红外辐照对魔芋葡甘聚糖膜力学性能的影响

徐 梅， 徐本贤， 朱于鹏， 李冬生， 汪 超

(1．湖北工业大学生物工程学院，湖北武汉 430068;2．襄州区红星小学，湖北襄阳 441104)

红外辐照对魔芋葡甘聚糖膜力学性能的影响

徐 梅1， 徐本贤2， 朱于鹏1， 李冬生1， 汪 超1

(1．湖北工业大学生物工程学院，湖北武汉 430068;2．襄州区红星小学，湖北襄阳 441104)

以魔芋葡甘聚糖(KGM)粉末为研究对象，分别以分子量、水分含量的内在性质和红外辐照温度、时间、强度外部条件为参考因子，考察其与KGM溶胶成膜后力学性能的相关性，并通过扫描电镜分析，观察膜截面的微观形貌．实验结果表明:经红外处理，KGM膜力学性能的下降百分比与分子量呈明显线性正相关，与水分含量呈负相关;较高辐照温度、光强度和较长辐照时间显著破坏膜的力学性能;膜截面的有序完整片层破坏成碎裂小块和多孔结构．合理选择高品质KGM，控制红外辐照条件，可改善KGM膜的力学性能．

魔芋葡甘聚糖;膜;红外辐照;力学性能;扫描电镜分析

魔芋属天南星科多年生草本植物，其有效成分是魔芋葡甘聚糖(KGM)［1］．KGM 是一种天然高分子化合物，是由D-吡喃葡萄糖和D-吡喃甘露糖以1∶1.6至1∶1.8 通过 β-(1→4)糖苷键连接构成的多糖［2－3］，主链上约 32 个糖残基在 D-甘露糖 C3位上连接有3个β-(1→3)糖苷键的三糖支链，每19个糖残基含有1个乙酰基团［4］，具有一定刚性的半柔顺性分子［5］及良好的束水、可降解和成膜性［6］等多种性能．KGM膜作为一种可食性和自然降解的膜材料的研究虽见报道［7－11］，但其缺点是强度低．因此对如何提高KGM膜的力学性能是我们力求解决的问题．因红外干燥已成为魔芋粉的加工方式，本研究通过红外辐照处理KGM进行单因素实验，探讨其对KGM膜力学性能的影响．

1 材料与方法

1.1 原料与试剂

魔芋粉，特级粉，购于上海北连食品有限公司;其余试剂均为国产分析纯．

1.2 实验仪器

WS70－1型远红外干燥器，上海索普仪器有限公司;JJ－2型增力电动搅拌器，江苏省金坛市医疗仪器厂;HH－4型恒温水浴锅，江苏省金坛市杰瑞尔电器有限公司;CH－1－S型测厚仪，上海六菱仪器厂;GZX－9140MBE型数显鼓风干燥箱，上海博迅实业有限公司医疗设备厂;TMS－Pro型食品物性分析仪，美国 Food Technology Comporation(FTC)公司;FEI Quanta 200型扫描电镜，荷兰FEI公司;Optilab rEX型示差折光检测器，美国怀雅特技术公司;DAWN/HELEOS型静态激光光散射仪，美国怀雅特技术公司．

1.3 分子量测定

参照刘廷国等［12］的方法制备KGM，参照彭述辉［13］的方法制备不同分子量KGM．将KGM粉末溶于0.2 mol/L磷酸缓冲液中配制1.0×10－3g/mL溶胶，用0.45 μm微孔滤膜过滤．采用静态激光光散射仪分析:Shodex－G805凝胶柱，示差折光检测器，波长658 nm，温度30℃，流动相0.2 mol/L磷酸缓冲盐溶液，流速1.0 mL/min，进样量20 μL，采用As-tra软件分析数据．

1.4 KGM膜制备及厚度分析

恒温水浴30℃，将KGM粉末分散于去离子水中溶胀1.5 h，配制1.0×10－2g/mL KGM溶胶定量涂覆于固定面积(15×10 cm2)光洁平板中流延成膜，65℃干燥24 h，即得KGM膜．将KGM膜裁成7 cm×1 cm的长条，采用测厚仪测出5组数据，其膜的厚度取平均值即为d．

