高若航，李青，萬芝力，楊曉泉

（華南理工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院植物蛋白與膠體研究中心，廣東省天然產(chǎn)物綠色加工與產(chǎn)品安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510640）

廢棄塑料膜造成了嚴(yán)重的土地污染、海洋污染和水源污染，甚至威脅到動(dòng)物與人類的生存[1]。自2020年限塑令發(fā)布以來，淀粉[2]、纖維素[3]、聚乳酸[4]等可降解聚合物逐步取代合成類聚合物，成為膜材料制備的熱門原料。細(xì)菌纖維素（Bacterial Cellulose，BC）是一類由木醋桿菌等微生物發(fā)酵合成的一種天然納米纖維聚合物，其化學(xué)結(jié)構(gòu)與植物纖維素相同；凝膠狀的BC 由許多有序排列，緊密結(jié)合的高長徑比納米纖維組成，其干燥后形成的膜材料具有優(yōu)異的機(jī)械性能[5]。純BC 膜功能單一難以作為功能材料發(fā)揮作用，同時(shí)其親水性過強(qiáng)的特點(diǎn)極大的限制了其在食品鄰域（如吸管材料）中的應(yīng)用。目前，為了改善BC 膜過于親水的特點(diǎn)以及拓展其應(yīng)用，常用的解決方式是將BC 與其他物質(zhì)（如纖維素、蛋白質(zhì)）進(jìn)行復(fù)合制備性能更為優(yōu)良的復(fù)合膜材料[6,7]。

甲殼素（Chitin）是含量僅次于纖維素的第二大生物聚合物，也是自然界唯一的聚陽離子多糖，主要存在于蝦、蟹、真菌等生物體中，組成甲殼素的分子鏈排列有序，存在分子內(nèi)和分子間氫鍵，因而具有較高的強(qiáng)度和模量。此外，作為生物來源的天然聚合物，甲殼素也具有良好的生物相容性和生物可降解性，是一種綠色環(huán)保的原料[8]。目前，已有相關(guān)學(xué)者將甲殼素通過機(jī)械處理制備出納米纖維（Chitin Nanofibrils，CH），并將其應(yīng)用在BC 膜的制備中。例如，Yang 等[7]將CH 在BC 原位合成階段加入，經(jīng)純化干燥后可得到納米填充膜；該原位合成的改性BC 基材料具有一定的抗微生物效應(yīng)。但該方式生產(chǎn)周期長，產(chǎn)品品質(zhì)對生長環(huán)境要求較高。因此，有必要探索更快速有效的工藝來制備更多功能特性的BC-CH 復(fù)合膜。玉米醇溶蛋白（Zein）為一種醇溶蛋白，通過反溶劑技術(shù)可制備出納米顆粒。玉米醇溶蛋白顆粒（Zein Nanoparticles，ZN）可應(yīng)用在荷載疏水活性物質(zhì)的多功能性材料中，且已有研究證明將其添加到纖維膜中的可行性[9]。

然而，目前鮮有關(guān)于快速制備純天然原料基功能性復(fù)合膜的研究。抄紙技術(shù)作為一項(xiàng)成熟的造紙工藝，具有操作簡單、耗時(shí)短等優(yōu)點(diǎn)，且制備的纖維素膜分布均勻、表面光滑，利于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)[9]?；谇捌谘芯拷Y(jié)果[9]，本實(shí)驗(yàn)以BC、CH 和ZN 為原料，利用快速抄紙工藝先通過抽濾除去成膜溶液中的大部分水分，后將濕膜基質(zhì)經(jīng)熱壓干燥制得BC-CH-ZN 復(fù)合膜。重點(diǎn)研究BC 和CH 組成比例和ZN 的加入對BC 膜微觀結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能和表面接觸角的影響。同時(shí)進(jìn)一步在ZN 中加入天然抗菌劑百里香酚（Thymol，TH），考察TH 添加對BC-CH-ZN 復(fù)合膜機(jī)械性能的影響。最后，研究復(fù)合膜的熱穩(wěn)定性、元素分析和抗菌性能。本研究可為開發(fā)具有更多功能特性的BC 復(fù)合膜提供指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

細(xì)菌纖維素，海南椰國食品有限公司；甲殼素（CTI），山東奧康生物科技有限公司；玉米醇溶蛋白Zein，美國Sigma 公司；冰醋酸（分析純），廣東光華科技股份有限公司

