瓊脂/魔芋葡甘聚糖/乙基纖維素復合膜的制備與性能分析

胡婉婷，羅 曼，陸潔儀，黃雨純，喬冬玲

（湖北工業大學生物工程與食品學院，湖北武漢 430068）

塑料食品包裝材料不可生物降解的特性造成了嚴重的環境污染問題，部分塑料成分在與食物接觸時可能遷移到食物中，進而對人體產生不利影響[1]。因此，可降解和安全無毒的天然生物高分子材料被廣泛應用于食品包裝的研發中[2]。然而單一的天然高分子薄膜材料存在一定的缺陷，如多糖膜的機械性能和耐水性較低，無法滿足食品包裝材料的需求。為了解決這些問題，將不同特性的天然高分子材料進行復配成為了天然高分子材料研發的一大趨勢。

魔芋葡甘聚糖（konjac glucomannan，KGM）是魔芋屬植物根和塊莖中存在的一種水溶性中性多糖，已廣泛應用于食品加工和生物醫用材料中[3]。但KGM主鏈上存在羥基和乙酰基，使KGM 膜具有很強的親水性，限制了其在食品包裝上的應用。其中，Zou 等[4]將KGM 與玉米直鏈淀粉共混得到復合膜，通過對復合薄膜表征的測定，結果表明KGM 與淀粉通過氫鍵相互作用，產生顯著的協同效應，從而改善KGM 膜的力學性能和耐水性。Li 等[5]通過流延法制備KGM/玉米醇溶蛋白復配膜，與純KGM 膜和玉米醇溶蛋白膜相比，復配膜的水蒸氣透過率降低，機械性能增強。瓊脂（agar）是一種線性多糖，由β-1,3-連接的D-吡喃半乳糖和α-1,4-連接的3,6-脫水-L-吡喃半乳糖組成，具有部分側鏈取代基，如硫酸酯、甲氧基和丙酮酸[6]。目前，瓊脂因其優良的成膜能力、熱塑性、生物相容性、生物降解性而被廣泛用于食品包裝材料。但由于瓊脂鏈之間的強烈相互作用，瓊脂膜的延展性有限[7]。前期研究中，我們發現KGM 與瓊脂能夠通過氫鍵相互作用形成互穿網絡，并且實驗表明瓊脂/KGM 復合膜的配比為76:24 時，復合膜的結構較為致密，機械性能較強，但耐水性還有待提高[8]。

乙基纖維素（ethyl cellulose，EC）是由堿式纖維素與氯乙烷相互反應而制成的纖維素醚，纖維素主鏈上的羥基部分被乙基取代，是一種穩定的疏水生物聚合物[9]。Li 等[10]制備KGM/EC 復配膜，與KGM 膜相比，KGM/EC 復合膜的抗濕性、熱穩定性、拉伸強度和斷裂伸長率均有所提高。Wu 等[11]通過調節EC 組分的比例來控制KGM/EC 復合膜的親疏水性和力學性能。

因此，本研究將瓊脂、KGM、EC 三者進行復配，制備具有一定機械性能和耐水性的瓊脂/魔芋葡甘聚糖/乙基纖維素（agar/konjac glucomannan/ethyl cellulose，AKE）三元復合膜，通過掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）、傅里葉紅外光譜儀（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）以及X 線衍射儀（X-ray diffraction，XRD）等對復合膜進行表征，并對復合膜的機械性能、耐水性和水蒸氣透過性能進行了測試。本研究為食品包裝膜提供了一種新的選擇，為KGM 基復合膜的廣泛應用提供了參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

魔芋葡甘聚糖分子量（MW）為9.67×105Da 湖北強森魔芋有限公司；低溫速溶型瓊脂凝膠強度為750~1000 g/cm2中國山東青島海之林有限公司；乙基纖維素（黏度為60~80 mPa·s）、檸檬酸三乙酯 分析純，上海麥克林生化有限公司；乙酸乙酯 分析純，西隴化工股份有限公司。

