蜂蠟對(duì)大豆分離蛋白/羧甲基纖維素復(fù)合材料性能的影響

張 超，郭曉飛，李 武，馬 越，趙曉燕

（北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心，農(nóng)業(yè)部華北地區(qū)園藝作物生物學(xué)與種質(zhì)創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，農(nóng)業(yè)部都市農(nóng)業(yè)（北方）重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100097）

食品包裝材料不僅方便食品的流通，還具有維持食品色澤、風(fēng)味的功能[1]。大豆分離蛋白（Soybean Protein-Isolate，SPI）/羧甲基纖維素（Carboxymethyl Cellulose，CMC）復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度較高，但是水分阻隔能力較低[2]，會(huì)引起被包裝食品吸潮。蜂蠟是一種長(zhǎng)鏈脂肪醇和烷烴的混合物，具有極強(qiáng)的疏水性，被用于提高多種包裝材料的水分阻隔能力[3-4]。但蜂蠟在SPI/CMC復(fù)合材料中的應(yīng)用尚無(wú)相關(guān)報(bào)道。本文研究蜂蠟對(duì)SPI/CMC復(fù)合材料顏色、抗拉強(qiáng)度、斷裂延長(zhǎng)率、水蒸氣阻隔和氧氣阻隔能力的影響，以期提高復(fù)合材料的性能。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

SPI（GS5000） 山東谷神科技股份有限公司；CMC上海赫益食品添加劑有限公司；甘油（純度≥99%，AR）、蜂蠟（AR） 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑北京有限公司。

KQ-500DE型數(shù)控超聲波清洗器 昆山舒美超聲波儀器有限公司；T-10 basic型手持高速分散機(jī)德國(guó)IKA公司；TA.XT plus物性分析儀 英國(guó)SMS公司；OX-TRAN Model 2/61氧氣透過(guò)率儀、PERMATRANW Model 1/50 G水蒸氣透過(guò)率儀 美國(guó)MOCON公司；CM-3700d型色差分析儀日本Konica Minolta公司；UV-1800型分光光度計(jì)日本島津公司。

1.2 SPI/CMC復(fù)合材料制備

將10g SPI和10g CMC分別溶于1000m L去離子水中，25℃攪拌24h；將SPI溶液與CMC溶液混合，添加5g甘油，之后分別添加0、2%、4%、6%和8%（w/w）的蜂蠟（占固形物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)），在90℃攪拌30min，使用高速分散機(jī)攪拌5m in；使用超聲清洗器對(duì)混合溶液處理20m in；將一定體積的溶液傾倒至邊長(zhǎng)為200mm的聚乙烯正方形平板上，置于90℃的烘箱中干燥48h；將干燥的復(fù)合材料置于濕度為55%±3%的干燥器中備用。

1.3 厚度測(cè)定

依據(jù)GB/T 6672-2001的方法測(cè)定復(fù)合材料厚度[5]。

1.4 顏色和透明度測(cè)定

參照文獻(xiàn)[6]測(cè)定復(fù)合材料的顏色，結(jié)果以CIELAB色彩模型表示。

參照文獻(xiàn)[7]測(cè)定復(fù)合材料透明度。首先將樣品裁剪成8.0mm×30.0mm條狀，以空比色皿為參比，將樣品與光路保持垂直放入分光光度計(jì)比色皿中，測(cè)定600nm的透光率，按照式（1）計(jì)算。

式中，T為樣品的透明度；A600為樣品在600nm時(shí)的透光率；b為樣品的厚度，mm。

1.5 抗拉強(qiáng)度和斷裂延長(zhǎng)率測(cè)定

根據(jù)美國(guó)實(shí)驗(yàn)材料學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和斷裂延長(zhǎng)率[8]。將樣品裁剪成25.0mm×80.0mm條狀，使用物性分析儀的夾具固定樣品，設(shè)定夾具初始距離45mm，拉伸距離45mm，拉伸速率1mm/s，觸發(fā)力為5g，抗拉強(qiáng)度和斷裂延長(zhǎng)率分別按照式（2）和式（3）計(jì)算。

式中，TS為樣品抗拉強(qiáng)度，MPa；F為材料斷裂過(guò)程中的最大拉力，N；a為材料的厚度，mm；b為材料寬度，mm；BE為材料斷裂延長(zhǎng)率；L0為材料的長(zhǎng)度，mm；L1為斷裂時(shí)材料的長(zhǎng)度，mm。

1.6 水蒸氣透過(guò)率測(cè)定

根據(jù)美國(guó)材料學(xué)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定方法測(cè)定復(fù)合材料水蒸氣透過(guò)率[9]。測(cè)試樣品的面積為5cm2，測(cè)試樣品兩側(cè)的濕度分別為50%和15%。當(dāng)水蒸氣透過(guò)速率穩(wěn)定時(shí)，采用式（4）計(jì)算樣品水蒸氣透過(guò)率。