RK3AKWT 型凱塞法自動(dòng)抄紙系統(tǒng)，奧地利PTI公司；INSTRON 5943 型拉伸壓縮材料試驗(yàn)機(jī)，美國Instron 公司；OCA20 型視頻光學(xué)接觸角測定儀，德國Dataphysics 公司；BSA224S 型分析天平，賽多利斯科學(xué)儀器有限公司；DF-1 型磁力攪拌器，江蘇金壇市環(huán)宇科學(xué)儀器廠；ZEISS Merlin 型高分辨率熱場發(fā)射掃描電鏡，德國Zeiss 公司；L&W 250 型厚度儀，瑞典Lorentzen&Wettre 公司；M-110EH-30 型高壓微射流納米均質(zhì)機(jī)，美國MFIC 公司；JY98-IIID 型超聲破碎儀，新芝生物科技有限公司；RV10 digital 型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，德國IKA 公司；TG209F1 型TGA 熱重分析儀，德國耐馳公司；VERTEX 70 型傅里葉變換紅外光譜儀，德國Bruker 公司；Vario EL cube 型元素分析儀，德國Elementar 公司。標(biāo)明具體公司

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 細(xì)菌纖維素（BC）懸浮液的制備

1.2.1.1 純化

用純水沖去BC 表面殘留的培養(yǎng)基、菌體及雜質(zhì)后將其置于0.2 mol/L 的NaOH 溶液中，于90 ℃下蒸煮30 min。蒸煮后取出用純水重復(fù)沖洗多次，直至獲得中性BC 分散液。

1.2.1.2 機(jī)械處理

將純化后的BC 與純水按質(zhì)量比1:1 混合，使用均質(zhì)機(jī)高速（12 000 r/min）剪切10 min，隨后將其置于膠體磨中剪切30 min 進(jìn)一步細(xì)化纖維，最后通過高壓微射流（137.9 MPa）處理10 次，獲得BC 納米纖維懸浮液。

1.2.2 甲殼素納米纖維（CH）懸浮液的制備

參考Ifuku 等[10]的制備方法。稱取1 g CH 粉末分散在99 g 純水中，用冰醋酸調(diào)pH 值至3.0，攪拌10 min后置于均質(zhì)機(jī)（10 000 r/min）剪切5 min，再用高壓微射流（137.9 MPa）處理10 次，獲得CH 懸浮液。

1.2.3 玉米醇溶蛋白納米顆粒（ZN）的制備

參考Patel 等[11]的制備方法。將1 g Zein 溶解在40 mL 80%（V/V）的乙醇溶液中，攪拌確保樣品充分溶解。在1 000 r/min 攪拌狀態(tài)下，將100 mL 純水快速倒入zein 醇溶液中，繼續(xù)攪拌15 min 后將溶液置于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中（40 ℃，100 r/min），除去乙醇和少量水分，獲得1 wt%的ZN 分散液。

1.2.4 荷載百里香酚（TH）的ZN 制備

參考Li 等[12]的制備方法。稱取1 g Zein 粉末，溶解在40 mL 80%（V/V）的乙醇溶液中，攪拌至充分溶解。隨后，將一定質(zhì)量的TH 粉末加入Zein 醇溶液中，TH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為蛋白量的10%～40%。最后，采用反溶劑過程（同1.2.3）制得含有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)TH 的ZN 分散液（ZN 濃度固定為1 wt%）。

1.2.5 復(fù)合膜的制備

1.2.5.1 細(xì)菌纖維素-甲殼素納米纖維（BC-CH）復(fù)合膜的制備

將0.1wt% BC和0.1wt% CH懸浮液按質(zhì)量比10:0、9:1、7:3、5:5、3:7、0:10 混合，得到總質(zhì)量為120 g的混合液；之后，將該混合液攪拌1 h 后置于超聲破碎儀中處理10 min，功率為100 W，輸出頻率為50%。將超聲后的混合液脫氣后進(jìn)行抽濾處理得到濕膜。最后將其置于凱塞法半自動(dòng)抄紙系統(tǒng)中（90 ℃，0.1 MPa）干燥10 min，得到復(fù)合膜。

