魔芋葡甘聚糖/乙基纖維素/玉米醇溶蛋白復合膜的制備與性能表征

鄢 煦，陶宇軒，葉子健，朱丹丹，肖 滿，吳 考

（湖北工業大學生物工程與食品學院，湖北武漢 430068）

隨著社會經濟的發展、人民消費水平的提升，食品包裝材料的消耗量日益增加。雖然石油基塑料包裝材料成本低廉，但其大量使用已經對生態環境造成了嚴重的污染[1]；同時，塑料包裝在加工過程中，通常會加入表面活性劑、穩定劑、增塑劑和抗氧化劑等，這些添加劑在高溫環境下會發生氧化和分解等化學反應，其產物會產生有害氣體和有毒物質（如CO、甲苯和甲醛等），從食品包裝材料遷移到被包裝食品中，危害消費者健康[2-3]。近些年隨著人們對生態環境問題的日益關注，世界各國均有出臺禁塑等相關法律法規并鼓勵發展可降解或可食性材料[4]。雖然多糖類和蛋白類成分均可成膜，但通常其成膜性較差（如淀粉、玉米醇溶蛋白）[5-6]，或性能較差（如魔芋葡甘聚糖、明膠等親水性過強，酪蛋白、大豆分離蛋白力學性質較差）[7-9]，因此近期研究通常將具有不同特性的天然高分子材料進行復配，來提升復合膜性質[6,8]。

魔芋葡甘聚糖（Konjac glucomannan，KGM）是魔芋根和莖中特有的天然無端基可溶性非離子型多糖[7]，具有良好的生物相容性和成膜性[10]，已被廣泛應用于食品加工和生物醫用領域[11]。但KGM分子鏈上存在大量的羥基和乙酰基，使得KGM膜具有很強的親水性，限制了其在食品包裝領域上的應用[12]。為提高KGM基膜的功能特性（如耐水性能、阻隔性能等），常將KGM和其他生物聚合物及其衍生物混合制膜。例如可得然膠[13]、瓊脂[14]、殼聚糖和淀粉[15-17]、細菌纖維素納米纖維[18]、玉米醇溶蛋白[6]、乙基纖維素[19]。其中，乙基纖維素（Ethyl cellulose，EC）是由纖維素堿化后與氯乙烷反應生成的一種非離子型纖維素醚，其纖維素主鏈上的羥基部分被乙基取代，具有較好的穩定性和疏水性，在藥物領域通常用作薄膜的包衣材料[20]。但EC分子之間具備較強的相互作用，限制了EC純膜的延展性。前期研究發現，將KGM與EC復配，使兩者在合適的制備條件下通過氫鍵形成互穿網絡，可形成結構均一的KGM/EC復合膜且耐水性和力學性能均可提升，其最優KGM/EC復合配比為70:30[20]。玉米醇溶蛋白（zein）來源于玉米，具有良好的生物相容性和生物可降解性，并且非極性氨基酸含量較高，阻隔水性能較高，透氣性較低，是一種穩定的疏水生物聚合物[6]。Wang等[6]發現與KGM純膜相比，KGM和zein制備的復合膜的耐水性能顯著更優，其機械性能、熱穩定性等也有所提高。Xiang等[21]將KGM與不同納米粒子進行復配，也發現zein納米粒子的添加使復合膜的微觀結構更加致密，其力學性能和熱穩定性也顯著提高。因此在合適條件下，將KGM、EC和zein制備成三元復合膜應有助于進一步提高薄膜的性能。

因此，本文以KGM、EC、zein為原料，將三者進行復配，制備出具有一定機械性能和耐水性能的復合膜。主要通過掃描電子顯微鏡（Scanning electron microscopy，SEM）、激光掃描共聚焦顯微鏡（Confocal laser scanning microscopy，CLSM）、傅里葉紅外光譜儀（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）、顯微紅外光譜儀（Microscopic Fourier transform infrared spectroscopy，Micro-FTIR）等對復合膜進行表征，并對復合膜的機械性能、水接觸角以及溶脹溶失等性能進行測試，分析其性能變化機制，為可食性包裝膜的制備提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

魔芋葡甘聚糖（Mw=9.67×105Da） 湖北強森魔芋科技有限公司；乙基纖維素 分析純，黏度為60～80 mPa·s，上海麥克林生化科技有限公司；檸檬酸三乙酯 分析純，上海麥克林生化科技有限公司；玉米醇溶蛋白 北京百靈威科技有限公司；無水乙醇、乙酸 均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

