朱秀清 陳 華 和銘鈺 馮旭梅 李 楊,2 滕 飛

(1.東北農(nóng)業(yè)大學食品學院， 哈爾濱 150030； 2.黑龍江省綠色食品科學研究院， 哈爾濱 150028)

0 引言

傳統(tǒng)塑料使用帶來的不可再生資源消耗以及塑料廢棄物處理造成的環(huán)境問題日益嚴重，因此研究人員正致力于開發(fā)廉價且優(yōu)質(zhì)的新型生物降解包裝材料[1]。目前用于生產(chǎn)食品包裝材料的天然高分子物質(zhì)有多糖、脂類和蛋白質(zhì)。大豆分離蛋白(Soy protein isolate，SPI)因其成本低、成膜性能優(yōu)異、生物相容性好而備受關(guān)注，但SPI膜普遍存在機械強度不足、耐水性低等問題[2]。近年來，研究者們普遍采用改性處理如物理改性、化學改性和酶改性等提高蛋白膜性能[3-5]。此外，聯(lián)合改性也是改善膜性能的有效方法，多糖或脂肪酸與蛋白復(fù)合，可以增強膜的物理化學性質(zhì)，如多糖可以提高蛋白膜的機械性能，脂肪酸則可以提高蛋白膜的阻水性能[6]。文獻[7]利用殼聚糖顯著提高了明膠膜的機械性能和耐水性。文獻[8]將不同類型的多糖(海藻酸丙二醇酯、果膠、卡拉膠和蘆薈多糖)直接添加或共混干燥到SPI/月桂酸膜中，用于改善膜的力學性能和耐水性。

海藻酸鈉(Sodium alginate，NaAlg)是從褐藻或馬尾藻中提取的一種天然多糖物質(zhì)，具有生物降解性、良好的凝膠性、成膜性和生物相容性，可與蛋白、多糖和脂類等大分子物質(zhì)復(fù)合制成具有良好性能的復(fù)合膜[9]。文獻[10]制備并表征了以水楊酸與阿魏酸交聯(lián)的海藻酸鈉可食用膜，以了解兩者對膜特性變化的影響。文獻[11]制備了具有緩慢釋放抗菌物質(zhì)的海藻酸鈉/玉米醇溶蛋白抗菌復(fù)合膜并對其表征以及對抗菌性能進行了分析。SPI/NaAlg復(fù)合膜[12]與單一膜相比，機械性能有了極大提高，但柔韌性較差，脆性較強，極大地限制了其在食品工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，因此可以通過添加脂類來改善復(fù)合膜的阻水性能。疏水性物質(zhì)硬脂酸(Stearic acid，SA)是一種含有十八碳鏈的飽和脂肪酸，天然存在于動植物體內(nèi)。在復(fù)合膜中添加硬脂酸不僅可以提高膜的阻水性能，還可以降低復(fù)合膜的表面活性，提高膜的接觸角，構(gòu)造出疏水表面[13]。硬脂酸還可以起到增塑的作用，增加膜內(nèi)分子的柔韌性和運動空間，降低分子之間的作用力[14]。文獻[15]研究了緩沖液的酸堿度、乙醇添加量、載姜黃素量、膜中硬脂酸量等因素對姜黃素從殼聚糖-果膠-硬脂酸膜中釋放的影響。文獻[16]使用酪蛋白酸鈉和硬脂酸制備可食用膜，研究了硬脂酸和酪蛋白酸鈉與水的比例對所制備膜的水蒸氣透過率和機械性能的影響。

目前，硬脂酸影響蛋白基膜的阻水性能主要通過測定水蒸氣滲透性、表面潤濕性、含水率及水溶性等指標體現(xiàn)，然而關(guān)于硬脂酸影響SPI/NaAlg復(fù)合膜阻水性能的結(jié)構(gòu)變化及結(jié)構(gòu)與性能相關(guān)性仍存在研究空白。因此本文利用硬脂酸復(fù)合SPI和海藻酸鈉，采用改性技術(shù)制備三元復(fù)合膜，探究硬脂酸對復(fù)合膜的機械性能和阻水性能的影響，并對其進行微觀表征，以期為SPI/NaAlg復(fù)合膜的研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大豆分離蛋白(純度91.32%)，河南川錦生物科技有限公司；硬脂酸(分析純，純度98%)，上海麥克林生化科技有限公司；海藻酸鈉(化學純，粘度(200±20) mPa·s)，上海麥克林生化科技有限公司；甘油(分析純，99%)，上海源葉生物科技有限公司；其它試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

