基于共混和層層自組裝方法協同交聯劑對瓊膠/海藻酸鈉復合膜性能的影響

王牌,楊少玲,戚勃*,楊賢慶,李春生,王迪,趙永強,李來好,胡曉,陳勝軍

1(上海海洋大學 食品學院,上海,201306)2(中國水產科學研究院南海水產研究所/農業農村部水產品 加工重點實驗室,廣東 廣州,510300)3(大連工業大學海洋食品精深加工關鍵技術省部 共建協同創新中心,遼寧 大連,116034)

瓊膠是一種從紅藻類植物細胞壁中提取的親水性膠體,由于其安全無毒且具有良好的成膜性,因此可用于制備可食膜[1],但瓊膠膜往往具有柔韌性差、透明度低等缺點,需與其他成膜基材進行復配,以適應實際應用需求[2-3]。海藻酸鈉,是從褐藻類植物中提取的陰離子多糖,其分子中含有大量的羥基,與瓊膠有良好的相容性,因此可與瓊膠復配,改善瓊膠膜的性能[4]。

目前國內外可食膜的研究中,關于不同材料的復配方式主要有2種:共混和層層自組裝(layer-by-layer, LBL)。LBL是指不同材料通過靜電作用、氫鍵、共價鍵等分子間作用力相互締合、逐層交替吸附從而形成結構穩定薄膜的技術[5]。由于成膜方式簡單,膜結構組成易于調控等特點,LBL技術已成為國內外可食膜領域的研究熱點。研究者[6-8]通過LBL技術分別制備了具有單向防水功能的殼聚糖/玉米醇溶蛋白雙層膜、高強度的海藻酸鈉/殼聚糖復合膜和高耐水性的海藻酸鈉/氧化納米纖維素三層膜。

然而,目前關于不同制膜方式對瓊膠/海藻酸鈉復合膜性能影響的研究還未見報道。因此,本研究以瓊膠和海藻酸鈉為原料,通過溶液澆鑄法制備了共混膜和雙層膜,并引入交聯劑檸檬酸和阿魏酸,探究了LBL技術與交聯劑對膜性能提高的協同作用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

瓊膠粉,汕頭市澄海區瓊膠廠;海藻酸鈉,酷爾化學(北京)科技有限公司;甘油、阿魏酸、檸檬酸,阿拉丁試劑(上海)有限公司;無水氯化鈣,天津市匯杭化工科技有限公司。試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

電子拉力試驗機,東莞東日儀器有限公司;數顯磁力攪拌水浴鍋,金壇區西城新瑞儀器廠;BS224S電子天平,美國Sartorius公司;恒溫干燥箱,重慶雅馬拓科技有限公司;恒溫恒濕培養箱,上海力辰邦西儀器科技有限公司;UV2550紫外-可見分光光度計,上海美譜達儀器有限公司;IRAffinity-1紅外光譜儀,日本島津公司;數顯測厚儀,浙江德清盛泰芯電子科技有限公司;CR-400色差儀,日本KNOICA MINOLTA公司;Phenom Pro臺式掃描電鏡,上海復納科學儀器有限公司;NETZSCH TGA/DSC同步熱分析儀,德國耐馳儀器有限公司;其他均為實驗室常用儀器。

1.3 實驗方法

1.3.1 復合膜的制備[7]

海藻酸鈉溶液的制備:稱取1 g海藻酸鈉于錐形瓶中,加入50 mL去離子水,加熱攪拌至完全溶解,再加入質量分數為30%的甘油(以海藻酸鈉質量為基準),60 ℃下水浴攪拌30 min,再加入50 mg交聯劑(檸檬酸或阿魏酸,下同),水浴攪拌至完全溶解,得到海藻酸鈉溶液(未交聯膜制備過程中不添加交聯劑,下同)。

