張榮飛 王相友

（山東理工大學農(nóng)業(yè)工程與食品科學學院 山東淄博255049）

雙孢蘑菇是我國主要栽培的食用菌種之一，其中出口創(chuàng)匯占80%以上。在采后后熟過程中，雙孢蘑菇生命代謝極其活躍，使其商品質(zhì)量和貨架壽命受到嚴重影響，在生產(chǎn)和貯運方面損失重大，也因此制約了雙孢蘑菇產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因采后保鮮處理不合適或保鮮技術(shù)設(shè)施落后，我國每年雙孢蘑菇在采后貯藏和運輸過程中的損失高達30%以上[1]。

目前，國內(nèi)外對可食性共混膜性能的研究逐漸成為果蔬涂膜保鮮研究的熱點[2-8]?？ɡz和魔芋膠均是從植物中提取的多糖物質(zhì)，廣泛應(yīng)用于食品及食品添加劑中，兩者共混成膜時，能夠形成脆度小，彈性大，析水少的凝膠，因此，卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜作為一種可食性保鮮膜，可以產(chǎn)生各單體膠不具有的特性，在綠色可食性包裝薄膜方面的應(yīng)用前景十分廣闊[8]。謝建華等[10]研究了卡拉膠-魔芋葡甘聚糖共混膜的制備，并測定其性能，結(jié)果表明其厚度、洗刷性等性能在魔芋葡甘聚糖與卡拉膠質(zhì)量比為6∶4 時最佳。然而，卡拉膠/魔芋膠共混膜存在機械性能較差，強度低，抗水性差等缺點。納米SiO2是一種白色粉末非金屬材料，在有機材料改性中應(yīng)用廣泛，且無毒，無味，無污染，目前已被國家批準為食品添加劑[11]。由于其具有表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等特征而常作為一種改性材料，可與許多高分子聚合物復(fù)合制備納米復(fù)合材料，從而提高聚合物的成膜效能特性以及保鮮作用[12]。孟祥勝等[13]發(fā)現(xiàn)PVA 薄膜加入納米SiO2粉體，其耐水性提高為原來的2.40 倍。Rhim 等[14]研究了納米粘土對瓊脂/卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜的機械性能和水阻隔性能的影響。

為了使納米復(fù)合膜的性能達到最佳，本課題研究了納米SiO2添加量、卡拉膠與魔芋膠質(zhì)量比、甘油添加量對復(fù)合膜性能的影響，以及對雙孢蘑菇的涂膜保鮮效果，并采用SEM，F(xiàn)TIR，XRD 和UV 對復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)進行表征分析，旨在為納米SiO2/卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜用于果蔬及食用菌的保鮮提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 主要試劑與材料

雙孢蘑菇：采摘于山東省淄博市淄河鎮(zhèn)。采摘后的雙孢蘑菇立即運至山東理工大學實驗冷庫，（2±1）℃下預(yù)冷24 h，降低其呼吸熱。挑選傘蓋直徑大約4 cm 左右，潔白、無械損傷和真菌感染的雙孢蘑菇。

食品級卡拉膠，天津市博迪化工有限公司；食品級魔芋膠，淄博雙帆外貿(mào)有限公司；親水型納米SiO2，南京海泰納米材料有限公司，HTSi-01；無水CaCl2，天津市福晨化工有限公司；甘油，萊陽經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)精細化工廠。

1.2 儀器及設(shè)備

電熱恒溫鼓風干燥箱（DHG-9140A），上海一恒科學儀器有限公司；數(shù)顯恒溫水浴鍋（HH-S），常州普天儀器制造公司；場發(fā)射掃描電子顯微鏡（Sirion 200），美國FEI 公司；多晶X-射線衍射儀（D8 Advance），德國BrukerAXS 公司；傅立葉變換紅外光譜儀 （Nicolet 5700），美國Thermo Electron；紫外可見分光光度儀（UV2550），日本島津公司國際貿(mào)易有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗方案 對納米SiO2添加量、卡拉膠與魔芋膠質(zhì)量比、甘油添加量，根據(jù)有關(guān)參考文獻[14]及實驗室前期試驗結(jié)果[15]進行L9（3）4正交試驗設(shè)計，試驗因子的水平和編碼見表1，試驗重復(fù)3次。

