KGM/PEC/TiO2復合膜的制備及其性能研究

黃舒琦，陳熠，李慧玲，范麗萍, ，王楠,

1. 嘉應學院生命科學學院（梅州 514015）；2. 廣東省山區特色農業資源保護與精準利用重點實驗室（梅州 514015）

石油化工聚合物被廣泛應用于食品包裝，但是其不可再生以及不可生物降解的特性，給環境帶來巨大的污染，因此需要找到易于降解和可再生的替代包裝材料[1]?？墒秤媚ぃ‥dible films）是以天然生物大分子為成膜基質，通過不同基團間的相互作用形成致密多孔網狀結構，不僅具備安全性、可降解性、可食用性等優點[2]，還具備良好的力學性能、氣體屏障性能，并且可以抑制微生物生長，延長食品的保質期等。魔芋葡甘聚糖（Konjac glucomannan，KGM）是從魔芋植物的塊莖中分離得到的高分子量親水性非離子型天然聚多糖，具有優良的成膜性能[3]，但單一膜成膜時間長，黏度大，不容易揭膜，同時存在抗菌活性差、理化性能低等問題。果膠（Pectin，PEC）是一種膠狀多糖物質，具備良好的生物相容性、可生物降解性和無毒性，是一種有效應用于可食用膜生產的生物天然大分子材料[4]，其線性結構賦予膜具有堅韌的特點[5]。將魔芋葡甘聚糖與果膠共混制膜，能產生協同增效作用，增強膜的機械強度，使結構更加致密[6]。

KGM/PEC復合膜能改善單一KGM膜在理化性質上的不足，但還是存在膜機械強度低、抑菌效果差等缺點。為進一步改善KGM/PEC復合膜的理化性質，添加納米TiO2，研究其添加量對復合膜的理化性能、抑菌性能等的影響，為納米TiO2增強KGM/PEC復合膜的各項性能提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

果膠（食品級，江蘇杰諾食品配料有限公司）；魔芋葡甘聚糖（食品級，西安瑞盈生物科技有限公司）；納米TiO2（食品級，南京海泰納米材料有限公司）；甘油（食品級，天津渤化化學試劑有限公司）；無水氯化鈣（廣州化學試劑廠）；大豆油（市售）。

1.2 儀器及設備

TA.XT plus質構儀（英國Stable Micro Systems公司）；S-4800掃描電子顯微鏡（日本日立公司）；Thermo Scientific Nicolet iS50傅里葉變換紅外光譜儀（美國賽默飛世爾科技公司）；DSC-Q10差式掃描量熱儀（美國梅特勒公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 KGM/PEC復合膜的制備

采用流延成膜法。稱取果膠，加入蒸餾水中配成不同質量分數的果膠懸濁液（w/v，以蒸餾水體積為基準），加入不同質量分數的魔芋葡甘聚糖、甘油（w/w，以果膠溶液質量為基準），攪拌均勻后用磁力攪拌器在60 ℃，700 r/min下攪拌1.5 h。將成膜液放置超聲波振蕩儀振蕩15 min，傾倒于鋪有涂抹了甘油的吸油紙培養皿中，在60 ℃鼓風干燥箱中干燥后揭膜，室溫下平衡48 h。

1.3.2 KGM/PEC/納米TiO2復合膜的制備

分別稱取一定質量的納米TiO2（基于KGM、PEC、甘油總質量的0.5%，1.5%，2.5%，3.5%和4.5%）加至450 mL水中，置于超聲振蕩儀在500 W下振蕩30min，攪拌2 h，制得納米TiO2懸液。在60 ℃下加入一定質量的KGM、PEC、甘油，以60 ℃，700 r/min攪拌1.5 h。用超聲波振蕩儀在500 W下振蕩15 min，制得KGM/PEC/納米TiO2成膜液。成膜過程同1.3.1小節。

1.3.3 單因素試驗

分別探討KGM、PEC、甘油的添加量對復合膜理化性能的影響。

1.3.4 正交試驗

基于單因素試驗，選擇抗拉強度、斷裂伸長率、水蒸氣透過系數、透油系數及透光率為評價指標，進行三因素三水平L9(33)正交試驗，優化成膜配方配比，如表1所示。

表1 正交試驗因素水平設計 單位：%

1.3.5 膜厚度的測定

在被測膜上隨機取5個點，用螺旋測微器測量，取其平均值。

1.3.6 水蒸氣透過系數

參考周悅等[7]方法，并略作修改。

1.3.7 透油系數

參考張朋等[8]方法，并略作修改。

1.3.8 抗拉強度、斷裂伸長率

參考GB/T 1040.3——2006[9]并略作修改。裁取薄膜（7 mm×25 mm）固定在力學拉伸測試儀上，將初始夾距設置為25 mm，拉伸速率2 mm/s進行測量。

