明膠/普魯蘭酶改性淀粉膜的制備與性能研究*

王苗苗，董海洲，張慧，侯漢學(xué)，尹訓(xùn)蘭

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東 泰安，271018)

近年來(lái)，越來(lái)越多的科研人員致力于研究可降解的包裝材料，更強(qiáng)調(diào)采用天然原料來(lái)制造完全降解塑料［1－2］。淀粉是一種天然高分子化合物，具有來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉、再生周期短、易生物降解等優(yōu)點(diǎn)［2－3］。然而，原淀粉的結(jié)構(gòu)性質(zhì)決定了其在應(yīng)用上具有很多不足，制備的淀粉膜的性能較差，限制了其廣泛應(yīng)用。因此，可以運(yùn)用物理、化學(xué)或酶等方法，對(duì)原淀粉進(jìn)行改性，或者通過(guò)添加塑化劑或增強(qiáng)劑等物質(zhì)制備性能較好的復(fù)合淀粉膜。

普魯蘭酶(Pullulanase)是一種脫支酶，它作用于淀粉，能水解淀粉鏈結(jié)構(gòu)中的α-1.6葡萄糖苷鍵，從而提高淀粉中直鏈分子的比例。經(jīng)酶變性的淀粉生成的膜具有較好的機(jī)械強(qiáng)度，適用于制作食品包裝膜［4－5］。

明膠來(lái)源豐富，無(wú)毒性且具有良好的生物可降解性和生物相容性，因此可作為果蔬涂膜保鮮的材料［6］。用明膠制得的生物塑料具有耐折、透明度高和易揭膜的特性［7］。故可將明膠和其他高分子物質(zhì)共混，可有效改善膜的性能。

本文以玉米淀粉為主要成膜基質(zhì)，經(jīng)普魯蘭酶改性后，混合加入明膠，以甘油為增塑劑，研究不同比例的明膠對(duì)淀粉復(fù)合膜性能的影響，以期為可降解性包裝材料的工業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 主要材料

玉米淀粉，諸城興貿(mào)玉米開(kāi)發(fā)有限公司;普魯蘭酶(食用級(jí))，200U/mL，北京房山酶制劑總廠;丙三醇(食用級(jí))，天津市凱通化學(xué)試劑有限公司;明膠(食用級(jí))，博興生物資源有限公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備

TA-XT2i物性測(cè)試儀，英國(guó)Stable Micro System公司;101A-1型電熱鼓風(fēng)干燥箱，黃驊市卸甲綜合電器廠;PERMETMW3/030水蒸氣透過(guò)率測(cè)試儀，濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司;HH-2數(shù)顯恒溫水浴鍋，江蘇金壇市榮華儀器制造有限公司;JJ-1精密增力電動(dòng)攪拌器，常州國(guó)華電器有限公司;UV-2100型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司;真空泵，沈陽(yáng)微電機(jī)廠;螺旋測(cè)微器，上海量具刃具廠;200 PC差示量熱掃描儀，耐馳科學(xué)儀器商貿(mào)(上海)有限公司;PHs-25型酸度計(jì)，上海偉業(yè)儀器廠;QUANTA FEG 250掃描電鏡，美國(guó)FEI公司。

1.3 普魯蘭酶溶液的配制

用移液管移取2.5 mL 200 U/ml的普魯蘭酶液于100 mL燒杯中，加入一定量pH值為6.0的檸檬酸-磷酸二氫鈉緩沖液，攪拌均勻后轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶繼續(xù)加pH值為6.0的緩沖液定容，配置5 U/mL的普魯蘭酶液，在0～5℃條件下保存待用。

1.4 膜的制備

1.4.1 原淀粉膜的制備

稱取一定量的玉米淀粉，配成5%的淀粉乳，在90℃水浴下攪拌30 min，再加入35%(占淀粉百分?jǐn)?shù))甘油后攪拌20 min，使其形成均勻的成膜液。然后將成膜溶液于0.09 MPa真空度下脫氣20 min，以驅(qū)除攪拌過(guò)程中溶解在成膜液中的空氣。稱取一定量的膜液傾倒于玻璃平板上，置于電熱鼓風(fēng)干燥箱中50℃下烘干，取出后揭膜，樣品保存于25℃下干燥器(50%RH)中備用。

