茶末/CMC-Na/AL-Na復合膜制備及性能測定

陳龍，陳暉，夏渠程，朱靜*

茶末/CMC-Na/AL-Na復合膜制備及性能測定

陳龍1,2，陳暉1,2，夏渠程1，朱靜1,2*

（1.信陽農(nóng)林學院 食品學院，河南 信陽 464000； 2.河南省大別山特色食物資源綜合利用工程技術(shù)研究中心，河南 信陽 464000）

為改善傳統(tǒng)保鮮膜帶來的環(huán)境污染問題，開發(fā)出具有較好力學性能和抗菌性的食品包裝材料提供理論依據(jù)。采用海藻酸鈉（AL-Na）和羧甲基纖維素鈉（CMC-Na）為主要成膜材料，輔助添加茶末通過流延成膜法制備復合膜，以拉伸強度、斷裂伸長率等為依據(jù)，通過單因素和響應面試驗確定茶末/CMC-Na/AL-Na復合膜的最佳工藝。當CMC-Na與AL-Na的體積比為84∶16、茶末添加量為1.43%、干燥溫度為50 ℃、干燥時間為7 h時，復合膜綜合性能最優(yōu)，拉伸強度為16.60 N/mm2，斷裂伸長率為19.11%，具有較好的力學性能、耐水性、抗氧化性和抑菌性。制備的茶末/ CMC-Na/AL-Na復合膜具有較好的力學性能和抗氧抑菌性能。

茶末；海藻酸鈉；羧甲基纖維素鈉；復合膜；理化特性

隨著人們環(huán)保意識逐漸增強，使用塑料保鮮膜對人類健康及環(huán)境的潛在危害受到了社會各界的廣泛關(guān)注，因此尋找新的可代替塑料的成膜材料刻不容緩[1]?？墒秤媚ねㄟ^在食品表面形成屏障，從而阻隔食品與環(huán)境中的氧氣及污染物接觸，從而達到抑制食品變質(zhì)的目的。將天然復合膜用于食品保鮮，有利于緩解使用塑料保鮮膜帶來的土壤及水體污染等不良影響[2]，是具有潛力的延長食品腐敗變質(zhì)的措施之一[3]。

海藻酸鈉（AL-Na）具有良好的成膜性、生物降解性和生物相容性，被廣泛用于肉類產(chǎn)品的涂膜保鮮，制膜具有強度高、隔熱性好、安全性高等特點[4]。羧甲基纖維素鈉（CMC-Na）具有聚電解質(zhì)、水溶性好、無毒、生物相容性好的特點，在食品保鮮[5]、藥物載體[6]等方面均有所運用。單獨使用AL-Na或CMC-Na制成的薄膜的力學性能較差[7-8]，可將二者聯(lián)合使用，并添加功能性物質(zhì)進行改性[9]，以此提高復合膜的力學性能、阻隔性能和抑菌抗氧化性能。

信陽毛尖加工廢棄物（茶末）是茶葉在加工制造和烘焙過程中被擠壓脫落的粉末，其基本保留了茶葉中的營養(yǎng)成分[10]：含有質(zhì)量分數(shù)為6%以上的茶多酚、質(zhì)量分數(shù)為1%～2%的咖啡堿等[11]，具有良好的抗氧化活性和抑菌性[12]。多數(shù)茶末作為廢棄物被丟棄，會造成資源浪費，但對環(huán)境的污染很小。

茶涂膜或茶保鮮膜功能成分主要是茶多酚、茶多糖。李奉國等[13]以聚乳酸、殼聚糖為基質(zhì)，茶多酚為功能性成分以流延成膜法制作復合膜；孟令偉等[14]將不同濃度的茶多酚加入明膠中制成涂抹液，用于山楂保鮮。僅發(fā)現(xiàn)1例報道利用茶末加工生產(chǎn)茶葉包裝盒或罐成品[15]。目前，將茶末直接作為涂膜或保鮮材料的研究較少。因此本研究采用信陽毛尖茶末、CMC-Na和AL-Na為基質(zhì)，甘油為增塑劑，用CaCl2交聯(lián)后制成復合膜?？疾鞆秃夏さ牧W性能、阻隔性能、抗氧化性能和抑菌性能，以期為廢棄茶末再利用提供一種新的思路，為天然成分復合膜的制備和性能改善提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗

