超聲波-微波協(xié)同作用對(duì)玉米磷酸酯淀粉/秸稈纖維素可食膜機(jī)械性能的影響

孫海濤，邵信儒，姜瑞平，張東杰，馬中蘇*

（1.吉林大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130062；2.通化師范學(xué)院 長(zhǎng)白山食用植物資源開(kāi)發(fā)工程中心，吉林 通化 134000；3.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 大慶 163319）

超聲波-微波協(xié)同作用對(duì)玉米磷酸酯淀粉/秸稈纖維素可食膜機(jī)械性能的影響

孫海濤1,2，邵信儒2，姜瑞平2，張東杰3，馬中蘇1,*

（1.吉林大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130062；2.通化師范學(xué)院 長(zhǎng)白山食用植物資源開(kāi)發(fā)工程中心，吉林 通化 134000；3.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 大慶 163319）

利用超聲波-微波協(xié)同技術(shù)制備玉米磷酸酯淀粉/秸稈纖維素（corn distarch phosphate/corn straw cellulose，CDP/CSC）可食膜，探討超聲波-微波處理?xiàng)l件對(duì)膜機(jī)械性能的影響。以抗拉強(qiáng)度（tensile strength，TS）和斷裂伸長(zhǎng)率（elongation at break，EAB）為指標(biāo)，通過(guò)響應(yīng)面分析優(yōu)化得到最佳工藝條件為：超聲波功率600 W、微波功率170 W、超聲波-微波時(shí)間9 min。在此條件下可食膜的TS和EAB分別達(dá)到31.42 MPa和74.33%，與未經(jīng)超聲波-微波處理的膜相比分別提高62.29%和56.88%。通過(guò)掃描電子顯微鏡、傅里葉變換紅外光譜分析和X射線衍射對(duì)可食膜進(jìn)行結(jié)構(gòu)觀察和表征，經(jīng)超聲波-微波協(xié)同處理的CDP/CSC可食膜表面平整，結(jié)構(gòu)致密，分子間作用力加強(qiáng)。超聲波-微波聯(lián)合作用可有效提高CDP/CSC可食膜的機(jī)械性能。

可食膜；超聲波-微波；機(jī)械性能；玉米磷酸酯淀粉；玉米秸稈纖維素；結(jié)構(gòu)表征

近些年，以天然生物材料制成可食膜代替人工合成聚合物包裝成為研究熱點(diǎn)問(wèn)題[1-3]?？墒衬げ粌H具有無(wú)毒無(wú)害、綠色環(huán)保、可降解等優(yōu)點(diǎn)[4-5]，還可有效控制食品水分、氧氣、二氧化碳，調(diào)節(jié)食品成分和周?chē)髿庵g的香氣轉(zhuǎn)移，改善食品體系并延長(zhǎng)食品的貨架期[6-7]。

玉米磷酸酯淀粉（corn distarch phosphate，CDP）是指在玉米淀粉中引入帶有陰離子性質(zhì)的磷酸酯基團(tuán)[8]，在陽(yáng)離子環(huán)境中有較好的吸附性和親水性，具有糊化溫度低、乳化性好、黏度和透明度高等特點(diǎn)[9]，但機(jī)械性能和阻隔性能較差，限制了其在可食膜中的應(yīng)用[10]。植物纖維來(lái)源廣泛，具有較高的比強(qiáng)度、比模量，較大的比表面積和較低的密度，可生物降解，適合作為聚合物基復(fù)合膜的增強(qiáng)材料[11-12]。陳珊珊等[13]研究表明，將葵花籽殼納米纖維素添加到大豆蛋白-殼聚糖可食膜中，可提高膜的綜合性能。Halal等[14]研究證明將大麥殼纖維添加到淀粉膜中，可有效提高膜的抗拉強(qiáng)度（tensile strength，TS），降低膜水蒸氣透過(guò)系數(shù)。但將玉米秸稈纖維素（corn straw cellulose，CSC）應(yīng)用到可食膜的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。

