納米TiO2對魔芋葡甘聚糖/玉米醇溶蛋白復合膜結構和性能的影響

向 飛，李 沖，夏玉婷，肖 滿，吳 考，倪學文

(湖北工業大學生物工程與食品學院, 湖北武漢 430068)

石油基塑料難降解，易破壞生態環境，使用綠色環保的材料已在全球成為共識。天然高分子復合膜具有良好的生物可降解性，是包裝材料、醫療等領域的綠色資源，是可降解膜研究的熱點內容[1-2]。目前，天然高分子復合膜的研究，主要集中在配方優化，以提高膜的理化性能[3-6]；添加活性成分，如抗氧化劑、抑菌劑和納米材料等[7-8]，賦予膜材料特殊功能特性。Oleyaei等[9]向淀粉成膜液中添加納米TiO2發現，納米TiO2均勻分散在成膜液中，與淀粉形成復雜的三維網絡結構；膜表面粗糙度和熱穩定性增加，吸濕性降低。Qu等[10]在殼聚糖/玉米醇溶蛋白成膜液中加入納米TiO2發現，復合膜微觀結構改變，阻隔性能提高，且具有抑菌性。

天然高分子復合膜的制備原料主要有多糖、蛋白和脂類[11-12]。魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan,KGM)是從魔芋塊莖中提取的一種主鏈由葡萄糖和甘露糖殘基(1∶1.6)經β-1,4糖苷鍵聚合，支鏈經β-1,3糖苷鍵聚合的水溶性、非離子型高分子多糖，分子量為2.0×105～2.0×106g/mol[13-14]；純魔芋葡甘聚糖膜的耐水性和抗菌活性差[6,15]。玉米醇溶蛋白(zein)源于玉米，有α、β、γ三種組分，主要蛋白質是α-醇溶蛋白(占醇溶蛋白總量的70%～85%)，分子量為1.9×104～2.2×104g/mol[16-17]；玉米醇溶蛋白疏水性好，可與魔芋葡甘聚糖共混制膜，提高復合膜的力學性能和疏水性能[3-4]。二氧化鈦(TiO2)是一種惰性、無毒的材料，具有光催化活性和生物相容性；在光的激發下，TiO2能降解微生物的有機組分，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有良好抑制作用[18-19]。為進一步改善魔芋葡甘聚糖/玉米醇溶蛋白復合膜的理化性能，本研究在膜基質中引入納米TiO2，使其符合實際應用需要。

本文以魔芋葡甘聚糖、玉米醇溶蛋白為基質，制備納米TiO2/魔芋葡甘聚糖/玉米醇溶蛋白復合膜；研究了不同納米TiO2添加量對復合膜的微觀結構、熱性能、機械性能和疏水性能的影響，評價了復合膜對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌的抑菌效果，以期為納米TiO2/魔芋葡甘聚糖/玉米醇溶蛋白復合膜在包裝領域的應用提供一定參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

魔芋葡甘聚糖 武漢力誠生物科技有限公司；玉米醇溶蛋白 百靈威試劑有限公司；無水乙醇(分析純)、甘油(分析純) 國藥集團化學試劑有限公司；納米TiO2(粒徑 5～10 nm) 麥克林試劑網；大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌 2代菌種上海魯微科技有限公司。

