三明治型CA/CS/CA復合膜的制備、優化及性能表征

韓艷霞，倪榮，張妍，張人久，李丹丹，張振

1.錦州醫科大學食品與健康學院（錦州 121000）；2.錦州醫科大學生物信息工程學院（錦州 121000）

隨著人們安全意識提高，目前可食性復合膜更趨向于天然綠色產品，殼聚糖已成為可食性復合膜與保鮮領域研究的熱點。殼聚糖是一種類似纖維結構的、可經甲殼素脫乙酰化得到的天然陽離子多糖，是乳白色偏黃粉狀顆粒。只可溶于某些酸性介質，易成膜[1]、有延緩氧化作用[2]，所成的膜透明度高、抗菌性強。但因殼聚糖所成的膜脆性大，國內外的研究人員通過向其溶液中加入一種或多種物質來改善，如蔡月等[3]用茶多酚@ZIF-8/殼聚糖/海藻酸鈉來制備活性包裝膜。

卡拉膠是一種親水的藻膠[4]，是良好的增稠劑、凝膠劑[5]，但是單一卡拉膠不易成膜[6]，需要加入其他物質起增塑作用。胡燕等[7]通過添加丙三醇，制備并表征了復合可食性膜，通過Design-Expert 8.0.6.1軟件進行響應面優化其主要制備工藝參數。

近年來，可食性膜由于具有制作工藝簡單、成本低、可食、使用方便、易降解以及對環境不產生污染等優良特點成為研究熱點。利用殼聚糖（CS）和卡拉膠（CA）為成膜基質的復合膜已有一些，但是對三明治型CA/CS/CA復合膜[8]的研究目前尚未發現。此次研究以卡拉膠（CA）和殼聚糖（CS）為主要原料，添加丙三醇為增塑劑，制備三明治型復合膜，并進行性能優化，以期研發一種性能優良的三明治型復合膜應用于食品保鮮與包裝中。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

殼聚糖（食品級，脫乙酰度＞95%，黏度100~200 mPa·s，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；精純卡拉膠（肇慶海星生物科技有限公司）；丙三醇（分析純，天津市津東天正精細化學試劑）。

1.2 儀器與設備

Varioskan型酶標儀（賽默飛世爾科技公司）；TMS-PRO型質構儀（北京盈盛恒泰科技有限責任公司）；Mira3型電子掃描式電鏡（捷克TESCAN）；FTIR-850型傅里葉紅外光譜（天津港東科技股份有限公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 卡拉膠/殼聚糖/卡拉膠復合膜的制備方法

取15 mL卡拉膠膜液，采用流延法[9]傾倒在90 mm的塑料培養皿上，于55 ℃烘至微干，取等體積殼聚糖膜液傾倒在第一層上烘至微干；再取15 mL卡拉膠膜液傾倒在第二層上烘干揭膜，得到三明治型CA/CS/CA復合膜。

1.3.2 單因素試驗設計

以膜的斷裂伸長率（EB）、水蒸氣透過系數（WVP）為指標進行單因素試驗，單因素試驗因素與水平見表1。固定水平為卡拉膠（CA）濃度0.28 g/100 mL、CS濃度1.40 g/100 mL、丙三醇添加量1.00 mL，所有試驗均進行3次，取平均值。

表1 單因素試驗因素與水平

1.3.3 Box-Behnken試驗設計

選取丙三醇添加量（A）、CA濃度（B）、CS濃度（C）為試驗因素，以EB（Y）為響應值，設計三因素三水平的響應面試驗，因素與水平設計見表2。

表2 響應面試驗因子水平及編碼

1.3.4 復合膜的光學照片

1.3.5 卡拉膠/殼聚糖/卡拉膠復合膜性能測定

1.3.5.1 膜厚度測定

根據GB/T 1040.3—2006《塑料 拉伸性能的測定第3部分：薄塑和薄片的試驗條件》的測試方法，對膜樣品均勻取8個點，用數顯測厚儀測定這8個點的厚度并取平均值（mm），便于計算薄膜的EB和WVP。

