合膜透光率的影响；

图10为不同比例羧甲基结冷胶添加量对复合膜吸水率的影响。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

本发明中，结冷胶(低酰基)、丙三醇、壳聚糖(脱乙酰度>90％)、氢氧化钠、氯乙酸、异丙醇、无水甲醇、无水乙醇均为分析纯，无水胆酸(98％)、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺(EDC)、N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)采购于上海阿拉丁试剂有限公司。

本发明中所用仪器：傅里叶红外(FTIR)光谱仪，美国伯乐公司；核磁共振(NMR)仪，德国Bruker公司；紫外分光光度仪，上海仪电分析仪器有限公司；集热式恒温加热磁力搅拌器，杭州大力科教仪器有限公司；真空冷冻干燥机，北京照生行仪器设备有限公司；电热鼓风干燥箱；电子万能试验机，扬州德瑞仪器设备有限公司；热重分析仪，德国耐驰分析。

实施例

(1)羧甲基化壳聚糖的合成

取2g壳聚糖加入100mL圆底烧瓶中，加入20mL异丙醇，于集热式恒温磁力搅拌器上25℃下搅拌30min，然后缓慢滴加氢氧化钠溶液至pH为8并搅拌；称取50mL氯乙酸溶解，分5次加入以上溶液中(每次10mL)，加热至60℃反应3h；将圆底烧瓶中物质移入烧杯中，加10mL蒸馏水，用冰醋酸调节pH为7.0，进行抽滤，用95％乙醇、无水乙醇依次洗涤，所得产物在冷冻干燥下后得到淡黄色羧甲基化壳聚糖；

(2)两亲性壳聚糖的合成

将羧甲基化壳聚糖溶于水中得到羧甲基化壳聚糖溶液(浓度为1wt％)，将胆酸溶于无水甲醇中得到胆酸溶液(浓度为0.25wt％)，将EDC和NHS用甲醇溶解得到混合溶液(EDC、NHS和甲醇的质量体积比为0.125g:0.125g:5mL)；然后将胆酸溶液、混合溶液依次滴加到羧甲基化壳聚糖溶液中，羧甲基化壳聚糖溶液、胆酸溶液和混合溶液的体积比为50mL:50mL:5mL，室温下搅拌反应24h，反应产物用去离子水透析(截留分子质量7000Da)三天，将透析液真空冷冻干燥，得到两亲性壳聚糖；

(3)羧甲基结冷胶的合成

称取2g结冷胶和10g氢氧化钠加入到50mL蒸馏水中，在50℃下搅拌30min制备成为水性分散体，磁力搅拌下滴加10g氯乙酸水溶液(浓度为10wt％)。然后在水浴磁力搅拌下将反应混合物加热至70℃，反应30min，冷却后加入100mL甲醇(80％)中沉淀；将形成的羧甲基结冷胶沉淀物过滤并用冰醋酸中和多余的氢氧化钠，然后用甲醇洗涤，过滤进行冷冻干燥得到羧甲基结冷胶；

(4)两亲性壳聚糖/改性结冷胶复合膜的制备

取五份0.5g两亲性壳聚糖分别溶于20mL蒸馏水中，常温磁力搅拌，得到五份两亲性壳聚糖水溶液，分别取0.0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5g羧甲基结冷胶溶于20mL去离子水中，常温下磁力搅拌，得到五份羧甲基结冷胶水溶液；将上述两种溶液混合，得到两亲性壳聚糖和羧甲基结冷胶为5:0、5:1、5:2、5:3、5:4、5:5五个不同质量比的复合涂膜溶液；然后分别加入2％的丙三醇磁力搅拌30min，将得到的复合膜溶液倒入90mm玻璃培养皿中，在室温下放置1h以消除气泡，最后放入55℃的鼓风干燥箱中，24h干燥固化成膜，得到两亲性壳聚糖/改性结冷胶复合膜。

