向 飛,李 沖,夏玉婷,肖 滿,吳 考,倪學(xué)文
(湖北工業(yè)大學(xué)生物工程與食品學(xué)院, 湖北武漢 430068)
石油基塑料難降解,易破壞生態(tài)環(huán)境,使用綠色環(huán)保的材料已在全球成為共識(shí)。天然高分子復(fù)合膜具有良好的生物可降解性,是包裝材料、醫(yī)療等領(lǐng)域的綠色資源,是可降解膜研究的熱點(diǎn)內(nèi)容[1-2]。目前,天然高分子復(fù)合膜的研究,主要集中在配方優(yōu)化,以提高膜的理化性能[3-6];添加活性成分,如抗氧化劑、抑菌劑和納米材料等[7-8],賦予膜材料特殊功能特性。Oleyaei等[9]向淀粉成膜液中添加納米TiO2發(fā)現(xiàn),納米TiO2均勻分散在成膜液中,與淀粉形成復(fù)雜的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);膜表面粗糙度和熱穩(wěn)定性增加,吸濕性降低。Qu等[10]在殼聚糖/玉米醇溶蛋白成膜液中加入納米TiO2發(fā)現(xiàn),復(fù)合膜微觀結(jié)構(gòu)改變,阻隔性能提高,且具有抑菌性。
天然高分子復(fù)合膜的制備原料主要有多糖、蛋白和脂類[11-12]。魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan,KGM)是從魔芋塊莖中提取的一種主鏈由葡萄糖和甘露糖殘基(1∶1.6)經(jīng)β-1,4糖苷鍵聚合,支鏈經(jīng)β-1,3糖苷鍵聚合的水溶性、非離子型高分子多糖,分子量為2.0×105~2.0×106g/mol[13-14];純魔芋葡甘聚糖膜的耐水性和抗菌活性差[6,15]。玉米醇溶蛋白(zein)源于玉米,有α、β、γ三種組分,主要蛋白質(zhì)是α-醇溶蛋白(占醇溶蛋白總量的70%~85%),分子量為1.9×104~2.2×104g/mol[16-17];玉米醇溶蛋白疏水性好,可與魔芋葡甘聚糖共混制膜,提高復(fù)合膜的力學(xué)性能和疏水性能[3-4]。二氧化鈦(TiO2)是一種惰性、無毒的材料,具有光催化活性和生物相容性;在光的激發(fā)下,TiO2能降解微生物的有機(jī)組分,對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有良好抑制作用[18-19]。為進(jìn)一步改善魔芋葡甘聚糖/玉米醇溶蛋白復(fù)合膜的理化性能,本研究在膜基質(zhì)中引入納米TiO2,使其符合實(shí)際應(yīng)用需要。
本文以魔芋葡甘聚糖、玉米醇溶蛋白為基質(zhì),制備納米TiO2/魔芋葡甘聚糖/玉米醇溶蛋白復(fù)合膜;研究了不同納米TiO2添加量對(duì)復(fù)合膜的微觀結(jié)構(gòu)、熱性能、機(jī)械性能和疏水性能的影響,評(píng)價(jià)了復(fù)合膜對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌的抑菌效果,以期為納米TiO2/魔芋葡甘聚糖/玉米醇溶蛋白復(fù)合膜在包裝領(lǐng)域的應(yīng)用提供一定參考依據(jù)。
魔芋葡甘聚糖 武漢力誠生物科技有限公司;玉米醇溶蛋白 百靈威試劑有限公司;無水乙醇(分析純)、甘油(分析純) 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;納米TiO2(粒徑 5~10 nm) 麥克林試劑網(wǎng);大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌 2代菌種上海魯微科技有限公司。
DNG-9031A烘箱 中國上海精宏有限公司;OS20-Pro攪拌器 美國賽洛捷克公司;LHS-150HC恒溫恒濕箱 無錫華澤科技有限公司;TA.XT Plus質(zhì)構(gòu)儀 英國SMS公司;SC 502電子顯微鏡 日本東京日立公司;W3/031水蒸氣透過率儀 濟(jì)南蘭光有限公司;DSA25水接觸角測試儀 德國克魯斯公司;VERTEX 70傅立葉紅外光譜 德國布魯克有限公司;DSC-Q10差式掃描量熱儀 美國梅特勒公司。