1.1 材料與儀器

主要材料：茶末，來自河南省信陽市信陽毛尖夏茶加工廢料；海藻酸鈉，青島明月海藻酸鈉集團有限公司；羧甲基纖維素鈉，上海長光企業(yè)發(fā)展有限公司；大腸桿菌（CMCC(B)44568），廣東環(huán)凱微生物科技有限公司。無水氯化鈣，分析純，國藥集團有限公司；無水乙醇，分析純，武漢市中天化工有限責任公司；營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基，生物純，杭州濱和微生物試劑有限公司；DPPH，生化純，上海麥克林生化科技有限公司；0.5麥氏比濁管，珠海貝索生物技術(shù)有限公司。

主要儀器：CP214分析天平，上海奧豪斯儀器有限公司；A390紫外分光光度計，上海翱藝儀器有限公司；LDZM-80L立式高壓滅菌鍋，上海申安醫(yī)療器械廠；XMTD-7000電熱恒溫水浴鍋，北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司；MQL-621R生化培養(yǎng)箱，上海旻泉儀器有限公司；JC101-2A電熱恒溫鼓風干燥箱，上海躍進醫(yī)療器械廠；iS5傅里葉紅外變換色譜儀，賽默飛世爾科技公司；DZF-6090真空干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司；YS6003色差儀，深圳市三思時科技有限公司；TMS-PRO質(zhì)構(gòu)儀，北京盈盛恒泰科技有限責任公司；LS182太陽膜測試儀，深圳市林上科技有限公司；TC600覆層檢測儀，上海高致精密儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 復合膜制作工藝

參照孫瑤等[16]的試驗方法略作改動，將成膜材料加入100 mL蒸餾水（含1.5 mL甘油）的燒杯中，用磁力攪拌器在60 ℃下攪拌至膜液完全溶解，敷上保鮮膜（留約5 mm的透氣孔），在真空度為?97 kPa、溫度為40 ℃的真空干燥箱中放置30 min，待膜液中的氣泡完全消除后取出，水浴加熱至60 ℃，將膜液趁熱倒入定制的模具中，在真空度為?55 kPa、溫度為60 ℃的條件下干燥7 h，取出模具，加入20 mL質(zhì)量分數(shù)為2%的氯化鈣交聯(lián)2 min，用蒸餾水沖洗4次，洗去氯化鈣溶液，將膜慢慢揭下，鋪在平整的PVC板上，在室溫下通風晾干，形成薄膜，放置在干燥器中備用。

1.2.2 單因素試驗設(shè)計

按1.2.1節(jié)方法制備復合膜，以前期試驗確定的各單一膜最佳質(zhì)量分數(shù)（CMC-Na為1.5%、AL-Na為1.5%）為基礎(chǔ)，按照AL-Na與CMC-Na體積比為9∶1、8∶2、7∶3、6∶4和5∶5，干燥時間為5、6、7、8和9 h，干燥溫度為40、50、60、70、80 ℃，茶末添加量為0%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%（茶末粉碎后依次過120目和250目篩，分別按質(zhì)量分數(shù)加入AL-Na·CMC-Na共混膜液中完全混勻）進行單因素試驗。以拉伸強度和斷裂伸長率為主要依據(jù)[17]，結(jié)合厚度、透光率和水蒸氣透過系數(shù)等指標進行綜合評價，確定單因素的最佳水平。

