脂肪酸脂的加入對淀粉-明膠膜物理性能和穩定性影響

Sandra Acosta，Alberto Jimenezi，Maite Chafer等著張真,陳慧編譯

1 前言

在過去幾年,許多的研究致力于獲得淀粉基可降解材料,其目的是為了至少能部分替換人工合成的石油基聚合物。淀粉是可再生資源,能較好地形成透明、無味且具有很好阻氧性能的膜,這對于食物保鮮是非常有用的。然而,淀粉膜表現出一些源于其對水和老化現象過于敏感的劣勢,這影響了膜的力學性能（變得更易脆）和阻隔性能。為了克服這些問題,研究者們采用了多種方法,其中包括：淀粉的等離子體或化學改性,疏水性化合物的加入以及與其他聚合物或增強材料城復合材料。淀粉的化學改性包括淀粉鏈通過化學反應的改性,也包括用其他聚合物進行交聯,例如PVA,或者直鏈淀粉和支鏈淀粉鏈通過聚合物鏈間形成共價鍵。疏水性化合物也可以被添加來改善淀粉基材料的特性。這些化合物包括分子脂質物和疏水性聚合物,例如聚己內醋和聚乳酸。然而,聚合物的不相容（由于極性不同）可能導致相分離,正如在PCL-淀粉共混膜中觀察到的,對膜性能有負面影響。在一些情況下,觀察到脂質物材料通過脂質物-淀粉直鏈復合物中V-型結晶的形成,影響基質的結晶度。除了這些結晶結構的形成,脂質物還提高了膜的脆性,對材料的力學反應有不利影響。在淀粉與其他聚合物（如酪蛋白酸鈉和羥丙基甲基纖維素）形成的復合膜中,淀粉的結晶和性能退化受到比抑制。

其他研究者對淀粉明膠共混膜進行了研究,并提出當體系中蛋白占主導地位時,明膠和多糖基質具有良好相互作用。這些共混物在氧、水蒸汽的阻隔性能、力學性能和光學參數方面具有優勢。即使明膠可提高淀粉基材料的性能,但它們均是高親水性的。從這個意義上說,疏水性材料的加入可能被認為是降低材料水敏性的一種方式。Ma等人報道,加入質量分數5%～20%的橄欖油能降低魚膠原膜的水蒸汽滲透性。同時也有報道認為,向日葵油和卵磷脂（兩性化合物）能顯著降低鱈魚和豬明膠膜的水溶性。此外,明膠膜的阻隔和力學性能通過鋰皂石和谷氨酰胺轉胺酶的加入可以改善。

雖然最近在淀粉-明膠共混膜方面有許多不同的研究報道,但是其中并沒有如脂肪酸或脂肪酸醋（從不同脂肪酸醇的醋化反應中得到）等疏水性物質對共混物影響的研究。之前對具有相似特征膜的研究中,例如含有油酸和/或α-維生素E的酪氨酸鈉-淀粉膜,顯示出因脂質物的添加膜延展性得到改善。

這項研究工作分析了在25 ℃,53%相對濕度下存儲1周和5周后,基于木薯淀粉和牛明膠的不同混合、以及有無脂類（脂肪酸單、雙甘油醋：E471）,膜的微觀組織和物理性能的變化。

2 材料與方法

2.1 原材料

用來獲得成膜分散體的木薯淀粉,由亞洲CO. LDT（Kalasin,Thailand）生產,從 Quimidroga S.A.（Barcelona,Spain）購買。用于與淀粉結合的牛皮A型明膠（Bloom 220-240°）,由Sancho de Borja,S.L.（Zaragoza,Spain）提供。脂肪酸單、雙甘油醋（E471）來自Cargill（Barcelona,Spain）,而用作增塑劑的甘油,由Panreac Quí-mica S.A.（Barcelona,Spain）提供。

通過使用直/支鏈淀粉酶催化檢測程序,且一式三份,測定木薯淀粉中直鏈淀粉、支鏈淀粉的比率。木薯淀粉中包含9.28%（g/100 g）的直鏈淀粉含量,直鏈淀粉：支鏈淀粉的比例為1∶9.78。

