玉米皮半纖維素/殼聚糖/甘油復合膜制備及性質研究

徐 忠 高 陽 馮欣寧 谷 芳 趙 丹

(哈爾濱商業(yè)大學食品工程學院，哈爾濱 150076)

玉米皮是玉米淀粉加工主要副產品之一，由半纖維素、纖維素、淀粉、蛋白質和木質素等成分組成，其中半纖維素是玉米皮中含量最豐富的成分，是由木糖、半乳糖、葡萄糖和阿拉伯糖等由糖單元相互連接形成具有支鏈的高分子聚合物[1-3]，玉米皮半纖維素可以作為膳食纖維應用在食品、醫(yī)藥等行業(yè)，還可以通過生物、化學降解和改性等技術制備低聚糖、改性半纖維素和水凝膠等產品[4-7]。

由于消費者對環(huán)境污染問題的日益關注，可降解食品包裝材料的應用已成為目前研究的熱點，食品包裝中可生物降解膜可分為水膠體膜、脂質膜和復合膜三大類。水膠體包括蛋白質和多糖等親水性聚合物，蠟、脂肪酸和?；视蛯儆谥?，復合膜是水膠體和脂類化合物的組合[8]。目前關于半纖維素在食品包裝材料中的應用已有一些報道[9-12]，而玉米皮半纖維素做為食品包裝材料的研究報道還較少，本文通過玉米皮半纖維素與殼聚糖和甘油共混方法制備了半纖維素復合膜，為玉米皮的資源化利用和提高附加值提供了新途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米皮：中糧生化能源(肇東)有限公司。

氫氧化鈉、無水乙醇、濃鹽酸、冰醋酸、殼聚糖、甘油、耐高溫α-淀粉酶、中性蛋白酶，均為分析純。

1.2 實驗儀器與設備

YSC-701型粉碎機；MXQ1700-30箱式電阻爐； DHG-9123A電熱恒溫鼓風干燥箱；centrifuge 5810型臺式高速離心機； RGD-5單柱式電子萬能實驗機；HITACHI 多功能粉末衍射儀；STA 449-cC綜合熱分析儀；SU8010掃描電子顯微鏡；VS-1300潔凈工作臺；HYG-A恒溫振蕩搖瓶柜；SPX-250B-Z智能型生化培養(yǎng)箱。

1.3 方法

1.3.1 玉米皮半纖維素的提取

經正己烷脫脂的玉米皮自然條件下晾干，利用粉碎機對玉米皮粉碎后過80目篩，收集篩下物，玉米皮粉置于干燥處儲存?zhèn)溆?。玉米皮半纖維素的提取主要參照文獻[3]進行，取5.00 g預處理后的玉米皮粉，放入潔凈干燥的錐形瓶中，以1∶10(g/mL)的料液比加入蒸餾水，加入0.4%耐高溫 α-淀粉酶(25 000 U/g)，磷酸鹽緩沖溶液將pH調為6.5，在95 ℃下浸泡4 min，冷卻，加入0.6%中性蛋白酶(60 000 U/g)，PBS緩沖溶液將pH為7.5時，在反應溫度為50 ℃下振蕩3 h，并在4 000 r/min離心，濾渣按照1∶12的料液比加入NaOH溶液，NaOH溶液濃度為8%，在75 ℃下水浴振蕩2.0 h，離心，用50%鹽酸調pH為5.5，向濾液中以1∶4的體積比加入無水乙醇，沉淀得到的半纖維素在50 ℃下烘干至質量恒定。

半纖維素的含量和提取率以戊聚糖的含量和提取率表示[4]。戊聚糖的測定采用間苯三酚法，戊聚糖提取率=戊聚糖質量(g)/原料質量(g)×100%。半纖維素結構表征采用紅外光譜法進行[13]。

1.3.2 半纖維素復合膜的制備

稱取適量的殼聚糖，溶于體積分數為0.5%冰醋酸水溶液中，邊溶解邊攪拌直至完全溶解為止，稱取玉米皮半纖維素適量分散于蒸餾水中，用高速均質器分散30 min，將配制好的2種溶液混合，邊混合邊攪拌直至充分混勻，之后用冰醋酸調節(jié)pH值至2.5，加入適量甘油，磁力攪拌30 min，涂膜，置于55 ℃烘箱烘干12 h后成膜取出。

1.3.3 復合膜厚度的測定

選取光滑、平整的復合膜，在復合膜的中心及四周隨機選取10個點，使用螺旋測微器分別測定厚度，取平均值作為膜的厚度(mm)。

1.3.4 復合膜的力學性能測試

采用單柱式電子萬能實驗機測試膜的拉伸強度和斷裂伸長率。選擇均勻、干凈、無瑕疵的樣品，樣品的厚度為0.2 mm，將樣品裁成長方形，長15 mm，寬10 mm。在測試時，拉伸速率為10 mm/min。按公式計算抗拉強度和斷裂伸長率。

