交联壳聚糖用作种衣剂中成膜剂的研究

张 贤, 程 壮, 温子慧, 朱 彩, 吴 英, 郭 成, 李 伟, 2, 覃彩芹, 2, 丁 瑜

（1.湖北工程学院, a.化学与材料科学学院；b.新能源材料产业技术研究院, 湖北 孝感 432000；2.生物质资源转化利用湖北省协同创新中心, 湖北 孝感 432000）

现代农业生产过程中往往需要使用大量化肥、农药, 不但增加生产成本, 还会导致环境污染等社会和生态问题。此外, 过度频繁使用同种化学药剂还会导致有害生物产生抗药性而使危害日益加重, 尤其是农作物苗期更易受到危害；同时对环境中有益昆虫、鸟类及哺乳动物造成不同程度的危害[1］。种子包衣技术作为一项农业增产丰收的高新技术, 可有效杀灭种子表面所携带的致病菌, 防治作物病虫害[2］, 提高作物免疫力和抵抗力, 促进生长发育, 有效解决化学农药大量施用带来的成本高、效果差、污染严重等问题[3］。因此, 与后期广泛喷施农药相比, 种衣剂具有较为明显的优势[4］, 可以大大增加种子价值, 降低农药施用量, 进而明显降低其对环境的影响, 并且取得了颇为显著的经济、社会及生态效益[5］。

种衣剂是将一种或多种活性成分, 如杀虫剂、杀菌剂、营养元素、微生物、植物生长调节剂等, 与成膜剂、着色剂、填料等结合并用于种子表面的组合物[6］。其在种子杀菌、释缓药肥、防治病虫鼠害、提高作物抗逆性和降低环境污染等方面均发挥着重要作用[7, 8］。成膜剂则是种衣剂中关键组分。目前, 成膜剂主要采用人工合成高分子化合物, 在自然环境中难以降解, 长期大量施用对土壤结构和环境造成较大破坏, 为了进一步降低种衣剂对环境的污染, 理想的成膜剂在发挥完作用后可以快速自然降解[9］。天然高分子化合物往往容易生物降解, 并且与种子和大多数杀菌剂、杀虫剂、添加剂兼容, 具有较高的安全性和环保性[10］, 可以适用于生物型种衣剂[11］。

壳聚糖来源于自然界中的甲壳素, 原料丰富, 是天然的高分子碱性氨基多糖, 是一种良好的化合物载体。具有无毒、易生物降解、与种子和活性成分兼容性好等特点[12］。此外, 壳聚糖具有良好的成膜性[13］, 低分子质量的壳寡糖还具有抗菌性和生物刺激素的作用, 对提高种子和幼苗的抗逆性和发育具有良好作用, 其次还具有高弹性、低密度、高韧性、价格低廉、无毒无害、不会产生二次污染等优点, 是公认的环境友好型材料, 在用作种子包衣成膜剂方面具有广泛的应用前景[14-17］。壳聚糖可以单独或复配其他高分子化合物用作种衣剂成膜剂[18］, 可以取得一定的包衣效果, 然而, 壳聚糖吸水溶胀性强, 成膜后遇水环境, 难以保持种衣剂的形态而失效, 故需要降低其吸水膨胀性, 以适应用作种衣剂成膜剂的性能需要。壳聚糖分子富含氨基和羟基, 在双官能团的醛或酸酐等作用下可以进行交联反应[19］, 且反应条件温和, 交联程度的适当提高可以明显降低其吸水膨胀性, 增加成膜牢固度, 但交联程度太高会使成膜的性能变差[20］, 需要探索合适的交联程度。此外, 适当的交联还可以形成良好的立体网状结构[21］, 有利于分散和束缚活性组分, 使之达到缓释的效果, 从而避免活性组分被溶解流失或过快被种子吸收, 还可用于制备环境友好、应用广泛的悬浮种衣剂[22］。

本研究主要采用戊二醛作为交联剂, 对不同浓度的壳聚糖溶液进行不同程度交联, 探索交联壳聚糖溶液的成膜性能和包衣性能及其对玉米种子发芽率的影响, 为制得生物可降解种衣剂奠定基础。

