CN105001463A - 明胶-壳聚糖复合膜的制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种明胶-壳聚糖复合膜的制备方法，室温下，将壳聚糖加入三口烧瓶中，然后加入去离子水，搅拌3~5min，使壳聚糖均匀分散后，边搅拌边滴加酸溶液，调节pH？为3.5~6，继续充分搅拌，得到壳聚糖溶液；将明胶溶液与壳聚糖溶液混合，将PEG？200加入明胶/壳聚糖混合溶液，然后，用稀？NaOH溶液中和至pH为6；加入转谷氨酰胺酶（TGase），搅拌使明胶、壳聚糖交联后，升温至沸灭酶活8~12min，降至室温后脱泡，流延成膜，可显著缩短壳聚糖溶解所需时间，提高效率，转谷氨酰胺酶催化交联后，明胶-壳聚糖复合膜的水溶性、溶胀比、透水汽性降低，明胶-壳聚糖复合膜包装水果可起到显著的抗菌保鲜效果。

Description

明胶-壳聚糖复合膜的制备方法及应用

技术领域

本发明属于包装膜技术领域，具体涉及一种明胶-壳聚糖复合膜的制备方法及应用。

背景技术

塑料具有质轻、耐用、成本低和易成型加工等优点，已成为目前最受欢迎的包装材料。但塑料包装材料缺少回收利用的价值，使用后，绝大部分被丢弃在环境中，由于难降解处理而造成严重的环境污染现象，如：混在土壤中，影响农作物吸收养分和水分，造成农作物减产；增塑剂和添加剂的渗出会导致地下水污染；混入城市垃圾一同焚烧会产生有害气体，污染空气，危害人体健康；填埋处理将会长期占用土地（塑料类垃圾在自然界停留的时间很长，一般可达100~200年）。塑料包装产生的污染已对人类和动植物的生存及生态平衡造成了严重威胁。与此同时，用于合成高分子生产的原料（石油、天然气等）日益减少，这一资源危机问题亟待解决。以天然生物可降解物质为基体制备的可降解、可食用的新型包装材料，具有取材方便、无害环境、功能多样等优点，不仅能适应安全环保的发展要求和趋势，而且对于可持续发展具有极其重要的意义。

壳聚糖的生产是基于食品工业废弃的甲壳类动物的外壳，其来源广泛，因此，壳聚糖的生产是经济可行的。壳聚糖具有成本低、生物相容性好、可生物降解、抗菌等优点。壳聚糖基天然生物可降解复合材料的生产通常是先将壳聚糖溶解制备壳聚糖溶液，然后与其它天然生物可降解物质溶液混合。

明胶是胶原的部分水解产物，来源广泛，价格低廉，具有良好的生物相容性和可降解性。与不溶性胶原相比，明胶在热水中良好的溶解性能使其应用范围更加广阔。但是，明胶的成膜性、机械性能及抗水性较差。明胶与壳聚糖混合可互相取长补短，改善明胶成膜性及机械性能差的缺点及壳聚糖阻水汽性差的缺点，并赋予复合膜良好的抗菌性。

明胶在热水中具有良好的溶解性能，通常可采用40~60℃的温水溶解。但壳聚糖不能直接溶于水，通常将一定量的壳聚糖加入醋酸溶液中，充分搅拌使之溶解，这种溶解方法所需时间长，实际应用中生产效率低，壳聚糖容易成团，壳聚糖加入稀醋酸溶液中搅拌60 min后，溶液仍不透明，搅拌70 min后，溶液呈透明状，但搅拌头上粘有少量未溶解的壳聚糖，搅拌110 min后，搅拌头上粘附的壳聚糖仍没完全溶解，搅拌150 min后壳聚糖才完全溶解。为了提高生产效率，使壳聚糖基复合材料得到推广应用，需要改进壳聚糖的溶解方法，缩短壳聚糖的溶解时间。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种明胶-壳聚糖复合膜的制备方法及应用，有效缩短壳聚糖的溶解时间，得到的明胶-壳聚糖复合膜应用在水果保鲜领域效果显著。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种明胶-壳聚糖复合膜的制备方法，步骤如下：