1.3.5.2 色差

參照肖力源等[10]的方法，用色差計按LAB模式進行測定。用濾紙（L=75.10，a=-4.30，b=36.00）校正，將膜樣品平放在白色校正板上，測定L、a、b值。

1.3.5.3 EB測定

采用切紙機將被測樣品裁剪成20 mm×70 mm的長條形狀，測量速率為120 mm/min，實際測量長度為80 mm。EB按照式（1）計算。

式中：L前為試驗前薄膜的長度，mm；L后為試驗斷裂時薄膜的長度，mm。

1.3.5.4 WVP測定

根據GB/T 1037—2021《塑料薄膜與薄片水蒸氣透過性能測定 杯式增重與減重法》，測試面積為3.14 cm2，重復測量3次，計算平均值。

1.3.6 SEM分析

將膜樣品在50 ℃干燥4 h，用于觀察膜的斷面結構。取2 cm×2 cm膜樣品，用導電膠固定于不銹鋼載物片上。真空噴金處理，加速電壓15 kV。取出樣品置于載物臺上，觀察樣品斷面的微觀形態結構。

1.3.7 FT-IR分析

將膜樣品在45 ℃干燥24 h，剪碎研磨，采用KBr壓片，利用FT-IR儀進行分析。選擇儀器分辨率4 cm-1，掃描32次數，掃描范圍500~4 000 cm-1。

1.3.8 抑菌性能分析

選擇大腸桿菌與金黃色葡萄球菌為代表菌株，取0.40 mL的107CFU/mL處于對數生長期的菌液，傾倒在平板上制成含菌平板。將直徑為0.50 cm的無菌濾紙片逐層浸泡復合膜液中5 min，用無菌鑷子取出后貼于含菌平板上，平板倒置于37±1 ℃培養箱，培養48±1 h后測量抑菌圈直徑[10]。

1.3.9 抗氧化性能分析

1.3.9.1 DPPH自由基清除率

吸取1∶1體積比的膜液與DPPH醇溶液于孔板中，記為Asample；吸取1∶1體積比的膜液與無水乙醇溶液于空白孔板中，記為Ablank；吸取1∶1體積比的DPPH醇溶液與去離子水于對照孔板中，記為Acontrol；振蕩均勻后在避光環境中自然反應30 min，在517 nm波長處測定各吸光度A。每組取三組平行，結果取平均值。根據式（2）計算復合膜對 DPPH自由基清除率。

1.3.9.2 ABTS自由基清除率

參照閆林林等[11]的方法，稍作修改后進行ABTS自由基清除試驗。首先制備ABTS溶液（取等體積的7.40 mmol/L的ABTS溶液與2.60 mmol/L的過硫酸鉀溶液混合，在室溫黑暗條件下反應12 h），在試驗之前，用無水乙醇將ABTS溶液的吸光度稀釋至0.70±0.02，記為A0。取等體積的膜液與等體積稀釋后的ABTS溶液混合，避光靜置6 min后，測量其在波長734 nm處的吸光度，記為A1，將無水乙醇溶液設為空白對照校零液。ABTS自由基清除率按式（3）計算。

1.4 數據統計與分析

試驗結果均平行測定3次，以“χ±SD”表示測定結果。使用Design-Expert 8.0.6.1、SPSS 26.0、Origin 2018軟件處理數據，ANOVA法進行方差分析，LSD和S-N-K多重比較法檢驗進行顯著性分析（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

復合膜的EB[12]高有利于復合膜的成型且可保護食品免受外界壓力的損傷，WVP較低，表明該復合膜具有較好的阻隔性能，可防止食品吸潮減少微生物污染，因此試驗中需要綜合多個指標對復合膜進行評價[13-14]。

2.1.1 丙三醇添加量對復合膜性能的影響

由圖1可知，富含多羥基親水基團、具有較強的親水性的丙三醇可以與殼聚糖分子結合形成鏈間氫鍵，兩者結合減少了殼聚糖分子間內部作用力，柔化殼聚糖的剛性結構，使復合膜變得更加柔韌，所以EB逐漸增大[6]。隨著丙三醇添加量的增加，WVP逐漸增加，這可能是因為丙三醇的加入，膜的結構變松散且油性分子在基質中不易揮發，膜的極性增加，透水能力隨之變大[15]。當丙三醇添加量高于1.00 mL時，復合膜開始變得十分軟黏，揭膜較難。綜合考慮，選取甘油添加量1.00 mL為宜。