2.2 成膜分散體的制備

加入不同比例的木薯淀粉（S）和明膠（G）,用質量分數為2%的聚合物懸浮液制備成膜分散體。淀粉：明膠的比例（%）分別為0∶100,50∶50,75∶25和100∶0。每個配方中添加甘油作為增塑劑（聚合物：甘油的比例為1∶0.25）。此外,再準備4種配方,即在原基礎上均加入15%（w/w）的脂肪酸單、雙甘油醋（E471）。所以,本實驗共對8種配方的膜進行分析研究。以膜中淀粉（S）明膠（G）的比率作為樣品代碼。當膜中含有甘油醋成分時,在代碼中加注“e”。

首先,分別制備淀粉和明膠分散體。淀粉水分散體保持在95 ℃30 min,使淀粉糊化。同時,明膠溶解于40 ℃的水中,添加甘油,勻化前通過磁力攪拌混合。勻化使用轉子-定子均質器完成,條件為在真空條件下,溫度95 ℃,攪拌速度13 500 r/min時1 min,攪拌速度20 500 r/min時3 min。對于含有脂質物的配方,甘油在勻化之前加入。

將一定量的成膜水性分散體（相當于1.5 g固體）加入聚四氟乙烯模板（直徑為15 cm）中,在25℃、45%相對濕度下干燥48 h。然后從板上剝離下來,在25 ℃相對濕度為53%的6-水合硝酸鎂飽和溶液中調節。對存儲一周或五周后的所有膜進行分析。

2.3 膜的表征

2.3.1 微觀結構

膜的微觀結構分析通過掃描電子顯微鏡（SEM）,JSM-5410 JEOL型（日本）來進行。在測試之前,將待測定的膜放在含P2O5的干燥器中,除去存在于樣品中的水。用掃描電鏡觀察膜的表面和斷面。膜在液氮中冷卻,然后冷凍斷裂,以便斷面觀察。貯存1周和5周后不同膜樣品的表面和斷面圖像也可得到。

2.3.2 厚度

通過不同的分析,在6個隨機位置用精確到0.0025 mm的Palmer數字千分尺來測量膜的厚度。

2.3.3 水蒸汽滲透性

根據質量法標準ASTM E96-95（1995）,在25℃,53%～100%的相對濕度梯度下,通過使用直徑為3.5 cm的Payne 滲透杯來測定膜的水蒸汽滲透性（WVP）。杯子中分別放入過飽和的Mg（NO3）2溶液和蒸餾水,持續保持相對濕度為53%～100%。每2 h用分析天平（±0.00001 g）測量杯子的質量。水蒸汽滲透量WVTR根據達到平衡狀態時回歸分析得到的質量損失數據與時間的斜率除以膜面積獲得。所報道的結果是至少4個樣品的平均值。

2.3.4 氧滲透率

用 50 cm2的膜樣品,按照標準方法（ASTM D3985-05,2002）在25 ℃、53%的相對濕度下,采用Oxtran系統來分析膜的氧滲透率（OP）。在測定時,膜一邊通純氧,另一邊通純氮氣,通過計算氧氣的透過率除以膜兩邊的壓力差,并乘以平均膜厚度,得到氧滲透率。每個實驗至少測定2次獲得結果。

2.3.5 力學行為

采用萬能試驗機按 ASTM標準方法 D882（ASTM D882,2001）測定膜的力學性能。拉伸測試速度為50 mm/min。在試驗進行期間,環境的溫度為25 ℃,相對濕度被控制在53%左右。

試驗中得到的力距數據轉化為應力-應變曲線,可計算出一些力學參數,如彈性模量（EM）,拉伸強度（TS）和斷裂伸長率（E,表示為百分比）。

2.3.6 光學性質

運用多重散射反射光譜的Kubelka-Munk理論測定膜的透明度。在白色和黑色的背景下,用分光比色劑CM-3600d）在400～700 nm間測定膜的表面反射光譜。當光通過膜,光被部分地吸收和散射,通過吸收（K）和散射（S）系數對光進行量化。膜的內透光率（Ti）通過式（1）來計算。在這個方程式中,R0是膜在黑色理想背景下的反射率。參數a和b由式（2）和（3）計算,其中R為由一個已知的反射率Rg的樣品層測定的反射率。對每種干燥樣品測定三次取平均值。

根據ASTM標準D-523（ASTM,1999）,使用平表面光澤計在60°入射角下測量膜的光澤度。每一個配方的三個膜在黑色磨砂標準板上進行測量。結果用光澤度單位表示,高度拋光標準黑色玻璃表面的光澤值接近100。