（1）室温下，将壳聚糖加入三口烧瓶中，加入去离子水搅拌3~5min，使壳聚糖均匀分散后，边搅拌边滴加酸溶液，调节体系的pH为3.5~6，继续充分搅拌，得到浓度为1.5%~4%（w/v）的壳聚糖溶液；

（2）将明胶溶液与步骤（1）制备的壳聚糖溶液混合，在40~60℃的条件下搅拌使混合均匀得到明胶/壳聚糖混合溶液，将PEG 200加入明胶/壳聚糖混合溶液，在40~60℃的条件下搅拌使混合均匀，然后，用稀NaOH溶液中和至pH为6；

（3）向步骤（2）的反应产物中加入转谷氨酰胺酶（TGase），在40 ~60℃的条件下继续搅拌35~45 min，升温至沸灭酶活8~12min，降至室温后脱泡，在镶边的水平洁净聚氯乙烯板上流延成膜，用去离子水洗至近中性，室温下自然干燥，得到明胶-壳聚糖复合膜。

所述步骤（1）中边搅拌边滴加酸溶液，调节体系的pH为4~5。

所述步骤（1）中的酸溶液为醋酸、盐酸、硝酸、甲酸或磷酸中的其中一种。

所述步骤（2）中明胶溶液的浓度为5%~20%（w/v）。

所述步骤（2）中明胶/壳聚糖混合溶液中明胶与壳聚糖的质量比为1:1。

所述步骤（2）中PEG200的用量为明胶和壳聚糖固体总质量的10%~30%。

所述步骤（2）中稀氢氧化钠溶液的浓度为0.1~1.0 mol/L。

所述步骤（3）中转谷氨酰胺酶（TGase）的用量为明胶与壳聚糖固体总质量的0.1%~1%。

按照本发明的明胶-壳聚糖复合膜的制备方法制备得到的明胶-壳聚糖复合膜在水果保鲜方面的应用。

采用本发明的方法溶解壳聚糖时，壳聚糖不会成团，壳聚糖溶解很快，搅拌30 min，壳聚糖溶液已变透明，搅拌40 min可以达到传统方法（室温下，将一定量的壳聚糖加入醋酸溶液中，充分搅拌，制备壳聚糖溶液）搅拌150 min的效果，可大大缩短壳聚糖溶解所需时间。因为，预先把壳聚糖制成了分散液，加入醋酸后，醋酸与壳聚糖可充分接触，使烧瓶内各部分的壳聚糖均匀溶解。

壳聚糖分子主链的葡萄糖环上C2位上氨基、可与相邻的另一条分子链上的糖甙基氧原子、葡萄糖环上的氧原子、C3位的羟基、C6位上的羟基形成分子间氢键，使壳聚糖分子间氢键作用力很强，导致壳聚糖不溶于水。酸性条件下，壳聚糖分子中C2位上氨基结合氢离子而形成氨离子后，就不能与相邻的壳聚糖分子形成氢键作用，降低了壳聚糖分子间的氢键作用，同时因壳聚糖分子带正电荷而使壳聚糖分子间存在斥力作用，有利于壳聚糖的溶解。酸性越强，壳聚糖的溶解度越大，溶解越容易。

本发明的有益效果：（1）将一定量的壳聚糖均匀分散在水中后，用酸调pH3.5~6，优化pH 4~5，可显著缩短壳聚糖溶解所需时间，提高效率。（2）转谷氨酰胺酶催化交联后，明胶-壳聚糖复合膜的水溶性、溶胀比、透水汽性降低。（3）随TGase用量提高，复合膜的拉伸强度增大，但TGase用量提高到0.2%后，继续提高TGase用量，拉伸强度反而下降；加入少量的TGase（0.1% TGase）催化交联可以提高明胶–壳聚糖复合膜的断裂伸长率，但随TGase用量提高，复合膜的断裂伸长率有所下降。（4）明胶-壳聚糖复合膜包装水果可起到显著的抗菌保鲜效果。

