纖維素微纖絲改性方式對膠原纖維復合膜性能的影響

焦 婷，張文暉，張 雪，張海艷，王穩(wěn)航，張紅杰,*

（1.天津科技大學輕工科學與工程學院，天津 300457；2.中國制漿造紙研究院有限公司，北京 100102；3.天津科技大學食品科學與工程學院，天津 300457）

隨著2021年新版“限塑令”的實施和人們對健康環(huán)保的食品包裝材料的強烈需求，尋求可以替代塑料包裝的可生物降解材料迫在眉睫。天然膠原蛋白腸衣雖然各方面性能較好，但產量遠低于塑料腸衣，不能滿足現(xiàn)代工業(yè)生產的需要，人工合成膠原蛋白腸衣的研制成功在一定程度上緩解了這一問題，人造腸衣從20世紀80年代開始商業(yè)化生產。但是與常用的石油基包裝材料相比，單一的膠原蛋白制備的香腸腸衣的阻隔性能和機械強度還有待提高，熱穩(wěn)定性較差，不能滿足食品包裝的要求。因此近年來，除了利用物理、化學等方法對膠原纖維（collagen fiber，CF）進行改性外，還可以通過與其他高分子聚合物（如多糖、脂質和蛋白質等）相互作用以提高CF復合材料的各項性能。

纖維素微纖絲（cellulose microfibrils，CMF）作為纖維素納米結構材料的一種，制備方法通常為機械研磨與化學預處理相結合的方式，化學預處理方法通常包括2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧化物氧化、陽離子化、羧甲基化和羧乙基化等，因其具有生物相容性、生物可降解性、高機械強度、大比表面積和優(yōu)異的氧氣阻隔性等優(yōu)異性能，廣泛應用于食品、造紙、醫(yī)藥、化妝品和涂料等領域。它與親水性聚合物共混時有較好的分散性，豐富的羥基賦予其極高的表面活性，因此可以與CF復合，以提高腸衣的機械強度和阻隔性能。

單寧酸（tannic acid，TA）廣泛存在于自然界的多種植物中，具有抗氧化活性、抗菌活性和pH值響應性等。多酚與金屬離子螯合通過調控可用于制備金屬-多酚網絡（metal-polyphenol network，MPN），Ejima等在2013年首次利用天然多酚和鐵離子（Fe）在底物表面快速形成具有多種功能的MPN涂層。近些年MPN的發(fā)展非常迅猛，由于其制備過程簡便快速、綠色環(huán)保，金屬離子和多酚物質的可選擇性多，近年來MPN開始作為一種多功能的表面涂層材料，廣泛應用于薄膜、微膠囊和凝膠等，還可以用于固定金屬納米粒子于薄膜表面，對薄膜進行表面功能化改性。由于其具有抑制微生物生長、清除自由基和阻隔紫外線等功能，且細胞毒性低，在食品工業(yè)也具備很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

目前已有研究利用靜電相互作用將羧甲基纖維素與CF制成復合膜，提高了CF膜的阻隔性能和機械強度；由于MPN具有超強的黏附性，可以將MPN作為涂層涂布于CF膜表面，提高CF膜的阻光性和抗油污能力。MPN和羧甲基纖維素均提高CF腸衣的性能，但是很少有人將二者的優(yōu)勢結合起來，使復合膜既具有良好的機械性能，又兼具抗氧化等性能。因此本實驗將不同程度羧基化改性及經進一步MPN復合改性的CMF添加到CF膜中制備高性能復合膜，探究CMF的不同改性方式對CF復合膜性能的影響，以期更好地應用在食品包裝領域尤其是用作香腸腸衣。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

酸溶脹CF（原料來自淄博黃河龍生物工程有限公司，直徑0.1～1 mm） 天津科技大學食品科學與工程學院；CMF、羧甲基纖維素微纖絲、羧乙基纖維素微纖絲（原料均為漂白闊葉木硫酸鹽漿，長徑比大于100，纖維直徑約50～200 nm） 中國制漿造紙研究院有限公司涂布技術研發(fā)中心；三(羥甲基)氨基甲烷（分析純）天津市科密歐化學試劑有限公司；可溶性淀粉（分析純）北京索萊寶科技有限公司；1-二苯基-2-三硝基苯肼（1,1-dipheny1-2-picryl-hydrazyl，DPPH）（生化試劑）福州飛凈生物科技有限公司；丙三醇、三氯甲烷、冰醋酸、鹽酸、氫氧化鈉等（均為分析純） 北京化工廠；單寧酸、三氯化鐵、無水乙醇、碘化鉀、硫代硫酸鈉等（均為分析純） 天津市風船化學試劑科技有限公司。其他信息見表1。

