三贊膠-海藻酸鈉可食用復合膜的制備及性能

李曉雁，曹博強，楊紅澎，鄭麗瑩，吳 疆，鄭世蓮，黃海東,

（1.天津農學院食品科學與生物工程學院，天津 300392；2.天津農學院農學與資源環境學院，天津 300392）

可食用膜是通過包裹和浸涂等方式覆蓋在食品表面的一層薄膜，其原料主要為天然生物大分子及其衍生物。通過阻隔環境中氧氣和水蒸氣的透過，可食用膜可以延緩食品的變質和風味物質的損失，保證食品的完整性和品質[1]。以可食用膜替代傳統的塑料包裝材料，可減少食品包裝對石化塑料的依賴，同時提高食品的安全性以及使用的便捷性[2?3]。

多糖是制備可食用膜的主要基材[4]，具有長鏈螺旋結構的多糖，可通過分子內和分子間的作用力形成具有網狀結構的薄膜，適用于多種存儲環境[5]。國內外研究者對多糖可食用膜進行了大量研究，但機械性能不足仍然是限制其大規模商業化推廣的重要原因[6]。海藻酸鈉是從褐藻中提取的一種陰離子多糖，廣泛用作可食用膜材，但在實際應用中，單獨以海藻酸鈉為基材的可食用膜比較脆、柔韌性差，為提高海藻酸鈉膜的性能，常復配以不同種類的多糖，制備復合可食用膜，以提高復合膜的強度、韌性和耐熱性[7?8]。三贊膠又稱鞘氨醇膠Ss，是鞘氨醇單胞菌屬新種Sphingomonas sanxanigenens合成的一種新型多糖[9]，其主鏈結構為→4）β-D-Man（1→4）β-D-GlcA（1→3）α-L-Rha（1→3）β-D-Glc（→1[10]。三贊膠具有良好的增稠、剪切稀釋和膠凝特性[11?12]，2020 年6 月國家衛健委批準三贊膠用于食品領域[13]，主要作為增稠劑、穩定和凝固劑使用，在可食用膜方面的應用鮮見報道。充分利用三贊膠的結構特性，將不同種類的多糖進行復配制備復合膜材，可增強膜材的性能[2,7]，提高其商業應用價值。

作為一種新型的天然高分子材料，三贊膠的安全性和產品特性被認可后，其必然在食品和健康領域逐步推廣應用。三贊膠與海藻酸鈉有復配協同效果，本研究將這兩種多糖以不同質量比復配，制備復合膜，測定膜材的性能，并對復合膜的微觀結構進行表征，旨在為三贊膠在可食用膜領域的應用提供理論和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

三贊膠（Sanxan，SAN） 河北鑫合生物化工有限公司；海藻酸鈉（Sodium alginate，SA） 北京索萊寶科技有限公司；甘油 分析純，上海邁瑞爾化學技術有限公司；氯化鈣 分析純，天津希恩思奧普德科技有限公司。

TA.XT2i 質構儀 英國Stable microsys 公司；LRHS-250-II 恒溫恒濕培養箱 上海躍進醫療器械公司；KH5200DB 超聲儀 昆山禾創超聲儀器有限公司；UV-1800PC 紫外可見分光光度計 上海美譜達儀器有限公司；DSC 200F3 差示掃描量熱分析儀

德國Netzsch 公司；Phenom Pro 掃描電鏡 荷蘭Phenom-world BV 公司；FT-IR200 傅里葉紅外光譜儀 美國Thermo Fisher 公司；211-101K 數顯千分尺 東莞三量量具有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 不同多糖濃度對可食用膜性能的影響 配制多糖總濃度為0.6%～1.4%（w/v）的溶液，其中多糖組分均為質量比1:1的三贊膠和海藻酸鈉，增塑劑為體積分數0.3% 甘油，將上述溶液攪拌至完全溶解，在70 ℃、40 kHz 條件下超聲脫氣處理5 min，取40 g膜液，在PVC 板上流延成膜[3]，50 ℃烘箱干燥，冷卻后揭膜，置于25 ℃相對濕度53%的環境中平衡48 h，測定膜材的厚度、機械性能、透光率和水蒸氣透過系數等指標，并進行熱力學、掃描電鏡和傅里葉紅外光譜分析。

1.2.2 不同SAN/SA 比對可食用膜性能的影響 按照1.2.1的方法制備多糖總濃度為1%的可食用膜，其中多糖組分SAN/SA的比分別為10:0、9:1、8:2、7:3、6:4、5:5、4:6、3:7、2:8、1:9 和0:10，進行膜材的性能測定和微觀結構表征。

