魔芋葡甘聚糖-普魯蘭多糖復(fù)合膜的制備與性能研究

姚　遙,肖　滿,嚴(yán)文莉,匡　映,姜發(fā)堂,倪學(xué)文

(湖北工業(yè)大學(xué)食品與制藥工程學(xué)院,湖北武漢 430068)

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魔芋葡甘聚糖-普魯蘭多糖復(fù)合膜的制備與性能研究

姚遙,肖滿,嚴(yán)文莉,匡映,姜發(fā)堂,倪學(xué)文*

(湖北工業(yè)大學(xué)食品與制藥工程學(xué)院,湖北武漢 430068)

利用魔芋葡甘聚糖(KGM)和普魯蘭多糖(PUL)制備可食性復(fù)合膜,研究了KGM與PUL不同配比對(duì)復(fù)合膜性能的影響。結(jié)果表明,KGM和PUL分子之間發(fā)生了氫鍵相互作用,有較好的相容性,復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率以及阻濕性能和純膜比較都顯著提高。當(dāng)KGM與PUL復(fù)合比為6∶4(w/w)時(shí),復(fù)合膜的熱穩(wěn)定性最好,其拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率最大,分別為77.68 MPa和14.93%,水蒸氣透過率較純KGM膜降低了34%,氧氣透過率高于純KGM膜,但符合食品包裝膜的要求。復(fù)合膜的性能優(yōu)于純KGM膜以及純PUL膜,適合應(yīng)用于可食性食品包裝膜材料。

魔芋葡甘聚糖,普魯蘭多糖,復(fù)合膜,性能

隨著全球化保護(hù)環(huán)境和節(jié)約能源需求的日益增長,基于可再生資源的環(huán)境友好型包裝材料越來越受到食品包裝領(lǐng)域的關(guān)注?？墒承阅ぶ饕蕴烊桓叻肿?包括多糖類、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)類)為原料,通過不同分子間相互作用而形成的具有致密結(jié)構(gòu)的包裝膜材料?？墒承阅ひ蚱浒踩浴o環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)在食品及藥品包裝領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。

魔芋葡甘聚糖(Konjac glucomannan,KGM)是一種高分子量的植物多糖,由β-D-葡萄糖和β-D-甘露糖按1∶1.6的比例以β-1,4糖苷鍵連接而成[2-3]。KGM具有良好的成膜性能、生物相容性及降解性能,但純KGM膜的阻濕性能較差[4]。普魯蘭多糖(Pullulan,PUL)是由出芽短梗霉分泌的一種胞外線性多糖,純PUL膜具有良好的熱封性和阻氣性能,氧氣、氮?dú)夂投趸嫉染荒芡高^PUL膜,但其力學(xué)特性較差[5]。

將不同類型的材料共混可以形成特殊的分子結(jié)構(gòu)形式,分子之間有一定的協(xié)同增效作用,可以提高單組分膜材料的性能,研制出性能優(yōu)異的膜材料[6],符合人們對(duì)材料多樣性和實(shí)用性的要求。關(guān)于KGM-PUL復(fù)合膜的研究鮮見文獻(xiàn)報(bào)道。本文將利用KGM和PUL為原料,通過物理共混的方式制備KGM-PUL可食性復(fù)合膜,探討KGM與PUL不同配比對(duì)復(fù)合膜的力學(xué)性能和阻隔性能的影響,并利用掃描電鏡、紅外光譜、DSC等方法分析復(fù)合膜中KGM與PUL的相互作用,以期制備出一種適合應(yīng)用于方便面料包、速溶固體飲料等領(lǐng)域的可食性內(nèi)包裝膜,并為KGM-PUL可食性復(fù)合膜的開發(fā)應(yīng)用提供依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

魔芋葡甘聚糖(KGM,8.56×105g/mol)武漢市力誠生物科技有限公司;普魯蘭多糖(PUL,2.0×105g/mol)上海晶純生化科技股份有限公司;甘油上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

