卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜保鮮納米SiO2修飾工藝優(yōu)化

張榮飛 王相友

（山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院 山東淄博255049）

雙孢蘑菇是我國(guó)主要栽培的食用菌種之一，其中出口創(chuàng)匯占80%以上。在采后后熟過程中，雙孢蘑菇生命代謝極其活躍，使其商品質(zhì)量和貨架壽命受到嚴(yán)重影響，在生產(chǎn)和貯運(yùn)方面損失重大，也因此制約了雙孢蘑菇產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因采后保鮮處理不合適或保鮮技術(shù)設(shè)施落后，我國(guó)每年雙孢蘑菇在采后貯藏和運(yùn)輸過程中的損失高達(dá)30%以上[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)可食性共混膜性能的研究逐漸成為果蔬涂膜保鮮研究的熱點(diǎn)[2-8]?？ɡz和魔芋膠均是從植物中提取的多糖物質(zhì)，廣泛應(yīng)用于食品及食品添加劑中，兩者共混成膜時(shí)，能夠形成脆度小，彈性大，析水少的凝膠，因此，卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜作為一種可食性保鮮膜，可以產(chǎn)生各單體膠不具有的特性，在綠色可食性包裝薄膜方面的應(yīng)用前景十分廣闊[8]。謝建華等[10]研究了卡拉膠-魔芋葡甘聚糖共混膜的制備，并測(cè)定其性能，結(jié)果表明其厚度、洗刷性等性能在魔芋葡甘聚糖與卡拉膠質(zhì)量比為6∶4 時(shí)最佳。然而，卡拉膠/魔芋膠共混膜存在機(jī)械性能較差，強(qiáng)度低，抗水性差等缺點(diǎn)。納米SiO2是一種白色粉末非金屬材料，在有機(jī)材料改性中應(yīng)用廣泛，且無毒，無味，無污染，目前已被國(guó)家批準(zhǔn)為食品添加劑[11]。由于其具有表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等特征而常作為一種改性材料，可與許多高分子聚合物復(fù)合制備納米復(fù)合材料，從而提高聚合物的成膜效能特性以及保鮮作用[12]。孟祥勝等[13]發(fā)現(xiàn)PVA 薄膜加入納米SiO2粉體，其耐水性提高為原來的2.40 倍。Rhim 等[14]研究了納米粘土對(duì)瓊脂/卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜的機(jī)械性能和水阻隔性能的影響。

為了使納米復(fù)合膜的性能達(dá)到最佳，本課題研究了納米SiO2添加量、卡拉膠與魔芋膠質(zhì)量比、甘油添加量對(duì)復(fù)合膜性能的影響，以及對(duì)雙孢蘑菇的涂膜保鮮效果，并采用SEM，F(xiàn)TIR，XRD 和UV 對(duì)復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征分析，旨在為納米SiO2/卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜用于果蔬及食用菌的保鮮提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 主要試劑與材料

雙孢蘑菇：采摘于山東省淄博市淄河鎮(zhèn)。采摘后的雙孢蘑菇立即運(yùn)至山東理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)冷庫，（2±1）℃下預(yù)冷24 h，降低其呼吸熱。挑選傘蓋直徑大約4 cm 左右，潔白、無械損傷和真菌感染的雙孢蘑菇。

食品級(jí)卡拉膠，天津市博迪化工有限公司；食品級(jí)魔芋膠，淄博雙帆外貿(mào)有限公司；親水型納米SiO2，南京海泰納米材料有限公司，HTSi-01；無水CaCl2，天津市福晨化工有限公司；甘油，萊陽經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)精細(xì)化工廠。

1.2 儀器及設(shè)備

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（DHG-9140A），上海一恒科學(xué)儀器有限公司；數(shù)顯恒溫水浴鍋（HH-S），常州普天儀器制造公司；場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（Sirion 200），美國(guó)FEI 公司；多晶X-射線衍射儀（D8 Advance），德國(guó)BrukerAXS 公司；傅立葉變換紅外光譜儀 （Nicolet 5700），美國(guó)Thermo Electron；紫外可見分光光度儀（UV2550），日本島津公司國(guó)際貿(mào)易有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)方案 對(duì)納米SiO2添加量、卡拉膠與魔芋膠質(zhì)量比、甘油添加量，根據(jù)有關(guān)參考文獻(xiàn)[14]及實(shí)驗(yàn)室前期試驗(yàn)結(jié)果[15]進(jìn)行L9（3）4正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)因子的水平和編碼見表1，試驗(yàn)重復(fù)3次。

