干燥溫度對魔芋葡甘聚糖/納米玉米醇溶蛋白復合膜微觀結構和理化性能的影響

向 飛，王 巖，夏玉婷，倪學文

（湖北工業大學生物工程與食品學院，湖北武漢 430068）

石油基塑料的使用及隨意丟棄，已對生態環境造成嚴重污染[1]。因此，國內外陸續提出“禁塑令”等環保要求，綠色無污染的可降解膜材料亟待開發。研究發現，以天然多糖、蛋白和脂類為原料制得的可降解復合膜，在替代石油基塑料上有良好的應用前景[2-5]；其中，多糖基復合膜的開發受到研究者的青睞。魔芋葡甘聚糖（konjac glucomannan, KGM）取自魔芋根莖，是一種由葡萄糖和甘露糖殘基（1:1.6）通過β-1,4糖苷鍵聚合而成的分子量為2.0×105～2.0×106g/mol的非離子型多糖，具有良好的生物相容性和成膜性[6]。KGM經溶脹、流延、干燥等工序可制得純KGM膜，因其疏水性差、脆性較強導致其應用受限[7]。在改善純KGM膜性能的研究中，主要將KGM與其它組分共混，制得KGM基復合膜[2]。其中，向KGM基質中添加納米顆粒，可顯著提升復合膜的理化性能[8]。例如，將殼聚糖/沒食子酸納米顆粒與KGM溶膠共混，混合體系中發生氫鍵和靜電斥力等作用，分子間相互纏結形成網絡結構，制得復合膜的機械和阻隔性能增強[9]。將細菌纖維素納米纖維或氧化甲殼素納米晶/花青素與KGM溶膠共混，分子間存在氫鍵相互作用，形成互穿網絡，增加混合體系的內聚性，顯著提高復合膜的機械和疏水性能[8,10]。

玉米醇溶蛋白（zein）來源于玉米，是一種分子量為1.9～2.2×104g/mol的疏水性蛋白，具有良好的生物相容性和生物可降解性[11-12]。研究發現，zein-蘆丁復合納米粒子/玉米淀粉復合膜表現持久抗氧化活性，在活性包裝領域有潛在應用前景[13]。Zein制成納米粒子后，其粒徑變得均勻，但不同的溫度可能引起粒子發生不同程度的聚集，從而影響復合膜的結構和性能。本文以KGM和納米玉米醇溶蛋白（NZ）為成膜基質，研究了不同干燥溫度對魔芋葡甘聚糖/納米玉米醇溶蛋白復合膜（KNZ）的微觀結構、熱穩定性、機械和阻濕性能的影響。研究復合膜在不同干燥條件下微觀結構和理化性能的變化，有助于符合實際應用需求的膜材料的設計和制備。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

魔芋葡甘聚糖（Mw 1.012×106g/mol；Mw/Mn 1.220；純度≥95%） 湖北強森魔芋科技有限公司；玉米醇溶蛋白（Mw 2.5～4.5×104Da；純度≥98%）百靈威試劑有限公司；無水乙醇、甘油、span 80 均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

FA 25高剪切分散乳化機 上海弗魯克科技發展有限公司；DNG-9031A烘箱 中國上海精宏有限公司；OS20-Pro攪拌器 美國塞洛捷克公司；LHS-150HC恒溫恒濕箱 中國無錫華澤科技有限公司；SC 502電子掃描顯微鏡 日本東京日立公司；Zetasizer Nano-ZS納米粒度儀 英國馬爾文儀器公司；VERTEX 70傅立葉紅外光譜儀、DSA25水接觸角儀 德國布魯克有限公司；DSC-Q10差示掃描量熱儀 美國梅特勒公司；TA.XT Plus質構儀 英國SMS公司；W3/031水蒸氣透過率儀 中國濟南蘭光有限公司；Modulyod-230凍干機 美國熱力公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 納米玉米醇溶蛋白（NZ）的制備 NZ以反溶劑沉淀法制得，參考Parris等[14]的方法，略作修改。取1.0 g zein粉末，分散在15 mL 80%（v/v）乙醇溶液中，制得zein分散液。將zein分散液逐滴加至40 mL反滲透水（RO）中（同時在19000 r/min下剪切）。除去浮沫，在19000 r/min下繼續剪切2 min，冷凍干燥后即得NZ樣品，25 ℃密封放置，備用。