1.2.1 復(fù)合膜的制備 分別稱取一定質(zhì)量的納米TiO2(基于魔芋葡甘聚糖和玉米醇溶蛋白總質(zhì)量的1%、2%、3%),加至100 mL水中;將其置于超聲振蕩儀中,均勻分散,制得納米TiO2懸浮液。稱取甘油0.15 g(基于魔芋葡甘聚糖和玉米醇溶蛋白總質(zhì)量的15%)和0.10 g玉米醇溶蛋白溶解于20 mL乙醇/水(80/20,v/v)溶液中,在25 ℃,轉(zhuǎn)速為500 r/min,磁力攪拌15 min,制得玉米醇溶蛋白溶液。稱取0.90 g魔芋葡甘聚糖,緩慢加至納米TiO2懸浮液中,在60 °C,轉(zhuǎn)速為600 r/min,持續(xù)攪拌1 h,制得納米TiO2/魔芋葡甘聚糖溶液。將玉米醇溶蛋白溶液緩慢加入納米TiO2/魔芋葡甘聚糖溶液中,在60 ℃,轉(zhuǎn)速為1000 r/min,持續(xù)攪拌30 min,制得納米TiO2/魔芋葡甘聚糖/玉米醇溶蛋白成膜液。將成膜液緩慢倒于玻璃板內(nèi)(14 cm×14 cm×1.5 cm),在60 ℃烘箱中烘干,膜干燥終點(diǎn)的水分含量為9%(w.b.)。不同納米TiO2添加量的復(fù)合膜分別命名為KZ、1%KZT、2%KZT和3%KZT;純魔芋葡甘聚糖膜作為對(duì)照組,命名為KGM。
1.2.2 檢測方法
1.2.2.1 掃描電子顯微鏡 利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察膜的微觀形貌;將膜裁成4 mm×4 mm,100×下觀察表面;膜在液氮中脆斷,1000×下觀察膜的橫截面。樣品在真空度為7.5 Pa的大氣壓下噴金,噴金厚度為20 nm,時(shí)間為90 s,加速電壓為30 kV。
1.2.2.2 傅里葉紅外光譜 將膜樣品裁成2 cm×2 cm,進(jìn)行衰減全反射光譜掃描(FTIR)分析。測試前,樣品需在60 ℃下平衡48 h。測試溫度為:25 ℃;掃描波數(shù)為:4000~500 cm-1;在4 cm-1分辨率,32次掃描,收集數(shù)據(jù)。
1.2.2.3 差示掃描量熱分析 利用差示掃描量熱儀(DSC)檢測膜樣品的熱穩(wěn)定性。稱量膜4 mg,密封于梅特勒皿中,檢測溫度:20~400 ℃,升溫速率是10 ℃·min-1,檢測系統(tǒng)在N2環(huán)境中運(yùn)行。使用10.00版本STARe(Mettler Toledo,Zurich,Switzerland)操作軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
1.2.2.4 水接觸角測試 使用配備CCD相機(jī)和圖像處理軟件的水接觸角測試儀,測試膜表面的水接觸角值。將膜裁成2.0 cm×2.0 cm;使用注射器將2 μL的去離子水滴于膜表面。30 s穩(wěn)定后,水滴與膜表面形成的角度,即為水接觸角值。
1.2.2.5 水蒸氣透過率 利用符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1037-1988[20]測試原理的水蒸氣透過率儀,測試膜的水蒸氣透過率(10-13g·cm/(cm2·s·Pa))。將裁剪好的膜片,放入裝有25 mL去離子水的透濕杯上,組裝透濕杯,將其放入測試室。測試室的溫度為25 ℃,相對(duì)濕度為90%。
1.2.2.6 溶脹率 將膜樣品裁剪為2 cm × 2 cm,稱其質(zhì)量m1,浸沒在30 mL去離子水中,25 ℃靜置溶脹5 h;取出溶脹后的復(fù)合膜樣品,用濾紙小心擦拭,除去表面多余水分,稱其質(zhì)量m2。溶脹率計(jì)算公式如下:
式中,m1(mg)為浸水前的樣品干重;m2(mg)為浸水5 h后的樣品重量。