瓊膠溶液的制備:稱取1 g瓊膠于錐形瓶中,加入50 mL去離子水,加熱攪拌至完全溶解,再加入質量分數為30%的甘油(以瓊膠質量為基準),60 ℃下水浴攪拌30 min,再加入50 mg交聯劑,水浴攪拌至完全溶解,得到瓊膠溶液。

共混膜的制備:將海藻酸鈉溶液與瓊膠溶液混合,60 ℃下水浴攪拌均勻,真空脫氣后將溶液倒入18 cm×18 cm×1 cm亞克力板模具中,放入50 ℃干燥箱中恒溫干燥24 h,取出、揭膜,然后將膜放入110 ℃干燥箱中干燥10 min。最后將膜放入培養箱(25 ℃,相對濕度50%)中保存。分別記未交聯共混膜、檸檬酸交聯共混膜、阿魏酸交聯共混膜為BL、BLCA、BLFA。

雙層膜的制備:將海藻酸鈉溶液真空脫氣后倒入18 cm×18 cm×1 cm亞克力板模具中,放入50 ℃干燥箱中恒溫干燥24 h取出,再將真空脫氣后的瓊膠溶液倒入模具中,放入50 ℃干燥箱中恒溫干燥24 h,取出、揭膜,然后將膜移入110 ℃干燥箱中干燥10 min。最后將膜放入恒溫恒濕培養箱中保存待用(25 ℃,相對濕度50%)。分別記未交聯雙層膜、檸檬酸交聯雙層膜、阿魏酸交聯雙層膜為Bi、BiCA、BiFA。

1.3.2 復合膜性能指標測定

厚度測定:使用數顯測厚儀(精度為0.001 mm)測定膜的厚度,用于后續指標的計算。每組取3張膜,每張膜隨機選取3個位置進行測定,薄膜厚度取其平均值。

機械性能測定:參照ZHAI等[9]的方法,略作修改。將膜裁成2 cm×8 cm條狀,使用電子拉力試驗機測定膜的拉伸強度(tensile strength, TS)和斷裂伸長率(elongation at break percent, EB),測試參數:夾具起始間距40 mm;拉伸速度50 mm/min。每組膜測3個平行,結果取其平均值。TS按公式(1)計算:

(1)

式中:F,膜斷裂時承受的最大拉力,N;a,膜的起始寬度,mm;D,膜的起始厚度,mm。

EB按公式(2)計算:

(2)

式中:L1,膜斷裂時的伸長量,mm;L2,夾具起始間距,mm。

溶脹率和水溶性測定:參考HOU等[10]的方法,將膜裁成約2 cm×2 cm小塊,置于105 ℃烘箱中干燥至恒重(m1),然后將烘干后的薄膜置于盛有50 mL蒸餾水的小燒杯中,室溫下浸泡24 h取出,用濾紙吸干其表面水分,測其質量(m2),然后在105 ℃干燥至恒重(m3)。每組取3個試樣測定,結果取其平均值。膜的溶脹率(swelling ratio, SR)和水溶性(water solubility, WS)分別按公式(3)和公式(4)計算:

(3)

(4)

水蒸氣透過率測定:參照ARABESTANI等[11]的方法并略作改動,稱取約8 g無水CaCl2于稱量瓶(50 mm×30 mm)中,將膜覆蓋在瓶口,并用石蠟封好瓶口,測其質量。然后將覆膜的稱量瓶置于底部盛有蒸餾水的玻璃干燥器中(提前在25 ℃放置4 h以上),在25 ℃下恒溫靜置,每隔2 h取出稱量瓶測其質量,連續測6次。復合膜水蒸氣透過率(water vapor permeability,WVP)按公式(5)計算:

(5)

式中:WVTR,水蒸氣透過速率(water vapour transimission rate),g/(m2·h);D,膜厚度,mm;ΔP,膜兩側水蒸氣壓差,3.167 1 kPa。