试验例1

1、羧甲基化取代度的测定：制备的羧甲基结冷胶(CMGG)沉淀用盐酸溶解，之后用乙醇洗出，收集沉淀，冷冻干燥。称取1.0g的CMGG，用10mL的0.1mol/L的氢氧化钠溶液溶解，酚酞做指示剂，用0.1mol/L盐酸滴定过量氢氧化钠，记录消耗盐酸的体积V。羧甲基化取代度计算公式为：

2、壳聚糖接枝率：取壳聚糖50mg，用20mL 0.5mol/L的醋酸溶解，待壳聚糖完全溶解后再用0.5moL/L的醋酸定容至100mL。此壳聚糖标准溶液的浓度为0.5g/L，准确移取0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0mL壳聚糖标准溶液加入到10mL比色管中，并依次分别加入1.0mL2mol/LpH值为5.5的醋酸钠缓冲液和1％茚三酮试剂，加去离子水补足3.0mL，摇匀后于沸水浴加热10min，变色后取出迅速冷却至室温，加60％乙醇定容到10mL，摇匀，放置20min，以蒸馏水为参比在570nm处测定吸光度。得到A与C的线性回归方程为C＝aA+b。按2mg/mL浓度配制CMCS-CA溶液，分别测定其吸光度，由线性回归方程C＝aA+b，可以计算出相应的游离氨基量C，则接枝率Y＝100％-C。

羧甲基壳聚糖的取代度通过酸碱滴定法确定在约80％，再通过茚三酮比色法测定壳聚糖原料的氨基含量获得线性回归方程(如图1所示)，y＝0.00703x+0.04641，R

试验例2

FTIR测试：采用傅里叶变换红外光谱仪KBr压片法，扫描波长从4000cm

图2为结冷胶(GG)与羧甲基结冷胶(CMGG)的红外光谱，3300cm

图3为壳聚糖(CS)、羧甲基壳聚糖(CMCS)、两亲性壳聚糖(CMCS-CA)的红外光谱，CMCS中的3408cm

试验例3

图4是结冷胶(GG)与羧甲基结冷胶(CMGG)的核磁共振氢谱。CMGG和GG的比较，在4.26ppm处，出现了新的峰，氯乙酸钠中CH

图5是壳聚糖(CS)、羧甲基壳聚糖(CMCS)、两亲性壳聚糖(CMCS-CA)的核磁共振氢谱，在羧甲基壳聚糖的

试验例4

热重分析(TGA)：TGA主要用来观察复合物的热稳定性，热分解情况。通入氮气在50-600℃的温度范围内，以20℃/min的速率均匀加热。

图6为不同比例羧甲基结冷胶与两亲性壳聚糖复合膜的热重TG曲线图，图7为不同比例羧甲基结冷胶与两亲性壳聚糖复合膜的热重DTG曲线图。不同比例的复合膜的热降解过程类似，均分为三个阶段。第一阶段温度50-105℃加热复合膜，质量减少l8.5％表明复合膜表面所含水分的蒸发，膜中含有的水分(含结合水)的汽化以及成膜体系中增塑剂的挥发吸收热量。第二阶段降解起始点约为150℃，并在235℃左右达到最大降解速率，约终止于400℃，该阶段发生的热降解速率最快。这主要是交联的成膜聚合物的降解以及成膜焦炭的形成过程。第三个阶段发生在>400℃范围，其主要是对应复合膜的炭渣热降解。综上所述，五条曲线的整个分解过程是连续的，最大热降解温度分别为230℃、260℃、240℃、235℃和235℃，CMCS-CA与CMGG的复合膜具有良好的热稳定性。

五个不同比例中热降解过程基本类似，第一阶段除5:3比例外均失重较多，约20％，并且在结冷胶比例不断增多时第二阶段的最大降解速率均推迟，CMCS-CA:CMGG＝5:2比例的最大降解速率推迟最为明显，达到260℃左右。因此，CMGG的添加增加了壳聚糖的热稳定性，减缓了其热降解的速度。通过这个实验结果体现了在不同的生物大分子间会发生很强的相互作用，可能由于结冷胶带着负电基团COO

