肖 蕊,張華江,石云嬌，遲玉杰,李 亮,呂雪鵬,魏春立

(東北農業(yè)大學食品學院,黑龍江哈爾濱 150030)

羧甲基化處理對魔芋葡甘聚糖成膜性能影響的研究

肖 蕊,張華江*,石云嬌，遲玉杰,李 亮,呂雪鵬,魏春立

(東北農業(yè)大學食品學院,黑龍江哈爾濱 150030)

本文通過對反應時間、溫度及乙酸鈉的用量,制備出不同取代度的羧甲基魔芋葡甘聚糖,選取最接近取代度0.1、0.2、0.3、0.4、0.5的樣品進行制膜并測定其機械性能及表征,篩選出最適制膜的取代度。最終確定取代度0.2980為最適制膜的取代度,此時對應的改性魔芋葡甘聚糖膜的拉伸強度為21.43 kPa,斷裂伸長率為32.1%,水蒸氣透過系數和水蒸氣透過率分別為8.9 g·mm/m2d·kPa和11.4 g/h·m2,油脂氧化值為15.81 meq/kg。借助傅里葉紅外光譜和掃描電鏡的分析,進一步驗證了魔芋葡甘聚糖羧甲基反應的發(fā)生及對成膜微觀結構的影響。與未羧甲基化的膜相比,改性后膜的性能得到了很大的改善,為今后可食性魔芋葡甘聚糖薄膜的研究提供一定的技術基礎。

魔芋葡甘聚糖,羧甲基化,取代度,膜

魔芋是天南星科魔芋屬植物的塊莖,分布廣泛,資源豐富[1]。魔芋葡甘聚糖是非離子型中性多糖,含有大量的羥基、羰基等親水基團,易溶于水,不溶于乙醇、丙酮等有機溶劑[2]。魔芋葡甘聚糖(KGM)具有成膜性,其溶膠在堿性條件下脫水后形成透明和致密度高的膜[3]。但KGM溶膠的穩(wěn)定性差、對溫度和pH敏感,這都對成膜后的性能造成一定的影響。所以需要對其進行改性修飾處理,以降低其粘度[4],提高其溶膠流變性及成膜性。

如今綠色可回收再生、可降解的包裝材料是世界包裝發(fā)展的趨勢,也與我國實現可持續(xù)發(fā)展,人與自然和諧發(fā)展的方針不謀而合。國內,鄧紅[5]等人利用KGM和食用級的增塑劑組合,研制出具有一定強度和耐水性的可降解膜。陳從貴[6]等人利用魔芋膠和卡拉膠復配,制作可食性包裝紙。增韌效果優(yōu)于兩者形成的單純膜,并得出最佳復配比例。國外則未見此報道。KGM 能夠在溫和的堿性條件下脫掉一部分乙酰基團,脫掉乙?；笥欣诜肿觾群头肿娱g羥基的氫鍵相互交聯(lián),同時增強了分子鏈間的作用力,從而引起其成膜性能的改變。KGM脫乙酰基后,分子鏈從半柔性的直鏈分子逐漸轉化成為彈性微球狀,降低了特性黏度,增加了非對稱性,形成了有序結構,從而形成的材料具有較高的耐水性能以及較好的拉伸性能[7]。

由于制備出的包裝材料機械性能不夠理想,限制了其在實際中的應用。因此,本研究對魔芋葡甘聚糖進行羧甲基改性后,得到具有更好疏水性和阻濕阻氧性,以及更適合應用于膜制備的羧甲基魔芋葡甘聚糖[8]。并通過對羧甲基改性膜性能的測定,篩選出最適成膜的取代度。本實驗為今后研究羧甲基魔芋葡甘聚糖的應用提供了可行性的研究及參考,對羧甲基魔芋葡甘聚糖膜的綜合利用以及新產品的開發(fā)提供了基礎研究資料。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

