对环境造成污染的塑料制品主要是由聚烯烃材料构成，塑料作为包装薄膜的主要来源之一，其废弃物不经过人为干预，在自然界中能够留存很多年[1-3]。国内外塑料处理的主要方式为焚烧和填埋，少部分采用回收再加工的方式[4-5]。为此，开发绿色、安全、环保特性的可降解薄膜替代传统塑料薄膜对环境保护具有重要意义。目前大部分研究是以热塑性淀粉塑料、明胶基塑料等为主的完全生物降解塑料[6-7]，淀粉的柔韧性、阻氧性好，但因其存在大量的羟基，耐水性和微生物耐受性较差[8-9]。明胶虽然易成膜、可生物降解、价格低廉，但其力学性能和疏水性能较差[10]。为改善淀粉、明胶的不足，利用纤维素、蛋白质、壳聚糖等进行改性[11-13]，也有大量研究将淀粉和明胶共混制成复合膜以发挥二者的优点，取得了一定的效果[14-16]。但复合膜仍存在脆性大、强度低等缺点。普鲁兰多糖在成膜、阻气、可塑方面性能较优，而且天然环保，对环境和人体没有危害。但纯普鲁兰多糖制作的薄膜柔软性差、成本较高，通常将其与蛋白质、淀粉、多糖、明胶等制成共混物，提高复合材料的综合性能[17-22]。有研究表明，普鲁兰多糖能与淀粉、明胶形成大量的分子间氢键，提高其所制备复合薄膜的疏水性以及力学性能[21-22]。复合型薄膜可以发挥各成分的优势，尽可能避免其不足，关于普鲁兰多糖改性淀粉-明胶复合膜的报道还较为鲜见。本实验通过普鲁兰多糖与淀粉、明胶共混反应改性，乙二醇为增塑剂，制备普鲁兰多糖-淀粉-明胶三元复合薄膜，考察了淀粉/明胶的比例和普鲁兰多糖添加量对复合膜性能的影响，同时研究了其降解性能，为可生物降解复合薄膜的开发提供研究参考。1实验部分1.1主要原料马铃薯淀粉，化学纯、柠檬酸，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；明胶、普鲁兰多糖，分析纯，上海易恩化学技术有限公司；乙二醇，分析纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；腐殖质土壤，室外采集。1.2仪器与设备电子万能试验机，HDW-20KN，吉林省华博科技工业有限公司；傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)，Nicolet iS20，美国赛默飞世尔科技公司；同步热分析仪(TG-DSC)，TA-SDTQ600、动态热机械分析(DMA)，TA-Q800，美国TA公司；X射线衍射仪(XRD)，Bruker D8A A25 X、原子力显微镜(AFM)，Bruker Dimension Icon，德国Bruker公司；扫描电子显微镜(SEM)，S-3400N，日本日立有限公司。1.3样品制备称取一定量的淀粉分散于50 mL水中，在99 ℃水浴中高速搅拌60 min使其糊化，加入浓度为20%的柠檬酸溶液，使柠檬酸与淀粉的质量分数为3.3%，搅拌90 min，得到交联的淀粉溶液；称取定量普鲁兰和定量明胶加入50 mL的50 ℃蒸馏水，保温溶胀10 min，将其超声波匀质10 min，与交联的淀粉溶液混合后加入定量乙二醇，于60 ℃水浴中搅拌4 h，得到溶胶前驱体后，将其超声波消泡60 min后流延至玻璃板上，室温下风干12 h，入烘箱50 ℃干燥6 h。表1为复合薄膜样品的配比。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.003.T001表1复合薄膜样品的配比Tab.1Ratio of composite film sample序号普鲁兰多糖/gm（淀粉）∶m（明胶）乙二醇/g10.751.0∶4.03.0020.751.5∶3.53.0030.752.0∶3.03.0040.752.5∶2.53.0050.753.0∶2.03.0060.753.5∶1.53.0070.754.0∶1.03.0080.754.5∶0.53.00903.0∶2.03.00100.253.0∶2.03.00110.503.0∶2.03.00120.753.0∶2.03.00131.003.0∶2.03.001.4性能测试与表征拉伸性能测试：复合薄膜按照参考文献[23]进行测试，样品长度为70 mm，宽度为20 mm，厚度为(0.2~0.4) mm，夹具原始距离为40 mm，测试速度为90 mm/min，每组样品在测试前，均于同等湿度温度下放置12 h。FTIR分析：测试范围为650~4 000 cm-1。