超聲波技術(shù)作為一種物理手段，可傳遞很強(qiáng)的能量，增強(qiáng)細(xì)胞膜和細(xì)胞壁的質(zhì)量傳遞。同時(shí)，超聲波產(chǎn)生強(qiáng)大的壓力，可增強(qiáng)膜分子間的作用力，形成致密的膜結(jié)構(gòu)。Cheng Wenjian等[15]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)超聲處理的糊化淀粉黏度下降、溶解度增加，較好的改善了淀粉膜的透明度、防潮性和強(qiáng)度。Fan Jingmei等[16]證明了超聲可使蕓豆蛋白-殼聚糖復(fù)合膜的斷裂伸長(zhǎng)率（elongation at break，EAB）增加76.57%。Soazo等[17]研究發(fā)現(xiàn)超聲波可改善海藻酸鈣膜的光學(xué)性能。Zhong Tian等[18]研究了超聲波對(duì)甲基纖維素/硬脂酸共混膜的影響，結(jié)果表明在超聲功率180 W、超聲時(shí)間10 min時(shí)，共混膜具有最大的TS和EAB，在超聲功率270 W、超聲時(shí)間10 min時(shí)，共混膜阻濕性能最佳，此外，適當(dāng)?shù)某曁幚韺?duì)共混膜的表面疏水性也有著積極的影響。微波可實(shí)現(xiàn)快速加熱，使極性分子高速運(yùn)動(dòng)造成大分子氫鍵斷裂及加強(qiáng)分子間交聯(lián)作用[19]。Cárdenas等[20]研究了微波對(duì)流延法制備殼聚糖復(fù)合膜的影響，結(jié)果表明微波加熱可使成膜速度提高6 倍，制備的殼聚糖復(fù)合膜表面光滑，阻隔性能也有所改善。王大為等[21]采用微波輔助技術(shù)改善玉米蛋白膜的機(jī)械性能，在微波時(shí)間87 s、微波功率300 W條件下，玉米蛋白膜的TS達(dá)到最大值15.16 MPa。

目前，超聲波-微波協(xié)同處理技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于植物有效成分的提取和合成[22-23]，在可食膜改性方面的應(yīng)用效果也很好[24]。因此，本研究利用超聲波-微波協(xié)同作用對(duì)CDP/CSC可食膜進(jìn)行物理改性，改善其機(jī)械性能。同時(shí)利用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscopy，SEM）、傅里葉變換紅外（Fourier transform infrared， FT-IR）光譜、X射線衍射（X-ray diffraction，XRD）對(duì)CDP/CSC可食膜進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察和表征，以期為超聲波-微波協(xié)同技術(shù)在可食膜制備方面的應(yīng)用提供有益的參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米磷酸酯淀粉（食品級(jí)） 長(zhǎng)春大華淀粉有限公司；玉米秸稈纖維素由實(shí)驗(yàn)室自制；檸檬酸、羧甲基纖維素鈉（sodium carboxymethyl cellulose，CMC）（均為分析純） 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；甘油（分析純） 天津永大化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

SL-SM50型超聲微波聯(lián)合萃取儀 南京順流儀器有限公司；CT3型質(zhì)構(gòu)儀 美國(guó)Brookfield公司；UV-2600型紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì) 日本島津公司；DX-2700 型XRD儀 丹東浩元儀器有限公司；IS50型FT-IR儀美國(guó)尼高力儀器公司；S-3000N型SEM 日本日立公司；AL104型電子天平 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；螺旋測(cè)微尺 深圳市新德亞精密儀器有限公司；DZX-9140MBE型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海博訊實(shí)業(yè)有限公司；FJ200-S型數(shù)顯高速分散均質(zhì)機(jī) 上海標(biāo)本模型廠；81-2型恒溫磁力攪拌器 上海閔行虹浦儀器廠；SPX-250型恒溫由恒濕培養(yǎng)箱 常州諾基儀器有限公司；有機(jī)玻璃成膜器由實(shí)驗(yàn)室自制。