表1 試驗因素水平編碼表Table 1 Factors and levels of experiments

1.3.2 膜的制備 參照表2，分別把納米SiO2到入100 mL 蒸餾水中，溶解后加入相應(yīng)量的卡拉膠和魔芋膠，攪拌均勻后，60 ℃水浴鍋中攪拌加熱20 min，然后在頻率為40 kHz，功率為150 W 的超聲波下處理25 min，分散脫氣。冷卻至30 ℃左右，定量的在面積相同的玻璃板上流延成膜，待干燥后流水沖洗揭膜，制得不同比例的納米SiO2/卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜，于室溫下晾干，待用。

1.3.3 厚度 將膜樣品折疊一定的層數(shù)，取不同的點用游標卡尺測其厚度，取其平均值。

1.3.4 透光率[14]將待測納米SiO2/卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜和卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜樣品裁成4.5 mm×1.1 mm 條狀，貼于比色皿內(nèi)部，利用日本島津公司UV2550 紫外分光光度計，以空比色皿做對照，在波長450 nm 處測定復(fù)合膜的吸光度，每組樣品取3 個，取其平均值。按照式（1）計算。

式中，A——吸光光度值；T——透光率，%。

1.3.5 透水率 參照GB/T 16928-1997[17]中的方法A 和ASTM[18]方法，烘干稱量瓶，稱取3 g 無水CaCl2置于其中，用納米SiO2/卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜和卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜在瓶口緊密覆蓋，并用橡皮筋固定，放入恒溫恒濕箱 （23 ℃，RH=90%）中，24 h 后（至稱量瓶質(zhì)量不變時）測定量瓶質(zhì)量的增加量。每組樣品取3 塊膜，結(jié)果取其平均值。膜的透水率按式（2）計算。

式中，WVTR——水蒸氣傳遞速率，g/m2·d；D——時間，d；S——膜的有效面積，m2。

1.3.6 溶脹度 膜的溶脹度采用干濕法[19]測定。測定優(yōu)化復(fù)合膜的溶脹度并與卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜進行比較。每組樣品取3 個，結(jié)果取平均值。

1.3.7 水溶性 將復(fù)合膜剪裁成正方形，于干燥器中恒溫干燥，準確稱量膜的質(zhì)量，放入蒸餾水中吸水至恒重，收集膜，50 ℃干燥至恒重，稱重（Wfinaldry，精確到0.0001 g），根據(jù)其質(zhì)量變化計算膜的水溶性[20]，平行測定3 次，結(jié)果取平均值。膜的水溶性按照式（3）計算。

1.3.8 透氧性 采用脫氧劑吸收法，脫氧劑根據(jù)文獻[21]制備。事先將稱量瓶烘干至恒定質(zhì)量，把脫氧劑置于稱量瓶中，用復(fù)合膜在瓶口緊密覆蓋，并用橡皮筋固定，放入23 ℃恒溫恒濕箱中，于一定濕度（RH=90%）條件下放置48 h 后測定稱量瓶增加質(zhì)量Δm，即脫氧劑吸收O2的量[18]。O2透過膜被脫氧劑吸收。按式（4）計算成膜的透氧率。

式 中，Q （O2）——膜 的 透O2率，g/m2·d；Δm——脫氧劑吸收O2的質(zhì)量，g；D——時間，d；S——為膜片的有效面積，m2。

1.3.9 透CO2性 事先將稱量瓶烘干至質(zhì)量恒定，將5 g KOH 置于稱量瓶中，用復(fù)合膜在瓶口緊密覆蓋，并用橡皮筋固定，放入23 ℃恒溫恒濕箱中，于一定濕度（RH=90%）條件下放置48 h 后測定量瓶的增加質(zhì)量Δm′，即KOH 吸收CO2的量[18]。CO2透過膜被KOH 吸收。按式（5）計算成膜的透CO2率：