1.2.3 響應面試驗設(shè)計

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，利用Box-Behnken響應面設(shè)計，在上述4個單因素變量中選取3個影響顯著的因素作為響應面分析的自變量，以拉伸強度和斷裂伸長率為響應值，對茶末/CMC-Na/AL-Na復合膜的制備工藝進行優(yōu)化。

1.2.4 膜性能的測定方法

1.2.4.1 厚度和透光率

用涂膜覆層儀測定其厚度，每張膜選取3個點，使用太陽膜測定儀測定膜的透光率。

1.2.4.2 拉伸強度和膜斷裂伸長率

將膜裁剪成10 mm×60 mm的大小，使用TMS- PRO質(zhì)構(gòu)儀測定膜拉伸強度和膜斷裂伸長率。測試條件：測試速度為50 mm/min，起始力為0.2 N，拉伸距離為50 mm，有效拉伸長度為30 mm。

1.2.4.3 傅里葉變換紅外光譜分析

將復合膜裁成20 mm×20 mm正方形，然后平放于紅外光譜儀樣品架上進行掃描，掃描波長為4 000～500 cm?1。

1.2.4.4 水蒸氣透過系數(shù)測定

稱取5 g無水氯化鈣，置于恒質(zhì)量稱量瓶中，再將待測膜密封于稱量瓶表面，稱取其質(zhì)量，將稱量瓶置于溫度為25 ℃、相對濕度為60%培養(yǎng)箱中，然后室溫下保存24 h稱量。根據(jù)式（1）計算水蒸氣透過系數(shù)。

式中：WVP為水蒸氣透過系數(shù)，g?mm/(cm2?d?Pa)；Δ為測試前后稱量瓶的質(zhì)量變化，g；為時間，d；為受測膜面積，cm2；為膜的厚度，mm；Δ為膜兩側(cè)水蒸氣壓差，在溫度為25 ℃、相對濕度為60%時Δ取1 896 Pa。

1.2.4.5 色差

采用色差計測定復合膜的色澤差異，L代表明度；a代表紅綠色度，正值表示紅色程度，負值表示綠色程度；b代表黃藍色度，正值表示黃色程度，負值表示藍色程度。用標準白板GSB A67002—86（=99.77、=0.03、=0.30）校正，根據(jù)式（2）計算色差值Δ。

1.2.4.6 抗氧化性能

將復合膜裁成40 mm×40 mm大小的方塊，置于盛有100 mL蒸餾水的燒杯中，90 ℃磁力攪拌至完全溶解，將溫度降至室溫備用。以乙醇為空白對照，取上述溶液1 mL加入到4 mL DPPH儲備液（0.1 mmol/L，現(xiàn)配現(xiàn)用）中震蕩混勻，避光靜置處理1 h，在波長517 nm處測定吸光度值。按式（3）計算DPPH自由基清除率。

式中：為DPPH自由基清除率，%；1為加膜后DPPH溶液的吸光度；2為空白組的吸光度；0為對照組的吸光度。

2.2 兩組受試者血清IL-15、MCP-1、TGF-β水平之間的相關(guān)性分析 經(jīng)Pearson線性相關(guān)性分析，健康對照組受試者血清IL-15、MCP-1、TGF-β水平之間均無線性相關(guān)(P>0.05);骨關(guān)節(jié)結(jié)核患者血清IL-15、MCP-1、TGF-β水平之間亦無線性相關(guān)(P>0.05)。見表2。

1.2.4.7 抑菌性能

將復合膜裁成直徑大小為30 mm的圓形膜樣放入超凈工作臺中紫外燈照射滅菌2 h，將大腸桿菌液均勻涂布于整個培養(yǎng)基表面，用鑷子夾取膜樣置于平皿中央，放在37 ℃培養(yǎng)箱中倒置培養(yǎng)24 h，用螺旋測微尺測量圓形膜樣的抑菌圈直徑。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