1.3 方法

1.3.1 CDP/CSC可食膜的制備

取3 g CDP溶解于50 mL蒸餾水中，68～70 ℃糊化25 min，備用；取0.5 g CSC加入到30 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%檸檬酸溶液中，15 000 r/min均質(zhì)30 min，使CSC充分分散，備用；將0.8 g CMC加入到20 mL蒸餾水中，磁力攪拌10 min使其充分溶解；將上述配制好的溶液混合，同時(shí)加入1 mL甘油，15 000～20 000 r/min均質(zhì)10 min，每均質(zhì)2 min停1 min，膜液充分混勻。然后將混合膜液進(jìn)行超聲波-微波協(xié)同改性處理，隨后進(jìn)行真空脫氣（-0.09 MPa，20 min）[14]。混合膜液流延法于自制的有機(jī)玻璃成膜器中（200 mm×200 mm），經(jīng)60 ℃、5 h干燥處理后揭膜，置于溫度（25±1） ℃、濕度60%的恒溫恒濕培養(yǎng)箱中24 h，測(cè)試膜的各項(xiàng)指標(biāo)。

1.3.2 單因素試驗(yàn)

以CDP/CSC可食膜的TS和EAB為指標(biāo)，在其他條件不變的情況下，分別考察不同超聲波功率（90、270、450、630、810 W）、微波功率（75、150、225、300、375 W）、超聲波-微波時(shí)間（0、4、8、12、16 min）對(duì)

CDP/CSC可食膜機(jī)械性能的影響，固定水平為超聲波功率450 W、微波功率150 W、超聲波-微波時(shí)間8 min。所有試驗(yàn)重復(fù)3 次取平均值。

1.3.3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

綜合單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取超聲波功率（X1）、微波功率（X2）、超聲波-微波時(shí)間（X3）作為試驗(yàn)因素，以TS（Y1）和EAB（Y2）為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)三因素三水平的響應(yīng)面試驗(yàn)，因素與水平見(jiàn)表1。所有試驗(yàn)重復(fù)3 次取平均值。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平Table1 Factors and levels used in the response surface design

1.3.4 CDP/CSC可食膜性能的測(cè)試

1.3.4.1 厚度

在可食膜中間及4角各取一點(diǎn)，用螺旋測(cè)微尺測(cè)量膜厚度，取平均值，單位為mm，其結(jié)果用于計(jì)算可食膜的機(jī)械性能。

1.3.4.2 機(jī)械性能

膜的機(jī)械性能主要包括TS和EAB。按照國(guó)標(biāo)GB/T 1040.3—2006《塑料拉伸性能的測(cè)定第3部分：薄膜和薄片的試驗(yàn)條件》測(cè)定，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)量3 次取平均值。TS和EAB分別按公式（1）和公式（2）計(jì)算[13,21]。

式中：F為膜發(fā)生斷裂時(shí)所承受的最大張力/N；B為膜寬度/mm；H為膜厚度/mm；D為膜斷裂時(shí)的總長(zhǎng)度/mm；L為膜初始長(zhǎng)度/mm。

1.3.5 微觀結(jié)構(gòu)觀察及結(jié)構(gòu)表征

1.3.5.1 微觀結(jié)構(gòu)觀察

取一塊CDP/CSC可食膜并修剪成（5×5）mm和（5×1）mm的方形，將樣品固定后噴金，采用SEM觀察可食膜的表面及橫截面形態(tài)，加速電壓為20 kV。

1.3.5.2 FT-IR分析

采用衰減全反射光譜測(cè)試方法，將CDP/CSC可食膜置于測(cè)試探頭下方，紅外光譜的掃描范圍為4 000～550 cm-1，分辨率4 cm-1，掃描次數(shù)16 次，記錄可食膜的FT-IR光譜圖。

1.3.5.3 XRD分析

取一塊CDP/CSC可食膜并修剪成正方形（20×20）mm，置于XRD儀測(cè)試倉(cāng)內(nèi)，X光管Cu靶，Ka射線，測(cè)量方式：步進(jìn)測(cè)量，管電流為40 mA，管壓為40 kV，掃描范圍為5～50 °，步進(jìn)角度為0.020，采樣時(shí)間為0.1 s。

1.2 研究方法 觀察比較兩組年齡、文化程度、經(jīng)產(chǎn)情況、孕周、胎次、胎數(shù)、妊娠并發(fā)癥發(fā)生情況，分析妊娠晚期羊水過(guò)少的危險(xiǎn)因素，并比較兩組妊娠結(jié)局。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

結(jié)果以x±s表示，采用SPSS 19.0軟件處理數(shù)據(jù)，顯著性水平（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 超聲波功率對(duì)CDP/CSC可食膜機(jī)械性能的影響