DK-S22 電熱恒溫水浴鍋 上海精宏實驗設備有限公司；JE1002 型電子天平 上海浦春計量儀器有限公司；S20-Pro 型電子攪拌器 大龍興創實驗儀器（北京）有限公司；UFE600 型烘箱 德國MEMMERT公司；JSM6390LV 型掃描電鏡 日本電子儀器有限公司；CH-1-S 千分手式薄膜測厚儀 上海六菱儀器廠；TA-XT Plus 型質構儀 英國Stable Micro Systems公司；D8-A 型X 射線衍射儀 德國布魯克有限公司；VERTEX 70 傅立葉紅外光譜儀 德國布魯克有限公司；W3/031 型水蒸氣透過率儀 濟南蘭光機電技術有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 AKE 復合膜的制備 參照文獻中[8,11]的方法，按照表1 中固形物配比稱取原料。將低溫速溶型瓊脂溶解于盛有200 mL 去離子水的三口瓶中，90 °C水浴快速攪拌15 min，取適量的KGM 與之混合，使用電子攪拌器在600 r/min 下攪拌2 h 獲得瓊脂/KGM溶液。將EC 與檸檬酸三乙酯（添加量為EC 的50%）溶解到乙酸乙酯中（EC 與乙酸乙酯的料液比為1:50 g/mL），在600 r/min、30 °C 條件下攪拌1 h 獲得EC 溶液。將瓊脂/KGM 溶液降溫至60 °C 后加入EC 溶液，并提高轉速至900 r/min，攪拌30 min，獲得穩定的AKE 復配溶液。后將該復配溶液倒入28.0 cm×28.0 cm×1.5 cm 的玻璃板中，于60 °C 烘箱中干燥10 h，干燥后將膜揭下。所有膜樣品均在溫度為（25±1）°C、相對濕度為（50%±2%）的環境中平衡。

表1 AKE 復合膜的組分配比Table 1 Composition ratio for the AKE composite films

1.2.2 掃描電子顯微鏡（SEM）分析 根據文獻[12]中的方法，利用SEM 觀察復合膜的微觀形貌；將復合膜分為兩組，一組在液氮中淬斷得到低溫淬斷截面；另一組通過方法

1.2.5 拉伸測試獲得拉伸斷裂截面。樣品在真空度為7.5 Pa 的大氣壓下進行噴金，加速電壓為30 kV，1000×下觀察復合膜的截面。

1.2.3 傅立葉紅外光譜（FTIR）測試 采用傅立葉紅外光譜儀（FTIR）檢測復合膜的ATR-FTIR 光譜。檢測前將所有樣品膜裁剪成1.5 cm×1.5 cm 大小的試樣，在60 °C 烘箱干燥48 h。收集4000~650 cm?1范圍內的掃描光譜，掃描32 次，分辨率為4 cm?1。

1.2.4 X-射線衍射（XRD）測定 參照文獻[13]中的方法，采用D8 Advance X 射線衍射儀，以40 kV 和30 mA 的電壓對樣品膜的結晶結構進行測定。XRD 曲線在4~40°范圍內每2θ記錄一次，步長為0.02°，步速為每步0.5 s。

1.2.5 機械性能測定 根據ASTM-D-882-91 標準方法，使用質構儀測試復合膜的機械性能。測試前，將復合膜裁剪為5 mm×50 mm 的樣條，復合膜的厚度用千分尺測定。將復合膜樣條夾在夾具間，測試夾具間距30 mm，測試速度為0.5 mm/s。復合膜的拉伸強度和斷裂伸長率分別按公式（1）、（2）計算。拉伸強度（MPa）由最大負荷（N）比上膜橫截面積計算而得，斷裂伸長率（%）由有效標線部分（兩夾具間）拉斷時長度增加量與初始有效標線部分（兩夾具間）長度的百分比計算而來。

式中：Fmax為最大載荷（N）；T 為膜的膜厚（mm）；W 為膜的膜寬（mm）；L0為膜斷裂前的長度（mm）；L 為膜斷裂后的長度（mm）。

1.2.6 溶脹率與溶失率測定 采用文獻[14]報道的方法測定復合膜的溶脹率和溶失率，將復合膜裁剪成2 cm×2 cm 大小的試樣，于105 °C 下干燥1 h，后置于干燥器中冷卻至室溫，稱重（m1）。將其浸入盛有30 mL 去離子水的培養皿中，在（25±0.5）°C 環境中溶脹5 h。然后將樣品拿出用濾紙去除殘留在表面的多余水分，并稱重（m2）。溶脹率根據公式（3）計算：

式中：m1為浸入水中之前樣品的干重（mg）；m2為浸泡5 h 后樣品的重量（mg）。

復合膜剪成2 cm×2 cm 大小的試樣，置于105 °C下干燥1 h，冷卻至室溫，稱重（W0）。后將樣品條浸入到去離子水中，于（25±0.5）°C 下靜置24 h，后將復合膜取出在105 °C 下干燥5 h，置于干燥器中冷卻至室溫，稱重（W1）。溶失率由公式（4）計算：

