韓慶港，張 熙，高仕宇，李可心，黃贛輝

（南昌大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌 330047）

明膠是一種來(lái)源于動(dòng)物皮膚與骨骼等結(jié)締組織中膠原蛋白的親水性生物大分子，常用于食品、醫(yī)藥、材料等行業(yè)[1-3]。明膠分子鏈上具有豐富的活性基團(tuán)，如氨基、羥基、羧基等，引入其他物質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)明膠的非共價(jià)或共價(jià)交聯(lián)改性[4-5]。其中通過(guò)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行共價(jià)交聯(lián)改性可以極大的改善明膠的性能[6]，擴(kuò)大明膠的使用范圍和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[7-8]。常用的化學(xué)改性劑有醛基交聯(lián)劑，比如甲醛、乙二醛、戊二醛等，但毒性限制其在食品和醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用[9-10]。環(huán)氧化物中環(huán)氧基的三元環(huán)結(jié)構(gòu)，因電荷極化和環(huán)張力易開環(huán)，與胺類、醇類、酚類、羧酸等化合物有高反應(yīng)活性[11-12]。Zeng 等[13]將環(huán)氧化物交聯(lián)劑引入大豆蛋白粘合劑中，構(gòu)建了一個(gè)密集的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，提高粘合劑的耐水性。在以前的研究中還發(fā)現(xiàn)，堿性環(huán)境中環(huán)氧基優(yōu)先與氨基發(fā)生反應(yīng)[14]。Zheng 等[15]將膠原蛋白與環(huán)氧化多糖交聯(lián)后熱穩(wěn)定性、力學(xué)性能、親水性提高，獲得了高度穩(wěn)定的傷口敷料。結(jié)合相關(guān)研究可以發(fā)現(xiàn)，將環(huán)氧化物用于交聯(lián)改性明膠具有理論可行性。

雙酚A 型環(huán)氧樹脂是目前使用最廣泛的環(huán)氧樹脂，然而有研究表明雙酚A 對(duì)人體健康有負(fù)面影響，因此尋找無(wú)害的化合物代替雙酚A 成為一種研究方向[16-17]。通過(guò)無(wú)毒、無(wú)害、高生態(tài)友好性的天然有機(jī)化合物合成環(huán)氧化物逐漸受到人們的關(guān)注，例如木質(zhì)素、植物油、松香、腰果酚、單寧、香蘭素、丁香酚等[18]。沒(méi)食子酸（Gallic acid，GA）是一種衍生于單寧的天然多酚，在自然界中存量很大，具有一定的生物親和性[19]。已有一些研究將沒(méi)食子酸通過(guò)化學(xué)手段引入環(huán)氧基團(tuán)獲得了安全、無(wú)毒的天然多酚型環(huán)氧化物[20]。雖然合成了安全無(wú)毒的環(huán)氧化物，但目前還沒(méi)有使用其改性明膠的研究，將兩者結(jié)合得到的改性明膠有潛力應(yīng)用于食品、醫(yī)藥領(lǐng)域。

本研究首先以沒(méi)食子酸為原料合成了沒(méi)食子酸環(huán)氧化物（Gallic acid epoxy，GAE），然后將其作為改性劑對(duì)明膠進(jìn)行改性，比較了GAE 與明膠不同用量配比對(duì)結(jié)構(gòu)和性能的影響，以期為明膠的改性提供一種新的研究思路。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

A 型豬皮明膠（～300 g Bloom）西格瑪奧德里奇（上海）貿(mào)易有限公司；沒(méi)食子酸、溴丙烯、間氯過(guò)氧苯甲酸（≥85%，m-CPBA）、4,4'-硫代雙（6-特丁基間甲酚）上海麥克林生化科技有限公司；無(wú)水碳酸鉀、氯化鈉、亞硫酸鈉、碳酸鈉、無(wú)水硫酸鎂、氫氧化鈉等化學(xué)試劑、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、二氯甲烷、乙酸乙酯、石油醚等有機(jī)溶劑 分析純，國(guó)藥試劑；GF254 薄層色譜硅膠、柱層層析硅膠（200～300目）青島海洋化工廠。