2.3.7 統計分析

數據分析是通過使用5.1軟件進行方差分析（ANOVA）。費希爾最小顯著差異（LSD）程序使用95%的置信水平。

3 結果

3.1 微觀結構

膜的微觀結構,取決于膜組分之間的相互作用和干燥條件,顯著影響著最終材料的物理性質。所以,膜的微觀結構與其阻隔性能、力學和光學性能相關聯。

圖1和2分別展示了對應于每個研究的膜表面和橫截面的顯微照片。這些與純木薯淀粉膜相關的圖像,與早先研究觀察到的連續、光滑的表面結果相似。在觀察之前,膜中存在的水被去除,從而導致形成脆性膜,這與觀察到的結構一致。我們發現在所有的橫截面和表面圖像上,純淀粉膜是均勻的,這表明淀粉顆粒在加熱過程中被完全破壞。

圖1 淀粉-明膠膜表面的SEM圖像,含或不含脂質（單、雙甘油酯脂肪酸）

正如多位研究者觀察到的,純明膠膜非常均勻,并具有相對光滑的表面。盡管如此,由于干燥過程中蛋白質鏈的重組,在明膠膜表面和明膠基質內有某些圓形區域存在。這些蛋白質鏈往往通過螺旋形式聚集,形成類似于膠原纖維的結構。在這個意義上,已有發現,明膠膜呈纖維狀結構表現出膠原原纖維的特性。這種現象發生的原因是因為蛋白質鏈交織恢復了膠原（螺旋）的天然構象。在表面和斷面圖像上,復合膜（75S-25G和50S-50G）均表現出異質結構。我們觀察到的膜表面的圓形區域和其橫截面上的纖維區域,都與明膠分子鏈的構象和交聯有關。這些結果表明,盡管淀粉和明膠似乎由于其類似的親水性而宏觀兼容,但仍會發生相分離導致形成兩相：一個是淀粉富集相,一個是明膠富集相。

圖2 被研究的淀粉-明膠膜橫截面的SEM微觀圖像,含或不含脂質

脂質物顯著影響著膜的微觀結構,導致形成異質性基質,從而表明在使用的濃度下基質中相聚集脂質物缺乏。在顯微照片中可以觀察到,相應的脂質物液滴干擾聚合物基體,這種效應對共混物膜非常顯著。含脂質的明膠膜（75S-25Ge,50S-50Ge和0S-100Ge）表面均呈小脂滴和圓形的明膠層,這表明明膠的螺旋形成也能發生在這些共混物中。在膜的干燥過程中聚合物和脂質物成分之間的不相容性會引起分層現象和膜表面疏水大顆粒的出現,如之前所描述的其他含有脂質物的膜。Bertan等研究了醋酸甘油醋的摻入對明膠基質的影響,并觀察到在蛋白基質中脂質物的聚集是不均勻的。他們還報道了通過DSC測定的多個玻璃化轉變,表明相分離的發生。Wongsasulak等也發現了含有葵花油的雞蛋白-木薯淀粉膜的異構結構,其中的聚合物并沒有充分聚集形成一個連續的基質,油是一個單獨相。

3.2 光學性質

在膜應用于涂層產品后,與膜的微觀結構密切相關的膜光澤和透明度,是描述膜受到影響的最重要的光學性質。光澤度與表面粗糙度有直接關系,而透明性則取決于基質內部的微觀結構和組成成分的分布。表1顯示的是含或不含脂肪酸醋的淀粉-明膠膜的光澤度值（60°）和內部透光率（480 nm）。在波長為480 nm時,觀察到膜中最大的差異在于內部透光率的光譜分布。

Ti值介于84%和87%范圍內的所有膜推斷認為均是透明的。高Ti值與顯著的結構均勻性和更透明的膜有關。不論存儲時間長短,純淀粉膜是最透明的,這與在圖1和2中觀察到的更均勻的結構相吻合。

不管聚合物的比率是多少,脂質物的添加會降低淀粉-明膠膜的透明度,這與微觀結構觀察結果一致。與親水性聚合物不相容的脂質成分在分散相,促使光分散并導致了較低程度的透明度。Jimenez等在含有脂肪酸的玉米淀粉膜上也觀察到類似的結果。

在大多數情況下,存儲后膜的透明度明顯下降,這種在純淀粉膜上更明顯。這種結果之前Jimenez等人已有報道,在含有脂肪酸的玉米淀粉膜中發現。透明度的降低與淀粉的結晶或老化現象的增加有關,兩者都導致了聚合物網絡中氫鍵數目的增加。這導致基質折射率的變化,從而促進了光的散射。

