劉俊成， 宋瑗瑗， 王 倩， 鄭劍偉， 蔣 革

(大連大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 大連 116622)

魔芋葡甘聚糖(Konjac glucomannan，KGM)是從魔芋塊莖中提取的天然高分子雜多糖，是一種較豐富的天然可再生資源。KGM主鏈由D-葡萄糖殘基和D-甘露糖殘基以β-1,4糖苷鍵連接而成[1-2]，此外，一些糖殘基的第3位碳上存在著由β-1,3糖苷鍵鏈接起來(lái)的支鏈，且每條支鏈由多個(gè)(一般為幾個(gè)到幾十個(gè))甘露糖殘基與葡萄糖殘基構(gòu)成，在主鏈上每19個(gè)左右的糖殘基就有1個(gè)乙?；ǔＫc甘露糖殘基C-6位的伯醇基酯化[3-7]。KGM的特殊結(jié)構(gòu)使其具有十分優(yōu)良的特性(如吸水性強(qiáng)、生物相容性高、成膜性好、可生物降解等[8])，但KGM由于力學(xué)性能差、無(wú)抗菌作用等、通常需要交聯(lián)處理或與其他天然(或合成)高分子材料形成復(fù)合材料[9-11]，從而提高KGM的機(jī)械性能、抗菌性能等。

檸檬酸(Citric acid，CA)又名枸櫞酸，是一種重要的三元有機(jī)酸，也是三羧酸循環(huán)中重要的中間產(chǎn)物，在自然界中廣泛存在。此外，CA也是一種廉價(jià)、無(wú)毒無(wú)害、綠色環(huán)保的交聯(lián)劑，受到廣泛研究。例如，MATHEW等[12]采用高溫退火的方法，成功將CA與膠原蛋白交聯(lián)，交聯(lián)后膠原蛋白在水中的穩(wěn)定性大幅增加，交聯(lián)后的膠原蛋白靜電紡絲纖維膜的各項(xiàng)性能也更加優(yōu)異。AWADHIYA等[13]采用共混微波加熱法，成功制備了CA交聯(lián)瓊脂塑料薄膜，該薄膜相比未交聯(lián)的瓊脂薄膜更穩(wěn)定，吸水性更低，機(jī)械性能更強(qiáng)，適合作為可降解塑料薄膜使用。ZHAO等[14]為解決膠原蛋白支架材料機(jī)械強(qiáng)度低的問(wèn)題，使用CA交聯(lián)膠原蛋白制備一種角膜修復(fù)材料，CA膠原蛋白膜具有更好的機(jī)械性能和光學(xué)性能。該薄膜的吸水率和擴(kuò)散系數(shù)與天然角膜相似，力學(xué)性能與縫合線(xiàn)相近，且無(wú)細(xì)胞毒性。

本研究為改善KGM多孔材料的機(jī)械性能，考察KGM質(zhì)量濃度、CA質(zhì)量濃度、交聯(lián)溫度和交聯(lián)時(shí)間對(duì)CA-KGM機(jī)械性能的影響。采用紅外光譜分析CA-KGM中的化學(xué)變化，采用掃描電子顯微鏡(SEM)分析KGM與CA-KGM的微觀結(jié)構(gòu)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

主要試劑：魔芋葡甘聚糖(純度≥95%)購(gòu)于上海源葉生物有限公司；檸檬酸(分析純)購(gòu)于天津大茂化學(xué)試劑廠。

主要儀器：真空冷凍干燥機(jī)(北京松源華興生物儀器有限公司)、傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR，Nicolet550型，美國(guó)賽默飛世爾)、冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM，S-4800，日本日立)、電子天平(JJ500 型，常熟市雙杰測(cè)試儀器廠)、集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(上海力辰邦西儀器科技有限公司)、數(shù)顯黏度計(jì)(NDJ-5S，上海力辰邦西儀器科技有限公司)、萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)(東莞市東日儀器有限公司)。