表1 樣品縮寫符號及羧基含量對應關系Table 1 Abbreviations for the names of collagen fiber composite films with different degrees of carboxylation

1.2 儀器與設備

PN-PT6型測厚儀 杭州品亨科技有限公司；JY92-II型超聲波細胞粉碎機 上海喬躍電子有限公司；LC-DMS-H型磁力攪拌器 上海力辰邦西儀器科技有限公司；XT5108L-OV70型電熱鼓風干燥箱 杭州雪中炭恒溫技術有限公司；MS204S型分析天平、TGA/DSC I型熱重分析儀、FE28型pH計 美國梅特勒-托利多有限公司；HC-2064型高速離心機 安徽中科中佳科學儀器有限公司；TENSOR 27型傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR）儀 美國布魯克光譜儀器公司；DSA20型接觸角測定儀 德國Kruss Gmbh有限公司；MA35型快速水分測定儀 賽多利斯科學儀器（北京）有限公司；FD-1D-50型冷凍干燥機北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司；S-3400N型掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM） 日立先端科技股份有限公司；HH-4型電熱數(shù)顯恒溫水浴鍋 上海力辰邦西儀器科技有限公司；W3/062型水蒸氣透過率測定儀濟南蘭光機電技術有限公司；ZB-WL30型臥式拉力機杭州紙邦自動化技術有限公司；HY-2型旋渦混勻儀上海儀電科學儀器股份有限公司；UV-1800型紫外-可見分光光度計 日本島津公司。

1.3 方法

1.3.1 MPN改性CMF的制備

參照Gyeongwon等的方法制備MPN溶液，稱取適量TA和FeCl粉末于等體積的超純水中，使TA與FeCl的質量比為4∶1，將二者充分混合均勻后，10 000 r/min離心10 min，取上清液，通過0.22 μm的針頭過濾器去除雜質，制得MPN溶液。將CMF配制成1%懸浮液，取適量CMF懸浮液，加入2% MPN溶液，用磁力攪拌器在室溫下800 r/min攪拌3 h。然后10 000 r/min離心10 min，棄去上清液，用超純水反復洗滌沉淀直至上清液無色。

1.3.2 復合膜的制備

將CF用研缽研磨成細絲狀，加入超純水配制成1%的懸浮液，再加入40%的甘油（基于CF干質量），充分攪拌使其混合均勻。向CF懸浮液中加入2%的CMF，室溫下800 r/min磁力攪拌2 h，靜置消泡。取90 mL成膜液，倒在15 cm×15 cm有機玻璃板上，流延法鋪膜，在空氣中自然干燥后，將其從玻璃板上慢慢取下，放入相對濕度（50±1）%的干燥器中，25 ℃保存。

1.3.3 復合膜抗氧化性的測定

利用成膜液對DPPH自由基的清除率表示復合膜的抗氧化性。參考戴亞妮等的方法基礎上將反應時間延長至1 h，以確保反應充分。具體方法如下：配制濃度為0.1 mmol/L的DPPH溶液（以無水乙醇為溶劑），取2 mL DPPH溶液和2 mL成膜液置于5 mL離心管中，使用旋渦混勻儀充分搖勻，避光反應1 h，記為樣品組。將2 mL DPPH溶液和2 mL無水乙醇使用旋渦混勻儀充分搖勻，記為空白組。將2 mL成膜液和2 mL無水乙醇使用旋渦混勻儀充分搖勻，記為參比組。使用紫外分光光度計在波長517 nm處分別測其吸光度，每個試樣平行測定3 次，取平均吸光度，按式（1）計算DPPH自由基清除率。

