壳聚糖/结冷胶双层膜制备工艺优化及表征

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2022.11.003

中国塑料 ›› 2022, Vol. 36 ›› Issue (11): 14-23.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2022.11.003

壳聚糖/结冷胶双层膜制备工艺优化及表征

杨旭, 方健(), 覃敏, 于雷

北京林业大学木质材料科学与应用教育部重点实验室，北京 100083

收稿日期:2022-07-31 出版日期:2022-11-26 发布日期:2022-11-25
通讯作者: 方健（1978—），女，副教授，从事功能性包装材料研究，fj515@sina.com
E-mail:fj515@sina.com
基金资助:
北京林业大学中央高校基本科研业务费专项资金(2017JC12)

Preparation process optimization and characterization of chitosan/gellan gum bilayer films

YANG Xu, FANG Jian(), QIN Min, YU Lei

MOE Key Laboratory of Wood Material Science and Application，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China

Received:2022-07-31 Online:2022-11-26 Published:2022-11-25
Contact: FANG Jian E-mail:fj515@sina.com

摘要/Abstract

摘要：

以壳聚糖（CS）和结冷胶（GG）为原料，采用溶液流延法并结合层层自组装技术制备了CS/GG双层膜，通过单因素和响应面试验优化制备工艺条件，并对双层膜的微观形貌、化学结构、力学性能、光学性能、阻水性能和抗氧化性能进行评价。结果表明，CS质量分数1.7 %、GG质量分数1.5 %、CS与GG成膜液体积比4/6、甘油质量分数25 %条件下双层膜的拉伸强度为38.83 MPa、透湿量为750.76 g/（m²·d）；与单层膜相比，CS/GG双层膜表面光滑、截面致密，红外光谱分析结果表明双层膜具有良好的相容性；双层膜可以有效改善纯CS膜、纯GG膜的力学性能和阻水性能。

关键词: 壳聚糖, 结冷胶, 双层膜, 层层自组装, 响应面优化

Abstract:

Chitosan/gellan gum bilayer films were prepared using a solution flow⁃casting method and a layer⁃by⁃layer self⁃assembly technology， their optimum preparation conditions were determined by single factor and response surface tests， and their microstructure， chemical structure， mechanical properties， optical properties， water resistance and oxidation resistance of the bilayer films were evaluated. The results indicated that the mass fractions of chitosan and gellan gum were determined to be 1.7 and 1.5 wt%， respectively， for the bilayer films. Moreover， the volume ratio of chitosan to gellan gum was 4/6， and the mass fraction of glycerol was 25 wt% in the bilayer films. Under these conditions， the bilayer films presented tensile strength of 38.83 MPa and moisture permeability of 750.76 g/（m²·d）. Compared to the single film， the bilayer films show a smooth surface and a compact cross section. Fourier⁃transform infrared spectroscopic results indicated that the bilayer films had good compatibility and their mechanical properties and water resistance were improved effectively compared to pure chitosan film and pure gellan gum film.

Key words: chitosan, gellan gum, bilayer film, layer?by?layer self?assembly, response surface optimization

中图分类号:

TQ320.72⁺1

杨旭, 方健, 覃敏, 于雷. 壳聚糖/结冷胶双层膜制备工艺优化及表征[J]. 中国塑料, 2022, 36(11): 14-23.

YANG Xu, FANG Jian, QIN Min, YU Lei. Preparation process optimization and characterization of chitosan/gellan gum bilayer films[J]. China Plastics, 2022, 36(11): 14-23.