膜的組成很大程度上影響了膜的光澤度（表1）?？赡艿脑蚴窃诔跏紩r,膜因為明膠含量的增多更加光亮,而純明膠膜是最光亮的。然而,這種影響在添加物為脂肪酸醋時并沒有發現。這可能是由于膜表面脂質顆粒的存在（圖1）有助于提高膜表面粗糙度,從而降低了光澤度,掩蓋了明膠的光澤度效應。事實上,脂質的加入明顯（p＜0.05）降低了每一種情況下的膜光澤度。像之前解釋的,膜的干燥過程中脂質物的年均和乳化導致液滴在膜-空氣界面的聚集,從而增加了表面的不均勻性。因此,光學參數值與之前描述的膜微觀結構（掃描電鏡圖像）是一致的。

表1 存儲1周（初始時間）和5周（最終時間）后淀粉-明膠基膜的光學性能。S（淀粉）.G（明膠）.e（E471）.平均值與標準差

存儲時間對光澤值的影響取決于膜的類型。在純淀粉膜中,光澤度在老化后并沒有顯著變化,而在其他情況下膜光澤度下降,主要表現在無脂質的膜上。這些結果可以歸因于明膠鏈的漸進重組,這在膜表面水平上有一個相關的影響。

3.3 阻隔性能

3.3.1 水蒸汽滲透性

所研究的膜在實驗控制條件下存儲1周或5周后,其水蒸汽滲透率值（WVP）和水分含量（Xw）如表2所示。在大多數情況下,膜中水分含量沒有發生顯著變化,膜的水分范圍控制在7.7%到11%。當膜中添加明膠時水分含量增加,而含有脂質物時,膜的水分含量降低。這與兩種組分的不同親水性和同淀粉相比明膠更高的親水性是吻合的。

在最初的時候,不添加醋類的膜（包括復合物）其WVP值上沒有明顯差異。這一結果與以前研究的關于酪蛋白酸鈉和羥丙基甲基纖維素的淀粉共混膜的結果是一致的,WVP值沒有較大不同。相反,據Jongjareonrak等報道,含較高蛋白質含量的明膠膜具有更高的WVP,這與明膠的更高親水性一致。在對含不同比例明膠的西米淀粉膜的WVP研究上,Al-Hassan等也沒有發現任何顯著的差異。因此,水蒸汽滲透性不僅取決于基質的組成,也取決于組分之間的相互作用。

脂質物的添加通常會降低膜的WVP值,與其疏水性特征是一致的,在以前的研究中也發現如此。WVP值減少最大的是純淀粉膜（100S-0Ge）,這可能是由于淀粉和脂質物之間疏水鏈相互作用的影響。這些相互作用包含聚合物鏈間氫鍵的建立,并導致V-型晶體結構的形成,其中直鏈淀粉和支鏈淀粉的螺旋結構包裹了脂質的疏水鏈。之前的研究指出,在水蒸汽阻隔性能上的改進,可被視為不同組分間相互作用的結果。

老化對膜水蒸汽阻隔性能的影響是不同的,這取決于膜的配方。事實上,無脂質純淀粉膜的WVP隨時間的增加而增加,而含脂質膜的WVP隨時間則顯著降低（p＜0.05）。這可能與聚合物基質的結構變化有關,它導致脂質膜中因曲折因子的增加,水份傳遞的變化。

3.3.2 氧滲透性

膜的透氧值（OP）如表2所示。純明膠膜（0S-100G）的OP顯著高于淀粉膜（100S-0G）。甚至當明膠含量增加時,OP也增加,正如以前觀察到的結合有淀粉的其他聚合物。如預測的那樣,由于基質（脂滴）的疏水性區域氧溶解程度較高,脂質物的增加提高了OP值。

表2 阻隔性能（WVP：水蒸汽滲透率OP：透氧值）,在1周或5周的存儲后膜的厚度和濕度。平均值與標準差。

可能是由于鏈的不斷聚集和基質緊密度的增加,膜的存儲降低了其透氧性。對于含有淀粉的膜,氧阻隔性能的提高與結晶度的增加有關,因為晶體加劇了基質中不利于氧傳輸的能力,認為氧的傳輸可能對晶體是不能滲透的。