DNG-9031A烘箱 中國上海精宏有限公司；OS20-Pro攪拌器 美國賽洛捷克公司；LHS-150HC恒溫恒濕箱 無錫華澤科技有限公司；TA.XT Plus質構儀 英國SMS公司；SC 502電子顯微鏡 日本東京日立公司；W3/031水蒸氣透過率儀 濟南蘭光有限公司；DSA25水接觸角測試儀 德國克魯斯公司；VERTEX 70傅立葉紅外光譜 德國布魯克有限公司；DSC-Q10差式掃描量熱儀 美國梅特勒公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 復合膜的制備 分別稱取一定質量的納米TiO2(基于魔芋葡甘聚糖和玉米醇溶蛋白總質量的1%、2%、3%)，加至100 mL水中；將其置于超聲振蕩儀中，均勻分散，制得納米TiO2懸浮液。稱取甘油0.15 g(基于魔芋葡甘聚糖和玉米醇溶蛋白總質量的15%)和0.10 g玉米醇溶蛋白溶解于20 mL乙醇/水(80/20，v/v)溶液中，在25 ℃，轉速為500 r/min，磁力攪拌15 min，制得玉米醇溶蛋白溶液。稱取0.90 g魔芋葡甘聚糖，緩慢加至納米TiO2懸浮液中，在60 °C，轉速為600 r/min，持續攪拌1 h，制得納米TiO2/魔芋葡甘聚糖溶液。將玉米醇溶蛋白溶液緩慢加入納米TiO2/魔芋葡甘聚糖溶液中，在60 ℃，轉速為1000 r/min，持續攪拌30 min，制得納米TiO2/魔芋葡甘聚糖/玉米醇溶蛋白成膜液。將成膜液緩慢倒于玻璃板內(14 cm×14 cm×1.5 cm)，在60 ℃烘箱中烘干，膜干燥終點的水分含量為9%(w.b.)。不同納米TiO2添加量的復合膜分別命名為KZ、1%KZT、2%KZT和3%KZT；純魔芋葡甘聚糖膜作為對照組，命名為KGM。

1.2.2 檢測方法

1.2.2.1 掃描電子顯微鏡 利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察膜的微觀形貌；將膜裁成4 mm×4 mm，100×下觀察表面；膜在液氮中脆斷，1000×下觀察膜的橫截面。樣品在真空度為7.5 Pa的大氣壓下噴金，噴金厚度為20 nm，時間為90 s，加速電壓為30 kV。

1.2.2.2 傅里葉紅外光譜 將膜樣品裁成2 cm×2 cm，進行衰減全反射光譜掃描(FTIR)分析。測試前，樣品需在60 ℃下平衡48 h。測試溫度為：25 ℃；掃描波數為：4000～500 cm-1；在4 cm-1分辨率，32次掃描，收集數據。

1.2.2.3 差示掃描量熱分析 利用差示掃描量熱儀(DSC)檢測膜樣品的熱穩定性。稱量膜4 mg，密封于梅特勒皿中，檢測溫度：20～400 ℃，升溫速率是10 ℃·min-1，檢測系統在N2環境中運行。使用10.00版本STARe(Mettler Toledo，Zurich，Switzerland)操作軟件進行數據分析。

1.2.2.4 水接觸角測試 使用配備CCD相機和圖像處理軟件的水接觸角測試儀，測試膜表面的水接觸角值。將膜裁成2.0 cm×2.0 cm；使用注射器將2 μL的去離子水滴于膜表面。30 s穩定后，水滴與膜表面形成的角度，即為水接觸角值。

1.2.2.5 水蒸氣透過率 利用符合國家標準GB/T 1037-1988[20]測試原理的水蒸氣透過率儀，測試膜的水蒸氣透過率(10-13g·cm/(cm2·s·Pa))。將裁剪好的膜片，放入裝有25 mL去離子水的透濕杯上，組裝透濕杯，將其放入測試室。測試室的溫度為25 ℃，相對濕度為90%。

1.2.2.6 溶脹率 將膜樣品裁剪為2 cm × 2 cm，稱其質量m1，浸沒在30 mL去離子水中，25 ℃靜置溶脹5 h；取出溶脹后的復合膜樣品，用濾紙小心擦拭，除去表面多余水分，稱其質量m2。溶脹率計算公式如下：

式中，m1(mg)為浸水前的樣品干重；m2(mg)為浸水5 h后的樣品重量。

1.2.2.7 力學性能測試 根據ASTM D882-09標準方法[21]，利用質構儀測試膜的拉伸強度(TS)和斷裂伸長率(EAB)。膜樣品剪切成10 mm×50 mm的條狀(切口均勻、無裂痕)。測試時，膜樣品夾在夾持器之間，初始夾具間隔為30 mm，移動速率為0.5 mm/s，使用Texture Expert軟件記錄力隨變形程度的變化。拉伸強度和斷裂伸長率的計算如下所示：