1.2.2.7 力學(xué)性能測試 根據(jù)ASTM D882-09標(biāo)準(zhǔn)方法[21],利用質(zhì)構(gòu)儀測試膜的拉伸強(qiáng)度(TS)和斷裂伸長率(EAB)。膜樣品剪切成10 mm×50 mm的條狀(切口均勻、無裂痕)。測試時(shí),膜樣品夾在夾持器之間,初始夾具間隔為30 mm,移動(dòng)速率為0.5 mm/s,使用Texture Expert軟件記錄力隨變形程度的變化。拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率的計(jì)算如下所示:
式中,F(xiàn)為復(fù)合膜斷裂時(shí)的力(N);T為膜厚(mm);W為膜寬(mm)。
式中,L0為膜的起始長度(cm);L為復(fù)合膜斷裂前的長度(cm)。
1.2.2.8 抑菌實(shí)驗(yàn) 制備液體培養(yǎng)基,分別稱取胰蛋白胨10 g,酵母提取物5 g,NaCl 10 g,將以上溶質(zhì)溶解于950 mL水中,使用NaOH溶液將其pH調(diào)至7.0,定容到1000 mL,滅菌。在液體培養(yǎng)基的基礎(chǔ)上,加入總體積3%(w/v)的瓊脂,加熱溶解,滅菌,制得固體培養(yǎng)基?;罨N,并將活化后的金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和枯草芽孢桿菌分別稀釋約106CFU/mL,各吸取0.1 mL,分別涂布在已滅菌的固體培養(yǎng)基上。在無菌條件下,將復(fù)合膜剪成直徑1 cm的圓片,并置于涂有菌懸液的固體培養(yǎng)基上,37℃培養(yǎng)24 h,取出觀察。
每個(gè)樣品至少重復(fù)測定3次,取平均值±SD。采用Origin 8.0軟件和SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,通過單因素方差分析比較組間數(shù)據(jù)(圖中不同字母表示差異顯著,P<0.05)。
利用掃描電子顯微鏡觀察了KGM膜、KZ復(fù)合膜、不同納米TiO2添加量的KZT復(fù)合膜的表面和截面的微觀結(jié)構(gòu)。圖1和圖2顯示,KGM膜光滑、均勻且致密。KZ復(fù)合膜較KGM膜粗糙,玉米醇溶蛋白均勻分布在魔芋葡甘聚糖基質(zhì)內(nèi),干燥過程中玉米醇溶蛋白分子發(fā)生聚集,使KZ復(fù)合膜的粗糙度增加[3-4,22]。KZT復(fù)合膜中,隨著納米TiO2添加量的增加,復(fù)合膜表面的“斑點(diǎn)狀”顆粒逐漸增大,膜的表面粗糙度增加;截面呈現(xiàn)出凹凸不平的形態(tài)。可能是溶劑由里向表遷移和揮發(fā),納米TiO2顆粒在成膜液中發(fā)生遷移,納米顆粒發(fā)生聚集,導(dǎo)致納米TiO2顆粒改變了魔芋葡甘聚糖與玉米醇溶蛋白的原生網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),從而改變復(fù)合膜的微觀形態(tài),這與Oleyaei等[9]的研究結(jié)果相似。
圖1 KGM膜、KZ復(fù)合膜、不同納米TiO2添加量的KZT復(fù)合膜的掃描電鏡表面圖Fig.1 SEM images of the surface of pure KGM film, KZ blend film and KZT blend films with different titanium dioxide contents
圖2 KGM膜、KZ復(fù)合膜、不同納米TiO2添加量的KZT復(fù)合膜的掃描電鏡截面圖Fig.2 SEM images of the cross-section of KGM film, KZ blend film and KZT blend films with different titanium dioxide contents