1.2.2 粒徑測試 采用Zetasizer Nano-ZS納米粒度儀測定NZ的粒徑。測試條件：測試溫度為25 ℃；折光指數：1.450；分散相折光指數：1.200；吸光指數：0.01；He-Ne激光光源輸出功率：4 mW；檢測角度173°；檢測波長：633 nm。

1.2.3 膜的制備 將0.168 g NZ和0.042 g span 80分散至 20 mL 80%（v/v）乙醇溶液中（500 r/min，25 ℃攪拌15 min），制得NZ分散液。取1.032 g KGM和0.240 g甘油加至100 mL RO水中攪拌溶脹（600 r/min，60 ℃ 攪拌 30 min），制得 KGM 溶膠。將NZ分散液加至KGM溶膠中，60 ℃繼續攪拌30 min，制得KNZ復合成膜液。將80±2 g成膜液經流延方式注入平板內（14 cm×14 cm×1.5 cm），在烘箱中干燥，以膜的水分含量至9%（w.b.）為干燥終點。不同干燥溫度制得的復合膜用T ℃ KNZ表示（T分別設置為 30、40、50、60、70、80）。取 1.200 g KGM和0.240 g甘油加至100 mL RO水中溶脹（600 r/min，60 ℃攪拌 60 min），60 ℃干燥，制得純 KGM膜。所有膜樣品置于25 ℃，50%相對濕度（RH）下平衡48 h備用。

1.2.4 微觀形態 利用SC 502掃描電子顯微鏡觀察NZ和膜的微觀形態。NZ微觀形態觀察：將NZ分散液流延在錫箔紙上，自然風干成薄層后觀察。膜微觀形態觀察：將膜裁剪成4 mm×4 mm觀察表面形態；膜在液氮中脆斷后用于其截面形態觀察。測試條件：噴金壓力：7.5 Pa；噴金厚度：20 nm；噴金時間：90 s；加速電壓：30 kV；NZ 形態觀測倍數：50000×；膜表面觀測倍數：500×；膜橫截面觀測倍數：1000×。

1.2.5 傅里葉紅外光譜 將膜樣品裁成2 cm×2 cm，進行衰減全反射紅外光譜掃描（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。

1.2.6 差示掃描量熱分析 參考Xiang等[15]的方法，利用DSC-Q10差示掃描量熱分析儀測試膜的熱穩定性，采用10.00版STARe（Mettler Toledo, Zurich,Switzerland）進行數據分析。樣品測試前在60 ℃下平衡48 h。樣品置于梅特勒皿，系統運行環境為N2，檢測溫度為20～400 ℃，升溫速率為10 ℃/min。

1.2.7 機械性能 參考 ASTM D882-09[16]，利用TA.XT Plus質構儀測試膜的拉伸強度和斷裂伸長率。將膜裁剪成切口均勻、無裂痕的5 mm×50 mm的長條，置于夾持器中間夾緊，使用Texture Expert軟件記錄力和形變。測試條件：初始夾具間隔：30 mm；移動速度：0.5 mm/s。拉伸強度和斷裂伸長率計算公式如下：

式中：F為膜斷裂時的力，N；T為膜厚，mm；W為膜寬，mm。

式中：L0為膜的起始長度，cm；L為膜斷裂前的最大長度，cm。

1.2.8 溶解率和溶脹率 參考Xiang等[15]的方法，將膜裁剪成3 cm×3 cm，浸沒于100 mL RO水中（25 ℃，24 h）。將水倒出，膜置于105 ℃干燥至恒重。溶解率計算公式如下：