魔芋粉 湖北武漢力誠生物科技有限公司;乙醇、乙酸鈉、氫氧化鈉、鹽酸、氯化鈣、硫代硫酸鈉 均為國產分析純;酚酞 實驗室自制;大豆油 九三豆油購于超市。

DHG-9240A 鼓風干燥箱 上海博迅實業(yè)有限公司設備廠;AB-50電子分析天平 瑞士METTE公司;TA-XT 質構儀 天津市普博科技;HH-2數顯恒溫水浴鍋 天津泰斯特有限公司;自制亞克力成膜板槽;智能型傅里葉紅外光譜儀 美國Nicolet公司;JSM-6390LV型掃描電鏡 日本Hitachi公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 不同取代度(DS)羧甲基魔芋葡甘聚糖(CK)的制備及工藝流程 1 g魔芋粉分散溶脹于60 ℃的蒸餾水中0.5 h,將一定量的乙酸鈉溶于40 mL 70%(v/v)乙醇溶液加入到溶脹的KGM溶膠中,充分反映一定時間后,取出冷卻。用80%(v/v)乙醇溶液沉淀,之后用50%(v/v)的乙醇溶液反復洗滌至硝酸銀檢驗濾液無Cl-存在,最后用95%(v/v)乙醇溶液脫水沉淀過夜,用保鮮膜封口。將脫水后的CK放入60 ℃的鼓風干燥箱中除去水分后,用研缽研碎后過60～100目篩后得到乳白色至淡黃色的粉末即為CK,保存?zhèn)溆谩?/p>

取代度會隨著反應溫度、時間以及乙酸鈉的用量增加而增加。因此,要通過對反應溫度、時間以及乙酸鈉的用量控制得到不同取代度的CK,使其自由組合來確定所需取代度的條件,最終獲得所需取代度的CK樣品。

1.2.2 CK取代度的測定 電位滴定法測定羧甲基魔芋葡甘聚糖的取代度:將0.2%(w/t)CK溶液中加入一定量的HCl溶液(0.1 mol/L),使酸性的CK溶液的pH<2,然后用NaOH溶液(0.1 mol/L)滴定酸性的CK溶液,用酚酞做指示劑,溶液色時即為中和幾下所用NaOH溶液的體積,然后通過以下公式計算CK的取代度:

式中:A-每gCK樣品消耗的NaOH溶液的量,(mmol);162和58-分別為葡聚糖或者甘露糖以及羧甲基的相對分子質量。

表1 不同取代度CK樣品的制備方法

1.2.3 CK膜的制備 將不同取代度的CK配制成2%的成膜溶液并加入2 g甘油,置于60 ℃的水浴鍋中水浴,勻速攪拌3 h后取出,真空脫氣后在玻璃板上延流成膜并將其放入60 ℃的鼓風干燥箱中干燥。10 h后將樣品取出并小心的將膜從玻璃板上剝離,置于干燥器中備用。

1.2.4 拉伸強度(TS)和斷裂伸長率的測定(E%)測定 膜的抗拉強度用質構儀測定。將膜裁成100 mm×20 mm的長條,用TA.XT.Plus質構儀做拉伸測定,有效拉伸長度為50 mm,拉伸速度為5 mm/s,最小感應力為5 g,測定條件為25 ℃,80%RH。將膜系于拉伸探頭(A/SPR)上,啟動儀器,使探頭慢慢將膜向上拉,直至膜斷裂。記錄測試樣品膜斷裂時的最大張力(F)、伸長的距離(S)、斷裂時的標線之間的距離G和斷裂時膜被拉伸的長度ΔG。拉伸強度(TS)和斷裂伸長率的測定(E%)按下式計算。每種取代度的CK膜取三個樣品進行測定,結果取其平均值。

表2 不同制備條件下CK的DS

式中:TS-拉伸強度,(kPa);E-斷裂伸長率,(%);F-樣品斷裂時承受的最大張力,(N);ΔG-樣品斷裂時膜被拉伸的長度,(mm);G-樣品斷裂時標線間的距離,(mm)。

1.2.5 透水透氧性測定 透水性:采用擬杯子法測定水蒸氣透過量:稱取3 g經干燥的無水氯化鈣并裝入50 mL廣口三角瓶中,用石蠟將待測的CK膜密封于瓶口處,通過杯重的增加量計算水蒸氣的透過量[9]。

WVP(水蒸氣透過系數,(g·mm/m2d·kPa);WVTR-水蒸氣透過率,(g/h·m2);Δm-水蒸氣遷移量,(g);A-膜的面積,(m2);t-測定時間,(h);L-膜厚,(mm);ΔP-膜兩側的水蒸氣壓差,(Kpa);24為24h。