DK-S22電熱恒溫水浴鍋 上海精宏儀器設備有限公司；ME204電子天平 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；OS20-Pro電動攪拌器 美國塞洛捷克公司；BGZ-246電熱鼓風干燥箱 上海博迅醫療生物儀器股份有限公司；MDQ-30-30M數顯千分尺 日本三豐精密儀器有限公司；UPT-II-10T超純水機 四川優普超純科技有限公司；DSA25接觸角測量儀 德國克魯斯公司；TA.XT Plus質構儀 英國Stable Micro Systems公司；JSM6390LV掃描電子顯微鏡 日本電子株式會社；VERTEX70傅里葉紅外光譜儀 德國布魯克有限公司；TCS SP8激光掃描共聚焦顯微鏡 德國徠卡公司；Nicolet iN10顯微紅外光譜儀 賽默飛世爾科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 膜的制備 為了便于分析不同復合膜樣品的性質變化機理，本文所制備樣品均保持總固形物含量一致，在其他研究中，也通常固定總固形物含量來研究不同成膜成分對復合膜性質的影響等[20,22]。考慮到復合膜的疏水性質較為重要，本文制備樣品時，參考前期研究保持了較強疏水性成分EC含量為總固形物含量的30%不變[20]，然后研究zein的添加（伴隨著KGM含量的減少）對復合膜相關性質的影響。

根據樣品配方（表1），將KGM粉末分散于100 mL純凈水中，通過電動攪拌器在60 ℃下，600 r/min攪拌1.5 h，使其充分溶脹，制得KGM水溶液。將含有檸檬酸三乙酯（Triethyl citrate，TEC，基于總固形物含量的20%，w/w）的EC粉末分散于25 mL無水乙醇中，通過磁力攪拌器在40 ℃下，300 r/min攪拌1.0 h，使其充分溶解，制得EC溶液。室溫下，將zein粉末分散于5 mL無水乙酸中，通過磁力攪拌器在25 ℃下，300 r/min攪拌0.5 h，使其充分溶解，制得zein分散液。將轉速提高至1200 r/min，先將EC溶液加到KGM水溶液中，于60 ℃下繼續攪拌0.5 h，獲得KE混合溶液；再將zein分散液加到KE混合溶液，于60 ℃下繼續攪拌0.5 h，制得穩定的KEZ復合成膜液。隨后將其緩慢倒入玻璃板內（14 cm×14 cm×1.5 cm），置于60 ℃干燥箱中干燥10 h，制得復合膜樣品。所有樣品均放置在溫度為25 ℃，相對濕度為50%的環境中平衡48 h備用。

表1 KGM/EC/zein共混膜的配方Table 1 Formula of KGM/EC/zein blend films

1.2.2 激光掃描共聚焦顯微鏡觀察 參考Li等[23]的方法，使用CLSM觀察zein在KGM/EC/zein復合膜液中的形態和分布。使用羅丹明B對zein進行染色。首先，將4 mg羅丹明B溶解在1 mL RO水中，然后取20 μL染料溶液加入5 mL zein溶液中，以150 r/min的速度在25 ℃下混合15 min，讓染料與蛋白質充分混合，確保得到均勻分散的溶液；將染色的zein溶液滴入到KGM/EC混合溶液中，攪拌使其混合均勻，以制備染色的KGM/EC/zein復合成膜液，整個過程必須在避光條件下進行。將樣品液滴加在載玻片上，并蓋上蓋玻片，在552 nm的綠色激發波長進行觀察，每個樣品至少重復三次。

1.2.3 掃描電子顯微鏡觀察 參考Wu等[12]的方法，將膜樣品裁剪成4 mm×4 mm的尺寸大小觀察其表面形態；將膜樣品在液氮中冷凍脆斷后用于觀察其截面形態，將其粘貼在SEM載物臺上。測試條件：噴金壓力為7.5 Pa；噴金厚度為20 nm；噴金時間為90 s；加速電壓為30 kV，膜表面和截面的觀測倍數分別為×500、×1000。

1.2.4 傅里葉紅外光譜分析 將膜樣品裁剪成2 cm×2 cm的尺寸大小，使用傅里葉紅外進行衰減全反射光譜掃描。測試條件：測試溫度為25 ℃；掃描波長范圍為4000～500 cm-1；分辨率為0.5 cm-1；掃描次數為32次。測試前，所有膜樣品都需要在60 ℃的條件下平衡48 h。