DK-S22型電熱恒溫水浴鍋上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;WiseStir HS-120A頂置式電子攪拌器韓國大韓科學(xué)儀器有限公司;DHG-9240A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;TMS-PRO質(zhì)構(gòu)分析儀美國FTC;NEXUS傅立葉紅外光譜儀Nicolet America;JSM-6390LV X-650掃描電鏡Hitachi Japan;DSC-Q10差示掃描量熱儀Mettler Toledo Switzerland;VAC-V1氧氣透過儀、W3/031水蒸氣透過儀濟(jì)南蘭光有限公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1復(fù)合膜的制備稱取1 g KGM,加入到100 mL的蒸餾水中,60 ℃水浴攪拌2 h,得到KGM水溶膠;稱取1 g PUL,加入到100 mL的蒸餾水中,60 ℃水浴攪拌1 h,得到PUL水溶膠;將一定體積的PUL水溶膠緩慢加入一定體積高速攪拌的KGM水溶膠中(900 r/min),并加入總固形物含量(KGM和PUL總物質(zhì)量)15%的甘油,60 ℃攪拌2 h,得到KGM-PUL復(fù)合成膜液。將100 mL成膜液倒入直徑為15 cm的聚苯乙烯培養(yǎng)皿中,置于40 ℃的烘箱中干燥12 h后揭膜;然后將膜置于(25±1) ℃,50%±1%的相對(duì)濕度條件下平衡3 d,備用。

復(fù)合成膜液中KGM與PUL的總質(zhì)量濃度為1%(w/v),KGM與PUL按照質(zhì)量比為0∶10、1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2、9∶1、10∶0(w/w)的比例混合,制備的復(fù)合膜分別表示為PUL、KP1、KP2、KP3、KP4、KP5、KP6、KP7、KP8、KP9、KGM。

1.2.2掃描電鏡觀察將膜樣品裁剪成小塊,置于銅臺(tái)在13.3 Pa真空度下噴金,厚度約為20 nm,加速電壓為20 kV,運(yùn)用掃描電鏡觀察膜樣品的表面形態(tài)(放大倍數(shù)1000×);對(duì)膜樣品進(jìn)行液氮冷凍后,斷口處進(jìn)行截面掃描(放大倍數(shù)500×)。

1.2.3紅外圖譜分析將膜樣品裁剪成2 cm×2 cm,在60 ℃下真空干燥24 h;然后利用NEXUS傅立葉紅外分光光度計(jì)在25 ℃對(duì)樣品進(jìn)行紅外光譜測定,采用反射模式測定,波長范圍4000～500 cm-1,分辨率為0.5 cm-1。

1.2.4DSC分析稱取3 mg膜樣品,裝入坩堝鋁盒中,用DSC-Q10熱分析儀在氮?dú)獗Ｗo(hù)下對(duì)樣品進(jìn)行掃描。在30～250 ℃之間以10 ℃/min等速升溫。

1.2.5力學(xué)性能測定采用國標(biāo)《GB/T 13022-1991塑料薄膜拉伸強(qiáng)度性能實(shí)驗(yàn)方法》測試膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率,該方法適用于薄膜和厚度小于1 mm的材料。

樣品裁成10 mm×50 mm的長條,用測厚儀測定其膜厚。用質(zhì)構(gòu)儀測定最大拉力,測試條件:測試速度為5 mm/min,測試溫度為25 ℃,濕度為50% RH。

膜樣品的拉伸強(qiáng)度計(jì)算公式:

式中:TS為拉伸強(qiáng)度,MPa;P為最大負(fù)荷即拉力,N;b為試樣寬度,mm;d為試樣厚度,mm。

膜樣品的斷裂伸長率計(jì)算公式:

式中:EAB為斷裂伸長率,%;L0為試樣原始標(biāo)線距離,mm;L為試樣斷裂時(shí)的標(biāo)線間的距離,mm。

1.2.6水蒸氣透過率測定根據(jù)國標(biāo)GB/T 1037-1988方法,使用水蒸氣透過儀測定復(fù)合膜的水蒸氣透過率[7]。計(jì)算公式如下:

式中:WVT為水蒸氣透過率,g/m2·24 h;t為質(zhì)量增量穩(wěn)定后的兩次間隔時(shí)間,h;Δm為t時(shí)間內(nèi)的質(zhì)量增量,g;A為測試膜樣透水蒸氣的面積,m2。