色差測定:使用手持色差儀測定膜的L*,a*,b*值。L*值表示顏色的亮度,取值范圍0～100,L*值越大表示顏色越亮;a*值表示紅綠程度,取值范圍-100～100,正值表示紅色程度,負值表示綠色程度;b*值表示黃藍程度,取值范圍-100～100,正值表示黃色程度,負值表示藍色程度。膜的總色差ΔE*按公式(6)計算:

(6)

式中:L,a,b為標準白板的亮度、紅綠和藍黃值。

不透明度測定:參考ABDOLLAHI等[12]的方法,稍作修改。將膜裁成1 cm×4 cm矩形,使其剛好放入比色皿中并緊貼比色皿內壁。然后使用紫外-可見分光光度計在600 nm處測其吸光度,以空白比色皿作對照。每組取3個試樣進行測定,結果取平均值。膜不透明度按公式(7)計算:

(7)

式中:Opacity,不透明度,mm-1;A600,600 nm下的吸光度;D,膜厚度,mm。

熱穩定性測定:參考WANG等[13]的方法,略作修改。稱取10 mg樣品于Al2O3坩堝中,使用同步熱分析儀在恒定N2流速下(50 mL/min)進行熱重分析,設置升溫速率為10 ℃/min,測試溫度范圍30～600 ℃。

掃描電鏡(scanning electron microscope, SEM)測定:參考李楊等[14]的方法,略作修改。將膜樣品置于液氮中使其自然斷裂,然后進行鍍金處理,在10 kV加速電壓下使用掃描電子顯微鏡進行微觀結構分析。

紅外光譜測定:使用衰減全反射-傅里葉變換紅外光譜儀(attenuated total reflection-Fourier transform infrared spectrometer,ATR-FITR)對膜的化學結構進行分析。將薄膜在50 ℃下干燥2 h后,以空氣為背景,對樣品進行紅外掃描,掃描波數范圍為4 000～400 cm-1,掃描次數為32次,分辨率為4 cm-1,用OMNIC 8.2軟件進行數據分析。

1.3.3 數據處理

采用SPSS 22.0和Excel軟件進行數據分析,Origin 2018軟件繪圖。每個樣品做3個平行試驗,數據采用平均數±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 機械性能

層層自組裝和共混成膜方法對膜機械性能的影響如圖1所示。

a-拉伸強度;B-斷裂伸長率圖1 不同復合膜的機械性能Fig.1 Mechanical properties of different composite films注:不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

由圖1可見,一方面,在成膜基質相同的條件下,雙層膜的機械性能均顯著高于共混膜(P<0.05)。Bi的TS(41.00 MPa)比BL(31.76 MPa)高29.1%,Bi的EB(34.47%)相對于BL(27.72%)提高24.4%;添加交聯劑后,BiCA和BiFA的TS(51.57,47.24 MPa)分別比BLCA(39.63 MPa)、BLFA(36.50 MPa)高30.1%和29.4%,BiCA和BiFA的EB(26.02%,26.99%)分別比BLCA(22.61%)、BLFA(23.79%)高15.1%和13.5%。這表明,在相同成膜材料條件下,LBL法較共混法更有助于提高復合膜的機械性能。雙層膜的TS較共混膜高,這可能是因為瓊膠和海藻酸鈉之間存在靜電相互作用,瓊膠帶少量正電(zeta電位:3.5 mV),而海藻酸鈉帶負電,由于正負電荷相互吸引,兩層膜之間的相互作用增強,膜組分之間的連接更加緊密,因此雙層膜的TS大于共混膜。雙層膜的EB比共混膜高,這可能是因為雙層膜通過氫鍵和靜電相互作用,使瓊膠層和海藻酸鈉層黏附在一起,由于海藻酸鈉層的柔韌性較強,所以雙層膜的EB也更高。另一方面,制膜方法相同的條件下,添加交聯劑后復合膜TS顯著增加(P<0.05),而EB顯著降低(P<0.05)。BLCA、BLFA的TS相對于BL分別提高了24.8%和14.9%,EB分別降低18.4%和14.2%,BiCA和BiFA的TS相對于Bi分別提高了25.8%和15.2%,EB分別降低24.5%和21.7%。添加交聯劑后,2種方法所制得的膜TS均提高,這是因為交聯劑與瓊膠和海藻酸鈉分子鏈中的—OH和—COOH發生反應,形成分子間氫鍵和羰基,使成膜基質形成致密的三維網絡結構,從而提高了膜的TS[15];但是,三維網絡結構的形成也限制了大分子鏈的自由運動,減小了成膜基質分子間的距離,從而使膜的EB降低[16]。這與MATHEW等[17]的研究結果相同,阿魏酸的添加使淀粉/殼聚糖復合膜的TS從44.50 MPa提升至62.71 MPa,但同時使EB從29.3%降至21.6%。