1.2.5 顯微紅外光譜分析 參考Ishige等[24]的方法，將膜樣品裁剪成2 cm×2 cm的尺寸大小并平鋪于鍍金玻璃平板表面，在液氮冷卻條件下，采集空白鍍金玻璃平板表面背景紅外圖譜作為對照，利用反射法采用拼接模式測試選取區域內（400 μm×400 μm）各測試點的紅外圖譜，采用OMNIC Picta圖像處理軟件獲取復合膜中組分分子在不同波數下組分分布相圖。測試條件：光譜范圍為4000～675 cm-1，面掃范圍為0.9 cm×0.9 cm；拼接次數為9次；采樣間隔為100 μm×100 μm；光譜分辨率為8 cm-1。

1.2.6 力學性能測定 參考ASTM D882-09[25]標準方法，利用TA.XT Plus質構儀對膜的拉伸強度和斷裂伸長率進行測試。具體步驟為將膜樣品裁剪成0.5 cm×5 cm的長條，兩端分別預留1 cm用于拉伸固定，隨機取5個點使用數顯千分尺測量樣品膜厚，計算平均值。將長條兩端置于夾具并夾緊，采用Tension模式，記錄力和形變，每個樣品平行測試30次。測試條件：初始夾具間隔為3 cm；測試速度為0.5 mm/s；觸發力為5.0 N。拉伸強度和斷裂伸長率分別按公式（1）、（2）計算：

式中：P為最大負荷即拉力，N；b為膜的寬度，mm；d為膜的平均厚度，mm。

式中：L為膜斷裂前的最大長度，cm；L0為膜的起始長度，cm。

1.2.7 靜態水接觸角測定 利用配備CCD相機和圖像處理軟件的DSA25接觸角測量儀測試膜樣品的靜態水接觸角值。測試前將膜裁剪成3 cm×3 cm的長條，用雙面膠將其固定在載玻片上，將載玻片放在載物臺上，使用儀器配備的精密注射器將去離子水滴在膜與空氣接觸的表面。測試條件：水滴體積：2 μL；保持時間：60 s。

1.2.8 溶脹率和可溶性固體損失率測定 參考Wu等[12]的方法，使用數顯千分尺在樣品膜上隨機取點測量厚度，選取膜厚均一（50 μm）的部分裁剪成2 cm×2 cm的尺寸大小，于25 ℃的30 mL去離子水中浸沒5 h后取出，用吸水濾紙擦拭以除去多余的液體并稱重。溶脹率按照公式（3）計算：

式中：m1為 膜溶脹前的質量，g；m2為膜溶脹后的質量，g。

將膜樣品剪裁成3 cm×3 cm的尺寸大小，于25 ℃的100 mL去離子水中浸沒24 h后取出，然后置于105 ℃下干燥至恒重。可溶性固體損失率按照公式（4）計算：

式中：w1為 膜溶解前的質量，g；w2為膜干燥至恒重的質量，g。

1.3 數據處理

對于每個樣品，所有實驗至少平行三次，使用SPSS 19.0和Origin 2017進行數據統計分析和圖表的繪制，采用ANOVA進行圖基（Tukey's）差異分析，以P＜0.05為差異顯著。

2 結果與分析

2.1 成膜液及膜的微觀結構

通過CLSM觀察zein在KGM/EC/zein成膜液中的形態分布，如圖1所示（圖中紅色斑點代表zein）。結果表明，隨著zein含量的增加，其顆粒數量增多。當zein添加量＞9%時，聚集顆粒的尺寸明顯增大，分散均一性顯著下降。Zeng等[26]研究無定形淀粉與zein混合時報道過類似情況，其發現zein添加量過低時有利于混合物的連續形態，但當zein添加量過高時，將導致微相分離行為。因此在三元復合體系下，zein的添加量不宜超過9%。