LC-WB-2+磁力攪拌恒溫水浴鍋 上海力辰儀器科技有限公司；PHS-25 雷磁酸度計(jì) 上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；F-4500 熒光分光光度計(jì) 日本日立公司；Nicolet is50 傅里葉變換紅外光譜儀、K-Alpha X 射線光電子能譜儀 賽默飛世爾科技有限公司；D8 ADVANCE X 射線衍射儀 德國(guó)布魯克公司；OCA20 全自動(dòng)接觸角測(cè)量?jī)x 德國(guó)Dataphysics 公司；STA449 F3 同步熱分析儀 德國(guó)耐馳公司；CMT5205 微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī) 三思永恒科技（浙江）有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 GAE 的制備 通過(guò)烯丙基化和環(huán)氧化兩步反應(yīng)制備GAE[21]，反應(yīng)過(guò)程如圖1 所示。第一步烯丙基化：將3.4 g GA 加入100 mL DMF 攪拌溶解后加入11.06 g 碳酸鉀。隨后，滴加12.10 g 溴丙烯，攪拌30 min 后升溫至30 ℃反應(yīng)48 h。反應(yīng)完成后，加入蒸餾水稀釋后用乙酸乙酯提取。有機(jī)相用飽和NaCl 溶液洗滌并真空濃縮干燥，產(chǎn)物通過(guò)硅膠柱層析（石油醚/乙酸乙酯：90/10）純化。第二步環(huán)氧化：將上一步得到的產(chǎn)物取3.3 g 加入50 mL 二氯甲烷攪拌溶解。將15 g m-CPBA 和0.11 g 4,4'-硫代雙（6-特丁基間甲酚）溶于200 mL 二氯甲烷后在30 min內(nèi)滴加至反應(yīng)體系中攪拌1 h，隨后升溫至40 ℃反應(yīng)48 h。反應(yīng)完成后，使用亞硫酸鈉、碳酸鈉和飽和氯化鈉溶液洗滌并真空濃縮干燥，產(chǎn)物經(jīng)硅膠柱層析（石油醚/乙酸乙酯：50/50）純化。GAE 的環(huán)氧值通過(guò)鹽酸-丙酮法測(cè)定為0.9，理論值為1.01。

1.2.2 GAEG 的制備 原料配比見(jiàn)表1 所示，反應(yīng)過(guò)程如圖2 所示。明膠溶解后使用1 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)pH 至10.0，在高速攪拌下將GAE 滴加至反應(yīng)體系中。45 ℃下反應(yīng)10 h，反應(yīng)期間每小時(shí)測(cè)量一次pH 并調(diào)節(jié)至10，反應(yīng)完成后得到GAEG 溶液。加入甘油（0.3 g/g 明膠）攪拌30 min 混合均勻，脫氣后倒入塑料培養(yǎng)皿，30 ℃烘箱中干燥12 h 得到膜樣品，剝離后于25±1 ℃和相對(duì)濕度50%±2%的條件下平衡48 h 用于后續(xù)測(cè)試。

圖2 GAE 與明膠的反應(yīng)過(guò)程Fig.2 Process of GAE with gelatin

表1 明膠與GAEG 的原料配比Table 1 Formulations of gelatin and GAEG

1.2.3 熒光胺法測(cè)定伯胺基濃度并計(jì)算交聯(lián)度 使用熒光胺法測(cè)定甘氨酸和明膠的伯胺基濃度[22]。以385 nm 為激發(fā)波長(zhǎng)，486 nm 為發(fā)射波長(zhǎng)，測(cè)量熒光強(qiáng)度與甘氨酸伯胺基濃度的關(guān)系并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為Y=-0.40559+12.30497X（R2=0.99965）。根據(jù)得到的甘氨酸標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算得出明膠質(zhì)量濃度與伯胺基濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算得出明膠的伯胺基濃度。根據(jù)以下公式計(jì)算得出明膠與GAE 的交聯(lián)度：

