超聲波微波協同制備玉米醇溶蛋白/殼聚糖復合膜工藝優化

劉婷婷，張 穎，李 娜，王大為

（吉林農業大學食品科學與工程學院，吉林 長春 130118）

超聲波微波協同制備玉米醇溶蛋白/殼聚糖復合膜工藝優化

劉婷婷，張 穎，李 娜，王大為*

（吉林農業大學食品科學與工程學院，吉林 長春 130118）

利用超聲波微波協同技術，制備玉米醇溶蛋白/殼聚糖復合膜。以拉伸強度為考核指標，選擇超聲波功率、微波溫度、超聲波微波協同作用時間、攪拌轉速作為優化因素，在單因素試驗基礎上，通過正交試驗確定最佳工藝參數。結果表明：最優工藝為超聲波功率180 W、微波溫度50 ℃、協同作用時間6 min、攪拌轉速300 r/min，在此條件下，復合膜的拉伸強度為（19.98±0.34） MPa。微觀研究表明，復合膜的微觀形態結構得到改善，通過掃描電子顯微鏡觀察，復合膜表面平整，顆粒感較少。紅外光譜分析表明超聲波微波協同作用對分子結構沒有明顯破壞。

超聲波微波協同作用；復合膜；工藝優化；形態分析

玉米醇溶蛋白，是濕法生產玉米淀粉所產生的副產物［1］，在胚乳中占總蛋白質量的50%～60%［2］。玉米醇溶蛋白不溶于水，可溶于60%～95%乙醇溶液、陰離子活性劑及高濃度尿素溶液中［3］。玉米醇溶蛋白分子間以結合力較強的疏水鍵、氫鍵和有限的二硫鍵相連，易形成薄膜［4-5］。天然蛋白膜具有隔氧、阻濕等優點，可應用于食品的包裝、保鮮［6］。殼聚糖也叫甲殼素，主要存在于蝦、蟹等甲殼類動物殼中，其基本組成單位是氨基葡萄糖，基本結構單元是殼二糖［7］。殼聚糖無毒、無味，具有良好的成膜性、生物相容性及抑菌性［8-10］。將殼聚糖與玉米醇溶蛋白共混制備復合膜，并結合超聲波微波協同作用輔助制備復合膜，可有效改善膜的機械性能。

對于超聲波微波聯合技術的應用，目前多用于對物質的萃取、合成方面［11-14］，在復合膜研究方面，陳姍姍等［15］研究了微波超聲波協同作用下微波功率對復合膜性能的影響，而微波超聲波協同技術應用于復合膜制備的研究報道較少。

本實驗通過單因素和正交試驗優化超聲波微波協同作用條件，并利用掃描電子顯微鏡和紅外光譜對復合膜的微觀結構進行觀察分析，為超聲波微波協同制備復合膜工藝的優化提供理論依據。利用超聲波微波協同技術制備玉米醇溶蛋白/殼聚糖復合膜，有效改善復合膜的機械性能，提高復合膜的利用價值，為超聲波微波協同技術在復合膜制備方面的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米醇溶蛋白 實驗室自制；殼聚糖（脫乙酰度90%，相對分子質量8.0×105） 上海隆葛生物科技有限公司；無水乙醇 天津新通精細化工有限公司；甘油、冰醋酸 天津市光復精細化工研究所；溴化鉀北京化工廠。

1.2 儀器與設備

EX-224電子精密天平 奧豪斯（上海）儀器有限公司；HH-2數顯恒溫水浴鍋 常州澳華儀器有限公司；UWave-1000型微波紫外超聲波三位一體合成萃取反應儀上海新儀微波化學科技有限公司；SHB-B95A循環水式多用真空泵 鄭州長城科工貿有限公司；IR prestige-21傅里葉紅外光譜儀、SSX-550掃描電子顯微鏡 日本島津公司；UV2100紫外-可見分光光度計 北京普析通用儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 復合膜的制備

將10.00 g玉米醇溶蛋白溶于100 mL 80%乙醇溶液中，50 ℃水浴30 min，不斷攪拌；將1.00 g殼聚糖溶于10 mL、1%的乙酸溶液中，50 ℃水浴30 min，不斷攪拌。將玉米醇溶蛋白與殼聚糖溶液按質量比8∶2混合均勻，加入20%甘油溶液，50 ℃水浴并攪拌30 min，充分混合，真空脫氣（-0.85 MPa，30 min），制得復合膜液。