1 试验部分

1.1 材料

壳聚糖, 黏度100～200 mPa·s, 阿拉丁有限公司；冰乙酸, 分析纯, 天津市天力化学试剂有限公司；戊二醛, 50%水溶液, 天津市大茂化学试剂厂；玉米种子, 河南省天中种子有限责任公司。

1.2 成膜剂的制备

称取2.0 g 壳聚糖, 加入100 mL 去离子水中, 再加入1 mL 冰乙酸, 用磁力搅拌至壳聚糖全部溶解。取0.062 mL 50%的戊二醛边搅拌边加入上述溶液中, 反应5 min 之后, 取50 mL 溶液倒入有机玻璃板（10 cm×10 cm×0.5 cm）中, 置于烘箱中50 ℃烘干成膜。因此, 壳聚糖质量浓度2.0%, 戊二醛交联剂用量占壳聚糖质量的百分比为1.5%, 用2.0wt.%-1.5%表示, 下文中各样品用类似表示方法。按照上述试验步骤, 分别进行壳聚糖质量浓度1.0%、1.5%、2.0%、2.5% 和交联剂用量0%、1.5%、3.0%、6.0%、9.0%的试验, 共20 组。

1.3 膜的拉伸强度分析

参照GB/T1040.3—2006[23］拉伸性能的测定, 对20 组试验样品用AG-IC 型拉伸试验机测定试样的拉伸强度。将膜裁成10 mm×30 mm 大小的哑铃状, 每个样品做3 个测试样, 在标距20 mm, 拉伸速度为10 mm/min 的条件下, 用拉伸测验机测试其最大应力值, 并取平均值。

1.4 成膜剂包衣性能测试

根据上述研究, 筛选出合适黏度和拉伸强度的交联壳聚糖溶液, 由于壳聚糖浓度过高或者交联剂用量过大导致溶液呈凝胶状无法使用, 最终筛选出1.0wt.%-9.0%、1.5wt.%-3.0%、2.0wt.%-1.5% 3 组样品和未交联壳聚糖溶液作为成膜剂, 根据标准GB/Tl7768—1999[24］对成膜剂的黏度、成膜时间等成膜性能进行测试, 并采用玉米种子包衣后, 测试其包衣脱落率、包衣均匀度等包衣性能。

1.5 种子发芽率试验

根据GB/T3543.4—1995[25］农作物种子检验规程来进行发芽试验。将上述未包衣、单纯壳聚糖（未交联）包衣和交联壳聚糖包衣玉米种子共8 组, 按每组50 粒在30 ℃保持3 d 时间, 然后统计种子发芽率, 重复4 次, 当发芽率均在最大允许容差范围内时记录平均发芽率。

2 结果与分析

2.1 成膜性能分析

采用FANGRUI NDJ-8T 转子黏度计测试壳聚糖溶液黏度。交联壳聚糖溶液部分由于黏度过大, 超量程而无法测量。测试结果如表1 所示, 未交联壳聚糖溶液的黏度较小, 壳聚糖质量浓度为1.0%时, 其黏度为51.3 mPa·s, 随着壳聚糖浓度的增加, 黏度增加, 当壳聚糖质量浓度为2.5%时, 其黏度为749.8 mPa·s, 黏度升高较为明显。当壳聚糖溶液进行戊二醛交联后, 其黏度明显增加, 可测样品中, 1.5wt.%-3.0%样品的黏度最高, 为3 459.4 mPa·s, 约是1.5wt.%-0%样品黏度的23 倍；1.0wt.%-9.0%样品黏度稍小；2.0wt.%-1.5%样品黏度最小, 为2 886.5 mPa·s, 相同浓度的其他样品由于交联剂用量较高, 呈现凝胶状。黏度大小反映了分子质量的大小, 不同黏度的壳聚糖溶液对成膜性能有很大的影响, 上述可测浓度样品可选作种衣剂成膜剂。