1.4.2 明膠/酶改性淀粉膜的制備

稱取一定量的明膠、玉米淀粉(明膠添加量分別為明膠和淀粉總重量的5%、10%、15%、10%、20%、25%)，配制成總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的混合液，在90℃水浴下攪拌30 min后將成膜液降至室溫，調(diào)節(jié)pH值為5.5，加入普魯蘭酶(0.8 U/g淀粉)，在45℃水浴下攪拌4 h，沸水浴滅酶30 min，再加入35%(占淀粉和明膠總質(zhì)量百分?jǐn)?shù))甘油后攪拌20 min，使其形成均勻的成膜液。然后將成膜溶液于0.09 MPa真空度下脫氣20 min，以驅(qū)除攪拌過(guò)程中溶解在成膜液中的空氣。稱取一定量的膜液傾倒于玻璃平板上，置于電熱鼓風(fēng)干燥箱中50℃下烘干，取出后揭膜，樣品保存于25℃下干燥器(50%RH)中備用。

1.5 膜的性質(zhì)的測(cè)定

1.5.1 膜厚度測(cè)定

在被測(cè)膜上隨機(jī)取6個(gè)點(diǎn)，用螺旋測(cè)微器測(cè)量，取其平均值。

1.5.2 膜力學(xué)性質(zhì)測(cè)定

抗拉強(qiáng)度TS(MPa)和斷裂伸長(zhǎng)率E(%)是判斷膜力學(xué)性質(zhì)重要指標(biāo)。力學(xué)性質(zhì)測(cè)試按照 ASTM D882－02方法，并根據(jù)膜條件進(jìn)行一些改動(dòng)。將膜裁剪成85 mm×15 mm長(zhǎng)條，在相對(duì)濕度為53%環(huán)境中放置48 h待測(cè)。本實(shí)驗(yàn)中設(shè)置TA-XT2i物性儀初始夾距設(shè)為50 mm，探頭的移動(dòng)速度設(shè)為1 mm/s。TS和E計(jì)算公式如下:

式中:TS，抗拉強(qiáng)度(MPa);F，膜斷裂時(shí)承受的最大張力(N);S，膜的有效面積(m2)。

式中:E，膜的斷裂伸長(zhǎng)率(%);L1，膜斷裂時(shí)的長(zhǎng)度(m);L0，膜的原有效長(zhǎng)度(m)。

1.5.3 水蒸氣透過(guò)系數(shù)(WVP)

水蒸氣透過(guò)系數(shù)由PERMETMW3/030水蒸氣透過(guò)率測(cè)試儀測(cè)定。采用取樣器將膜裁剪成直徑為80 mm的圓形，測(cè)試試樣應(yīng)沒(méi)有皺折、褶痕、針孔和污漬，厚度均勻，并且試樣在試驗(yàn)前應(yīng)按照GB298或ISO291中的規(guī)定，在溫度(23±2)℃、相對(duì)濕度(50±5)%RH的環(huán)境條件下放置24 h。設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)為預(yù)熱時(shí)間4 h、試驗(yàn)判斷比例10%、溫度38.0℃、濕度90.0%、稱重間隔120 min。

1.5.4 膜透光率的測(cè)定

膜透光率的測(cè)試采用UV－2100分光光度計(jì)。膜裁成4 cm×1 cm的長(zhǎng)條，測(cè)試波長(zhǎng)在400～800 nm之間。

1.5.5 膜的DSC分析［8］

膜的熱穩(wěn)定性采用差示掃描量熱法(DSC)進(jìn)行分析。樣品測(cè)試之前在濕度53%的環(huán)境中存放48 h，然后把樣品剪成圓形放入坩堝中。以密封的空鋁盒作為對(duì)照，N2流速為20 mL/min，升溫速率為10℃/min，掃描的起始溫度為－50℃，升溫至250℃，得到DSC曲線。

1.5.6 掃描電鏡分析(SEM)