式中，Q（CO2）——膜的透CO2率，g/m2·d；Δm′——KOH 吸 收CO2的 質(zhì) 量，g；D——時 間，d；S——膜片的有效面積，m2。

1.3.10 復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)表征 采用美國Nicolet5700 型紅外光譜儀、UV2550 紫外可見分光光度計、FEI Sirion200 型電子掃描電鏡和X 射線衍射光譜儀分別對卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜及納米復(fù)合膜進行結(jié)構(gòu)表征。

1.3.11 雙孢蘑菇的涂膜保鮮試驗 將挑選好的蘑菇隨機分為3 組（重復(fù)3 次），每組30 個。用優(yōu)化后的納米復(fù)合膜和普通復(fù)合膜對雙孢蘑菇進行涂膜在（4±1）℃下貯藏保鮮[15]并每隔1 d 隨機取樣，測不同處理組雙孢蘑菇的失重率、白度、硬度、細胞膜透性等生理品質(zhì)指標，與對照組（未涂膜）進行比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗安排與結(jié)果

根據(jù)表2的試驗數(shù)據(jù)，分析納米SiO2添加量，卡拉膠與魔芋膠質(zhì)量比，甘油添加量對膜的透光率的影響規(guī)律，根據(jù)所測定的指標，利用SPSS19.0 軟件對試驗數(shù)據(jù)進行方差顯著性分析，從而得到最佳配比。

表2 正交試驗設(shè)計表及試驗結(jié)果Table 2 The orthogonal experiment design and test results

表3 主體間效應(yīng)的檢驗Table 3 The inspection effect among subjects

從表2和表3中可知，影響復(fù)合膜透光率的因子主次順序為B>A>C，最佳配比為A1B3C2，并且卡拉膠與魔芋膠質(zhì)量比和甘油兩個因素對復(fù)合膜的透光率影響極其顯著（P＜0.01），說明當卡拉膠與魔芋膠質(zhì)量比為1∶3 時，復(fù)合膜的透光率到達最大值，這可能是因為魔芋膠和卡拉膠的協(xié)同效果在此時最佳，同時相容性較好[22-23]，兩相光散射或折射損耗較少。除此之外，甘油的加入在一定程度上使復(fù)合膜的透光率提高，這表明甘油作為一種小分子有機物和復(fù)合膜中的第3 相，能夠提高魔芋膠和卡拉膠共混時的均勻性，減少分子鏈團聚，利于復(fù)合膜中光波的傳播，從而增強復(fù)合膜的透光率。納米SiO2的獨特結(jié)構(gòu)使其表現(xiàn)出一些特殊的光學特性[24]，也提高了膜的透光率。郭衛(wèi)紅等[25]研究結(jié)果表明，由于納米SiO2粒子尺寸小于可見光波長，加入了納米SiO2的納米復(fù)合膜具有良好的透明度和較高的光澤度。

2.2 復(fù)合膜的性能驗證

2.2.1 復(fù)合膜的厚度 卡拉膠和魔芋膠本身具有很好的流延性和成膜性，與納米粒子結(jié)合后成膜比較均勻，所得的膜的厚度主要在25～26 nm 之間。膜厚度的均勻性對膜的綜合性能的研究具有重要意義。

2.2.2 復(fù)合膜的性能驗證 以納米SiO2添加量0.03%，卡拉膠與魔芋膠質(zhì)量比1∶3，甘油添加量0.7%的優(yōu)化配方，配制復(fù)合膜測定其透光性、透氧性、透CO2性、水溶性、溶脹性、透水率，并與未添加納米SiO2的卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜進行比較。

將復(fù)合膜涂膜于果蔬表面進行保鮮，在食用前果蔬一般需要經(jīng)過清洗，所以，膜的水溶性和溶脹度是評價該膜是否可實際應(yīng)用的重要指標之一[26]?？ɡz/魔芋膠復(fù)合膜是堅韌的彈性材料，在一定范圍內(nèi)，溶脹度越大復(fù)合膜的彈性越好，果蔬保鮮效果也越好。由表4可見，納米SiO2/卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜的水溶性和溶脹度分別較卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜高2.42%，5.54%。