图/表 14

参考文献 28

1	姚倩儒，陈历水，李慧，等. 冷鲜肉保鲜包装技术现状和发展趋势［J］. 包装工程， 2021， 42（9）： 194–200.
	YAO Q R， CHEN L S， LI H，et al. Current situation and development trend of packaging technology for chilled fresh meat［J］. Packaging Engineering， 2021， 42（9）： 194⁃200.
2	Yan J， Li M， Wang H， et al. Preparation and property studies of chitosan⁃PVA biodegradable antibacterial multilayer films doped with Cu₂O and nano⁃chitosan composites［J］. Food Control， 2021， 126： 108049.
3	Kumar S， Mukherjee A， Dutta J. Chitosan based nanocomposite films and coatings： emerging antimicrobial food packaging alternatives［J］. Trends in Food Science & Technology， 2020， 97： 196⁃209.
4	Azadbakht E， Maghsoudlou Y， Khomiri M， et al. Development and structural characterization of chitosan films containing eucalyptus globulus essential oil： potential as an antimicrobial carrier for packaging of sliced sausage［J］. Food Packaging and Shelf Life， 2018， 17： 65⁃72.
5	Zhang X， Liu D， Jin T Z， et al. Preparation and characteri⁃zation of gellan gum⁃chitosan polyelectrolyte complex films with the incorporation of thyme essential oil nanoemulsion［J］. Food Hydrocolloids， 2021， 114： 106570.
6	李昭勇，陈春梅，赵芸，等. 海藻酸钠⁃结冷胶复合膜的性能与应用研究［J］. 食品研究与开发，2021，42（1）：21⁃25.
	LI Z Y， CHEN C M， ZHAO Y， et al. The research of property and application of NaAlg⁃gellan blend films［J］. Food Research and Development，2021，42（1）：21⁃25.
7	李金星，沈春红，黎先发. 改性壳聚糖复合膜的制备及优化［J］. 食品工业科技， 2021， 42（8）： 144⁃151.
	LI J X， SHEN C H， LI X F. Preparation and optimization of modified chitosan composite film［J］. Science and Technology of Food Industry， 2021， 42（8）： 144-151.
8	Basu S， Plucinski A， Catchmark J M. Sustainable barrier materials based on polysaccharide polyelectrolyte complexes［J］. Green Chemistry， 2017， 19（17）： 4 080⁃4 092.
9	程珊，王稳航，滕安国，等. 羧甲基纤维素强化胶原纤维膜的制备及其性能分析［J］. 食品科学， 2019， 40（3）： 194⁃201.
	CHENG S， WANG W H， TENG A G， et al. Preparation and property analysis of carboxymethyl cellulosereinforced collagen fiber film［J］. Food Science， 2019， 40（3）： 194⁃201.
10	马骏，苏冬云，褚岩，等. 层层自组装石墨烯/聚苯胺纳米复合电极［J］. 电源技术， 2022， 46（1）： 41⁃43.
	MA J， SU D Y， CHU Y，et al. Layer⁃by⁃layer self⁃assembled graphene/polyaniline nanocomposite electrode［J］. Chinese Journal of Power Sources， 2022， 46（1）： 41–43.
11	张仲达，杨文芳. 层层自组装技术的研究进展及应用情况［J］. 材料导报， 2017， 31（5）： 40⁃45.
	ZHANG Z D， YANG W F. Research progress and application of layer⁃by⁃layer self⁃assembly technology［J］. Materials Review， 2017， 31（5）： 40⁃45.
12	Li G， Si Z， Yang S， et al. Fast layer⁃by⁃layer assembly of PDMS for boosting the gas separation of P84 membranes［J］. Chemical Engineering Science， 2022， 253： 117588.
13	蒋雷，李延报，姚松，等. 作为药物载体的壳聚糖/氧化石墨烯中空微胶囊的制备［J］. 功能材料， 2015， 46（16）： 16 119⁃16 124.
	JIANG L， LI Y B， YAO S， et al. Synthesis of chitosan/graphene oxide microcapsules as drug carriers［J］. Journal of Functional Materials， 2015， 46（16）： 16 119⁃16 124.
14	Tavassoli M， Sani M A， Khezerlou A， et al. Multifunctional nanocomposite active packaging materials： immobilization of quercetin， lactoferrin， and chitosan nanofiber particles in gelatin films［J］. Food Hydrocolloids， 2021， 118： 106747.
