可食用淀粉/蛋白雙層膜應(yīng)用性

陳晨，左貫杰，陳復(fù)生*，杜艷

河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院（鄭州 450001）

食品包裝材料在延長(zhǎng)保質(zhì)期、保證食品安全和質(zhì)量方面發(fā)揮著重要作用。石油基類包裝材料的不可降解性和環(huán)境污染仍是不可忽視的問(wèn)題[1]，隨著石油基類包裝材料污染問(wèn)題的逐漸加劇以及石油資源的日益枯竭，利用生物聚合物資源制備新型可降解、可食用的環(huán)保型食品包裝材料成為研究熱點(diǎn)，常見生物聚合物原料有多糖、蛋白質(zhì)、脂類等[2]。淀粉作為一種來(lái)源豐富、價(jià)格低廉及能夠被微生物降解的天然高分子聚合物，可被應(yīng)用于可食性包裝膜領(lǐng)域[3]，但由于淀粉內(nèi)部結(jié)晶區(qū)域的存在，且淀粉分子具有很強(qiáng)的吸水性，使得純淀粉膜脆性較大、阻水性能差、機(jī)械性能欠佳，導(dǎo)致其實(shí)際應(yīng)用存在一定局限性[4-5]。玉米醇溶蛋白是玉米中主要的蛋白質(zhì)，可溶于60%～95%乙醇溶液，不溶于水[6]。研究發(fā)現(xiàn)，在乙醇溶液中，玉米醇溶蛋白呈現(xiàn)無(wú)規(guī)則線團(tuán)結(jié)構(gòu)，待溶劑揮發(fā)后，可形成一種透明、光滑的薄膜[7]。此外，玉米醇溶蛋白含有大量疏水性氨基酸和含硫氨基酸，賦予玉米醇溶蛋白膜良好的阻水性、韌性、阻氧性及生物相容性，但由于其膜制品拉伸強(qiáng)度偏低，價(jià)格較貴，很難單獨(dú)應(yīng)用于食品包裝[8-9]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)可降解且可食用包裝材料進(jìn)行大量研究，取得一定成果，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中也存在一些問(wèn)題，如缺乏必要的應(yīng)用性試驗(yàn)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室研究向工業(yè)化生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化等。因此，試驗(yàn)采用流延法在干燥的玉米-小麥淀粉膜上添加一層玉米醇溶蛋白膜，充分利用各組分優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)功能互補(bǔ)制備具有較好綜合性能的玉米-小麥淀粉/玉米醇溶蛋白雙層膜（以下簡(jiǎn)稱“雙層膜”）后，以封合強(qiáng)度為響應(yīng)指標(biāo)，采用單因素及正交試驗(yàn)，研究熱封電壓、真空時(shí)間、熱封時(shí)間和冷卻時(shí)間對(duì)雙層膜熱封特性的影響，確定其最佳封合工藝。隨后對(duì)熱封后雙層膜油料包的應(yīng)用性能進(jìn)行研究，以期為方便食品可食性內(nèi)包裝材料的研究與應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

氧化玉米淀粉（天津頂峰淀粉開發(fā)有限公司）；小麥淀粉（上海綠苑淀粉有限公司）；玉米醇溶蛋白（南京都萊生物技術(shù)有限公司）；山梨醇、檸檬酸等（洛陽(yáng)昊華化學(xué)試劑有限公司）；商用膜（BOPPPE，河南省南街村集團(tuán)有限公司）。

1.2 儀器與設(shè)備

DHG-9240A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）；DZF型真空干燥箱（北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司）；DZ-400/ZL型多功能真空包裝機(jī)（通州市金山機(jī)械廠）；TAXT-plus型物性測(cè)定儀（英國(guó)SMS公司）；Quanta FEG 250型掃描電子顯微鏡（美國(guó)FEI公司）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 雙層膜的制備

雙層膜的制備參考左貫杰等[10]的方法，其中玉米-小麥淀粉成膜液與玉米醇溶蛋白成膜液體積比為10∶3。

1.3.2 雙層膜的熱封

選擇直徑為120 mm的雙層膜，沿膜中心對(duì)折，使用真空包裝機(jī)對(duì)雙層膜進(jìn)行熱封，每個(gè)樣品重復(fù)3次。

1.3.3 雙層膜封合強(qiáng)度測(cè)定

樣品在相對(duì)濕度60%、溫度25 ℃條件下平衡2 d，取出后，參照QB/T 2358—1998《塑料薄膜包裝裝熱合強(qiáng)度試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)定，儀器拉伸速度為3.0 mm/s。