膜的表面形態(tài)采用QUANTA FEG 250電子顯微鏡進(jìn)行掃描。掃描前對(duì)膜樣品表面進(jìn)行噴金處理，加速電壓為5 kV。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2007進(jìn)行方差分析，采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行均值顯著性差異分析(采用鄧肯氏新復(fù)極差法測(cè)驗(yàn)顯著性水平P為0.05時(shí)的均值顯著性差異)。

2 結(jié)果與分析

2.1 膜的力學(xué)性能分析

抗拉強(qiáng)度是反映膜強(qiáng)度的指標(biāo)，斷裂伸長(zhǎng)率是反映膜塑性的指標(biāo)。從表1可以看出，與原淀粉膜相比，酶改性后的淀粉膜的抗拉強(qiáng)度增大，斷裂伸長(zhǎng)率降低，這可能是由于普魯蘭酶作用于淀粉分子的α-1，6葡萄糖苷鍵，從而使淀粉酶解產(chǎn)物中直鏈淀粉含量增大［5］，Bae 等［9］發(fā)現(xiàn)，抗拉強(qiáng)度與直鏈淀粉含量呈一定正相關(guān)關(guān)系(R2=0.714)。

表1 膜的力學(xué)性能

與未添加明膠的膜相比，當(dāng)明膠添加量較低(5%)時(shí)，抗拉強(qiáng)度降低，斷裂伸長(zhǎng)率增大，這可能是因?yàn)榧尤氲纳倭棵髂z充當(dāng)了塑化劑的功能，從而軟化了膜的剛性結(jié)構(gòu)。當(dāng)明膠添加量在5% ～25%內(nèi)，隨著共混膜中明膠含量的增多，淀粉含量的減少，共混膜的抗拉強(qiáng)度先增大后減小，斷裂伸長(zhǎng)率先減小后增大，當(dāng)明膠添加量在10%時(shí)，膜的抗拉強(qiáng)度最大，說(shuō)明在淀粉中添加適量的明膠有助于提高膜的抗拉強(qiáng)度，這可能是由于明膠與淀粉之間的分子交互作用力增大。

2.2 膜的透光性能分析

表2 膜的透光率

從表2可以看出，在可見(jiàn)光范圍內(nèi)(400～800 nm)，隨著波長(zhǎng)的增大，所有膜的透光率都增大。與原淀粉膜相比，酶改性后的淀粉膜的透光率增大。添加明膠后，隨著明膠添加量的增大，膜的透光率逐漸降低，逐漸由較透明的膜變?yōu)轭伾S而透明性較低的膜，這可能是由于淀粉和明膠共混，在膜基質(zhì)形成過(guò)程中，粒子大小不一樣，沉降速度不一致，從而導(dǎo)致復(fù)合膜的透光率下降［10］。這一結(jié)果表明，明膠的添加能增強(qiáng)復(fù)合膜的光線阻隔性能，能有效減少可見(jiàn)光引起的食品變質(zhì)。

2.3 膜的透水性能分析

從圖1可以看出，經(jīng)普魯蘭酶改性后的膜的水蒸氣透過(guò)率增大。這可能是因?yàn)榈矸劢?jīng)普魯蘭酶脫支后，形成了較多長(zhǎng)短不一的直鏈淀粉，淀粉分子的親水性羥基增多，膜的水蒸氣透過(guò)率增大。

圖1 原淀粉膜及不同明膠添加量的明膠/酶改性淀粉膜的水蒸汽透過(guò)率

水蒸氣透過(guò)率的大小受到2個(gè)因素的影響:一個(gè)是膜的基質(zhì)本身的親水性;另一個(gè)是水分子在膜內(nèi)部穿行所受到的阻力。從圖1可得，當(dāng)明膠添加量在0% ～10%內(nèi)，隨著明膠添加量的增大，膜的水蒸氣透過(guò)率降低較顯著，這可能是由于淀粉與明膠之間通過(guò)分子間作用力形成了三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其對(duì)水分子的束縛作用導(dǎo)致膜的水蒸氣透過(guò)率降低。當(dāng)明膠添加量在10%以上時(shí)，水蒸氣透過(guò)率變化不大。這可能是因?yàn)槊髂z含量繼續(xù)提高時(shí)，明膠的強(qiáng)吸水性導(dǎo)致的吸水溶脹可放大膜內(nèi)部的缺陷，增加水分子的透過(guò)性，因此水蒸氣透過(guò)率降低程度減小。