1.2.7氧氣透過率測定根據(jù)國標(biāo)GB/T 1038-2000方法,使用氧氣透過儀測定復(fù)合膜的氧氣透過率[7]。計(jì)算公式如下:

式中:OP為膜的氧氣透過率,cm3/m2·24 h·0.1 MPa;Δp/Δt為在穩(wěn)定透過時(shí),單位時(shí)間內(nèi)低氣壓室氣體壓力變化的算術(shù)平均值,Pa/h;V為低壓室容積,cm3;S為測試膜樣的實(shí)驗(yàn)面積,m2;T為實(shí)驗(yàn)溫度,K;p1-p2為實(shí)驗(yàn)?zāi)觾蓚?cè)的壓差,Pa;T0,p0分別為標(biāo)準(zhǔn)溫度下的溫度(237.15 K)和壓力(1.0133×105Pa)。

1.2.8數(shù)據(jù)處理每個(gè)實(shí)驗(yàn)平行重復(fù)3次,利用SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)差異顯著性分析(p<0.05),采用OriginLab 8.0軟件作圖。

2　結(jié)果與討論

2.1復(fù)合膜的表觀形態(tài)

利用KGM與PUL在不同配比制備復(fù)合膜,復(fù)合膜的表觀形態(tài)如表1所示,純KGM和純PUL成膜性能較好,不同配比的KGM-PUL復(fù)合物表現(xiàn)出不同的成膜性能。KGM的分子量大,吸水溶脹后能形成黏度較高的水溶膠[2-3],其含量對(duì)KGM-PUL復(fù)合成膜液的黏度有很大的影響。當(dāng)KGM與PUL比例為9∶1、8∶2、7∶3、6∶4(w/w)時(shí),成膜液黏度高,PUL均勻分散在KGM連續(xù)相中,成膜性好,形成的復(fù)合膜均勻透明,具有較好的柔軟度。當(dāng)KGM與PUL比例為5∶5(w/w)時(shí),成膜性變差,出現(xiàn)部分相分離,透明度低;當(dāng)KGM與PUL比例為4∶6、3∶7、2∶8、1∶9(w/w)時(shí),隨著KGM含量降低,成膜液黏度降低,PUL分子靠攏集聚,成膜液出現(xiàn)明顯的相分離,無法成膜。可見,KGM與PUL復(fù)合比例決定了KGM-PUL復(fù)合成膜液的穩(wěn)定性、均一性以及成膜性能。后續(xù)實(shí)驗(yàn)選用成膜性能好的復(fù)合膜(PUL、KP6、KP7、KP8、KP9、KGM)為研究對(duì)象。

表1　KGM-PUL復(fù)合膜的表觀形態(tài)

2.2復(fù)合膜的微觀結(jié)構(gòu)

純KGM膜、純PUL膜及KP6、KP7、KP8、KP9膜的表面和截面形貌如圖1所示。純KGM膜和PUL膜表面光滑均勻,復(fù)合膜的膜表面較純膜粗糙,其中KP6能觀察到明顯的均勻孔洞結(jié)構(gòu),呈現(xiàn)均勻的兩相。純KGM膜的截面致密且呈現(xiàn)一層層的紋理,純PUL膜的截面是致密而光滑的,復(fù)合膜截面較純膜結(jié)構(gòu)疏松,KP6膜截面結(jié)構(gòu)最為均一。成膜液在干燥成膜過程中,由于KGM與PUL相互作用可能形成了互穿的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[8-9]。KP6膜均一的結(jié)構(gòu)表明當(dāng)KGM與PUL的復(fù)合比例為6∶4(w/w)時(shí)KGM與PUL具有最好的相容性,這與后面對(duì)復(fù)合膜的熱力學(xué)性能及力學(xué)性能測試結(jié)果一致。