每組試驗進行3次平行，試驗結(jié)果使用SPSS 26數(shù)據(jù)處理軟件和Origin 2021軟件進行處理，并繪制圖表，使用Design Export 12軟件進行響應面設(shè)計、結(jié)果計算，并繪制響應面優(yōu)化圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果與分析

2.1.1 不同AL-Na/CMC-Na添加比對復合膜性能的影響

由表1可知，當AL-Na/CMC-Na體積比為9∶1時，復合膜的斷裂伸長率達到最高值，為22.42%，而后斷裂伸長率隨CMC-Na含量的增大而減小。當AL-Na/CMC-Na體積比為8∶2時，其拉伸強度處于最高水平，為15.41 N/mm2，之后隨著CMC-Na比例的增加，拉伸強度顯著下降。由此可知，AL-Na與CMC-Na共混后，復合膜的拉伸強度和斷裂伸長率均有明顯變化，并且當AL-Na/CMC-Na體積比為9∶1和8∶2時，膜的水蒸氣透過系數(shù)、厚度、透明度均處于中上水平。綜合復合膜的性質(zhì)，AL-Na/CMC-Na最佳體積比應設(shè)置在9∶1與8∶2之間，這個結(jié)果與Brindle等[18]的混合薄膜的研究結(jié)果相符。

表1 不同AL-Na/CMC-Na體積比對復合膜性能的影響

Tab.1 Effect of different addition ratios of AL-Na/CMC-Na on properties of composite membranes

注：小寫字母表示差異顯著（<0.05），下同。

2.1.2 不同茶末添加量對復合膜性能的影響

2.1.3 不同干燥時間對膜性能的影響

由表3可知，當干燥溫度為60 ℃，干燥時間少于7 h時膜液干燥不完全，需要再次晾干，干燥時間達7 h時，膜液干燥完全，測試其各項性能均無顯著差異。出于節(jié)省時間的目的，選擇干燥時間為7 h。

2.1.4 不同干燥溫度對膜性能的影響

由表4可知，隨著溫度的升高，復合膜拉伸強度和斷裂伸長率呈先上升后下降的趨勢，在溫度為60 ℃時達到最大，分別為12.25 N/mm2和22.42%。復合膜的水蒸氣透過系數(shù)隨溫度升高呈先降低后升高趨勢。這可能是因為在這個溫度范圍內(nèi)，膜液中的水分蒸發(fā)速率比較穩(wěn)定，從而使AL-Na、CMC-Na和甘油分子能夠充分地拉伸、纏繞、穿插，從而使膜的致密性和結(jié)晶度得到改善[19]。當溫度在50～60 ℃時，溫度的升高使聚合物斷塊的運動速度加快，使?jié)B透水分子的能級增大[20]。當溫度高于60 ℃時，膜液的流動性增大，水分快速蒸發(fā)，AL-Na和CMC-Na大分子運動速度過快，排列不穩(wěn)定從而提前沉淀，薄膜不能形成均勻的立體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，導致水蒸氣透過系數(shù)增大[21]。

表2 不同茶末添加量對復合膜性能的影響

Tab.2 Effect of different tea powder additions on properties of composite membranes

注：小寫字母表示差異顯著（<0.05），下同。

表3 不同干燥時間對復合膜性能的影響

Tab.3 Effect of drying time on properties of composite membranes

注：小寫字母表示差異顯著（<0.05），下同。

表4 不同干燥溫度對復合膜性能的影響

Tab.4 Effect of different drying temperatures on properties of composite membranes

注：小寫字母表示差異顯著（<0.05），下同。

不同干燥溫度下復合膜傅里葉紅外掃描結(jié)果見圖1。由圖1可知，不同干燥溫度下膜的峰有明顯平移，說明其內(nèi)部基團有強弱變化。在干燥溫度為50 ℃時，在1 486 cm?1處出現(xiàn)了1個新峰，推斷為在此溫度下AL-Na、CMC-Na和甘油之間形成了新的聚合形式。綜上，確定最適干燥的溫度在50 ℃到60 ℃之間。

