柠檬酸交联魔芋葡甘聚糖多孔材料的制备及机械性能

刘俊成， 宋瑗瑗， 王 倩， 郑剑伟， 蒋 革

(大连大学生命科学与技术学院， 大连 116622)

魔芋葡甘聚糖(Konjac glucomannan，KGM)是从魔芋块茎中提取的天然高分子杂多糖，是一种较丰富的天然可再生资源。KGM主链由D-葡萄糖残基和D-甘露糖残基以β-1,4糖苷键连接而成[1-2]，此外，一些糖残基的第3位碳上存在着由β-1,3糖苷键链接起来的支链，且每条支链由多个(一般为几个到几十个)甘露糖残基与葡萄糖残基构成，在主链上每19个左右的糖残基就有1个乙酰基，通常它与甘露糖残基C-6位的伯醇基酯化[3-7]。KGM的特殊结构使其具有十分优良的特性(如吸水性强、生物相容性高、成膜性好、可生物降解等[8])，但KGM由于力学性能差、无抗菌作用等、通常需要交联处理或与其他天然(或合成)高分子材料形成复合材料[9-11]，从而提高KGM的机械性能、抗菌性能等。

柠檬酸(Citric acid，CA)又名枸橼酸，是一种重要的三元有机酸，也是三羧酸循环中重要的中间产物，在自然界中广泛存在。此外，CA也是一种廉价、无毒无害、绿色环保的交联剂，受到广泛研究。例如，MATHEW等[12]采用高温退火的方法，成功将CA与胶原蛋白交联，交联后胶原蛋白在水中的稳定性大幅增加，交联后的胶原蛋白静电纺丝纤维膜的各项性能也更加优异。AWADHIYA等[13]采用共混微波加热法，成功制备了CA交联琼脂塑料薄膜，该薄膜相比未交联的琼脂薄膜更稳定，吸水性更低，机械性能更强，适合作为可降解塑料薄膜使用。ZHAO等[14]为解决胶原蛋白支架材料机械强度低的问题，使用CA交联胶原蛋白制备一种角膜修复材料，CA胶原蛋白膜具有更好的机械性能和光学性能。该薄膜的吸水率和扩散系数与天然角膜相似，力学性能与缝合线相近，且无细胞毒性。

本研究为改善KGM多孔材料的机械性能，考察KGM质量浓度、CA质量浓度、交联温度和交联时间对CA-KGM机械性能的影响。采用红外光谱分析CA-KGM中的化学变化，采用扫描电子显微镜(SEM)分析KGM与CA-KGM的微观结构。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

主要试剂：魔芋葡甘聚糖(纯度≥95%)购于上海源叶生物有限公司；柠檬酸(分析纯)购于天津大茂化学试剂厂。

主要仪器：真空冷冻干燥机(北京松源华兴生物仪器有限公司)、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR，Nicolet550型，美国赛默飞世尔)、冷场发射扫描电子显微镜(SEM，S-4800，日本日立)、电子天平(JJ500 型，常熟市双杰测试仪器厂)、集热式恒温加热磁力搅拌器(上海力辰邦西仪器科技有限公司)、数显黏度计(NDJ-5S，上海力辰邦西仪器科技有限公司)、万能拉伸试验机(东莞市东日仪器有限公司)。

1.2 CA交联KGM实验

用量筒准确量取100 mL水加入到容积为250 mL的烧杯中，用精密天平称取相应配方质量的KGM和CA，加入到该烧杯中，加入转子，放入恒温磁力搅拌器中，设置交联温度为5～85 ℃，交联时间设定为2～10 h，得到交联溶液。取50 mL交联溶液，倒入到尺寸为9 cm×9 cm的聚四氟乙烯平板上，在-20 ℃预冻12 h，放入真空冷冻干燥机冻干36 h，所得的产品即为CA-KGM。

1.3 CA-KGM性能检测及表征

利用单因素实验考察KGM质量浓度、CA质量浓度、反应温度和反应时间对CA-KGM的黏度、吸水率及机械性能的影响，并以这4个因素为考察对象，每个因素选取3个水平，进行L9(34)正交试验。采用万能拉伸试验仪考察CA-KGM的机械性能；采用扫描电子显微镜观察CA-KGM和KGM的微观形貌，测试电压为10 kV；红外光谱(FT-IR)采用KBr压片法对CA-KGM和KGM的化学结构和官能团进行分析，分辨率为4 cm-1，扫描范围为4 000～500 cm-1。

