果膠-海藻酸鈉-黃原膠可食性復合膜的制備及性能研究

樊彥玲，李曉君，2，張思瑤，楊靜*

（1.中北大學化學工程與技術學院，山西 太原 030051；2.山西納安生物科技股份有限公司，山西 太原 030006）

天然高分子材料具有來源廣泛、環(huán)境友好、可生物降解和可食性等優(yōu)點，符合消費者對安全產(chǎn)品的需求，已成為研究和開發(fā)的熱點[1]。其中多糖類是一個重要的分支，主要包括淀粉、海藻酸鈉、殼聚糖、果膠、黃原膠和纖維素等[2]。果膠主要來源于柑桔皮或蘋果渣，由D-半乳糖醛酸單元的甲基化酯組成，單一果膠膜的機械強度差，但它的線性結構能賦予膜柔韌的特點，是形成可食性膜的一種良好材料[3]。海藻酸鈉是由β-D-甘露醛酸和α-L-古龍醛酸通過α-1，4-葡萄糖苷鍵聚合的海藻多糖的代表，由于其良好的機械強度常被用作可食性涂膜或薄膜的基質(zhì)[4]，但是單一海藻酸鈉制成的薄膜具有硬脆及耐水性較差的缺點。因此，通常將兩種或兩種以上的材料共混，采用物理或化學的方法根據(jù)不同的比例復配，以增強其優(yōu)良協(xié)同效應，改善自身的缺點[5]。果膠和海藻酸鈉這兩種聚陰離子多糖都可以與鈣離子很好地形成“蛋盒”模型，其結合也有助于改善耐水性，增強協(xié)同物理化學性質(zhì)，在復合膜的制備及應用上已得到廣泛研究[6]。而在眾多鈣離子交聯(lián)劑中，氯化鈣的效果最好[7]。黃原膠是一種胞外微生物多糖，由以葡萄糖、甘露糖和葡萄糖醛酸組成的五糖重復單元形成，在低濃度下具有優(yōu)異的相容性、溶解性和穩(wěn)定性，常與其它生物聚合物共混以提高耐水性和熱穩(wěn)定性，在復合膜體系中起到輔助協(xié)調(diào)的作用[8]。增塑劑甘油具有相對低的極性，可阻隔空氣，抑制水分揮發(fā)，通常用來提高復合膜的柔韌性[9]。

單一成分的可食性膜存在機械性能不足和透濕效果差等問題，而復合膜又存在成膜液黏度過高，在制膜過程中易產(chǎn)生大量泡沫影響復合膜性能等問題，本研究將果膠、海藻酸鈉與黃原膠共混，制成可食性膜液，以膜液混合體系的流變特性為響應值，先確定果膠和海藻酸鈉的用量，再將二價陽離子Ca2+與天然陰離子多糖膜液相互交聯(lián)形成可食性復合膜，以拉伸強度為響應值，進一步通過響應面法優(yōu)化黃原膠、甘油及氯化鈣質(zhì)量分數(shù)制備優(yōu)化一種新型多糖類復合膜，研究其結構及理化性能，以期為新型可食性多糖膜的開發(fā)和利用提供一種新途徑和基礎數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

果膠（貨號LM-106AS-YA，酯化度45.53%，食品級）：美國斯比凱可公司；海藻酸鈉[黏度667 mPa·s（20℃），食品級]：青島聚大洋藻業(yè)集團有限公司；黃原膠（食品級）：淄博海瀾化工有限公司；甘油（食品級）：廣州嘉德樂生化科技有限公司；氯化鈣（食品級）：濰坊海之源化工有限公司；乙醇（食品級）：湖北鑫潤德化工有限公司；其它試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

JM-B-200電子天平：浙江省余姚市紀銘稱重設備公司；LC-DMC-H磁力攪拌器：上海力辰科技有限公司；211-101EK電子數(shù)顯千分尺：桂州廣陸數(shù)字測控有限公司；LGD 5000電子萬能拉力試驗機：廈門易仕特儀器有限公司；Lambda35紫外可見分光光度計、Spectrum two傅立葉紅外光譜儀：美國珀金埃爾默公司；MCR 301流變儀：奧地利安東帕公司；D8 Advance X-射線衍射儀：德國布魯克公司；JSM-7001F熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡：日立高新技術公司。