(1)

(2)

式中:TS為抗拉強度/MPa;F為復合膜斷裂時所承受的最大拉力/N;S為復合膜的橫斷面積/m2;E為試樣斷裂伸長率/%;L0為復合膜樣品的長度/mm;L1為復合膜斷裂時的長度/mm。

1.3.5 復合膜熱溶解性分析

在室溫下，將薄膜剪成20 mm×20 mm大小的樣品，將樣品置于100 mL蒸餾水中。用磁力攪拌器攪拌至完全溶解。并記錄樣品完全溶解的時間。

1.3.6 復合膜透光率分析

將膜切成50 mm×30 mm大小，貼在比色皿(10 mm)的一側，用紫外可見光譜儀在380～650 nm范圍內對共混膜的透光率進行測試?？墒褂霉?3)將吸光度值轉化為透光率。試樣做3個平行測試取平均值。

T%=10-A

(3)

式中:T為復合膜的透光率/%；A為復合膜的吸光度。

1.3.7 復合膜抑菌性能測試

大腸桿菌是最常見的革蘭氏陰性菌，金黃色葡萄球菌是最常見的革蘭氏陽性菌，因此選用大腸桿菌和金黃色葡萄球菌來測試半纖維素/殼聚糖復合膜的抗菌性能。將樣品裁剪成直徑6 mm大小的圓片，放人滅菌鍋中于121 ℃下滅菌20 min。在超凈工作臺上將滅菌的樣品小心地貼在平板培養(yǎng)基的表面上，然后將平板置于生化培養(yǎng)箱中于37 ℃下培養(yǎng)24 h，觀察樣品的抑菌圈。

1.3.8 復合膜降解性能測試

先將試樣在80 ℃干燥5 h，再將干燥后的試樣稱量并記錄試樣的初始質量(M0)，然后將試樣分別浸入37 ℃，pH 7.4的磷酸鹽PBS緩沖液中。各組試樣分別經1、2、3、4、5、6 d降解后取出，更換上述溶液，取出的試樣，用去離子水淋洗，去除表面水分，稱取各組試樣濕重，待完全干燥后再稱取各組試樣干重。主要研究復合材料的吸水率和質量損失率隨降解時間的變化。按式(4)、(5)計算吸水率和質量損失率。

(4)

式中：X為吸水率/%;W1為吸水前的質量/g;W2為吸水后的質量/g。

(5)

式中:D為質量損失率，%;M1為復合材料的質量/g;M2為降解后的質量/g。

1.3.9 復合膜掃描電鏡分析

采用冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察膜的表面和截面形態(tài)，取2 mm×2 mm膜樣品固定，噴金，掃描電鏡下觀察，加速電壓10 kV。

1.3.10 復合膜熱穩(wěn)定性能分析

采用綜合熱分析儀測試半纖維素/殼聚糖復合膜的熱穩(wěn)定性能。樣品的質量為5～10 mg，在N2氛圍下進行測試，測試的溫度范圍30～700 ℃，升溫速率10 ℃/min。

1.3.11 復合膜X-射線衍射分析

利用多功能粉末衍射儀測定復合膜的結晶特性，測試衍射角2θ范圍為1°～40°，測試速率為0.02(°)/s。

2 結果與分析

2.1 玉米皮半纖維素分析

2.1.1 玉米皮半纖維素含量和提取率

依照1.3.1的方法提取得到玉米皮半纖維素的含量和提取率分別為74.6%和35.5%。

2.1.2 玉米皮半纖維素紅外光譜

由圖1可知，玉米皮半纖維素在400～4 000 cm-1的范圍內具有一般多糖類物質的特征吸收峰，在3 435 cm-1處的吸收峰是糖單元中羥基(—OH)伸縮振動吸收峰，C—H伸縮振動和彎曲振動吸收峰出現在2 931 cm-1和1 421 cm-1處。表征半纖維素戊聚糖的吸收峰主要集中在1 638 cm-1、1 041cm-1等處，在1 041 cm-1處的譜帶是戊聚糖的典型吸收峰，主要是由阿拉伯糖基木聚糖中的C—O、C—C伸縮振動和C—OH彎曲振動形成[14]。此外，除了以上的特征峰以外，在1 638cm-1出現的吸收峰主要由于半乳糖所產生[15]。