式中：W0為浸入水中之前樣品的干重（mg）；W1為浸泡24 h 并于105 °C 下干燥5 h 后的樣品重量（mg）。

1.2.7 水蒸氣透過率測定 采用水蒸氣透過率測定儀測試復合膜的水蒸氣透過率（g·cm/（cm2·s·Pa）），此儀器采用國家標準GB/T 1037-1988 設計制造。透濕杯的底部加入25 mL 去離子水，將裁剪好的復合膜片（膜片直徑為60 mm）放入透濕杯上部，完全覆蓋杯口并固定，組裝好透視杯后將其放入測試腔體。測試腔體的溫度為25 °C，相對濕度為50%。水蒸氣透過率由公式（5）計算：

式中： Δm 是時間Δt（s）時間內透濕杯的增重（g）；L 是薄膜的厚度（cm）；A 是薄膜的暴露面積（cm2）；ΔP 是水蒸氣分壓（Pa）。

1.3 數據處理

所有實驗都至少對每個樣品進行三次重復。使用Origin 2018、SPSS 25、Omnic 3.2 等軟件進行統計分析和圖形繪制。以P值小于0.05 的Turkey 法進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 復合膜的微觀結構

采用掃描電子顯微鏡對復合膜的截面（低溫淬斷、拉伸斷裂）進行觀察，考察組分間的相容性和復合膜的微觀結構。從圖1a 可見，AK 膜低溫淬斷的截面均勻光滑，無肉眼可見的微米級相分離特征。與AK 膜相比，AKE 復合膜中瓊脂/KGM 連續相中嵌入了橢圓EC 顆粒，且隨著EC 含量的增加，EC 顆粒增多。結果表明，EC 分子鏈隨著溶劑中乙酸乙酯的揮發而相互聚集。這與之前KGM/EC 復合膜觀察到的現象一致[11]。與液氮淬斷截面相比（圖1a），圖1b 中AKE 復合膜拉伸斷面出現了較多的孔洞，且其機械斷面較為粗糙，這主要是由于在外力拉伸作用下，由于分子鏈的延展性，使得復合膜隨著外力的作用不斷被拉長直至斷裂，被拉長后斷裂的截面較為粗糙。

圖1 不同EC 含量的AKE 三元復合膜的（a）液氮淬斷截面與（b）機械拉斷截面的SEM 圖Fig.1 SEM images of fracture surface obtained by manually breaking the films frozen by liquid nitrogen (a) and mechanically breaking (b) for AKE ternary composite films with different EC contents

2.2 傅里葉紅外光譜分析（FTIR）

如圖2 所示，EC 膜在3470、2954~2850、1740、1450、1375 cm?1處的吸收峰歸因于-OH、-CH、C-O、-CH3、-CH2的伸縮振動。AKE 膜在3355 cm?1顯示出較寬的與-OH 基團伸展振動相關的吸收峰[15]。2916 cm?1處的吸收峰與瓊脂中糖環上次甲基鍵相關的C-H 伸展有關[16]；2883 cm?1處的峰與KGM 中甲基C-H 拉伸振動有關，1731 cm?1處的峰與KGM 中乙酰基伸展有關[13]。1640 cm?1處由于瓊脂中胺（-NH）和丙酮基團形成的共軛肽鍵的伸縮振動，1372 cm?1處與瓊脂中側鏈取代基硫酸酯有關[17]。1064、1035、930 cm?1處的峰與瓊脂中3,6-脫水半乳糖的C-O 拉伸振動有關[18]。871、805 cm?1處的收縮振動峰與KGM 中的甘露糖相關[19]。對于復合膜，主要基團的峰位沒有變化，說明AK 和乙基纖維素之間沒有形成新的化學鍵。在3400~3200 cm?1的寬譜帶歸因于-OH 的伸縮振動，隨著EC 含量的增加，-OH 基團的伸縮振動峰的位置發生了變化，波數從3355 cm?1降低至3287 cm?1，這可能是因為復合膜中EC 分子鏈未完全延展，疏水基團相互聚集，分子間氫鍵減弱[20]。

圖2 AK 膜、EC 膜、不同EC 添加量的AKE 三元復合膜的FTIR 光譜Fig.2 FTIR spectra of AK film, EC film and AKE ternary composite film with different EC content

2.3 X-射線衍射分析（XRD）

由圖3a 可知，EC 膜在8.5°和20.4°處出現了強衍射峰，其中，8.5°為結晶峰，20.4°為非結晶峰[21]。瓊脂膜在13.8°和19.3°處顯示出特征衍射峰，主要由瓊脂分子中的半乳糖鏈結晶所產生[22]。在AKE 三元復合膜中，隨著EC 含量的增加，13.8°處的衍射峰逐漸減弱，表明EC 的加入抑制了瓊脂的結晶，使復合膜中的無定形結構增加。纖維素納米晶/雙醛葡甘聚糖/明膠膜的XRD 譜圖也發生了類似的變化[23]。