1.3.9 透光率測定

參照張鷹等[10]方法，并略作修改。

1.3.10 傅里葉紅外光譜（FTIR）測試

將膜裁成合適大小后置于傅里葉紅外光譜分析儀上，對其進行紅外光譜分析；參數設置：掃描波長范圍600～4 000 cm-1，分辨率4 cm-1，掃描次數32次[11]。

1.3.11 掃描電鏡（SEM）分析

對復合膜樣品的表面微觀形貌進行掃描。放大倍數1 000倍[12]。

1.3.12 熱重（TG）分析

樣品質量約10 mg，在氮氣氛圍下進行測試，升溫速率為10 ℃/min，測試溫度范圍為25～700 ℃[13]。

1.3.13 復合膜抑菌性測定

將KGM/PEC/納米TiO2復合膜樣品裁剪成直徑為1 cm的小圓片，用紫外燈照射30 min后分別將膜貼在涂布了大腸桿菌、綠膿單胞桿菌的固體培養基表面，放置于37 ℃恒溫培養箱培養24 h，取出觀察。每種濃度重復3次。

1.4 數據處理

所有試驗平行重復3次測定，試驗結果用“平均值±標準偏差”表示。采用SPSS 25.0軟件進行分析，采用Duncan法進行顯著性檢驗（P＜0.05），用Origin 2019軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 KGM/PEC復合膜成膜機理分析

圖1為KGM/PEC、PEC、KGM的紅外光譜圖。由圖1可知，三種物質紅外光譜并不一致，KGM與PEC發生了化學結合，且KGM/PEC復合膜的紅外光譜與KGM相近，表明KGM為復合膜的主要暴露物。對比PEC、KGM的紅外光譜，KGM/PEC復合膜在3 400 cm-1處的——OH特征吸收峰明顯紅移（波數降低），表明復合過程中，分子間氫鍵的作用較強[14]。此外，對比1 750～1 500 cm-1區間的多糖C==O和——COOH特征區[15]，表明參與復合過程的基團主要為PEC的羧基產生的靜電相互作用。而復合膜中在1 100～900 cm-1處的C——O——C的位移及強度變化，可能由范德華力的作用所致。

圖1 KGM/PEC復合膜、PEC、KGM的紅外光譜圖

2.2 單因素試驗分析

2.2.1 KGM添加量對復合膜理化性能的影響

表2為設定PEC質量分數0.6%，甘油質量分數0.5%時，KGM質量分數對復合膜理化性能的影響。其中，水蒸氣透過系數呈先上升后減小的趨勢，透油系數的變化趨勢則與之相反，先減小后增加。究其原因，KGM分子在甘油的作用下，——OH暴露較多[16]，復合膜對水蒸氣的透過率增加。然而，當進一步提高KGM質量分數（0.75%～1.25%）時，分子間的氫鍵交聯作用增強，——OH暴露量下降，親油性增強，且KGM結晶度提高，膜結構致密均勻，阻水性增強[17]。

表2 KGM添加量對復合膜理化性能的影響

分析KGM對復合物機械性能的影響可知，KGM質量分數為0.5%時，復合膜抗拉強度（TS）最大，隨著KGM含量增加，TS下降，推測為分子間氫鍵增加，可增強機械強度。然而，由于過量的KGM自身發生團聚，抗拉強度降低，表現為KGM質量分數大于0.5%時延展性降低[18]，薄膜斷裂伸長率減小。這一現象與KGM/凝膠多糖（Curdlan）復合膜中抗拉強度的變化趨勢相似[19]。綜合考慮，當KGM質量分數為0.5%～1%時復合膜理化性能較優。

2.2.2 PEC添加量對復合膜理化性能的影響

表3為設定KGM質量分數0.75%，甘油質量分數0.5%時，PEC添加量對復合膜理化性能的影響。試驗表明，隨著PEC質量分數的升高，復合膜透光率下降，水蒸氣透過系數上升，而透油系數先上升后下降。究其原因，果膠具有較多的疏油性羥基，容易與水分子相互作用，因此在一定范圍內，隨著質量分數的增加，膜能夠阻止油脂的滲出，且透水性增強[4]。

表3 PEC添加量對復合膜理化性能的影響

此外，復合膜的抗拉程度隨著果膠質量分數的增加先降低后增加，斷裂伸長率在果膠質量分數1%時有最大值。推測為PEC質量分數較低時，復合膜主要通過KGM的分子間氫鍵和分子間纏結作用形成，膜的總體剛性較大，抗拉強度較低，隨著PEC質量分數的增加，KGM自由體積增加，膜的韌性也隨之增大。綜合力學指標，果膠質量分數為0.6%～1%時復合膜品質較優。