1.2.3 膜材的厚度測定 每組分別選取3 張膜，在制備的膜上隨機選取三個點，使用千分尺測定膜的厚度，取平均值作為膜厚，單位以μm 表示。

1.2.4 膜材的機械性能測定 采用TA.XT2i 質構儀進行測定[3]，探頭為A/TG，參數設置為：拉伸模式，測中速度:1.00 mm/s；測后速度:10.00 mm/s；樣品長度為20 mm；應變高度為100 mm。

膜的抗拉強度（TS）的計算公式為：

式中，Ft 為膜斷裂時承受的最大拉力，N；L 為膜的厚度，mm；d 為膜的寬度，mm。

斷裂延伸率（EAB）的計算公式為：

式中，L 為膜斷裂時達到的最大長度，mm；L0為膜的初始長度，mm。

1.2.5 膜材的透光率測定 參考文獻[14]的方法，將膜裁剪成比色皿大小的長條，將其緊貼在1 cm 比色皿的一側，以空比色皿作參比，在500 nm 處測定透光率。

1.2.6 膜材的溶解性測定 將制備的膜置于105 ℃烘干至恒重，稱重記為M1；將烘干后的膜放入100 mL去離子水中，將薄膜完全浸沒，室溫靜置24 h 后將膜取出[3]，再次烘干至恒重，稱重記為M2；溶解性（WS）的計算公式為：

1.2.7 膜材的水蒸氣透過系數測定 將無水氯化鈣置于200 ℃干燥2 h 后，取10 g 分裝于恒重的透濕杯中，用試驗膜材封住杯口，置于38 ℃且相對濕度為90%的恒溫恒濕箱中，1 h 后取出，放入23 ℃的干燥器中，平衡30 min 后取出稱重，稱重后的透濕杯重新放入恒溫恒濕箱內，以后每4 h 稱量一次，直至透濕杯增重小于5%。參考GB/T1037-1988 塑料薄膜和片材透水蒸氣性試驗方法[15]計算水蒸氣透過系數（Pv），單位為g/（cm·s·Pa）。

1.2.8 熱力學分析 準確稱取干燥的膜樣 5～10 mg，置于鋁制坩堝中密封，參比為空鋁坩堝。保護氣和吹掃氣為N2，流量分別為60 和20 mL/min，升溫速率為10 K/min，在20～300 ℃進行差示掃描量熱分析。

1.2.9 掃描電鏡分析 將膜樣貼在導電膠帶上，噴金后在電鏡下觀察膜表面結構；將膜樣用液氮處理后淬斷，噴金后在電鏡下觀察其斷面結構。

1.2.10 傅里葉紅外光譜分析 膜材用溴化鉀壓片后進行紅外吸收光譜測定，掃描范圍為4000～400 cm?1。分辨率為4 cm?1，掃描次數32。

1.3 數據分析

每個樣品重復3 次檢測，數據為平均值加減標準差，使用Excel 2016 作圖，利用SPSS 統計軟件對數據進行顯著性差異分析，分析方法為Duncan 檢驗法。

2 結果與分析

2.1 多糖總濃度對SAN/SA 復合膜機械性能的影響

將SAN 與SA 等質量比混合，制備多糖總濃度不同的復合膜，結果表明總濃度低于0.6%的條件下，制備的膜材難以完整揭起；濃度高于1.4%后，膜液黏度偏高，混合過程產生的氣泡難以完全脫除。多糖總濃度0.6%～1.4%的復合膜材物理性能如表1 所示，可以看出隨著多糖濃度的增大，膜材厚度增加，拉伸強度總體上也呈上升趨勢；多糖總濃度1%時，膜材的斷裂伸長率最高，水蒸氣透過系數最低，多糖濃度繼續提高，膜材的性能開始下降，這與三贊膠溶液的高黏度特性有關，聚合物濃度過高后，膜材內部分子聚集，影響分子鏈間的有序排列[16?17]，而且高濃度膜液中的氣泡難以完全脫除，導致膜結構的均勻性下降，根據上述結果，后續實驗中選擇多糖總濃度為1%的膜液制備SAN/SA 復合膜。

表1 多糖總濃度對SAN/SA 復合膜物理性能的影響Table 1 Effect of total polysaccharide concentration on the physical properties of SAN/SA films