式中：CG是GAE 改性明膠后的伯氨基濃度（mmol/g）；C0是純明膠的伯氨基濃度（mmol/g）。

1.2.4 紅外光譜分析 使用傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)樣品進(jìn)行掃描分析。分辨率為4 cm-1，掃描波長(zhǎng)為4000～500 cm-1，使用衰減全反射法（ATR）進(jìn)行測(cè)試。使用PeakFit 4.12 軟件對(duì)波數(shù)在1600～1700 cm-1（酰胺I 帶）范圍內(nèi)的圖譜進(jìn)行基線校正、去卷積、二階導(dǎo)數(shù)擬合至相關(guān)系數(shù)R2＞0.999，得到子峰圖譜后根據(jù)峰位和峰面積計(jì)算對(duì)應(yīng)的二級(jí)結(jié)構(gòu)組成。

1.2.5 X 射線衍射分析 使用X 射線衍射儀對(duì)改性明膠膜樣品進(jìn)行分析。靶材使用鈷靶，工作電壓40 kV，工作電流50 mA，掃描范圍5°～30°，掃描速度2°/min。

1.2.6 X 射線光電子能譜分析 使用X 射線光電子能譜儀對(duì)改性明膠膜樣品進(jìn)行分析。分析室真空度5×10-10Pa，激發(fā)源采用Al ka 射線（hv=1486.68 eV），工作電壓15 kV，燈絲電流10 mA，測(cè)試通能為50 eV，步長(zhǎng)0.05 eV，以C1s=284.80 eV 為能量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行荷電校正。

1.2.7 溶脹率測(cè)定 將GAEG 膜裁成1 cm×1 cm 的方形并稱重，然后將其浸入蒸餾水中，于37 ℃下溶脹，之后每隔一定時(shí)間稱重一次。溶脹率根據(jù)以下公式計(jì)算：

式中：Ww為膜吸水溶脹后的重量（g）；W0為膜的初始重量（g）。

1.2.8 水接觸角測(cè)定 使用接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)定膜的水接觸角。將3 cm×3 cm 的膜樣品固定于載玻片上，置于水平移動(dòng)平臺(tái)上，通過(guò)微量注射器將2 μL 超純水滴加至膜表面。

中國(guó)高鐵要走出國(guó)門，合作國(guó)目前的政治社會(huì)環(huán)境也是一個(gè)不可忽視的因素，復(fù)雜的地域政治因素同樣會(huì)造成影響。例如我國(guó)在2015年印度高鐵項(xiàng)目競(jìng)標(biāo)中取得了勝利，然而同一年安倍出訪印度，莫迪總統(tǒng)在12月13日選擇了讓日本修筑印度高鐵，雖然日本提出的方案中貸款政策相較我國(guó)更加優(yōu)惠，但其中也摻雜著政治因素。

1.2.9 脫水率測(cè)定 將膜樣品裁成1 cm×1 cm 的方形并稱重，然后將其置于105 ℃烘箱中脫水，每隔一段時(shí)間稱重一次。脫水率根據(jù)以下公式計(jì)算：

式中：G0為膜的初始重量（g）；Gd為膜失水后的重量（g）。

1.2.10 同步熱分析 使用同步熱分析儀對(duì)膜進(jìn)行熱重分析和差示掃描量熱。取4 mg 左右的樣品以10 ℃/min 的升溫速度測(cè)定30 ℃到600 ℃的變化。

1.2.11 機(jī)械性能測(cè)定 使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試膜的拉伸強(qiáng)度（TS）和斷裂伸長(zhǎng)率（EAB）。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 1040.3-2006 的試驗(yàn)條件進(jìn)行測(cè)試。制備的膜寬為25 mm，長(zhǎng)為115 mm，窄平行部分寬6 mm，長(zhǎng)33 mm。測(cè)試條件：初始夾距33 mm，測(cè)試速度50 mm/min。TS 和EAB 根據(jù)以下公式計(jì)算：

式中：Fmax為膜斷裂時(shí)的力（N）；S 為膜的截面面積（mm2）；L 為膜斷裂時(shí)的最終長(zhǎng)度（mm）；L0為膜樣品的初始長(zhǎng)度（mm）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