表1 試驗(yàn)因素水平編碼表Table 1 Factors and levels of experiments

1.3.2 膜的制備 參照表2，分別把納米SiO2到入100 mL 蒸餾水中，溶解后加入相應(yīng)量的卡拉膠和魔芋膠，攪拌均勻后，60 ℃水浴鍋中攪拌加熱20 min，然后在頻率為40 kHz，功率為150 W 的超聲波下處理25 min，分散脫氣。冷卻至30 ℃左右，定量的在面積相同的玻璃板上流延成膜，待干燥后流水沖洗揭膜，制得不同比例的納米SiO2/卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜，于室溫下晾干，待用。

1.3.3 厚度 將膜樣品折疊一定的層數(shù)，取不同的點(diǎn)用游標(biāo)卡尺測(cè)其厚度，取其平均值。

1.3.4 透光率[14]將待測(cè)納米SiO2/卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜和卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜樣品裁成4.5 mm×1.1 mm 條狀，貼于比色皿內(nèi)部，利用日本島津公司UV2550 紫外分光光度計(jì)，以空比色皿做對(duì)照，在波長(zhǎng)450 nm 處測(cè)定復(fù)合膜的吸光度，每組樣品取3 個(gè)，取其平均值。按照式（1）計(jì)算。

式中，A——吸光光度值；T——透光率，%。

1.3.5 透水率 參照GB/T 16928-1997[17]中的方法A 和ASTM[18]方法，烘干稱量瓶，稱取3 g 無水CaCl2置于其中，用納米SiO2/卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜和卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜在瓶口緊密覆蓋，并用橡皮筋固定，放入恒溫恒濕箱 （23 ℃，RH=90%）中，24 h 后（至稱量瓶質(zhì)量不變時(shí)）測(cè)定量瓶質(zhì)量的增加量。每組樣品取3 塊膜，結(jié)果取其平均值。膜的透水率按式（2）計(jì)算。

式中，WVTR——水蒸氣傳遞速率，g/m2·d；D——時(shí)間，d；S——膜的有效面積，m2。

1.3.6 溶脹度 膜的溶脹度采用干濕法[19]測(cè)定。測(cè)定優(yōu)化復(fù)合膜的溶脹度并與卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜進(jìn)行比較。每組樣品取3 個(gè)，結(jié)果取平均值。

1.3.7 水溶性 將復(fù)合膜剪裁成正方形，于干燥器中恒溫干燥，準(zhǔn)確稱量膜的質(zhì)量，放入蒸餾水中吸水至恒重，收集膜，50 ℃干燥至恒重，稱重（Wfinaldry，精確到0.0001 g），根據(jù)其質(zhì)量變化計(jì)算膜的水溶性[20]，平行測(cè)定3 次，結(jié)果取平均值。膜的水溶性按照式（3）計(jì)算。

1.3.8 透氧性 采用脫氧劑吸收法，脫氧劑根據(jù)文獻(xiàn)[21]制備。事先將稱量瓶烘干至恒定質(zhì)量，把脫氧劑置于稱量瓶中，用復(fù)合膜在瓶口緊密覆蓋，并用橡皮筋固定，放入23 ℃恒溫恒濕箱中，于一定濕度（RH=90%）條件下放置48 h 后測(cè)定稱量瓶增加質(zhì)量Δm，即脫氧劑吸收O2的量[18]。O2透過膜被脫氧劑吸收。按式（4）計(jì)算成膜的透氧率。

式 中，Q （O2）——膜 的 透O2率，g/m2·d；Δm——脫氧劑吸收O2的質(zhì)量，g；D——時(shí)間，d；S——為膜片的有效面積，m2。

1.3.9 透CO2性 事先將稱量瓶烘干至質(zhì)量恒定，將5 g KOH 置于稱量瓶中，用復(fù)合膜在瓶口緊密覆蓋，并用橡皮筋固定，放入23 ℃恒溫恒濕箱中，于一定濕度（RH=90%）條件下放置48 h 后測(cè)定量瓶的增加質(zhì)量Δm′，即KOH 吸收CO2的量[18]。CO2透過膜被KOH 吸收。按式（5）計(jì)算成膜的透CO2率：

