玉米苞葉膳食纖維制備可食性包裝紙膜的研究

＊肖艷 莫琪 王希越 黎怡杉 黃麗婕*

（1.廣電計量檢測（南寧）有限公司 廣西 530000 2.廣西大學輕工與食品工程學院 廣西 530004）

本文旨在充分利用玉米苞葉資源，并用衛(wèi)生安全的工藝制備可食性包裝紙膜[1-2]。綜合目前對包裝材料的環(huán)保要求，采用食品級的成膜劑，制備出一種力學性能優(yōu)異、綠色環(huán)保的可食性包裝材料。

1.實驗部分

(1)材料

玉米苞葉粉末（自制）；α-淀粉酶，酶活力≥10 萬U/g，南寧東恒華道生物科技有限公司；胰蛋白酶，酶活力≥10萬U/g，北京索萊寶科技有限公司；HCl，0.01mol/L，實驗室配制；碘液，濃度5%，山東臨沂永安化驗室；茚三酮，分析純，成都市科龍化工試劑廠；羧甲基纖維素CMC，化學純，國藥集團化學試劑有限公司；海藻酸鈉，食品級，青島明月海藻集團有限公司；白蜂蠟，分析純，上海麥克林生物化學有限公司；甘油，分析純；溴化鉀，色譜純，以上均來自天津市致遠化學試劑有限公司。

(2)儀器

電熱恒溫鼓風干燥箱，DGG-9053AF，上海森信實驗儀器有限公司；數(shù)顯恒溫水浴鍋，HH-S，常州普天儀器制造有限公司；超聲波清洗器，XC-1000C，濟寧鑫欣超聲電子設備有限公司；電子萬能材料試驗機，3367，美國英斯特朗公司；掃描電鏡，PHENOM WORLD Pro，美國FEI公司；X射線衍射儀，MiniFlex 600，北京嘉德利達科技有限公司；呂克士接觸角測量儀，DSA100，德國KRUSS公司；傅里葉紅外光譜儀，TENSEOR27型，德國Bruker公司。

(3)膳食纖維的制備

①工藝流程。玉米苞葉→60℃烘干→粉碎，過60目篩→α淀粉酶、胰蛋白酶酶解→酸解→漂洗至中性→抽濾→干燥→研磨→過120目篩→膳食纖維[3]。

②酶處理。稱取50.00g干燥的玉米苞葉粉末，加入蒸餾水至液面高于混合物3～5mm。然后在60℃恒溫水浴鍋中保溫30min，隨后加入α-淀粉酶0.30g攪拌3min，反應120min。反應完成后，滴碘液，檢測淀粉是否殘留，若有殘留，需繼續(xù)酶解。再降溫至37℃，加胰蛋白酶0.30g攪拌3min，恒溫反應150min。反應完成后，滴茚三酮，檢測蛋白質(zhì)是否除盡，若未除盡，需繼續(xù)酶解。

③化學處理。在1.3.2所得的反應底物中加入10mL鹽酸溶液，80℃恒溫水浴反應90min。反應完成后，將反應底物完全移入過濾袋，自來水漂洗3min，蒸餾水漂洗3次。取最后一次漂洗液測其pH值，pH值若為7則漂洗結束，反之，則繼續(xù)漂洗至反應底物為中性。

將過濾所得膳食纖維放于烘箱中105℃烘干，而后用粉碎機粉碎，再過120目篩，最后裝袋密封保存[4]（下文提到的膳食纖維均指經(jīng)此處理的膳食纖維）。

(4)膜的制備

①工藝流程。膳食纖維→水化→均質(zhì)→煮沸→添加輔料 →超聲脫氣→涂膜→干燥→恒濕恒溫處理→揭膜→成品。

②操作方法。取1g膳食纖維，加入40g蒸餾水，磁力攪拌15min得到均勻的混合液，加熱煮沸3min，冷卻后加入1.5%的蜂蠟和3.0%的成膜劑（CMC:海藻酸鈉質(zhì)量比=1:2）[5-6]，攪拌均勻。再冷卻后加入2.5%的甘油[7]，機械攪拌至均勻分散，添加劑溶解完全[8]。

將膜液在超聲清洗器中超聲脫氣30min[9]，倒入聚四氟乙烯模具，濕膜的厚度控制在2mm。60℃恒溫干燥2h，再在自然狀態(tài)下干燥。干燥后的纖維膜在標準條件下恒濕恒溫處理24h，揭膜，密封袋保存?zhèn)溆谩?/p>

(5)結構表征

①掃描電鏡。將1.4中最佳成膜方案制得的樣品膜（以下稱為樣品膜）在標準條件下進行恒溫恒濕處理24h。選取少許樣品使用掃描電鏡觀察其形貌特征。

②傅里葉紅外光譜。將樣品膜放入鼓風干燥箱中60℃烘干到絕干，粉碎后過100目。將樣品膜粉末壓片后放入傅里葉紅外光譜儀測量。

③X射線衍射光譜。取適量的1.5.2中過100目的樣品膜粉末放進試樣架，用X射線衍射儀測定。

④力學性能。將樣品膜裁剪成60mm×25mm（長×寬）的樣條，使用電子萬能材料試驗機測試，測試速率為5mm/min，測量3次取平均值。

2.結果與討論

(1)制備工藝研究

①料液比。由李佩燚等[10]的研究可知，玉米苞葉膳食纖維在均質(zhì)過程中可能會形成羥基等游離親水基團，其通過氫鍵與其他物質(zhì)相互作用構建骨架。不同料液比的纖維料液所含纖維的量不同，制得的膜的性能也會不同。