圖1 玉米皮半纖維素的紅外光譜

2.2 復合膜制備影響因素

2.2.1 半纖維素濃度對復合膜力學性質的影響

固定殼聚糖濃度為0.4%，甘油濃度為0.6%，考察半纖維素濃度對復合膜力學性質的影響。由圖2可以看出，當半纖維素濃度為1.2%～2.4%時，其抗拉強度增大較明顯；當半纖維素濃度為2.4%時，其抗拉強度和斷裂伸長率最大，分別為16.01 MPa和161.25%；之后隨著濃度的增加，抗拉強度和斷裂伸長率又呈逐漸下降的趨勢?？梢娪?.4%半纖維素制成的復合膜的機械性能較好。這是由于在一定范圍內增加玉米皮半纖維素的含量時，半纖維素可以通過氫鍵作用和范德華力的作用與殼聚糖形成緊固的網絡結構，能夠增強對外力的承受能力，從而增強了膜的柔韌性[16]。而隨著玉米半纖維素添加量超過一定值時，易發(fā)生團聚現象[17]，使膜受到外力時團聚區(qū)域受力過于集中，導致膜的柔韌性降低。

圖2 半纖維素濃度對半纖維素/ 殼聚糖/甘油復合膜力學性質的影響

2.2.2 殼聚糖濃度對復合膜力學性質的影響

固定半纖維素濃度為2.4%，甘油濃度為0.6%，考察殼聚糖濃度對復合膜力學性質的影響。由圖3可以看出，當殼聚糖濃度為0.3%～0.4%時，其抗拉強度增大較明顯；當半纖維素濃度為0.3%～0.5%時，其斷裂伸長率增大較明顯，分別為16.01MPa和244.88%；之后隨著濃度的增加，抗拉強度和斷裂伸長率又呈逐漸下降的趨勢。可見用0.4%半纖維素制成的復合膜的機械性能較好。這是由于殼聚糖是高分子材料，在一定范圍內增加殼聚糖的含量時，會提高殼聚糖與玉米皮半纖維素氫鍵的作用[18]，增強了可食膜的網狀結構，從而提高了可食膜的抗拉強度[19]。當殼聚糖的濃度超過0.4%時，會降低可食膜的抗拉強度，這是因為殼聚糖的分子量較大，引起薄膜網絡微結構的分裂[20]，且主鏈中的六元環(huán)結構難以發(fā)生內旋轉，再加上分子內和分子間極強的化學鍵力作用，致使其剛性很大[21]。

圖3 殼聚糖濃度對半纖維素/殼聚糖/ 甘油復合膜力學性質的影響

2.2.3 甘油濃度對復合膜力學性質的影響

固定半纖維素濃度為2.4%，殼聚糖濃度為0.4%，考察甘油濃度對復合膜力學性質的影響。由圖4可以看出，當甘油濃度為0.4%～0.6%時，其抗拉強度增大較明顯；當甘油濃度為0.5%～0.9%時，其斷裂伸長率增大較明顯；之后隨著濃度的增加，抗拉強度和斷裂伸長率又呈逐漸下降的趨勢?？梢娪?.6%甘油制成的復合膜的機械性能較好。這是由于以甘油為增塑劑的玉米皮半纖維素和殼聚糖雙組分膜的性能與分別用增塑劑或高分子量再生法制備的薄膜相似[22]。甘油能夠增加殼聚糖和玉米皮半纖維素的相容性，較容易通過分子間的作用力形成緊密的網絡結構，并且可以產生均勻的膜，所以導致抗拉強度的增大。隨著甘油添加量的不斷增大，由于玉米皮半纖維素比表面積較大易發(fā)生團聚，導致玉米皮半纖維素在甘油—殼聚糖分子結構中分布不均勻，使原來緊密的分子結構變得松散，所以抗拉強度有所下降[23]。

圖4 甘油濃度對半纖維素/殼聚糖/甘油復合膜力學性質的影響

2.2.4 烘干溫度對復合膜力學性質的影響

固定半纖維素濃度為2.4%，殼聚糖濃度為0.4%，甘油0.6%，考察烘干溫度對復合膜力學性質的影響。由圖5可以看出，當烘干溫度為45～55 ℃時，其抗拉強度和斷裂伸長率增大較明顯；之后隨著烘干溫度的增加，抗拉強度和斷裂伸長率呈上升又下降的趨勢，這是由于干燥溫度高時，膜液中半纖維素分子運動加劇，溫度過高不利于分子連接和排列，水分蒸發(fā)速度過快，導致整體脆度大，抗拉強度和斷裂伸長率隨之減小[24]?？梢姾娓蓽囟葹?5 ℃制成的復合膜的機械性能較好。

