濕度或溫度條件對可食性明膠薄膜機械性能的影響

王春景

[摘 要] 研究了可食性明膠薄膜在不同的濕度或溫度條件下機械性能的變化。結果表明，明膠薄膜的機械性能會隨著環境中濕度或溫度的改變而改變，為了保持良好的機械性能，適宜的濕度范圍為50%～70%，溫度范圍為-10℃～40℃，20℃～30℃最佳。

[關 鍵 詞] 可食性明膠薄膜；濕度；溫度；機械性能

[中圖分類號] TS206 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2017）35-0210-02

當今世界，塑料包裝帶來的白色污染問題越來越受重視，許多國家都投入了大量人力和物力重點解決。我國也在“九五”期間制定了“綠色包裝工程”計劃，逐步發展可再利用的包裝材料。目前國內外正在研究聚乙烯醇（PVA）水溶性薄膜，適當添加作為成膜助劑的可食性明膠，作為食品內部的小包裝，類似的課題有著極其廣闊的研究前景。但PVA主要應用于工農業生產和藥用，其“可食性”受到質疑。

為了達到真正可食安全的目的，我們不使用聚乙烯醇，而以明膠為基質，添加瓊脂為助劑，并以甘油為增塑劑，制得可食性明膠薄膜。因為明膠來源于動物蛋白質，屬于肉制品加工的副產品，由膠原蛋白部分水解得到，是一種可食、可生物降解及可再生的生物聚合物；而瓊脂來自紅水藻的各種海藻，是一種海藻多糖，可廣泛使用在食品工業中；而甘油常與脂肪酸合成三酰基甘油，即脂肪，可看作脂肪的代謝產物，所以食品級的甘油是可食、安全的。本實驗分析將這種可食性薄膜放置在不同的濕度和溫度條件下，驗證其作為食品包裝材料的可行性。

通過對文獻資料的比較，發現不同的濕度和溫度條件，對可食性明膠薄膜機械性能的影響，沒見詳細的報道。本項研究做了細致的工作，確定了可食性明膠薄膜最適宜的濕度、溫度環境。

一、材料和方法

（一）實驗材料

明膠、瓊脂：均為食品級；甘油，無水乙醇：分析純。

（二）可食性明膠薄膜的制備

配制膜液→脫氣→涂布于光滑玻璃板上→干燥→揭膜→貯存于一定溫度和濕度的環境中待測。

綜合考慮可食性明膠薄膜的機械性能等因素，確定膜液配制時，甘油添加量為5.0%，瓊脂添加量為2.0%，乙醇添加量為3.0%。制得厚度為0.15 mm的可食性明膠薄膜。

（三）薄膜性質的測試

1.抗拉強度（TS）

按GB/T12914-91進行測定，用紙張抗拉力試驗儀來測定。將可食性明膠薄膜剪成10 cm×1.5 cm的長條，置于紙張抗拉力試驗儀上，讀取薄膜斷裂時的拉力（N）。按下式計算薄膜的抗拉強度：

TS=F×10-6/S

式中TS為抗拉強度（MP？琢）；

F——拉伸最大應力（N）；

S——薄膜拉伸前橫截面積（cm2）；

2.薄膜的斷裂伸長率（E（%））

在紙張抗拉力試驗儀上拉伸，讀取薄膜拉伸前的長度（L0）和將斷裂時的長度（L）。按下面公式計算斷裂伸長率：

E（%）=■×100%

式中E（%）為斷裂伸長率；

L——薄膜將斷裂時的長度（mm）；

L0——薄膜拉伸前長度（mm）。

3.含水量（MC（%））

將薄膜剪成2 cm×2 cm的矩形條，稱重，放在電熱鼓風干燥箱中干燥至恒重，稱重后根據干重、濕重之差計算含水量。用下式計算：

MC（%）=■×100%

式中MC（%）為薄膜的含水量；

m0——薄膜的干重（g）；

m3——薄膜的濕重（g）。

二、結果與討論

（一）環境濕度條件對膜性能的影響

將明膠薄膜放在電熱恒溫恒濕培養箱中，控制培養箱內的溫度為室溫25℃，調整濕度大小，在不同濕度下監測薄膜性能的變化（每一濕度條件測試前，明膠薄膜至少要放置2h，以達到均濕平衡）。主要測定抗拉強度、斷裂伸長率以及含水量，從而確定明膠薄膜最適宜的濕度條件。結果見圖1、2、3。