圖1 復(fù)合膜的厚度Fig.1 The thickness of composite films

表4 納米復(fù)合膜的性能Table 4 Performances of nano-composite film

對于處在保鮮膜包裝中的果蔬而言，過高或過低的氧氣濃度都會影響其鮮度和貯藏壽命。因此新鮮果蔬用保鮮膜包裝時，膜的氧氣透過率應(yīng)適量，以防止果蔬進行無氧呼吸而腐爛，若膜的氧氣透過率太大，呼吸強度過高，從而使果蔬代謝加速，壽命縮短[27]。由表4可知，添加納米粒子后，納米復(fù)合膜的透O2性低于卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜0.007 g/m2·d，透CO2性高于卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜0.024 g/m2·d，因此，納米復(fù)合膜更有利于抑制果蔬的呼吸作用。除此之外，納米復(fù)合膜的透光率增加，這是因為納米SiO2具有很好的光學效應(yīng)[24]；其透水率較卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜降低了9.03%。綜上所述，納米SiO2/卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜的性能較優(yōu)些，更有利于其在果蔬保水、保鮮方面的應(yīng)用。

2.3 復(fù)合膜的微觀結(jié)構(gòu)表征

2.3.1 掃描電鏡分析 納米SiO2在卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜中分散SEM 分析結(jié)果如圖2所示。

由圖2b 可見，卡拉膠和魔芋膠具有較好的相容性，且無分離現(xiàn)象，圖2a 中納米SiO2在卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜中分散較均勻，相容性較好。王明力等[28]在殼聚糖保鮮涂膜納米SiOx 修飾工藝優(yōu)化的研究中，納米SiO2可較好的分散在殼聚糖中，且相容性較好。

圖2 復(fù)合膜的SEM 圖Fig.2 SEM photo of composite film

2.3.2 紅外光譜分析 納米SiO2/卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜和卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜的紅外光譜圖如圖3所示。

由圖3可知，其普通復(fù)合膜和納米復(fù)合膜羥基伸縮振動峰分別為3 359.9，3 352.2 cm-1，納米復(fù)合膜羥基伸縮峰向低波方向發(fā)生遷移，說明納米粒子與卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜分子之間發(fā)生作用，表現(xiàn)為納米復(fù)合膜的凝膠作用較卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜增大，從而成膜性較好。這與卡拉膠殘基上的半酯式硫酸鹽基團能成為一種陰離子型分子電解質(zhì)有關(guān)[29]，以及納米SiO2與卡拉膠/魔芋膠分子之間形成的氫鍵所致。因此，氫鍵的存在對復(fù)配體系起到了非常重要的增容作用。這與王元蘭等[30]對卡拉膠/魔芋膠復(fù)配膠凝膠強度的測試結(jié)果非常吻合。

2.3.3 紫外可見分光光譜分析 納米SiO2/卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜和卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜的紫外可見光光譜圖如圖4所示。

由圖4可知，加入納米粒子后復(fù)合膜的成分沒有變化，只是分子中某些基團的吸收值發(fā)生改變，從圖中可以明顯看出，加入納米粒子后復(fù)合膜中所有基團的吸收波長都發(fā)生了紅移（向長波長方向移動），并且其波峰值也都增大，說明納米復(fù)合膜中的氫鍵作用比較強，氫鍵的數(shù)量也較多。進一步說明納米粒子對復(fù)合膜有一定的修飾作用。