1.5 力学性能

按照 IS06239—1986(E)［14］标准测试膜的拉伸强度和断裂伸长率．拉伸强度计算公式为

断裂伸长率的计算公式为

式(1)、(2)中:σ 为拉伸强度，MPa;

P为最大载荷，N;

b为试样宽度，10 mm;

d为试样厚度，mm;

ε为断裂伸长率，%;

G为夹距，mm;

ΔG为拉伸的长度，mm．

拉伸强度下降百分比:

断裂伸长率下降百分比:

1.6 红外辐照实验

利用远红外干燥器对KGM粉末进行照射处理，分别分析KGM的内在性质(KGM含水量、不同分子量的KGM)和外部条件(KGM温度、光强度和时间)对KGM溶胶成膜后的力学性能变化的影响．经红外辐照处理后的膜表示为I-KGM．

1.7 扫描电镜分析

将KGM膜固定于铜台，喷金后放入电镜室内观察其截面微观形态，加速电压20 kV．

2 结果与分析

2.1 KGM分子量测定结果

分子量是KGM高分子成膜性能的重要指标之一［15］，决定了原料的品质．采用静态激光光散射仪分析测得的KGM分子量分布如图1．图1显示KGM相对分子质量分布近似正态分布，重均分子量Mw=1.34×106，多分散系数Mw/Mn=1.03．可见KGM分子大小分布相对集中，为相对均一多糖．

图1 KGM的凝胶渗透色谱－光散射淋洗图Fig．1 GPC－LS spectrum of KGM

2.2 单因素实验结果

2.2.1 分子量对KGM膜拉伸强度和断裂伸长率的影响

固定电压220 V、辐照温度73℃和照射时间24 h，分别处理不同分子量 3.32 ×105，6.45 ×105，9.76×105，1.34×106Da的 KGM(w(含水量)9.3%)粉末，测试膜的拉伸强度和断裂伸长率，结果见图2、图3．

图2 相对分子量对KGM膜拉伸强度的影响Fig．2 Influence of molecular weight on tensile strength of KGM

图2、图3表明红外辐照后的KGM膜的力学性能有显著变化．即KGM膜的Dr%与Fr%随分子量的增加而增加，且分子量分别与Dr%、Fr%呈明显线性正相关，表明分子量高的KGM粉末能制备出力学性能较好的KGM膜．

2.2.2 含水量对KGM膜拉伸强度及断裂伸长率的影响

利用康氏皿将KGM粉末与不同的饱和盐溶液恒温(30℃)作用获取不同含水量的KGM粉末．参照国标 GB5009.3—85测定含水量．固定电压220 V、辐照温度(49，73℃)和照射时间24 h，分别处理含水量9.3%，10.8%，20.7%，31.3%，42.1%及54.3%的KGM(分子量1.34×106Da)粉末，见图4．

图3 相对分子量对KGM膜断裂伸长率的影响Fig．3 Influence of molecular weight on extension rate of KGM

图4 含水量对KGM膜拉伸强度和断裂伸长率的影响Fig．4 Influence of water content on extension rate and tensile strength of KGM

由图4可见，49℃/73℃时，水分含量增大时，KGM膜的拉伸强度和断裂伸长率逐渐降低，且水分含量与其力学性能呈负相关．KGM含水量过高时，导致膜的拉伸强度和断裂伸长率下降．

2.2.3 辐照温度对膜拉伸强度和断裂伸长率的影响

取KGM(分子量1.34×106Da、含水量 w为9.3%)粉末持续照射24 h，固定电压220 V，分别选取温度 49，55，61，67，73 ℃进行处理，结果见图5．

由图5可知，随着温度的升高，拉伸强度逐渐下降，断裂伸长率缓慢上升．原因可能是温度升高导致分子的运动加剧，逐渐挣脱KGM分子之间的氢键束缚，致使KGM膜力学性能下降．

图5 温度对KGM膜拉伸强度和断裂伸长率的影响Fig．5 Effect of temperature on extension rate and tensile strength of KGM

