殼聚糖/玉米醇溶蛋白復合膜的制備及表征

趙珺，何珊，李俊博，湯琦龍，劉通

(長春大學 食品科學與工程學院，長春 130022)

從古到今，保鮮食品的方法一直是研究的熱點，尤其是果蔬、肉類等產品的保鮮。最近幾年，采用殼聚糖與其他功能性物質相結合，制備可食膜涂膜保鮮果蔬已經成為研究熱點。殼聚糖廣泛存在于各類魚、蝦、蟹等甲殼類動物的內部基質外殼中,也大量存在于高等植物的內部基質細胞壁和一些小型昆蟲、真菌等的內部基質細胞膜中[1]，是唯一的天然非有機多糖[2]。殼聚糖膜有選擇滲透的作用，包裹果蔬可以在膜內形成一個低氧氣濃度的貯藏環境，從而達到類似氣調保鮮的效果，抑制果蔬的呼吸作用，延長果蔬的貨架期[3]。同時殼聚糖還具有廣譜抑菌性,被廣泛應用于天然有機食物例如果蔬、肉類保鮮的研發中，此外，殼聚糖制成的膜具有良好的機械性能和可降解性能[4-5]。但單一殼聚糖保鮮材料存在機械強度及柔韌性較差、對水蒸氣透過率高、防潮性能差等缺點，極大地限制了其應用。適當添加可食用性天然物質制成復合膜不僅能保留其原有的機械性能，而且可以使其具有更多特性，如阻油、阻水、阻氧等。玉米醇溶蛋白富含玉米疏水蛋白基團,可以有效抑制體內水分的流失,延緩內含物的分解和減少外界環境中氧氣、二氧化碳等對各類食品的不良影響,降低食物的呼吸強度,抑制各類食品表面有害微生物的大量繁殖,并有效延長各類食品的貨架期，具有極大的商業價值[6-7]。因此，本文用玉米醇溶蛋白作為增強材料，與殼聚糖相結合，考察復合膜的機械性能、疏水性能、阻隔性能等，為其在食品保鮮及包裝領域的應用提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

玉米醇溶蛋白(蛋白質含量 91.2%)：廣州福樂康生物科技有限公司；殼聚糖(脫乙酰度 80%～95%)：國藥集團化學試劑有限公司；檸檬酸(分析純)：天津市致遠化學試劑有限公司；80%乙醇(分析純)：天津市富宇精細化工有限公司；甘油(分析純)：天津市大茂化學試劑廠。

1.2 儀器與設備

DF-101S恒溫磁力加熱攪拌器 鞏義市予華儀器有限責任公司；PTY-A220電子天平 華志(福建)電子科技有限公司；QJ210-50N電子萬能實驗機、Nicolet iS5紅外光譜分析儀 吉林省華業科教儀器設備有限公司；H346數顯薄膜測厚儀 廣州信和光柵數顯有限公司；T-6VM紫外分光光度計 南京菲勒儀器有限責任公司；Bruker X射線衍射儀 德國布魯克公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 殼聚糖/玉米醇溶蛋白復合膜的制備

首先配制4%的檸檬酸溶液，加入一定量的殼聚糖溶解，得到黏稠的殼聚糖乙酸溶液。在80%乙醇溶液中倒入玉米醇溶蛋白，水浴加熱30 min后，將兩份溶液按1∶1混合，同時加入甘油，60 ℃攪拌均勻，利用超聲波技術去除上層氣泡，取膜液倒入蒸發皿，于恒溫干燥箱中烘干成膜。揭膜后，進行膜性能的測定試驗。

1.3.2 殼聚糖/玉米醇溶蛋白復合膜制備條件的單因素試驗

以復合膜的拉伸強度及延伸率為考核指標，分別考察玉米醇溶蛋白/殼聚糖復配比、甘油添加量、鋪膜液體積3個單因素對殼聚糖/玉米醇溶蛋白復合膜制備條件的影響。取5份玉米醇溶蛋白，每份0.25 g，分別置于5個100 mL的小燒杯中，向每個燒杯中加入50 mL 80%乙醇溶液。將5份裝有玉米醇溶蛋白溶液的小燒杯轉移至集熱磁力攪拌器中，于60 ℃恒溫加熱30 min。稱取0.75，0.875，1.0，1.15，1.5 g殼聚糖分別加水溶于4%的檸檬酸溶液。待殼聚糖充分溶解后，將兩份溶液混合，向燒杯中分別加入200，225，250，275，300 mL甘油，用保鮮膜密封混合物并轉移至設定溫度為60 ℃的水浴鍋中。加熱攪拌后，取出15，20，25，30，35 mL溶液，均勻鋪于培養皿中。在恒溫恒濕箱中干燥后，得到復合膜，測量其拉伸強度及延伸率，確定復合膜的最佳制備條件。