式中：W2為膜溶解前的質量，g；W1為膜干燥至恒重的質量，g。

將膜裁剪成2 cm×2 cm，浸沒于30 mL RO水中（25 ℃，5 h）。將膜取出，除去表面多余水分。溶脹率計算公式如下：

1.2.9 水接觸角 將膜裁剪成 3 cm×3 cm，利用DSA25水接觸角儀測試其表面的水接觸角值。測試條件：水滴體積：2 μL；保持時間：30 s。

1.2.10 水蒸氣透過率 利用W3/031水蒸氣透過率儀測試膜的水蒸氣透過率（10-13g·cm/（cm2·s·Pa））。將膜裁剪后置于裝有25 mL RO水的透濕杯上。測試條件：測試室溫度：38 ℃；相對濕度：90%；測試模式：連續模式。

1.3 數據處理

每個待測樣品至少做三次平行實驗，實驗數據采用平均數±標準差（mean±SD）表示。利用Origin 2017和SPSS 19.0進行圖表的繪制和數據統計分析。通過單因素方差分析比較組間數據，圖中不同的字母表示差異性顯著（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 微觀結構

NZ微觀形態和粒徑大小如圖1。由圖1A觀察，NZ大小均勻，表面光滑，以單個納米球的形態存在。根據圖1B分析，NZ平均粒徑為92.36 nm，分布均勻。圖1B和圖1A的現象一致，表明制備的NZ為納米級且大小均勻，這與Parris等[13]以及Farajpour等[17]的報道一致。

圖1 納米玉米醇溶蛋白（NZ）的微觀形態（A）及其粒徑分布（B）Fig.1 Micromorphology (A) and the particle size distribution(B) of zein nanoparticles

純KGM膜和不同干燥溫度制備的KNZ的微觀形態如圖2～圖3。純KGM膜橫截面致密，KNZ的橫截面較純KGM膜粗糙。對于復合膜，30 ℃ KNZ截面出現大小不均的圓形蛋白顆粒；70 ℃ KNZ和80 ℃ KNZ截面存在較大的橢圓形蛋白聚集體；40、50、60 ℃干燥的KNZ截面較致密，蛋白顆粒分布均勻，未見明顯的大顆粒聚集體。純KGM膜表面平整光滑，KNZ表面均出現蛋白顆粒，且不同干燥條件制備的復合膜表面聚集的蛋白顆粒大小和形態不同。30 ℃ KNZ表面蛋白顆粒大小不一，有較小的單個聚集體及多個蛋白顆粒聚集的團狀體；70 ℃ KNZ和80 ℃ KNZ表面形成較大的蛋白聚集體；40、50、60 ℃干燥的KNZ表面蛋白分布和顆粒大小均勻。可見NZ分散在KGM基質中，改變了KGM膜原生的微觀結構，形成新的復雜的微觀結構。干燥過程中，存在溶劑的蒸發和溶質的遷移，由于乙醇蒸發速率比水快，導致NZ發生聚集；不同的溶劑蒸發速率，NZ聚集程度不同，使復合膜的微觀結構有差異[18-20]。干燥溫度較低時（30 ℃），干燥時間長，蛋白有足夠的時間遷移和聚集，形成較大的顆粒[21]；干燥溫度較高時（70、80 ℃），干燥時間縮短，干燥過程劇烈，可能導致蛋白的二級結構變化[22-23]，蛋白分子因疏水相互作用、結構重排或熱誘導交聯導致蛋白聚集，形成較大的蛋白顆粒[24-26]。因此，在KNZ干燥過程中，40、50、60 ℃是較佳的干燥溫度，形成的復合膜較致密、平整。

圖2 純KGM膜及不同干燥溫度制備的KNZ的橫截面微觀圖Fig.2 Scanning electron microscopy images of the cross-section of pure KGM film and KNZ dried at different temperatures

圖3 純KGM膜及不同干燥溫度制備的KNZ的表面微觀圖Fig.3 Scanning electron microscopy images of the surface of pure KGM film and KNZ dried at different temperatures