式中：為樣品組吸光度；為空白組吸光度；為參比組吸光度。

1.3.4 復合膜力學性能的測定

在復合膜的中央和四角各取一點，用測厚儀測其厚度，結果取平均值。將薄膜裁剪成100 mm×15 mm的矩形，采用臥式拉力機，設定夾頭間距50 mm，拉伸速度100 mm/min，測定復合膜的彈性模量、拉伸強度和斷裂延伸率，每張膜做5個平行，結果取平均值。

1.3.5 復合膜透光性的測定

根據(jù)Maria等的方法進行測定。將薄膜裁剪成4 cm×1 cm的矩形，貼在比色皿內壁，用紫外-可見分光光度計測其在波長600 nm處的吸光度，根據(jù)式（2）計算光透過性值。

式中：為吸光度；為膜厚度/mm。

1.3.6 復合膜親水性和耐油性的測定

通過水接觸角反映薄膜表面的親疏水性。將薄膜裁剪為4 cm×1 cm的矩形，置于水平平臺上，將1 滴超純水滴于薄膜表面，測量水滴兩側的接觸角，每個樣品取5個測量點，最終結果取平均值。

根據(jù)TAPPI T 559 cm-12標準測定復合膜的防油等級，通過防油等級反映復合膜的耐油性能。用蓖麻油、甲苯和正庚烷3種物質按一定比例配制成12種不同表面張力的液體，將滴定液從13 mm的高度輕輕的釋放，滴到待測紙品上，15 s后用干凈的棉花球輕輕的擦去紙上的油液。若油液滲透到紙張內部使紙張滴油部分變暗，表明這張紙的抗油性能沒有達到這種油滴代表的防油等級。再選取下一等級油液滴在一個未經測試的區(qū)域繼續(xù)測試，直到某一等級油滴不產生滲透現(xiàn)象，該等級即為被測樣的抗油脂值。

1.3.7 復合膜水蒸氣透過率和氧氣透過率的測定

將薄膜裁剪成直徑為7.5 cm的圓片，使用水蒸氣透過率儀測定其水蒸氣透過系數(shù)（water vapor permeability，WVP），平行測定3 次取平均值。稱取5 g植物油于40 mL離心管中，用復合膜覆蓋住瓶口并用皮筋扎緊，置于35 ℃干燥箱中，7 d后揭膜。薄膜的氧氣透過率用油脂的過氧化值（peroxide value，POV）表示，根據(jù)GB/T 5009.27—2016測定POV。把油脂換成水，用同一方法做空白實驗，按式（3）計算POV：

式中：為試樣消耗的硫代硫酸鈉標準溶液的體積/mL；為空白實驗消耗的硫代硫酸鈉標準溶液的體積/mL；為硫代硫酸鈉標準溶液濃度/（mol/L）；為試樣質量/g；0.126 9為與1 mL硫代硫酸鈉標準溶液（1.00 mol/L）相當?shù)牡赓|量/g。

1.3.8 復合膜溶解性的測定

將薄膜裁剪成20 mm×20 mm，與稱量瓶一起放入恒溫干燥箱中干燥至恒質量，加入25 mL蒸餾水，室溫下溶解24 h后將水倒掉，干燥至恒質量，根據(jù)式（4）計算復合膜的溶解性。

式中：為稱量瓶的質量/g；W為第1次干燥至恒質量時稱量瓶與膜的質量/g；為第2次干燥至恒質量時稱量瓶與膜的質量/g。

1.3.9 復合膜的FTIR分析

將薄膜裁剪成2 cm×2 cm，在室溫（25 ℃）下，利用紅外光譜儀的ATR探頭對薄膜樣品進行測定。掃描波數(shù)為4 000～600 cm，掃描次數(shù)為32 次，掃描分辨率為4 cm，掃描頻率為1 Hz。

1.3.10 復合膜的SEM觀察

將薄膜裁剪成5 mm×5 mm，用導電膠粘在樣品臺上，使用液氮將樣品膜脆斷以觀察截面。將薄膜樣品表面噴金后，置于SEM下觀察薄膜的表面和截面，加速電壓為15.0 kV。