2.2.3 甘油添加量對復合膜理化性能的影響

表4為設定KGM質量分數0.75%，PEC質量分數0.6%時，甘油添加量對復合膜理化性能的影響。由表4可知，隨著甘油質量分數的增加，復合膜的水蒸氣透過系數呈先上升后下降的趨勢，與透油系數的變化趨勢相同。究其原因，甘油極性較強，當其質量分數低于0.5%時，可流入KGM、PEC分子間，增大多糖分子間距，表現為含量微增，增強復合膜的持水性與透油性。然而，甘油質量分數進一步提升時，與KGM、PEC之間的氫鍵、范德華力等作用力增強，使基質分子之間的作用力減弱，膜的致密程度增加，水蒸氣透過率、透油系數降低。

表4 甘油添加量對復合膜理化性能的影響

此外，隨著甘油質量分數的增加，復合膜的抗拉強度降低，斷裂伸長率呈先上升后下降趨勢。原因是甘油羥基與KGM、PEC分子相互作用，減弱了多糖分子間的相互作用力，復合膜的抗拉強度下降。Nordin等[20]以及Tang等[21]均得到類似的結果。此外，甘油的存在，減少PEC、KGM分子內氫鍵的形成，多糖分子鏈延展充分，表現為斷裂伸長率增加。綜合考慮，甘油質量分數在0.5%～0.7%時能夠較好地改善膜的性質。

2.3 正交試驗結果與分析

正交試驗結果（見表5）采用極差分析法分析，經顯著性（F檢驗）分析，所有因素均對復合膜各類指標有顯著性影響（P＜0.05）。各因素對抗拉強度的顯著程度為A＞B＞C，最優組合A2B3C1；對薄膜斷裂伸長率為A＞C＞B，最優組合A1B1C1。薄膜水蒸氣透過系數的顯著程度為C＞B＞A，最優組合為A2B3C3（系數較高）；對透油系數的影響顯著程度C＞A＞B，最優組合A3B1C1（系數較低）。對透光率的影響顯著程度為A＞C＞B，最優組合A1B2C2（透光率高）。

表5 正交試驗結果

根據表5的極差分析，為保證復合膜的優良性能，分別采取對指標影響最為顯著的因素作為第一指標，其中：因素A對復合膜的抗拉強度、斷裂伸長率及透光率的影響最顯著，為保證復合膜的力學性能，選擇A2為最優因素，此時復合膜抗拉強度最高，而斷裂伸長率同樣可以保持較高水平；因素C對復合膜的水蒸氣透過率及透油系數具有最顯著影響；為便于后期觀察復合膜應用過程中觀察所包裝食品的狀態，因素B、C均以透光率最高時作為最優水平，即B2和C2。因此，試驗的最優組合為A2B2C2。

對優化條件進行驗證性試驗，復合膜性能數據如表6所示，此時復合膜的機械性能和阻隔性能重復性較好。

表6 驗證試驗結果與分析

2.4 納米TiO2添加量對復合膜理化性能的影響

試驗按最佳成膜工藝制備了KGM/PEC復合膜，在此基礎上添加不同質量分數的納米TiO2，探討納米TiO2添加量對復合膜理化性能的影響。其水蒸氣透過系數、透油系數、斷裂伸長率、抗拉強度測試結果如表7所示。

表7 納米TiO2添加量對復合膜理化性能的影響

與KGM/PEC復合膜相比，含不同濃度納米TiO2的復合膜抗拉強度均較低，納米TiO2質量分數為1.5%時最低，推測原因是納米TiO2顆粒通過嵌入PEC與KGM分子之間，減少了多糖分子與甘油之間的羥基交聯[22]，導致拉伸強度下降。然而，隨著TiO2質量分數的增大（4.5%），TiO2添加量增多，與多糖分子之間的交聯增強，且納米顆粒間碰撞概率變大，團聚現象的出現使得抗拉強度和斷裂伸長率有所回升[23]。

觀察表7，KGM/PEC/納米TiO2復合膜的水蒸氣透過率與透油系數，均呈現先增大后減小的趨勢，分別在TiO2質量分數2.5%和1.5%時達到峰值。此外，不同納米TiO2質量分數的復合膜透光率均低于KGM/PEC復合膜低，且隨著TiO2濃度的增加而不斷下降。原因是分散在復合膜中的納米TiO2顆?？蓪猱a生散射作用，從而導致光的穿透能力減弱[24]。