3.4 可延展性

圖3顯示了在實驗控制條件下存儲1周和5周后,含脂質物或不含脂質物膜的應力-應變曲線。初始時間下的曲線表明,與純淀粉膜相比,明膠（含和不含脂質物）使膜更具抗性、更柔韌。膜的彈性模量值（EM）,拉伸強度（TS）和斷裂伸長率（E）如表3所示。掃描電鏡觀察發現,這些參數與基質中不同膜組分的排列、基質中的結合力有關,它們通常用來描述膜的力學性能。獲得的純淀粉膜（100S-0G）和純明膠膜（0S-100G）的參數值類似于分別由Al-Hassan等和Chambi等得到的結果。

與Al-Hassan等報道的不同,在無脂質淀粉-明膠膜中由于明膠的高力學抗性,隨其含量上升,所有的力學參數值增大。事實上,基質中蛋白鏈的構象和排列導致了類似膠原結構的較強的分子間力,從而提高了其力學性能。Pranoto等也報道了多糖,例如淀粉,與明膠相互纏繞后,材料的力學抗性得到提高。

含脂質膜的EM值和TS值均低于那些無脂質的膜。這可以由微觀結構的特性來解釋,如圖2所示,可以觀察到聚合物基質的連續性被脂質液滴打斷。這些不連續性,以及在脂類化合物存在下可能存在的分子間力的弱化,均降低了基質的內結合力,從而降低了力學抗性能,該結論之前其他作者也報告過。同樣地,添加脂質物提高了膜的斷裂伸長率,當明膠比列增高（高達50%）時,效果十分明顯。先前已經觀察到,由于脂質的塑化效果,通過添加脂質物,蛋白質-淀粉基質膜的可延展性增強。因此,脂質物在明膠-淀粉膜中具有增塑作用,這可能是由于基質中官能團的取向作用有利于脂質物-聚合物的相互作用和聚合物鏈間吸引力的減弱。這種效果意味著聚合物網絡的軟化,且有利于膜拉伸過程中鏈的滑移,從而增強其延展性。在初始控制時間內這種效果更加顯著。

由于老化,除了含脂質物的純淀粉膜,所有的膜變得更加堅硬且不可延展,從而表明在存儲過程中鏈進行了持續重排。蛋白質鏈傾向于通過螺旋結構聚集,而支鏈淀粉和直鏈淀粉鏈通過形成氫鍵逐步聚集。在含脂質物的膜中,觀察到類似的、但不顯著的趨勢。在5周的存儲后,純脂質淀粉膜（100S-0Ge）的力學反應很明顯。相反,先前Jimenez等人觀察到,在含有脂肪酸的玉米淀粉中,與初始值比較,膜表現出更強的可延展性（p＜0.05）。這個意想不到的值可能是由于木薯淀粉的直鏈淀粉含量較低,而直鏈淀粉有形成帶脂質螺旋復合物的能力。游離的（非復合）脂質分子可以逐步釋放可潤滑淀粉的基質,從而使聚合物鏈在拉伸試驗中更容易滑動。我們所觀察到的木薯淀粉的行為方式表明,低的直鏈淀粉含量以及淀粉鏈和脂質分子間的相互作用,在膜的力學性能中起著非常重要的作用。

圖3 在25 ℃,53%的相對濕度條件下,平衡1周或5周的淀粉-明膠膜的應力-應變曲線。A和B對應1周的存儲時間數據,C和D對應5周的存儲時間數據。

表3 均存儲1周或5周,含或不含單-雙脂肪酸甘油酯的淀粉-明膠基膜的力學性能。平均值與標準差。

4 結論

對甘油增塑木薯淀粉,牛皮明膠和脂類（脂肪酸單-雙甘油醋的共混物）的摻入顯著影響了淀粉膜的物理性能,同時表現出聚合物相分離和一個脂質物分散相。聚合物共混膜的力學性能明顯優于純淀粉膜。明膠的摻入產生了具有更抗斷裂和更強延展性的硬膜,而脂質物降低了膜的硬度和抗性,但是提高了拉伸延展性,尤其是在含50%明膠的膜上。同樣,脂質物改善了膜的水阻隔性能,同時它們降低了膜的氧滲透性、光澤度和透明度。存儲5周后,所有的膜變得更硬且難以斷裂,特別是那些不含脂質物的膜。脂質物提高了膜存儲過程中的可延展性。以在食品行業中市場更容易接受為目的,不論含不含脂質物,含50%明膠的木薯淀粉膜在食品涂層或包裝上都表現出非常優異的性能,所以在食品行業具有顯著優勢。