2 結果與分析

2.1 CMF改性方式對復合膜抗氧化性的影響

圖1 CMF改性方式對復合膜抗氧化性的影響Fig. 1 Influence of CMF modification methods on antioxidant activity of composite films

利用成膜液對DPPH自由基的清除能力表示復合膜抗氧化性的強弱。DPPH是一種穩(wěn)定的含氮自由基，其乙醇溶液呈紫色，在波長517 nm處有強吸收峰，當體系中有自由基清除劑存在時，會與其中的單電子配對使其明顯褪色，其波長517 nm處的吸光度減小，褪色程度與其所接受的電子數(shù)量成定量關系。如圖1所示，與CF-CMF膜相比，引入MPN的復合膜抗氧化性均有顯著提高，是CF-CMF膜的1.93～3.58 倍。其中加入了只經MPN改性而未經羧基改性的CMF復合膜的抗氧化性提高51.49%。對于同種羧基基團改性的CMF，隨著羧基含量的增加，抗氧化性逐漸增強。這是因為隨著羧基化程度的加深，CMF所帶電荷量增加，根據(jù)DPPH自由基清除率的測定原理，導致褪色程度加深，表現(xiàn)出對DPPH自由基清除率增加。但電荷量的增加可能會影響MPN的結構，從而影響其發(fā)揮抗氧化作用，因此經過羧基改性CMF制備的復合膜抗氧化性弱于未經羧基改性CMF制備的復合膜。

2.2 CMF改性方式對復合膜力學性能的影響

圖2 CMF改性方式對復合膜力學性能的影響Fig. 2 Effect of CMF modification on mechanical properties of composite films

由圖2可以看出，與CF-CMF膜相比，經MPN改性的復合膜的拉伸強度有所降低，斷裂延伸率和彈性模量提高；經不同程度羧基化改性和MPN復合改性的復合膜具有與CF-CMF-MPN膜相似的規(guī)律，不同程度的羧基化改性能夠一定程度提高CF-CMF-MPN膜的彈性模量，但并不能改善其拉伸強度下降的趨勢，甚至低羧基含量改性會使其斷裂延伸率明顯下降。綜合對比不同改性方式CMF對復合膜3種力學性能指標的影響，說明向CMF中單獨引入網絡狀MPN后CF復合膜的機械強度降低而韌性升高。

造成這種現(xiàn)象的原因為網絡狀高分子成分的加入提升了膜材料整體的延展性，進而表現(xiàn)為斷裂延伸率和彈性模量不同程度的提高。因為膜材料的拉伸強度主要由氫鍵提供，網絡狀的MPN的加入影響了氫鍵的形成，導致復合膜的拉伸強度下降，但因為羧基也能和CF的羥基形成氫鍵，所以高含量羧基（羧甲基、羧乙基）化改性的CMF能抵消MPN導致的強度損失，尤其是高含量羧甲基改性的復合膜，因此表現(xiàn)為和CF-CMF-MPN膜性能幾乎持平或略有上升。

2.3 CMF改性方式對復合膜透光性的影響

圖3 CMF改性方式對復合膜透光性的影響Fig. 3 Effect of CMF modification on light transmittance of composite films

光透過性值表示薄膜對光的阻擋程度，光透過性值越大，表明對光的阻擋效果越好。由圖3可知，含有MPN的復合膜光透過性值均比CF-CMF膜有所增加。因為MPN填充在CF之間，使復合膜形成更致密的網絡結構，影響光路通過，導致阻光性變強。CMF的羧基與CF的氨基間的靜電相互作用、水與CF間的氫鍵作用都可促進聚集，起到阻光的作用。TA與Fe形成的絡合物呈紫色，也能起到一定的阻光效果，說明CMF的添加可以防止因紫外線及可見光而引起的脂質氧化，從而起到食品保鮮的作用。對于同種羧基基團改性的CMF，羧基含量越低，對光的阻隔效果越強，未經羧基改性的CMF阻光性最好，可能是由于羧基會破壞膜致密的網絡結構，羧基含量越高破壞程度越大。雖然對光的阻擋能力增強，但肉眼觀察并沒有顯著的顏色，透明度較好，用于食品包裝時不影響對內部所包裝食品的觀察。