圖3 復(fù)合膜的紅外光譜圖Fig.3 FTIR photo of composite film

圖4 復(fù)合膜紫外可見分光光譜圖Fig.4 UV photo of composite film

2.3.4 X-射線衍射光譜分析 納米SiO2/卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜和卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜的X-射線衍射光譜圖，如圖5所示。在加入納米SiO2粒子后，復(fù)合膜的結(jié)晶峰發(fā)生了明顯改變，卡拉膠/魔芋膠/納米SiO2復(fù)合膜在2 附近處結(jié)晶峰加強。結(jié)果表明，盡管卡拉膠和魔芋膠原有結(jié)構(gòu)的規(guī)整性被機械力及分子動力學作用擾亂，但因納米SiO2分子中含有大量羥基，增加了卡拉膠、魔芋膠分子內(nèi)的氫鍵強度和分子的有序度，所以結(jié)晶度增加；與此同時，納米SiO2和卡拉膠、魔芋膠分子之間有較強的氫鍵作用，分子的鏈段有的獨自排列，有的相互纏結(jié)在一起，從而原有的排列被打亂，導致各自的結(jié)晶性能和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。所以納米SiO2對卡拉膠、魔芋膠分子存在一定的修飾作用。

2.4 保鮮試驗結(jié)果

由上述試驗結(jié)果得到的優(yōu)化配方，對雙孢蘑菇進行涂膜（4±1）℃保鮮，由表5可知，貯藏第12天時，空白對照組的失重率為0.89%，而卡拉膠/魔芋膠/納米SiO2復(fù)合涂膜處理組為0.67%。結(jié)果表明，相對于空白組，卡拉膠/魔芋膠復(fù)合涂膜和卡拉膠/魔芋膠/納米SiO2復(fù)合涂膜均顯著（P＜0.05）抑制了雙孢蘑菇的失重情況；空白對照組與涂膜處理兩組的硬度值有顯著差異（P<0.05），空白對照組的硬度值降到4.19×105Pa，卡拉膠/魔芋膠復(fù)合涂膜處理組降到4.53×105Pa，卡拉膠/魔芋膠/納米SiO2復(fù)合涂膜處理組降到6.41×105Pa；納米復(fù)合涂膜組白度值都高于空白對照組，細胞膜透性也低于對照組（表5）。這是由于無機納米粒納米SiO2與卡拉膠和魔芋膠通過共混的方式所制成的膜，膜中的硅氧鍵對CO2和O2有吸附、溶解、擴散、釋放作用[31]，可調(diào)節(jié)膜內(nèi)外CO2和O2交換量，從而抑制雙孢蘑菇呼吸強度，達到保鮮、保濕的作用。

圖5 復(fù)合膜X-射線衍射光譜圖Fig.5 XRD photo of composite film

表5 復(fù)合涂膜在（4±1）℃對雙孢蘑菇的失重率、白度、硬度及細胞膜透性的影響Table 5 Effect of coating on weightloss，surface color，hardness and membrane permeability of Agaricus bisporus during storage at （4±1）℃

3 結(jié)論

本文以魔芋葡甘聚糖、卡拉膠為成膜基材，制備納米可食性復(fù)合膜并對其性能進行測定，并進行微觀結(jié)構(gòu)表征。結(jié)果表明，質(zhì)量配比、甘油含量、納米SiO2對復(fù)合膜力學性能和光學性能有較大影響，其中卡拉膠與魔芋膠的質(zhì)量配比影響較大，其次是納米SiO2。通過正交試驗，確定了膜制備的最佳工藝條件：納米SiO2添加量、卡拉膠與魔芋膠質(zhì)量比、甘油添加量分別為0.03%，1∶3，0.7%時，制得的復(fù)合膜各項性能較好，其透光率為84.26%，透氧性為0.15 g/m2·d，透CO2性為0.207 g/m2·d，水溶性值為51.78%，溶脹度為76.90%，透水率為62.31%。

卡拉膠/魔芋膠/納米SiO2復(fù)合膜具有良好的透過性，如其對氣體和蒸汽的透過性，包括氧氣、二氧化碳和有機物蒸汽，并克服了普通高分子生物膜具有較差機械性能和阻隔性能的缺陷。因此，在雙孢蘑菇生產(chǎn)、貯運和銷售過程中，該納米復(fù)合膜能起到較好的保鮮作用，并且符合當今農(nóng)業(yè)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。