2.2 阻濕性能

由表1可知,在成膜基質相同的條件下,層層自組裝和共混成膜方法對膜的WVP無顯著影響(P>0.05),這說明2種成膜方法不會改變膜對水分子的阻隔能力。在添加交聯劑后,雙層膜與共混膜的WVP均顯著降低(P<0.05),BLCA和BLFA相較于BL分別降低13.8%和22.8%,BiCA和BiFA相較于Bi分別降低17.5%和23.6%。這是因為交聯反應使聚合物的網絡結構更加緊密,大分子間的間隙減小,限制了水分子的滲透作用,從而降低了膜的WVP[18]。另外,通過對比發現,阿魏酸交聯膜的WVP低于檸檬酸交聯膜,這可能與阿魏酸在空氣中的氧化有關,MATHEW等[17]的研究表明,當阿魏酸被氧化成醌時,能提高與多糖分子的交聯能力,從而提高膜對水分子的阻隔能力。

表1 不同復合膜的水蒸氣透過率、水溶性和溶脹率Table 1 Water vapor permeability, water solubility and swelling ratio of different composite films

膜的耐水性一般通過水溶性和溶脹率來評價,水溶性和溶脹率越低,則膜的耐水性越強。由表1可見,一方面,雙層膜的水溶性顯著低于共混膜(P<0.05),Bi(30.67%)的水溶性相較于BL(38.92%)降低了21.2%,BiCA(24.42%)和BiFA(27.79%)的水溶性相較于BLCA(27.75%)和BLFA(32.46%)分別降低了12.0%和14.4%。LI等[18]的研究表明,薄膜組分之間的結合越緊密,則薄膜的水溶性越低。與共混膜相比,雙層膜水溶性更低,其可能原因是瓊膠和海藻酸鈉之間的靜電相互作用收緊了膜的結構,膜組分間的連接更加緊密,從而導致雙層膜的水溶性低于共混膜。另一方面,添加交聯劑后,復合膜的水溶性顯著降低(P<0.05),添加檸檬酸后,BL和Bi的水溶性分別降低了28.7%和20.4%,添加阿魏酸后,BL和Bi的水溶性分別降低了16.6%和9.4%。交聯劑使復合膜水溶降低,原因可能是交聯劑通過與瓊膠和海藻酸鈉分子上的羥基和羧基反應形成酯鍵和氫鍵,加強了膜組分間的相互作用,使大分子間的連接更加緊密,從而降低了膜的水溶性[19]。

膜的溶脹率取決于聚合物電離基團的數量,當電離基團增多時,由于吸水作用和電離基團的排斥作用,膜的溶脹率增大[20]。由表1可見,復合膜溶脹率的變化與水溶性相似,與共混膜相比,雙層膜具有更低的溶脹率(P<0.05)。Bi的溶脹率較BL降低了6.1%,BiCA和BiFA的溶脹率較BLCA和BLFA分別降低了13.1%和3.8%。這是因為瓊膠和海藻酸鈉分子間的靜電相互作用減少了復合膜中電離基團的數量,從而使雙層膜的溶脹率低于共混膜[18]。而交聯劑對復合膜溶脹率的影響更大(P<0.05),在添加檸檬酸和阿魏酸后,BL的溶脹率分別降低了74.30%和29.9%,Bi的溶脹率分別降低了76.2%和28.1%。這可能是因為交聯劑與聚合物中的—OH發生反應,減少了膜表面親水羥基的數量,從而導致溶脹率顯著降低[21]。

