聚乳酸(PLA)是一种可再生、可降解、产率高、生物相容性好的生物基聚合物，是石油基包装材料的理想替代材料[1-2]。但是由于PLA膜存在脆性大、对氧气和水分的阻隔性能弱、力学性能差等缺点，限制PLA包装材料的应用范围[3-4]。此外，食品包装材料常面临细菌滋生的问题，因此开发一种抗菌PLA包装材料十分必要[5]。纤维素纳米晶体(CNC)具有高长径比和生物降解性，可以嵌入生物基聚合物基质，通过界面应力扩散改善材料力学性能[6-7]。Shih等[8]通过熔融共混法制备PLA/香蕉纤维复合材料，结果表明：复合材料的弯曲强度和拉伸强度随纤维负载的增加而显著增强。此外，CNC可以提高PLA的结晶度，增强膜材料的阻隔性。Liu等[9]研究表明：CNC可以明显提升PLA膜的阻隔性能。材料的抑菌性能的提升，将壳聚糖、银粒子、氧化锌和二氧化钛颗粒等掺杂到聚合物基质中达到抑菌效果[10-11]。但由于壳聚糖和PLA溶解条件不同，无法使用溶液浇铸法制膜。银纳米粒子与PLA之间相容性较差，不适合制备PLA基抗菌膜。而内脂型槐糖脂与PLA相容性较好，且具有无毒、生物可降解性和优异的抗菌活性等优点，在抗菌包装中具有应用潜力[12-13]。本实验通过溶液浇铸法制备CNC和槐糖脂(SL)掺杂的PLA基抗菌复合膜，研究CNC的掺杂量对PLA/SL/CNC复合膜的透光率、力学性能、亲疏水性、水蒸气阻隔性以及抑菌性的影响。1实验部分1.1主要原料聚乳酸(PLA)，043D，美国Nature Works公司；槐糖脂(SL)，含量50%，工业级，湖北科沃德化工有限公司；纤维素纳米晶体(CNC)，直径10~100 nm，长度100~400 nm，广州楹鼎生物科技有限公司；三氯甲烷(99%)、缓冲蛋白胨和营养琼脂以及其他试剂，成都科隆试剂有限公司；利斯特氏菌(ATCC 19115)、金黄色葡萄球菌(ATCC 6538)、沙门氏菌(CMCC 50957)，宁波明舟生物科技有限公司。1.2仪器与设备膜厚度仪，CHY-CA，济南赛成科技有限公司；紫外-可见光分光光度计(UV-vis)，UV-3600、万能试验机，AGS-J，日本岛津公司；光学接触角测试仪，DSA25，德国KURSS公司；场发射扫描电镜(SEM)，JSM-IT800SHL，日本电子株式会社；全自动酶标仪，Multiskan GO，美国赛默飞世尔公司。1.3样品制备采用溶液浇铸法制备掺杂CNC和SL的PLA基抗菌复合膜。表1为PLA/SL/CNC复合膜铸膜液配方。对于不同的PLA/SL/CNC复合膜，固定SL的含量0.5 g（质量分数10%）不变，按表1分别称取PLA和CNC，溶于三氯甲烷中，室温下搅拌8 h，待溶解充分，取50 g铸膜液倒入聚四氟乙烯模具中，室温下真空干燥48 h后，得到CNC质量分数为2%、4%、6%和8%的PLA/SL/CNC复合膜，将薄膜切割成2 cm×2 cm，置于相对湿度58%和25 °C条件下存储。采用同样的方法，制备不含SL和CNC的纯PLA膜。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.018.T001表1PLA/SL/CNC复合膜配方Tab.1Formula of PLA/SL/CNC films样品PLASLCNC三氯甲烷PLA500100PLA/SL/CNC（2%）4.40.50.1100PLA/SL/CNC（4%）4.30.50.2100PLA/SL/CNC（6%）4.20.50.3100PLA/SL/CNC（8%）4.10.50.4100gg1.4性能测试与表征膜厚度测试：选取PLA/SL/CNC复合膜5处不同位置测试厚度，取其平均值。透光率测试：波长范围为200~800 nm，空气作参比。SEM测试：对复合膜喷金处理，观察复合膜表面形貌。膜力学性能测试：样条尺寸为80 mm×30 mm，标距为30 mm，拉伸速率为5 mm/min。膜水接触角测试：将水滴落在薄膜的5处不同位置，静置5 s测定水接触角，结果取平均值。水蒸气透过系数测试：将薄膜放在聚乙烯瓶顶部，瓶内放入适量无水氯化钙以维持相对湿度为0，使用适量的凡士林将薄膜边缘密封。将瓶子置于温度为25 ℃，相对湿度为75%的干燥器。每隔24 h对瓶子称重一次。水蒸气透过率的计算公式为：水蒸气透过系数=Δw×LΔt×A×Δp （1）式（1）中:Δw/Δt为每小时瓶子增重量，g；L为膜的平均厚度，cm；A为薄膜面积，cm2；Δp为薄膜两侧气压差值，Pa。膜抑菌性测试：按QB/T 2591—2003进行测试。实验开始之前，对复合薄膜表面进行杀菌。通过液体培养试验评估薄膜的抑菌性能。将106的细菌悬浮液滴加至薄膜，并在薄膜表面自然干燥。将薄膜片放入装有1 mL营养肉汤的微管中，搅拌2 min，利用缓冲蛋白胨连续稀释，平铺在营养琼脂上于37 ℃下共培养24 h，计算菌落数。