1.3 復合膜液的制備

在2%甘油的條件下，稱取不同質(zhì)量分數(shù)的果膠、海藻酸鈉及黃原膠于80℃的蒸餾水中，用磁力攪拌器將三者混合均勻至完全溶解得到膜液。

1.4 復合膜液流變特性的測定

分別改變果膠、海藻酸鈉及黃原膠的質(zhì)量分數(shù)，固定其它條件不變，制備可食性膜液。膜液冷卻至室溫22℃，用流變儀測定膜液的流變性能，CP-50-1錐板的直徑為50 mm，錐角為1°，間隙為0.1 mm，用于測量剪切黏度（剪切速率0.1 s-1～100 s-1）和黏彈性（應變1%，頻率 0.1 Hz～100 Hz）。

1.5 果膠-海藻酸鈉-黃原膠膜（pectin-sodium alginatexanthan gum composite film，PAX）的制備

1.5.1 單因素試驗設計

以甘油為助溶劑，稱取質(zhì)量分數(shù)為0.6%的果膠、0.5%的海藻酸鈉和一定質(zhì)量分數(shù)的黃原膠加入80℃的蒸餾水中，用磁力攪拌器將三者混合均勻至完全溶解得到膜液。將膜液倒入90 mm培養(yǎng)皿內(nèi)，使其高度為0.5 cm，再將氯化鈣溶液噴灑在復合膜液的表面至完全覆蓋。最后將含膜液的培養(yǎng)皿放入烘箱，60℃下烘干后揭取成膜，并在室溫22℃下置于干燥器中靜置24 h得到復合膜。在此基礎上分別研究黃原膠質(zhì)量分數(shù)（0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%），甘油質(zhì)量分數(shù)（0.1%、0.5%、1.5%、2.5%、3.5%） 和氯化鈣質(zhì)量分數(shù)（1%、2%、3%、4%、5%）3個單因素條件對復合膜拉伸強度的影響，重復3次。

1.5.2 響應面試驗設計

根據(jù)單因素試驗結果，采用Box-Behnken中心組合設計以A（黃原膠質(zhì)量分數(shù)）、B（甘油質(zhì)量分數(shù)）、C（氯化鈣質(zhì)量分數(shù)）為自變量，以拉伸強度（tensile strength，TS）為響應值的三因素三水平響應面試驗。

1.6 PAX的性能測試

1.6.1 厚度及密度

在膜材料上隨機取5個點，用電子數(shù)顯千分尺進行測定，并取平均值。將膜裁剪成5 cm×5 cm的大小，并稱量其質(zhì)量，由厚度計算其體積的大小，根據(jù)公式（1）可得到膜的密度ρ。

式中：m 為 5 cm × 5 cm 膜的質(zhì)量，g；a、b、c分別為該膜的長度、寬度、厚度，cm。

1.6.2 機械性能

將膜剪成2 cm×7 cm的長方形，用電子萬能拉力試驗機進行拉力測試，測定復合膜的拉伸強度及斷裂伸長率（elongation at break，EB）。夾距設定為 2 cm，拉伸速度設定為10 mm/min，測定溫度（25±2）℃，相對濕度40%～55%。根據(jù)拉力和位移，利用公式（2）和（3）計算膜的拉伸強度和斷裂伸長率[10]。

式中：TS為拉伸強度，MPa；FM為膜斷裂時承受的最大拉力，N；S為拉伸前截面積，mm2。

式中：EB為斷裂伸長率，%；Lmax為膜斷裂時達到的最大長度，mm；L0為膜的初始長度，mm。

1.6.3 水蒸氣透過率（water vapor permeability，WVP）

水蒸氣滲透性試驗根據(jù)ASTM E96《材料水蒸氣透過率的標準試驗方法》進行了一些修改，將50 mL燒杯注入20 mL蒸餾水，用膜將杯口包裹密封，橡皮筋固定。然后放置在無水硅膠干燥器中（相對濕度為0%，室溫22℃）。每2 h稱重1次，稱6次。根據(jù)公式（4）進行計算。

式中：Δm為兩次稱重質(zhì)量之差，g；x為膜的平均厚度，mm；S為包裹部分的有效面積，m2；ΔP為膜兩側(cè)的蒸汽壓差，為 3 179 Pa（22 ℃）；t為間隔時間，s。

1.6.4 膜的表征

將干燥后的膜樣品（2 mm×2 mm）噴金，使用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscopy，SEM）對復合膜的表面及橫截面進行觀察，膜處于高真空狀態(tài)，加速電壓為3 kV。