圖1 不同干燥溫度膜的傅里葉紅外光譜圖

2.2 響應面試驗結(jié)果

2.2.1 響應面試驗設(shè)計及結(jié)果

基于上述單因素試驗結(jié)果，以拉伸強度（1）和斷裂伸長率（2）為響應值，采用Box-Behnken設(shè)計，選擇AL-Na/CMC-Na體積比（）、茶末添加量（）、干燥溫度（）為因素，設(shè)計三因素三水平響應面分析試驗，因素及水平如表5所示。對模型進行方差分析，得出最佳工藝參數(shù)，建立響應曲面回歸模型。試驗設(shè)計和分析結(jié)果如表6、表7所示。

運用Design-Expert 12軟件進行多元回歸擬合，確定多元二次響應面回歸方程模型如下：

1=17.08?0.51+1.98?0.21?2.4+0.73?0.64?2.772?2.652?2.642

2=17.49?1.92?1.92?2.64?0.57?4.63?3.97?3.142?0.642+3.742

由表7可知，2個模型的值分別為0.034 6、0.004 3，響應模型分別為顯著和極顯著；2分別為0.845 6、0.920 3，校正后adj2分別為0.647 2、0.817 8，模型相關(guān)性良好，失擬項均不顯著。表明2個模型擬合度均較高，能很好地預測結(jié)果。3個因素之間的交互作用對斷裂伸長率的影響不顯著。

表5 因素水平

Tab.5 Factor level

表6 響應面試驗設(shè)計及結(jié)果

表7 響應面方差分析結(jié)果

Tab.7 Response surface analysis of variance results

注：表中*為顯著（<0.05），**為極顯著（<0.01），#為不顯著（>0.05）。

2.2.2 驗證試驗

通過響應面分析得到的優(yōu)化配方：AL-Na/ CMC-Na體積比為8.38∶1.62，茶末添加量為1.427%，干燥溫度為50 ℃。結(jié)合實際情況調(diào)整最佳配方及工藝：AL-Na/CMC-Na體積比為8.4∶1.6，茶末添加量為1.43%，干燥溫度為50 ℃，干燥時間為7 h，預測的拉伸強度為15.72 N/mm2，斷裂伸長率為24.30%。

在上述條件下制備復合膜進行5次試驗，測定拉伸強度和斷裂伸長率分別為15.68 N/mm2和23.32%，與預測值的相對誤差分別為0.04%和0.98%。說明采取響應面法優(yōu)化的復合膜配方及工藝的數(shù)學模型準確可靠，并且能較好地優(yōu)化復合膜的性能。

2.3 優(yōu)化后復合膜的性能測定

2.3.1 復合膜的基礎(chǔ)性能

復合膜的基礎(chǔ)性能如表8所示。該膜厚度適中，具有較低的透明度，可以一定程度避光。復合膜的水蒸氣透過系數(shù)較低，為1.64×10?9g?mm/(cm2?d?Pa)，可有效防止內(nèi)容物受潮變質(zhì)。復合膜具有較好的拉伸強度和斷裂伸長率，能滿足使用的要求。

2.3.2 復合膜的色差值

復合膜的色差如表9所示，代表亮度，值越大，表示膜亮度越好。對照組顏色稍偏黃綠，由于使用的AL-Na和CMC-Na均為食品級，其溶液為無色，所以膜的顏色為茶末本身色澤決定，是茶葉中含有的茶綠色素造成的。3 d后再進行的色差測定，其偏差不超過1%，說明該膜具有較好的色差穩(wěn)定性。