1.2 CA交聯(lián)KGM實(shí)驗(yàn)

用量筒準(zhǔn)確量取100 mL水加入到容積為250 mL的燒杯中，用精密天平稱(chēng)取相應(yīng)配方質(zhì)量的KGM和CA，加入到該燒杯中，加入轉(zhuǎn)子，放入恒溫磁力攪拌器中，設(shè)置交聯(lián)溫度為5～85 ℃，交聯(lián)時(shí)間設(shè)定為2～10 h，得到交聯(lián)溶液。取50 mL交聯(lián)溶液，倒入到尺寸為9 cm×9 cm的聚四氟乙烯平板上，在-20 ℃預(yù)凍12 h，放入真空冷凍干燥機(jī)凍干36 h，所得的產(chǎn)品即為CA-KGM。

1.3 CA-KGM性能檢測(cè)及表征

利用單因素實(shí)驗(yàn)考察KGM質(zhì)量濃度、CA質(zhì)量濃度、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)CA-KGM的黏度、吸水率及機(jī)械性能的影響，并以這4個(gè)因素為考察對(duì)象，每個(gè)因素選取3個(gè)水平，進(jìn)行L9(34)正交試驗(yàn)。采用萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)儀考察CA-KGM的機(jī)械性能；采用掃描電子顯微鏡觀察CA-KGM和KGM的微觀形貌，測(cè)試電壓為10 kV；紅外光譜(FT-IR)采用KBr壓片法對(duì)CA-KGM和KGM的化學(xué)結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)進(jìn)行分析，分辨率為4 cm-1，掃描范圍為4 000～500 cm-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 FT-IR與SEM表征結(jié)果

KGM的紅外光譜如圖1A所示，在波數(shù)3 600～3 050 cm-1的吸收峰是KGM中(-OH)的伸縮振動(dòng)特征峰[15]，2 939 cm-1處的吸收峰是KGM中-CH3的特征峰[16]，1 732 cm-1處的吸收峰是KGM中乙酰基的特征吸收峰[17]，1 646 cm-1處的吸收峰是KGM中分子內(nèi)氫鍵的特征吸收峰[18]，在波數(shù)872、806 cm-1處的吸收峰分別是KGM中β-D吡喃甘露糖特征吸收峰和吡喃甘露糖的特征吸收峰[15]。由CA的紅外光譜可看出：3 496 cm-1處的吸收峰是CA中-OH的特征吸收峰，1 751 cm-1和1 706 cm-1處的吸收峰是CA中對(duì)稱(chēng)羧基的特征吸收峰[19]。由未交聯(lián)的KGM和CA的紅外光譜可看出：該圖譜中保留了CA和KGM各自的特征吸收峰，說(shuō)明兩者未發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。而在CA-KGM的紅外光譜中，1 732 cm-1處的吸收峰明顯增強(qiáng)，并且CA的紅外光譜中1 751、1 706 cm-1處的對(duì)稱(chēng)羧基峰消失，說(shuō)明CA與KGM中活性羥基發(fā)生了酯化反應(yīng)；此外，KGM中1 646 cm-1處的分子內(nèi)氫鍵吸收峰消失，CA在3 496 cm-1處的羥基吸收峰消失，且CA-KGM在3 420 cm-1處的吸收峰彌散變寬，表明在CA協(xié)同加熱條件下，CA交聯(lián)至KGM分子上，使KGM的相對(duì)分子質(zhì)量下降，交聯(lián)KGM中的酯基、KGM上的羥基、CA中的羧基形成分子間氫鍵，分子間有序性增加，使CA-KGM的機(jī)械性能增強(qiáng)。

KGM多孔材料微觀形貌以網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)排列為主(圖1B)，孔徑分布在100～200 μm。而CA-KGM的微觀結(jié)構(gòu)為片狀多孔形貌(圖1C)，孔徑約200 μm。此外，交聯(lián)后KGM的機(jī)械性能增強(qiáng)，且吸水性能降低，這些結(jié)果均表明KGM與CA交聯(lián)后，分子間更加緊密有序，使其微觀結(jié)構(gòu)更加致密。

圖1 不同樣品的紅外光譜、SEM圖

2.2 單因素對(duì)機(jī)械性能的影響

2.2.1 KGM質(zhì)量濃度對(duì)CA-KGM機(jī)械性能的影響分析 優(yōu)化條件：CA質(zhì)量濃度w(CA)=7.5 g/L，交聯(lián)溫度T=65 ℃，交聯(lián)時(shí)間t=6 h。考察KGM的質(zhì)量濃度w(KGM)對(duì)CA-KGM、未交聯(lián)KGM機(jī)械性能的影響。w(KGM)對(duì)CA-KGM的機(jī)械性能影響較大(圖2)，其拉伸強(qiáng)度在w(KGM)=10.0 g/L時(shí)出現(xiàn)峰值(0.57 MPa)，最大斷裂伸長(zhǎng)率為38.3%。