2.4 CMF改性方式對復合膜表面親水性和耐油性的影響

水接觸角表示薄膜表面親疏水情況，接觸角越小，薄膜越親水。從表2可以看出，與CF-CMF膜相比，CFCMF-MPN膜表面的接觸角減小，主要是因為MPN是親水性物質，導致復合膜的親水性增強，抗油污性能增強。與CF-CMF-MPN膜相比，經羧基改性的CMF制成復合膜的接觸角均增加，即親水性減小。對于同種基團改性的CMF，羧基含量越高，薄膜的接觸角越大，說明羧基改性CMF可以增強復合膜的疏水性。靜置15 min后，接觸角的變化量減小，說明羧基對保持薄膜表面的疏水性起到一定作用。換言之，利用MPN和羧基復合改性CMF能較長時間保持膜初始疏水性，阻止水進一步向內滲透，不因接觸水而影響膜性質，從而能較好的保護內部食品。CF-CMF復合膜的防油等級為最高級12，經過MPN和不同程度羧基化改性的CMF的添加對復合膜的高耐油性無負面影響，防油等級仍為12。

表2 CMF改性方式對復合膜表面親水性和耐油性的影響Table 2 Influence of CMF modification on surface hydrophilicity and oil resistance of composite films

2.5 CMF改性方式對復合膜水蒸氣透過性和氧氣透過性的影響

圖4 CMF改性方式對復合膜的水蒸氣透過性（a）和氧氣透過性（b）的影響Fig. 4 Water vapor permeability (a) and oxygen barrier property (b)of composite films added with different modified CMF

如圖4a所示，由于MPN的加入，膜的WVP呈現(xiàn)下降的趨勢，其中高含量羧乙基改性的CMF下降的程度最大，說明加入MPN 可以使復合膜具備一定的阻隔水蒸氣作用，MPN和高含量羧乙基共同改性CMF可以使阻隔效果增強。無論是羧甲基還是羧乙基改性的CMF，高羧基含量均比低羧基含量的WVP值低，即阻隔水蒸氣能力強。MPN和高含量羧乙基共同改性的CMF能使復合膜對水蒸氣的阻隔能力提高1.30 倍。這是因為CF分子的氨基和羧基基團與CMF分子上的殘余羥基發(fā)生了氫鍵相互作用，使蛋白質分子內部的部分疏水基團暴露出來，同時MPN的加入還引入了大量親水性基團，與小部分水分子形成水化膜阻礙水蒸氣通過，使水分子在膜中的擴散速率變慢。

使用膜包覆一定質量的油脂，一段時間后測定油脂的POV，從而反映出薄膜對氧氣的阻隔性能。如圖4b所示，與CF-CMF膜相比，僅使用MPN改性的CMF制備的復合膜POV略有降低，而經過羧基化改性的CMF，尤其是高含量羧乙基化改性的CMF可以使復合膜的POV大幅降低，即對氧氣的阻隔能力提高了3.48 倍，說明復合膜具有良好的阻隔氧氣的能力，用于食品包裝尤其是高脂食品（如香腸），可以有效阻止因氧化導致的變質。這是因為CMF表面具有大量羧基和羥基、TA結構具有的豐富的羥基，與CF交聯(lián)后，使復合膜的網絡結構更致密，此時小分子如氧氣在復合膜中的穿透路徑變的曲折，阻隔性能提高。

2.6 CMF改性方式對復合膜溶解性的影響

圖5 CMF改性方式對復合膜溶解性的影響Fig. 5 Effect of different modification methods on solubility of composite films

如圖5所示，與CF-CMF膜相比，MPN改性會使復合膜的溶解度變大，因為MPN是親水性物質，引入復合膜體系中會使薄膜的耐水性變差。與CF-CMF-MPN膜相比，羧甲基改性的CMF使復合膜的溶解性增大，且含量越高，溶解性越大；羧乙基改性的CMF制備的復合膜溶解性降低，羧基化程度越高，降低的程度越大。因為羧甲基為親水性基團，會增加薄膜的溶解性；羧乙基碳鏈較長，具有一定的疏水性，且含量越高，疏水效果越好，因此高含量羧乙基改性的CMF可以使復合膜的溶解性略微下降，緩解因MPN加入而導致的親水性增加，在一定程度上能增強其耐水性。