圖1 超聲波功率對(duì)膜TS和EAB的影響Fig.1 Effect of ultrasonic power on film TS and EAB

由圖1可知，在其他條件不變的情況下，隨著超聲波功率的增加，CDP/CSC可食膜的TS和EAB先增大而后降低。當(dāng)超聲波功率分別為630 W和450 W時(shí)，TS和EAB分別達(dá)到最大值31.05 MPa和70.02%。合適的超聲波處理強(qiáng)度可產(chǎn)生強(qiáng)有力的空化和攪拌作用，造成膜液分子間的劇烈碰撞，增強(qiáng)了聚合物之間的相互作用，促進(jìn)分子間氫鍵的形成，有利于構(gòu)建致密的膜結(jié)構(gòu)。當(dāng)超聲波功率超過(guò)630 W時(shí)，超聲波空化趨于飽和，增加了散射衰減，致使無(wú)用氣泡大量增加，降低了超聲波的空化強(qiáng)度，同時(shí)由于高速射流作用加強(qiáng)，使膜液黏度降低，進(jìn)而使CDP/CSC可食膜的TS和EAB逐漸降低。綜上，選擇超聲波功率630 W作為響應(yīng)面試驗(yàn)的中心水平。

2.1.2 微波功率對(duì)CDP/CSC可食膜機(jī)械性能的影響

圖2 微波功率對(duì)膜TS和EAB的影響Fig.2 Effect of microwave power on film TS and EAB

如圖2所示，隨著微波功率的增加，CDP/CSC可食膜的TS和EAB先增大后減小，當(dāng)微波功率為150 W時(shí)，TS達(dá)到最大值26.33 MPa，當(dāng)微波功率為225 W時(shí)，EAB達(dá)

到最大值78.57%。微波處理產(chǎn)生高頻振蕩和熱量，可提高膜內(nèi)給組分的溶解性，增大分子間重排和作用幾率，促進(jìn)可食膜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成；此外，微波的頻率與分子轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率相關(guān)聯(lián)，體系內(nèi)分子可在微波的作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)，改變?nèi)〈⒐倌軋F(tuán)的運(yùn)動(dòng)方向，使分散相聚合的機(jī)會(huì)增多[19]，增強(qiáng)膜液各組分的交聯(lián)作用，提高可食膜的TS和EAB。當(dāng)進(jìn)一步增大微波功率時(shí)，使體系內(nèi)溫度迅速上升，膜液糊化作用加強(qiáng)，破壞了其結(jié)構(gòu)，降低了黏度，成膜的機(jī)械性能下降。綜上，選擇微波功率150 W作為響應(yīng)面試驗(yàn)的中心水平。

圖3 超聲波-微波時(shí)間對(duì)膜TS和EAB的影響Fig.3 Effect of ultrasonic-microwave radiation time on film TS and EAB

由圖3可知，當(dāng)超聲波-微波時(shí)間為8 min時(shí)，可食膜的TS和EAB達(dá)到最大值27.59 MPa和78.86%。適當(dāng)時(shí)間的超聲波-微波調(diào)控處理可將超聲波的空化效應(yīng)和波導(dǎo)管引出的微波熱效應(yīng)直接作用于膜液，進(jìn)行共同的耦合、協(xié)同，產(chǎn)生了疊加強(qiáng)化的作用。隨著超聲波-微波時(shí)間的延長(zhǎng)，TS和EAB呈上升趨勢(shì)。當(dāng)超聲波-微波時(shí)間超過(guò)12 min時(shí)，TS和EAB顯著降低，這是因?yàn)檫^(guò)度的超聲波-微波處理引起溫度升高，使分子鏈發(fā)生斷裂，破壞了構(gòu)筑的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可食膜的凝聚力降低，致密性和均勻性差。綜上，選擇超聲波-微波時(shí)間8 min作為響應(yīng)面試驗(yàn)的中心水平。

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

以超聲波功率（X1）、微波功率（X2）、超聲波-微波時(shí)間（X3）為試驗(yàn)因素，以CDP/CSC可食膜的TS （Y1）和EAB（Y2）為響應(yīng)值，進(jìn)行Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表2。利用Design Expert 8.0.6軟件對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合，并剔除不顯著項(xiàng)，得到二次回歸模型函數(shù)表達(dá)式如下：