圖2 KGM質(zhì)量濃度對(duì)CA-KGM、KGM機(jī)械性能的影響

分析原因：由于主要成分KGM的質(zhì)量濃度的增加，會(huì)使多孔材料密度隨之增加，機(jī)械性能也隨之變強(qiáng)。未交聯(lián)KGM的機(jī)械性能較弱，拉伸強(qiáng)度也在w(KGM)=10.0 g/L達(dá)到峰值，這是因?yàn)镵GM自身水溶液粘度極大，當(dāng)其質(zhì)量濃度過(guò)高時(shí)，KGM混合不均勻，導(dǎo)致機(jī)械性能不佳。

2.2.2 關(guān)聯(lián)反應(yīng)溫度對(duì)CA-KGM機(jī)械性能的影響分析 在w(KGM)=10.0 g/L、w(CA)=7.5 g/L和t=6 h條件下，考察不同交聯(lián)反應(yīng)溫度T對(duì)CA-KGM機(jī)械性能的影響。T對(duì)CA-KGM的機(jī)械性能影響也較大(圖3)，CA-KGM的拉伸強(qiáng)度在T=65 ℃時(shí)出現(xiàn)峰值(0.58 MPa)，最大斷裂伸長(zhǎng)率為36.8%。

圖3 溫度對(duì)CA-KGM機(jī)械性能的影響

分析原因：一方面，KGM對(duì)溫度較為敏感，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，KGM水解為小分子，導(dǎo)致機(jī)械性能下降；另一方面，當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)，KGM與CA之間不反應(yīng)，未形成檸檬酸酯，機(jī)械性能較差。因此，只有當(dāng)交聯(lián)溫度適宜時(shí)，KGM的水解程度較小，與CA之間反應(yīng)形成檸檬酸酯，材料的機(jī)械性能才最佳。

2.2.3 CA質(zhì)量濃度對(duì)CA-KGM機(jī)械性能的影響分析 在w(KGM)=10.0 g/L、T=65 ℃、t=6 h條件下，考察w(CA)對(duì)CA-KGM機(jī)械性能的影響。由圖4可知，w(CA)對(duì)CA-KGM機(jī)械性能的影響也較大，CA-KGM的拉伸強(qiáng)度在w(CA)=7.5 g/L時(shí)出現(xiàn)峰值(0.57 MPa)，最大斷裂伸長(zhǎng)率為38.1%。

圖4 CA質(zhì)量濃度對(duì)CA-KGM機(jī)械性能的影響

分析原因：一方面，CA中的活性羧基在加熱條件下會(huì)與KGM中的活性羥基發(fā)生酯化反應(yīng)，形成具有良好增塑作用的檸檬酸酯，使機(jī)械性能增強(qiáng)；另一方面，KGM在酸性條件下會(huì)發(fā)生一定程度的水解，當(dāng)w(CA)過(guò)高時(shí)，KGM水解為小分子多糖，從而使CA-KGM的機(jī)械性能下降。

2.2.4 交聯(lián)時(shí)間對(duì)CA-KGM機(jī)械性能的影響分析 在w(KGM)=10.0 g/L、w(CA)=7.5 g/L和T=65 ℃條件下，考察不同交聯(lián)時(shí)間t對(duì)CA-KGM機(jī)械性能的影響。t對(duì)CA-KGM的機(jī)械性能影響較大(圖5)，CA-KGM的拉伸強(qiáng)度在t=4 h時(shí)出現(xiàn)峰值(0.69 MPa)，而斷裂伸長(zhǎng)率在t=6 h達(dá)到峰值(36.8%)。

圖5 交聯(lián)時(shí)間對(duì)CA-KGM機(jī)械性能的影響

分析原因：短時(shí)間加熱會(huì)使KGM與CA反應(yīng)形成檸檬酸酯，增強(qiáng)機(jī)械性能，而長(zhǎng)時(shí)間加熱會(huì)導(dǎo)致KGM水解為小分子，導(dǎo)致機(jī)械性能下降。