2.2 紅外光譜分析

圖4顯示了KGM膜和不同干燥溫度制備的KNZ復合膜的紅外光譜圖。KGM膜中，KGM分子的-OH和-C-H特征吸收峰分別在3320和2920 cm-1；1641 cm-1處的吸收峰可能是分子間水的存在引起的；870和807 cm-1為甘露糖在KGM分子中的特征吸收峰。與 KGM 膜相比，在 30、40、50、60、70、80 ℃制得KNZ的-OH特征吸收峰為3315～3319 cm-1，-OH吸收峰發生了偏移，表明加入NZ后，KGM與NZ發生分子間相互作用[15]。這與Zhang等[13]向玉米淀粉中添加zein-蘆丁復合納米粒子的研究結果相似。

圖4 純KGM膜及不同干燥溫度制備的KNZ的紅外光譜圖Fig.4 FTIR of pure KGM film and KNZ dried at different temperatures

2.3 熱穩定性

材料熱性能的變化反映物質間相容性和材料的熱穩定性。純KGM膜和不同干燥溫度制備的KNZ的差示掃描量熱曲線如圖5。純KGM膜的玻璃化轉變溫度（Tg）和熱降解溫度（Td）分別為 77.9和317.8 ℃。在 30、40、50、60、70、80 ℃ 制得的 KNZ的 Tg分別為：111.9、119.6、119.4、120.9、104.2和100.5 ℃；Td分別為：326.8、334.6、332.4、334.5、323.0和322.9 ℃。KGM基質中加入NZ后，復合膜的Tg和Td均增加，且均表現為先升高后降低的趨勢，可能是因為復合膜基質間的分子相互作用改變了原始的晶體結構和分子網絡，NZ的添加導致復合膜的Tg和Td值高于KGM膜[15]。Motedayen等[27]研究發現，Tg的變化可以反映聚合物間的相容性；如果只出現一個Tg峰，表明聚合物分子間相容性好，如果出現兩個或多個Tg峰，表明聚合物間的相容性不好或出現分相。由圖5可知，復合膜均只有一個Tg，表明KGM與NZ能較好的相容，二者未出現分相，推測分子之間存在相互作用。40、50、60 ℃干燥的KNZ的Tg和Td較高，可能在此溫度范圍內聚合物分子間相互作用較強，溶質分子間遷移受到限制，NZ的結構未遭到破壞[28]，NZ能均勻分布在KGM基質中，此現象與其微觀形態變化現象一致。

圖5 純KGM膜及不同干燥溫度制備的KNZ的差示掃描量熱曲線Fig.5 Differential scanning calorimetry curves of pure KGM film and KNZ dried at different temperatures

2.4 機械性能

純KGM膜和不同干燥溫度制備的KNZ的膜厚及機械性能如圖6。70 ℃ KNZ和80 ℃ KNZ的膜厚顯著高于其他組（P＜0.05）；純 KGM膜和 30、40、50、60 ℃干燥的KNZ的膜厚無顯著性差異（P＞0.05）。可能是由于干燥溫度過高（＞70 ℃），干燥過程劇烈，蛋白的二級結構變化和結構重排，蛋白聚集或交聯成大顆粒，使膜厚增加[22-23,26]。由圖6B可知，在 30、40、50、60、70、80 ℃ 制得的 KNZ 的拉伸強度和斷裂伸長率（60.28～79.27 MPa；31.73%～47.50%）均高于純 KGM 膜（42.02 MPa；21.2%），可能是KGM與NZ之間較好的相容性和分子間相互作用，以及NZ在基質中的“增塑”作用，使得KNZ的機械性能增強[18,29]。其中，40、50、60 ℃干燥的KNZ的斷裂伸長率顯著大于其他組（P＜0.05），且40 ℃ KNZ 的拉伸強度最大（79.27 MPa）。

圖6 純KGM膜及不同干燥溫度制備的KNZ的膜厚（A）、拉伸強度和斷裂伸長率（B）Fig.6 Thickness (A), tensile strength and elongation at break(B) of pure KGM film and KNZ dried at different temperatures