式中，Q（CO2）——膜的透CO2率，g/m2·d；Δm′——KOH 吸 收CO2的 質(zhì) 量，g；D——時(shí) 間，d；S——膜片的有效面積，m2。

1.3.10 復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)表征 采用美國(guó)Nicolet5700 型紅外光譜儀、UV2550 紫外可見分光光度計(jì)、FEI Sirion200 型電子掃描電鏡和X 射線衍射光譜儀分別對(duì)卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜及納米復(fù)合膜進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征。

1.3.11 雙孢蘑菇的涂膜保鮮試驗(yàn) 將挑選好的蘑菇隨機(jī)分為3 組（重復(fù)3 次），每組30 個(gè)。用優(yōu)化后的納米復(fù)合膜和普通復(fù)合膜對(duì)雙孢蘑菇進(jìn)行涂膜在（4±1）℃下貯藏保鮮[15]并每隔1 d 隨機(jī)取樣，測(cè)不同處理組雙孢蘑菇的失重率、白度、硬度、細(xì)胞膜透性等生理品質(zhì)指標(biāo)，與對(duì)照組（未涂膜）進(jìn)行比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)安排與結(jié)果

根據(jù)表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析納米SiO2添加量，卡拉膠與魔芋膠質(zhì)量比，甘油添加量對(duì)膜的透光率的影響規(guī)律，根據(jù)所測(cè)定的指標(biāo)，利用SPSS19.0 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差顯著性分析，從而得到最佳配比。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表及試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The orthogonal experiment design and test results

表3 主體間效應(yīng)的檢驗(yàn)Table 3 The inspection effect among subjects

從表2和表3中可知，影響復(fù)合膜透光率的因子主次順序?yàn)锽>A>C，最佳配比為A1B3C2，并且卡拉膠與魔芋膠質(zhì)量比和甘油兩個(gè)因素對(duì)復(fù)合膜的透光率影響極其顯著（P＜0.01），說明當(dāng)卡拉膠與魔芋膠質(zhì)量比為1∶3 時(shí)，復(fù)合膜的透光率到達(dá)最大值，這可能是因?yàn)槟в竽z和卡拉膠的協(xié)同效果在此時(shí)最佳，同時(shí)相容性較好[22-23]，兩相光散射或折射損耗較少。除此之外，甘油的加入在一定程度上使復(fù)合膜的透光率提高，這表明甘油作為一種小分子有機(jī)物和復(fù)合膜中的第3 相，能夠提高魔芋膠和卡拉膠共混時(shí)的均勻性，減少分子鏈團(tuán)聚，利于復(fù)合膜中光波的傳播，從而增強(qiáng)復(fù)合膜的透光率。納米SiO2的獨(dú)特結(jié)構(gòu)使其表現(xiàn)出一些特殊的光學(xué)特性[24]，也提高了膜的透光率。郭衛(wèi)紅等[25]研究結(jié)果表明，由于納米SiO2粒子尺寸小于可見光波長(zhǎng)，加入了納米SiO2的納米復(fù)合膜具有良好的透明度和較高的光澤度。

2.2 復(fù)合膜的性能驗(yàn)證

2.2.1 復(fù)合膜的厚度 卡拉膠和魔芋膠本身具有很好的流延性和成膜性，與納米粒子結(jié)合后成膜比較均勻，所得的膜的厚度主要在25～26 nm 之間。膜厚度的均勻性對(duì)膜的綜合性能的研究具有重要意義。

2.2.2 復(fù)合膜的性能驗(yàn)證 以納米SiO2添加量0.03%，卡拉膠與魔芋膠質(zhì)量比1∶3，甘油添加量0.7%的優(yōu)化配方，配制復(fù)合膜測(cè)定其透光性、透氧性、透CO2性、水溶性、溶脹性、透水率，并與未添加納米SiO2的卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜進(jìn)行比較。

將復(fù)合膜涂膜于果蔬表面進(jìn)行保鮮，在食用前果蔬一般需要經(jīng)過清洗，所以，膜的水溶性和溶脹度是評(píng)價(jià)該膜是否可實(shí)際應(yīng)用的重要指標(biāo)之一[26]?？ɡz/魔芋膠復(fù)合膜是堅(jiān)韌的彈性材料，在一定范圍內(nèi)，溶脹度越大復(fù)合膜的彈性越好，果蔬保鮮效果也越好。由表4可見，納米SiO2/卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜的水溶性和溶脹度分別較卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜高2.42%，5.54%。