圖5 烘干溫度對復合膜力學性質的影響

2.3 復合膜性質

2.3.1 復合膜熱溶解性和透光率

從圖5可以看出，半纖維素/殼聚糖/甘油復合膜的熱溶解性隨著溫度的增加，溶解時間越快。這是由于樣品中的甘油是一種親水性小分子增塑劑，溶液共混反應體系中容易滲透擴散至高分子鏈段間，可減弱纖維素、多糖等高分子內聚力。同時隨著溫度的升高，甘油更好的溶解，使可食膜在溶解過程中，充分起到“增溶”作用，加速了復合膜的溶解速率。并且由圖5可見，復合膜透光率在74%以上，且不同波長下的透光率有明顯差異，隨著波長的增加透明度有小幅度上升。

圖6 半纖維素/殼聚糖/甘油復合膜的熱溶解性和透光率

2.3.2 復合膜抑菌性能測試

圖7為半纖維素/殼聚糖/甘油復合膜對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌的抑菌效果圖。由圖7可見，在同等條件下，半纖維素/殼聚糖復合膜在金黃色葡萄球菌和大腸桿菌中均出現了抑菌圈;其中，復合膜對金黃色葡萄球菌的抑菌作用要高于對大腸桿菌的抑菌作用，半纖維素/殼聚糖復合膜的抗菌性源于殼聚糖的加入，殼聚糖在弱酸條件下溶解后釋放氨基，這些氨基通過結合負電子，從而起到抗菌作用，也說明了殼聚糖在于半纖維素相互作用的過程中沒有失去其高效、廣譜抗菌性。

圖7 半纖維素/殼聚糖/甘油復合膜的抑菌性

2.3.3 復合膜降解性能測試

由圖8可以看出，半纖維素/殼聚糖/甘油復合膜的吸水率和質量損失率隨著時間的推移逐漸上升，說明半纖維素/殼聚糖復合材料正在逐步降解。在第5 d以后，復合膜的吸水率超過70%，質量損失率超過90%，說明復合材料具有較好的降解性能。

圖8 半纖維素/殼聚糖/甘油復合膜的吸水率 和質量損失率隨時間的變化曲線

2.4 復合膜結構表征

2.4.1 半纖維素/殼聚糖/甘油復合膜掃描電鏡

復合膜的電鏡掃描分析結果表明復合膜表面無氣孔或裂紋，結構完整緊湊，說明玉米皮半纖維素、殼聚糖和甘油之間有較好的相容性。

2.4.2 復合膜熱穩(wěn)定性能

圖9是半纖維素/殼聚糖/甘油復合膜的熱重分析曲線，半纖維素復合膜的初始分解速率溫度在208.9～464.8 ℃之間，最大失重速率溫度在218.7～450.8 ℃之間。這是因為半纖維素復合膜中兩組分間并不是以其中任一組分為骨架的簡單復合，而是兩組分間產生了一定的相互作用的結合。在98.5 ℃時曲線出現了一個小的吸熱峰，是由于樣品中的水分蒸發(fā)吸熱。在218.7 ℃時曲線出現了一個吸熱峰，是樣品中甘油、半纖維素熔融，部分糖苷鍵、C—H鍵、C—O鍵和C—C鍵的斷裂，導致復合膜失重。在450.8 ℃時曲線出現了一個小的吸熱峰，是由于樣品中的剩余部分糖苷鍵斷裂、脫羧和脫碳[25]。這說明復合膜各組分分子間存在一定的相互作用，使膜的熱穩(wěn)定性增強。

2.4.3 復合膜X-射線衍射分析

玉米皮半纖維素和復合膜的XRD分析如圖10所示，半纖維素在18.25°出現了一個較大且寬廣的衍射峰，復合膜在18.92°出現了一個平緩的峰，與半纖維素相比結晶度下降，主要原因是殼聚糖和甘油的加入對半纖維素薄膜的結構造成了一定的影響，破壞半纖維素骨架間的分子間氫鍵導致結晶度的降低，此外，在譜圖中沒有衍射峰的增加或減少，說明了殼聚糖并未破壞半纖維素復合膜內的晶體結構，也沒有產生新的結構，說明殼聚糖只是改變可食膜的表面性能，內部晶體結構類型并無明顯改變。

圖9 半纖維素/殼聚糖/甘油復合膜的熱重分析曲線

圖10 半纖維素/殼聚糖/甘油復合膜的XRD譜圖

3 結論

玉米皮半纖維素 、殼聚糖和甘油用量分別為2.4%、0.6%和0.4%時，制備的復合膜具有較好的力學性質，抗拉強度和斷裂伸長率分別為15.57 MPa和271.43%。X-射線分析表明，半纖維素結晶結構未發(fā)生實質性變化，SEM和DSC分析表明，復合膜具有較好的表面特性和熱穩(wěn)定性，玉米皮半纖維素復合膜具有一定的抑菌作用和良好的降解性，還具有較好的熱溶解性和透光率，可用于食品保鮮及內包裝膜等包裝材料中。