式中，F為復合膜斷裂時的力(N)；T為膜厚(mm)；W為膜寬(mm)。

式中，L0為膜的起始長度(cm)；L為復合膜斷裂前的長度(cm)。

1.2.2.8 抑菌實驗 制備液體培養基，分別稱取胰蛋白胨10 g，酵母提取物5 g，NaCl 10 g，將以上溶質溶解于950 mL水中，使用NaOH溶液將其pH調至7.0，定容到1000 mL，滅菌。在液體培養基的基礎上，加入總體積3%(w/v)的瓊脂，加熱溶解，滅菌，制得固體培養基。活化菌種，并將活化后的金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和枯草芽孢桿菌分別稀釋約106CFU/mL，各吸取0.1 mL，分別涂布在已滅菌的固體培養基上。在無菌條件下，將復合膜剪成直徑1 cm的圓片，并置于涂有菌懸液的固體培養基上，37℃培養24 h，取出觀察。

1.3 數據處理

每個樣品至少重復測定3次，取平均值±SD。采用Origin 8.0軟件和SPSS 19.0軟件進行數據統計分析，通過單因素方差分析比較組間數據(圖中不同字母表示差異顯著，P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 微觀結構

利用掃描電子顯微鏡觀察了KGM膜、KZ復合膜、不同納米TiO2添加量的KZT復合膜的表面和截面的微觀結構。圖1和圖2顯示，KGM膜光滑、均勻且致密。KZ復合膜較KGM膜粗糙，玉米醇溶蛋白均勻分布在魔芋葡甘聚糖基質內，干燥過程中玉米醇溶蛋白分子發生聚集，使KZ復合膜的粗糙度增加[3-4,22]。KZT復合膜中，隨著納米TiO2添加量的增加，復合膜表面的“斑點狀”顆粒逐漸增大，膜的表面粗糙度增加；截面呈現出凹凸不平的形態。可能是溶劑由里向表遷移和揮發，納米TiO2顆粒在成膜液中發生遷移，納米顆粒發生聚集，導致納米TiO2顆粒改變了魔芋葡甘聚糖與玉米醇溶蛋白的原生網絡結構，從而改變復合膜的微觀形態，這與Oleyaei等[9]的研究結果相似。

圖1 KGM膜、KZ復合膜、不同納米TiO2添加量的KZT復合膜的掃描電鏡表面圖Fig.1 SEM images of the surface of pure KGM film, KZ blend film and KZT blend films with different titanium dioxide contents

圖2 KGM膜、KZ復合膜、不同納米TiO2添加量的KZT復合膜的掃描電鏡截面圖Fig.2 SEM images of the cross-section of KGM film, KZ blend film and KZT blend films with different titanium dioxide contents

2.2 紅外光譜分析

圖3顯示了KGM膜、KZ復合膜、不同納米TiO2添加量的KZT復合膜的紅外光譜。KGM膜中，魔芋葡甘聚糖分子的-OH和-C-H特征吸收峰分別在3320 和2920 cm-1；1644 cm-1處的吸收峰可能是分子間水的存在引起的；870 和805 cm-1為甘露糖在魔芋葡甘聚糖中的特征吸收峰。與KGM膜相比，KZ復合膜的-OH吸收峰發生了偏移，表明加入玉米醇溶蛋白后，魔芋葡甘聚糖與玉米醇溶蛋白發生分子間相互作用[3-4,22]。添加納米TiO2后，KZT復合膜的-OH吸 收 峰 均 發 生 偏 移，1%KZT，2%KZT，3%KZT復合膜的-OH吸收峰分別偏移至3316、3314、3293 cm-1，表明納米TiO2與KZ復合膜基質之間發生相互作用，與Oleyaei等[9]向淀粉成膜液中添加納米TiO2的研究結果相似。

圖3 KGM膜、KZ復合膜、不同納米TiO2添加量的KZT復合膜的紅外光譜圖Fig.3 FTIR of KGM film, KZ blend film and KZT blend films with different titanium dioxide contents