具体实施方式

实施例1

一种明胶-壳聚糖复合膜的制备方法，步骤如下：

（1）室温下，将2.0g壳聚糖加入三口烧瓶中，加入98mL去离子水搅拌3min，使壳聚糖均匀分散后，边搅拌边滴加2mL磷酸溶液，调节pH为3.5，继续充分搅拌，得到2%（w/v）壳聚糖溶液；

（2）将浓度为20%（w/v）的明胶溶液10mL与步骤（1）制备的壳聚糖溶液混合，明胶与壳聚糖的质量比为1:1，在40℃的条件下搅拌使混合均匀得到明胶/壳聚糖混合溶液，将0.4gPEG 200加入明胶/壳聚糖混合溶液，在40℃的条件下搅拌使混合均匀，然后，用浓度为1mol/L的NaOH溶液中和至pH为6；

（3）向步骤（2）的反应产物中加入0.004g转谷氨酰胺酶（TGase），在40℃的条件下继续搅拌45 min，升温至沸灭酶活8min，降至室温后脱泡，在镶边的水平洁净聚氯乙烯板上流延成膜，用去离子水洗至近中性，室温下自然干燥，得到明胶-壳聚糖复合膜。

实施例2

一种明胶-壳聚糖复合膜的制备方法，步骤如下：

（1）室温下，将4g壳聚糖加入三口烧瓶中，加入99mL去离子水搅拌5min，使壳聚糖均匀分散后，边搅拌边滴加1mL甲酸溶液，调节pH为6，继续充分搅拌，得到浓度为4%（w/v）的壳聚糖溶液；

（2）将浓度为5%（w/v）明胶溶液80mL与步骤（1）制备的壳聚糖溶液混合，明胶与壳聚糖的质量比为1:1，在60℃的条件下搅拌使混合均匀得到明胶/壳聚糖混合溶液，将2.4gPEG 200加入明胶/壳聚糖混合溶液，在60℃的条件下搅拌使混合均匀，此时，pH在6以上，接近6.5，不需要再调pH；

（3）向步骤（2）的反应产物中加入0.04g转谷氨酰胺酶（TGase），在60℃的条件下继续搅拌35 min，升温至沸灭酶活12min，降至室温后脱泡，在镶边的水平洁净聚氯乙烯板上流延成膜，用去离子水洗至近中性，室温下自然干燥，得到明胶-壳聚糖复合膜。

实施例3

一种明胶-壳聚糖复合膜的制备方法，步骤如下：

（1）室温下，将3.5g壳聚糖加入三口烧瓶中，加入98mL去离子水搅拌4min，使壳聚糖均匀分散后，边搅拌边滴加2mL硝酸溶液，调节pH为4，继续充分搅拌，得到浓度为3.5%（w/v）的壳聚糖溶液；

（2）将浓度为7%（w/v）明胶溶液50 mL与步骤（1）制备的壳聚糖溶液混合，明胶与壳聚糖的质量比为1:1，在50℃的条件下搅拌使混合均匀得到明胶/壳聚糖混合溶液，将1.75gPEG 200加入明胶/壳聚糖混合溶液，在50℃的条件下搅拌使混合均匀，然后，用浓度为0.5 mol/L的NaOH溶液中和至pH为6；

（3）向步骤（2）的反应产物中加入0.07g转谷氨酰胺酶（TGase），在50℃的条件下继续搅拌40 min，升温至沸灭酶活10min，降至室温后脱泡，在镶边的水平洁净聚氯乙烯板上流延成膜，用去离子水洗至近中性，室温下自然干燥，得到明胶-壳聚糖复合膜。

实施例4

一种明胶-壳聚糖复合膜的制备方法，步骤如下：

（1）室温下，将3g壳聚糖加入三口烧瓶中，加入98.5mL去离子水搅拌5min，使壳聚糖均匀分散后，边搅拌边滴加1.5mL盐酸溶液，调节pH为5，继续充分搅拌，得到浓度为3%（w/v）的壳聚糖溶液；