圖1 復(fù)合膜的厚度Fig.1 The thickness of composite films

表4 納米復(fù)合膜的性能Table 4 Performances of nano-composite film

對(duì)于處在保鮮膜包裝中的果蔬而言，過高或過低的氧氣濃度都會(huì)影響其鮮度和貯藏壽命。因此新鮮果蔬用保鮮膜包裝時(shí)，膜的氧氣透過率應(yīng)適量，以防止果蔬進(jìn)行無氧呼吸而腐爛，若膜的氧氣透過率太大，呼吸強(qiáng)度過高，從而使果蔬代謝加速，壽命縮短[27]。由表4可知，添加納米粒子后，納米復(fù)合膜的透O2性低于卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜0.007 g/m2·d，透CO2性高于卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜0.024 g/m2·d，因此，納米復(fù)合膜更有利于抑制果蔬的呼吸作用。除此之外，納米復(fù)合膜的透光率增加，這是因?yàn)榧{米SiO2具有很好的光學(xué)效應(yīng)[24]；其透水率較卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜降低了9.03%。綜上所述，納米SiO2/卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜的性能較優(yōu)些，更有利于其在果蔬保水、保鮮方面的應(yīng)用。

2.3 復(fù)合膜的微觀結(jié)構(gòu)表征

2.3.1 掃描電鏡分析 納米SiO2在卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜中分散SEM 分析結(jié)果如圖2所示。

由圖2b 可見，卡拉膠和魔芋膠具有較好的相容性，且無分離現(xiàn)象，圖2a 中納米SiO2在卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜中分散較均勻，相容性較好。王明力等[28]在殼聚糖保鮮涂膜納米SiOx 修飾工藝優(yōu)化的研究中，納米SiO2可較好的分散在殼聚糖中，且相容性較好。

圖2 復(fù)合膜的SEM 圖Fig.2 SEM photo of composite film

2.3.2 紅外光譜分析 納米SiO2/卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜和卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜的紅外光譜圖如圖3所示。

由圖3可知，其普通復(fù)合膜和納米復(fù)合膜羥基伸縮振動(dòng)峰分別為3 359.9，3 352.2 cm-1，納米復(fù)合膜羥基伸縮峰向低波方向發(fā)生遷移，說明納米粒子與卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜分子之間發(fā)生作用，表現(xiàn)為納米復(fù)合膜的凝膠作用較卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜增大，從而成膜性較好。這與卡拉膠殘基上的半酯式硫酸鹽基團(tuán)能成為一種陰離子型分子電解質(zhì)有關(guān)[29]，以及納米SiO2與卡拉膠/魔芋膠分子之間形成的氫鍵所致。因此，氫鍵的存在對(duì)復(fù)配體系起到了非常重要的增容作用。這與王元蘭等[30]對(duì)卡拉膠/魔芋膠復(fù)配膠凝膠強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果非常吻合。

2.3.3 紫外可見分光光譜分析 納米SiO2/卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜和卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜的紫外可見光光譜圖如圖4所示。

由圖4可知，加入納米粒子后復(fù)合膜的成分沒有變化，只是分子中某些基團(tuán)的吸收值發(fā)生改變，從圖中可以明顯看出，加入納米粒子后復(fù)合膜中所有基團(tuán)的吸收波長(zhǎng)都發(fā)生了紅移（向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)），并且其波峰值也都增大，說明納米復(fù)合膜中的氫鍵作用比較強(qiáng)，氫鍵的數(shù)量也較多。進(jìn)一步說明納米粒子對(duì)復(fù)合膜有一定的修飾作用。