AUY 120型分析天平(精度0.000 1 g)，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；HWS-26型電熱恒溫水浴鍋，上海一恒儀器有限公司；S22-2型恒溫磁力攪拌器，上海司樂儀器有限公司；SB25-12 DTD型超聲波細胞破碎儀，寧波新芝生物科技股份有限公司；電熱恒溫鼓風干燥箱，上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司；HP-50型數(shù)顯推拉力計測試機，樂清市艾德堡儀器有限公司；數(shù)顯游標卡尺，得力集團有限公司；視頻光學動態(tài)接觸角測量儀，瑞典百歐林科技有限公司；臺式高速冷凍離心機，湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)有限公司；傅里葉變換紅外光譜儀，賽默飛世爾科技(中國)有限公司；S-3400 N型掃描電子顯微鏡，日本日立公司。

1.3 方法

1.3.1SPI/NaAlg/SA復(fù)合膜制備

準確稱取5.00 g SPI、0.50 g海藻酸鈉，加2.50 mL甘油、150 mL蒸餾水，磁力攪拌30 min，然后分別添加0、2%、4%、6%、8%和10%(占成膜液中SPI質(zhì)量分數(shù))的硬脂酸，在70℃下恒溫水浴并攪拌40 min，制備SPI/NaAlg/SA成膜液。對上述成膜溶液進行超聲200 W、脫氣20 min，然后傾倒至平板，置于65℃干燥箱中干燥3 h后揭膜，揭膜后將其置于相對濕度(RH)為75%(飽和氯化鈉溶液)的干燥器中平衡2 d，測定膜性能。

1.3.2機械性能測定

參照文獻[17]的方法，稍作修改。利用數(shù)顯推拉力計測試機對復(fù)合膜樣品的拉伸強度以及斷裂伸長率進行測定。將裁剪好的膜樣品夾在兩個探頭之間，有效拉伸長度為50 mm，十字頭速率為15 mm/min，記錄膜樣品斷裂時的最大作用力和長度，膜的拉伸強度(Tensile strength，TS)和斷裂伸長率(Elongation at break，EB)計算公式為

(1)

(2)

式中T——樣品拉伸強度，MPa

F——樣品斷裂時承受的最大作用力，N

S——樣品橫截面面積，mm2

E——樣品斷裂伸長率，%

L——樣品斷裂時的長度，mm

L0——樣品初始長度，mm

1.3.3水蒸氣滲透性測定

水蒸氣滲透性的測定采用擬杯子法，參照文獻[18]的方法，并稍作修改。在20℃條件下，將干燥的硅膠放入玻璃杯至杯口5 mm處(RH為0；水蒸氣壓力為0 kPa)。選擇厚度均勻且完整的復(fù)合膜，先用游標卡尺測量厚度，然后再用凡士林將膜密封于杯口，稱量。保持20℃的條件，將玻璃杯放在盛有蒸餾水的干燥器中(RH為100%；水蒸氣壓力為2.346 kPa)，使復(fù)合膜兩側(cè)保持0/100%的相對濕度差。每隔2 h稱量一次，共稱量6次，且每組試驗重復(fù)3次，水蒸氣透過系數(shù)(Water vapor permeability，WVP)計算公式為

(3)

式中W——水蒸氣透過系數(shù)，g·mm/(m2·h·kPa)

Δm——穩(wěn)定后膜質(zhì)量增量，g

d——膜平均厚度，mm

A——有效透過水蒸氣膜的面積，m2

t——測定時間間隔，h

Δp——膜兩側(cè)水蒸氣壓差，kPa

1.3.4含水率及水溶性測定

參照文獻[19]的方法，稍作修改。將膜樣品稱量之后，置于105℃干燥箱中干燥24 h，再稱量。膜的含水率計算公式為

(4)

式中Mc——膜含水率，%

m1——干燥前膜質(zhì)量，g

m2——干燥24 h之后膜質(zhì)量，g

將干燥后的膜樣品置于盛有30 mL蒸餾水的燒杯中，室溫(20℃)放置24 h，之后5 000 r/min離心5 min，將不溶性的膜再次干燥至質(zhì)量恒定，再次稱量。膜水溶性指數(shù)計算公式為

(5)

式中Ws——膜水溶性指數(shù)，%

m3——最終干燥膜質(zhì)量，g

1.3.5接觸角測定

參照文獻[20]的方法，稍作修改。通過坐滴法來測定膜的表面潤濕性。首先將1.3.1節(jié)的成膜液濃度增大，蛋白質(zhì)量濃度由3.33 g/(100 mL)增大為5 g/(100 mL)，其他物質(zhì)基于SPI的相對含量不變，然后干燥成膜。25℃條件下，將裁好的膜片固定于測試臺上，滴1滴去離子水(約5 μL)，此時開始計時，10 s后拍攝膜的接觸角圖像。試驗重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。