2.3紅外光譜分析

復(fù)合膜的紅外光譜如圖2所示。在純KGM膜圖譜中,3381 cm-1處為-OH的伸縮振動(dòng)峰,2925 cm-1處為甲基中C-H的伸縮振動(dòng)峰,1652 cm-1處為乙?；鶊F(tuán)中C=O伸縮振動(dòng)峰,873和808 cm-1處為魔芋葡甘聚糖中特有的甘露糖單位伸縮振動(dòng)峰[10-11]。在純PUL膜圖譜中,3334 cm-1處為-OH的伸縮振動(dòng)峰,2925 cm-1處為甲基中C-H的伸縮振動(dòng)峰,1150 cm-1處為多糖(1→4)糖苷鍵的伸縮振動(dòng)峰,1078 cm-1處為C6-OH的伸縮振動(dòng)[12]。KGM和PUL分別出現(xiàn)在1060 cm-1和1078 cm-1處的吸收峰沒有出現(xiàn)在復(fù)合膜中,表明KGM與PUL之間產(chǎn)生了相互作用。復(fù)合膜在1378 cm-1處的吸收峰,隨著PUL含量的增加,復(fù)合膜在此處的吸收峰下移到一個(gè)較低的波數(shù),表明KGM與PUL之間存在分子間氫鍵的相互作用[13]。KGM與PUL分子間的氫鍵作用將會(huì)使兩種天然高分子協(xié)同作用增強(qiáng),形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),產(chǎn)生良好的相容性,表現(xiàn)為復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度增加,這與復(fù)合膜的力學(xué)性能測試結(jié)果一致。

圖2　純KGM膜、純PUL膜、KGM-PUL復(fù)合膜的紅外光譜圖Fig.2　FTIR spectra of KGM film,PUL film,and KGM-PUL blend films

2.4DSC分析

DSC圖譜可以直接反映出溫度變化過程中樣品的物理和化學(xué)變化過程。復(fù)合膜的DSC熱分析如圖3所示,所有膜樣品中均出現(xiàn)一個(gè)較寬的吸收峰,這個(gè)吸熱峰可能是樣品從固體向熔融狀態(tài)的轉(zhuǎn)變[14]。純KGM膜的相變溫度在87 ℃左右,純PUL膜在101 ℃,復(fù)合膜KP7、KP8和KP9分別為75、87、89 ℃。而復(fù)合膜KP6的峰值為115 ℃,復(fù)合膜KP6的熱穩(wěn)定性和相容性是最好的。

圖3　純KGM膜、純PUL膜、KGM-PUL復(fù)合膜的DSC曲線Fig.3　DSC curves of KGM film,PUL film,and KGM-PUL blend films

2.5復(fù)合膜的力學(xué)性能

可食性包裝材料必須有一定的力學(xué)強(qiáng)度和柔韌性,而拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率是表征這些性能的主要指標(biāo)。復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率越高,說明受外力作用不容易出現(xiàn)破裂現(xiàn)象,拉長或變形量大,所制成的包裝袋在外力作用下不容易出現(xiàn)拉斷、戳穿等損壞現(xiàn)象。復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率分別如圖4、圖5所示。純KGM膜的拉伸強(qiáng)度為(48.72±2.8)MPa,斷裂伸長率為8.38%±1.1%。純PUL膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率分別為(25.63±1.5) MPa、6.26%±0.9%。復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率均高于純KGM膜和純PUL膜,隨著KGM含量增加,復(fù)合膜的柔韌性降低,復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。這表明KGM與PUL發(fā)生了相互作用,良好的相容性所產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)提高了膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率,相容性好的聚合物機(jī)械性能有著顯著的增加[15]。復(fù)合膜KP6表現(xiàn)出最好的力學(xué)性能,其拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率最大,分別為(77.68±2.3) MPa和14.93%±1.2%,較純KGM膜和純PUL膜有顯著的提高(p<0.05)。KGM與PUL的復(fù)合比例對(duì)復(fù)合膜的力學(xué)性能有重要影響。