15	Wang Y， Zhang J， Zhang L. An active and pH⁃responsive film developed by sodium carboxymethyl cellulose/polyvinyl alcohol doped with rose anthocyanin extracts［J］. Food Chemistry， 2022， 373： 131367.
16	Sun J， Jiang H， Wu H， et al. Multifunctional bionanocomposite films based on konjac glucomannan/chitosan with nano⁃zno and mulberry anthocyanin extract for active food packaging［J］. Food Hydrocolloids， 2020， 107： 105942.
17	Wang X， Yong H， Gao L， et al. Preparation and characterization of antioxidant and pH⁃sensitive films based on chitosan and black soybean seed coat extract［J］. Food Hydrocolloids， 2019， 89： 56⁃66.
18	李梦琦，汪东风，高翔，等. 结冷胶琼胶可食性复合膜的研究［J］. 食品工业科技， 2012， 33（14）：319⁃322， 359.
	LI M Q， WANG D F， GAO X，et al. Study on the edible composite films of gellan gum and agar［J］. Science and Technology of Food Industry， 2012， 33（14）：319⁃322，359.
19	Richardson J J， Bjoernmalm M， Caruso F. Technology⁃driven layer⁃by⁃layer assembly of nanofilms［J］. Science， 2015， 348（6 233）： 2491.
20	李京缦，李研，熊睿婧，等. 含有桑葚花青素和纳米二氧化钛的壳聚糖/羟乙基纤维素双层膜的3D打印制备及研究［J］. 塑料工业， 2021， 49（11）： 55⁃59，69.
	LI J M， LI Y， XIONG R J，et al. Chitosan/hydroxyethyl cellulose containing mulberry anthocyanin and nano titanium dioxide preparation and research of two⁃layer film by 3D prin⁃ting［J］. China Plastics Industry， 2021， 49（11）： 55⁃59，69.
21	Ferreira A， Torres C， Freitas F，et al. Development and characterization of bilayer films of fucopol and chitosan［J］. Carbohydrate Polymers， 2016： 8.
22	Zhou N， Wang L， You P， et al. Preparation of pH⁃sensitive food packaging film based on konjac glucomannan and hydroxypropyl methyl cellulose incorporated with mulberry extract［J］. International Journal of Biological Macromolecules， 2021， 172： 515⁃523.
23	Hosseini S F， Rezaei M， Zandi M， et al. Development of bioactive fish gelatin/chitosan nanoparticles composite films with antimicrobial properties［J］. Food Chemistry， 2016， 194： 1 266⁃1 274.
24	彭林. 基于非共价、共价双交联策略的明胶膜性能改善及其机制［D］. 重庆：西南大学， 2021.
25	Liu H， Adhikari R， Guo Q， et al. Preparation and characterization of glycerol plasticized （high⁃amylose） starch⁃chitosan films［J］. Journal of Food Engineering， 2013， 116（2）： 588⁃597.
26	陈凤霞，曹军，刘玉梅. 啤酒花浸膏对壳聚糖/聚乙烯双层膜的性能影响及释放行为［J］. 食品科学， 2021， 42（3）： 219⁃226.
	CHEN F X， CAO J， LIU Y M. Effect of hops extract on the properties and release behavior of chitosan/polyethyle⁃ne bilayer film［J］. Food Science， 2021， 42（3）： 219⁃226.
27	Jiang Y. Antimicrobial， antioxidant and physical properties of chitosan film containing Akebia trifoliata （Thunb.） Koidz. peel extract/montmorillonite and its application［J］. Food Chemistry， 2021： 10.
28	刘志辉，邱添源，杜留熠，等. 海藻酸壳聚糖可塑性支架材料的制备及表征［J］. 高等学校化学学报， 2018， 39（5）： 1 105⁃1 112.
	LIU Z H， QIU T Y， DU L Y， et al. Preparation and characterization of chitosan alginate plastic scaffolds［J］. Chemical Journal of Chinese Universities， 2018， 39（5）： 1 105⁃1 112.