2.4 膜的熱性能分析

半結(jié)晶的高分子(如淀粉)，通常有3個(gè)典型的熱轉(zhuǎn)變:無(wú)定形區(qū)的玻璃化轉(zhuǎn)變，結(jié)晶區(qū)的熔融轉(zhuǎn)變和結(jié)晶化轉(zhuǎn)變［11］。起始溫度與熔融溫度越接近，熱封性能越好［12］。從表3中可以看出，酶改性的膜的熱封性要優(yōu)于原淀粉膜。添加明膠后，熔融溫度與起始溫度之差增大，膜的熱封性能變差。

表3 不同復(fù)合膜的熱性能

由表3可知，與原淀粉膜相比，未添加明膠的普魯蘭酶改性淀粉膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低，當(dāng)明膠添加量在5%～25%內(nèi)，隨著明膠添加量的增大，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度逐漸減小，這可能是由于明膠含量的增大的同時(shí)淀粉含量降低，明膠含有的低分子片段增多，使聚合物在無(wú)定形區(qū)的平均分子量降低所致［11］。

熔融峰與在成膜過(guò)程中高分子重組形成的結(jié)晶的熔融有關(guān)［11］。與原淀粉膜相比，酶改性淀粉膜的熔融溫度與熔融熱焓都增大，這可能是由于淀粉經(jīng)酶解后，結(jié)晶度增大［13］，因此在熱熔解時(shí)所需的溫度增加，熔融熱焓增大。添加明膠后，膜的熔融溫度與熔融熱焓都是先增大后減小，峰值的增大說(shuō)明添加適量的明膠有利于較大的結(jié)晶區(qū)的形成。明膠添加量較高時(shí)，熔融溫度與熔融熱焓都減小，可能是由于明膠具有塑化劑的作用［14］，減小了分子間的相互作用和相互聯(lián)系，結(jié)晶度降低［11］。

從表3可知，每一種膜都只有一個(gè)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熔融溫度，說(shuō)明沒(méi)有出現(xiàn)相分離現(xiàn)象［11－12］。

2.5 膜的表觀結(jié)構(gòu)

由圖2可以看出，玉米原淀粉膜的表面有微小的顆粒、微孔及細(xì)微的裂縫，而經(jīng)普魯蘭酶改性后的淀粉所成的膜的表面沒(méi)有裂縫。添加明膠后，膜的表面變粗糙，有一些小的結(jié)塊，表面凹凸不平。這可能是由于部分明膠和淀粉結(jié)合形成的結(jié)晶增大，結(jié)晶區(qū)的密度比無(wú)定形區(qū)要大，密度的變化使得膜的微觀結(jié)構(gòu)不均一。

圖2 膜的掃描電鏡圖(×500)

3 結(jié)論

(1)在本實(shí)驗(yàn)條件下，與原淀粉膜相比，淀粉經(jīng)普魯蘭酶改性后，所成的膜均勻，表面沒(méi)有裂縫，膜的抗拉強(qiáng)度、透光率、熱穩(wěn)定性都增加，斷裂伸長(zhǎng)率和阻水性降低。

(2)與未添加明膠的酶改性淀粉膜相比，添加明膠后，膜的表面變粗糙;隨著明膠添加量的增大，水蒸氣透過(guò)率和透光率逐漸減小。當(dāng)明膠添加量為10%時(shí)，膜的抗拉強(qiáng)度最大，明膠添加量超過(guò)10%時(shí)，抗拉強(qiáng)度逐漸減小;當(dāng)明膠添加量在0% ～25%內(nèi)，斷裂伸長(zhǎng)率先減小后增大;在明膠添加量為15%時(shí)，膜的熱穩(wěn)定性最大。

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