由圖1（a）可知，定量選取1g膳食纖維，配以不同質(zhì)量的蒸餾水，所制得的紙膜力學性能有顯著差異。拉伸強度及彈性模量隨蒸餾水比例增大而增大，料液比1:40時為最大值。當蒸餾水的配比繼續(xù)增加時，親水基團構建的基本骨架變得稀疏，大大降低紙膜的力學性能。

②成膜劑（CMC與海藻酸鈉）的組成比例。由譚惠子等[11]對食用膜的研究可知，成膜劑可以通過氫鍵與其他物質(zhì)相互作用形成致密的網(wǎng)絡結構，輔助構架可食性包裝紙膜。

分析圖1（b）可知，成膜劑比例對紙膜拉伸強度的影響不大，但對彈性模量有較大影響。當CMC:海藻酸鈉的質(zhì)量比為1:2時，彈性模量的數(shù)值顯著增大，為折線峰值。

③成膜劑用量。分析圖1（c）可知，成膜劑用量對紙膜力學性能的影響較大。其中拉伸強度隨著成膜劑用量的增加緩慢增加，但增幅不大，彈性模量隨著成膜劑用量的增加而出現(xiàn)較大波動，成膜劑用量3%時彈性模量有最大值，因此成膜劑最佳用量在3%。

④蜂蠟用量。蜂蠟能與纖維形成穩(wěn)定的乳化液，均勻地分布在紙膜形成的網(wǎng)絡結構中，對紙膜的阻隔性、溶解性和抗菌性有影響[12]。

分析圖1（d）可知，蜂蠟用量對紙膜力學性能影響較小。隨著蜂蠟用量的增加，拉伸強度增加不明顯，彈性模量有明顯增大。當蜂蠟的添加量增加到1.5%后，繼續(xù)增大用量，紙膜在干燥過程中會有少量蜂蠟析出，影響紙膜平整。

⑤甘油用量。甘油游離在大分子聚合鏈之間，減弱鄰近聚合鏈間的相互作用，薄膜熱封性能、潤滑性能、表面光澤、外觀得到改善[13]。

分析圖1（e）可知，甘油用量不同對紙膜的力學性能有一定影響。隨著甘油用量的增加，紙膜的力學性能先是有一定增強，隨后逐漸降低。選定較為偏中的2.5%為甘油的最佳添加量，此時能得到較好的膜的表面光澤和平滑度，既增加膜的韌性，又不會使拉伸強度和彈性模量降低太多。

圖1 各因素對紙膜力學性能的影響

(2)可食性包裝紙膜結構表征

①掃描電鏡。由圖2（a）發(fā)現(xiàn)膜表面有塊狀或片狀固體顆粒物，這是添加成膜劑以及蜂蠟時溶解不充分及攪拌不均勻?qū)е碌?。而超聲脫氣過程中沒有完全去除液體里的氣泡導致圓形孔洞的出現(xiàn)。

觀察放大后的圖2（b）可發(fā)現(xiàn)膜主要由膳食纖維構成基本骨架，周圍的空隙被成膜劑和蜂蠟填充。對紙膜進行克呂士接觸角測量，測得接觸角平均值θ=121.4°＞90°，說明紙膜表面疏水，驗證掃描電鏡所觀察到的表面結構。

②傅里葉紅外光譜。如圖3所示，該紙膜在3431cm-1有一個較寬的吸收峰，這是膳食纖維上-OH的伸縮振動引起 的[14]。在2919cm-1和2848cm-1有纖維素-CH鍵的特征吸收峰。在1674cm-1有纖維素的羰基吸收峰。在1044cm-1和1461cm-1的吸收峰以及923cm-1到721cm-1的吸收峰為面外的-CH彎曲振 動。從譜圖中可以看出紙膜的官能團種類基本上是纖維及添加劑中的官能團，表明在紙膜制備過程中并未改變原料的基本化學結構。

圖3 紅外譜圖

③X射線衍射光譜。從圖4中可以看出，紙膜在2θ=21.48°有一個強吸收峰，這是由于膳食纖維本身結晶度較高。在2θ=23.82°有一個小的吸收峰，這是CMC的特征吸收峰，說明了CMC在紙膜中存在的纖維素晶型未發(fā)生變化。

圖4 X射線衍射光譜圖

3.結論

在膳食纖維的制備實驗中，以玉米苞葉為原料，采用酶-化學結合法制備膳食纖維，該法制得的膳食纖維得率為52.74%，相對于其他方法有操作方法簡單、反應條件易控制、無有毒有害污染物產(chǎn)生、得率高、純度高等優(yōu)點。

在探究添加劑用量對包裝紙膜力學性能影響的實驗中，當膳食纖維與蒸餾水料液比為1:40，CMC:海藻酸鈉質(zhì)量比為1:2，成膜劑添加量3%，蜂蠟添加量1.5%，甘油添加量2.5%時薄膜的性能最好。