水平	因素
水平	X₁/%	X₂/%	X₃/%
-1	1.50	1.00	25
0	1.75	1.25	30
1	2.00	1.50	35

水平	因素
水平	X₁/%	X₂/%	X₃/%
-1	1.50	1.00	25
0	1.75	1.25	30
1	2.00	1.50	35

试验编号	X₁/%	X₂/%	X₃/%	Y₁/MPa	Y₂/g·m^-2·d^-1
1	1.75	1.25	30	35.85	814.54
2	1.75	1.5	25	38.46	776.05
3	1.50	1.00	30	37.61	833.77
4	1.50	1.25	25	35.56	798.10
5	2.00	1.25	35	28.10	862.83
6	1.75	1.50	35	33.02	762.62
7	1.50	1.5	30	37.69	795.83
8	1.75	1.25	30	35.00	810.18
9	1.75	1.25	30	35.19	819.05
10	1.75	1.25	30	35.20	809.05
11	2.00	1.50	30	35.20	844.72
12	1.75	1.00	25	36.10	773.35
13	2.00	1.00	30	32.78	866.42
14	2.00	1.25	25	39.19	840.18
15	1.50	1.25	35	38.38	830.76
16	1.75	1.25	30	36.06	799.61
17	1.75	1.00	35	33.35	828.49

试验编号	X₁/%	X₂/%	X₃/%	Y₁/MPa	Y₂/g·m^-2·d^-1
1	1.75	1.25	30	35.85	814.54
2	1.75	1.5	25	38.46	776.05
3	1.50	1.00	30	37.61	833.77
4	1.50	1.25	25	35.56	798.10
5	2.00	1.25	35	28.10	862.83
6	1.75	1.50	35	33.02	762.62
7	1.50	1.5	30	37.69	795.83
8	1.75	1.25	30	35.00	810.18
9	1.75	1.25	30	35.19	819.05
10	1.75	1.25	30	35.20	809.05
11	2.00	1.50	30	35.20	844.72
12	1.75	1.00	25	36.10	773.35
13	2.00	1.00	30	32.78	866.42
14	2.00	1.25	25	39.19	840.18
15	1.50	1.25	35	38.38	830.76
16	1.75	1.25	30	36.06	799.61
17	1.75	1.00	35	33.35	828.49

来源	拉伸强度					透湿量
来源	平方和	自由度	均方	F值	P值^a	平方和	自由度	均方	F值	P值
模型	113.22	9	12.58	93.37	<0.000 1	13 944.12	9	1 549.35	44.87	<0.000 1
X₁	24.43	1	24.43	181.31	<0.000 1	3 029.92	1	3 029.92	87.74	<0.000 1
X₂	2.57	1	2.57	19.05	0.003 3	1 885.29	1	1 885.29	54.60	0.000 2
X₃	33.87	1	33.87	251.41	<0.000 1	1 176.61	1	1 176.61	34.07	0.000 6
X₁X₂	1.37	1	1.37	10.18	0.015 3	65.93	1	65.93	1.91	0.209 5
X₁X₃	48.34	1	48.34	358.79	<0.000 1	25.05	1	25.05	0.73	0.422 6
X₂X₃	1.82	1	1.82	13.49	0.007 9	1 175.46	1	1 175.46	34.04	0.000 6
X₁²	0.202 8	1	0.202 8	1.50	0.259 6	5 538.85	1	5 538.85	160.40	<0.000 1
X₂²	0.084 8	1	0.084 8	0.62	0.453 5	563.69	1	563.69	16.32	0.004 9
X₃²	0.573 5	1	0.573 5	4.26	0.078 0	800.46	1	800.46	23.18	0.001 9
残差	0.943 2	7	0.134 7	—	—	241.72	7	34.53	—	—
失拟项	0.085 7	3	0.028 6	0.133 3	0.935 2	31.50	3	10.50	0.199 8	0.891 6
纯误差	0.857 5	4	0.214 4	—	—	210.22	4	52.56	—	—
总离差	114.17	16	—	—	—	14 185.85	16	—	—	—
变化系数	1.04					0.720 5
决定系数	0.991 7					0.983 0
矫正决定系数	0.981 1					0.961 1
精密度	39.315 4					22.448 7