圖4　膜的拉伸強(qiáng)度Fig.4　The tensile strength of different blend films

圖5　膜的斷裂伸長率Fig.5　The breaking elongation of different blend films

2.6復(fù)合膜的水蒸氣透過率和氧氣透過率

可食性包裝膜的阻隔性能對(duì)食品的質(zhì)量和貯藏穩(wěn)定性有很大影響,水蒸氣透過率和氧氣透過率是反映膜材料阻隔性能的重要指標(biāo)。純KGM膜的水蒸氣透過率為1603.16 g/m2·24 h,純PUL膜的水蒸氣透過率為1483.46 g/m2·24 h,復(fù)合膜的水蒸氣透過率均小于純KGM膜;隨著KGM含量的增加,復(fù)合膜的水蒸氣透過率增加(圖6),可能是由于復(fù)合膜中KGM分子吸水溶脹形成微孔結(jié)構(gòu),導(dǎo)致水蒸氣透過率增大。KP6的水蒸氣透過率最小,為1065.36 g/m2·24 h，較純KGM膜降低了34%。KGM與PUL共混后分子間的相互作用形成了不同于純膜的結(jié)構(gòu),使復(fù)合膜的耐水性增強(qiáng)。

圖6　膜的水蒸氣透過率Fig.6　The water vapor transmittance of films

純KGM的氧氣透過率為0.859 cm3/m2·24 h·0.1 MPa,純PUL膜的氧氣透過率為0.095 cm3/m2·24 h·0.1 MPa,復(fù)合膜的氧氣透過率均高于純膜,其中KP6的氧氣透過率最低,為1.051 cm3/m2·24 h·0.1 MPa(圖7)。但是與常用普通塑料包裝膜相比,復(fù)合膜的氧氣透過率是很低的(阻隔類PE黑白膜樣品的氧氣透過率為7.3106 cm3/m2·24 h·0.1 MPa),說明復(fù)合膜具有很好的阻氧性。綜合分析復(fù)合膜水蒸氣透過率和氧氣透過率的差異主要是由其膜結(jié)構(gòu)的不同造成的[16]。

圖7　膜的氧氣透過率Fig.7　The oxygen permeability of films

3　結(jié)論

KGM和PUL分子之間發(fā)生了氫鍵相互作用,有較好的相容性,復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率以及阻濕性能和純膜比較都顯著提高。當(dāng)KGM與PUL復(fù)合比為6∶4(w/w),甘油添加量為總固形物含量的15%(w/w)時(shí),復(fù)合膜的熱穩(wěn)定性最好,其拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率分別為77.68 MPa和14.93%,水蒸氣透過率較KGM純膜降低了34%,氧氣透過率高于純KGM膜,但符合食品包裝膜的要求。復(fù)合膜的性能優(yōu)于純KGM膜以及純PUL膜,適合應(yīng)用于可食性食品包裝膜材料。本研究將為KGM-PUL可食性復(fù)合膜的開發(fā)與應(yīng)用提供依據(jù),但KGM-PUL復(fù)合膜的成膜過程和機(jī)制尚不明確,有待進(jìn)一步研究,以期從分子層面調(diào)控KGM-PUL復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)和性能。

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Preparation and performance of konjac glucomannan and pullulan blend films

YAO Yao,XIAO Man,YAN Wen-li,KUANG Ying,JIANG Fa-tang,NI Xue-wen*

(School of Food and Pharmaceutical Engineering,Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China)

Konjac glucomannan(KGM)and pullulan(PUL)were used for edible blend films preparation,and impacts of different blending formulas on film performance were studied. Results indicated hydrogen bond interactions and good compatibility between KGM and PUL,as tensile strength,breaking elongation,and moisture barrier properties of the blend films were significantly improved. When KGM and PUL blending ratio was 6∶4(w/w),thermostability of blend film was the best,and tensile strength and breaking elongation of blend film were 77.68 MPa and 14.93%,respectively,water vapor transmittance decreased by 34% compared with pure KGM film,while oxygen permeability was higher than pure KGM film,but still fitted the requirement of food packaging films. Compared with pure KGM and pure PUL films,the blend films had superior performance,and was suitable to be used in packaging films for edible foods.

konjac glucomannan;pullulan;blend films;performance

2016-01-25

姚遙(1986-),男,碩士研究生,研究方向:食品化學(xué)及天然高分子材料,E-mail:yao86285@163.com。

倪學(xué)文(1977-),女,博士,副教授,研究方向:食品化學(xué)及天然高分子材料,E-mail:nixuewen@126.com。

湖北省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(2014CFB587);湖北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BBB019)。

TS206

A

1002-0306(2016)18-0312-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.18.051