2.2 不同比例復合膜的機械性能分析

制備SAN 與SA 質量比不同的復合膜，測定可食用膜的性能，結果如圖1 所示，可以看出復合膜的機械性能明顯提高，在SAN/SA 不同配比的復合膜中，以5:5 復配的膜材，其拉伸強度最高為38.34 MPa，分別是SAN 膜的2.03 倍和SA 膜的2.08 倍；SAN/SA為4:6的復合膜，其拉伸強度為37.45 MPa，SAN/SA為6:4的復合膜，其拉伸強度為34.84 MPa。SAN與SA 以6:4 復配的復合膜，其斷裂伸長率最高為51.78%，分別為 SAN 膜的 1.47 倍 和 SA 膜的2.39 倍；以5:5 復配的SAN/SA 復合膜，其斷裂伸長率為48.00%。在SA 可食用膜研究中，發現SA 與結冷膠復配后，多糖鏈間的相容性和相互作用使膜材性能得到提高[18]，本研究發現SA 與SAN 具有良好的協同作用，復配膜的機械性能明顯提高，SAN/SA為5:5 時，復合膜的拉伸強度最高，與4:6 復配的膜材之間差異不顯著（P>0.05），但顯著高于其它配比的復合膜（P<0.05）；在SAN/SA 為6:4 時，復合膜的延展性最高，且顯著高于其他質量比的膜材（P<0.05）。

圖1 SAN/SA 質量比對膜材機械性能的影響Fig.1 Effect of SAN/SA mass ratio on mechanical properties of films

2.3 不同比例SAN/SA 復合膜的透光性及溶解性分析

SAN 溶液呈乳白色，單獨以SAN 制備的膜材透光率為34.21%，由圖2 可知，隨著SAN/SA 復合膜中SA 比例的增加，膜材的透光度增加，以5:5 復配的SAN/SA 膜透光率增加13.33%，1:9 復配的SAN/SA 膜透光率為83.69%。可食用膜的色澤和外觀影響其在食品領域的應用，透光率是復合膜材中共混高分子相容性高低的判斷指標之一，如果兩種高分子相容性差，會在兩相界面上發生光散射或反射，使膜的透光率降低[19]，SAN/SA 復合膜的透光率數據說明SAN 與SA 有較好的相容性。溶解性也是衡量可食用膜的重要指標之一[20]，從圖2 可以看出，復合膜的溶解性隨著SA 添加量的增加先減小后增加，在SAN與SA 為6:4 時，膜材的溶解性最低，為25.98%，其溶解性比5:5 配比的復合膜低5.74%，差異顯著（P<0.05），比SAN 膜的溶解性低10.45%，比SA 膜的溶解性低47.95%，說明SAN 與SA的復配限制了高分子鏈的自由運動，膜材的網絡結構更加致密[2]。

圖2 SAN/SA 質量比對膜材透光率和溶解性的影響Fig.2 Effect of SAN/SA mass ratio on light transmittance and water solubility of films

2.4 不同比例SAN/SA 復合膜的水蒸氣透過率分析

基于生物高分子的膜材能起到阻隔作用，減少食物中水分的流失，保持食物的品質，減緩食物的腐敗[21]。水蒸氣透過率是衡量膜材水分阻隔性能的重要指標，其數值高低與膜材厚度有關，也與高分子間相互作用形成的網狀結構相關[22?23]。

SAN/SA 復合膜的厚度和水蒸氣透過率如圖3所示，SAN 膜的厚度明顯大于SA 膜，SAN/SA 質量比8:2 到3:7的范圍內，膜材厚度沒有顯著性差異（P>0.05），可見在此范圍內，兩種高分子聚合物可以相互滲透，具有較好的相容性。在膜材的水分阻隔性能上，SAN 膜的水蒸氣透過率低于SA 膜，表明基于SAN的膜材水分阻隔性能更好，隨著復合膜中SA的加入，由于SAN 與SA 結構中羥基分子間氫鍵的相互作用，膜材形成更加緊密的網狀結構[5]，增強了復合膜的水蒸氣阻隔性能。在SAN/SA 質量比6:4 時，膜材的水蒸氣透過系數最低，為0.82×10?12g/（cm·s·Pa），是SAN 膜的62.9%，SA 膜的48.0%；在SAN/SA 質量比5:5 時，膜材的水蒸氣透過系數是SAN 膜的75.6%，SA 膜的57.7%；說明復合膜在SAN/SA 質量比為6:4 時，其阻隔性能顯著高于5:5（P<0.05）。綜上所述，SAN/SA 質量比5:5的復合膜拉伸強度最高，6:4的復合膜斷裂伸長率最高，溶解性和水蒸氣透過率最低。

圖3 SAN/SA 質量比對膜材厚度和水蒸氣透過系數的影響Fig.3 Effect of SAN/SA mass ratio on thickness and vapor transmission coefficient of films