圖1 不同丙三醇添加量對復合膜性能的影響

2.1.2 卡拉膠濃度對復合膜性能的影響

根據圖2可知，復合膜的EB隨著卡拉膠含量的増加先增加后降低，WVP先降低后升高。這可能是因為CA含有豐富的陰離子硫酸鹽線性多糖[7]，這些極性分子可以作為CA與CS結合的偶聯劑[16]，使得CS和丙三醇均勻地分布，因此EB逐漸增大，在CA濃度為0.28 g/100 mL時，復合膜的EB達到最大值，為29.01%。但CA濃度＞0.28 g/100 mL時，會發生自身凝聚現象，導致EB下降[4]。由于CA微粒分散滲入復合膜的間隙里，改變了氣體分子的擴散路徑，延緩了其運動速率[17]，此外CA分子的加入增強了與丙三醇之間化學鍵鍵能，增加致密性，可以阻止水蒸氣進出，從而降低WVP[7]。當CA濃度為0.28 g/100 mL時，復合膜的WVP最小，為0.71×10-8g·mm/（h·cm2·Pa）。

圖2 不同卡拉膠濃度對復合膜性能的影響

2.1.3 殼聚糖濃度對復合膜性能的影響

如圖3所示，隨著CS濃度的增加，EB呈先增加后減小的趨勢，WVP呈先減小后增大的趨勢。這可能是因為CS是一種天然陽離子多糖，可與陰離子CA通過靜電作用交聯和氫鍵相互反應，使得復合膜的結構更加緊密，但過量的CS可使復合膜黏稠度增加，剛性大[18]。當CS濃度為1.40 g/100 mL時，膜的EB達到頂峰，為30.35%，WVP最小，為1.87×10-8g·mm/（cm2·h·Pa）。

圖3 不同殼聚糖濃度對復合膜性能的影響

2.2 響應面試驗結果與分析

2.2.1 模型建立與數據分析

利用Design-Expert 8.0.6.1軟件進行多元回歸擬合，得回歸方程Y=37.65+3.01A+0.69B+0.83C+0.92AB-0.70AC-0.72BC-6.67A2-4.32B2-3.44C2（R2=0.994 2，變異系數=1.96＜10）。

從表3和表4可看出，此次試驗的設計模型極顯著（P＜0.000 1），失擬項不顯著（P=0.129 7＞0.05），說明該回歸模型能夠很好地擬合試驗結果。該模型的校正決定系數Radj2=0.986 7，R2=0.930 3，說明該模型能夠解釋 98.67% 的響應值變化。由回歸模型可看出，A、B、C、AB對斷裂伸長率為正效應，AC、BC、A2、B2、C2對斷裂伸長率為負效應。其中，A、C、A2、B2、C2對斷裂伸長率的影響是極顯著的（P＜0.01），BC、AB、B對斷裂伸長率的影響是顯著的（P＜0.05），AC對斷裂伸長率的影響是不顯著的（P＞0.05）。

表3 響應面試驗設計及結果

表4 回歸模型方差分析（斷裂伸長率EB）

2.2.2 各因素之間的交互作用

從響應面設計試驗所呈現的3D圖和平面圖可以直觀地看出：圖4-a1曲面陡峭，b1等高線為橢圓形，說明卡拉膠和丙三醇的交互作用對響應值的影響顯著（P＜0.05）；圖5-b2等高線稀疏近圓形，說明丙三醇和殼聚糖的交互作用對響應值的影響不顯著（P＞0.05）；圖6-a3曲面陡峭，b3等高線為橢圓形，說明卡拉膠和殼聚糖的交互作用對響應值的影響顯著（P＜0.05）。