1.3.4 雙層膜熱封橫截面的掃描電鏡（SEM）分析

將熱封區(qū)樣品固定于金屬板上后進(jìn)行噴金處理，在加速電壓5 kV條件下，選用SEM觀察熱封橫截面結(jié)構(gòu)。

1.3.5 熱封工藝的單因素試驗(yàn)

首先研究熱封電壓（12，24，36 V）對(duì)雙層膜熱封性能的影響。在此基礎(chǔ)上，按照表1分別研究真空時(shí)間、熱封時(shí)間和冷卻時(shí)間對(duì)雙層膜熱封性能的影響。

表1 單因素設(shè)計(jì)表

1.3.6 熱封工藝正交優(yōu)化試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)（因素和水平見表2），以封合強(qiáng)度為響應(yīng)指標(biāo)，確定最佳熱封工藝。

表2 L9(33)正交因素水平表

1.3.7 雙層膜儲(chǔ)藏穩(wěn)定性研究

采用1.3.6的最佳熱封工藝，將對(duì)折后的雙層膜兩邊進(jìn)行熱封，裝入3 mL新鮮植物油，再次熱封后制得雙層膜油料包。采用相同方法，制得商用膜油料包。將雙層膜和商用膜油料包分別在冷凍（-17 ℃）、冷藏（4 ℃）和室溫（25 ℃，相對(duì)濕度43%，54%和65%）5種條件下儲(chǔ)藏，每隔20 d對(duì)其包裝內(nèi)容物的過(guò)氧化值（POV）進(jìn)行測(cè)定，評(píng)價(jià)120 d內(nèi)包裝內(nèi)容物品質(zhì)的變化。

1.3.8 雙層膜袋跌落試驗(yàn)評(píng)價(jià)

參照GB/T 21302—2007《包裝用復(fù)合膜、袋通則》中的6.5.11進(jìn)行測(cè)定。

1.3.9 雙層膜袋抗壓試驗(yàn)評(píng)價(jià)

參照GB/T 21302—2007《包裝用復(fù)合膜、袋通則》中的6.5.10進(jìn)行測(cè)定。

1.3.10 數(shù)據(jù)處理與分析數(shù)據(jù)處理采用SPSS軟件，單因素方差分析用ANOVA法，顯著性分析（p＜0.05）用Duncan法。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱封電壓對(duì)雙層膜熱封性能的影響研究

通常熱封電壓直接決定著生物基膜材料的熱封效果[11]。如圖1所示，雙層膜封合強(qiáng)度隨著熱封電壓升高，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在熱封電壓24 V時(shí)達(dá)到最大值6.69 N/15 mm。

圖1 熱封電壓對(duì)雙層膜熱封性能的影響

圖2 雙層膜熱封橫截面SEM圖

圖2顯示不同熱封電壓下，雙層膜熱封橫截面的SEM觀察圖。熱封電壓12 V時(shí)，雙層膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)（淀粉膜與蛋白膜間）出現(xiàn)部分分離，這可能是由于溫度過(guò)低，膜材料部分熔融，在外力作用下雙層膜內(nèi)部產(chǎn)生空隙，呈現(xiàn)部分膜分離現(xiàn)象；熱封電壓24 V時(shí)，無(wú)論是雙層膜內(nèi)部還是雙層膜間橫截面結(jié)構(gòu)都致密、均一；隨著熱封電壓增加，熱封電壓36 V時(shí)，雙層膜間產(chǎn)生較大裂縫，出現(xiàn)膜分離現(xiàn)象。這說(shuō)明熱封電壓過(guò)大，溫度過(guò)高，膜材料失去大量水分，使雙層膜間發(fā)生熱變形[12]。由此可知，雙層膜在熱封電壓24 V條件下熱封橫截面致密、均勻，未出現(xiàn)膜分離現(xiàn)象，進(jìn)一步驗(yàn)證圖1所示的變化規(guī)律。綜合考慮，選定熱封電壓24 V作為探討單因素試驗(yàn)對(duì)雙層膜封合強(qiáng)度影響研究的基礎(chǔ)。