每個(gè)實(shí)驗(yàn)至少重復(fù)測(cè)定三次，結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。使用IBM SPSS Statistics 26 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，使用Tukey 法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，不同字母用以表示顯著性差異（P＜0.05）。使用origin 2022 和Adobe Illustrator 2022 軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 交聯(lián)度

經(jīng)熒光胺法測(cè)定，明膠的伯胺基濃度為0.3 mmol/g。根據(jù)明膠伯胺基濃度和GAE 環(huán)氧值計(jì)算，GAEG1、GAEG2、GAEG3中伯胺基與環(huán)氧基的摩爾比為1:1、1:2、1:4。經(jīng)測(cè)定得到GAEG1、GAEG2、GAEG3的交聯(lián)度分別為41.13%、58.47%、72.68%。可以發(fā)現(xiàn)隨GAE 添加量的增加，GAEG 的交聯(lián)度逐漸增加。當(dāng)明膠伯胺基與GAE 環(huán)氧基的摩爾比相等時(shí)交聯(lián)度比理論計(jì)算值低，這是因?yàn)镚AE 分子較小，環(huán)氧基分布比較密集，空間位阻較大，降低了反應(yīng)接觸面，阻礙了環(huán)氧基與伯胺基反應(yīng)的進(jìn)行。因此，使用芳香族環(huán)氧化物作為明膠改性劑需要使用過(guò)量的環(huán)氧化物來(lái)與明膠反應(yīng)。

2.2 FTIR 分析

GAE 合成過(guò)程的紅外光譜如圖3 所示。GA在3493 和3272 cm-1處有酚-OH 和芳酸-OH 的特征峰，烯丙基化后兩者均消失。同時(shí)，烯丙基化沒(méi)食子酸（Allylated gallic acid，AGA）在3083 cm-1處新出現(xiàn)的峰為烯烴C-H 伸縮振動(dòng)峰，1587 和987 cm-1處分別是烯烴C=C 伸縮振動(dòng)吸收峰和C-H 面外彎曲振動(dòng)吸收峰[23]。第二步環(huán)氧化后，上述特征峰減弱或消失，表明雙鍵被反應(yīng)。GAE 紅外光譜中新出現(xiàn)在1250、910、863 cm-1的峰是環(huán)氧化物的特征吸收峰，表明GAE 合成成功[24-25]。

圖3 GA、AGA 和GAE 的紅外光譜Fig.3 FTIR spectra of GA,AGA and GAE

明膠和GAEG 的紅外光譜如圖4 所示，主要紅外特征峰的變化如表2 所示。明膠的紅外光譜中顯示，3312 cm-1為酰胺A 帶是由N-H 伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的；3086 cm-1是酰胺B 帶由-CH2伸縮振動(dòng)引起[9]；1652 cm-1為酰胺I 帶代表C=O 伸縮振動(dòng)/氫鍵；1558 cm-1為酰胺II 帶是由N-H 彎曲振動(dòng)和C-N 伸縮振動(dòng)引起的；1246 cm-1為酰胺III 帶是由N-H 彎曲振動(dòng)和C-N 伸縮振動(dòng)引起的[26-27]。

圖4 GAE、明膠和GAEG 的紅外光譜Fig.4 FTIR spectra of GAE,gelatin and GAEG

當(dāng)GAE 改性明膠后，GAE 本身在1250、910、863 cm-1處的環(huán)氧基特征峰消失，表明環(huán)氧基被反應(yīng)[28]。環(huán)氧基開環(huán)產(chǎn)生的醇O-H 和GAE 上的酯基與明膠側(cè)鏈上的N-H 基和O-H 基之間形成氫鍵，減小νN-H 和νO-H 的鍵力常數(shù)K，使得GAEG 酰胺A 帶和酰胺B 帶的峰信號(hào)向低波數(shù)方向移動(dòng)。明膠上的伯胺基與環(huán)氧基反應(yīng)變?yōu)橹侔坊?，?dǎo)致酰胺I 帶的峰信號(hào)減弱，同時(shí)νC=O 形成更多氫鍵減小了鍵力常數(shù)K，使得峰信號(hào)向低波數(shù)方向移動(dòng)。酰胺II 帶和酰胺III 帶的峰信號(hào)也向低波數(shù)移動(dòng)，這是因?yàn)殡S著環(huán)氧基與明膠發(fā)生化學(xué)交聯(lián)后，形成了C-N 鍵[29]。綜合來(lái)看可以確定明膠與GAE 發(fā)生了化學(xué)交聯(lián)，在分子內(nèi)和分子間形成氫鍵交聯(lián)。