純水25 ℃時的飽和水蒸汽壓為3.1671kPa,KBr飽和溶液的水蒸汽壓為純水的83%。

透氧性:稱取6.0g大豆油,至于廣口瓶中,用CK膜將瓶口密封,以敞口放置的大豆油做空白對照,至于60 ℃恒溫培養(yǎng)箱中,7d后取出,稱取大豆油樣品1.0g,測其過氧化值(POV),以脂肪氧化的程度簡潔表示膜的透氧性。油樣的POV值計算如下公式:

式中:POV-油脂的過氧化值(meq/kg);C-Na2S2O3標準溶液的濃度(mol/L);V1-膜封油脂消耗Na2S2O3標準溶液的體積(mL);V2-對照組消耗Na2S2O3標準溶液的體積(mL);m-油脂樣品的質量(g)。

1.2.6 紅外光譜測定(FTIR) 將不同取代度的CK膜裁剪成2cm×2cm的小方塊后,充分干燥,然后用傅里葉紅外分光光度計進行紅外光譜的測定,波長范圍為4000～500cm-1。

1.2.7 掃描電鏡測定(SEM) 將膜樣品裁剪成小塊,至于干燥器中干燥24h后進行SEM分析。取干燥膜樣品至于銅臺在13.3Pa真空度下噴金,厚度約為20nm,加速電壓為20kV,用SEM觀察膜樣品的表面形態(tài)并拍照。

1.3 數據處理

實驗數據采用Origin8.5軟件進行處理。

2 結果與討論

2.1 不同制備條件下CK的取代度篩選

表2顯示不同反應溫度、乙酸鈉(NaAc)用量、反應時間的條件下,制備的CK的DS。通過控制條件,得到不同DS的CK,從中選取DS最接近0.1、0.2、0.3、0.4、0.5的樣品進行制膜及性能的測定表征。即DS為0.0998、0.2008、0.2980、0.3984、0.5005的樣品,分別標記為CK-a、CK-b、CK-c、CK-d、CK-e及KGM為空白對照組。

2.2 不同取代度的CK對其成膜機械性能的影響

2.2.1 拉伸強度和斷裂伸長率 拉伸強度是衡量膜機械性能最重要的指標,拉伸強度的值越大,說明其膜承受的力越大,也就越不易發(fā)生斷裂,其實際利用價值也就越高。斷裂伸長率是判斷膜延展性的重要指標,圖1是改性后的CK膜與單純KGM膜的拉伸強度和斷裂伸長率。由圖可以看出,改性后的CK膜的拉伸強度與斷裂伸長率均大于單純KGM膜。在DS小于CK-c,拉伸強度與斷裂伸長率隨著取代度的增加而增大,CK-c拉伸強度與斷裂伸長率達到最大,值分別為21.43kPa和32.1%。CK-d膜的機械強度大大降低,這可能是由于當CK的DS高于CK-c,其內部脫掉了大部分的乙酰基,而乙?；鼙ＷCKGM有一定的親水性,所以親水性明顯下降,樣品太過于疏水而不利于成膜,從而導致了膜的機械性能減弱[10]。CK-e拉伸強度與斷裂伸長率則降低的更加明顯。

圖1 取代度對拉伸強度和斷裂伸長率的影響Fig.1 Degree of substitution on the tensile strength and elongation at break注:用t檢驗法進行分析,實驗組與對照組相比,**表示差異極顯著(p<0.01),*表示差異顯著。(p<0.05),不標者則為差異不顯著(p>0.05)，圖2、圖3同。

2.2.2 透水透氧性 由于CK具有一定的親水性,導致其成膜后對水蒸氣的阻隔作用較差。而水蒸氣透過系數(WVP)和水蒸氣透過率(WVTR)以及透氧性(用油脂的過氧化值POV間接表示)將直接影響包裝產品的質量,三者值越低,膜的防腐效果越好[11]。由圖2和圖3可以看到,在五種不同取代度的CK膜中,當取代度為CK-a、CK-b、CK-c膜的WPV、WVPR和POV逐漸減小。CK-c膜的WPV、WVPR和POV最低,分別為8.9 g·mm/m2d·kPa、11.4 g/h·m2和15.81 meq/kg,故其阻濕阻氧性能最佳。CK-d、CK-e膜的WPV、WVPR和POV值又上升,阻濕阻氧開始減弱。但只要是改性后的KGM制成的CK膜的阻濕阻氧性不論其取代度多大都要明顯高于未改性的純KGM膜。