2.5 溶解率和溶脹率

膜材料的溶解率和溶脹率可直觀評價材料的親、疏水性，其值越低，膜材料的疏水性越好。由于KGM親水性強，純KGM膜在水中快速溶脹溶解，無法測得其溶解率和溶脹率。不同干燥溫度制備的KNZ的溶解率和溶脹率如圖7。30、70、80 ℃干燥的KNZ的溶解率均大于25%，溶脹率分別為1430.35%、2140.05%、2510.67%，疏水性較差，可能是由于復合膜的結構相對疏松，導致其耐水性能差。40、50、60 ℃干燥的KNZ的溶解率和溶脹率均顯著低于其他組（P＜0.05），表明此條件下制備的復合膜疏水性較好，可能是由于NZ與KGM之間相容性更好，形成了致密膜結構[15]。其中40 ℃ KNZ的溶解率（19.99%）最低，表明在此干燥溫度下，分子間的相互作用最強，形成了更加致密的結構，復合膜的疏水性最好。

圖7 不同干燥溫度制備的KNZ的溶解率和溶脹率Fig.7 Swelling and solubility of KNZ dried at different temperatures

2.6 水接觸角和水蒸氣透過率

水接觸角值可評估材料的表面疏水性，其值越大，表面疏水性越好。純KGM膜和不同干燥溫度制備的KNZ的水接觸角值如圖8A。KNZ的水接觸角值顯著大于純KGM膜（P＜0.05），表明NZ的添加提高了復合膜的表面疏水性。40、50、60 ℃干燥的KNZ的水接觸角值顯著高于其他組（P＜0.05），可能是在此干燥條件下，NZ與KGM的分子間相互作用較強，NZ均勻分布在KGM基質中，形成致密的膜結構和疏水的表面[24,29]，使其疏水性增強，此現象與溶解率和溶脹率結果一致。純KGM膜和不同干燥溫度制備的KNZ的水蒸氣透過率如圖8B。純KGM膜的水蒸氣透過率最大，顯著高于其他組（P＜0.05），表明純KGM膜的阻濕性較差，水分子很容易滲透純KGM膜。其原因是KGM親水性好，水分子易與KGM發生相互作用，使膜結構變軟而疏松，導致其阻濕性差[24]。40 ℃ KNZ的水蒸氣透過率最低（7.641×10-13·g·cm/（cm2·s·Pa）），表明在此干燥溫度下，NZ與KGM間的相互作用最強，形成的膜結構更加致密，內部通道更加復雜，使得水蒸氣通過的效率降低，阻濕性增強[24,30-31]。

圖8 純KGM膜及不同干燥溫度制備的KNZ的水接觸角值（A）和水蒸氣透過率（B）Fig.8 Water contact angle (A) and water vaper permeability(B) of pure KGM film and KNZ dried at different temperatures

3 結論

不同干燥條件下，KNZ的微觀結構和理化性能存在顯著差異。干燥溫度較低時（30 ℃），干燥時間長，分子遷移時間增加，NZ聚集和交聯的機會加大，KNZ內NZ聚集的顆粒大小不一，分布不均勻。在適宜干燥溫度下（40、50、60 ℃），NZ與 KGM相容性更好，NZ在KGM基質中分散較均勻，復合膜微觀結構致密；復合膜的機械和疏水性能顯著優于其他組（P＜0.05）；尤其 40 ℃ KNZ具有較好的物性學性能，其熱分解溫度（334.6 ℃）和拉伸強度（79.27 MPa）最大，溶解率（19.99%）和水蒸氣透過率（7.641×10-13g·cm/（cm2·s·Pa））最小。干燥溫度較高時（＞70 ℃），溶劑揮發速率加大，分子間運動劇烈，NZ二級結構可能發生變化，結構重排導致聚集顆粒較大，復合膜的微觀結構較松散。綜上，40 ℃干燥獲得的KNZ的理化性能最佳。本文研究了不同干燥溫度對KNZ微觀結構和理化性能的影響，關于40 ℃ KNZ的成膜過程及成膜過程中分子的自組裝行為還需深入研究，為膜材料的結構設計和性能調控提供理論基礎。