由明膠和GAEG 酰胺I 帶得到的二級(jí)結(jié)構(gòu)如表3 所示。經(jīng)GAE 改性后，GAEG 中β-折疊、無(wú)規(guī)則卷曲、α-螺旋均有所下降，β-轉(zhuǎn)角增加，這是由于GAE 與明膠之間形成的共價(jià)交聯(lián)改變了明膠的二級(jí)結(jié)構(gòu)。

2.3 XRD 分析

明膠和GAEG 的XRD 光譜如圖5 所示。GAE是非晶體結(jié)構(gòu)，在2θ=22°附近具有特征寬峰。2θ=21°左右處顯示了明膠具有的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)特征的寬峰[26]。GAE 改性明膠后，兩者的特征寬峰結(jié)合增強(qiáng)并向低角度方向偏移，變?yōu)?7°～15°，說(shuō)明非晶體結(jié)構(gòu)的有序性增強(qiáng)。這是因?yàn)镚AE 在明膠分子鏈間形成共價(jià)交聯(lián)，將明膠分子鏈連接成更大的結(jié)構(gòu)單元。

2.4 XPS 分析

明膠和GAEG 的XPS 光譜如圖6 所示。圖6a為明膠和GAEG 的寬掃描光譜，表面元素組成見(jiàn)表4。隨著GAEG 的交聯(lián)度增加，C 元素含量逐漸減少，O 元素逐漸增加，這是因?yàn)镚AE 分子上O 元素含量較高。與明膠分子上的伯胺基化學(xué)交聯(lián)后提高了O 元素的含量，同時(shí)N 元素也有少量的增加，據(jù)推測(cè)是因?yàn)镚AE 改性明膠后改變了明膠的分子構(gòu)象導(dǎo)致內(nèi)部的氨基暴露。圖6b1、圖6b2 為明膠的C1s 譜峰，可以擬合為284.80、286.33 和288.17 eV，分別歸因于C-C/C-H、C-OH/C-N 和C=O[28]。圖6b3、圖6b4 為GAEG 的C1s 譜峰，圖中顯示C-OH/C-N處的峰，隨GAEG 交聯(lián)度的增加而增強(qiáng)。這是因?yàn)榄h(huán)氧基與伯胺基反應(yīng)后開環(huán)產(chǎn)生醇-OH 和C-N 鍵。C=O 處的峰也略微增加，這是因?yàn)镚AE 分子上具有C=O，隨交聯(lián)反應(yīng)接枝到明膠分子上。結(jié)果分析表明GAE 的環(huán)氧基與明膠分子上的伯胺基發(fā)生了共價(jià)交聯(lián)反應(yīng)。

圖6 明膠和GAEG 的XPS 光譜Fig.6 The XPS spectra of gelatin and GAEG

表4 明膠和GAEG 的元素組成Table 4 The elemental composition of gelatin and GAEG

2.5 溶脹過(guò)程光學(xué)圖像

明膠和GAEG 在水中浸泡的光學(xué)照片如圖7a所示。浸入水中7 d 后，明膠膜完全溶解而GAEG膜均可保持完整的形態(tài)，表明GAEG 膜較純明膠膜有更高的耐水性。隨著GAEG 交聯(lián)度的升高，膜的溶脹形態(tài)愈加穩(wěn)定。圖7b 為明膠與GAEG 在水中溶脹過(guò)程示意圖。純明膠分子鏈間主要靠氫鍵和分子間相互作用力形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，這些相互作用力在水中會(huì)斷裂或消失，使得明膠分子鏈逐漸分散在水中，導(dǎo)致交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)崩解。GAE 與明膠發(fā)生反應(yīng)后，可以在不同明膠分子鏈間以C-N 共價(jià)鍵形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)。相較于純明膠膜分子鏈間的相互作用力，C-N 共價(jià)鍵在水中更為穩(wěn)定，因此改性明膠膜在水中更容易保持結(jié)構(gòu)。