式中，WVP為樣品的水蒸氣透過(guò)率（g·m/m2·d）；WVPR為水蒸氣的傳遞速率（g·MPa/m2·d）；△P為材料兩側(cè)的壓差（MPa）；T為材料的厚度（m）。

1.7 氧氣透過(guò)率測(cè)定

根據(jù)美國(guó)材料學(xué)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定方法測(cè)定復(fù)合材料氧氣透過(guò)率[10]。在常壓、25℃和55%的濕度條件下測(cè)定，測(cè)試樣品面積為10cm2，上側(cè)吹掃氣體為高純N2，下側(cè)為氮?dú)浠旌蠚猓℉2含量約2%）。

1.8 統(tǒng)計(jì)分析

采用SAS 9.1.3（美國(guó)SAS公司）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，Duncan’s多重比較評(píng)估同組實(shí)驗(yàn)均值間的差異性，置信區(qū)間為95%。

2 結(jié)果與討論

2.1 SPI/CMC顏色和透光率的變化

蜂蠟添加量對(duì)SPI/CMC復(fù)合材料顏色和透光率的影響見(jiàn)表1。以蜂蠟添加量為0的復(fù)合材料作為對(duì)照組，蜂蠟的添加使代表亮度的L*（0～100）和代表黃色到藍(lán)色色度的b*（-120～120）值顯著高于對(duì)照，而代表綠色到紅色色度的a*（-120～120）值顯著低于對(duì)照。因此，蜂蠟添加量的增加使復(fù)合材料顏色變黃。當(dāng)蜂蠟添加量提高時(shí)，復(fù)合材料的透明度顯著降低（p＜0.05）。該材料的L*值和透明度明顯高于SPI/明膠復(fù)合材料[11]；但L*值低于淀粉/CMC復(fù)合材料[6]。

表1 蜂蠟對(duì)SPI/CMC復(fù)合材料顏色和透光率的影響Table1 Effect of beeswax contenton color and transparency of SPI/CMC compositematerials

2.2 SPI/CMC抗拉強(qiáng)度和斷裂延長(zhǎng)率的變化

蜂蠟添加量對(duì)SPI/CMC復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度和斷裂延長(zhǎng)率的影響見(jiàn)圖1。當(dāng)蜂蠟添加量從2%提高至8%的過(guò)程中，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度下降，與以結(jié)冷膠為基質(zhì)包裝材料呈現(xiàn)下降趨勢(shì)結(jié)論相同[12]。因?yàn)榉湎灲档蛷?fù)合材料的均一性，導(dǎo)致其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生空隙[13-14]，宏觀上顯示為抗拉強(qiáng)度降低。當(dāng)蜂蠟添加量增加，復(fù)合材料的斷裂延長(zhǎng)率顯著性降低（p＜0.05）。因?yàn)?，蜂蠟在常溫下為結(jié)晶態(tài)，降低了材料的柔韌性。

圖1 蜂蠟對(duì)SPI/CMC復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度和斷裂伸展率的影響Fig.1 Effect of beeswax contentonmechanical properties of SPI/CMC compositematerials

2.3 SPI/CMC水蒸氣透過(guò)率的變化

圖2 蜂蠟對(duì)SPI/CMC復(fù)合材料水蒸氣透過(guò)率的影響Fig.2 Effectof beeswax on the water vapor permeability of SPI/CMC compositematerials

蜂蠟添加量對(duì)復(fù)合材料水蒸氣透過(guò)率的影響見(jiàn)圖2。當(dāng)蜂蠟添加量大于6%時(shí)，水蒸氣透過(guò)率顯著降低（p＜0.05）。原因可能是蜂蠟中疏水性極強(qiáng)的蠟酯、游離脂肪醇和游離脂肪酸等物質(zhì)阻隔了水分子的遷移[12，15]。

2.4 SPI/CMC氧氣透過(guò)率的變化

圖3顯示蜂蠟添加量對(duì)復(fù)合材料氧氣透過(guò)率的影響。當(dāng)蜂蠟添加量為2%時(shí)，復(fù)合材料氧氣透過(guò)率顯著低于其他添加量（p＜0.05）。原因可能是SPI與蜂蠟的羧基或羥基發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，材料更加致密，降低了氧氣滲透速率[16-17]。當(dāng)蜂蠟添加量繼續(xù)提高時(shí)，體系均一性降低，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生空隙[13-14]，氧氣透過(guò)率增加。

圖3 蜂蠟對(duì)SPI/CMC復(fù)合材料氧氣透過(guò)率的影響Fig.3 Effect of beeswax contenton the oxygen permeability of SPI/CMC compositematerials

3 結(jié)論

添加蜂蠟影響了SPI/CMC復(fù)合材料的機(jī)械、顏色、透氧與透水等特性。隨蜂蠟添加量增加，復(fù)合材料的顏色變黃；透明度、水蒸氣透過(guò)率和斷裂伸展率降低，而氧氣透過(guò)率升高。

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