對膜進行X射線衍射分析（X-ray diffractometry，XRD），射線采用CuKα射線，電壓為 40 kV，電流為40 mA。掃描范圍為 10°～50°。

采用傅立葉變換紅外光譜儀（Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR）對膜進行結構分析，將膜（5 cm×5 cm）放置在試樣臺中間位置，采用衰減全反射（attenuated total reflection，ATR）附件測量，掃描次數(shù)為32，分辨率 4 cm-1，測量范圍 4 000 cm-1～400 cm-1。

1.7 統(tǒng)計分析

所有的測試都至少重復3次，使用IBM SPSS Statistics 22.0軟件進行數(shù)據(jù)處理，結果用平均值±標準差表示。使用Design-Expert 8.0.5.1軟件進行響應面分析，使用Origin 8.5軟件進行畫圖。

2 結果與分析

2.1 不同質(zhì)量分數(shù)的果膠和海藻酸鈉對膜液流變特性的影響

成膜溶液的流變性對液體涂層的擴散能力、均勻性、復合膜的厚度及機械性能有重要影響[11]。在25℃條件下，不同質(zhì)量分數(shù)的果膠和海藻酸鈉對膜液流變特性的影響見圖1。

圖1 不同質(zhì)量分數(shù)的果膠和海藻酸鈉對膜液流變特性的影響Fig.1 Effects of pectin and sodium alginate with different concentrations on rheological properties of film-forming solutions

由圖1a可知，黏度隨剪切速率的增加而降低，與具有剪切稀化行為的非牛頓流體相對應，特別是當剪切速率在0.1 s-1～20 s-1時，黏度急劇下降，其主要原因是快速剪切過程中成膜溶液分子鏈的破壞[12]。同時，果膠質(zhì)量分數(shù)越大，溶液的黏度越大。這是因為隨著果膠質(zhì)量分數(shù)的增加，單位質(zhì)量溶液中果膠的分子量增加，海藻酸鈉與果膠的距離縮短，分子間作用力增強[13]。采用Ostwald-de-Waele冪律方程對靜態(tài)流變曲線進行擬合，得出所有樣品的稠度系數(shù)（k）、流變指數(shù)（n）值以及相關系數(shù)（R2），如表1所示。

表1 成膜液冪律方程擬合參數(shù)Table 1 Fitting parameters of power law equation for filmforming solution

n值小于1的成膜溶液為非牛頓假塑性流體，較高的n值意味著成膜溶液接近牛頓流體，黏度不依賴剪切速率[14]。當果膠質(zhì)量分數(shù)低于0.4%時，流動性太強，難以控制；當果膠質(zhì)量分數(shù)超過0.6%時，成膜物黏度太大，難以充分溶解和混合。綜合考慮，果膠質(zhì)量分數(shù)確定為0.6%，有利于膜液的充分溶解、混合和鋪展。MA等[13]報道的塔拉膠-聚乙烯醇膜溶液的k值和n值分別為4.253Pa·s和0.466，與本研究結果相似。由圖1b及表1同理可得，海藻酸鈉的最佳質(zhì)量分數(shù)為0.5%。

2.2 復合膜的制備

2.2.1 PAX制備的單因素試驗

不同黃原膠、甘油及氯化鈣質(zhì)量分數(shù)對復合膜拉伸強度的影響見圖2。

圖2 不同黃原膠、甘油及氯化鈣質(zhì)量分數(shù)對復合膜拉伸強度的影響Fig.2 Effect of different concentrations of xanthan gum，glycerin and calcium chloride on tensile strength of composite film

由圖2可知，PAX的拉伸強度隨著黃原膠質(zhì)量分數(shù)的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，當黃原膠質(zhì)量分數(shù)增加到0.4%時，拉伸強度達到最大，為（34.89±0.43）MPa，這是由于黃原膠分子呈現(xiàn)有序的螺旋結構，與水分子、其它多糖分子之間借助范德華力和氫鍵形成致密的三維網(wǎng)狀結構[15]。但當黃原膠質(zhì)量分數(shù)超過0.4%時，由于黃原膠極大的黏度，難以形成較均一的共混膜，拉伸強度逐漸降低。劉筱等[16]也報道乳膠膜的拉伸強度隨著黃原膠的加入先增大后減小。結合PAX在黃原膠質(zhì)量分數(shù)為0.4%時，柔韌性及外觀顏色較好，可得黃原膠的最佳質(zhì)量分數(shù)為0.4%。