圖4 丙三醇與卡拉膠交互作用對斷裂伸長率影響的響應面與等高線

圖5 丙三醇與殼聚糖交互作用對斷裂伸長率影響的響應面與等高線

圖6 卡拉膠與殼聚糖交互作用對斷裂伸長率影響的響應面與等高線

通過響應面確定最佳成膜配比：CA濃度0.28 g/100 mL，丙三醇添加量1.00 mL，CS濃度1.40 g/100 mL。

2.3 復合膜的光學照片與色差分析

結合復合膜的光學照片（圖7）表明：三明治型CA/CS/CA復合膜的顏色為白色透明狀，可以嗅到冰乙酸的酸味，外觀光滑良好。色差結果（表5）也進一步驗證膜的透明度良好，呈黃綠色。

圖7 三明治型CA/CS/CA復合膜的光學照片

表5 CA/CS/CA復合膜的色差值（χ±SD）

2.4 復合膜的物理性能分析

表6表示三明治型CA/CS/CA復合膜在最優配比條件下的物理性能的測定結果。厚度為0.09 mm，EB為37.64%，WVP為2.34×10-8g·mm/（cm2·h·Pa）。

表6 三明治型CA/CS/CA復合膜的物理性能（χ±SD）

2.5 SEM分析結果

由圖8可知，復合膜具有較明顯的三層結構，CA/CS/CA復合膜斷面較粗糙，清晰完整，均未出現氣孔、斷痕和聚集，存在少量的空隙。這可能是由于卡拉膠和殼聚糖之間相互作用力較弱，導致復合膜在脫水過程中出現斷裂[19]。

圖8 三明治型CA/CS/CA復合膜的斷面圖

2.6 FT-IR分析結果

紅外光譜是研究氫鍵和相容性非常有效的工具，從紅外光譜圖可以觀察到氫鍵作用的強度以及氫鍵的歸屬。一般而言，對于水溶性高分子，共混涉及的是氫鍵的類型與大小變化，表現在非共價鍵或一些次級鍵的變化[20]。由圖9可知，3 500~3 300 cm-1處的寬吸收峰是—OH和—NH 的伸縮振動吸收峰。2 939 cm-1和2 798 cm-1處的吸收峰是甲基和次甲基的C—H不對稱伸縮振動峰。1 610 cm-1處的吸收峰是由C==O的伸縮振動造成的[21]。圖9-b因課題組使用的殼聚糖黏度大且精純，可能導致殼聚糖的紅外光譜只在1 635.35 cm-1處有波長。圖9-a中原料卡拉膠和三明治型CA/CS/CA復合膜峰形相似，說明CA/CS/CA復合膜的網絡結構以卡拉膠為主，殼聚糖與卡拉膠相容后在1 635.35 cm-1處分子作用力減弱，峰值降低，因其加入使得三明治型CA/CS/CA復合膜在3 486.7 cm-1處的分子作用力加強。

圖9 CA/CS/CA復合膜及其原料傅里葉紅外光譜圖

2.7 抑菌性能分析結果

通常用抑菌圈直徑來表征抑菌能力。由表7可知，三明治型CA/CS/CA復合膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均有抑菌效果，且抑菌圈直徑d金黃色葡萄球菌＞d大腸桿菌，分別為0.77和1.20 cm。

表7 CA/CS/CA復合膜的抑菌性能

2.8 抗氧化性能分析結果

由圖10可知，三明治型CA/CS/CA復合膜對DPPH自由基、ABTS自由基均具有清除能力，分別為74.72%和54.00%。自由基清除能力越強，抗氧化能力就越強。

圖10 三明治型CA/CS/CA復合膜對DPPH自由基、ABTS自由基清除率圖

3 結論

選取EB為考察指標，以CA濃度、丙三醇添加量、CS濃度為主要影響因素，通過響應面試驗確定最佳成膜配比：CA濃度0.28 g/100 mL，丙三醇添加量1.00 mL，CS濃度1.40 g/100 mL。該配比條件下制得的CA/CS/CA可食性膜，WVP較低，為2.34×10-8g·mm/（cm2·h·Pa），EB較高，為37.64%，厚度為0.09 mm。SEM和FT-IR結果顯示，所制備的復合膜具有三層結構，且各組分間相容性好。其具有抑菌和抗氧化性能等特點。該研究結果在生產上具有較高的實用價值，可以為擴大三明治型復合膜的應用范圍及后續對食品的保鮮提供參考。