TG-DSC分析：样品用量为5~10 mg，空气气氛，从室温升至600 ℃，升温速率为20 ℃/min。XRD测试：以Cu靶为辐射源，测试电压40 kV、电流25 mA，波长为0.154 06 nm，2θ角范围为5°~60°。DMA分析：试样样条长度为30 mm，宽度为5 mm。测试温度范围-50~150 ℃，升温速率为10 ℃/min，实验开始时样品在-50 ℃的条件下恒温2 min，振动频率为1 Hz，振幅为24 μm。AFM分析：将薄膜样品固定到玻璃片上，扫描范围为5 μm×5 μm。SEM分析：将薄膜样品喷金30 s，测试电压为20 kV，观察样品表面形貌。土壤降解性能测试：取5个塑料泡沫保温箱，在保温箱底部先铺设等质量的室外采集的腐殖质泥土，称取1.00 g普鲁兰多糖改性的淀粉-明胶复合薄膜试样平整置于腐殖质土壤上，覆盖等质量的腐殖质土壤，添加等量的去离子水，对塑料保温箱进行封盖、称重、记录，间隔48 h进行补水，每隔3 d称量计算复合薄膜的质量保留率。2结果与讨论2.1普鲁兰多糖-淀粉-明胶复合薄膜的拉伸性能分析2.1.1淀粉/明胶质量比对复合薄膜的拉伸性能影响薄膜在生产过程中受到压缩、拉伸、吹塑等机械力的作用，在实际使用中对力学性能有一定要求，本实验采用拉伸性能测试评价复合薄膜性能。图1为不同淀粉/明胶质量比下复合薄膜的拉伸强度和断裂伸长率。从图1可以看出，改变淀粉/明胶的质量比，复合薄膜的力学性能也会受到影响。明胶是一种具有三维结构的蛋白质，能够和淀粉产生协同增效作用，对薄膜的性能进行改善，且其存在的无定形片段和微晶结构能够通过和淀粉发生交联反应，从而取代天然分子间氢键。理论上明胶的添加比例增大，薄膜的力学性能也随之提升，淀粉的添加比例增大则降低薄膜的力学性能，而实验数据也证明了这一论断。但由于薄膜的力学性能还受到普鲁兰多糖、增塑剂等的相互影响，综合考虑拉伸强度和断裂伸长率，当淀粉/明胶质量比为3.0∶2.0时，复合薄膜的拉伸强度为2.5 MPa，断裂伸长率为50%，相较于其他淀粉/明胶质量比下复合薄膜力学性能较优，因此选择淀粉/明胶质量比为3.0∶2.0作为后续的实验条件。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.003.F001图1不同淀粉/明胶质量比下复合薄膜的拉伸强度和断裂伸长率Fig.1Tensile strength and elongation at break of composite films with different starch/gelatin mass ratios2.1.2普鲁兰多糖添加量对复合薄膜的拉伸性能影响当淀粉/明胶的质量比为3.0∶2.0，增塑剂乙二醇添加量为3.00 g时，对比分析普鲁兰多糖添加量对复合薄膜的力学性能的影响。图2为不同普鲁兰多糖添加量下复合薄膜的拉伸强度和断裂伸长率。从图2可以看出，改变普鲁兰多糖的添加量，复合薄膜的力学性能也发生了改变。当未添加普鲁兰多糖时，淀粉-明胶复合薄膜的拉伸强度为0.67 MPa，断裂伸长率为44%，力学性能较差。当加入普鲁兰多糖后，随着普鲁兰多糖添加量的增多，复合薄膜的力学性能得到明显改善，当普鲁兰多糖添加量为1.00 g时，对应的断裂伸长率达到67%，拉伸强度达到3.25 MPa，表明普鲁兰多糖中的氢键能够与淀粉中的羟基相互作用，对复合薄膜的力学性能进行改善。但普鲁兰多糖的添加量过多也会对薄膜的力学性能产生负面影响，刘晓艳等[22]研究表明：普鲁兰多糖在与明胶复合过程中，当普鲁兰多糖的添加量超过50%，复合薄膜的拉伸强度呈下降趋势，可能因为普鲁兰多糖相较于明胶，亲水性更强，添加量过多会使复合薄膜的结构致密性下降。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.003.F002图2不同普鲁兰多糖添加量下复合薄膜的拉伸强度和断裂伸长率Fig.2Tensile strength and tensile strength of composite films with different pullulan polysaccharide content2.1.3普鲁兰多糖-淀粉-明胶复合薄膜的DMA分析图3为不同普鲁兰多糖添加量下复合薄膜的DMA曲线。