2.2 真空時(shí)間對(duì)雙層膜熱封性能的影響研究

試驗(yàn)通過(guò)改變真空時(shí)間進(jìn)而改變熱封壓力，真空時(shí)間對(duì)雙層膜熱封性能的影響如圖3所示。真空時(shí)間小于5.0 s時(shí)，封合強(qiáng)度相對(duì)較小，隨著真空時(shí)間增長(zhǎng)，封合強(qiáng)度顯著提高（p＜0.05），在真空時(shí)間7.0 s時(shí)封合強(qiáng)度達(dá)到最大值7.25 N/15 mm。但真空時(shí)間大于7.0 s時(shí)，封合強(qiáng)度略有降低，這可能是因?yàn)檎婵諘r(shí)間過(guò)長(zhǎng)，熱封壓力過(guò)大，導(dǎo)致膜材料損耗變薄，產(chǎn)生氣泡，甚至出現(xiàn)空隙，致使封合強(qiáng)度降低；此外，壓力過(guò)大時(shí)，雙層膜封合處會(huì)出現(xiàn)較嚴(yán)重的變形和卷曲，甚至斷裂現(xiàn)象[12-13]。因此，真空時(shí)間7.0 s是此單因素的最佳條件。綜合考慮，選定真空時(shí)間5.0，7.0和9.0 s進(jìn)行正交試驗(yàn)。

圖3 真空時(shí)間對(duì)雙層膜熱封性能的影響

2.3 熱封時(shí)間對(duì)雙層膜熱封性能的影響研究

由圖4可知，熱封時(shí)間小于1.0 s時(shí)，雙層膜封合強(qiáng)度較小，隨著熱封時(shí)間增大，雙層膜封合強(qiáng)度顯著提高（p＜0.05），在熱封時(shí)間2.0 s時(shí)達(dá)到最大值6.80 N/15 mm。這表明熱封時(shí)間越長(zhǎng)，雙層膜熱封層黏合越充分，結(jié)合越牢固；但熱封時(shí)間大于2.0 s時(shí)，封合強(qiáng)度開始降低，這可能是因?yàn)闊岱鈺r(shí)間過(guò)長(zhǎng)，雙層膜間發(fā)生起皺變形，也有可能發(fā)生干裂，導(dǎo)致雙層膜封合強(qiáng)度顯著降低。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，考慮到經(jīng)濟(jì)成本，應(yīng)盡可能縮短熱封時(shí)間，因此雖然封合時(shí)間2.0 s為最佳條件，但綜合考慮，選定熱封時(shí)間1.0，1.5和2.0 s進(jìn)行正交試驗(yàn)。

2.4 冷卻時(shí)間對(duì)雙層膜熱封性能的影響研究

膜材料在高溫條件下經(jīng)過(guò)一定壓力處理，雙層膜間熔融變形，此時(shí)降低溫度，經(jīng)過(guò)適當(dāng)冷卻處理，熱封處可形成有規(guī)則排列的凹凸形貌[14]。冷卻時(shí)間對(duì)雙層膜熱封性能的影響如圖5所示。隨著冷卻時(shí)間增加，雙層膜封合強(qiáng)度表現(xiàn)為先升高后降低的變化趨勢(shì)，冷卻時(shí)間3.0 s時(shí)達(dá)到最大值6.62 N/15 mm。這說(shuō)明適宜的冷卻時(shí)間有助于對(duì)雙層膜進(jìn)行定型，但冷卻時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，雙層膜黏合過(guò)度，同樣會(huì)導(dǎo)致其封合強(qiáng)度降低。因此，冷卻時(shí)間為3.0 s是此單因素的最佳條件。綜合考慮，選定冷卻時(shí)間2.0，3.0和4.0 s進(jìn)行正交試驗(yàn)。

圖4 熱封時(shí)間對(duì)雙層膜熱封性能的影響

圖5 冷卻時(shí)間對(duì)雙層膜熱封性能的影響

2.5 正交試驗(yàn)結(jié)果

在熱封電壓為24 V條件下，進(jìn)行L9(33)正交試驗(yàn)，表3是正交試驗(yàn)結(jié)果。采用直觀分析法，以雙層膜封合強(qiáng)度為響應(yīng)指標(biāo)，影響因素的主次為B＞C＞A。即熱封時(shí)間對(duì)雙層膜的封合強(qiáng)度影響極顯著，其次是冷卻時(shí)間，而真空時(shí)間對(duì)雙層膜的封合強(qiáng)度影響較小。

