紅外輻照對魔芋葡甘聚糖膜吸水性能的影響

摘要：采用紅外輻照處理魔芋葡甘聚糖（KGM）粉末，設置單因素試驗考察KGM相對分子質量大小、輻照溫度、時間和輻照電壓對KGM膜吸水率的影響，并采用掃描電鏡表征KGM的結構。結果表明，紅外輻照對KGM膜的吸水性能有較大影響，KGM的相對分子質量越大，其耐受紅外輻照的能力越強，KGM膜的吸水率隨輻照溫度的升高而降低，隨輻照電壓的增強或輻照時間的延長呈先降低后升高的變化趨勢，輻照作用導致膜部分溶于水，喪失完整形態。

關鍵詞：魔芋葡甘聚糖膜；紅外輻照；吸水性能；結構表征

中圖分類號：O636.1 文獻標識碼：A 文章編號：0439—8114（2012）19—4352—03

魔芋（Amorphophallus spp.）為天南星科魔芋屬多年生草本塊莖植物，其初加工物魔芋精粉的主成分為魔芋葡甘聚糖（Konjac glucomannan，KGM），是由D—吡喃甘露糖和D—吡喃葡萄糖按1∶1.6的摩爾比以β—1，4糖苷鍵連接而成的高分子雜多糖[1，2]，每隔約19個糖殘基連接有一個乙酰基團，其具有優良的束水、膠凝、增稠、粘結、可降解與成膜性等性能[3]，被廣泛應用于食品、包裝、涂料、生物醫藥及化妝等領域。KGM膜作為一種可食性包裝材料的研究已有報道[4—6]，其吸水性能是評價膜品質及應用領域的重要指標。目前紅外干燥是魔芋粉的主要加工方式之一，本研究采用紅外輻照處理KGM，探討了紅外輻照對KGM膜吸水性能的影響，表征其結構變化，為實際生產應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

魔芋粉（特級），購于上海北連食品有限公司；其余試劑均為國產分析純。

WS70—1遠紅外干燥器，上海索譜儀器有限公司；GZX—9140MBE數顯鼓風干燥箱，上海博迅實業有限公司醫療設備廠；Quanta 200SEM，荷蘭FEI；Opticlab rEX示差折光檢測器，DAWN/HELEOS靜態激光光散射儀，美國懷雅特技術公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 KGM相對分子質量的測定 參照劉廷國等[7]的方法制備KGM。將KGM溶于0.1 mol/L NaNO3溶液，配制1.0 g/L溶膠，經0.45 μm微孔濾膜過濾，備用。分析條件：Shodex—G805凝膠柱、示差檢測器、波長658 nm、溫度25 ℃、流動相為0.1 mol/L NaNO3溶液、流速1.0 mL/min，進樣量20 μL。

1.2.2 KGM膜的制備 將KGM粉末分散于去離子水中，30 ℃恒溫水浴下溶脹1.0 h，配制10 g/L KGM溶膠，定量涂覆于固定面積的光潔平板中流延成膜，50 ℃干燥24 h，即得KGM膜。

1.2.3 單因素實驗 采用紅外線輻照處理KGM粉末，以未經紅外線處理的KGM粉末所成的膜為空白對照，設置單因素試驗，考察KGM相對分子質量、輻照電壓、輻照溫度、輻照時間對KGM膜吸水性能的影響。①KGM相對分子質量。固定電壓220 V、輻照溫度49 ℃和照射時間24 h，分別采用相對分子質量3.52×105、6.91×105、8.56×105、1.06×106、1.34×106的KGM粉末制成的膜。其中輻照處理1.34×106的KGM粉末后，其溶膠所成的膜表示為I—KGM，用于結構表征。②輻照電壓。將相對分子質量1.34×106 的KGM粉末平鋪于紅外光下持續照射24 h，輻照溫度49 ℃，輻照電壓分別為140、160、180、200、220 V。③輻照溫度。取相對分子質量1.34×106的KGM粉末持續照射24 h，固定電壓220 V，輻照溫度分別為49、55、61、67、73 ℃。④輻照時間。固定電壓220 V、輻照溫度49 ℃，取相對分子質量1.34×106 的KGM粉末分別照射12、24、36、48、60、72 h。