另外,由表1可知,檸檬酸交聯膜比阿魏酸交聯膜的溶脹率和水溶性更低。這可能是因為阿魏酸通過與瓊膠和海藻酸鈉形成分子間氫鍵而發生交聯,而檸檬酸可與其分子中的羥基發生酯化反應形成共價鍵實現交聯,共價鍵鍵能比氫鍵高,故檸檬酸交聯膜中大分子間的緊密程度高于阿魏酸交聯膜,因此檸檬酸交聯膜的耐水性較阿魏酸交聯膜更強。

總之,LBL技術可以顯著降低膜的水溶性和溶脹率,提高膜的耐水性,在添加交聯劑后,雙層膜的水溶性和溶脹率進一步降低,與大豆分離蛋白膜[22]、殼聚糖膜[23]、果膠/明膠復合膜[24]等其他材料可食膜相比,該復合膜具有更優異的耐水性。因此,LBL技術與交聯劑結合使用,可以有效提高復合膜的耐水性。

2.3 熱穩定性

熱重分析是使樣品在一定溫度程序控制下,研究樣品質量與溫度的變化關系的熱分析技術,一般用來研究材料的熱穩定性。各膜的熱重分析(thermogravimetric analysis, TG)和微商熱重分析(differential thermal gravity, DTG)曲線見圖2,熱力學相關數據見表2。由圖2可見,各膜的熱分解主要分為3個階段:第一階段60～120 ℃,失重率約為14%,該階段失重的原因是復合膜表面和內部結合水的失去[25];第二階段200～320 ℃,失重率約為60%,該階段失重的原因是大分子鏈上糖苷鍵的斷裂和脫羥基作用,生成穩定的中間產物并釋放出CO2和H2O[26];第三階段320～600 ℃,中間產物進一步分解,最終膜樣品完全炭化[27]。與BL相比,Bi的起始分解溫度從196.0 ℃提升到218.0 ℃,這可能是因為層層自組裝技術通過靜電相互作用加強了膜組分的連接,使初始分解溫度提高。而隨著溫度的升高,Bi膜的熱分解速率加快,并在231.6 ℃時熱失重速率達最大,比BL的最大熱失重速率溫度(267.7 ℃)降低36.1 ℃,這說明在熱分解的第二階段(200～320 ℃)內,Bi的熱穩定性低于BL。而BiCA與BLCA、BiFA與BLFA的最大熱失重速率溫度和炭化后的殘留量相差不大,這說明在添加交聯劑后,2種成膜方法對復合膜熱穩定性的影響不大。由表2可知,添加檸檬酸和阿魏酸后,BL的初始分解溫度從196.0 ℃分別提升至203.0和210.0 ℃,最大熱失重速率溫度從267.7 ℃分別提升至278.5和269.0 ℃;Bi的初始分解溫度略有下降,從218.0 ℃分別降至205.0和211.5 ℃,而最大熱失重速率溫度從231.6 ℃分別提升至276.2和270.9 ℃,最大熱失重速率從-9.80%/min分別提升至-6.54%/min 和-6.55%/min,這說明交聯劑的添加可以提高復合膜的熱穩定性。因此,交聯劑是影響復合膜熱穩定的主要因素。

a-共混膜TG曲線圖;b-雙層膜TG曲線圖;c-共混膜DTG曲線圖;d-雙層膜DTG曲線圖圖2 不同復合膜的熱重分析圖Fig.2 Thermogravimetric analysis of different composite films