圖3 EC、AK、瓊脂膜（a）和不同EC 添加量AKE 復合膜（b）的XRD 衍射圖Fig.3 X-ray diffraction pattern of EC, AK, agar film (a)and AKE composite films with different EC content (b)

2.4 機械性能分析

拉伸強度和斷裂伸長率可以用于評價膜的機械強度和延展性。圖4 顯示了不同EC 添加量對復合膜的拉伸強度和斷裂伸長率的影響。圖4a 顯示，隨著EC 含量的增加，復合膜的拉伸強度逐漸降低，這可能是由于EC 在瓊脂/KGM 復合膜中發生聚集，形成顆粒，且粒徑分布不均所致，這與前文中SEM 圖顯示的EC“團聚”粒子表現一致。該結果與殼聚糖/乙基纖維素微球復合膜中EC 的表現類似[24]。圖4b 顯示，隨著EC 添加量的增加，復合膜的斷裂伸長率先上升后下降，當EC 的添加量為25%時，復合膜的斷裂伸長率達到最大值，為15.08%。此結果表明添加適量的EC 組分可以提高瓊脂/KGM 復合膜中分子鏈的延展性[15,23]，但當EC 的添加量增加到一定程度時，復合膜中聚集的EC 粒子過多，降低了互穿網絡的連續性，使復合膜的結構松散[25]。這與卡拉膠與木質纖維素[26]、殼聚糖與納米纖維素[27]等復合膜的結果類似，過量的乙基纖維素會在瓊脂/KGM 復合膜中聚集，從而降低復合膜微觀結構的連續性，導致其機械性能降低。

圖4 不同EC 添加量AKE 三元復合膜的拉伸強度（a）和斷裂伸長率（b）Fig.4 The tensile strength (a) and elongation at break (b) of AKE composite films with different EC content

2.5 復合膜耐水性分析

耐水性指材料浸濕后，抵抗水的破壞作用的能力。其中，溶脹率、溶失率和水蒸氣透過率是考察復合膜耐水性的重要指標。復合膜中EC 組分耐水性最強，瓊脂次之，KGM 最弱，且KGM 膜能在水中100%溶解[4]。圖5a、圖5b 為復合膜溶脹率與溶失率的結果圖。從圖中可知，隨著EC 含量的升高，復合膜的溶脹率和溶失率顯著減少（P＜0.05），這主要由EC 的疏水性所致。當EC 添加量超過25%時，大量的EC 顆粒使復合膜結構的致密性下降，水分子更容易滲透進復合膜內部，導致親水性多糖溶于水，溶失率提高。

圖5 不同EC 添加量下復合膜的溶脹率（a）、溶失率（b）與水蒸氣透過率（c）Fig.5 Swelling rate (a), dissolving rate (b) and water vapor transmittance (C) of composite films with different EC content

水蒸氣透過性能是衡量包裝材料阻隔外界水氣對食品侵蝕的一個重要指標。水蒸氣透過薄膜的過程屬于活化擴散，主要為水分子在薄膜水蒸氣分壓高的一側聚集，在薄膜基質中遷移直到薄膜另一側揮發出去。圖5c 表明，隨著EC 的加入，復合膜的WVP明顯降低，未添加EC 的AK 復合膜的WVP 為13.19×10?12·g·cm/（cm2·s·Pa），而EC 添加量為25%的AKE復合膜WVP 為9.88×10?12·g·cm/（cm2·s·Pa），降低了25.09%。一方面是因為疏水性的EC 分散在復合膜中導致水蒸氣擴散的曲折路徑增加[28]，另一方面是因為EC 與瓊脂/KGM 組分之間存在較強的相互作用，降低了復合膜中分子鏈間的自由體積，導致水蒸汽滲透性降低[29]。但當EC 添加量達到30%時，復合膜的水蒸氣透過率開始增大，進一步說明了過量的EC 粒子團聚降低了復合膜的致密性。

3 結論

本研究通過在瓊脂/KGM 復合體系中加入乙基纖維素，成功制備了AKE 三元復合膜。SEM 表明，部分EC 組分以“顆粒”的形式分布于復合膜中。XRD 顯示EC 的添加抑制了復合膜體系中瓊脂的結晶。隨著EC 含量的增加，AKE 復合膜的延展性和耐水性呈現出先增強后降低的趨勢，當EC 的添加量為25%時，復合膜的斷裂伸長率達到最大值，為15.08%，且水蒸氣透過率最低，為9.88×10?12·g·cm/（cm2·s·Pa）。綜上所述，乙基纖維素的加入提高了復合膜的延展性與耐水性，使AKE 復合膜在食品包裝上具有更加良好的應用前景。