纤维素 (cellulose) 是自然界中含量最丰富的可再生天然高分子之一, 具有良好的生物降解性和生物相容性, 在生物医学材料领域具有很大的百富策略白菜网潜能[1].大豆分离蛋白 (soy protein isolate, SPI) 也是一种可再生和生物降解的天然高分子化合物, 具有来源充足、营养丰富、用途广泛等特点, 近年来在生物医学材料领域, 如作为药物控制释放材料及骨填充材料等方面的研究引起了广泛关注[2,3,4].前期的研究表明[5,6], 以纤维素和大豆分离蛋白为原料制备的复合材料是一种环境友好型材料, 可百富策略白菜网于细胞培养、药物控制释放等生物医学研究.

一般而言, 生物材料从制备到用于细胞培养或动物实验之前有一段时间, 如何保存生物材料以保持其原有的结构特点及力学性能就十分重要.对于那些要求在湿态条件下保存的样品, 若保存不当, 会引起其微观结构和力学性能发生明显的变化, 因此, 必须选择适当的贮存条件.湿态的纤维素/大豆分离蛋白复合材料容易被外界环境中的细菌、真菌等微生物降解, 导致其结构与性能发生明显变化.

本工作拟研究不同的贮存条件对纤维素/大豆分离蛋白复合膜材料结构与性能的影响, 期望找到一种适于纤维素/大豆分离蛋白复合膜材料的贮存方法.

棉短绒 (湖北化纤集团) :粘均分子量 (Mη) 经粘度法在镉乙二胺溶液中测得为1.01×105.大豆分离蛋白 (SPI) 由杜邦云梦公司提供.棉短绒和SPI均在60 ℃下经真空干燥24 h后使用.其他试剂均为分析纯, 未经特殊处理直接使用.

将纤维素和NaOH/尿素水溶液分别放入-20 ℃低温冰箱中冷冻, 当NaOH/尿素溶剂体系的温度降至约-12 ℃左右时, 将预冷的纤维素全部加入到混合溶液中, 并立即快速搅拌, 得到的澄清溶液于4 ℃下离心10 min, 离心力为7 500 g, 获得的纤维素溶液质量分数为3.5%.同样, 将SPI也溶解于NaOH/尿素水溶液中, SPI的质量分数为3.5%.将上述纤维素溶液同SPI溶液按照设定比例共混, 其中SPI固体含量的质量分数分别为10%和40%.共混物经过搅拌混匀、离心脱气后, 在玻璃板上流延、刮膜, 膜的厚度控制为约0.2 mm, 然后将玻璃板及纤维素/大豆分离蛋白复合膜浸入浓度为5%的醋酸水溶液凝固体系中凝固成型, 5 min后取出复合膜, 经流水漂洗, 转入蒸馏水中备用.这些复合膜统称为原始膜, 编号为CSn-Om.其中, CS表示纤维素/大豆分离蛋白复合膜 (cellulose/soy protein isolate composite membrane) ;n表示CS复合膜中SPI的固体质量分数, 分别为10及40;O表示未加处理因素的原始膜 (Original membrane) ;m表示不同的贮存天数, 分别为5, 10, 20及30 d.当n=0时, 代表在相应条件下制备的纯纤维素膜;m=0时, 代表在相应条件下未经过任何处理的原始膜.

取原始膜CS0-O0, CS10-O0, CS40-O0分别:① 置于蒸馏水中贮存5, 10, 20, 30 d, 根据SPI含量不同, 分别命名为CS0-Wm, CS10-Wm, CS40-Wm (W:水, m:贮存天数) ;② 置于10%醋酸水溶液中贮存5, 10, 20及30 d, 根据SPI含量不同, 分别命名为CS0-Am, CS10-Am, CS40-Am (A:醋酸) ;③ 置于5%醋酸和5%乙醇混合液中贮存5, 10, 20及30 d, 根据SPI含量不同, 分别命名为CS0-AEm, CS10-AEm, CS40-AEm (A:醋酸, E:乙醇) ;④ 置于75%乙醇中贮存5, 10, 20及30 d, 根据SPI含量不同, 分别命名为CS0-Em, CS10-Em, CS40-Em (E:乙醇) .

未经干燥的纤维素/大豆分离蛋白复合膜由CMT6503型万能电子试验机 (深圳新三思试验设备公司) 根据ISO 527-3:1993标准测量湿态下的拉伸强度 (σb, wet) 和断裂伸长率 (εb, wet) , 拉伸速率为10 mm\5min-1, 每个样品平行测试3次以上, 取平均值.未经干燥的复合膜试样经液氮冷冻断裂, 真空干燥并在其表面和断面喷镀金膜, 由S-570型扫描电镜 (SEM, Hitachi公司, 日本) 于20 kV加速电压下观察其形貌结构.干燥的膜试样用lambda 25型紫外分光光度计 (PE公司, 美国) 进行紫外光谱测定, 测定波长为280 nm, 每个样品平行测试3次以上, 取平均值.