2 结果与讨论

2.1 FT-IR与SEM表征结果

KGM的红外光谱如图1A所示，在波数3 600～3 050 cm-1的吸收峰是KGM中(-OH)的伸缩振动特征峰[15]，2 939 cm-1处的吸收峰是KGM中-CH3的特征峰[16]，1 732 cm-1处的吸收峰是KGM中乙酰基的特征吸收峰[17]，1 646 cm-1处的吸收峰是KGM中分子内氢键的特征吸收峰[18]，在波数872、806 cm-1处的吸收峰分别是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的红外光谱可看出：3 496 cm-1处的吸收峰是CA中-OH的特征吸收峰，1 751 cm-1和1 706 cm-1处的吸收峰是CA中对称羧基的特征吸收峰[19]。由未交联的KGM和CA的红外光谱可看出：该图谱中保留了CA和KGM各自的特征吸收峰，说明两者未发生交联反应。而在CA-KGM的红外光谱中，1 732 cm-1处的吸收峰明显增强，并且CA的红外光谱中1 751、1 706 cm-1处的对称羧基峰消失，说明CA与KGM中活性羟基发生了酯化反应；此外，KGM中1 646 cm-1处的分子内氢键吸收峰消失，CA在3 496 cm-1处的羟基吸收峰消失，且CA-KGM在3 420 cm-1处的吸收峰弥散变宽，表明在CA协同加热条件下，CA交联至KGM分子上，使KGM的相对分子质量下降，交联KGM中的酯基、KGM上的羟基、CA中的羧基形成分子间氢键，分子间有序性增加，使CA-KGM的机械性能增强。

KGM多孔材料微观形貌以网状结构排列为主(图1B)，孔径分布在100～200 μm。而CA-KGM的微观结构为片状多孔形貌(图1C)，孔径约200 μm。此外，交联后KGM的机械性能增强，且吸水性能降低，这些结果均表明KGM与CA交联后，分子间更加紧密有序，使其微观结构更加致密。

图1 不同样品的红外光谱、SEM图

2.2 单因素对机械性能的影响

2.2.1 KGM质量浓度对CA-KGM机械性能的影响分析 优化条件：CA质量浓度w(CA)=7.5 g/L，交联温度T=65 ℃，交联时间t=6 h。考察KGM的质量浓度w(KGM)对CA-KGM、未交联KGM机械性能的影响。w(KGM)对CA-KGM的机械性能影响较大(图2)，其拉伸强度在w(KGM)=10.0 g/L时出现峰值(0.57 MPa)，最大断裂伸长率为38.3%。

图2 KGM质量浓度对CA-KGM、KGM机械性能的影响

分析原因：由于主要成分KGM的质量浓度的增加，会使多孔材料密度随之增加，机械性能也随之变强。未交联KGM的机械性能较弱，拉伸强度也在w(KGM)=10.0 g/L达到峰值，这是因为KGM自身水溶液粘度极大，当其质量浓度过高时，KGM混合不均匀，导致机械性能不佳。

2.2.2 关联反应温度对CA-KGM机械性能的影响分析 在w(KGM)=10.0 g/L、w(CA)=7.5 g/L和t=6 h条件下，考察不同交联反应温度T对CA-KGM机械性能的影响。T对CA-KGM的机械性能影响也较大(图3)，CA-KGM的拉伸强度在T=65 ℃时出现峰值(0.58 MPa)，最大断裂伸长率为36.8%。

图3 温度对CA-KGM机械性能的影响

分析原因：一方面，KGM对温度较为敏感，当温度过高时，KGM水解为小分子，导致机械性能下降；另一方面，当温度过低时，KGM与CA之间不反应，未形成柠檬酸酯，机械性能较差。因此，只有当交联温度适宜时，KGM的水解程度较小，与CA之间反应形成柠檬酸酯，材料的机械性能才最佳。