每次量取100 mL膜液進行超聲波微波協同作用。將膜液放入超聲波微波協同反應器中，超聲波變幅桿放入液體中進行作用，同時放入磁力攪拌，設定超聲波功率、微波溫度、協同作用時間、攪拌轉速等參數，實驗結束后，聚乙烯盤內流延成膜，干燥完全后置于干燥器內，48 h后測定膜的性能。

1.3.2 機械性能的計算［16］

式中：F為膜斷裂時的最大張力/N；b為膜的寬度/mm；d為膜的厚度/mm；L0為膜斷裂時被拉伸的長度/mm；L為膜的原始長度/mm。

1.3.3 透光率的測定

將樣品裁成80 mm×10 mm的矩形，貼于比色皿內壁，根據ASTM［17］在500 nm波長處測定透光率，對照樣為空比色皿，以透光率來間接表示膜的透明度。

1.3.4 水蒸氣透過率的測定

根據修正的ASTM［18］方法進行測定，將復合膜裁成圓片，測出膜厚度，稱取10.00 g干燥的變色硅膠放入燒杯中，用樣品封口，25 ℃條件下，使干燥器內相對濕度為100%。平衡24 h后稱質量。按式（3）計算水蒸氣透過率：

式中：Δm/t為膜在單位時間內的質量變化/（g/h）；d為膜的厚度/mm；A為膜的實驗面積/m2；ΔP為試樣兩側蒸汽壓/kPa。

1.3.5 溶解度的測定［19］

將待測樣干燥后稱質量，沸水浴中攪拌5 min取出，濾紙吸干表面水分，干燥至恒質量，記錄2 次質量的變化。按式（4）計算溶解率：

式中：m1為膜最初干質量/g；m2為未溶解干質量/g。

1.3.6 掃描電子顯微鏡觀察

將待測膜樣放置于60 ℃干燥箱中干燥10 h，保證充分干燥，取2 mm×2 mm正方形進行掃描觀察。

1.3.7 傅里葉紅外光譜分析

將樣品在60 ℃條件下干燥至恒質量。紅外光譜的掃描頻率為4 000～400 cm-1，掃描次數32，分辨率4 cm-1。

1.3.8 超聲波微波協同作用單因素試驗

選擇超聲波功率、微波溫度、超聲波微波協同作用時間、攪拌轉速作為考察的4 個因素。超聲波功率為120、180、240、300、360 W，微波溫度為30、40、50、60、70 ℃，協同作用時間為2、4、6、8、10 min，攪拌轉速為200、250、300、350、400 r/min。每個水平重復3次，取平均值。試驗過程中不變水平為：復合膜液100 mL、超聲波功率240 W、微波溫度50 ℃、協同作用時間6 min、攪拌轉速300 r/min，超聲波微波協同作用后流延成膜。

1.3.9 正交試驗設計

根據單因素試驗結果，選取超聲波功率、微波溫度、協同作用時間、攪拌轉速進行正交試驗設計。以拉伸強度為指標，確定最佳工藝參數，設計見表1。

表1 正交試驗因素與水平Table1 Factors and levels used for orthogonal array design

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 超聲波功率對復合膜拉伸強度的影響

圖1 超聲波功率對復合膜拉伸強度的影響Fig.1 Effect of ultrasonic power on the tensile strength of composite films

如圖1所示，超聲波功率逐漸加大，復合膜的拉伸強度增加，可能是分子中的一些化學鍵在超聲波的空化作用、超混合效應下斷裂，同時輔以微波作用，使許多反應基團暴露，有利于分子間的相互連接作用［20］。在空穴效應的作用下，巨大的爆發力和沖擊力加速了分子間的運動，分子間迅速有序排列，復合膜的拉伸強度增加。當超聲功率在240 W時，拉伸強度最大，但超聲波功率過大，拉伸強度有所下降。

2.1.2 微波溫度對復合膜拉伸強度的影響

圖2 微波溫度對復合膜拉伸強度的影響Fig.2 Effect of microwave heating temperature on the tensile strength of composite films