由圖1、2可知，（1）隨環境濕度增大，明膠薄膜抗拉強度減小、斷裂伸長率增大。當濕度>70%時，這種變化加劇。（2）當濕度<70%時，明膠薄膜的抗拉強度非常穩定，而斷裂伸長率變化顯著；當濕度<40%時，斷裂伸長率<10%，說明薄膜非常脆，易折斷，因而明膠薄膜適用的濕度范圍為50%～70%。

由圖3可知，隨環境濕度增大，明膠薄膜的含水量增加，這是決定明膠薄膜機械性能的關鍵因素。含水量增加，斷裂伸長率也增加，呈正相關關系；含水量增加，抗拉強度減小，呈負相關關系。最重要的是，斷裂伸長率的變化意味著明膠薄膜表現為脆性或柔軟性，決定了是否能用于包裝。綜合看來，濕度范圍為50%～70%時，各項性能適中，明膠薄膜能保持良好的包裝性能。

這是因為水對明膠薄膜來說，作用非常復雜，一方面，水是最普遍存在的增塑劑，水分子與極性高分子的羥基通過氫鍵結合在一起，使聚合物的矩陣結構增塑，從而改變其機械性能。明膠薄膜含有適量水，增強聚合鏈的靈活性，感覺柔軟。而且，水會促進明膠結構中膠原蛋白三股螺旋結構的復原。另一方面，濕度較高時，明膠薄膜會溶脹，失去尺寸穩定性，降低機械和阻隔特性，從而會限制明膠薄膜與高含水量食物的直接接觸。

這也說明可食性明膠薄膜與環境之間能保持一定的平衡關系，環境濕度大時，明膠薄膜吸水，含水量增加；環境濕度小時，明膠薄膜失水，含水量減小。而且這一變化是可逆的。

（二）環境溫度條件對明膠薄膜性能的影響

把明膠薄膜放在電熱恒溫恒濕培養箱內，控制濕度條件恒定為65%，使溫度分別設定為-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃，測定明膠薄膜的抗拉強度和斷裂伸長率，測定時要保持這一溫度，否則溫度變化明膠薄膜會迅速恢復到原來的狀態。結果見圖4和5。

由圖4可知，隨環境溫度的變化，明膠薄膜的抗拉強度增大，最后趨于不變。雖然明膠薄膜的抗拉強度隨溫度增加有所增加，但增加不明顯，為9.98MP？琢～10.02MP？琢。這可能是因為溫度升高，明膠薄膜失水，使明膠分子致密度提高，從而抗拉強度有所增大。

由圖5可知，隨環境溫度的變化，明膠薄膜的斷裂伸長率先增大后減小，環境溫度較低，明膠薄膜的斷裂伸長率較小，膜質脆；溫度升高，斷裂伸長率增大，膜變得柔軟；溫度處于室溫附近，斷裂伸長率最大，為20.87%，溫度繼續升高，斷裂伸長率反而下降。這可能是因為溫度升高，明膠薄膜失去網絡中的水分子，致密度增強了，但分子鏈的靈活性減小了。

環境溫度變化，明膠薄膜斷裂伸長率比抗拉強度變化明顯，這是因為溫度與濕度的作用機理不同，濕度變化時，水作為增塑劑進入明膠網絡，改變明膠蛋白質分子鏈間的相互作用，而溫度只增強蛋白質分子的活動性，沒有從根本上改變明膠的網絡結構。

如果繼續升高溫度超過60℃，膜會慢慢變為熔化狀態。因此，明膠薄膜適宜的溫度范圍為-10℃～40℃，最適20℃～30℃。

總之，環境的濕度和溫度都會使可食性明膠薄膜的機械性能發生變化。隨著濕度增加，因為膜的含水量增加，所以斷裂伸長率增加，抗拉強度減小，當濕度范圍為50%～70%時，各項性能適中，明膠薄膜能保持良好的包裝性能。溫度對明膠薄膜的抗拉強度影響較小，而斷裂伸長率比抗拉強度變化明顯，明膠薄膜適用的溫度范圍為-10℃～40℃，最適20℃～30℃。

參考文獻：

[1]汪學榮.可食包裝膜的制膜工藝研究[D].西南農業大學，2004.

[2]邢曉瓊，黃程蘭，劉敏，等.含聚乙烯醇廢水處理技術的研究進展[J].印染助劑，2012，29（8）：1-5.

[3]劉國信.水溶性塑料薄膜的開發應用[J].湖南包裝，2007（4）：28-29.

[4]景雁鳳，馬娜.簡述聚乙烯醇的應用前景[J].學術爭鳴，2016（26）：298.

[5]闞建全.食品化學[M].中國農業大學出版社，2010：146-147.