蜂蠟對大豆分離蛋白/羧甲基纖維素復合材料性能的影響

張 超，郭曉飛，李 武，馬 越，趙曉燕

（北京市農林科學院蔬菜研究中心，農業部華北地區園藝作物生物學與種質創制重點實驗室，農業部都市農業（北方）重點實驗室，北京100097）

食品包裝材料不僅方便食品的流通，還具有維持食品色澤、風味的功能[1]。大豆分離蛋白（Soybean Protein-Isolate，SPI）/羧甲基纖維素（Carboxymethyl Cellulose，CMC）復合材料的抗拉強度較高，但是水分阻隔能力較低[2]，會引起被包裝食品吸潮。蜂蠟是一種長鏈脂肪醇和烷烴的混合物，具有極強的疏水性，被用于提高多種包裝材料的水分阻隔能力[3-4]。但蜂蠟在SPI/CMC復合材料中的應用尚無相關報道。本文研究蜂蠟對SPI/CMC復合材料顏色、抗拉強度、斷裂延長率、水蒸氣阻隔和氧氣阻隔能力的影響，以期提高復合材料的性能。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

SPI（GS5000） 山東谷神科技股份有限公司；CMC上海赫益食品添加劑有限公司；甘油（純度≥99%，AR）、蜂蠟（AR） 國藥集團化學試劑北京有限公司。

KQ-500DE型數控超聲波清洗器 昆山舒美超聲波儀器有限公司；T-10 basic型手持高速分散機德國IKA公司；TA.XT plus物性分析儀 英國SMS公司；OX-TRAN Model 2/61氧氣透過率儀、PERMATRANW Model 1/50 G水蒸氣透過率儀 美國MOCON公司；CM-3700d型色差分析儀日本Konica Minolta公司；UV-1800型分光光度計日本島津公司。

1.2 SPI/CMC復合材料制備

將10g SPI和10g CMC分別溶于1000m L去離子水中，25℃攪拌24h；將SPI溶液與CMC溶液混合，添加5g甘油，之后分別添加0、2%、4%、6%和8%（w/w）的蜂蠟（占固形物的質量分數），在90℃攪拌30min，使用高速分散機攪拌5m in；使用超聲清洗器對混合溶液處理20m in；將一定體積的溶液傾倒至邊長為200mm的聚乙烯正方形平板上，置于90℃的烘箱中干燥48h；將干燥的復合材料置于濕度為55%±3%的干燥器中備用。

1.3 厚度測定

依據GB/T 6672-2001的方法測定復合材料厚度[5]。

1.4 顏色和透明度測定

參照文獻[6]測定復合材料的顏色，結果以CIELAB色彩模型表示。

參照文獻[7]測定復合材料透明度。首先將樣品裁剪成8.0mm×30.0mm條狀，以空比色皿為參比，將樣品與光路保持垂直放入分光光度計比色皿中，測定600nm的透光率，按照式（1）計算。

式中，T為樣品的透明度；A600為樣品在600nm時的透光率；b為樣品的厚度，mm。

1.5 抗拉強度和斷裂延長率測定

根據美國實驗材料學會標準方法測定復合材料的抗拉強度和斷裂延長率[8]。將樣品裁剪成25.0mm×80.0mm條狀，使用物性分析儀的夾具固定樣品，設定夾具初始距離45mm，拉伸距離45mm，拉伸速率1mm/s，觸發力為5g，抗拉強度和斷裂延長率分別按照式（2）和式（3）計算。

式中，TS為樣品抗拉強度，MPa；F為材料斷裂過程中的最大拉力，N；a為材料的厚度，mm；b為材料寬度，mm；BE為材料斷裂延長率；L0為材料的長度，mm；L1為斷裂時材料的長度，mm。

1.6 水蒸氣透過率測定

根據美國材料學會的標準測定方法測定復合材料水蒸氣透過率[9]。測試樣品的面積為5cm2，測試樣品兩側的濕度分別為50%和15%。當水蒸氣透過速率穩定時，采用式（4）計算樣品水蒸氣透過率。