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Preparation process optimization and characterization of chitosan/gellan gum bilayer films

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物理性能	CS膜	GG膜	双层膜
L	105.03±0.28^a	107.26±1.61^a	103.95±1.13^b
a	-4.25±0.02^c	-2.39±0.03^a	-3.10±0.04^b
b	7.84±0.54^a	-6.16±0.61^c	-2.36±0.24^b
ΔE	16.35±0.13^a	15.25±1.56^a	11.56±1.11^b
不透明度/A·mm^-1	0.94±0.08^b	1.50±0.32^a	1.18±0.03^a
厚度/mm	0.064±0.003^b	0.071±0.001^a	0.063±0.002^b
拉伸强度/MPa	33.40±1.17^b	19.06±1.08^c	38.83±1.10^a
断裂伸长率/%	8.33±1.62^a	2.35±0.37^c	5.03±0.59^b
透湿量/g·m^-2·d^-1	810.37±11.95^b	817.92±12.14^b	750.76±6.43^a
含水量/%	14.81±0.34^a	12.08±0.59^b	9.17±0.53^c
溶解度/%	20.99±1.75^a	21.23±1.19^a	15.87±0.79^b

[1]	陈淑花, 任子萌, 孙婷婷. 壳聚糖/壳聚糖接枝氧化石墨烯复合气凝胶的制备及性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(9): 32-37.
[2]	孟鑫, 王小龙, 公维光, 金谊. “三源一体”壳核型阻燃剂的制备及其在聚乳酸中的应用[J]. 中国塑料, 2022, 36(9): 96-104.
[3]	杨笑春, 于静, 张青. 壳聚糖对PVC热稳定性能影响研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(7): 68-73.
[4]	周舒毅, 朱敏, 刘忆颖, 曹舒惠, 蔡启轩, 聂慧, 张玉霞, 周洪福. 高分子止血材料研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(7): 74-84.
[5]	李福杰, 齐斌, 徐华亭, 王立梅. 交联壳聚糖/聚乙烯醇/蜗牛黏液复合膜的制备及性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(5): 53-61.
[6]	隋振全, 毛金超, 范金石. 壳聚糖/聚乙烯醇液态地膜的制备与应用[J]. 中国塑料, 2022, 36(3): 21-25.
[7]	谢玉, 王立梅, 齐斌. 交联壳聚糖/蒙脱土复合膜的制备及性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(3): 58-63.
[8]	丁丁, 徐文总, 闫弘毅. 壳聚糖/ZIF⁃67杂化物的制备及其对环氧树脂阻燃抑烟性能的影响[J]. 中国塑料, 2022, 36(12): 31-37.
[9]	程龙, 郝艳玲, 宋小双. 壳聚糖对玉米淀粉可食膜性能的影响[J]. 中国塑料, 2021, 35(4): 35-41.
[10]	冯文静, 李守平, 陈雅君, 钱立军. 软质聚氨酯泡沫阻燃技术的研究进展[J]. 中国塑料, 2020, 34(3): 93-102.
[11]	刘焕萍, 孙辉. 聚醚醚酮表面接枝O-羧甲基壳聚糖及其血液相容性研究[J]. 中国塑料, 2016, 30(02): 39-42 .
[12]	. 聚醚醚酮表面壳聚糖的固定[J]. 中国塑料, 2014, 28(06): 52-56 .
[13]	舒静, 李小静, 赵大飙. 壳聚糖智能水凝胶研究进展[J]. 中国塑料, 2010, 24(09): 6-10 .