1.3.3 殼聚糖/玉米醇溶蛋白復合膜制備條件的響應面試驗設計

通過單因素試驗結果，確定響應面試驗的各因素設計水平,以玉米醇溶蛋白/殼聚糖復配比、甘油添加量、鋪膜液體積為因素,以拉伸強度(TS)為響應值,采用Box-Behnken試驗方法進行因素設計,確定復合膜的最佳工藝參數,具體因素水平設計見表1。

表1 Box-Behnken試驗因素水平表Table 1 Factors and levels of Box-Behnken test

續 表

1.3.4 膜拉伸強度(TS)/延伸率(E)的測定

測量條件:拉伸速度為50 mm/min,間距為30 mm,環境溫度為(3±1)℃,相對濕度為(50±1)%。每個試樣做3個平行試驗,取平均值,按照下式計算拉伸強度：

TS=F/(b×d)。

式中：F為斷裂強力，N；b為試樣寬度，mm；d為膜厚度，mm。

1.3.5 傅里葉變換紅外光譜測定

采用傅里葉紅外光譜儀測量殼聚糖/玉米醇溶蛋白復合膜、單一玉米醇溶蛋白膜和單一殼聚糖膜的紅外光譜，掃描范圍為500～4 000 cm-1，分析各物質的紅外光譜，以判斷樣品表面基團的變化。

1.3.6 X射線衍射(XRD)的測定

使用Bruker X射線衍射儀進行測定。測定條件:X光電射線源介質為白色鎳濾Cuka(40 kV,40 mA),掃描運行角度10°～80°,掃描運行速度大約為5°/min。

1.3.7 表面接觸角的測定

用靜態接觸角測定儀測定空氣中水滴在殼聚糖/玉米醇溶蛋白復合膜和單一殼聚糖膜的表面接觸角。測量水滴的體積為5 μL，在測試樣品的3個不同位置進行測量，取平均值。

2 結果與分析

2.1 玉米醇溶蛋白/殼聚糖復配比對復合膜TS/E的影響

圖1 玉米醇溶蛋白/殼聚糖復配比對復合膜TS/E的影響Fig.1 Effect of zein/chitosan compound ratio on TS/E of composite membrane

由圖1可知,殼聚糖質量分數從1∶3增加至1∶4時,膜的拉伸強度顯著提高,這主要是由于殼聚糖與甘油分子之間的兩個氫鍵和共價的氫鍵在濕熱高壓條件下相互作用，使膜的結構更加致密。但當殼聚糖添加量過多時，較高濃度的殼聚糖分子影響了溶劑的揮發性，從而降低了復合膜的機械性能。復合膜的拉伸強度與延伸率呈負相關，這是因為加入玉米醇溶蛋白增強了復合膜的硬度，從而使復合膜的拉伸強度增強，延伸率降低，這種趨勢與張一妹[8]制備的可食用性殼聚糖復合膜的抗拉強度與延伸率變化相同。

2.2 甘油添加量對殼聚糖/玉米醇溶蛋白復合膜TS/E的影響

圖2 甘油添加量對殼聚糖/玉米醇溶蛋白復合膜TS/E的影響Fig.2 Effect of glycerin addition amount on TS/E of chitosan/zein composite membrane

由圖2可知,甘油添加量逐漸增加至0.25%時,復合膜的拉伸強度逐漸提高，這主要是由于甘油是一種低溫高分子量化學物質,可與蛋白質的親水基團相結合,使得玉米醇溶蛋白分子將甘油包裹在一起,從而增強復合膜的機械性能[9-10]。但當甘油添加量過多時,復合膜的拉伸強度減弱，這是因為玉米醇溶蛋白的結晶區和殼聚糖的結晶區細胞遭到嚴重破壞,非結晶區細胞所占比例明顯增大,增加了大細胞分子鏈的橫向移動。復合膜的拉伸強度與延伸率呈負相關，原理同上。