吸水率W=（m濕膜— m干膜）/m干膜×100%

吸水率下降率Dr=（W空白—W處理）/W空白×100%

式中，W處理為經紅外處理后的KGM膜吸水率；W空白為未經紅外處理的KGM膜吸水率

1.2.4 掃描電鏡分析 取少許KGM膜樣品置于樣品銅臺上，噴金后放入SEM樣品觀察臺中，加速電壓20 kV，觀察其截面結構，拍照。

2 結果與分析

2.1 KGM相對分子質量及其分布

根據分子體積大小與散射光強的對應關系分析KGM粉末的相對分子質量及分布。圖1可見KGM相對分子質量呈近似正態分布，峰寬較窄，重均相對分子質量為1.34×106，多分散系數為1.12。可見KGM分子大小分布集中，為相對均一多糖。

2.2 單因素試驗結果

2.2.1 相對分子質量對KGM膜吸水率的影響 不同相對分子質量的KGM膜經紅外線輻照后其吸水率的變化結果見圖2。由圖2可以看出，相對分子質量對KGM膜吸水率的影響較大，KGM成膜后膜吸水性能變化明顯。紅外照射后KGM膜的吸水率隨其相對分子質量的升高下降幅度降低，即相對分子質量與吸水率下降率呈線性負相關，可見KGM的相對分子質量越大，其耐受紅外輻照的能力越強。

2.2.2 輻照電壓對KGM膜吸水率的影響 KGM膜吸水率隨紅外線輻照電壓的變化而變化的結果見圖3?？梢钥闯觯S輻照電壓增大，KGM膜的吸水率呈先降低后上升的趨勢。電壓低于180 V時，KGM膜的吸水率隨輻照電壓的升高而快速降低；但當電壓高于180 V時，輻照電壓升高，吸水率又緩慢上升，此時KGM膜部分溶于水中，已喪失膜的完整形態?？梢娸椪针妷簩GM膜的吸水率有較大的影響。

2.2.3 輻照溫度對KGM膜吸水率的影響 圖4顯示隨輻照溫度的升高，KGM膜的吸水率呈逐漸降低的趨勢，說明溫度對KGM膜吸水率的影響較明顯，這可能是過高的輻照能使KGM斷鏈降解，導致膜的吸水率下降。

2.2.4 輻照時間對KGM膜吸水率的影響 圖5反映出隨輻照時間的延長，KGM膜的吸水率先逐漸降低，在36 h時最低，隨后又緩慢升高，此時膜部分溶于水中，已喪失膜的完整形態，可見輻照時間對KGM膜的吸水率也有較大影響。

2.3 掃描電鏡觀察結果

圖6為KGM的掃描電鏡結果，微觀形貌顯示未經紅外輻照的KGM膜截面結構緊密，是排列有序的層狀結構（圖6左），這種自組裝成膜結構顯示膜的吸水性能較低，能保持相對完整的形態。而紅外輻照后的KGM膜截面松散，孔洞和斷裂較多，層狀結構破壞較明顯（圖6右），這可能是紅外光照射使KGM分子解聚、斷鏈所致。

3 結論

不同相對分子質量的KGM溶膠經紅外輻照后成膜，其吸水率有明顯的差異，KGM的相對分子質量越大，其耐受紅外輻照的能力越強；紅外輻照溫度越高，KGM膜的吸水率越低；而KGM膜的吸水率隨輻照電壓的增強或輻照時間的延長呈先降低后升高的變化趨勢，可見紅外輻照顯著影響膜吸水性能，導致膜部分溶于水，喪失完整形態。結構表征顯示紅外輻照致使KGM分子發生了氧化降解反應。

參考文獻：

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