圖3 復(fù)合膜的紅外光譜圖Fig.3 FTIR photo of composite film

圖4 復(fù)合膜紫外可見分光光譜圖Fig.4 UV photo of composite film

2.3.4 X-射線衍射光譜分析 納米SiO2/卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜和卡拉膠/魔芋膠復(fù)合膜的X-射線衍射光譜圖，如圖5所示。在加入納米SiO2粒子后，復(fù)合膜的結(jié)晶峰發(fā)生了明顯改變，卡拉膠/魔芋膠/納米SiO2復(fù)合膜在2 附近處結(jié)晶峰加強(qiáng)。結(jié)果表明，盡管卡拉膠和魔芋膠原有結(jié)構(gòu)的規(guī)整性被機(jī)械力及分子動(dòng)力學(xué)作用擾亂，但因納米SiO2分子中含有大量羥基，增加了卡拉膠、魔芋膠分子內(nèi)的氫鍵強(qiáng)度和分子的有序度，所以結(jié)晶度增加；與此同時(shí)，納米SiO2和卡拉膠、魔芋膠分子之間有較強(qiáng)的氫鍵作用，分子的鏈段有的獨(dú)自排列，有的相互纏結(jié)在一起，從而原有的排列被打亂，導(dǎo)致各自的結(jié)晶性能和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。所以納米SiO2對(duì)卡拉膠、魔芋膠分子存在一定的修飾作用。

2.4 保鮮試驗(yàn)結(jié)果

由上述試驗(yàn)結(jié)果得到的優(yōu)化配方，對(duì)雙孢蘑菇進(jìn)行涂膜（4±1）℃保鮮，由表5可知，貯藏第12天時(shí)，空白對(duì)照組的失重率為0.89%，而卡拉膠/魔芋膠/納米SiO2復(fù)合涂膜處理組為0.67%。結(jié)果表明，相對(duì)于空白組，卡拉膠/魔芋膠復(fù)合涂膜和卡拉膠/魔芋膠/納米SiO2復(fù)合涂膜均顯著（P＜0.05）抑制了雙孢蘑菇的失重情況；空白對(duì)照組與涂膜處理兩組的硬度值有顯著差異（P<0.05），空白對(duì)照組的硬度值降到4.19×105Pa，卡拉膠/魔芋膠復(fù)合涂膜處理組降到4.53×105Pa，卡拉膠/魔芋膠/納米SiO2復(fù)合涂膜處理組降到6.41×105Pa；納米復(fù)合涂膜組白度值都高于空白對(duì)照組，細(xì)胞膜透性也低于對(duì)照組（表5）。這是由于無機(jī)納米粒納米SiO2與卡拉膠和魔芋膠通過共混的方式所制成的膜，膜中的硅氧鍵對(duì)CO2和O2有吸附、溶解、擴(kuò)散、釋放作用[31]，可調(diào)節(jié)膜內(nèi)外CO2和O2交換量，從而抑制雙孢蘑菇呼吸強(qiáng)度，達(dá)到保鮮、保濕的作用。

圖5 復(fù)合膜X-射線衍射光譜圖Fig.5 XRD photo of composite film

表5 復(fù)合涂膜在（4±1）℃對(duì)雙孢蘑菇的失重率、白度、硬度及細(xì)胞膜透性的影響Table 5 Effect of coating on weightloss，surface color，hardness and membrane permeability of Agaricus bisporus during storage at （4±1）℃

3 結(jié)論

本文以魔芋葡甘聚糖、卡拉膠為成膜基材，制備納米可食性復(fù)合膜并對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)定，并進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)表征。結(jié)果表明，質(zhì)量配比、甘油含量、納米SiO2對(duì)復(fù)合膜力學(xué)性能和光學(xué)性能有較大影響，其中卡拉膠與魔芋膠的質(zhì)量配比影響較大，其次是納米SiO2。通過正交試驗(yàn)，確定了膜制備的最佳工藝條件：納米SiO2添加量、卡拉膠與魔芋膠質(zhì)量比、甘油添加量分別為0.03%，1∶3，0.7%時(shí)，制得的復(fù)合膜各項(xiàng)性能較好，其透光率為84.26%，透氧性為0.15 g/m2·d，透CO2性為0.207 g/m2·d，水溶性值為51.78%，溶脹度為76.90%，透水率為62.31%。

卡拉膠/魔芋膠/納米SiO2復(fù)合膜具有良好的透過性，如其對(duì)氣體和蒸汽的透過性，包括氧氣、二氧化碳和有機(jī)物蒸汽，并克服了普通高分子生物膜具有較差機(jī)械性能和阻隔性能的缺陷。因此，在雙孢蘑菇生產(chǎn)、貯運(yùn)和銷售過程中，該納米復(fù)合膜能起到較好的保鮮作用，并且符合當(dāng)今農(nóng)業(yè)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。