图3不同普鲁兰多糖添加量下复合薄膜的DMA曲线Fig.3DMA curves of composite films with different pullulan content10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.003.F3a1(a)E'10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.003.F3a2(b)E"从图3a可以看出，随温度的升高，储能模量(E')降低，在50 ℃之前降低较快，50 ℃之后趋于平缓。当普鲁兰多糖添加量由0.25 g增加到1.00 g时，复合薄膜的初始储能模量由260 MPa增加到662 MPa，说明普鲁兰多糖的添加可以增强分子间的相互作用，阻碍了分子链的运动，增加了膜的刚度，随着温度的升高复合膜的刚性减小。从图3b可以看出，普鲁兰多糖添加量为0.25 g时，玻璃化转变温度(Tg)为108 ℃；添加量为0.50 g时，Tg为89 ℃；添加量为0.75 g和1.00 g时Tg均约为87 ℃。随着普鲁兰多糖添加量的增加，Tg值降低，分子的柔弹性增大，说明普鲁兰多糖对淀粉和明胶分子结构具有塑化作用，这与力学性能测试结果一致[24]。在-50~50 ℃的温度区间内，随着普鲁兰多糖添加量的增多，损耗峰形变宽。当普鲁兰多糖添加量为0.75 g和1.00 g，损耗模量(E'')分别从65 MPa和57 MPa降到了7 MPa和12 MPa。当普鲁兰多糖添加量为0.25 g和0.50 g，复合薄膜的E''分别从23 MPa和16 MPa降至5 MPa和10 MPa，说明普鲁兰多糖的添加影响了复合薄膜分子链的移动性，从而提高了复合薄膜的分子链柔性，当普鲁兰多糖添加量为1.00 g时，构成普鲁兰多糖复合薄膜的分子链伸缩和舒展范围最大，柔性最强，即普鲁兰多糖的添加优化了复合薄膜的力学性能。2.2普鲁兰多糖-淀粉-明胶复合薄膜的结构分析2.2.1XRD分析图4为不同普鲁兰多糖添加量下复合薄膜的XRD曲线。从图4可以看出，纯普鲁兰多糖和明胶分别在18.5°和20.6°出现较宽衍射峰，表明二者存在非晶结构，而纯马铃薯淀粉表现出一定的晶型结构约在15°、17°、19°、22°、24°等处产生了衍射峰，尤其17°表现出较强的衍射峰[25]。只有淀粉-明胶两种组分的复合膜呈现宽的衍射峰，淀粉部分峰与约20°附近明胶的峰重叠，淀粉在15°、24°等附近的衍射峰消失，17°峰强度大幅度减弱，表明淀粉交联成膜后其原有的晶体结构发生了变化，有非晶型区域[26-27]。与淀粉-明胶复合膜对比，随着普鲁兰多糖添加量的增加，淀粉在19°和22°附近的衍射峰减弱。当普鲁兰多糖添加量为1.00 g时，淀粉在17°衍射峰进一步减弱并明显偏移到约17.6°位置，说明普鲁兰多糖与淀粉及明胶不是简单的混合，在复合膜各组分之间发生了分子间的相互作用，有新的分子间氢键的形成，各组分之间有很好的相容性，同时也表明普鲁兰多糖可降低淀粉-明胶复合膜中淀粉的结晶度[28-30]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.003.F004图4不同普鲁兰多糖添加量下复合薄膜XRD谱图Fig.4XRD patterns of composite films with different pullulan content2.2.2FTIR分析图5为普鲁兰多糖、淀粉、明胶、淀粉-明胶复合薄膜及不同普鲁兰多糖添加量下淀粉-明胶复合薄膜FTIR谱图。从图5可以看出，淀粉-明胶和普鲁兰多糖-淀粉-明胶复合膜的FTIR谱图相似，在3 284 cm-1左右较强且宽的吸收峰为—OH的伸缩振动峰，与明胶的吸收峰位相近，比普鲁兰多糖和淀粉的峰（约为3 431 cm-1）向低波数转移，表明添加明胶可使复合膜的氢键作用增多。随着普鲁兰多糖量的增加，三元组分复合膜的—OH伸缩振动峰的强度增加，说明复合膜中三个组分间存在氢键作用，各组分间有良好的相容性，与XRD分析结果一致。明胶在3 062 cm-1左右的酰胺Ⅱ带的倍频吸收在复合膜中未出现。复合薄膜在2 933 cm-1和2 874 cm-1处的峰归属于C—H的伸缩振动。复合膜在1 650~1 640 cm-1附近出现C=O键的伸缩振动峰，是明胶中酰胺Ⅰ带特征峰C=O键振动和淀粉及普鲁兰多糖中的C=O振动峰的叠加。纯明胶在1 528 cm-1处的吸收峰为酰胺Ⅱ带（C—N伸缩或N—H弯曲振动），在复合膜中该峰向高波数转移并裂分为1 539 cm-1和1 557 cm-1，说明与淀粉混合后明胶分子间的作用减弱，明胶与淀粉之间发生较强的相互作用。