1.3.6傅里葉變換紅外光譜分析

參照文獻[21]的方法，稍作修改。使用傅里葉紅外光譜儀在波數(shù)400～4 000 cm-1范圍內(nèi)對干燥處理后的膜進行掃描，25℃環(huán)境下，以分辨率4 cm-1，掃描32次，得到紅外吸收光譜。

1.3.7掃描電鏡分析

參照文獻[22]的方法，稍作修改。應(yīng)用鎢燈絲掃描電子顯微鏡觀察膜的表面以及橫斷面形貌，用雙面膠將膜固定在樣品臺表面上，用噴金儀在真空狀態(tài)下噴金，加速電壓設(shè)為5.00 kV，膜的表面和橫斷面均放大1 000倍。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

在本研究中，所有收集的數(shù)據(jù)均為3次測定的平均值及3次重復(fù)試驗，結(jié)果表示為平均值±標準差(SD)，利用SPSS Statistics 22軟件，使用方差分析(ANOVA)對數(shù)據(jù)進行差異顯著性比較，P<0.05為顯著性差異。采用Origin 9.5軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、圖表繪制及圖譜分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 機械性能

不同添加量硬脂酸對復(fù)合膜拉伸強度和斷裂伸長率的影響如圖1(不同小寫字母表示P<0.05水平上差異顯著，下同)所示，與二元復(fù)合膜相比，隨著硬脂酸添加量的增加，復(fù)合膜的拉伸強度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。添加2%、4%、6%硬脂酸，復(fù)合膜的拉伸強度增加可能是因為SPI和海藻酸鈉通過共價鍵、氫鍵等化學鍵形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，加入的硬脂酸則分布在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的縫隙中，能夠形成良好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，鍵與鍵之間結(jié)合較強，從而導致拉伸強度增加[23]；當添加量繼續(xù)增加時，拉伸強度下降，這可能是因為SPI游離的氨基被硬脂酸的長碳鏈取代，氫鍵減少，從而拉伸強度降低[24]。斷裂伸長率隨著硬脂酸添加量的增加則呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。斷裂伸長率降低可能與含水率減小和蛋白質(zhì)鏈之間的空間位阻增加有關(guān)[24]，SPI和海藻酸鈉能夠形成良好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增強了蛋白質(zhì)鏈之間的空間位阻，這導致斷裂伸長率降低；添加10%硬脂酸時，斷裂伸長率增加，這可以表明硬脂酸起到了增塑的作用，可以增加蛋白質(zhì)分子的柔韌性，降低蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間的作用力，因此隨著硬脂酸濃度的增加，斷裂伸長率增加。文獻[25]以不同比例的硬脂酸和胱氨酸制備具有良好力學性能和阻水性能的SPI膜，斷裂伸長率研究也有類似結(jié)果。

圖1 硬脂酸添加量對SPI/NaAlg復(fù)合膜機械性能的影響Fig.1 Effect of different concentrations of stearic acid on mechanical properties of SPI/NaAlg composite films

2.2 水蒸氣滲透性

水蒸氣透過系數(shù)是評價包裝材料的重要指標。由表1可知，隨著硬脂酸添加量的增加，復(fù)合膜的水蒸氣透過系數(shù)呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。當硬脂酸添加量為8%時，復(fù)合膜的水蒸氣透過系數(shù)達到最小值(2.95±0.49) g·mm/(m2·h·kPa)(P<0.05)，這可能是因為在成膜過程中，SPI和海藻酸鈉通過共價鍵、氫鍵等化學鍵形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，加入的硬脂酸則分布在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的縫隙中，使得復(fù)合膜能夠形成良好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有效提高復(fù)合膜的阻水性能[23]。但添加過量的硬脂酸會造成乳化不均，使得硬脂酸在膜表面結(jié)晶不連續(xù)，從而導致WVP升高[26]。

表1 硬脂酸添加量對SPI/NaAlg膜水蒸氣滲透性、含水率及水溶性的影響Tab.1 Effects of different concentrations of stearic acid on water vapor permeability, water content and water solubility of SPI/NaAlg films

2.3 含水率及水溶性

由表1可知，硬脂酸添加量對三元復(fù)合膜的含水率無顯著影響(P>0.05)，但二元復(fù)合膜的含水率顯著高于添加硬脂酸的三元復(fù)合膜的含水率。這可能是因為硬脂酸是一種疏水性很強的物質(zhì)，可以降低復(fù)合膜對水分的吸附能力[27]。