2.5 不同比例SAN/SA 復合膜的熱力學分析

熱力學分析是研究可食用膜物質組分和結構的重要手段，不僅可以測量膜材物理性質的變化，也能分析復合膜中高分子間的協同性[24]。在圖4的DSC 曲線中，可觀察到SAN/SA 復合膜清晰的熔融相變峰，可以看出SAN 膜的耐熱性高于SA 膜，兩種高分子材料復配后，膜材的耐熱性提高，其中SAN/SA為6:4 時，膜材的熔融溫度比SA 膜提高61.8 ℃，比SAN 膜提高33.2 ℃；SAN/SA 為5:5 時，膜材的熔融溫度比SA 膜提高50.7 ℃，比SAN 膜提高22.1 ℃。DSC 曲線中相變的陡度通常以半高峰寬來表示，可以說明復配材料的協同性[25]，如果相變發生在一個很窄的溫度范圍內，說明復配材料具有很高的協同性[26]。從圖4 可以看出，SAN/SA 復合膜材的相變峰面積高于SAN 膜和SA 膜，說明兩種高分子材料復配后，熔融前后的焓變更高；SAN/SA 為6:4 和5:5 時的相變半高峰寬均小于SAN 膜和SA 膜，說明具有較好的復配協同性效果。

圖4 不同SAN/SA 質量比膜材的DSC 圖譜Fig.4 DSC patterns of films with different ratio of SAN/SA

2.6 不同比例SAN/SA 復合膜的微觀結構分析

利用掃描電子顯微鏡（SEM）能觀察復合膜材的均勻性和微觀形貌，多糖復合膜的性能很大程度上取決于高分子的微觀結構[27]，從圖5的膜材微觀結構可以看出，純SAN 膜的表面分布著白色小突起；純SA膜的表面能觀察到分布稀松的較大孔隙，膜材的斷面較純SAN 膜的斷面緊實，但相同濃度溶液制備的膜材比較，純SAN 膜更厚。隨著復合膜中SA 含量的增加，SAN/SA 質量比為6:4 和5:5的復合膜的表面更光滑，膜面的孔隙更小，從斷面規則分布的條狀結構可以看出兩種高分子相容性好，凝膠網絡結構排列較規整，更加致密緊實，可能有利于提高復合膜的性能[28]，與SAN/SA 復合膜的水蒸氣透過率等實驗數據吻合。隨著復合膜中SA 比例的繼續增加，SAN/SA 質量比為4:6 時，復合膜的表面孔隙變大，斷面形貌的分層上可以觀察到有結合不夠致密的現象。

圖5 不同SAN/SA 質量比的膜材微觀結構Fig.5 Microstructure of films with different ratio of SAN/SA

2.7 不同比例SAN/SA 復合膜的傅里葉紅外光譜分析

高分子聚合物間的相容性及分子間相互作用可以采用傅里葉紅外光譜（FT-IR）法進行分析[29]，SAN/SA 復合膜的FT-IR 譜如圖6 所示，作為高分子的多糖，SAN 與SA 結構中都有大量羥基存在[10]，3400～3150 cm?1附近的寬吸收峰是由-OH 伸縮振動引起的，可以看出SAN 與SA 復配后，此波長范圍的峰明顯增強，說明SAN 與SA 分子之間發生了氫鍵的相互作用，具有較好的相容性[30?31]。2932 cm?1處的吸收峰對應C-H的伸縮振動，1723 cm?1處的吸收峰是羧基的伸縮振動峰，1590 cm?1處是羧酸鹽伸縮振動引起的，1028 cm?1處是C-O-C的彎曲振動峰；SAN的部分羧基與鹽離子結合，在1723 cm?1和1590 cm?1處均有吸收峰，SA的羧基完全與鈉離子結合，因此僅有1590 cm?1的吸收峰。與-OH的特征吸收峰相同，SAN/SA 復合膜中的C=O的特征峰增強，且SAN:SA 為6:4的-OH 和C=O 特征峰強度最大，說明復配膜不是兩種聚合物的簡單疊加，在質量比為6:4 時的相容性和協同性較好。

圖6 不同SAN/SA 質量比膜材的FTIR 圖譜Fig.6 FTIR patterns of films with different ratio of SAN/SA

3 結論

本文研究了SAN 與SA 復配比例對復合膜物理性能的影響，并通過FT-IR、SEM 和熱力學分析等方法對復合膜進行表征，結果表明復合膜中兩種天然高分子之間發生了氫鍵的相互作用，具有較好的相容性和協同作用，SAN 和SA的復配能提高膜材的機械性能和耐熱性，并改善膜材的透明度和皺縮性。多糖總濃度1.0%膜液制備的復合膜中，當SAN/SA 質量比為5:5 時，復合膜的拉伸強度高，為38.34 MPa；SAN/SA 質量比為6:4 時復合膜的其他性能指標更佳，其中斷裂伸長率51.78%，溶解性25.98%，水蒸氣透過系數0.82×10?12g/（cm·s·Pa）。三贊膠是一種新型天然高分子材料，其在可食用膜領域的應用剛剛起步，三贊膠可食用膜的抗氧化性、抑菌性等仍有待深入研究，本研究為三贊膠在可食用膜和保鮮領域的應用提供了理論依據和技術支撐。