纯物质在1 165 cm-1处的C—O键伸缩振动或C—N—C键的振动峰在复合膜中向低波数转移到了1 151 cm-1，表明复合膜各组分间存在分子间氢键的作用[31-32]。纯淀粉980 cm-1附近的峰为C—OH键弯曲振动，对应于淀粉分子间形成氢键结构[33]，该峰在复合膜中向高波数转移到999 cm-1，可说明淀粉分子间的氢键作用减弱，而淀粉和明胶及普鲁兰多糖之间界面相互作用形成。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.003.F005图5普鲁兰多糖、淀粉、明胶、淀粉-明胶复合薄膜及不同普鲁兰多糖添加量下复合薄膜FTIR谱图Fig.5FTIR spectra of pullulan, starch, gelatin, starch-gelatin composite films and composite films with different pullulan content2.3普鲁兰多糖-淀粉-明胶复合薄膜的SEM分析图6为不同普鲁兰多糖添加量下复合薄膜的SEM照片。图6不同普鲁兰多糖添加量下复合薄膜SEM照片Fig.6SEM images of composite films with different pullulan content10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.003.F6a1(a)普鲁兰多糖添加量为0.25 g10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.003.F6a2(b)普鲁兰多糖添加量为0.50 g10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.003.F6a3(c)普鲁兰多糖添加量为0.75 g10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.003.F6a4(d)普鲁兰多糖添加量为1.00 g从图6可以看出，当普鲁兰多糖添加量为0.25 g时，薄膜呈“花瓣”状，连接处有交错的孔隙，力学性能较差。当添加量为0.50 g时，薄膜外观形貌呈现较为规则，颗粒状排列较为整齐，无明显龟裂纹，力学性能得到改善。添加量为0.75 g时，薄膜表面形貌成纤维状，部分平整，部分有“花瓣状”凸起，具有良好的生物相容性。当普鲁兰多糖的添加量增加到1.00 g时，薄膜表面无孔隙，无明显凸起和龟裂，主要能说明三个问题：（1）薄膜成分的分子间作用力较强。（2）该配比下的复合薄膜具有较好的生物相容性。（3）薄膜紧密整齐的结构排列是良好力学性能的微观反应。2.4普鲁兰多糖-淀粉-明胶复合薄膜的AFM分析图7为不同普鲁兰多糖添加量下复合薄膜的AFM图像。普鲁兰多糖添加量为0.25、0.50、0.75、1.00 g的普鲁兰多糖复合薄膜的粗糙度分别为13.6、53.6、19.1、15.7 nm，差异度分别为0.599%、10.200%、1.690%、0.811%。表面粗糙度和差异度决定了载流子的迁移率和载流子散射，载流子散射会随着粗糙度的变化而发生改变，当粗糙度增大到一定程度，过多的载流子散射将形成通道中的陷阱，导致薄膜的性能发生改变[34]，但由于二者与普鲁兰多糖的添加量不构成线性关系，说明普鲁兰多糖添加量对薄膜表面形貌产生了一定的影响，但并非主要因素，因为在成膜过程中反应时间、交联程度以及流延成膜的实验方法皆会对薄膜表面形貌造成影响。从图7可以看出，复合薄膜结构排列较为紧密整齐，具有山峰状纳米形貌，微观上表现出不规则的网络状结构，局部会出现不同程度的聚集，这与普鲁兰多糖、淀粉、明胶容易形成聚集体的特性相一致。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.003.F007图7不同普鲁兰多糖添加量下复合薄膜的AFM图像Fig.7AFM images of composite films with different pullulan content2.5普鲁兰多糖-淀粉-明胶复合薄膜的TG分析一个体系发生热反应的过程中往往伴随着热量的吸收、释放以及损耗，而热量变化的过程伴随着物质间相转变或者发生化学反应[35]。图8为不同普鲁兰多糖添加量下复合薄膜的TG和DTG曲线。