（2）将浓度为15%（w/v）明胶溶液20mL与步骤（1）制备的壳聚糖溶液混合，明胶与壳聚糖的质量比为1:1，在45℃的条件下搅拌使混合均匀得到明胶/壳聚糖混合溶液，将1.2gPEG 200加入明胶/壳聚糖混合溶液，在45℃的条件下搅拌使混合均匀，然后，用浓度为0.1 mol/L的NaOH溶液中和至pH为6；

（3）向步骤（2）的反应产物中加入0.048g转谷氨酰胺酶（TGase），在45℃的条件下继续搅拌45 min，升温至沸灭酶活10min，降至室温后脱泡，在镶边的水平洁净聚氯乙烯板上流延成膜，用去离子水洗至近中性，室温下自然干燥，得到明胶-壳聚糖复合膜。

实施例5

一种明胶-壳聚糖复合膜的制备方法，步骤如下：

（1）室温下，将2.5g壳聚糖加入三口烧瓶中，加入97mL去离子水搅拌3min，使壳聚糖均匀分散后，边搅拌边滴加3mL醋酸溶液，调节pH为4.5，继续充分搅拌，得到浓度为2.5%（w/v）的壳聚糖溶液；

（2）将浓度为10%（w/v）明胶溶液25mL与步骤（1）制备的壳聚糖溶液混合，明胶与壳聚糖的质量比为1:1，在55℃的条件下搅拌使混合均匀得到明胶/壳聚糖混合溶液，将0.75gPEG 200加入明胶/壳聚糖混合溶液，在55℃的条件下搅拌使混合均匀，然后，用浓度为0.2 mol/L的NaOH溶液中和至pH为6；

（3）向步骤（2）的反应产物中加入0.01g转谷氨酰胺酶（TGase），在55℃的条件下继续搅拌40 min，升温至沸灭酶活12min，降至室温后脱泡，在镶边的水平洁净聚氯乙烯板上流延成膜，用去离子水洗至近中性，室温下自然干燥，得到明胶-壳聚糖复合膜。

按照本发明的明胶-壳聚糖复合膜的制备方法制备得到的明胶-壳聚糖复合膜在水果保鲜方面的应用。

一、水溶性及溶胀比

将实施例5制备得到的明胶–壳聚糖复合膜剪成20 mm × 20 mm的薄片，在烘箱中于105 ± 2 ℃干燥24 h后，冷却至室温，称重，记为M _i 。将试样放入盛有30 mL双蒸水的小烧杯中，室温下浸泡48 h后取出，用滤纸吸去试样表面的水，称重，记为M。然后，在烘箱中于105 ± 2 ℃干燥24 h，冷却至室温，再次称重，记为M _f 。水溶性以W表示，按式（1）计算。

                                                                      （1）

式中：M _i 、M _f 分别为溶解前后试样的干重。每个试样测三次，取平均值。

溶胀比以S表示，按式（2）计算。

                          （2）

式中：M为溶胀后试样的湿重，M _f 为溶胀后试样的干重。每个试样测三次，取平均值。

二、透水汽性

将待测试样（实施例5制备得到的明胶–壳聚糖复合膜）于干燥器中干燥三周以上，用外径千分尺测试试样厚度，精确到0.001 mm，每个试样测三次，取平均值。在25 ± 2 ℃条件下，在透湿杯中放入去离子水，将待测试样蒙在杯口，密封后称重。然后，把透湿杯放入装有变色硅胶的干燥器中，每隔一定时间后取出、称重，以透湿杯质量的变化对时间作图，线性回归（R ² ＞ 0.99）得到直线的斜率，斜率与膜面积的比值为水蒸汽传递速率（WVTR），透水汽性以WVP表示。

                         （3）

式中：L为膜的厚度，△P为膜两面的水蒸汽分压。每个试样测三次，取平均值。

三、拉伸性能

参照GB/T1040.3-2006《塑料拉伸性能的测定第3部分：薄膜和薄片的实验条件》，用CMT6104型微机控制电子万能试验机测定试样的拉伸强度和断裂伸长率。用取样刀将所制复合膜裁成该标准中的5型试样，将试样于室温相对湿度43%的环境中调湿7天以上至吸湿平衡，用外径千分尺测试样厚度，每个试样测三次，取平均值。拉伸速率50 mm/min，每个试样测5次，取平均值。