2.3 熱性能

包裝材料的熱性能是決定其加工、應用溫度范圍的重要指標。材料的熱分解溫度越高，表明熱穩定性越好。利用差示掃描量熱分析儀對KGM膜、KZ復合膜、不同納米TiO2添加量的KZT復合膜的熱性能進行了研究(圖4)，復合膜的熱性能曲線中表現出單一的玻璃化轉變溫度：KGM膜(77.5 ℃)、KZ復合膜(100.4 ℃)、1%KZT復合膜(104.3 ℃)、2%KZT復合膜(106.2 ℃)、3%KZT復合膜(108.1 ℃)，表明復合膜基質各組分的相容性良好[3]。KGM膜和KZ復合膜的熱分解溫度分別為320 和330.5 ℃，魔芋葡甘聚糖與玉米醇溶蛋白可能發生氫鍵相互作用和美拉德反應[3-4]，使得KZ復合膜的熱分解溫度升高，此現象與Wu等[23]的研究相似。添加納米TiO2后，KZT復合膜的熱分解溫度為338.0～338.4 ℃。可能是納米TiO2與膜基質中成分發生相互作用，使復合膜的玻璃化轉變溫度和熱分解溫度增加，熱穩定性增加，與紅外光譜分析結果一致。

圖4 KGM膜、KZ復合膜、不同納米TiO2添加量的KZT復合膜的差示掃描量熱圖Fig.4 DSC curves of KGM film, KZ blend film and KZT blend films with different titanium dioxide contents

2.4 水接觸角

水接觸角是水滴與固體表面保持接觸，水滴與固-液接觸面交界形成的角度；這是由于兩相之間的界面相互作用造成的，通常用來測量材料表面的疏水性；水接觸角值越大，表面疏水性越好。KGM膜、KZ復合膜、不同納米TiO2添加量的KZT復合膜的水接觸角值如圖5所示，KGM膜的水接觸角低于65°，表明KGM膜表面的親水性較好[24]。KZ復合膜和KZT復合膜的水接觸角范圍在70～105°，較KGM膜表面疏水性顯著提高(P<0.05)。納米TiO2添加量為1%(wt%)時，KZT復合膜的水接觸角值最大，繼續增加納米TiO2，水接觸角值下降。可能是納米TiO2添加量在1%時，納米顆粒均勻的分布在復合膜基質中，且此時納米TiO2與KZ復合膜基質之間發生相互作用較強，復合膜基質與水滴之間的相互作用減弱，水接觸角值較大，復合膜的疏水性較強。當納米TiO2添加量濃度提高，納米TiO2發生聚集，復合膜表面粗糙度增加，這可能加大了水分與魔芋葡甘聚糖的接觸，導致復合膜疏水性下降。

圖5 KGM膜、KZ復合膜、不同納米TiO2添加量的KZT復合膜的水接觸角圖Fig.5 Water contact angle of KGM film, KZ blend film and KZT blend films with different titanium dioxide contents

2.5 水蒸氣透過率

復合膜水蒸氣透過率如圖6所示，KGM膜具有最高的水蒸氣透過率，這是因為魔芋葡甘聚糖有較高的親水性。與KGM膜比較，KZ復合膜的水蒸氣透過率顯著下降(P<0.05)，這是由于玉米醇溶蛋白具有較強的疏水性，且玉米醇溶蛋白與魔芋葡甘聚糖存在分子間相互作用[3-4]，使得KZ復合膜的疏水性增強，從而降低其水蒸氣透過率。KZT復合膜的水蒸氣透過率均低于KGM復合膜，且納米TiO2的添加量為1%時，KZT復合膜的水蒸氣透過率值最小，表現出最好的阻濕性。可能是納米TiO2的加入，膜基質中形成新的相互作用和分子纏結，改變了膜的原生微觀結構，水分子通過的微觀路徑變得更加復雜。但納米TiO2添加量增加后，水蒸氣透過率增加，可能是因為納米TiO2在膜基質中形成聚集，復合膜的致密程度降低，水分子在復合膜中的遷移更容易，水蒸氣透過率增加。

圖6 KGM膜、KZ復合膜、不同納米TiO2添加量的KZT復合膜的水蒸汽透過率Fig.6 Water vapor permeability of KGM film, KZ blend film and KZT blend films with different titanium dioxide contents