图1, 2及3分别示出不同贮存条件下纯纤维素膜、SPI含量为10%和40%的纤维素/大豆分离蛋白复合膜的拉伸强度和断裂伸长率与贮存时间之间的关系.结果表明, 在10%醋酸溶液中贮存的纤维素/大豆分离蛋白复合膜材料, 在各个时间段的σb, wet及εb, wet值均比在其他贮存条件下的值高, 且第5 d的σb, wet及εb, wet值为最大;随着贮存时间的延长, σb, wet及ε b, wet值均有所下降, 但是下降趋势比较平稳, 且在贮存30 d后的σb, wet值仍比原始值高.在5%醋酸/5%乙醇混合溶液中贮存的复合膜材料, 第5 d的σb, wet及ε b, wet值也有所增加, 但随着贮存时间的延长, σb, wet及εb, wet值逐渐下降, 且下降幅度较在10%醋酸溶液体系中大;到第30 d时, σb, wet值较原始值低.而在75%乙醇溶液体系及蒸馏水体系中贮存的纤维素/大豆分离蛋白复合膜材料, 各个时间段的σb, wet及εb, wet值均比原始值低, 且随着贮存时间的延长, σb, wet及εb, wet值逐渐下降, 在蒸馏水体系中下降尤为明显.SPI含量为40%的复合膜在蒸馏水中贮存30 d后, σb, wet值及εb, wet值降至最低值, 分别为6.49 MPa和6.71%, 只有原始值 (16.48 MPa和31.05%) 的39%和21%, 说明纤维素/大豆分离蛋白复合膜材料在蒸馏水中贮存时, 降解速度最快.因此, 本实验选择SPI含量为40%的复合膜进行研究.

不同的贮存体系对复合膜的力学性能表现出不同的效果, 是因为醋酸水溶液对细菌及真菌均有一定抑制作用[7,8], 减少了各种微生物对复合膜的降解作用, 对维持其力学性能具有较好的作用.5%醋酸/5%乙醇混合溶液和75%乙醇溶液虽然也具有一定抑菌作用, 但因为乙醇分子具有脱水作用, 可能会引起纤维素和SPI不同程度的收缩、微相分离, 从而降低其力学性能.不同的贮存时间对纤维素/大豆分离蛋白复合膜力学性能的影响还可能与贮存溶液中的酸性强弱和离子浓度有关[9], 更深入的机理有待进一步的研究.

高分子材料的生物降解速率除了与环境条件及微生物的分布有关外, 还与高分子的聚集态及微观结构等有关[10].纤维素主要由结晶区域和无定形区域构成, 在结晶区域里, 纤维素分子的羟基或在分子内部或与分子外部的羟基相互结合形成氢键, 几乎没有游离的羟基存在, 所以酶分子及水分子难以进入其中, 因此单纯纤维素的总体降解速度比较慢[11].大豆分离蛋白是一种亲水性比较高的植物蛋白质, 与纤维素共混后, 主要与纤维素的无定形组分及结晶区的表面发生相互作用[6], 从而可能增加纤维素的体外降解速度.因此, 在扫描电镜观察过程中主要选择大豆分离蛋白含量最高及贮存时间最长的一组复合膜来进行研究贮存条件对其微观结构的影响作用.图4为未经处理的SPI含量为40%的复合膜断面和表面的SEM图片.图5和图6分别为不同贮存条件下贮存30 d的SPI含量为40%的复合膜断面和表面的SEM图片.比较可知, 复合膜在10%醋酸水溶液贮存体系中贮存30 d后的断面及表面微观结构几乎没有变化;在5%醋酸/5%乙醇混合液中贮存30 d后的复合膜断面结构变化不大, 表面变得致密;在乙醇贮存体系中复合膜的孔径缩小, 孔壁增厚;而在蒸馏水中贮存的复合膜降解比较严重, 表面有很多微丝状结构形成, 从断面看其孔径变大, 孔壁变薄且孔壁上有孔.造成上述现象的原因, 可能与不同浓度的乙醇溶液都具有一定的脱水作用[12], 从而导致复合膜的结构变得致密有关;而复合膜在蒸馏水中贮存的形貌变化最为明显和特别, 其断面孔径显著增加, 表面出现纤维丝状结构, 可能与其在水中快速降解有关[10].

图7为在10%醋酸水溶液体系中贮存不同时间的SPI含量为40%复合膜断面的SEM图片.结果显示, 随着贮存时间的延长, 复合膜微观结构的改变并不明显, 说明该贮存体系能够保持纤维素/大豆分离蛋白复合膜的微观结构, 是一种比较理想的贮存体系.

由力学性能测试和扫描电镜观察结果可知, 纤维素/大豆分离蛋白复合膜在10%醋酸水溶液中能够维持较好的力学性能及微观结构.因此, 选择在10%醋酸水溶液体系下的纤维素/大豆分离蛋白复合膜进行透光度 (T) 测定 (测定波长为蛋白质的特征吸收波长280 nm) .结果显示, 纯纤维素膜的T值在各个时间段均明显高于含有SPI的纤维素/大豆分离蛋白复合膜, 且随着SPI固体含量的增加, T值降低.不同的SPI固体含量对复合膜的透光度显示出不同的影响作用是因为280 nm处为蛋白质共轭双键的吸收峰[12], SPI为一种植物蛋白质, SPI越多, 蛋白质对紫外光的吸收越强, 透光度T值越低.因此, 含有SPI复合膜的T值比纯纤维素膜的T值低且随着SPI固体含量的增加而降低.当SPI固体含量相同时, 随着贮存时间的延长, 纯纤维素膜及复合膜材料的T值均略有降低, 但降低程度并不明显, 说明10%醋酸水溶液并未引起膜组分的改变, 也未引起蛋白质的流失.因此, 验证了10%醋酸水溶液为纤维素/大豆分离蛋白复合膜材料较适合的贮存体系, 同力学性能测试及扫描电镜观察结果一致.

本文主要研究了不同贮存条件对纤维素/大豆分离蛋白复合膜结构与性能的影响.由力学性能测试结果可知, 该复合膜在10%醋酸水溶液贮存体系中的拉伸强度及断裂伸长率均较高, 且其σb, wet值在各个贮存时间段均比原始值高.扫描电镜观察及紫外光谱检测结果也表明, 复合膜在10%醋酸水溶液贮存体系中能够较好地维持其微观结构及组成成分基本不变.因此, 10%醋酸水溶液可以作为纤维素/大豆分离蛋白复合膜适合的贮存体系.