1.2.5.2 細(xì)菌纖維素-甲殼素納米纖維-蛋白顆粒（BC-CH-ZN）復(fù)合膜的制備

將含有不同濃度的TH（ZN 質(zhì)量分?jǐn)?shù)0～40%）的ZN 顆粒（1wt%）和BC-CH 混合液（0.2wt%，質(zhì)量比為5:5）混合，得到的懸浮液總質(zhì)量為120 g，混合纖維濃度為0.1wt%，ZN 濃度為0.01wt%～0.05wt%（纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%～50%）。按1.2.5.1 所述方法制得含有10%～50% ZN（相對總纖維質(zhì)量）的復(fù)合膜。

1.2.6 納米纖維微觀結(jié)構(gòu)表征

采用原子力顯微鏡觀察納米纖維的微觀結(jié)構(gòu)。將纖維素液稀釋至0.01wt%，在100 W 下超聲10 min 使懸浮液分散均勻，取2 μL 懸浮液滴在新剝離的云母片上，通風(fēng)櫥下室溫干燥后，用輕敲模式觀察納米纖維結(jié)構(gòu)（掃描范圍為5 μm×5 μm）。

1.2.7 膜厚度測定

用分辨率為0.1 μm 的L&W 厚度儀測定膜厚度。隨機(jī)選取膜十個(gè)位置，測定其厚度值，計(jì)算得到膜厚度的平均值。

1.2.8 膜表面微觀結(jié)構(gòu)表征

采用掃描電子顯微鏡觀察膜表面的微觀結(jié)構(gòu)。將復(fù)合膜粘在樣品盤上，噴金10 min 后將其放入電壓為5 kV 的掃描電鏡觀察室中觀察。

1.2.9 膜物理特性表征

1.2.9.1 機(jī)械性能測定

參照GB/T 1040.3-2006《塑料拉伸性能測定》中對薄膜機(jī)械性能的測定方法[13]，用拉伸壓縮材料試驗(yàn)機(jī)測試復(fù)合膜的機(jī)械性能，將平衡48 h 后的復(fù)合膜裁成40 mm×5 mm 的矩形條，將初始距離設(shè)置為10 mm，拉伸速度設(shè)置為0.5 mm/s。每個(gè)樣品測十個(gè)平行，取平均值。其中抗拉強(qiáng)度（TS）為膜斷裂時(shí)承受的最大載荷與膜橫截面的比值，斷裂伸長率（EAB）為膜斷裂長度與初始長度之差占初始長度的比值。

1.2.9.2 接觸角測定

采用座滴法測量復(fù)合膜表面的水接觸角，設(shè)定液滴量為5 μL，分別測定液滴剛接觸膜表面及接觸10 s后的膜接觸角。每個(gè)膜樣測六次平行，去除最大值和最小值后計(jì)算得到平均值。

1.2.9.3 紅外光譜

用FT-IR 儀全反射組件測定膜材料吸收光譜，掃描范圍為400～4 000 cm-1。

1.2.9.4 元素分析

準(zhǔn)確稱取4.5 mg 剪碎后的復(fù)合膜于元素分析儀中測定其C、H、N 元素的含量。

1.2.9.5 熱穩(wěn)定性

用熱重分析（TG）技術(shù)觀測程序控溫下物質(zhì)質(zhì)量與溫度或時(shí)間的變化關(guān)系，載氣N2，溫度范圍30～600℃，升溫速度20 ℃/min。

1.2.9.6 抗菌活性測定

根據(jù)GB 4789.2-2016《食品微生物學(xué)檢驗(yàn)菌落總數(shù)的測定》中的方法對菌濃度進(jìn)行確定[14]，參考Zhao等[15]的實(shí)驗(yàn)方法，取稀釋至105CFU/mL 的大腸桿菌（革蘭氏陰性菌）和金黃色葡萄球菌（革蘭氏陽性菌）菌懸液3 mL 加至10 mL 試管中，稱取裁剪后的經(jīng)紫外滅菌1 h 的純BC 膜、BC 和CH 質(zhì)量比為5:5 的BC-CH復(fù)合膜、BC-CH-10% ZN 復(fù)合膜、BC-CH-30% ZN 復(fù)合膜、BC-CH-40% ZN 復(fù)合膜、BC-CH-50% ZN 復(fù)合膜各50 mg 于菌懸液中，于200 r/min、37 ℃搖床培養(yǎng)，分別通過測12 h 后的OD600值及觀察菌落得出細(xì)菌生長曲線和細(xì)菌生長抑制情況。