四、转谷氨酰胺酶用量对明胶–壳聚糖复合膜物理机械性能的影响

复合膜中聚乙二醇200含量为15%，转谷氨酰胺酶用量对明胶–壳聚糖复合膜溶胀比、水溶性、透水汽性、拉伸性能等物理机械性能的影响如表1所示。

表1 转谷氨酰胺酶用量对明胶–壳聚糖复合膜物理机械性能的影响

五、保鲜性能

实验对象为圣女果、葡萄、草莓、荔枝，将从市场买来的成熟度较好的四种新鲜水果（圣女果、葡萄、草莓、荔枝），每种随机分为三组，分别放置于一次性塑料托盘内，第一组未作进一步包装，作为对照组；第二组用PE保鲜膜包装；第三组用0.4%~0.6% TGase交联的明胶–壳聚糖复合膜包装，透明胶带封口。每组18份，每份重约100 g。贮存温度为25± 2 ℃，环境相对湿度43%左右。

对不同包装的样品进行观察，做出感官评定，如表2~5所示。

表2 不同包装材料包装圣女果的感官评定

表3  不同包装材料包装葡萄的感官评定

表4 不同包装材料包装草莓的感官评定

表5 不同包装材料包装荔枝的感官评定

由表2至表5可知，用保鲜膜包装虽然短时间内能起到一定的保鲜作用，但随着时间延长，起不到有效的保鲜作用。复合膜包装短时间内与保鲜膜包装效果没有明显区别，但随着时间延长，复合膜包装起到了明显的抗菌保鲜效果。

Claims (9)

1.一种明胶-壳聚糖复合膜的制备方法，其特征在于步骤如下：

（1）室温下，将壳聚糖加入三口烧瓶中，加入去离子水搅拌3~5min，使壳聚糖均匀分散后，边搅拌边滴加酸溶液，调节体系的pH为3.5~6，继续充分搅拌，得到浓度为1.5%~4%（w/v）的壳聚糖溶液；

（2）将明胶溶液与步骤（1）制得的壳聚糖溶液混合，在40~60℃的条件下搅拌使混合均匀得到明胶/壳聚糖混合溶液，将PEG 200加入明胶/壳聚糖混合溶液，在40~60℃的条件下搅拌使混合均匀，然后，用稀NaOH溶液中和至pH为6；

（3）向步骤（2）的反应产物中加入转谷氨酰胺酶（TGase），在40 ~60℃的条件下继续搅拌35~45 min，升温至沸灭酶活8~12min，降至室温后脱泡，在镶边的水平洁净聚氯乙烯板上流延成膜，用去离子水洗至近中性，室温下自然干燥，得到明胶-壳聚糖复合膜。

2.根据权利要求1所述的明胶-壳聚糖复合膜的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中边搅拌边滴加酸溶液，调节体系的pH为4~5。

3.根据权利要求1所述的明胶-壳聚糖复合膜的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中的酸溶液为醋酸、盐酸、硝酸、甲酸或磷酸中的其中一种。

4.根据权利要求1所述的明胶-壳聚糖复合膜的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中明胶溶液的浓度为5%~20%（w/v）。

5.根据权利要求1所述的明胶-壳聚糖复合膜的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中明胶/壳聚糖混合溶液中明胶与壳聚糖的质量比为1:1。

6.根据权利要求1所述的明胶-壳聚糖复合膜的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中PEG200的用量为明胶和壳聚糖固体总质量的10%~30%。

7.根据权利要求1所述的明胶-壳聚糖复合膜的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中稀氢氧化钠溶液的浓度为0.1~1.0 mol/L。

8.根据权利要求1所述的明胶-壳聚糖复合膜的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中转谷氨酰胺酶（TGase）的用量为明胶与壳聚糖固体总质量的0.1%~1%。

9.利用权利要求1~8中任意一项所述的明胶-壳聚糖复合膜的制备方法制备得到的明胶-壳聚糖复合膜在水果保鲜方面的应用。