2.3 鋪膜液體積對殼聚糖/玉米醇溶蛋白復合膜TS/E的影響

圖3 鋪膜液體積對殼聚糖/玉米醇溶蛋白復合膜TS/E的影響Fig.3 Effect of membrane spreading solution volume on TS/E of chitosan/zein composite membrane

由圖3可知，隨著鋪膜液體積的增大，復合膜拉伸強度先逐漸提高后趨于穩定。當鋪膜液體積在20～25 mL時，干燥后的復合膜厚度均勻，質量均一，其拉伸強度明顯提高；當鋪膜液體積大于25 mL時，干燥后的膜過厚且拉伸強度沒有明顯提升，所以確定復合膜的鋪膜液體積在20～30 mL時拉伸強度最佳。復合膜的拉伸強度與延伸率呈負相關，原理同上。

2.4 響應面試驗設計與結果分析

2.4.1 響應面試驗設計

基于單因素試驗結果,采用響應面法進行優化。以玉米醇溶蛋白/殼聚糖復配比(A)、甘油添加量(B)、鋪膜液體積(C)為響應因素,以拉伸強度(TS)為響應值,采用Box-Behnken試驗進行設計,確定復合膜的最佳制備工藝參數,試驗設計及結果見表2，方差分析結果見表3。

表2 Box-Behnken試驗設計與結果Table 2 Design and results of Box-Behnken test

表3 響應面試驗方差分析表Table 3 Variance analysis of response surface test

續 表

以復合膜的拉伸強度為目標函數，進行多元回歸擬合，得到二次回歸方程：Y=9.430 00+1.068 75A+0.216 250B+0.037 500C+0.335 000AB-0.172 500AC-1.112 50BC-1.945 00A2-3.500 00B2-2.587 50C2。對模型進行顯著性分析，由表3可知，該模型的F值為51.55(P<0.000 1)，說明建立的二次多項模型具有高度的顯著性，失擬項的F值為3.32(P=0.138 6>0.05)，失擬結果不顯著，表明未知因素對試驗結果的干擾較小，該模型具有統計學意義[11]。模型的確定系數R2=0.985 1，表明該模型擬合度較好，且試驗誤差較小，能夠較好地描述復合膜的拉伸強度與玉米醇溶蛋白/殼聚糖復配比、甘油添加量、鋪膜液體積之間的關系。

由表3可知，該模型的一次項A(玉米醇溶蛋白/殼聚糖復配比)達到了極顯著水平，B(甘油添加量)、C(鋪膜液體積)不顯著。二次項A2、B2、C2達到極顯著水平。交互項AB、AC不顯著，BC達到顯著水平。各因素對復合膜拉伸強度的影響排序為玉米醇溶蛋白/殼聚糖復配比>甘油添加量>鋪膜液體積。

為進一步研究各因素的交互作用，利用Design Expert 12軟件繪制響應面和等高線分析圖(見圖4)，等高線形狀可反映交互作用的強弱。由圖4可知，響應值存在最大值，各交互因素的最佳作用點基本都落在試驗范圍內，說明此響應面試驗設計較為合理[12-13]。交互項AB、AC不顯著，BC達到顯著水平，這與方差分析結果一致。

圖4 交互效果響應面和等高線圖Fig.4 Response surface diagrams and contour plots of interactive effects

2.4.2 驗證試驗

采用Design Expert軟件，得出最佳的制膜工藝：玉米醇溶蛋白/殼聚糖復配比為1∶4，甘油添加量為0.250 43%，鋪膜液體積為25.22 mL。為了進一步保證試驗結果的準確性，對預測結果進行了驗證。為了便于實際操作，調整工藝參數為玉米醇溶蛋白/殼聚糖復配比1∶4、甘油添加量0.25%、鋪膜液體積25 mL。驗證結果為復合膜的拉伸強度9.99 MPa，延伸率19.33%。實際值與理論值相近，因此回歸方程能可靠預測復合膜的制備工藝。