1.2.10 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

用SPSS 17.0 和Origin 2018 對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，所得數(shù)據(jù)均為不少于3 次重復(fù)的均值，以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差”表示，采用方差分析（ANOVA）不同平均值之間的差異顯著性，p＜0.05 表示差異顯著。

2 結(jié)果與討論

2.1 細(xì)菌纖維素（BC）和甲殼素納米纖維（CH）的微觀結(jié)構(gòu)

納米纖維的尺寸直接影響纖維間結(jié)合的緊密程度和復(fù)合纖維膜的厚薄程度及機(jī)械強(qiáng)度等；過細(xì)的纖維尺寸要求有更高的機(jī)械處理強(qiáng)度，而過粗的纖維尺寸會(huì)影響纖維膜的孔隙度，從而進(jìn)一步影響其機(jī)械性能[3]。因此，首先使用AFM 對BC 和CH 的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。如圖1所示，通過膠體磨和高壓微射流處理過的BC 和CH 的形態(tài)均一，纖維之間緊密堆積，能形成纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為復(fù)合膜的制備提供了可能。與BC 相比，CH 具有更小的纖維尺度和寬度，兩者直徑均處于5～50 nm 之間，這分別與王麗英[9]和Hai[16]等用機(jī)械法拆解得到的纖維形態(tài)類似。

圖1 BC（a）和CH（b）的原子力顯微鏡圖Fig.1 2D AFM images of BC (a) and CH (b) nanofibrils

2.2 BC-CH 纖維組成比例對復(fù)合膜的影響

2.2.1 纖維組成比例對復(fù)合膜外觀、微觀結(jié)構(gòu)和厚度的影響

通過快速抄紙過程，成功制備了不同質(zhì)量比（BC:CH）的BC-CH 復(fù)合膜。由圖2外觀圖可看出，單獨(dú)BC 膜外觀完整，證明BC 本身具有良好抄紙成膜的能力。然而，純CH 膜在熱壓后出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，表明其成膜能力較弱。使用BC 和CH 制備的復(fù)合膜表面較為光滑，顏色均勻，形狀基本完整。

圖2 不同質(zhì)量比下BC-CH 復(fù)合膜的外觀圖Fig.2 Photographs of BC-CH composite membranes with different BC:CH mass ratios

圖3a～3c 為BC-CH 膜表面的掃描電鏡圖?？梢钥闯?，純BC 膜和純CH 膜均顯示出光滑的表面。在復(fù)合膜中，可以看到略細(xì)的CH 纖維均勻地分布在BC 纖維之間，且復(fù)合膜表面的孔隙度較純BC 膜有所減少。由復(fù)合膜的厚度圖（圖3d）也可知，復(fù)合膜厚度較為均一。同一熱壓條件下，復(fù)合膜厚度隨纖維質(zhì)量比的減小從30.36 μm下降至26.34 μm，其歸因于CH較低的尺度。

圖3 不同質(zhì)量比下BC-CH 復(fù)合膜表面的掃描電鏡圖Fig.3 FE-SEM images of BC-CH composite membranes with different BC/CH mass ratios

2.2.2 纖維組成比例對復(fù)合膜接觸角的影響

圖4為不同纖維比例復(fù)合膜的接觸角變化圖，純BC 膜的接觸角（0 s）為32.70°，表明其較強(qiáng)的親水性。單獨(dú)CH 膜的接觸角可達(dá)64.70°（0 s），說明CH 本身的親水性弱于BC。CH 的加入使復(fù)合膜表面形態(tài)發(fā)生變化因而影響了其表面粗糙度，復(fù)合膜的接觸角隨著CH 占總纖維質(zhì)量比的增加而增加，故復(fù)合CH 后可以改善純BC 膜親水性過強(qiáng)的弱點(diǎn)。這也與Shams 等[17]通過測量甲殼素復(fù)合膜（55°）和纖維素復(fù)合膜（34°）的接觸角得出甲殼素復(fù)合膜比纖維素復(fù)合膜更疏水的結(jié)論一致。

圖4 不同質(zhì)量比下BC-CH 復(fù)合膜的0 s 和10 s 接觸角數(shù)據(jù)及對應(yīng)外觀圖Fig.4 Contact angle (0 and 10 s) values and corresponding images of BC-CH composite membranes with different mass ratios

