層層自組裝CNs/CS隔氧涂覆材料制備與性能評價

胡云峰 魏增宇 李 飛 陳君然 杜 威 閻瑞香

(1.天津科技大學省部共建食品營養與安全國家重點實驗室， 天津 300457； 2.天津科技大學包裝與印刷工程學院， 天津 300222)

0 引言

近年來，鮮切果蔬被越來越多的消費者所青睞[1-2]。但是，鮮切果蔬在切分處理過程中產生的機械損傷會破壞細胞的完整性，導致其產生細胞汁液外滲、生理代謝紊亂等一系列不良反應，尤其是對細胞完整性的破壞，會促使酶和底物、底物與氧氣可以直接接觸，從而極易發生酶促褐變，嚴重影響鮮切果蔬的外觀品質[3-5]。氧氣是導致果蔬發生褐變的一個重要條件。因此，選擇合適的隔氧包裝材料是減少鮮切果蔬發生褐變的一種有效途徑[6-11]。

聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)由于具有化學性質穩定、力學強度高、透明性好等性能，在食品行業應用廣泛[12-13]。但PET對氧氣阻隔性不夠高[14]，因此要進一步擴展其用途，必須提高其隔氧性能。采用表面涂覆法在PET材料表面涂覆一層涂層，是目前提高其隔氧性能的一種常用方法。目前比較常用的涂層材料主要是無機材料，比如金屬鋁[15-16]、SiO2[17-18]和納米黏土[19]等材料。但是，選用無機材料作為涂層，包裝材料表面容易出現裂紋[20]，或者由于部分涂層材料存在安全問題，遷移至食品導致食品出現安全問題[21]。生物材料由于其優異的環保、安全性能，開始被大量應用于食品包裝材料。因此，以高阻隔性能的生物材料開發生物涂層材料來取代或部分取代無機材料正在成為研究熱點。如FARRIS等[22-23]在以明膠和普魯蘭多糖為基底作為生物涂層涂覆到各種不同塑料薄膜的試驗中發現，復合膜對氧氣均具有良好的阻隔作用。

納米纖維素(CNs)和殼聚糖(CS)是從天然高分子材料中制得的生物材料[24-28]。這兩種材料不僅無毒，而且具有可降解性，因此常被作為填充物質填充到其他材料中用以提高材料的各種阻隔性能[29]。但這兩種材料在食品包裝材料中的應用研究尚未見報道。因此本文將CNs和CS作為涂層材料，通過在A-PET膜上進行多次涂覆，并測試不同涂覆層數復合膜的隔氧性能及其在鮮切蘋果上的應用效果，開發具有高隔氧性能的軟包裝材料。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

殼聚糖，意大利米蘭Giusto Faravelli SpA公司；棉絨，意大利米蘭S.S.C.C.C.P公司；新鮮紅富士蘋果，購置于天津市開發區樂購超市；非結晶化聚對苯二甲酸乙二醇酯(A-PET)膜(厚度為180 μm) ，意大利ILPA srl公司提供；其他用于制備復合膜的試劑均為意大利Sigma-Aldrich公司提供；氫氧化鈉(分析純) ，天津市北方天醫化學試劑廠；2,6-二氯靛酚(分析純)，上海伊卡生物技術有限公司。

1.2 儀器與設備

1137型自動涂覆機，英國Sheen公司；OX-TRAN 702型包裝氧氣透過率測試儀，美國MOCON公司；Alpha SNOM型原子力顯微鏡，德國WITec公司；VASES J.A型變角光譜橢偏儀，美國Woollam公司；BD-20型高頻發生器，美國Electro-Technic Products公司；CR-10型自動色差計，柯盛行儀器有限公司；PAL-1型水果糖度計，日本ATAGO有限公司；PA S/L型氣體檢測儀，德國WITT GASETECHNIK公司。

1.3 隔氧材料的制備

1.3.11%殼聚糖涂覆液

稱取一定量的殼聚糖多糖，在溫度25℃的0.1 mol/L的鹽酸溶液中進行攪拌溶解，攪拌時間為3 h，溶解后將殼聚糖溶液平均分為2份，分別調整pH值至2和4，隨后過濾備用。

1.3.21%納米纖維素

納米纖維素的制備參照DONG等[30]的方法，采用棉絨制備成質量分數為1%的納米纖維素體，將制得的納米纖維素體均分為2份，分別調整pH值至2和6備用。

1.3.3納米纖維素復合膜

分別用蒸餾水、甲醇和蒸餾水依次沖洗A-PET膜以除去表面脂質和其它污染物。將清洗過后的膜用過濾空氣干燥，并進行電暈處理以增加表面能并產生負電荷表面。隨后按照以下工藝在A-PET膜上進行不同層數的涂層操作：①將處理后的A-PET膜浸入殼聚糖涂覆液中，涂第1層時靜置5 min，其它層靜置3 min。②將底物用蒸餾水沖洗3 min以除去多余的殼聚糖。③用過濾后的壓縮空氣干燥殼聚糖涂層，并浸入納米纖維素分散體系中，涂第1層時靜置5 min，其它層靜置3 min。④漂洗和干燥步驟與殼聚糖相同。通過重復步驟①～④的操作來進行不同數量復合涂層的涂覆。制備完的所有樣品都儲存在相對濕度為零的干燥器中，以備后續測量。