圖1 KEZ混合溶液在25 ℃下的CLSM顯微圖像Fig.1 CLSM micrographs of KEZ mixed solutions at 25 ℃

使用SEM觀察K70E30復合膜和不同配方制備的KEZ復合膜的微觀形態，如圖2和圖3所示。結果表明，與K70E30復合膜相比，在KEZ復合膜中出現明顯的橢圓狀的顆粒，這可能是由于zein加入后分布于KGM/EC連續相中所導致的，并且隨著zein含量的增加，KEZ復合膜表面和截面從開始的微孔變得較為致密，最后出現較大的蛋白聚集體，這與CLSM結果一致。干燥過程中，乙酸的蒸發速率最慢，因此zein顆粒可嵌在KGM/EC形成的網絡結構當中，來實現多糖-蛋白分子互穿網絡化交聯并實現微孔隙填充[27]。K64E30Z6表面較為平整光滑，截面微小顆粒狀現象少，這是由于此配比下，zein分子與KGM分子和EC分子形成的氫鍵相互作用最強，其微孔結構填充達到最好，與KGM和EC分子間結合程度達到最優，使其復合膜結構最為致密。

圖2 K70E30復合膜及不同配方制備的KEZ復合膜的表面SEM圖Fig.2 SEM images of the surface of K70E30 blend film and KEZ blend films prepared with different formulae

圖3 K70E30復合膜及不同配方制備的KEZ復合膜的截面SEM圖Fig.3 SEM images of the cross-section of K70E30 blend film and KEZ blend films prepared with different formulae

2.2 膜的傅里葉紅外光譜分析

KGM膜、EC膜、zein膜、K70E30復合膜及不同配方制備的KEZ復合膜的紅外光譜圖如圖4所示。zein膜在3290、1650、1538、1450 cm-1處的吸收峰分別對應于-OH的伸縮振動、酰胺I帶中C=O和C-C的伸縮振動、酰胺Ⅱ帶中C-N和N-H拉伸振動、-CH3的伸縮振動[28]。1714 cm-1處的吸收峰與KGM中乙酰基的伸縮振動有關，873和805 cm-1處的吸收峰與KGM中特有的甘露糖有關[12]。2973、1735 cm-1處的吸收峰分別與EC中-CH2、C-O的伸縮振動有關[20]。復合膜含有KGM、EC和zein各自的特征吸收峰，且沒有新的吸收峰的出現，說明各組分未發生化學變化。與K70E30復合膜相比，添加zein后制得的KEZ復合膜的-OH基團的伸縮振動峰發生了一定偏移（3357～3305 cm-1），這是由于干燥過程中，隨著溶劑的揮發，復合膜中的zein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，不利于分子間的氫鍵相互作用[23,29]。

圖4 KGM膜、EC膜、zein膜、K70E30復合膜及不同配方制備的KEZ復合膜的紅外光譜圖Fig.4 FTIR spectrums of KGM film, EC film, zein film, K70E30 blend film and KEZ blend films prepared with different formulations

2.3 膜的顯微紅外光譜分析

復合膜的機械性能和親疏水性能通常受其組分分子相容性的影響，通過顯微紅外成像技術可以得到物質各組分的空間分布信息，分析時需選擇某一化學官能團的特定紅外吸收波長，以該波長處的紅外吸收強度特征，顯示對應的化學官能團（即對應物質）的分布情況[30-32]。基于2.2中的分析，分別以805、2973和1538 cm-1處的峰強作為KGM、EC和zein的特征信號，分析其在復合膜中的分布情況。

不同配方制備的KEZ復合膜中KGM、EC和zein的分布分別如圖5a、圖5b和圖5c所示。由圖5可以看出，總體而言，圖像中主體顏色為綠色，其中K67E30Z3、K64E30Z6和K61E30Z9分布較為均勻。當比例為K58E30Z12、K55E30Z15時，圖像中局部位置出現較多的黃色和橙色區域，表明此區域復合膜中各組分分布不均一，這與CLSM、SEM結果一致。這是由于與EC、zein相比，KGM分子柔性較強，適合作為成膜組分，并已有研究報道KGM分別與EC、zein共混得到的二元成膜液均具備較好相容性[6,20]。對于KEZ復合膜，EC、zein均可通過氫鍵與KGM結合。在干燥過程中，隨著zein含量的增加，KGM含量的減少，一方面EC分子、zein分子與KGM分子的氫鍵結合位點存在競爭關系，另一方面zein分子自身會聚集[28]；同時由于EC和zein之間相容性較差，兩者結構之間氫鍵結合位點較少。因此使得該體系穩定性較差。

圖5 不同配方制備的KEZ復合膜的顯微紅外圖像Fig.5 Micro-FTIR image of KEZ blend films prepared with different formulae