2.3.3 復合膜的抑菌性和抗氧化性

由表10可知，響應面試驗優(yōu)化后的茶末/AL-Na/ CMC-Na復合膜的DPPH自由基清除率為75.3%，對大腸桿菌抑菌圈直徑為30.72 mm，相比未添加茶末的復合膜具有優(yōu)異的自由基清除率和抑菌性。這可能是由于茶末中茶多糖、茶多酚等活性成分有很好的抗氧化和抑菌活性。說明制備出的復合膜可以有效防止氧化變質(zhì)，一定程度上能抑制食品的腐敗變質(zhì)。

表8 優(yōu)化后復合膜的性能指標

Tab.8 Performance indicators of optimized composite membranes

表9 優(yōu)化后復合膜的色差分析

Tab.9 Color difference analysis of optimized composite membranes

表10 優(yōu)化后復合膜的抗氧化和抑菌性能

Tab.10 Antioxidant and antibacterial properties of optimized composite membranes

3 結(jié)語

本研究通過單因素和響應面試驗優(yōu)化茶末/AL- Na/CMC-Na復合膜的加工工藝，其綜合性能得到了一定的提升。該復合膜整體呈淺綠色，有茶葉的清香味，有較好的力學性能及透光率；能有效抑制大腸桿菌的生長，抗氧化性能強；其較低的水蒸氣透過系數(shù)也能有效減少細菌的活動和減少食品水分的流失，在常溫下較低含水率更有利于食品的保存干燥。本研究為復雜成分復合膜的制備提供了一定的試驗數(shù)據(jù)，并且為信陽毛尖加工廢棄物的開發(fā)利用形式提供新的參考，但僅關(guān)注了復合膜優(yōu)化后基礎(chǔ)性能變化，沒有進一步探究其在相應食品保鮮中的應用情況。后續(xù)將對復合膜的熱穩(wěn)定性、不同菌株的抗菌特性進一步深入研究，該復合膜有望成為新型多功能包裝材料被應用在食品包裝領(lǐng)域中。

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Preparation and Property of Tea Powder/Carboxymethyl Cellulose Sodium/Sodium Alginate Composite Membranes

CHEN Long1,2, CHEN Hui1,2, XIA Qu-cheng1, ZHU Jing1,2*

(1. Food College, Xinyang Agriculture and Forestry University, Henan Xinyang 464000, China; 2. Henan Province Dabie Mountain Characteristic Food Resources Comprehensive Utilization Engineering Technology Research Center, Henan Xinyang 464000, China)

The work aims to alleviate the environmental pollution caused by traditional plastic wrap, and provide a theoretical basis for the development of food packaging materials with better mechanical properties and antibacterial properties. With sodium alginate and sodium carboxymethyl cellulose as the main membrane forming materials, composite membranes were prepared by the casting film method with the addition of tea powder. Based on tensile strength, elongation at break, single factor and response surface tests were conducted to determine the best technology of tea powder /CMC-Na/AL-Na composite membranes. The results showed that when the CMC Na: AL Na ratio was 84:16, the tea powder addition was 1.43%, the drying temperature was 50 ℃, and the drying time was 7 hours, the composite membrane had the best comprehensive property, with a tensile strength of 16.60 N/mm2and an elongation at break of 19.11%, showing good mechanical properties, water resistance, antioxidant properties, and antibacterial properties. In conclusion, the prepared tea powder/CMC-Na/AL-Na composite membrane has good mechanical properties, antioxidant properties, and antibacterial properties.

tea powder; alginate sodium; carboxymethyl cellulose sodium; composite membrane; physicochemical properties

TB484

A

1001-3563(2023)19-0121-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.19.016

2023-06-16

河南省科技攻關(guān)項目（212102110314）；河南省高等學校重點科研項目（23B550006）；信陽農(nóng)林學院2019年度學校青年基金項目（2019LG002）；信陽農(nóng)林學院高水平科研孵化器建設(shè)基金（FCL202110，F(xiàn)CL202014）；河南省青年科學基金項目（212300410228）；河南省高等學校青年骨干教師培養(yǎng)計劃（2019GGJS264）

責任編輯：曾鈺嬋