表1 不同浓度和交联剂用量壳聚糖溶液的成膜性能

经过成膜试验, 未交联壳聚糖溶液的成膜时间较长, 随着溶液浓度的增加, 成膜时间有所下降, 经过戊二醛交联后, 成膜时间明显下降, 均低于10 min, 其中壳聚糖质量浓度为1.5%, 交联剂用量为3.0%时成膜时间最短, 仅需5.9 min。未交联壳聚糖包衣后脱落率均高于20%, 经过交联后, 其包衣脱落率明显下降, 说明适当的交联, 能有效降低壳聚糖的溶胀剥离情况；经过交联后, 包衣均匀度也得到提升, 但1.0wt.%-9.0%样品的包衣均匀度较其他交联成膜剂低, 可能是由于交联度过大造成分散不均匀。总体而言, 经过交联后的壳聚糖溶液基本符合成膜剂对成膜性能的要求。

2.2 膜的形貌分析

不同浓度和交联剂用量壳聚糖溶液成膜后的光学观察如图1 所示。膜表面光滑、有光泽, 其中, 图1d 为未交联壳聚糖膜, 呈均匀浅黄色, 韧性较强。不同浓度壳聚糖溶液成膜后外观与其基本相同, 仅膜厚度和柔韧性有所差别。随着交联剂用量的升高, 膜的颜色加深, 逐渐变为棕红色, 膜内部的不规则网状纹路越来越密集明显, 且其韧性变差, 脆性增加。因此, 并非交联剂用量越高, 越适宜用作成膜剂, 需要通过其他性能选择适当的交联度。

将图1 所示样品进行扫描电子显微镜（SEM）观察, 如图2 所示。未交联壳聚糖膜表面十分光滑平整, 微观结构细腻均匀, 无明显凸凹和孔洞（图2d）。图2c 为交联剂用量为1.5%的样品, 膜表面变得凹凸不平, 呈现颗粒感, 且有一些孔洞形成, 随着交联剂用量的升高, 膜表面的孔洞数量增加, 孔洞尺寸增加, 交联剂用量为9.0%（图2a）时, 孔洞尺寸为100～600 nm。壳聚糖交联后形成的这些孔洞有利于水分和氧气的通过, 此外, 交联也有助于成膜剂更好地锁住活性组分。

图1 不同浓度和交联剂用量壳聚糖溶液所成膜的光学观察

图2 不同浓度和交联剂用量壳聚糖溶液所成膜的SEM 观察

2.3 拉伸性能分析

拉伸性能测得的结果如图3 所示。未交联壳聚糖溶液成膜后, 膜的拉伸强度随着溶液浓度的升高而升高, 同一浓度溶液成膜后, 膜的力学性能随交联剂用量的提高先增加后降低, 且随着交联剂用量的增加, 其力学性能增加变缓, 当交联剂用量超过6.0%时, 其拉伸强度开始下降, 说明交联剂用量较高时, 膜的脆性增加。较高浓度壳聚糖溶液交联后, 膜的力学性能变化趋势基本相同。

图3 中圈内指示样品即为不同浓度壳聚糖溶液交联后可用的最大交联剂用量, 当在同一浓度下, 超过当前交联度时, 溶液呈凝胶状, 不能用于成膜剂。如在壳聚糖溶液质量浓度2.5%、交联剂用量1.5%时即成为凝胶状, 由于其浓度较大, 基本不能交联后使用, 不交联时膜的拉伸强度为32.5 MPa；壳聚糖溶液质量浓度2.0%时可按交联剂用量1.5%进行交联, 其膜的拉伸强度为37.5 MPa；壳聚糖溶液质量浓度为1.5%时则可按交联剂用量3.0%进行交联, 其膜的拉伸强度为42.2 MPa；当壳聚糖溶液质量浓度为1.0%时, 由于其浓度较小, 当交联剂用量为9.0%时, 溶液较适合用作成膜剂, 其膜的拉伸强度为42.2 MPa。