表2 不同復合膜的熱力學相關數據Table 2 Thermodynamic data of different composite films

2.4 色差和不透明度

如圖3所示,據肉眼觀察,未交聯膜(圖3-a,
圖3-d)與檸檬酸交聯膜(圖3-b,
圖3-e)表面光滑且呈無色透明狀,而阿魏酸交聯膜(圖3-c,
圖3-f)整體顏色偏黃,部分地方出現白色斑點,透明性較差。

由表3可知,雙層膜和共混膜的L*、a*、b*和ΔE*值無顯著差異(P>0.05),這說明不同成膜方法對復合膜的顏色無顯著影響。而添加交聯劑后,復合膜的ΔE*顯著提高(P<0.05),這說明交聯劑導致復合膜顏色變深,主要體現在L*和a*值降低及b*值提高,這表明交聯劑使復合膜顏色變暗,且整體顏色偏向于綠色和黃色。LIGUORI等[28]的研究表明,檸檬酸在與多糖的加熱過程中會生產有色不飽和酸,這可能導致了交聯膜ΔE*提高。而阿魏酸對復合膜ΔE*的影響更大,這可能是阿魏酸在空氣中被氧化導致復合膜顏色加深,從而使復合膜的ΔE*顯著提高。

a-BL;b-BLCA;c-BLFA;d-Bi;e-BiCA;f-BiFA圖3 不同復合膜表面直觀圖Fig.3 Direct view of different composite films surfaces

表3 不同復合膜的色差和不透明度Table 3 Color difference and opacity of different composite films

由表3可知,共混膜與雙層膜的不透明度無顯著差異(P>0.05),而添加交聯劑后,復合膜的不透明度顯著提高(P<0.05)。這可能是因為交聯劑與成膜基質發生反應,縮短了大分子鏈間的距離,阻礙了可見光的透過,從而提高了膜的不透明度。而阿魏酸對復合膜不透明度的影響最大,與BL相比,BLFA的不透明度提高了15.38%,與Bi相比,BiFA的不透明度提高了17.36%。這可能是因為阿魏酸在空氣中氧化導致復合膜變白,從而使膜的不透明度顯著提高。

2.5 掃描電鏡

由圖4可知,雙層膜的海藻酸鈉層和瓊膠層的表面結構無明顯差異,這可能是因為瓊膠和海藻酸鈉都屬于多糖,且元素組成相似。由圖5可見,各共混膜的表面均比較平整、光滑,沒有出現明顯的孔隙和褶皺,這是因為瓊膠和海藻酸鈉可以通過氫鍵提高其相容性。由各膜截面結構圖可見,雙層膜的截面并未觀察到分層結構,這是因為瓊膠與海藻酸鈉的元素組成相同,且聚合物之間通過氫鍵和靜電相互作用提高了其相容性,所以難以通過掃描電鏡觀測到膜的層狀結構。而共混膜的截面出現橫向裂紋和褶皺,這在未交聯共混膜中更加明顯,這可能是因為成膜基質干燥后呈纖維化取向所導致。通過對比雙層膜和共混膜的截面可以發現,雙層膜的截面更加均勻、致密,這也從側面反映了雙層膜更高的機械強度。在添加交聯劑后,共混膜的裂紋和褶皺減少,且膜的厚度降低,這說明交聯劑通過與聚合物形成氫鍵和酯鍵形成了更加穩定的三維網絡結構,膜組分之間的連接更加緊密,從而使膜截面更加光滑、平整。

a-未交聯;b-檸檬酸交聯;c-阿魏酸交聯圖4 雙層膜掃描電鏡圖Fig.4 SEM images of bilayer films 注:左-截面,中-瓊膠膜表面,右-海藻酸鈉膜表面;各膜表面結 構圖放大倍數1 000×,截面結構圖放大倍數800×(下同)。

a-未交聯;b-檸檬酸交聯;c-阿魏酸交聯圖5 共混膜掃描電鏡圖Fig.5 SEM images of blend films 注:左-截面,右-表面

2.6 紅外光譜

圖6 不同復合膜的紅外光譜圖Fig.6 Infrared spectra of different composite films

3 結論