2.2.3 纖維組成比例對復(fù)合膜機(jī)械性能的影響

由圖5可看出，純BC 膜的拉伸強(qiáng)度為183.45 MPa，隨著纖維質(zhì)量比（BC:CH）的減少（不低于5:5），復(fù)合膜的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率變化不顯著（p＞0.05），即當(dāng)BC 含量大于CH 含量時(shí)，在改善纖維素復(fù)合膜過于親水的同時(shí)基本不影響復(fù)合膜的機(jī)械性能。然而，當(dāng)纖維質(zhì)量比（BC:CH）低于5:5 時(shí)，復(fù)合膜的機(jī)械強(qiáng)度顯著減弱（p＜0.05）；這是由于此時(shí)復(fù)合膜中CH 含量多于BC，復(fù)合膜內(nèi)部纖維網(wǎng)絡(luò)較大部分由CH 堆積而成，而CH 網(wǎng)絡(luò)本身的抗拉伸能力較弱，從而弱化復(fù)合膜的機(jī)械性能。Wang 等[18]使用甘蔗渣和針葉木漿復(fù)合木質(zhì)素制備的納米微米復(fù)合吸管材料的抗拉強(qiáng)度約70 MPa，明顯低于本研究中BC-CH 復(fù)合膜的抗拉強(qiáng)度，表明本研究的復(fù)合膜具有較好的機(jī)械性能，可應(yīng)用在食品領(lǐng)域（如吸管材料）中。

圖5 不同質(zhì)量比下BC-CH 復(fù)合膜的的機(jī)械性能Fig.5 Mechanical properties of the BC-CH composite membranes with different mass ratios

2.3 Zein 納米顆粒（ZN）添加量對復(fù)合膜特性的影響

2.3.1 ZN 添加量對膜外觀、微觀結(jié)構(gòu)及厚度的影響

ZN 是由反溶劑法制備的一種納米顆粒，在功能性活性成分的荷載及釋放等方面發(fā)揮著重要的作用[19,20]。為了進(jìn)一步拓展BC-CH 復(fù)合膜的應(yīng)用，使用Zein 作為功能因子的載體來制備功能性BC-CH 復(fù)合膜。在對復(fù)合膜進(jìn)行功能性探究之前，首先研究了Zein 納米顆粒（ZN）的加入對纖維復(fù)合膜外觀的影響。由圖6可看出，加入ZN 后復(fù)合膜表面仍顏色均勻，光滑平整。相對于未添加ZN 的復(fù)合膜，含有顆粒的復(fù)合膜的外觀偏黃，歸因于原料中含有的少量葉黃素和玉米黃素等呈色的類胡蘿卜素。

圖6 不同BC-CH-ZN 復(fù)合膜外觀圖Fig.6 Photographs of different BC-CH-ZN composite membranes

為了進(jìn)一步確認(rèn)ZN 的存在并探究蛋白顆粒添加對復(fù)合膜微觀結(jié)構(gòu)的影響，采用場發(fā)射掃描電鏡觀察了復(fù)合膜表面的微觀形貌。從圖7的電鏡圖可看到，復(fù)合膜內(nèi)部（圖7b 和7c）具有較多凸起的球狀顆粒，說明ZN能有效地包覆在復(fù)合膜內(nèi)。這些ZN 均勻分布在纖維網(wǎng)絡(luò)之間，表明其不會(huì)影響纖維網(wǎng)絡(luò)的形成。此外，復(fù)合膜厚度的變化也能表明ZN 的存在。Chen 等[21]將纖維素納米纖維與銀納米顆?；旌现频貌煌穸鹊膹?fù)合膜。圖7d 為添加不同ZN 后復(fù)合膜的厚度變化，該圖顯示了復(fù)合膜厚度隨著ZN 的增多從28.41 μm 增加到35.60 μm，表明ZN 的加入提高了復(fù)合膜的厚度。

圖7 不同BC-CH-ZN 復(fù)合膜表面的掃描電鏡圖Fig.7 FE-SEM images of different BC-CH-ZN composite membrane surfaces