圖7 明膠和GAEG 在水中溶脹的光學(xué)照片及示意圖Fig.7 Optometric photos and schematic diagram of gelatin and GAEG swelled in water

2.6 溶脹率測(cè)定

明膠和GAEG 在水中的溶脹率測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示。明膠在水中10 min 左右基本完成吸水溶脹，溶脹率在1400%左右。而GAEG 在前10 min溶脹速率與明膠基本相近，之后繼續(xù)快速吸水溶脹，到第7 d 時(shí)溶脹率達(dá)到最大為純明膠的5 倍左右。隨著GAEG 交聯(lián)度的增加，溶脹率從7831%減小至6722%、6448%。改性后提高了溶脹率，這是因?yàn)镚AE 上環(huán)氧基與明膠上伯胺基發(fā)生開環(huán)反應(yīng)后生成了羥基，提供更多的親水基團(tuán)。隨著交聯(lián)度上升，GAE 在明膠分子鏈間產(chǎn)生了更多的C-N 共價(jià)交聯(lián)，更多的連接位點(diǎn)減小了明膠分子鏈間的伸展空間，從而降低了溶脹率，這一結(jié)果也與XPS 的結(jié)論相符合。

圖8 明膠和GAEG 的溶脹率Fig.8 Swelling ratio of gelatin and GAEG

明膠由于高親水性，其膜在水中1 h 以內(nèi)基本維持溶脹形態(tài)，在24 h 內(nèi)完全崩解。GAEG 膜在水中的崩解速度顯著（P＜0.05）下降，GAEG1膜在第30 d時(shí)被完全水解，GAEG2膜在第60 d 時(shí)被完全水解。這是因?yàn)?，GAEG 分子間存在C-N 共價(jià)鍵在水中穩(wěn)定性更高，且隨著交聯(lián)度升高，更多的C-N 鍵形成了更穩(wěn)定的共價(jià)交聯(lián)降低了崩解速度。

綜合分析可以發(fā)現(xiàn)GAE 改性明膠后既提高了明膠的溶脹率又顯著改善了明膠材料在水中易崩解的性質(zhì)。

2.7 水接觸角測(cè)定

對(duì)表面水接觸角進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖9 所示。圖9a 為純明膠的水接觸角為88.01°，圖9b～圖9d 為GAEG 膜的水接觸角，隨GAEG 交聯(lián)度的升高，水接觸角逐漸降低，表明材料表面的親水性增加[30]。這是因?yàn)榄h(huán)氧基與伯胺基發(fā)生反應(yīng)后開環(huán)產(chǎn)生了羥基，羥基具有較強(qiáng)的親水性，因此改性后明膠膜更加親水。

圖9 明膠和GAEG 的水接觸角Fig.9 Water contact angle of gelatin and GAEG

2.8 脫水率測(cè)定

明膠和GAEG 在水中的脫水率測(cè)定結(jié)果如圖10所示。明膠和GAEG 膜在前2 h 干燥中脫水率較大，這是因?yàn)榇藭r(shí)脫去的水主要為自由水。隨著交聯(lián)度的提高，GAEG 可以脫去的自由水增加，表明改性后持水性增強(qiáng)。2 h 后脫水速率減慢，此時(shí)脫去的是內(nèi)部的結(jié)合水。干燥6 h 后，明膠基本恒重，總脫水率在76.98%；GAEG 繼續(xù)脫水，表明改性后內(nèi)部的結(jié)合水增加，這是因?yàn)閮?nèi)部引入了親水的羥基，可以與更多的水分子締合，隨著交聯(lián)度的增加，GAEG 最后的總脫水率逐漸提高。