试验例5

机械性能：将复合膜切成40mm×10mm的矩形，把样品安装在适合的夹具上，留下一个长度为20mm的距离，然后分别测定它们的拉伸性能，十字头速度为10mm/min。

复合膜的机械性能用拉伸强度和断裂延伸率来表示，从表1中可见复合膜中CMCS-CA:CMGG的比例为5:2时成膜的机械性能最优，拉伸强度最大为3.35MPa，同时其断裂伸长率达到111.0％。适量的羧甲基结冷胶的加入增强复合膜的机械性能，这可能是因为引入了更多的羟基官能团，使其与羟基或氨基官能团相互作用而使膜结合更加紧密。同时适量的增塑剂可使复合膜分子间相互作用更加紧密，从而提高其机械性能。

图8是羧甲基结冷胶添加量对复合膜机械性能的影响(在不同羧甲基结冷胶的添加量中复合膜的断裂伸长率和拉伸强度变化)。从图中可以看出，一定范围内，随着羧甲基结冷胶的添加复合膜机械性能先升高后下降，添加比例达到5:2时，成膜的机械性能最优，继续添加，其拉伸强度和断裂伸长率开始下降，说明羧甲基结冷胶的添加控制在适当浓度可调节膜的机械性能。

表1不同比例两亲性壳聚糖与羧甲基结冷胶复合膜的机械性能

试验例6

透光率：采用紫外分光光度计测试膜的透光率，裁剪复合膜尺寸为10mm×50mm，将膜样品贴在比色皿外侧，在500nm下测试膜的透光率，以空气作为空白对照。

透光率是指光透过透明体或者半透明体的光通量与其入射光通量的百分率，它直接影响到人们的视觉效果，特别是在食品包装领域更为明显，是较为重要的指标。当复合膜应用在果蔬保鲜，要考虑成膜后对果蔬的颜色影响。图9为不同比例羧甲基结冷胶添加量对复合膜透光率的影响。紫外分光光度计在500nm处测试膜的透光率，CMCS-CA:CMGG比例为5:0、5:1、5:2、5:3、5:4、5:5时复合膜的透光率为92.2％、86.1％、84％、77.5％、70％、60％。总体上呈下降趋势，当复合膜的透光率需在80％以上，才属于透明性材料。透光率可能因为随着羧甲基结冷胶含量的增加而下降，因此复合膜的混合比例取5:1、5:2时可保持较高的透光率。

试验例7

吸水率分析：将复合膜裁剪成20mm×20mm的正方形，置于烘箱直至膜表面干燥无水分，用分析天平进行称量，然后将其放入蒸馏水中直至吸水完全，用滤纸吸去膜表面水分，称重直至恒重(质量变化在1％以内)。

图10为不同比例羧甲基结冷胶添加量对复合膜吸水率的影响，由图可知随着羧甲基结冷胶的含量的增加，CMCS-CA/CMGG复合膜的吸水率呈上升趋势。在整个吸水溶胀过程中发现，复合膜起始吸水率增长较快，大约在12h左右吸水溶胀达到平衡，此后变化不明显，取平衡时吸水率进行比较，CMCS-CA/CMGG比例在5:4和5:5时吸水率最大，达到700％以上，说明羧甲基结冷胶的加入对复合膜的吸水性影响较大，应该与结冷胶的保水性有关，结合复合膜的透光性能，复合膜的结冷胶的比例在5:1～5:3范围内较好。

试验例8

感观性能：表2对CMCS-CA:CMGG＝5:1、5:2、5:3、5:4、5:5五个比例的复合膜进行揭膜难易、颜色透明度、表面光滑度(指制备薄膜的表面平整度、厚度均匀性、表面气泡和细小颗粒的多少)及气味的比较。添加结冷胶的复合膜颜色呈淡黄色，随着添加浓度的升高颜色不断加深，透明度降低，达到一定浓度复合膜会产生轻微异味但表面光滑度都表现良好。同时浓度的增加使薄膜更易脱离揭膜，通过感官质量的比较CMCS-CA:CMGG＝5:1、5:2的比例复合膜性能表现良好。

表2不同比例的复合膜感观质量的影响

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。