1.4 復合膜厚度測定

采用原子力顯微鏡(AFM)和橢偏儀進行測定，采用云母載片和硅晶片分別作為AFM和橢偏儀厚度評估的基板。分析測定前，需先將云母片和硅晶片沖洗干凈，并用Piranha溶液(96% H2SO4與30% H2O2體積比為3∶1)除去污染物及表面上的負電荷，隨后按以下方法測定。

1.4.1原子力顯微鏡

采用原子力顯微鏡測定涂層的厚度并對其形態進行分析。測量厚度時，輕輕地在涂層中刮擦出一條縫隙，直至完全漏出載片后測定截面厚度，并選用輕敲模式，用標準硅探針在低振蕩幅度下掃描樣品采集圖像，用以分析組織結構特征。

1.4.2橢圓光度法

使用可變角度橢圓偏振光譜儀測定0～8層CNs/CS復合涂層的各涂層厚度。測定過程中，將涂有不同層數CNs/CS復合涂層的膜固定在硅晶片上，隨后選用不同的入射角度(60°、65°和70°)對數據進行收集。

1.5 復合膜隔氧性能測定

將制得的復合膜置于包裝氧氣透過率測試儀上，在干燥環境中進行測定，溫度控制在23℃，公式為

式中Tm、Tm1、Tm0——復合膜、涂覆液、基底膜厚度

Pm、Pm1、Pm0——復合膜、涂覆液、基底膜氧氣透過率

1.6 鮮切蘋果的制備及其指標測定

鮮切蘋果的制備參照魏敏等[31]的方法。挑選大小一致、無機械損傷的蘋果進行試驗。購買后的蘋果置于4℃冷庫中冷卻備用。在無菌水中將蘋果去皮后，縱切成8份后將所有蘋果塊橫向切成兩半，瀝干后按每袋50 g裝入不同種類的復合膜包裝袋中，在4℃冰箱中貯藏4 d后進行各項指標的測定。

采用CR-10型色差計對鮮切蘋果表面的顏色進行測定，測定結果以L*值表示；總酸含量測定采用GB/T 12456—2008《食品中總酸的測定》中的酸堿滴定法；維生素C含量測定采用GB 5009.86—2016《食品中抗壞血酸的測定》中的2,6-二氯靛酚滴定法；可溶性固形物含量采用糖度計進行測定。

1.7 數據處理與方法

采用Excel軟件對數據進行處理并采用SPSS 17.0軟件的one-way ANOVA對重復性試驗數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 復合膜的厚度測定

由圖1和圖2可以發現，由原子力顯微鏡(AFM)和橢圓偏振法測得的由兩種pH值涂覆液組合后涂覆制得的不同層數復合膜厚度與復合涂層的層數呈正線性相關，其中由圖1得到的決定系數R2為0.993，圖2得到的決定系數R2為0.997，由此可見，該涂覆工藝比較穩定，可通過反復重復涂覆獲得預期的不同厚度的復合涂層膜。由圖中數據可知，在CS的pH值為2、CNs的pH值為6的涂覆方式下，獲得的每一層復合涂層平均厚度約為7 nm，這與DE MESQUITA等[24]的研究結果相一致。與CS的pH值為2、CNs的pH值為6組合的涂覆溶液相比，CS的pH值為4、CNs的pH值為2組合的涂覆溶液的復合涂層的厚度有所增大，從7 nm增加到了26 nm，說明可以通過調節所用涂覆液的pH值來調節復合涂層的厚度。

圖1 AFM測得的兩種pH值涂覆液組合的不同層數 CNs/CS復合涂層厚度 Fig.1 Thickness of CNs/CS composite coatings with different layers of two pH coating solutions measured by AFM

圖2 橢圓偏振法測得的兩種pH值涂覆液組合的 不同層數CNs/CS復合涂層厚度 Fig.2 Thickness of different layers of CNs/CS composite coatings, as measured by ellipsometry in combination of two pH coating solutions

將pH值為4的殼聚糖樣品浸泡在pH值為2的納米纖維素溶液中，由于局部pH值的降低，將會顯著降低殼聚糖的電荷密度，從而導致特別少的CNs被涂覆到膜上，從而使膜的厚度顯著降低。在相反的情況下，如將pH值為6的納米纖維素溶液浸泡過的膜浸泡在pH值為2的殼聚糖溶液中，也會發生相同的情況。因此，調整兩種電解質溶液的pH值就可以調整膜的厚度，從而影響層層涂覆膜的氧滲透率[32-33]。因此，要實現較高的隔氧能力，可以通過改變涂覆液的pH值組合方式，來達到實現高隔氧性能復合膜的制備。