2结果与讨论2.1PLA/SL/CNC复合膜厚度和透光率分析图1为纯PLA和PLA/SL/CNC复合膜的透光率和厚度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.018.F001图1纯PLA和PLA/SL/CNC复合膜的透光率和膜厚度Fig.1Light transmittance and film thickness of pure PLA and PLA/SL/CNC composite films从图1可以看出，纯PLA膜厚度为124.5 µm，而PLA/SL/CNC复合膜的厚度随着CNC含量的增加变化较小。PLA/SL/CNC(8%)复合膜厚度为125.8 µm，与纯PLA膜相比增大1%。这可能是CNC出现团聚，导致不同组分之间产生空隙，膜厚度增加。纯PLA膜透光率为92%(λ=800 nm)，具有良好的透光性。CNC含量由2%增至8%，复合膜的透光率从91.2%降至80.5%。当CNC的直径小于可见光波长的1/10(59 nm)，不会造成光的散射，而PLA基复合膜中CNC的直径为10~100 nm，因此CNC纤维的加入，增加光的散射，使膜的透光率有所降低。相比纯PLA膜，PLA/SL/CNC(8%)膜的透光率降低12.5%。这可能是因为此含量下CNC与PLA基体间的相容性较差，出现团聚体，加剧光的散射和折射。尽管掺杂CNC降低PLA复合膜的透光率，但CNC含量在2%~8%范围，PLA/SL/CNC复合膜透光率依然较好(80%)，可用于包装材料。2.2PLA/SL/CNC复合膜SEM分析图2为纯PLA和PLA/SL/CNC复合膜的SEM照片。从图2a可以看出，纯PLA表面光滑平整，说明纯PLA易于成膜。从图2b和图2c可以看出，PLA/SL/CNC(2%)和PLA/SL/CNC(6%)表面相对光滑平整，没有明显的团聚体，表明SL、CNC与PLA基体具有较好的相容性，未改变PLA的成膜性质。从图2d可以看出，PLA/SL/CNC(8%)表面分布CNC团聚体，表明此时CNC与PLA基体间相容性较差。CNC在PLA基体中分散的均匀性，影响PLA分子链的结晶度和分子间作用力，从而对复合膜的综合性能产生影响。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.018.F002图2纯PLA和PLA/SL/CNC复合膜SEM照片Fig.2SEM images of pure PLA and PLA/SL/CNC composite films2.3PLA/SL/CNC复合膜力学性能分析外包装材料需要具有适当的力学性能以应对运输、存储过程受到的外界负载。图3为PLA/SL/CNC复合膜的力学性能。从图3a可以看出，相比纯PLA膜，当CNC含量为2%，复合膜的拉伸强度和断裂伸长率变化不明显。这是由于PLA基体中的SL起增塑剂作用，填充PLA基体孔隙中的增塑剂，降低PLA分子链之间的作用力，增加PLA分子链的迁移率，导致膜的拉伸性能降低。当CNC含量为2%~6%，随着CNC含量的增加，PLA/SL/CNC的拉伸强度逐渐增大，其断裂伸长率逐渐降低。相比纯PLA，PLA/SL/CNC(6%)复合膜的拉伸强度达到最大68.6 MPa，提高93.8%；PLA/SL/CNC(6%)断裂伸长率最小为55.5%，减少37.3%。CNC具有较高的弹性模量(100~150 GPa)，当CNC含量增至6%，其在PLA基体中具有良好的分散性，通过界面应力扩散，提升复合膜拉伸强度。当CNC含量大于8%，CNC在PLA基体间的分散性较差，CNC在基体中开始出现团聚，导致复合膜拉伸强度降低，断裂伸长率增大。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.018.F003图3不同CNC含量的PLA/SL/CNC复合膜的力学性能Fig.3Mechanical properties of PLA/SL/CNC composite films with different CNC contents从图3b可以看出，纯PLA膜弹性模量为920 MPa，韧性为25×108 J/m3，当CNC含量小于6%，随着CNC含量的增加，PLA/SL/CNC复合膜的弹性模量和韧性逐渐增大，PLA/SL/CNC(6%)的弹性模量为2 268 MPa，与纯PLA膜相比，增大146.5%，韧性为36.5×108 J/m3，与纯PLA膜相比，增大46%。当CNC含量大于6%，复合膜的弹性模量和韧性开始降低。CNC对PLA复合膜的弹性模量和韧性的影响原因与对复合膜拉伸强度的影响相同。