圖10 明膠和GAEG 的脫水率Fig.10 Water loss ratio of gelatin and GAEG

2.9 同步熱分析

明膠和GAEG 的DSC 曲線如圖11 所示。隨著交聯(lián)度的增加，變性溫度從純明膠膜的55.0 ℃分別提高至57.3、59.0、61.7 ℃，表明GAEG 膜的熱穩(wěn)定性提高。明膠和GAEG 膜的TG-DTG 曲線如圖12所示。純明膠膜的初始失重溫度比GAEG 膜低，總失重率比GAEG 膜高。純明膠的第一個(gè)最大分解溫度在240 ℃左右，交聯(lián)改性后分別升高至266、269、274 ℃，表明明膠的熱穩(wěn)定性在改性后得到了提高。這種變化是因?yàn)镚AE 與明膠分子共價(jià)交聯(lián)后形成了新的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，提高材料的交聯(lián)穩(wěn)定性。同時(shí)，改性明膠分子內(nèi)和分子間的氫鍵增加也有利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，從而提高熱穩(wěn)定性。

圖12 明膠和GAEG 的TG-DTG 熱譜圖Fig.12 TG-DTG curves of gelatin and GAEG

2.10 機(jī)械性能分析

明膠和GAEG 膜的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖13 所示。與明膠膜相比GAEG1膜的應(yīng)力降低應(yīng)變?cè)黾?。隨著GAE 的添加，GAEG2和GAEG3膜的應(yīng)力和應(yīng)變均有所下降，表明GAE 降低了明膠膜的機(jī)械性能。明膠和GAEG 膜的TS 和EAB 如表5 所示。明膠膜的TS 在GAE 改性后隨著交聯(lián)度增加而降低。明膠膜的EAB 為6.96%，與GAE1:1 改性后提升，但隨著GAEG 交聯(lián)度的繼續(xù)增加發(fā)生了下降。GAE 改性明膠后降低了明膠膜的機(jī)械性能，這是因?yàn)槊髂z二級(jí)結(jié)構(gòu)中α-螺旋與β-折疊對(duì)明膠的力學(xué)性能有很大的影響[31-32]，而改性后的明膠二級(jí)結(jié)構(gòu)中α-螺旋與β-折疊含量下降，因此降低了其機(jī)械性能。

圖13 明膠和GAEG 的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.13 Stress-strain curves of gelatin and GAEG

表5 明膠和GAEG 的力學(xué)性能Table 5 Mechanical properties of gelatin and GAEG

3 結(jié)論

通過(guò)環(huán)氧化物對(duì)明膠化學(xué)改性，研究GAE 添加量對(duì)明膠的結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果表明，GAE 可以與明膠發(fā)生化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)并形成C-N 共價(jià)鍵；晶相結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，向小角度偏移并增強(qiáng)；耐水性有顯著提高，GAEG 在水中溶脹率提高至7831%，崩解速度顯著下降，在水中保持溶脹狀態(tài)的時(shí)間延長(zhǎng)至7 d；水接觸角從88.01°下降至59.87°，表明親水性增強(qiáng)；脫水速率減慢，總脫水率增加；熱穩(wěn)定性有所提高，熱變性溫度從55.0 ℃提高至61.7 ℃，最大熱失重溫度從240 ℃提高至274℃，熱失重率降低。更優(yōu)良的水合性能和熱穩(wěn)定性意味著GAEG 有希望應(yīng)用于食品加工中作為保水劑和穩(wěn)定劑。但在力學(xué)性能上的不良表現(xiàn)仍使其應(yīng)用具有一定的局限性，因此在未來(lái)的研究中可以探索復(fù)合其他改性劑來(lái)改善力學(xué)性能。GAE 作為改性劑既可以在明膠分子鏈間形成共價(jià)鍵提高在水中的穩(wěn)定性，又可以引入一定數(shù)量的羥基提高親水性，因此具有相當(dāng)大的研究意義和潛在價(jià)值。