隨著甘油質(zhì)量分數(shù)的增加，PAX的拉伸強度從（43.53±0.72）MPa逐漸降低到（18.60±0.60）MPa，這是因為甘油為小分子物質(zhì)，很容易進入到膜基質(zhì)大分子間，破壞膜中原有大分子鏈的結構，削弱聚合物分子間的范德華力，降低氫鍵形成的幾率，但提高了分子鏈的柔韌性[17]。考慮到甘油的質(zhì)量分數(shù)在低于1.0%時，PAX的延伸性變差，脆性增加，容易折斷，所以選擇1.0%～3.0%的質(zhì)量分數(shù)。

隨著氯化鈣質(zhì)量分數(shù)增大，PAX的拉伸強度增大，當質(zhì)量分數(shù)為2%時達到最大為（28.60±0.37）MPa，隨后拉伸強度減小，這與李楊等[18]研究Ca2＋質(zhì)量分數(shù)對海藻酸鈉-印度樹膠復合膜的力學性能趨勢結果相同。這可能是因為多糖中含有豐富的羧基，易與Ca2＋發(fā)生交聯(lián)作用。隨著Ca2＋質(zhì)量分數(shù)的增大，交聯(lián)速度越快，使拉伸強度增大，但交聯(lián)速度過快導致Ca2＋與羧基基團不能有序結合，使PAX拉伸強度降低[19]。當氯化鈣質(zhì)量分數(shù)很大時，復合膜的表面會有鈣離子析出，呈現(xiàn)白色污漬，外觀不佳且復合膜變脆。綜合分析，氯化鈣質(zhì)量分數(shù)為2%時，PAX有較好的性能。

2.2.2 PAX的響應面優(yōu)化試驗

根據(jù)單因素試驗結果，確定響應面中三因素三水平分別為：A黃原膠質(zhì)量分數(shù)（0.3%、0.4%、0.5%），B甘油質(zhì)量分數(shù)（1%、2%、3%）和C氯化鈣質(zhì)量分數(shù)（1%、2%、3%）。響應面試驗方案和試驗結果見表2。

表2 響應面試驗設計方案及結果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

采用Design Expert軟件對試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，得到以各因素水平編碼為自變量，拉伸強度為響應值的二次回歸方程：Y=29.80-0.45A-0.75B-0.11C-0.42AB-0.22AC-0.36BC-2.20A2-1.64B2-1.22C2。對該模型進行方差分析及顯著性檢驗，結果見表3。

表3 回歸方程的方差分析結果Table 3 Analysis of variance（ANOVA）for regression equation

模型的F=54.46，P<0.000 1，表明該回歸模型高度顯著；A、B、A2、B2、C2影響極顯著，AB 影響顯著，該模型的相關系數(shù)R2=0.985 9，因變量與自變量之間線性關系顯著，說明模型對試驗擬合情況較好，試驗誤差小，可用于預測PAX最佳制備工藝。

各因素交互作用對PAX拉伸強度影響的響應面圖如圖3所示。

圖3 各因素交互作用對PAX拉伸強度影響的響應面圖Fig.3 Response surface showing the interactive effects of variable variables on TS of PAX

響應曲面的坡度越陡峭，說明交互作用越顯著[20]。隨著黃原膠和甘油質(zhì)量分數(shù)變化的響應面趨勢呈拋物線，出現(xiàn)極大值，并且曲面坡度較陡，說明AB之間存在交互作用，圖3b的分析結果與方差分析結果PAB＜0.05相一致；而曲面平緩，說明AC和BC之間交互作用不明顯。

通過回歸模型分析，得出PAX拉伸強度的理論最佳制備工藝為0.39%黃原膠、1.78%甘油、1.99%氯化鈣，預測PAX的拉伸強度最大值為29.897 MPa。考慮到實際操作的方便和可行性，選擇0.4%黃原膠、1.8%甘油和2%氯化鈣進行驗證試驗，結果表明，此條件下的PAX的抗拉伸強度為29.650 MPa，與理論預測值相差0.247 MPa，說明該模型是準確可行的。