圖3顯示了KGM膜、KZ復(fù)合膜、不同納米TiO2添加量的KZT復(fù)合膜的紅外光譜。KGM膜中,魔芋葡甘聚糖分子的-OH和-C-H特征吸收峰分別在3320 和2920 cm-1;1644 cm-1處的吸收峰可能是分子間水的存在引起的;870 和805 cm-1為甘露糖在魔芋葡甘聚糖中的特征吸收峰。與KGM膜相比,KZ復(fù)合膜的-OH吸收峰發(fā)生了偏移,表明加入玉米醇溶蛋白后,魔芋葡甘聚糖與玉米醇溶蛋白發(fā)生分子間相互作用[3-4,22]。添加納米TiO2后,KZT復(fù)合膜的-OH吸 收 峰 均 發(fā) 生 偏 移,1%KZT,2%KZT,3%KZT復(fù)合膜的-OH吸收峰分別偏移至3316、3314、3293 cm-1,表明納米TiO2與KZ復(fù)合膜基質(zhì)之間發(fā)生相互作用,與Oleyaei等[9]向淀粉成膜液中添加納米TiO2的研究結(jié)果相似。
圖3 KGM膜、KZ復(fù)合膜、不同納米TiO2添加量的KZT復(fù)合膜的紅外光譜圖Fig.3 FTIR of KGM film, KZ blend film and KZT blend films with different titanium dioxide contents
包裝材料的熱性能是決定其加工、應(yīng)用溫度范圍的重要指標(biāo)。材料的熱分解溫度越高,表明熱穩(wěn)定性越好。利用差示掃描量熱分析儀對(duì)KGM膜、KZ復(fù)合膜、不同納米TiO2添加量的KZT復(fù)合膜的熱性能進(jìn)行了研究(圖4),復(fù)合膜的熱性能曲線中表現(xiàn)出單一的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度:KGM膜(77.5 ℃)、KZ復(fù)合膜(100.4 ℃)、1%KZT復(fù)合膜(104.3 ℃)、2%KZT復(fù)合膜(106.2 ℃)、3%KZT復(fù)合膜(108.1 ℃),表明復(fù)合膜基質(zhì)各組分的相容性良好[3]。KGM膜和KZ復(fù)合膜的熱分解溫度分別為320 和330.5 ℃,魔芋葡甘聚糖與玉米醇溶蛋白可能發(fā)生氫鍵相互作用和美拉德反應(yīng)[3-4],使得KZ復(fù)合膜的熱分解溫度升高,此現(xiàn)象與Wu等[23]的研究相似。添加納米TiO2后,KZT復(fù)合膜的熱分解溫度為338.0~338.4 ℃。可能是納米TiO2與膜基質(zhì)中成分發(fā)生相互作用,使復(fù)合膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熱分解溫度增加,熱穩(wěn)定性增加,與紅外光譜分析結(jié)果一致。
圖4 KGM膜、KZ復(fù)合膜、不同納米TiO2添加量的KZT復(fù)合膜的差示掃描量熱圖Fig.4 DSC curves of KGM film, KZ blend film and KZT blend films with different titanium dioxide contents
水接觸角是水滴與固體表面保持接觸,水滴與固-液接觸面交界形成的角度;這是由于兩相之間的界面相互作用造成的,通常用來測量材料表面的疏水性;水接觸角值越大,表面疏水性越好。KGM膜、KZ復(fù)合膜、不同納米TiO2添加量的KZT復(fù)合膜的水接觸角值如圖5所示,KGM膜的水接觸角低于65°,表明KGM膜表面的親水性較好[24]。KZ復(fù)合膜和KZT復(fù)合膜的水接觸角范圍在70~105°,較KGM膜表面疏水性顯著提高(P<0.05)。納米TiO2添加量為1%(wt%)時(shí),KZT復(fù)合膜的水接觸角值最大,繼續(xù)增加納米TiO2,水接觸角值下降??赡苁羌{米TiO2添加量在1%時(shí),納米顆粒均勻的分布在復(fù)合膜基質(zhì)中,且此時(shí)納米TiO2與KZ復(fù)合膜基質(zhì)之間發(fā)生相互作用較強(qiáng),復(fù)合膜基質(zhì)與水滴之間的相互作用減弱,水接觸角值較大,復(fù)合膜的疏水性較強(qiáng)。當(dāng)納米TiO2添加量濃度提高,納米TiO2發(fā)生聚集,復(fù)合膜表面粗糙度增加,這可能加大了水分與魔芋葡甘聚糖的接觸,導(dǎo)致復(fù)合膜疏水性下降。