2.4PLA/SL/CNC复合膜水接触角和水蒸气阻隔性分析图4为不同CNC含量的PLA/SL/CNC复合膜的水接触角和水蒸气阻隔性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.018.F004图4不同CNC含量的PLA/SL/CNC复合膜的水接触角和水蒸气阻隔性Fig.4Water contact angle and water vapor barrier properties of PLA/SL/CNC composite films with different CNC contents从图4可以看出，纯PLA膜的水接触角为74°，随着CNC含量的增加，复合膜的水接触角呈现先减小后增大的趋势。当CNC含量为2%，复合膜的水接触角为71°。当CNC含量为6%时，膜水接触角达到最大值(86°)，这是由于疏水性的CNC含量的增加，提升膜的疏水性。当CNC为8%，PLA/SL/CNC复合膜的水接触角降至80°，这是由于CNC团聚，导致CNC无法均匀掺杂于PLA基体，无法有效改善膜的疏水性。纯PLA膜的水蒸气透过系数为3.8 （g·cm）/（Pa·s·cm2）。当CNC含量为2%，复合膜亲水性提高，水分子容易在膜表面聚集和渗透，水蒸气透过系数增大。当CNC的含量增至6%，复合膜水蒸气透过系数明显降低。PLA/SL/CNC(6%)的复合膜水蒸气透过系数为2.4 （g·cm）/（Pa·s·cm2），与纯PLA相比降低36.8%。这是由于CNC的加入起结晶诱导的作用，增大PLA的结晶度，增加水分子的扩散路径。另外，复合膜的疏水性提高也不利于水分子的聚集和扩散。当CNC含量为8%，复合膜的水蒸气透过系数增大，这是由于CNC的团聚，使PLA基体中团聚体之间存在空隙，复合膜的致密性降低，从而加快水蒸气在复合膜中扩散。2.5PLA/SL/CNC复合膜抑菌性分析通过液体培养实验，测试复合膜对沙门氏菌、利斯特氏菌和金黄色葡萄球菌的抗菌效果。图5为不同CNC含量的PLA/SL/CNC复合膜的抑菌性。从图5可以看出，纯PLA膜与利斯特氏菌和金黄色葡萄球菌共培养24 h，其菌落数分别为4.5 lgCFU/mL和2.8 lgCFU/mL。PLA/SL/CNC(2%)和PLA/SL/CNC(4%)与利斯特氏菌和金黄色葡萄球菌共培养24 h，没有有效菌落数（如图红色方框处所示），表明此时复合膜能够较好地抑制细菌，其抑菌机制是由于掺杂的SL能够引起细菌细胞壁和细胞膜通透性变化，导致细胞内物质溶解和释放，细胞死亡。随着CNC的含量继续增大，复合膜对利斯特氏菌和金黄色葡萄球菌抑菌作用减弱，PLA/SL/CNC(6%)的利斯特氏菌和金黄色葡萄球菌菌落数分别为0.8 lgCFU/mL和0.4 lgCFU/mL，PLA/SL/CNC(8%)的两种细菌的菌落数为1.8 lgCFU/mL和1.0 lgCFU/mL，这种抑菌作用的减弱是因为CNC含量的增加，使SL中长链羟基脂肪酸与CNC之间通过疏水作用力，形成穿插缠结体，另外CNC起结晶诱导剂作用，使PLA结晶度增加，这种变化不利于SL从膜中释放，杀灭细菌。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.018.F005图5不同CNC含量的PLA/SL/CNC复合膜的抑菌性Fig.5Antibacterial activity of PLA/SL/CNC composite films with different CNC contents纯PLA与沙门氏菌培养24 h，菌落数为3.2 lgCFU/mL。而PLA/SL/CNC复合膜与沙门氏菌共培养，其菌落数虽然明显降低，但灭菌效果不理想，PLA/SL/CNC(6%)的菌落数为1.6 lgCFU/mL。这是由于沙门氏菌属革兰氏阴性菌，具有两层细胞膜结构，而SL通过破坏细菌细胞膜达到杀菌效果，沙门氏菌的膜结构减缓SL的作用。不同CNC含量的复合膜与沙门氏菌共培养，其菌落数呈现缓慢增加趋势。掺杂SL和CNC的PLA基复合膜在抗菌包装膜领域具有较好的潜力。3结论通过溶液浇铸法成功制备掺杂CNC和SL的PLA复合膜。当SL含量为10%，掺杂适量的CNC可以提高PLA复合膜的综合性能。PLA复合膜具有较好的透光性。CNC含量为8%时，其与PLA相容性较差。相比纯PLA膜，PLA/SL/CNC(6%)复合膜拉伸强度提高93.8%，断裂伸长率减少37.3%，弹性模量增大146.5%，韧性增大46%。PLA/SL/CNC(6%)复合膜具有疏水性，且水蒸气透过系数为2.4 （g·cm）/（Pa·s·cm2）。与利斯特氏菌和金黄色葡萄球菌共培养24 h，菌落数分别为0.8 lgCFU/mL和0.4 lgCFU/mL，具有较好的抑菌效果，PLA复合膜对沙门氏菌的抑菌效果不理想。