2.3 復合膜的性能

2.3.1 PAX的基礎指標結果

復合膜優(yōu)良的機械性能可確保膜在應用過程中的完整性，是分子交聯(lián)作用與分子移動性的體現(xiàn)[21]，PAX性能參數(shù)見表4。

表4 PAX的性能參數(shù)Table 4 Performance parameters of PAX

由表4可得PAX的拉伸強度大于國標GB 10457—2009《食品用塑料自粘保鮮膜》[22]中聚乙烯（10 MPa）及聚氯乙烯（15 MPa）保鮮膜的要求。PAX的水蒸氣透過率與CAZóN等[2]總結的殼聚糖類的可食性膜數(shù)值相近，具有進一步作為食品包裝的商業(yè)意義。PAX的不透明度僅為0.217±0.11，當用作食品包裝時，可實現(xiàn)被包裝食品的實時可視化。

2.3.2 PAX的微觀結構

通過掃描電鏡對PAX及響應面方案中3、4、11、16、17的表面微觀結構進行觀察，如圖4所示。

圖4 復合膜的表面掃描電鏡結果Fig.4 Surface scanning electron microscopy of composite films

方案3中含3%的甘油和3%的氯化鈣，表面斑點及孔隙相對較多，說明交聯(lián)過度導致析出，所對應的拉伸強度為25.65 MPa也相對較小。方案4與方案11中黃原膠質(zhì)量分數(shù)為0.3%，且交聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)都不能同時滿足2%，所以表面孔隙相對較多，影響其拉伸強度大小。方案16含0.5%的黃原膠、3%的氯化鈣，含量高導致表面分布零散的塊狀物，說明相容性相對較差。方案17含1%的甘油及1%的氯化鈣，交聯(lián)不足使其表面大面積的溝壑較多，影響其拉伸強度。PAX具有比較光滑均勻的表面，說明大分子之間排列緊密平整，膜基質(zhì)間很好地相容在一起，這與YU等[23]制備的甲基纖維素膜的SEM圖相似。

2.3.3 PAX的X-射線衍射及紅外光譜分析

果膠、海藻酸鈉、黃原膠和PAX的紅外光譜圖及X射線衍射圖如圖5所示。

圖5 果膠、海藻酸鈉、黃原膠和PAX的紅外光譜圖及X射線衍射圖Fig.5 Infrared spectra and X-ray diffraction patterns of pectin，sodium alginate，xanthan gum and PAX

如圖5a所示，由于果膠鏈中的結晶，果膠粉末在13.6°和21.8°處出現(xiàn)結晶峰[11]。黃原膠粉末的衍射圖顯示了一個中心位于20.6°左右的寬的無定形峰[24]。海藻酸鈉粉末在14.2°左右有一個衍射峰，在22.5°處有一個非常弱的衍射峰[25]。PAX在2θ=21°處的衍射峰比果膠和海藻酸鈉更平坦、更寬，并且在13°～14°之間的衍射峰消失，這是膜基質(zhì)之間相互作用的結果，說明果膠、海藻酸鈉和黃原膠之間具有良好的相容性，這一結果驗證了SEM分析結果。

復合膜中果膠、海藻酸鈉和黃原膠的特征峰都產(chǎn)生了微小的位移（圖5b），說明果膠、海藻酸鈉和黃原膠分子間氫鍵、靜電作用力和范德華引力等強烈相互作用，使它們之間產(chǎn)生了良好的相容性，在復合膜中羥基、羧基等基團的伸縮振動和彎曲振動吸收峰發(fā)生了較大變化[15]。

3 結論

以果膠、海藻酸鈉和黃原膠為基材，輔以甘油及氯化鈣的交聯(lián)制備復合膜PAX，首先參考流變結果確定PAX中果膠與海藻酸鈉的最佳質(zhì)量分數(shù)分別為0.6%及0.5%，再以拉伸強度為指標，通過響應面試驗優(yōu)化確定最佳制備工藝為0.4%黃原膠，1.8%甘油及2%氯化鈣，在此條件下復合膜的拉伸強度為29.65 MPa，其斷裂伸長率為19.02%，水蒸氣透過率為18.12×10-11g/（m2·s·Pa）。流變分析與響應面法設計為生產(chǎn)新型食品包裝膜提供了技術參數(shù)，有利于在生產(chǎn)實踐中尋找最佳工藝，后續(xù)也可以在復合膜PAX中添加花青素等天然指示劑來進行研究應用。