圖2 取代度對水蒸氣透過性的影響Fig.2 Degree of substitution on the WPV and WVPR

圖3 取代度對氧氣透過性的影響Fig.3 Degree of substitution on the oxygen permeability

2.3 不同取代度的CK膜的FTIR光譜分析

圖4是KGM和CK的紅外光譜圖,兩者的圖譜有明顯的差異。與KGM相比CK在1213.41 cm-1和1660.37 cm-1處出現了明顯的羧基C-O和羥基-OH。1663.89～1611.17 cm-1處是C=O的吸收,CK的圖譜上此處伸縮振動明顯變寬,說明羧甲基基團已經與魔芋葡甘聚糖相互作用形成了羧甲基魔芋葡甘聚糖[12]。

圖4 KGM和CK的紅外光譜圖Fig.4 FTIR spectra of KGM and CK

2.4 不同取代度的CK膜的SEM分析

圖5為放大1000倍的電鏡效果,展現了純KGM膜和CK膜的表面結構。KGM膜的電鏡圖呈現出了不均勻的團塊,這可能是由于未改性的KGM中含有大量的乙酰基,乙?；拇嬖谑蛊溆H水性較強。在CK膜的電鏡圖中可以看出,CK-c呈現出更加平滑致密的表面結構,這可能是由于此時的CK的取代度是最佳成膜取代度,可以改善膜的一些性能。但當取代度高于CK-c的值時,其膜的表面結構又表現出了一些孔洞,可能是KGM脫掉大量的乙?；筇^于疏水導致的[11]。

圖5 KGM和不同取代度CK膜的SEM圖Fig.5 SEM micrographs of surface of KGM film and CK film with different DS

3 結論

本實驗通過對單因素的控制,制備出了不同取代度的羧甲基魔芋葡甘聚糖,并將其制備成膜,研究不同取代度對改性膜的性能的影響。通過對拉伸強度、水蒸氣透過性及掃描電鏡的測定,篩選出了制膜的最適取代度(DS為0.2980)。傅里葉紅外光譜的測定驗證了羧甲基反應的發(fā)生,改性后成膜的性能得到了極大的改善,這也為今后的研究奠定了一定的基礎。

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Effect of carboxymethylation modification on konjac glucomannan film membrane

XIAO Rui,ZHANG Hua-jiang*,SHI Yun-jiao,CHI Yu-jie,LI Liang,LV Xue-peng,WEI Chun-li

(College of Food,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

In this study,the substitution degree of carboxymethyl konjac glucomannan nearest 0.1,0.2,0.3,0.4,0.5 were selected to make films,the effect of the films conditions,including controlling the reaction time,temperature and sodium acetate content was examined by mechanical properties and characterization. Finally CK film optimum substitution degree was 0.2980,the TS and E of the modified KGM film were 21.43 kPa and 32.1%,WVP and WVPR were 8.9 g·mm/m2d·kPa and 11.4 g/h·m2,respectively,the POV was 15.81 meq/kg. The analysis of further validated the carboxymethylation reaction occurred on KGM by Fourier transform infrared and scanning electron microscopy and affect the microstructure of the film. Performance of the modified film had been greatly improved than non-carboxymethylation one. This research provided a technical basis for future study to edible konjac glucomannan film.

carboxymethyl konjac glucomannan;carboxymethylation;substitution degree;film

2014-10-08

肖蕊(1988-),女,碩士,研究方向:農產品深加工,E-mail:xiaorui9797@163.com。

*通訊作者:張華江(1976-),男,博士,副教授,研究方向:農產品加工及貯藏工程,E-mail:hjthzhang@163.com。

國家自然基金青年項目(31101386);國家自然基金面上項目(31271961);中國博士后科學基金特別資助項目(2013T60340);國家“十二五”科技支撐計劃項目子課題(2012BAD34B04-2)。

TS206.4

A

1002-0306(2015)15-0058-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.15.003