图3 不同质量浓度和交联剂用量壳聚糖溶液所成膜的拉伸性能

2.4 膜的红外分析

上述4 种样品的红外光谱如图4 所示, 可以看出, 未交联的壳聚糖膜在3 378 cm-1左右的峰为O-H的伸缩振动吸收峰和N-H 的伸缩振动吸收峰重叠而成多重宽峰；2 926 cm-1左右是C-H 伸缩振动峰, 1 556 cm-1处的峰为-NH2的特征峰；1 412 cm-1左右是C=N 的伸缩振动吸收峰；在1 082 cm-l和1 025 cm-1处的多重峰是C-O 伸缩振动峰；在650 cm-l附近是C-H 面外弯曲振动峰。壳聚糖经过戊二醛交联后, 3 378 cm-1左右的宽峰逐渐变窄, 说明氨基和醛基发生反应导致氨基数量减少；2 926 cm-1左右峰逐渐增强, 说明C-H 含量增加；l 556 cm-1处形成多重峰, 特别是1 535 cm-1处的峰增强, 说明-CNH 基团形成；1 412 cm-1和1 082 cm-1左右的峰逐渐变强, 是因为C=N 键增多；1 082 cm-1处的峰也变强, 这是因为醛基与氨基反应使体系中-CH2基团增加。综上所述, 说明壳聚糖与戊二醛已经反应, 并且交联程度随着交联剂用量的增加而增加。

图4 不同质量浓度壳聚糖溶液和交联剂用量所成膜的FTIR 谱

2.5 种子发芽率分析

未包衣和包衣玉米种子均采用同一种方法进行发芽试验, 其种子平均发芽率结果如表2 所示。空白对照组（未包衣）种子的发芽率为90%；经过不同浓度未交联壳聚糖包衣后, 玉米种子的发芽率基本≥90%, 仅壳聚糖质量浓度为2.5%包衣后种子发芽率略微下降, 说明壳聚糖浓度过高对种子发芽存在一些消极影响。壳聚糖经过交联后, 其种子发芽率与空白组相比变化较为明显, 2.0wt.%-1.5%样品包衣种子的发芽率最高, 达93%, 而随着交联剂用量的提高, 1.0wt.%-9.0%样品包衣种子的发芽率仅76%, 种子发芽率下降较为明显, 说明壳聚糖经过适当程度的交联, 有利于提高成膜剂的包衣性能。结合前面力学强度分析可知, 1.0wt.%-9.0%和1.5wt.%-3.0%样品膜的拉伸强度高于2.0wt.%-1.5%样品, 说明过高的拉伸强度可能限制了种子的吸水膨胀, 从而影响其萌发, 而2.0wt.%-1.5%样品膜兼具良好的力学性能、吸湿性和透气性, 有利于种子的萌发。

表2 玉米种子的发芽率

4 小结

经过对不同浓度和交联剂用量壳聚糖成膜剂黏度、成膜性能、膜的形貌和结构以及成膜剂包衣后玉米种子发芽情况等多方面的研究, 得出以下结论。

1）壳聚糖溶液具有良好的成膜性, 进行玉米种子包衣后, 基本不影响玉米种子的发芽率, 但单纯壳聚糖成膜剂遇水环境后会溶胀脱落, 造成种衣剂失效。

2）经过适当交联改性后, 壳聚糖膜的力学性能大大增强, 其玉米种子发芽率受交联剂用量的影响较大, 交联剂用量过大时, 膜的力学强度过大, 吸水性降低, 从而使玉米种子发芽率低于空白组, 适当程度的交联则有利于提高玉米种子发芽率。

3）经过综合研究, 目前筛选出2.0wt.%-1.5%成膜剂, 即壳聚糖质量浓度2.0%, 戊二醛交联剂用量1.5%, 包衣后玉米种子的发芽率为93%, 为试验样品中最高, 其黏度为2 886.5 mPa·s, 成膜时间为9.6 min, 膜的拉伸强度为37.5 MPa, 包衣脱落率为8.4%, 包衣均匀度为91.8%, 基本满足种衣剂中成膜剂的应用要求。