如圖2所示，微波溫度逐漸升高，復合膜的拉伸強度整體呈先增大后減小趨勢。可能是因為膜液在短時間內溫度迅速升高，分子的運動加速，分子間作用機率增加，所形成的復合膜致密，拉伸強度增大。當微波溫度升高到60 ℃時，拉伸強度達最大值19.73 MPa，與溫度在50 ℃時的拉伸強度相比較，趨于平穩。當溫度為70 ℃時，拉伸強度明顯降低，可能是因為溫度升高，接近了玉米醇溶蛋白與殼聚糖形成交聯物質的熱變性溫度［21］，蛋白質的氫鍵被破壞，膜破損致使拉伸強度下降。

2.1.3 協同作用時間對復合膜拉伸強度的影響

圖3 協同作用時間對復合膜拉伸強度的影響Fig.3 Effect of combined treatment time on the tensile strength of composite films

如圖3所示，時間延長，復合膜拉伸強度逐漸增大，當時間為6 min時，拉伸強度達最大值20.67 MPa，繼續延長作用時間，拉伸強度開始下降。可能是因為超聲波所產生的空化作用使膜液中的部分大分子的化學鍵斷裂，同時微波處理快速改變分子的熱運動方向，使分子之間發生交聯，形成致密的結構［22］，從而拉伸強度增大。繼續延長作用時間，超聲波和微波長時間作用使分子鏈發生斷裂，復合膜的致密性降低，拉伸強度下降。

2.1.4 攪拌轉速對復合膜拉伸強度的影響

圖4 攪拌轉速對復合膜拉伸強度的影響Fig.4 Effect of stirrer speed on the tensile strength of composite films

如圖4所示，在200～300 r/min時，復合膜的拉伸強度呈上升趨勢，當達到300 r/min時，拉伸強度達到最大，繼續提高攪拌轉速，拉伸強度開始下降。適當的攪拌使溶液中的分子均勻分散，有助于復合膜的形成。當攪拌轉速高于300 r/min時，剪切力變大，復合膜內部穩定結構受到不良影響，降低膜拉伸強度。

2.2 復合膜制備工藝優化結果

2.2.1 正交試驗結果

表2 正交試驗結果與直觀分析Table2 Orthogonal array design with range analysis of four independent variables

從表2可得，協同作用時間影響最大，依次是超聲波功率、微波溫度，攪拌轉速影響最小。從表2可得最優組合為A1B2C2D2，與2號樣相符，膜拉伸強度為（19.98±0.34） MPa，超聲波功率180 W、微波溫度50 ℃、協同作用時間6 min、攪拌轉速300 r/min。

2.2.2 正交試驗結果方差分析

采用SPSS 21.0進行無空列正交試驗方差分析，結果見表3。考察超聲波功率、微波溫度、協同作用時間及攪拌轉速4 個因素對試驗結果均有顯著性影響。

表3 正交試驗結果方差分析Table3 Analysis of variance of the effect of four factors on tensile strength of composite films

2.3 超聲波微波協同作用對復合膜其他性能的影響

表4 超聲波微波作用對復合膜其他性能的影響Table4 Effect of combined ultrasound-microwave treatments on other properties of composite films

由表4可知，經超聲波微波協同作用后，蛋白膜的拉伸強度有明顯提高，對溶解度的影響不大，蛋白膜的透光率有所提高，水蒸氣透過率降低。主要原因是超聲波微波協同作用時，超聲波使膜液中氣泡減少，微波使膜液混合均勻，使制備的復合膜表面變得平滑、均勻、透明，所以透光率在一定程度上有所提高。

2.4 復合膜的形態結構分析

圖5 玉米醇溶蛋白/殼聚糖復合膜掃描電子顯微鏡圖（×4 000）Fig.5 SEM photographs of zein/CS films （× 4 000）

由圖5a可以看出，未經處理的復合膜表面均勻性差，有較多小顆粒。由圖5b可以看出，經過超聲波微波協同作用后，復合膜表面變得光滑、致密，顆粒狀明顯減少。這是因為在微波的高溫、高頻作用下，殼聚糖充分溶解，在超聲波的空化作用下，分子劇烈振動，與玉米醇溶蛋白接觸較多，充分混合，成膜后表面顆粒有所減少。