圖5 KGM膜、KZ復(fù)合膜、不同納米TiO2添加量的KZT復(fù)合膜的水接觸角圖Fig.5 Water contact angle of KGM film, KZ blend film and KZT blend films with different titanium dioxide contents
復(fù)合膜水蒸氣透過率如圖6所示,KGM膜具有最高的水蒸氣透過率,這是因?yàn)槟в笃细示厶怯休^高的親水性。與KGM膜比較,KZ復(fù)合膜的水蒸氣透過率顯著下降(P<0.05),這是由于玉米醇溶蛋白具有較強(qiáng)的疏水性,且玉米醇溶蛋白與魔芋葡甘聚糖存在分子間相互作用[3-4],使得KZ復(fù)合膜的疏水性增強(qiáng),從而降低其水蒸氣透過率。KZT復(fù)合膜的水蒸氣透過率均低于KGM復(fù)合膜,且納米TiO2的添加量為1%時(shí),KZT復(fù)合膜的水蒸氣透過率值最小,表現(xiàn)出最好的阻濕性??赡苁羌{米TiO2的加入,膜基質(zhì)中形成新的相互作用和分子纏結(jié),改變了膜的原生微觀結(jié)構(gòu),水分子通過的微觀路徑變得更加復(fù)雜。但納米TiO2添加量增加后,水蒸氣透過率增加,可能是因?yàn)榧{米TiO2在膜基質(zhì)中形成聚集,復(fù)合膜的致密程度降低,水分子在復(fù)合膜中的遷移更容易,水蒸氣透過率增加。
圖6 KGM膜、KZ復(fù)合膜、不同納米TiO2添加量的KZT復(fù)合膜的水蒸汽透過率Fig.6 Water vapor permeability of KGM film, KZ blend film and KZT blend films with different titanium dioxide contents
KGM膜在水中很快溶脹分散,無法測試。圖7表明,KZT復(fù)合膜的溶脹率均低于KZ復(fù)合膜,表明添加納米TiO2可提高復(fù)合膜的耐水性。1%KZT復(fù)合膜在水中的溶脹率最小,即具有最大的疏水性,這是由于納米TiO2與KZ復(fù)合膜基質(zhì)之間發(fā)生相互作用,形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),使得復(fù)合膜在水環(huán)境中保持穩(wěn)定且耐水性增強(qiáng)。復(fù)合膜的溶脹率隨納米TiO2添加量的增加而增大,可能是納米TiO2在膜基質(zhì)中形成聚集,復(fù)合膜的致密程度降低,增大了水分子與復(fù)合膜中魔芋葡甘聚糖接觸,溶脹率增加,疏水性降低,這與水蒸氣透過率、水接觸角測試結(jié)果一致。
圖7 不同納米TiO2添加量的KZT膜的溶脹率Fig.7 Swelling ratio of KZ blend film and KZT blend films with different titanium dioxide contents
力學(xué)性能是評(píng)價(jià)食品包裝材料在運(yùn)輸、儲(chǔ)存和應(yīng)用中抗應(yīng)力性的重要參數(shù)。拉伸強(qiáng)度越大,表明膜的力學(xué)承受能力越強(qiáng);斷裂伸長率越大,表明膜的柔性越好[2,11,25]。圖8表明,純KGM膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率分別為(57.5±4.6)MPa和6.2%±0.7%,加入玉米醇溶蛋白后,KZ復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率顯著提升為(76.9±4.2)MPa和16.3%±1.3%,這是由于玉米醇溶蛋白均勻分散且相容在魔芋葡甘聚糖基質(zhì)中,發(fā)生分子間相互作用[3-4]。KZT復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率較KZ復(fù)合膜減小,表明納米TiO2的加入,減小了復(fù)合膜的柔韌性和強(qiáng)度;可能是納米TiO2顆粒填充在膜基質(zhì)中,抑制魔芋葡甘聚糖與玉米醇溶蛋白之間的分子滑移,復(fù)合膜的柔性減低且增加復(fù)合膜的脆性,使得復(fù)合膜的力學(xué)性能降低。