2.3.2 ZN 添加量對復(fù)合膜機(jī)械性能的影響

如圖8所示，復(fù)合膜的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率隨ZN 的加入有一定程度的下降，通過對拉伸數(shù)據(jù)進(jìn)行比較可知，在添加少于30%（相對于纖維）的蛋白顆粒時(shí)，TS 和EAB 值與不含顆粒的BC-TH 纖維膜的機(jī)械性能無顯著差異（p＞0.05），分別從171.4 MPa 變化為157.5 MPa，從2.11%變化為2.08%，而進(jìn)一步增加ZN的添加量則會(huì)明顯降低復(fù)合膜的機(jī)械性能。Ahmadizadegan 等[22]研究的以氨基苯甲酸為原料合成的雙氫氧化物納米顆粒對聚酰亞胺膜抗拉強(qiáng)度的影響和Li 等[23]研究的玉米醇溶蛋白納米顆粒對纖維素膜的機(jī)械性能的影響都得出了納米顆粒先增強(qiáng)后減弱膜基質(zhì)機(jī)械性的結(jié)論。這主要是由于過量納米顆粒的加入使部分顆粒在纖維間隙填充飽和的狀態(tài)下被迫聚集，這些以簡單物理堆積的形式組成的膜機(jī)械性能弱于以氫鍵形式結(jié)合的膜，因而呈現(xiàn)削弱復(fù)合膜機(jī)械性能的效果。

圖8 含有不同ZN 含量的BC-CH-ZN 復(fù)合膜的機(jī)械性能Fig.8 Mechanical properties of BC-CH-ZN composite membranes with different ZN concentrations

2.3.3 ZN 添加量對復(fù)合膜接觸角的影響

由圖9可知，隨著ZN 含量的增加，纖維復(fù)合膜的接觸角（0 s）從49.15°增加至77.28°，這是由于分布在纖維間的蛋白納米顆粒部分暴露在膜表面，使膜的親水性降低，因而能進(jìn)一步改善纖維素復(fù)合膜過于親水的缺陷[24]。

圖9 含有不同ZN 含量的BC-CH-ZN 復(fù)合膜在0 s 和10 s 的接觸角數(shù)據(jù)及對應(yīng)外觀圖Fig.9 Contact angle (0 and 10 s) values and corresponding images of BC-CH-ZN composite membranes with different ZN concentrations

2.4 復(fù)合膜的紅外光譜

FT-IR 進(jìn)一步用于表征復(fù)合膜的表面化學(xué)結(jié)構(gòu)。如圖10所示，純BC 膜的FI-TR 圖中出現(xiàn)了-OH 的伸縮振動(dòng)峰（3 334 cm-1），CH2/CH3 基團(tuán)的C-H 伸縮振動(dòng)峰（2 900 cm-1），以及C-O-C 伸縮振動(dòng)峰（1 018 cm-1）。在純CH 膜的紅外光譜圖中，除了觀察到-OH、-C-H、-C-C的振動(dòng)峰，也可觀察到N-H伸縮振動(dòng)峰（3 456 cm-1）。相對純BC 膜和CH 膜，BC-CH 復(fù)合膜的羥基伸縮振動(dòng)峰向較低的波數(shù)移動(dòng)（3 286 cm-1），說明BC 和CH之間形成了分子間氫鍵。此外，與BC-CH 膜相比，添加ZN 的復(fù)合膜在1 531 cm-1處出現(xiàn)新的吸收峰，這是由蛋白顆粒的酰胺II 鍵產(chǎn)生[25]，進(jìn)一步說明zein 顆粒已成功合并入復(fù)合膜中。同樣，與BC-CH 膜相比，BC-CH-ZN 復(fù)合膜的羥基伸縮振動(dòng)峰往較低的波數(shù)移動(dòng)，說明ZN 與BC、CH 之間也形成了氫鍵作用。此外，TH 對復(fù)合膜的紅外光譜沒有明顯影響，說明其被很好地包裹在蛋白顆粒ZN 中。

圖10 不同BC-CH-ZN/TH 復(fù)合膜的紅外光譜圖Fig.10 FT-IR spectra of different BC-CH-ZN-TH composite membranes

2.5 復(fù)合膜的熱穩(wěn)定性

材料的熱穩(wěn)定性是評價(jià)材料能否穩(wěn)定發(fā)揮功能性質(zhì)的重要指標(biāo)，圖11a 是復(fù)合膜質(zhì)量隨溫度升高而變化的曲線，可以看到初始受熱階段由于膜中殘留的水分揮發(fā)，膜質(zhì)量略微下降，當(dāng)溫度升高到300 ℃左右，膜質(zhì)量由于纖維素降解，糖基碳化等開始急劇下降，這與Gao 等[26]關(guān)于BC 熱重分析結(jié)果的趨勢一致；繼續(xù)升溫，殘留的灰分不再進(jìn)一步降解因而維持一定的重量。對照純BC 膜，加入CH 納米纖維復(fù)合的膜降解后最終質(zhì)量大于其原始質(zhì)量的20%，蛋白顆粒的添加不影響該結(jié)果，而純BC 膜僅為9.80%。此外，從圖11b可以看出，BC 膜的減重率高于含甲殼素纖維的復(fù)合膜，因此，甲殼素纖維的加入對復(fù)合膜的熱穩(wěn)定性具有一定的促進(jìn)作用。