2.2 復合膜隔氧性能及形態特征分析

在CS的pH值為4、CNs的pH值為2的涂覆方式下，對在A-PET上涂覆層數為0、5、10、15、20、25、30層的復合涂層膜的氧氣透過率進行了測定，其結果分別為：0.200、0.187、0.040、0.030、0.025、0.017、0.013 cm3/(m2·d·kPa)。試驗結果表明，隨著復合涂層厚度的增加，A-PET涂層膜的氧氣透過率急劇下降，且當復合涂層增加到30層時，與對照組相比，A-PET涂層膜的氧氣透過率下降了94%，從0.2 cm3/(m2·d·kPa)下降到約0.013 cm3/(m2·d·kPa)，分析原因主要是殼聚糖與納米纖維素間強烈的靜電相互作用和氫鍵作用使涂層膜分子間空隙較小，降低了氧氣透過率。當復合涂層涂覆到5層時，氧氣透過率仍較高，而由5層增加到10層時，氧氣透過率開始急劇下降，出現這種情況的原因可能是涂覆5層的復合膜結構不均一，其表面可能存在一些毛孔或極薄的部分，從而使得氧氣更易透過。為了驗證這一假設，采用AFM進一步對各膜的形態特征進行了觀察。

圖3分別顯示了復合涂層為0、5、10、20層時的復合涂層膜形態。由圖可以看出，涂覆10層和20層時的復合涂層膜形態相似，并與圖3a A-PET基材膜的形態差異較大，說明這兩種膜的表面上均形成了一個全覆蓋的表面，均勻覆蓋著許多CNs/CS的聚集體。而涂覆5層時的復合涂層膜形態與A-PET基材膜的形態相似，說明涂層較薄或涂覆不均勻存在氣孔。

圖3 復合膜的AFM圖像 Fig.3 AFM images of composite films

圖4 兩種pH值涂覆液組合的不同層數CNs/CS 復合涂層空隙率 Fig.4 Porosity of different layers of CNs/CS composite coatings combined with two pH coating solutions

將橢圓偏振光譜儀分析測得的數據進行擬合后，求得空隙率進行分析，結果如圖4所示，由圖中可以看出，隨著復合涂層數量的增加，空隙率先急劇下降，后趨于平緩，其中CS的pH值為4、CNs的pH值為2時的空隙率始終低于CS的pH值為2、CNs的pH值為6時的相應值，且當復合涂層由1層增加到5層以上時，空隙率由46%降低至小于6%，表明隨著復合涂層厚度的增加，CNs/CS納米復合材料的填充量在逐漸增加，從而起到了隔絕氧氣的效果，并且CS的pH值為4、CNs的pH值為2時效果相對較好，當復合涂層數在5層以上時效果較好。

2.3 復合膜在鮮切蘋果上的應用效果評價

由圖5和表1可以看出，將涂覆層數為5、10、15、20的復合膜與對照組A-PET膜進行了對比，隨著涂覆層數的增加，復合膜均有效阻擋了氧氣的滲透，較好地維持了鮮切蘋果片的色澤和營養成分，與對照組相比，涂覆層數為20層的隔氧復合膜在第4天時的亮度值提高了10.8%，且其營養成分指標可滴定酸、維生素C含量和可溶性固形物含量分別提高了1.08倍、23.8%和28.6%，且涂覆在10層以上的復合膜對鮮切蘋果的保鮮效果差異不是很大(P>0.05)。

圖5 不同涂覆層數的復合膜在貯藏期間氧氣含量變化 Fig.5 Changes of oxygen content of composite membranes with different coating numbers during storage

3 結束語

采用層層自組裝技術制備了一種基于納米纖維素(CNs)和殼聚糖(CS)涂覆液的隔氧復合涂層膜，并重點對制備工藝及制備的隔氧膜性能進行了評價。通過選用不同pH值納米纖維素(CNs)和殼聚糖(CS)涂覆液進行不同組合后，在A-PET膜上進行涂覆，發現涂膜方式為CS的pH值為4、CNs的pH值為2時制得的復合膜涂覆效果較好，且隨著涂覆層數的增加，復合膜的隔氧性能得到顯著提高，當復合涂層增加到30層時，與對照組相比，其氧氣透過率從0.2 cm3/(m2·d·kPa)下降到0.013 cm3/(m2·d·kPa)；選用CS的pH值為4、CNs的pH值為2時涂覆液制得的層數為5、10、15、20層的復合膜，在鮮切蘋果上進行應用，發現涂覆到5層以上的隔氧復合膜均能有效阻擋氧氣的滲透，有效維持鮮切蘋果片的色澤以及其中的營養成分，且涂覆在10層以上的復合膜對鮮切蘋果的保鮮效果差異不是很大。

表1 不同涂覆層數的復合膜材料對鮮切蘋果保鮮效果的影響 Tab.1 Effect of different membrane numbers on preservation of fresh-cut apple

注：同列不同小寫字母表示在 0.05水平差異顯著。