Y1=31.165+4.206X1+3.795X2+2.518X3-2.185X1X3+ 1.157X2X3-2.113X12-5.124X22-3.382X32

Y2=72.856-10.896X1+4.216X2+3.888X3-10.138X1X2-3.245X1X3-10.199X12-12.374X22-10.787X32

表2 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table2 Box-Behnken design with experimental results for the response variables

方差分析結(jié)果見(jiàn)表3，可知回歸方程模型極顯著（P＜0.000 1），失擬項(xiàng)檢驗(yàn)P值分別為0.276 3、0.104 3，失擬項(xiàng)不顯著，且R12=0.987 8，R22=0.991 2，表明模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值擬合度高。也表明各因素對(duì)可食膜TS和EAB影響的主次順序?yàn)槌暡üβ?、微波功率、超聲?微波時(shí)間。

表3 回歸模型方差分析Table3 Analysis of variance for the fitted regression model

2.2.2 交互作用分析

2.2.2.1 對(duì)TS的影響

超聲波-微波處理?xiàng)l件交互作用對(duì)CDP/CSC可食膜TS影響的響應(yīng)面立體分析圖見(jiàn)圖4。結(jié)合表3可知，超聲波功率和超聲波-微波時(shí)間交互作用對(duì)TS的影響達(dá)到極

顯著水平，微波功率和超聲波-微波時(shí)間交互作用達(dá)到顯著水平，超聲波功率和微波功率的交互作用不顯著。在試驗(yàn)水平范圍內(nèi)，適當(dāng)提高超聲波功率可提高可食膜的TS。

圖4 TS的響應(yīng)曲面Fig.4 Response surface plots for tensile strength

2.2.2.2 對(duì)EAB的影響

圖5 EAB的響應(yīng)曲面Fig.5 Response surface plots for elongation at break

由圖5可知，當(dāng)微波功率在150～225 W范圍內(nèi)時(shí)，隨著超聲波功率的增大，CDP/CSC可食膜的EAB明顯降低，結(jié)合表3方差分析結(jié)果可知超聲波功率和微波功率交互作用對(duì)膜EAB的影響達(dá)到極顯著水平，超聲波功率和超聲波-微波時(shí)間的交互作用達(dá)到顯著水平，微波功率和超聲波-微波時(shí)間的交互作用不顯著。

2.2.3 超聲波-微波協(xié)同制備CDP/CSC可食膜的條件優(yōu)化與驗(yàn)證

綜合考慮可食膜的機(jī)械性能指標(biāo)，分別賦予TS （Y1）和EAB（Y2）的重要度為5。結(jié)合回歸模型的數(shù)學(xué)分析并由Design-Expert 8.0.6 Trial分析出超聲波-微波協(xié)同制備CDP/CSC可食膜的最佳工藝參數(shù)為超聲波功率596.9 W、微波功率173.6 W、超聲波-微波時(shí)間9.3 min，在此條件下CDP/CSC可食膜的TS和EAB的預(yù)測(cè)值分別為31.69 MPa和75.34%。

為進(jìn)一步驗(yàn)證模型的可靠性，考慮到實(shí)際操作情況，將最佳工藝條件修正為超聲波功率600 W、微波功率170 W、超聲波-微波時(shí)間9 min，在此條件下進(jìn)行3 次平行實(shí)驗(yàn)，得到TS和EAB的平均值為31.42 MPa和74.33%，分別達(dá)到預(yù)測(cè)值的99.15%和98.66%，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果與擬合值無(wú)顯著性差異（P＜0.05），優(yōu)化結(jié)果可靠有效。

2.2.4 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

按照1.3.1節(jié)方法，制備未經(jīng)超聲波微波處理的CDP/ CSC可食膜作為對(duì)照，經(jīng)測(cè)試得到對(duì)照膜的TS和EAB分別為19.36 MPa和47.38%。通過(guò)超聲波-微波協(xié)同制備的CDP/CSC可食膜與處理前相比，TS和EAB分別提高62.29%和56.88%，說(shuō)明超聲波-微波協(xié)同作用可有效改善可食膜的機(jī)械性能。