圖11 不同BC-CH-ZN-TH 復(fù)合膜的TGA 曲線和DTG 曲線Fig.11 TGA and the DTG curves of the BC-CH-ZN-TH composite membranes

2.6 復(fù)合膜的抗菌性能

由圖12可知，相對純BC 膜而言，BC-CH 復(fù)合膜對金黃色葡萄球菌有一定的抑制效果，這歸因于CH 本身的抗菌作用[7]。同時(shí)，當(dāng)復(fù)合膜中添加了百里香酚（TH）時(shí)，OD600值進(jìn)一步降低，且隨著TH 含量的增加而減小，說明TH 能提高復(fù)合膜對金黃色葡萄球菌的抑制效果。值得注意的是，所有的膜材料皆對大腸桿菌的抗菌效果不明顯。Domenico 等[27]研究證實(shí)金黃色葡萄球菌對TH 的敏感性高于大腸桿菌，并推測TH 的抗菌作用是由于細(xì)菌質(zhì)膜脂質(zhì)組分的擾動(dòng)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的泄漏。Mathela 等[28]的研究結(jié)果有類似的結(jié)論，即金黃色葡萄球菌是實(shí)驗(yàn)菌種中對TH 最敏感的微生物，抑菌圈為（25±0.98）mm，MIC 值為62.5l g/mL，而大腸桿菌對TH 的抑菌活性較低。本實(shí)驗(yàn)制得的復(fù)合膜通過添加荷載TH 抗菌劑的顆粒具有較強(qiáng)的抗菌功能，對金黃色葡萄球菌的抑制效果明顯。

圖12 不同BC-CH-ZN-TH復(fù)合膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌生長抑制圖（a）及金黃色葡萄球菌經(jīng)BC（b）和5:5-50% ZN（c）膜處理12 h 后形成的細(xì)菌菌落照片F(xiàn)ig.12 Growth inhibition of E.coli and S.aureus after treatment with different BC/CH/ZN/TH composite membranes for 12 h (a),and photographs of bacterial colonies formed by S.aureus treated with BC (b) and 5:5-50% ZN (c) membranes for 12 h

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)以細(xì)菌纖維素（BC）、甲殼素納米纖維（CH）、玉米醇溶蛋白納米顆粒（ZN）為原料，使用快速抄紙法制備了一種純天然纖維基功能性復(fù)合膜。重點(diǎn)探究了BC 和CH 的質(zhì)量比以及ZN 添加量的變化對復(fù)合膜的微觀結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能、接觸角和熱穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明，BC:CH 纖維質(zhì)量比的減小會(huì)降低BC-CH 復(fù)合膜的厚度。當(dāng)纖維質(zhì)量比不低于5:5時(shí)，復(fù)合膜的機(jī)械性能無顯著變化；但低于5:5 時(shí)，復(fù)合膜的機(jī)械強(qiáng)度顯著減弱。CH 的加入可以改善純BC膜親水性過強(qiáng)的缺點(diǎn)，也能提升膜的熱穩(wěn)定性。此外，ZN 能均勻的分布在纖維網(wǎng)絡(luò)中，且ZN 能輕微增加BC-CH-ZN 復(fù)合膜的厚度，提高復(fù)合膜的表面疏水性。當(dāng)ZN 添加量少于30%時(shí)（相對于總纖維質(zhì)量），復(fù)合膜的TS 和EAB 值無顯著變化，但ZN 添加量過高時(shí)會(huì)導(dǎo)致顆粒聚集，從而明顯降低復(fù)合膜的機(jī)械性能。加入荷載TH 的ZN 可使復(fù)合膜對金黃色葡萄球菌有更明顯的抑制效果。本研究可為多功能BC 基復(fù)合膜的開發(fā)提供指導(dǎo)價(jià)值。