式中，WVP為樣品的水蒸氣透過率（g·m/m2·d）；WVPR為水蒸氣的傳遞速率（g·MPa/m2·d）；△P為材料兩側的壓差（MPa）；T為材料的厚度（m）。

1.7 氧氣透過率測定

根據美國材料學會的標準測定方法測定復合材料氧氣透過率[10]。在常壓、25℃和55%的濕度條件下測定，測試樣品面積為10cm2，上側吹掃氣體為高純N2，下側為氮氫混合氣（H2含量約2%）。

1.8 統計分析

采用SAS 9.1.3（美國SAS公司）對數據進行統計分析，Duncan’s多重比較評估同組實驗均值間的差異性，置信區間為95%。

2 結果與討論

2.1 SPI/CMC顏色和透光率的變化

蜂蠟添加量對SPI/CMC復合材料顏色和透光率的影響見表1。以蜂蠟添加量為0的復合材料作為對照組，蜂蠟的添加使代表亮度的L*（0～100）和代表黃色到藍色色度的b*（-120～120）值顯著高于對照，而代表綠色到紅色色度的a*（-120～120）值顯著低于對照。因此，蜂蠟添加量的增加使復合材料顏色變黃。當蜂蠟添加量提高時，復合材料的透明度顯著降低（p＜0.05）。該材料的L*值和透明度明顯高于SPI/明膠復合材料[11]；但L*值低于淀粉/CMC復合材料[6]。

表1 蜂蠟對SPI/CMC復合材料顏色和透光率的影響Table1 Effect of beeswax contenton color and transparency of SPI/CMC compositematerials

2.2 SPI/CMC抗拉強度和斷裂延長率的變化

蜂蠟添加量對SPI/CMC復合材料抗拉強度和斷裂延長率的影響見圖1。當蜂蠟添加量從2%提高至8%的過程中，復合材料的抗拉強度下降，與以結冷膠為基質包裝材料呈現下降趨勢結論相同[12]。因為蜂蠟降低復合材料的均一性，導致其網狀結構產生空隙[13-14]，宏觀上顯示為抗拉強度降低。當蜂蠟添加量增加，復合材料的斷裂延長率顯著性降低（p＜0.05）。因為，蜂蠟在常溫下為結晶態，降低了材料的柔韌性。

圖1 蜂蠟對SPI/CMC復合材料抗拉強度和斷裂伸展率的影響Fig.1 Effect of beeswax contentonmechanical properties of SPI/CMC compositematerials

2.3 SPI/CMC水蒸氣透過率的變化

圖2 蜂蠟對SPI/CMC復合材料水蒸氣透過率的影響Fig.2 Effectof beeswax on the water vapor permeability of SPI/CMC compositematerials

蜂蠟添加量對復合材料水蒸氣透過率的影響見圖2。當蜂蠟添加量大于6%時，水蒸氣透過率顯著降低（p＜0.05）。原因可能是蜂蠟中疏水性極強的蠟酯、游離脂肪醇和游離脂肪酸等物質阻隔了水分子的遷移[12，15]。

2.4 SPI/CMC氧氣透過率的變化

圖3顯示蜂蠟添加量對復合材料氧氣透過率的影響。當蜂蠟添加量為2%時，復合材料氧氣透過率顯著低于其他添加量（p＜0.05）。原因可能是SPI與蜂蠟的羧基或羥基發生交聯反應，材料更加致密，降低了氧氣滲透速率[16-17]。當蜂蠟添加量繼續提高時，體系均一性降低，網狀結構產生空隙[13-14]，氧氣透過率增加。

圖3 蜂蠟對SPI/CMC復合材料氧氣透過率的影響Fig.3 Effect of beeswax contenton the oxygen permeability of SPI/CMC compositematerials

3 結論

添加蜂蠟影響了SPI/CMC復合材料的機械、顏色、透氧與透水等特性。隨蜂蠟添加量增加，復合材料的顏色變黃；透明度、水蒸氣透過率和斷裂伸展率降低，而氧氣透過率升高。

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