為進(jìn)一步驗(yàn)證直觀分析結(jié)果的可信度，如表4所示，是試驗(yàn)的方差分析結(jié)果。對(duì)于雙層膜封合強(qiáng)度的影響，因素?zé)岱鈺r(shí)間（p=0.001）和冷卻時(shí)間（p=0.004）均達(dá)到極顯著水平，因素真空時(shí)間不顯著（p=0.581）；由p值分析，得到影響因素主次的結(jié)論B＞C＞A，也與直觀分析結(jié)論一致。考慮到該條件下真空時(shí)間對(duì)雙層膜封合強(qiáng)度影響不顯著，即在同一條件下，真空時(shí)間越短，所消耗的成本越低，因此最佳真空時(shí)間應(yīng)選擇A1，結(jié)合極差分析和方差分析結(jié)果可知，因素?zé)岱鈺r(shí)間和冷卻時(shí)間的最優(yōu)水平分別為B3和C3。因此，以雙層膜封合強(qiáng)度為響應(yīng)指標(biāo)，得到該雙層膜最佳熱封工藝條件為A1B3C3。即在熱封電壓24 V條件下，真空時(shí)間5.0 s、熱封時(shí)間2.0 s、冷卻時(shí)間4.0 s為最佳工藝。驗(yàn)證性試驗(yàn)結(jié)果顯示，此條件下雙層膜封合強(qiáng)度可達(dá)8.77 N/15 mm。

表3 L9(33)正交試驗(yàn)結(jié)果

表4 方差分析表

2.6 雙層膜袋儲(chǔ)藏穩(wěn)定性研究

通過(guò)研究不同儲(chǔ)藏環(huán)境下雙層膜袋包裝內(nèi)容物POV的變化（120 d內(nèi)，每隔20 d進(jìn)行POV測(cè)定），間接評(píng)價(jià)該雙層膜袋的綜合性能，并通過(guò)與商用膜油料包對(duì)比分析，判斷該雙層膜是否滿足實(shí)際應(yīng)用要求[15]。

如表5所示，分別是雙層膜油料包和商用膜油料包在不同儲(chǔ)藏環(huán)境、不同儲(chǔ)藏時(shí)間內(nèi)，包裝內(nèi)容物POV的變化。由表5可知，在冷凍和冷藏條件下，儲(chǔ)藏120 d后包裝內(nèi)容物POV120d由初始值1.46 mmol/kg分別升高到4.10 mmol/kg（-17 ℃，雙層膜）、4.19 mmol/kg（-17 ℃，商用膜）、4.25 mmol/kg（4 ℃，雙層膜）和4.53 mmol/kg（4 ℃，商用膜），顯著低于（p＜0.05）室溫儲(chǔ)藏條件下120 d后包裝內(nèi)容物的POV值。這是因?yàn)橐环矫嬖诘蜏貎?chǔ)藏條件下，膜材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得緊湊，阻礙氧分子的傳遞，另一方面低溫條件抑制油料的脂質(zhì)氧化；通過(guò)對(duì)比不同濕度條件下油料的POV值發(fā)現(xiàn)，與儲(chǔ)藏條件相對(duì)濕度43%和65%相比，儲(chǔ)藏條件相對(duì)濕度54%時(shí)，其POV值整體上較低，這是因?yàn)樵诘蜐穸葍?chǔ)藏條件下（相對(duì)濕度：43%），由于雙層膜內(nèi)部水分的散失，其封合強(qiáng)度下降，油料包的密封性變差，而在高濕度儲(chǔ)藏條件下（相對(duì)濕度65%），由于水分過(guò)高，在雙層膜內(nèi)部產(chǎn)生溶脹現(xiàn)象，膜材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得疏松，加快氧分子的傳遞；在同一儲(chǔ)藏條件、同一儲(chǔ)藏時(shí)期內(nèi)，雙層膜油料包油料POV值均等于或低于商用膜油料包油料POV值，說(shuō)明雙層膜油料包具有一定的應(yīng)用價(jià)值。此外，儲(chǔ)藏時(shí)間120 d時(shí)，商用膜油料包油料POV值分別達(dá)到9.04 mmol/kg（相對(duì)濕度43%，商用膜）、9.34 mmol/kg（相對(duì)濕度54%，商用膜）和9.63 mmol/kg（相對(duì)濕度65%，商用膜），超過(guò)一級(jí)大豆油POV限值5.00 mmol/kg，這可能是因?yàn)樵囼?yàn)中采用的熱封工藝并不適用商用膜BOPP-PE，使其封合效果不佳，油料包的密封性下降；在儲(chǔ)藏條件為冷凍、冷藏、室溫（25 ℃，相對(duì)濕度43%、54%）條件下，雙層膜油料包儲(chǔ)藏120 d后，POV值分別達(dá)到4.10，4.25，4.70和4.95 mmol/kg，均低于5.00 mmol/kg，但是在室溫且相對(duì)濕度65%條件下，儲(chǔ)藏80 d后，POV值達(dá)5.63 mmol/kg，超過(guò)5.00 mmol/kg，但是其阻氧效果依然優(yōu)于Assis等[16]制得的木薯淀粉膜。結(jié)果表明，對(duì)于取代傳統(tǒng)的塑料油料包，該雙層膜具有一定潛力。