2.3 正交試驗(yàn)分析

由單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，交聯(lián)反應(yīng)需要一定的臨界條件。當(dāng)反應(yīng)溫度低于55 ℃時(shí)，交聯(lián)反應(yīng)未進(jìn)行，而溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致KGM水解，使機(jī)械性能不佳。同理，反應(yīng)時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。因此，選取w(KGM)、w(CA)、T和t中有意義的水平進(jìn)行L9(34)正交試驗(yàn)(表1)。

表1 因素-水平表

拉伸強(qiáng)度的正交試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，K為對(duì)應(yīng)水平數(shù)據(jù)的綜合平均值，R為極差。RD>RC>RA>RB，即4個(gè)因素對(duì)CA-KGM多孔材料機(jī)械性能的影響從大到小依次為：交聯(lián)時(shí)間(因素D)、CA質(zhì)量濃度(因素C)、KGM質(zhì)量濃度(因素A)、交聯(lián)溫度(因素B)。交聯(lián)溫度和CA質(zhì)量濃度對(duì)CA-KGM多孔材料拉伸強(qiáng)度的影響較大。

表2 CA-KGM多孔材料拉伸強(qiáng)度的正交試驗(yàn)結(jié)果

分析原因:首先，CA與KGM之間發(fā)生的酯化反應(yīng)程度會(huì)影響拉伸強(qiáng)度；其次，KGM質(zhì)量濃度對(duì)拉伸強(qiáng)度影響較大。

斷裂伸長(zhǎng)率正交試驗(yàn)分析如表3所示，RC>RA>RD>RB，即4個(gè)因素對(duì)CA-KGM多孔材料機(jī)械性能的影響由大到小依次為：CA質(zhì)量濃度(因素C)、KGM質(zhì)量濃度(因素A)、交聯(lián)時(shí)間(因素D)、交聯(lián)溫度(因素B)。CA質(zhì)量濃度對(duì)斷裂伸長(zhǎng)率的影響最大。這是因?yàn)椋菏紫龋琄GM發(fā)生酯化反應(yīng)，形成檸檬酸酯，分子間氫鍵增加，從而增加了多孔膜的韌性；其次，KGM是多孔材料的主要成分，KGM質(zhì)量濃度對(duì)CA-KGM多孔材料的斷裂伸長(zhǎng)率影響較大；交聯(lián)時(shí)間和溫度對(duì)斷裂伸長(zhǎng)率的影響較小。

表3 CA-KGM多孔材料斷裂伸長(zhǎng)率的正交試驗(yàn)結(jié)果

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，優(yōu)化得到的最佳條件為A2B2C3D1，即w(KGM)=10 g/L、T=55 ℃、w(CA)=10 g/L、t=2 h。在該條件下的綜合機(jī)械性能最佳，即拉伸強(qiáng)度0.95 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率16.7%。前述FT-IR和SEM表征的CA-KGM樣品均由A2B2C3D1條件制備得到。

3 結(jié)論

采用來(lái)源廣泛且價(jià)格低廉的KGM為原料，通過(guò)高溫使CA與KGM交聯(lián)，考察KGM質(zhì)量濃度、交聯(lián)溫度、CA質(zhì)量濃度和交聯(lián)時(shí)間4個(gè)因素對(duì)CA-KGM機(jī)械性能的影響。結(jié)果表明：KGM質(zhì)量濃度過(guò)高會(huì)使機(jī)械性能下降；CA質(zhì)量濃度過(guò)高或溫度過(guò)高都會(huì)導(dǎo)致KGM過(guò)度水解，致使機(jī)械性能下降；過(guò)低的溫度不能使KGM與CA交聯(lián)，不能達(dá)到增強(qiáng)機(jī)械性能的目的，而反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)也不利于增強(qiáng)機(jī)械性能。因此選擇合適的物料濃度、交聯(lián)溫度和時(shí)間有利于制備得到機(jī)械性能較強(qiáng)的CA-KGM。此外，通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，制備得到了機(jī)械性能顯著優(yōu)于KGM的CA-KGM多孔材料，這為KGM更廣泛的應(yīng)用提供了思路。