2.7 CMF改性方式對復合膜FTIR光譜的影響

由圖6可以看出，復合膜在3 312、2 932、1 637、1 550 cm和1 240 cm附近的峰為CF的特征峰，分別對應于酰胺A帶N—H基團的拉伸與氫鍵結合、酰胺B帶CH基團的不對稱拉伸、酰胺I帶的酰胺或肽中C＝O基團的拉伸振動、酰胺II帶C—N基團的拉伸振動和酰胺III帶N—H基團彎曲振動，以及甘氨酸主鏈和脯氨酸側鏈的CH基團的振蕩振動。復合膜在3 000～3 650 cm處的峰強度的提高是由于TA結構（圖7）和CMF具有豐富的羥基。

圖6 純CF膜和復合膜的FTIRFig. 6 FTIR spectra of CF film and CF-CMF-MPN composite films

圖7 TA的分子結構Fig. 7 Molecular structure of TA

圖6 中不同圖譜間只有峰強度的差別而無特征峰的差別，說明CMF與CF的結合是物理交聯(lián)過程。酰胺III帶吸光度與1 450 cm處吸光度的比值（/）反映了CF三螺旋結構的完整性。如表3所示，添加不同改性方式CMF的復合膜的/的比值幾乎不變。純CF膜為0.949，與CMF復合后，其比值下降到0.821～0.882范圍間，但均高于0.6的變性臨界值，說明CMF不會破壞CF的三螺旋結構。值得注意的是，添加了僅經過MPN改性的CMF復合膜的/增加到了0.974，說明MPN單獨改性CMF對保持CF的三螺旋結構有一定的作用。產生這種現(xiàn)象的原因是CMF取代了CF中水的位置，從而與CF產生新的氫鍵相互作用，因此其三螺旋結構得以保存。換言之，CMF分子作為交聯(lián)劑，但不破壞CF的骨架結構。

表3 純CF膜和復合膜的AIII/A1 450Table 3 AIII/A1 450 of CF film and composite films

2.8 復合膜的SEM觀察

圖8 純CF膜和CF-CMF復合膜的表面Fig. 8 SEM images of the surface of CF film and CF-CMF composite films

如圖8a所示，由于CF尺寸較大，可以看到薄膜表面凹凸不平，能觀察到明顯的纖維形態(tài)。圖8b～f表示CF復合膜的表面微觀形貌，由于CMF的加入，薄膜表面出現(xiàn)了更多褶皺，纖維形態(tài)更明顯，且出現(xiàn)了白色團狀物，即MPN顆粒。

圖9純CF膜和CF-CMF復合膜的截面Fig. 9 SEM images of the cross-section of CF film and CF-CMF film

圖9A中純CF膜的截面較光滑，具有一定的層狀結構，但層與層之間排列較松散。從圖9B～D可以明顯看出，復合膜的層狀結構變得致密，纖維間排列整齊，這是由于CMF能均勻地填充于CF的間隙，形成一層致密的網絡結構，這也印證了前述的實驗結果。MPN納米顆粒鑲嵌在纖維層中間，再次證明MPN存在于復合膜體系中。

3 結 論

利用羧甲基、羧乙基和MPN對CMF進行功能化改性，并與CF共混制成復合膜，通過測定薄膜的抗氧化性、力學性能、對水蒸氣和氧氣的阻隔性能等指標，探究不同改性方式的CMF對CF復合膜性能的影響。綜合考慮復合膜在香腸腸衣方面的應用前景，使用僅MPN改性的CMF能使CF復合膜的抗氧化性提高51.49%，并能顯著提高薄膜的阻光性，且成本較低，但在提高復合膜的氣體阻隔性方面，效果不如高羧乙基含量改性的CMF效果好。SEM和FTIR分析表明MPN改性的CMF與CF之間有良好相容性。綜上，CMF能顯著增強CF復合膜的阻隔性能，MPN能增強復合膜的阻光性并賦予其抗氧化性能，因此使用MPN改性的CMF與CF制成復合膜，以提高復合膜的性能從而更好地應用在食品包裝領域。