2.4 膜的力學性能分析

拉伸強度和斷裂伸長率是主要的膜力學性能指標。K70E30復合膜和不同配方制備的KEZ復合膜的機械性能如圖6所示。與K70E30復合膜相比，KEZ復合膜的拉伸強度和斷裂伸長率在一定程度上有所降低。但隨著zein含量的增加，KEZ復合膜的拉伸強度和斷裂伸長率先上升后下降，當比例為K64E30Z6時，KEZ復合膜的拉伸強度和斷裂伸長率達到最大值，分別為72.93 MPa、16.39%。此結果表明添加適量的zein對KEZ復合膜的機械性能影響不大，但當zein的添加量達到一定程度后，zein分子聚集現象嚴重，分布不均勻，這與SEM圖顯示的zein“聚集”粒子表現一致，該現象與明膠與zein復合膜中相分離行為類似[33]；同時zein分子聚集降低了互穿網絡的連續性，使得KEZ復合膜的結構變得松散[34]。

圖6 K70E30復合膜及不同配方制備的KEZ復合膜的拉伸強度和斷裂伸長率Fig.6 Tensile strength and elongation at break of K70E30 blend film and KEZ blend films prepared with different formulae

2.5 膜的耐水性能分析

材料表面的親疏水性可以通過水接觸角值來評估，其值越大，表面疏水性越好。K70E30復合膜和不同配方制備的KEZ復合膜的水接觸角如圖7所示。與K70E30復合膜相比，除K67E30Z3外，KEZ復合膜的水接觸角值顯著增大（P＜0.05），表明zein的添加提高了復合膜的表面疏水性。對于KEZ復合膜，隨著zein含量的增加，復合膜的水接觸角先上升后下降，當比例為K64E30Z6時，復合膜的水接觸角達到最大值，為104.2°。這是由于此比例下，zein與KGM和EC的分子間相互作用最強，同時zein均勻分布在KGM/EC基質中，形成了致密的復合膜結構和疏水性表面，從而使疏水性增強[23]，這與SEM和CLSM結果一致。該結果與zein納米粒子的添加對KGM/zein納米粒子復合膜的水接觸角類似[21]。

圖7 K70E30復合膜及不同配方制備的KEZ復合膜的水接觸角Fig.7 Water contact angle of K70E30 blend film and KEZ blend films prepared with different formulae

為了更加直觀地評價材料的耐水性，對復合膜進行溶脹率和可溶性固體損失率測試，其值越小，表明復合膜的耐水性越好。K70E30復合膜和不同配方制備的KEZ復合膜的溶脹率和可溶性固體損失率如圖8所示。K58E30Z12、K55E30Z15的可溶性固體損失率均大于30%，溶脹率分別為766.43%、819.63%，說明耐水性較差。其原因可能是該比例下的成膜干燥過程中，zein聚集行為較為嚴重，使得復合膜的結構相對疏松，水容易滲透進入，使得耐水性能較差。K64E30Z6的溶脹率和可溶性固體損失率（502.21%、15.50%）均低于其他比例，表明此比例下制備的復合膜的耐水性較好，這是由于zein均勻分布在KGM/EC的連續相中，zein與KGM/EC之間形成的氫鍵較多較強，形成的微觀結構最為致密，使得可溶性固體損失率降低[6]，與水接觸角結果一致。

圖8 K70E30復合膜及不同配方制備的KEZ復合膜的溶脹率和可溶性固體損失率Fig.8 Swelling and soluble solid loss ratio of K70E30 blend film and KEZ blend films prepared with different formulae

3 結論

本文研究通過在KGM/EC復合體系中添加zein，成功制備出了KEZ三元復合膜。通過固定總固形物含量和EC含量，研究了zein的添加量對KEZ復合膜的微觀結構和疏水相關性能的影響。SEM和CLSM表明zein添加量較少時，zein在KGM/EC基質中分散較均勻，復合膜的微觀結構致密，zein添加量過高時，zein聚集現象較多，復合膜的微觀結構較為疏松，表面較為粗糙；當比例為K64E30Z6時，KEZ復合膜的水接觸角達到最大值，溶脹率和可溶性固體損失率最小，分別為104.2°、502.21%、15.50%，此時拉伸強度和斷裂伸長率也達到最大值，分別為72.93 MPa、16.39%。綜上，zein的加入提高了復合膜微觀致密性和耐水性，在食品包裝上具有良好的應用前景。