2.3 SEM分析

通過(guò)SEM可清晰地觀察到CDP/CSC可食膜體系內(nèi)各相的分散狀態(tài)及相界面之間的結(jié)合情況，若高聚物相容，則膜表面光滑均勻，反之，膜表面出現(xiàn)球狀顆粒和明顯的相界面[26-27]。由圖6a1、a2對(duì)比可知，經(jīng)超聲波-微波協(xié)同處理后的可食膜表面更光滑平整，成膜均勻，無(wú)明顯的顆粒和孔洞。這是因?yàn)榻?jīng)過(guò)微波-超聲波處理后的復(fù)合膜中CDP和CSC分子之間發(fā)生了交聯(lián)的情況，產(chǎn)生更多的分子間氫鍵。通過(guò)膜的橫截面對(duì)比（圖6b1、b2）

可知，經(jīng)超聲波-微波協(xié)同處理后的可食膜橫截面更致密有序，結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)明顯的相分離現(xiàn)象，從而提高了共混體系的相容性。

圖6 CDP/CSC可食膜的SEM圖Fig.6 SEM photomicrographs of CDP/CSC edible films

2.4 FT-IR分析

圖7 CDP/CSC可食膜的FT-IR圖Fig.7 FT-IR spectra of CDP/CSC edible films

當(dāng)2 種或更多物質(zhì)混合時(shí)，物質(zhì)之間的相互作用可以通過(guò)FT-IR來(lái)評(píng)價(jià)[28]。如圖7所示，在3 500～3 200 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰，主要是由O—H和N—H鍵伸縮振動(dòng)產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)超聲波-微波聯(lián)合改性處理后的復(fù)合膜，其吸收峰變高、變窄，說(shuō)明分子間氫鍵相互作用加強(qiáng)。2 923 cm-1附近的吸收峰是飽和C—H伸縮振動(dòng)產(chǎn)生，1 714 cm-1處為C=O伸縮振動(dòng)峰，經(jīng)過(guò)超聲波-微波聯(lián)合改性處理后，該吸收峰向低波數(shù)移動(dòng)，說(shuō)明碳氧雙鍵的力常數(shù)變大，鍵長(zhǎng)變短。在1 589、1 334 cm-1和1 233 cm-1附近產(chǎn)生的吸收峰分別為酰胺Ⅰ帶、酰胺Ⅱ帶和酰胺Ⅲ帶（C—N伸縮振動(dòng)和N—H彎曲振動(dòng)）。1 154 cm-1產(chǎn)生的C—C骨架的伸縮振動(dòng)吸收峰、1 073 cm-1和994 cm-1出現(xiàn)的C—O的伸縮振動(dòng)峰。經(jīng)過(guò)超聲波-微波聯(lián)合處理的可食膜與處理前相比，其C=O伸縮振動(dòng)峰和C—O的伸縮振動(dòng)峰出現(xiàn)藍(lán)移，O—H鍵作用加強(qiáng)，提高了CDP/CSC膜的TS和EAB。同時(shí)，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)膜的二級(jí)結(jié)構(gòu)沒(méi)有因受到超聲波-微波的協(xié)同作用而完全破壞，仍具有CDP/CSC膜的典型特征。

2.5 XRD分析

圖8 CDP/CSC可食膜的XRD圖Fig.8 XRD spectra of CDP/CSC edible films

XRD可反映高聚物結(jié)晶結(jié)構(gòu)的差別，其中峰位置、峰高和半峰寬均與顆粒內(nèi)部的結(jié)晶區(qū)中晶粒大小形狀有關(guān)。由圖8可知，未經(jīng)過(guò)超聲波-微波協(xié)同處理的可食膜，在2θ為17.1、22.7°出現(xiàn)部分較弱的結(jié)晶峰，說(shuō)明可食膜基本處于無(wú)定形狀態(tài)，結(jié)晶結(jié)構(gòu)是在成膜的早期階段出現(xiàn)的。經(jīng)過(guò)超聲波-微波聯(lián)合處理后的復(fù)合膜，在17.1、19.5°和22.7°存在特征衍射峰，且強(qiáng)度明顯提高。說(shuō)明經(jīng)過(guò)超聲波-微波協(xié)同處理后的CDP/CSC可食膜各組分分子間產(chǎn)生了較強(qiáng)的相互作用，這與FT-IR結(jié)果一致。