表5 儲(chǔ)藏過(guò)程中包裝內(nèi)容物POV變化規(guī)律 mmol/kg

2.7 雙層膜袋跌落試驗(yàn)評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)雙層膜袋進(jìn)行跌落試驗(yàn)評(píng)價(jià)，驗(yàn)證其是否滿足方便食品運(yùn)輸要求。如表6所示，是雙層膜袋跌落試驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果。將裝有植物油的雙層膜袋在高度1 000 mm位置自由跌落兩次，發(fā)現(xiàn)雙層膜袋未破裂，且無(wú)漏油現(xiàn)象產(chǎn)生。圖6所示分別是跌落前后雙層膜袋樣品，跌落后雙層膜袋外觀形狀未發(fā)生明顯變化，試驗(yàn)結(jié)果滿足方便食品運(yùn)輸要求。

表6 雙層膜袋跌落試驗(yàn)結(jié)果

圖6 跌落前（左圖）后（右圖）雙層膜袋樣品

2.8 雙層膜袋抗壓試驗(yàn)評(píng)價(jià)

抗壓試驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^(guò)測(cè)試單個(gè)獨(dú)立包裝的抗靜壓能力，評(píng)價(jià)其是否滿足堆放要求。表7是抗壓試驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果。在100 N的靜壓力下作用60 s后，樣品如圖7所示，未發(fā)現(xiàn)破裂現(xiàn)象，且濾紙上也無(wú)油滴殘留。因此，雙層膜袋滿足食品內(nèi)包裝堆放要求。

表7 雙層膜袋抗壓試驗(yàn)結(jié)果

圖7 抗壓后雙層膜袋樣品（左圖）和濾紙（右圖）

3 結(jié)論

試驗(yàn)優(yōu)化確定玉米-小麥淀粉/玉米醇溶蛋白雙層膜的最佳熱封工藝，在此基礎(chǔ)上制得雙層膜油料包，并分別對(duì)其進(jìn)行儲(chǔ)藏過(guò)程中包裝內(nèi)容物品質(zhì)變化的研究、跌落試驗(yàn)評(píng)價(jià)和抗壓試驗(yàn)評(píng)價(jià)。

雙層膜最佳熱封工藝條件為：熱封電壓24 V、真空時(shí)間5.0 s、熱封時(shí)間2.0 s、冷卻時(shí)間4.0 s。通過(guò)驗(yàn)證性試驗(yàn)，該雙層膜封合強(qiáng)度可達(dá)8.77 N/15 mm；在儲(chǔ)藏過(guò)程中，雙層膜油料包油料POV均等于或低于商用膜油料包油料POV，且在低溫和低濕度儲(chǔ)藏環(huán)境下，雙層膜油料包品質(zhì)相對(duì)更好；跌落試驗(yàn)和抗壓試驗(yàn)結(jié)果顯示，制得的雙層膜袋均符合實(shí)際運(yùn)輸和堆放要求。試驗(yàn)結(jié)果可為雙層膜在可食性包裝材料，尤其是方便食品內(nèi)包裝袋的開發(fā)和應(yīng)用提供理論和數(shù)據(jù)支持。