图8不同普鲁兰多糖添加量下复合薄膜的TG和DTG曲线Fig.8TG and DTG curves of composite films with different pullulan content10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.003.F8a1(a)TG曲线10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.003.F8a2(b)DTG曲线从图8a可以看出，普鲁兰多糖添加量在0.25~1.00 g时，复合膜TG曲线在300 ℃以下失重情况相近，添加量为0.25 g时失重率略高；在300 ℃以上随着普鲁兰多糖添加量的增加失重率减少，在600 ℃时对应的失重率分别约为100%、86%、84%和82%。随着普鲁兰多糖添加量的增加失重率减少，表明普鲁兰多糖的添加在一定程度上可使三种组分之间的作用增强，降低了复合膜的分解速度，这与FTIR的表征结果是一致的。从图8b可以看出，DTG曲线有两个峰，普鲁兰多糖的添加量对这两个峰的峰值影响不大，一个峰是在83 ℃左右对应着复合膜中非结合水的散失，另一个峰在301 ℃附近对应着普鲁兰多糖、淀粉和明胶内以及三种组分间化学键的分解。2.6普鲁兰多糖-淀粉-明胶复合薄膜的DSC分析淀粉和明胶在反应过程中，由于分子热运动，分子链间的氢键会发生断裂，分子链收缩塌陷成分子链团，图9为不同普鲁兰多糖添加量下复合薄膜的DSC曲线。从图9可以看出，普鲁兰多糖添加量为0.25、0.50、0.75和1.00 g时，所对应的复合薄膜吸热峰分别出现在73、75、85和86 ℃，放热峰出现在325、323、322和321 ℃。随着复合薄膜中普鲁兰多糖添加量的增加，吸热峰温度增加可能是非结合的水分子与复合膜组分间发生了氢键作用；而放热峰温度降低，说明普鲁兰多糖的添加在一定程度上抑制了分子链收缩塌陷的过程，使得复合薄膜的微观结构更加稳定。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.003.F009图9不同普鲁兰多糖添加量的复合薄膜DSC曲线Fig.9DSC curves of composite films with different pullulan content2.7普鲁兰多糖-淀粉-明胶复合薄膜的土埋降解性能分析基于普鲁兰多糖-淀粉-明胶复合薄膜的应用目标，对明胶/淀粉质量比为3.0∶2.0，普鲁兰多糖加入量为1.00 g，乙二醇加入量为3.00 g的复合薄膜样品进行了土埋降解性能测试分析。图10为15 d内三元复合薄膜的质量保留曲线。从图10可以看出，3 d后，薄膜的质量保留率在83%；6 d后，质量保留率下降到了72%；9 d后，质量保留率为51%；12 d后，质量保留率为23%；而薄膜在15 d后降解率接近100%，相较于常见的聚乙烯、聚氯乙烯塑料薄膜以及聚乳酸基等生物降解薄膜，该复合薄膜具有良好的土埋降解性能。原因可能是以乙二醇为增塑剂制备的复合膜薄膜，随着时间的变化，容易出现分子氢键结合导致的分子有序回升现象。温度、湿度、微生物种类和数量以及土壤中微量元素的不同均影响普鲁兰多糖-淀粉-明胶复合薄膜的降解率；而普鲁兰多糖、淀粉、明胶分子量较大，分子间排列较为疏松，且薄膜存在无定形区域，水分子侵入更容易，因此导致薄膜降解速率较快。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.003.F010图10复合薄膜土埋降解后的质量保留曲线Fig.10Quality retention curve of composite film after buried degradation3结论（1）综合考虑力学性能指标，三元复合薄膜的最优配方为明胶/淀粉质量比为3.0∶2.0，普鲁兰多糖添加量为1.00 g，乙二醇添加量为3.00 g，所对应的断裂伸长率是67%，拉伸强度是3.25 MPa。普鲁兰多糖添加量由0.25 g增加到1.00 g时，复合薄膜的初始储能模量由260 MPa增加到662 MPa，而Tg则由108 ℃降到约87 ℃，说明复合薄膜的刚度增强，分子的柔弹性增大，这与力学性能测试结果是一致的。（2）随着普鲁兰多糖添加量的增加，复合薄膜中淀粉的结晶度降低，各组分间有新的分子间氢键形成，生物相容性得到增强，薄膜微观表面较为紧密整齐。TG曲线失重率减少，600 ℃时失重率由100%降到82%，DSC曲线吸热峰温增加而放热峰温降低，普鲁兰多糖可在一定程度上抑制分子链收缩塌陷，进而降低复合薄膜分解速度。三元复合薄膜15 d后土埋降解率接近100%，具有良好的生物降解性能。