圖8 KGM膜、KZ復(fù)合膜、不同納米TiO2添加量的KZT復(fù)合膜的的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率Fig.8 The tensile strength and elongation at break of KGM film, KZ blend film and KZT blend films with different titanium dioxide contents
食源性致病菌嚴(yán)重影響食品的質(zhì)量,在食品的保存過程中會(huì)引起各類安全問題,因此復(fù)合膜的抑菌性能在應(yīng)用中非常重要[26]。本文評(píng)價(jià)了不同納米TiO2添加量的KZT復(fù)合膜對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌的抑菌效果。圖9顯示,KZ復(fù)合膜表面均有細(xì)菌生長,表明其對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌幾乎沒有抑菌活性。KZT復(fù)合膜對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑制效果,表現(xiàn)為復(fù)合膜表面不生長大腸桿菌和金黃色葡萄球菌。這可能是在近紫外光線的照射下,由于納米TiO2本身作為一種光譜催化劑,納米TiO2誘導(dǎo)產(chǎn)生了過氧化物,影響細(xì)胞中的多不飽和磷脂,從而抑制細(xì)菌的生長[22];但KZT復(fù)合膜對(duì)枯草芽孢桿菌的抑制效果不明顯,這可能是由于TiO2納米的濃度或功效不足以抑制枯草芽孢桿菌的生長。
圖9 KZ復(fù)合膜、不同納米TiO2添加量的KZT復(fù)合膜對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌的抑菌情況Fig.9 Antibacterial effect of KZ film and KZT blend films with titanium dioxide content on Escherichia coli, Staphylococcus aureus and Bacillus subtilis
添加納米TiO2使復(fù)合膜表面和截面的粗糙度增加;納米TiO2與魔芋葡甘聚糖、玉米醇溶蛋白分子間存在相互作用,相容性良好;隨著納米TiO2濃度的增加,復(fù)合膜的熱穩(wěn)定性提高;復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率幾乎不隨納米TiO2濃度的改變而變化。添加納米TiO2增強(qiáng)了復(fù)合膜的阻濕性,當(dāng)添加量為1% wt時(shí),復(fù)合膜的水蒸氣透過率和溶脹率最小,水接觸角值最大,復(fù)合膜的疏水性最好;添加納米TiO2后的KZ復(fù)合膜對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌抑菌效果顯著,但是對(duì)于枯草芽孢桿菌效果不明顯。綜上,納米TiO2的添加量為1% wt時(shí),KZT復(fù)合膜的綜合性能最佳。在此基礎(chǔ)上,復(fù)合膜干燥過程中微觀結(jié)構(gòu)的變化、成膜機(jī)理以及包裝應(yīng)用特性,還有待進(jìn)一步研究。