高分子化学综合实验的设计与实践

张宏艳，丁国新，于秀华

（安徽理工大学材料学院，安徽 淮南232001）

如何培养基础知识扎实、肯思考能动手、善于研究的新型社会人才，是高等院校人才培养的重要目标。实验课作为实践教学的重要环节，对培养高标准人才起着至关重要的作用。科学研究型实验不仅促进了学生专业知识的运用,而且培养了学生的科研兴趣、创新意识和协作意识。根据教学计划的要求，对专业课较为集中的大三学生开设的基础实验中增设了研究型实验，旨在锻炼学生自主处理各种科研问题的能力，实现理论与实践的统一，效果明显。

1 实验题目的选择

随着生活水平的日益提高和生活节奏的加快，人们对保鲜食品和食品保鲜材料的安全要求越来越高[1]。普通的保鲜材料由于内部的有害小分子会迁移到食品中，对人体造成潜在危害，同时容易造成环境污染。基于此，经过文献查阅和市场调研，选择出学生现有知识、能力能够做出结果并且具有较强应用性的实验题目。壳聚糖（CS）和魔芋粉（KGM）都是天然高分子化合物，具有良好的可降解性和成膜性，壳聚糖还具有良好的抗菌效果，将壳聚糖和魔芋粉用于食品保鲜具有一定的现实意义[2-4]。选用壳聚糖-魔芋粉共混膜的制备做为研究型实验题目，利用聚合物改性的方法来提高膜的力学性能，并在达到保鲜功能的同时降低成本[5]，这一题目引起了同学们广泛的研究兴趣。

2 实验方案的讨论

教师要求学生针对选定的题目查阅相关文献，了解材料的性质、制备工艺和应用，写出文献综述，并设计合理的实验方案。每组同学选出研究组长，通过PPT汇报形式对实验方案进行答辩，并聘请相关的教师进行讨论，确立实验方案[6]如图1。通过这种方式，既训练了学生查阅、综合文献的能力，又能引起学生进一步开展研究的兴趣，为学生日后的科学研究打下良好的基础。

3 实验方案的实施

实验类型不同，实验组织和实施形式也不同。对于普通的验证性实验要求个人独立完成；相对复杂的实验，根据要求分组后共同完成；既复杂且链条长的实验，就要求各组分段完成不同的实验项目。为了完成本实验，将全班同学分成9组，每组4人，每组的试验过程和数据分析独立完成，最后将数据汇总，进行组与组的数据对比。通过这种形式，既让每个同学动手操作，独立思考，又使学生相互协作，体会到科研合作的重要性。

4 实验结果讨论

研究型实验的特点是研究中探索，实践中改进。当单体摩尔比、甘油用量不变时，随着防腐剂苯甲酸钠的用量逐渐增加，共混膜的拉伸强度先增大后减小，水蒸气透过质量逐渐减小，得出的实验结论是：单体摩尔比为4∶1，苯甲酸钠的用量为6%，甘油的用量为1%时，共混膜性能最好。

图2是壳聚糖、魔芋葡甘聚糖与苯甲酸为6%的共混膜红外光谱比较图。添加6%的苯甲酸钠的KGM-CS-SB膜,1635 cm-1的吸收峰像移向1654 cm-1处，表明混合膜中壳聚糖和魔芋葡苷聚糖之间的氢键变弱[7]。这是因为苯甲酸钠的加入使得聚合物分子之间的距离增大，从而导致魔芋葡苷聚糖和壳聚糖之间的相互作用减弱。图3说明苯甲酸钠含量少时，增强剂的增强效应大于减弱分子间力的效应，因此随着其含量的增加拉伸强度也增加；但当苯甲酸钠的加入量大于6%时，减弱分子间力的效应将大于增强剂的增强效应，从而表现为随着苯甲酸钠含量的增加，混合膜的拉伸强度减弱[8]。

图4 中苯甲酸钠含量为6%的混合膜的X射线衍射图在2θ=21°时的峰强度明显比未加苯甲酸钠的混合膜的峰强度要低得多，这说明苯甲酸钠的加入部分破坏了混合膜的结晶结构，导致混合膜的结晶度降低[9]。图5是苯甲酸钠含量6%的膜经过不同时间的微波辐照后测得的XRD图。随着辐射时间的增加，结晶度逐渐降低。这可能是随着辐射时间的增加，导致壳聚糖部分降解，从而破坏了混合膜结晶部分的规整结构，使得魔芋葡苷聚糖和壳聚糖之间的分子力减弱，从而出现结晶度降低。图3是苯甲酸钠含量不同对拉伸强度的影响。未添加苯甲酸钠的混合膜的拉伸强度最小，为4.5MPa。当添加量变化时，拉伸强度不断增加，且在6%时拉伸强度最大，达到23MPa左右。当添加量从6%变化到9%时，混合膜的拉伸强度又呈下降趋势。

5 实验成绩考核

学生实验课成绩是根据实验综述、方案设计、课堂讲解及实验报告，按照一定的比例进行综合打分。实验中表现突出的团队给予一定的奖励。

6 结束语

本学期的研究型实验是初次在大三学生中开展，学生自己动手实验，并思考实验现象与所学理论知识对照，既新鲜又刺激，提高了学生实验的热情和兴趣。下一步将进行延展性实验，将每组制备的共混膜具体应用到食品的保鲜上，测试其保鲜效果，并与普通保鲜膜进行对比。今后，研究型实验的选题应该更贴近于人们的生活和科学前沿，将趣味性更好地融入到科学实验中，逐步引导学生走进科学研究的殿堂。

[1]G LLSTEDTM，HEDENQVISTM S.Packaging-relatedmechanical and barrier properties of pulp-fiber-chitosan sheets[J].Carbohydrate polymers，2006，63（1）：46-53.

[2]FLORESS，FAM L，ROJASA M，et al.Physical properties of tapioca-starch edible films：Influence of filmmaking and potassium sorbate[J].Food Research International，2007，40（2）：257-265.

[3]ELSABEE M Z，ABDOU E S.Chitosan based edible films and coatings：A review[J].Materials Science and Engineering：C，2013，33（4）：1819-1841.

[4]RIVERO S，GARC A M，PINOTTI A.Composite and bi-layer films based on gelatin and chitosan[J].Journalof food engineering，2009，90（4）：531-539.

[5]余家会，杜予民，郑化.壳聚糖-明胶共混膜[J].武汉大学学报（自然科学版），1999（4）：440-444.

[6]宋慧君，高玉梅，汤克勇.明胶-壳聚糖共混膜的性能研究[J].中国皮革，2012，15：25-28.

[7]HOSSEINIS F，REZAEIM，ZANDIM，et al.Preparation and functional properties of fish gelatin-chitosan blend edible films[J].Food Chemistry，2012，136（3-4）：1490-1495.

[8]TIEN C，VACHON C，MATEESCU M A，et al.Milk protein coatings prevent oxidative browning of apples and potatoes[J].Journalof Food Science，2001，66（4）：512-516.

[9]COSTA F，RESENDE J，ABREU L，et al.Effect of calcium chloride addition on ice cream structure and quality[J].Journalof dairy science，2008，91（6）：2165-2174.□