2.5 傅里葉變換紅外光譜結果分析

圖5 CS、Zein、CS-Zein紅外光譜圖Fig.5 FTIR spectra of chitosan, zein, chitosan/zein

由圖5可知，單一殼聚糖膜的紅外光譜在3 400～3 100 cm-1之間的吸收振動帶為-OH鍵的伸縮振動[14]。在1 640，1 550 cm-1處的吸收雙峰分別對應單一殼聚糖的酰胺輔酶Ⅰ吸收帶和酰胺Ⅱ吸收帶[15]。在1 045 cm-1處的動態吸收峰對應殼聚糖的β(1→4)鍵和糖苷鍵的基本特征動態吸收峰。當加入玉米醇溶蛋白后，殼聚糖/玉米醇溶蛋白復合膜的紅外光譜在3 280 cm-1處峰形變寬，其原因是玉米醇溶蛋白的混合增加了殼聚糖的氨基和羥基的數量，使此區域的氫鍵增多。在1 550 cm-1處的吸收峰有所減弱是因為殼聚糖與玉米醇溶蛋白某些基團發生了交聯作用。在1 183 cm-1處沒有出現明顯的蛋白吸收峰是因為殼聚糖功能分子與玉米醇溶蛋白分子側鏈連接在一起,發生了糖基化結合反應,引入了一種相應的功能分子基團,導致醇溶蛋白側鏈發生振動,并由此產生了一個相應的蛋白吸收峰。圖5中樣品紅外峰值與文獻[16]對玉米醇溶殼聚糖分子復合型薄膜紅外光譜的相關研究結論基本一致,由此表明復合薄膜中的殼聚糖和玉米醇溶蛋白之間已經發生了交聯作用。

2.6 X射線衍射(XRD)結果分析

圖6 CS、CS-Zein的X射線衍射圖Fig.6 X-ray diffraction diagrams of chitosan and chitosan/zein

殼聚糖膜作為一種易于熱處理結晶的新型低溫高分子有機化學聚合物,分子內部存在較強的氫鍵作用,分子外部結構致密,存在衍射晶型Ⅰ和晶體Ⅱ兩種晶形。由圖6可知,殼聚糖膜在2θ=21°左右經熱處理明顯出現較強的衍射峰[17]。而添加玉米醇溶蛋白后強度明顯降低，說明無定形的玉米醇溶蛋白與殼聚糖在成膜過程中發生了交聯作用，破壞了殼聚糖分子間的氫鍵[18]，從而使殼聚糖和玉米醇溶蛋白分子鏈間相互纏繞，形成了較穩定的復合體結構，因此玉米醇溶蛋白和殼聚糖成膜基材的相容性極好。

2.7 復合膜水接觸角分析

圖7 殼聚糖膜(a)、殼聚糖/玉米醇溶蛋白復合膜(b)接觸角的對比圖Fig.7 Comparison of contact angles of chitosan membrane (a) and chitosan/zein composite membrane (b)

由圖7可知，殼聚糖膜的接觸角為54.45°，殼聚糖/玉米醇溶蛋白復合膜的接觸角為86.17°，殼聚糖膜的疏水性明顯低于復合膜。這是因為玉米醇溶蛋白與殼聚糖在加熱過程中，蛋白分子展開，疏水基團暴露在外，攜帶大量疏水基團的蛋白質均勻分散在殼聚糖結構中，形成具有疏水性的殼聚糖復合膜[19-20]，在一定程度上降低了殼聚糖膜的高親水性，從而使水蒸氣的阻隔性能得到改善。

3 結論

本文確定了最佳復合膜制備工藝：玉米醇溶蛋白和殼聚糖的復配比(質量比)為1∶4，甘油添加量為0.25%，鋪膜液體積為25 mL。由傅里葉紅外光譜分析結果可以明顯看出殼聚糖/玉米醇溶蛋白復合膜與單一殼聚糖膜相比已經發生了特征峰的移動,說明殼聚糖/玉米醇溶蛋白復合膜的各物質之間發生了交聯作用,并通過X射線與接觸角衍射試驗進一步研究證實,相比于單一殼聚糖膜，適當添加玉米醇溶蛋白后復合膜的疏水性能明顯提升。因此，復合膜具有更好的保鮮功能，能有效延長乳制品、果蔬、肉類食品的貨架期，有望作為新型綠色包裝材料，為其在食品包裝方面的應用提供了新思路。