2.6 溶脹性能

KGM膜在水中很快溶脹分散，無法測試。圖7表明，KZT復合膜的溶脹率均低于KZ復合膜，表明添加納米TiO2可提高復合膜的耐水性。1%KZT復合膜在水中的溶脹率最小，即具有最大的疏水性，這是由于納米TiO2與KZ復合膜基質之間發生相互作用，形成穩定的網絡結構，使得復合膜在水環境中保持穩定且耐水性增強。復合膜的溶脹率隨納米TiO2添加量的增加而增大，可能是納米TiO2在膜基質中形成聚集，復合膜的致密程度降低，增大了水分子與復合膜中魔芋葡甘聚糖接觸，溶脹率增加，疏水性降低，這與水蒸氣透過率、水接觸角測試結果一致。

圖7 不同納米TiO2添加量的KZT膜的溶脹率Fig.7 Swelling ratio of KZ blend film and KZT blend films with different titanium dioxide contents

2.7 力學性能

力學性能是評價食品包裝材料在運輸、儲存和應用中抗應力性的重要參數。拉伸強度越大，表明膜的力學承受能力越強；斷裂伸長率越大，表明膜的柔性越好[2,11,25]。圖8表明，純KGM膜的拉伸強度和斷裂伸長率分別為(57.5±4.6)MPa和6.2%±0.7%，加入玉米醇溶蛋白后，KZ復合膜的拉伸強度和斷裂伸長率顯著提升為(76.9±4.2)MPa和16.3%±1.3%，這是由于玉米醇溶蛋白均勻分散且相容在魔芋葡甘聚糖基質中，發生分子間相互作用[3-4]。KZT復合膜的拉伸強度和斷裂伸長率較KZ復合膜減小，表明納米TiO2的加入，減小了復合膜的柔韌性和強度；可能是納米TiO2顆粒填充在膜基質中，抑制魔芋葡甘聚糖與玉米醇溶蛋白之間的分子滑移，復合膜的柔性減低且增加復合膜的脆性，使得復合膜的力學性能降低。

圖8 KGM膜、KZ復合膜、不同納米TiO2添加量的KZT復合膜的的拉伸強度和斷裂伸長率Fig.8 The tensile strength and elongation at break of KGM film, KZ blend film and KZT blend films with different titanium dioxide contents

2.8 抑菌性能

食源性致病菌嚴重影響食品的質量，在食品的保存過程中會引起各類安全問題，因此復合膜的抑菌性能在應用中非常重要[26]。本文評價了不同納米TiO2添加量的KZT復合膜對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌的抑菌效果。圖9顯示，KZ復合膜表面均有細菌生長，表明其對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌幾乎沒有抑菌活性。KZT復合膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑制效果，表現為復合膜表面不生長大腸桿菌和金黃色葡萄球菌。這可能是在近紫外光線的照射下，由于納米TiO2本身作為一種光譜催化劑，納米TiO2誘導產生了過氧化物，影響細胞中的多不飽和磷脂，從而抑制細菌的生長[22]；但KZT復合膜對枯草芽孢桿菌的抑制效果不明顯，這可能是由于TiO2納米的濃度或功效不足以抑制枯草芽孢桿菌的生長。

圖9 KZ復合膜、不同納米TiO2添加量的KZT復合膜對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌的抑菌情況Fig.9 Antibacterial effect of KZ film and KZT blend films with titanium dioxide content on Escherichia coli, Staphylococcus aureus and Bacillus subtilis

3 結論

添加納米TiO2使復合膜表面和截面的粗糙度增加；納米TiO2與魔芋葡甘聚糖、玉米醇溶蛋白分子間存在相互作用，相容性良好；隨著納米TiO2濃度的增加，復合膜的熱穩定性提高；復合膜的拉伸強度和斷裂伸長率幾乎不隨納米TiO2濃度的改變而變化。添加納米TiO2增強了復合膜的阻濕性，當添加量為1% wt時，復合膜的水蒸氣透過率和溶脹率最小，水接觸角值最大，復合膜的疏水性最好；添加納米TiO2后的KZ復合膜對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌抑菌效果顯著，但是對于枯草芽孢桿菌效果不明顯。綜上，納米TiO2的添加量為1% wt時，KZT復合膜的綜合性能最佳。在此基礎上，復合膜干燥過程中微觀結構的變化、成膜機理以及包裝應用特性，還有待進一步研究。