3 結(jié) 論

采用CDP、CSC為主要原料制備可食膜，通過(guò)超聲波-微波協(xié)同作用改善膜的機(jī)械性能。利用響應(yīng)面試驗(yàn)分析優(yōu)化了最佳工藝條件為超聲波功率600 W、微波功率170 W、超聲波-微波時(shí)間9 min。在此條件下制備的CDP/ CSC可食膜的TS和EAB可達(dá)31.42 MPa和74.33%，分別達(dá)到預(yù)測(cè)值的99.15%和98.66%，與未經(jīng)超聲波-微波處理的膜相比分別提高62.29%和56.88%。

對(duì)CDP/CSC可食膜的SEM分析表明，經(jīng)超聲波-微波協(xié)同處理后的膜表面更光滑平整，成膜均勻，無(wú)明顯的顆粒和孔洞，其橫截面更致密有序，結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)明顯的相分離現(xiàn)象，從而提高了共混體系的相容性。利用FT-IR和XRD對(duì)可食膜進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征表明，經(jīng)過(guò)超聲波-微波協(xié)同處理后的CDP/CSC可食膜各組分分子間產(chǎn)生了較強(qiáng)的相互作用，結(jié)晶度提高，各基質(zhì)間的相容性好。超聲波-微波協(xié)同技術(shù)可用于CDP/CSC可食膜的制備及改善膜的機(jī)械性能，為其在食品包裝等領(lǐng)域等進(jìn)一步研究和應(yīng)用提供理論參考。

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Effects of Ultrasonic-Microwave Treatment on Mechanical Properties of Corn Distarch Phosphate/Corn Straw Cellulose Films

SUN Haitao1,2, SHAO Xinru2, JIANG Ruiping2, ZHANG Dongjie3, MA Zhongsu1,*
(1. College of Food Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130062, China; 2. Changbai Mountain Edible Plant Resources Development Engineering Center, Tonghua Normal University, Tonghua 134000, China; 3. College of Food Science, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China)

Corn distarch phosphate/corn straw cellulose edible films were prepared using ultrasonic-microwave treatment. The effects of the combined treatment on mechanical properties of the films were studied. Based on tensile strength and elongation at break, the optimum conditions were obtained by response surface analysis as follows: ultrasonic power, 600 W; microwave power, 170 W; and radiation time, 9 min. Under these conditions, the tensile strength and elongation at break of edible films reached 31.42 MPa and 74.33%, respectively, which were increased by 62.29% and 56.88%, respectively, as compared with those of films without the use of ultrasonic-microwaves treatment. As observed and characterized by scanning electron microscopy (SEM), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) and X-ray diffraction (XRD), the edible films prepared by the combined treatment displayed smooth surface and dense structure, suggesting strong intermolecular forces. To conclude, the mechanical properties of corn distarch phosphate/corn straw cellulose edible films could be improved by ultrasonic-microwave treatment.

edible films; ultrasonic-microwave treatment; mechanical properties; corn distarch phosphate (CDP); corn straw cellulose (CSC); structure characterization

10.7506/spkx1002-6630-201622006

TS206.1

A

1002-6630（2016）22-0034-07

孫海濤, 邵信儒, 姜瑞平, 等. 超聲波-微波協(xié)同作用對(duì)玉米磷酸酯淀粉/秸稈纖維素可食膜機(jī)械性能的影響[J]. 食品科學(xué), 2016, 37(22): 34-40. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201622006. http://www.spkx.net.cn

SUN Haitao, SHAO Xinru, JIANG Ruiping, et al. Effects of ultrasonic-microwave treatment on mechanical properties of corn distarch phosphate/corn straw cellulose films[J]. Food Science, 2016, 37(22): 34-40. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201622006. http://www.spkx.net.cn

2016-05-23

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2015BAD16B05）；吉林省教育廳“十三五”科學(xué)技術(shù)研究規(guī)劃項(xiàng)目

孫海濤（1981—），男，講師，博士研究生，研究方向?yàn)槭称繁２嘏c物流。E-mail：sunhaitaoth@126.com

*通信作者：馬中蘇（1952—），男，教授，博士，研究方向?yàn)槭称繁２嘏c物流。E-mail：zsma@jlu.edu.cn