2.2.3 CA质量浓度对CA-KGM机械性能的影响分析 在w(KGM)=10.0 g/L、T=65 ℃、t=6 h条件下，考察w(CA)对CA-KGM机械性能的影响。由图4可知，w(CA)对CA-KGM机械性能的影响也较大，CA-KGM的拉伸强度在w(CA)=7.5 g/L时出现峰值(0.57 MPa)，最大断裂伸长率为38.1%。

图4 CA质量浓度对CA-KGM机械性能的影响

分析原因：一方面，CA中的活性羧基在加热条件下会与KGM中的活性羟基发生酯化反应，形成具有良好增塑作用的柠檬酸酯，使机械性能增强；另一方面，KGM在酸性条件下会发生一定程度的水解，当w(CA)过高时，KGM水解为小分子多糖，从而使CA-KGM的机械性能下降。

2.2.4 交联时间对CA-KGM机械性能的影响分析 在w(KGM)=10.0 g/L、w(CA)=7.5 g/L和T=65 ℃条件下，考察不同交联时间t对CA-KGM机械性能的影响。t对CA-KGM的机械性能影响较大(图5)，CA-KGM的拉伸强度在t=4 h时出现峰值(0.69 MPa)，而断裂伸长率在t=6 h达到峰值(36.8%)。

图5 交联时间对CA-KGM机械性能的影响

分析原因：短时间加热会使KGM与CA反应形成柠檬酸酯，增强机械性能，而长时间加热会导致KGM水解为小分子，导致机械性能下降。

2.3 正交试验分析

由单因素实验结果可知，交联反应需要一定的临界条件。当反应温度低于55 ℃时，交联反应未进行，而温度过高时，会导致KGM水解，使机械性能不佳。同理，反应时间不宜过长。因此，选取w(KGM)、w(CA)、T和t中有意义的水平进行L9(34)正交试验(表1)。

表1 因素-水平表

拉伸强度的正交试验结果如表2所示，K为对应水平数据的综合平均值，R为极差。RD>RC>RA>RB，即4个因素对CA-KGM多孔材料机械性能的影响从大到小依次为：交联时间(因素D)、CA质量浓度(因素C)、KGM质量浓度(因素A)、交联温度(因素B)。交联温度和CA质量浓度对CA-KGM多孔材料拉伸强度的影响较大。

表2 CA-KGM多孔材料拉伸强度的正交试验结果

分析原因:首先，CA与KGM之间发生的酯化反应程度会影响拉伸强度；其次，KGM质量浓度对拉伸强度影响较大。

断裂伸长率正交试验分析如表3所示，RC>RA>RD>RB，即4个因素对CA-KGM多孔材料机械性能的影响由大到小依次为：CA质量浓度(因素C)、KGM质量浓度(因素A)、交联时间(因素D)、交联温度(因素B)。CA质量浓度对断裂伸长率的影响最大。这是因为：首先，KGM发生酯化反应，形成柠檬酸酯，分子间氢键增加，从而增加了多孔膜的韧性；其次，KGM是多孔材料的主要成分，KGM质量浓度对CA-KGM多孔材料的断裂伸长率影响较大；交联时间和温度对断裂伸长率的影响较小。

表3 CA-KGM多孔材料断裂伸长率的正交试验结果

综合上述实验结果，在正交试验设计范围内，优化得到的最佳条件为A2B2C3D1，即w(KGM)=10 g/L、T=55 ℃、w(CA)=10 g/L、t=2 h。在该条件下的综合机械性能最佳，即拉伸强度0.95 MPa，断裂伸长率16.7%。前述FT-IR和SEM表征的CA-KGM样品均由A2B2C3D1条件制备得到。

3 结论

采用来源广泛且价格低廉的KGM为原料，通过高温使CA与KGM交联，考察KGM质量浓度、交联温度、CA质量浓度和交联时间4个因素对CA-KGM机械性能的影响。结果表明：KGM质量浓度过高会使机械性能下降；CA质量浓度过高或温度过高都会导致KGM过度水解，致使机械性能下降；过低的温度不能使KGM与CA交联，不能达到增强机械性能的目的，而反应时间过长也不利于增强机械性能。因此选择合适的物料浓度、交联温度和时间有利于制备得到机械性能较强的CA-KGM。此外，通过优化实验条件，制备得到了机械性能显著优于KGM的CA-KGM多孔材料，这为KGM更广泛的应用提供了思路。