2.2.4 时间对KGM膜拉伸强度及断裂伸长率的影响

固定电压220 V和辐照温度(49，73℃)，取KGM(分子量1.34×106Da、含水量w为9.3%)粉末分别照射 12，24，36，48，60，72 h，如图 6．

图6 时间对KGM膜拉伸强度和断裂伸长率的影响Fig．6 Effect of time on the extension rate and tensile strength of KGM

图6显示，辐照温度49℃/73℃时，随着时间的增加，KGM膜的拉伸强度和断裂伸长率都呈下降趋势．这可能是由于较长时间对KGM进行红外照射会导致膜性能下降．

2.2.5 光强度对KGM膜拉伸强度及断裂伸长率的影响

将KGM(分子量1.34×106Da、含水量 w为9.3%)粉末平铺于红外光下持续照射24 h，改变KGM样品位置来恒定设定的红外辐照温度(49，73 ℃)．分别选取 140，160，180，200，220 V 电压处理KGM，结果如图7．

图7反映出，辐照温度49℃，随着强度的升高，膜的拉伸强度和断裂伸长率先升高后保持不变;73℃时，随着强度的升高，拉伸强度和断裂伸长率呈先上升后下降的趋势．这可能是因为随着强度的不断增加，红外灯照射所产生的热量使KGM表面受到的温度大大升高，KGM分子易氧化，导致膜的性能不稳定，致使断裂伸长率下降和拉伸强度上升．

图7 光强度对KGM膜拉伸强度和断裂伸长率的影响Fig．7 Influence of light intensity on extension rate and tensile strength of KGM

2.3 扫描电镜结果

KGM和I-KGM的电镜扫描分析如图8．图8微观形貌显示KGM膜截面结构紧密，是排列有序的层状结构，这种自组装成膜结构说明了膜的强力学性能，能保持相对完整形态．I-KGM膜截面松散，孔洞和断裂较多，层状结构破坏较明显，这可能是红外光照射使KGM分子断链所致．

图8 KGM的电镜扫描结果Fig．8 SEM diagram of KGM

3 结论

1)经红外处理，KGM膜力学性能的下降百分比与分子量呈明显线性正相关，与水分含量呈负相关;较高辐照温度、光强度和较长辐照时间显著破坏膜的力学性能．

2)扫描电镜分析显示，膜截面的有序完整片层破坏成碎裂小块和多孔结构．

3)分子量及水分含量是KGM高分子成膜性能的重要指标，决定了原料的品质．合理选择高品质KGM，控制红外辐照条件，可改善KGM膜的力学性能．即选择分子量1.34×106Da、含水量9.3%的KGM，控制辐照温度(49℃)、时间(24 h)及光强度(160 W)可较好地改善KGM膜的力学性能．

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(责任编辑:叶红波)

Effect of Infrared Radiation on Mechanical Properties of Konjac Glucomannan Films

XU Mei1， XU Ben-xian2， ZHU Yu-peng1， LI Dong-sheng1， WANG Chao1
(1．College of Biological Engineering，Hubei University of Technology，Wuhan 430068，China;2．Red Star Primary School of Xiangzhou District，Xiangyang 441104，China)

Using konjac glucomannan powder as object，the correlation of molecular weight ，moisture content，irradiation temperature，time，and strength with mechanical properties of KGM films was studied．The cross-section morphology of KGM films was observed using scanning electron microscopy．The results showed that after infrared treatment，percentage decline in mechanical properties of films showed a linear positive correlation with molecular weight of KGM，and a linear negative correlation with water content．High infrared irradiation temperature，strength，and time could damage the mechanical properties of films，and the complete of lamellar fragmentation on films cross-section destructed into small pieces and porous structure．Using high quality KGM can improve the mechanical properties of KGM films under controlled infrared irradiation conditions．

konjac glucomannan;films;infrared radiation;mechanical properties;scanning electron microscopy analysis

TS201

A

1671-1513(2012)05-0062-05

2011-10-22

湖北省教育厅一般项目(20063036);武汉市科技局晨光计划项目(20065004116-520)．

徐 梅，女，本科生，研究方向为天然产物化学;

汪 超，男，副教授，博士，主要从事天然产物化学方面的研究．通讯作者．