水溶性可以反映膜的親水性能，膜含有的親水基團越多或基團親水性越好，復(fù)合膜的水溶性也就越高[28]。試驗過程中膜保持了完整性。由表1可知，膜的水溶性隨著硬脂酸添加量的增加而顯著降低(P<0.05)，當添加量大于6%時，水溶性變化不顯著。這可能是由于硬脂酸的添加阻礙了蛋白和多糖分子的運動，使能自由活動的親水基團減少，導致復(fù)合膜的水溶性下降[26]。

2.4 接觸角

通常用接觸角來衡量膜的親水或疏水特性，當接觸角小于90°時，膜親水；反之膜疏水[17]。圖2反映了水在復(fù)合膜表面的分散狀況。二元復(fù)合膜表現(xiàn)出高度親水的性質(zhì)，接觸角最小，為58.80°±7.47°(P<0.05)。隨著硬脂酸添加量的增加，復(fù)合膜的接觸角呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當硬脂酸添加量為8%時，復(fù)合膜的接觸角最大，為91.68°±9.02°(P<0.05)。試驗結(jié)果表明添加適量硬脂酸能有效提高SPI/NaAlg復(fù)合膜的耐水性，同時也側(cè)面驗證WVP試驗的結(jié)果。

圖2 不同硬脂酸添加量的SPI/NaAlg/SA復(fù)合膜接觸角圖像Fig.2 Contact angle pictures of SPI/NaAlg/SA composite films

2.5 紅外光譜分析

圖3 不同硬脂酸添加量的SPI/NaAlg/SA復(fù)合膜紅外光譜圖Fig.3 FTIR spectra of SPI/NaAlg/SA composite films with different amounts of stearic acid addition

2.6 掃描電鏡分析

圖4為添加不同比例硬脂酸的復(fù)合膜放大1 000倍下的表面掃描電鏡圖。由圖4可知，SPI/NaAlg二元復(fù)合膜的表面光滑平坦，這表明SPI、甘油和海藻酸鈉的混合物是均勻的。隨著硬脂酸添加量的增加，硬脂酸聚集并嵌入到膜基質(zhì)中，從而導致相對不均勻的表面。表面出現(xiàn)白點可能與硬脂酸的不均勻填充有關(guān)[35]。當添加10%時，膜的表面更為粗糙且呈現(xiàn)出不連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這可能是因為復(fù)合膜中過量的硬脂酸聚集而影響SPI與海藻酸鈉形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進而影響膜的阻水性能[36]。

圖4 不同硬脂酸添加量的SPI/NaAlg/SA復(fù)合膜表面掃描電鏡圖Fig.4 SEM images of outer surface of SPI/NaAlg/SA composite films with different amounts of stearic acid addition

圖5 不同硬脂酸添加量的SPI/NaAlg/SA復(fù)合膜的截面掃描電鏡圖Fig.5 SEM images of cross section of SPI/NaAlg/SA composite films with different amounts of stearic acid addition

圖5為添加不同比例硬脂酸的復(fù)合膜放大1 000倍下的截面掃描電鏡圖。由圖5可知，隨著硬脂酸添加量的增加，膜內(nèi)空隙逐漸減少，這可能是因為加入的硬脂酸填充在復(fù)合膜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，形成復(fù)雜的蛋白質(zhì)-多糖-脂質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，使得復(fù)合膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得十分致密[37]。當添加10%時，復(fù)合膜表面已經(jīng)出現(xiàn)球狀的硬脂酸顆粒，這可能是因為當硬脂酸添加量較大時，三者相容性較差，在緩慢的干燥過程中，部分硬脂酸向膜表面遷移，并最終在復(fù)合膜表面形成脂質(zhì)層[38]。

3 結(jié)束語

通過添加不同添加量硬脂酸制備SPI/NaAlg/SA三元復(fù)合膜，對比復(fù)合膜機械性能和阻水性能的不同，并通過傅里葉變換紅外光譜圖和掃描電鏡圖對復(fù)合膜進行微觀結(jié)構(gòu)表征，探究硬脂酸對其耐水性變化的影響。結(jié)果表明：添加8%硬脂酸后，三元復(fù)合膜的斷裂伸長率、水蒸氣透過率顯著下降，接觸角最大，對其含水率及水溶性也有顯著影響。此外，紅外光譜結(jié)果表明復(fù)合膜的拉伸強度及水分阻隔性的增加可能是因為硬脂酸與蛋白質(zhì)和海藻酸鈉之間發(fā)生了相互作用，使之形成了相對穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過掃描電鏡圖可以看出添加8%硬脂酸的三元復(fù)合膜表面結(jié)構(gòu)較為光滑平整，出現(xiàn)的空隙較少，復(fù)合膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密。綜上添加適量硬脂酸能有效提高SPI/NaAlg復(fù)合膜的耐水性。