2.5 復合膜傅里葉紅外光譜分析

圖6 玉米醇溶蛋白/殼聚糖復合膜的紅外光譜圖Fig.6 FI-TR spectra of zein/CS films

由圖6b可知，超聲波微波協同處理制備的復合膜，在3 301 cm-1處形成了寬峰，是由—NH、—OH伸縮振動引起，說明經超聲波微波協同作用后存在氫鍵；在2 924 cm-1和2 869 cm-1兩處有—CH3、—CH2、C—H的伸縮振動峰和飽和的伸縮振動峰；在1 654 cm-1處出現—C=O伸縮振動峰，是復合膜中酰胺成分形成β-轉角；在1 543 cm-1處出現的吸收峰是N—H變角振動和有C—N伸縮振動（酰胺Ⅱ）；在1 281 cm-1（酰胺Ⅲ）、1 096 cm-1兩處有C—O伸縮振動［23］。在939 cm-1處有特征吸收峰，為β-型糖苷鍵［24］。與圖6a相比，復合膜的主要特征吸收峰變化較小，且峰強度有減弱趨勢，但蛋白在二級結構上沒有被完全破壞，仍具有蛋白質的典型特征。

3 結 論

在制備玉米醇溶蛋白-殼聚糖復合膜的過程中，引入了超聲波微波協同技術，改善了復合膜的機械性能，通過正交試驗，得到最佳工藝參數為超聲波功率180 W、微波溫度50 ℃、協同作用時間6 min、攪拌轉速300 r/min，此條件下復合膜拉伸強度為（19.98±0.34） MPa，機械性能最好。

復合膜微觀結構觀察結果表明未經超聲波微波協同作用制備的復合膜表面顆粒狀明顯，超聲波微波協同作用制備的復合膜顆粒狀減少，膜表面平滑、均勻。紅外光譜結果顯示，膜蛋白質沒有被完全破壞，仍具有蛋白質典型特征。提示超聲波微波協同作用可作為一種有效手段用于制備高性能蛋白復合膜。

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Optimization of Preparation of Zein/Chitosan Composite Films by Combined Microwave and Ultrasonic Treatments

LIU Tingting, ZHANG Ying, LI Na, WANG Dawei*
（College of Food Science and Engineering, Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China）

Combined microwave and ultrasonic treatments was used to prepare zein/chitosan composite films. The optimization of process parameters was carried out using one-factor-at-a-time and orthogonal array. The independent variables were ultrasonic power, microwave heating temperature and combined treatment,time, and stirrer speed, and the response was film tensile strength. The optimum process parameters were determined as follows： ultrasonic power, 180 W； microwave heating temperature, 50 ℃； combined treatment time, 6 min； and stirrer speed, 300 r/min. Under these conditions, the tensile strength of composite films was （19.98 ± 0.34） MPa. Scanning electron microscopy （SEM） showed that the combined microwave-ultrasonic treatments could obviously improve the microstructure of composite films apart from smooth surface with less roughness. Infrared spectral analysis indicate that the original molecular structure was not significantly damaged.

combined microwave and ultrasonic treatment； composite films； optimal conditions； morphological analysis

10.7506/spkx1002-6630-201620001

TS206.1

A

1002-6630（2016）20-0001-05

劉婷婷, 張穎, 李娜, 等. 超聲波微波協同制備玉米醇溶蛋白/殼聚糖復合膜工藝優化［J］. 食品科學, 2016, 37（20）： 1-5.

10.7506/spkx1002-6630-201620001. http：//www.spkx.net.cn

LIU Tingting, ZHANG Ying, LI Na, et al. Optimization of preparation of zein/chitosan composite films by combined microwave and ultrasonic treatments［J］. Food Science, 2016, 37（20）： 1-5. （in Chinese with English abstract） DOI：10.7506/ spkx1002-6630-201620001. http：//www.spkx.net.cn

2016-05-12

國家高技術研究發展計劃（863計劃）項目（2011AA100805）；長春市科技計劃項目（14NK004）

劉婷婷（1984—），女，副教授，博士，研究方向為糧食、油脂與植物蛋白工程。E-mail：ltt1984@163.com

*通信作者：王大為（1960—），男，教授，博士，研究方向為糧食、油脂與植物蛋白工程。E-mail：xcpyfzx@163.com