2.5 微觀結構

圖2為掃描電子顯微鏡下，不同納米TiO2質量分數的KGM/PEC/納米TiO2復合膜表面結構。由圖2可知，未添加納米TiO2的KGM/PEC復合膜均勻、平滑、致密，含0.5%納米TiO2時，數量少、半徑小的納米TiO2顆粒，可進入KGM、PEC分子間隙中[25]，與KGM、PEC之間相互作用，復合膜出現少量團聚物及裂縫，使復合膜抗拉伸強度下降，而團聚物的出現可使復合膜斷裂伸長率稍有提升，但復合膜整體仍較為平整，與2.4小節復合膜性能測定的結論一致。隨著TiO2質量分數的增加，復合膜表面凸起的團聚物數量快速增加，4.5%時鋪滿復合膜表面，裂縫消失，這與Cheng等[26]結果相似，過量的納米TiO2導致顆粒的聚集和表面不均勻。此時，僅靠超聲波處理難以使所有納米TiO2均勻分散于溶液中，團聚的納米TiO2與周圍的多糖分子在氫鍵等相互作用力的作用下聚集形成凸起[23]，復合膜的斷裂伸長率的快速提升，抗拉強度的回升，同時導致復合膜的高粗糙度。

圖2 不同納米TiO2添加量的KGM/PEC/納米TiO2復合膜掃描電鏡圖片

2.6 熱穩定性能分析

圖3為不同納米TiO2濃度復合膜的熱穩定性情況。觀察圖3可知，復合膜樣品的TG曲線均呈現先緩慢分解，后急劇分解最后趨于平衡的熱降解過程。第一階段為0～90 ℃，主要為膜中含有的水分、甘油蒸發造成的質量損失[27]。第二個階段是在90～180 ℃溫度區間，此區主要是發生氫鍵斷裂，聚合物結構也在此發生改變。第三個階段在180～700 ℃溫度區間，此時成膜基質的碳骨架發生斷裂，在高溫作用下，形成CO2等氣體散失，導致重力下降迅速。各質量分數的最大質量變化速率對應的溫度相差不大，但是納米TiO2質量分數為4.5%時，變化速率最大，說明過量納米TiO2會導致膜的熱穩定性下降，而適量的納米TiO2減少膜的質量損失，增強穩定性，可能是因為適量納米TiO2的存在限制了多糖分子鏈的遷移，而多糖分子鏈在熱傳遞過程中同時起到了熱絕緣體的作用[28]。

圖3 納米TiO2添加量對復合膜熱力學性能的影響

2.7 紅外光譜分析

由圖4可得，添加納米TiO2后，KGM/PEC/TiO2復合膜的紅外光譜整體與KGM/PEC復合膜一致，表明在KGM/PEC/TiO2復合膜中，主要是PEC與KGM之間產生相互作用，較多地保留了PEC、KGM的化學結構，納米TiO2的添加沒有產生新的化學鍵。

圖4 不同納米TiO2添加量的KGM/PEC/納米TiO2復合膜的紅外光譜圖

2.8 抑菌性能

選擇大腸桿菌、綠膿單胞桿菌作為抑菌對象，通過觀察復合膜是否被細菌分解來分析薄膜的抑菌性能[29]。如圖5所示，未添加納米TiO2時，膜大部分被細菌分解，結果表明其對大腸桿菌的抑菌作用微弱。當納米TiO2添加量超過1.5%時，復合膜抑菌效果明顯。如圖6所示，復合膜對綠膿單胞桿菌的抑菌效果與對大腸桿菌的抑菌效果相似。表明納米TiO2復合膜在一定程度上能夠抑制大腸桿菌和綠膿單胞桿菌的生長。原因是在紫外光照射的條件下，納米TiO2會有光催化反應產生，通過破壞細菌的細胞膜來發揮其抗菌作用[30]。

圖5 不同納米TiO2添加量的KGM/PEC/納米TiO2復合膜對大腸桿菌的抑菌情況

圖6 不同納米TiO2添加量的KGM/PEC/納米TiO2復合膜對綠膿單胞桿菌的抑菌情況

3 結論

以KGM、PEC作為主要原料制備所得的復合膜，正交試驗結果表明：KGM/PEC復合膜的最佳成膜工藝條件為KGM質量分數0.75%、PEC質量分數0.8%、甘油質量分數0.6%，其中，果膠的添加對復合膜抗拉強度影響顯著，甘油則對復合膜的水蒸氣透過率及透油系數具有顯著影響。

試驗結果表明：納米TiO2能夠增強膜的熱穩定性、阻隔性及機械性能，當添加量超過1.5%時對大腸桿菌、綠膿單胞桿菌有明顯的抑制作用。

然而，以PEC、KGM多糖為基質制備的薄膜，水溶性強，易潮解，保存困難，其水蒸氣、油脂阻隔性能以及在不同食品中的應用效果，仍需進一步的研究。