脂肪酸脂的加入对淀粉-明胶膜物理性能和稳定性影响

Sandra Acosta，Alberto Jimenezi，Maite Chafer等著张真,陈慧编译

1 前言

在过去几年,许多的研究致力于获得淀粉基可降解材料,其目的是为了至少能部分替换人工合成的石油基聚合物。淀粉是可再生资源,能较好地形成透明、无味且具有很好阻氧性能的膜,这对于食物保鲜是非常有用的。然而,淀粉膜表现出一些源于其对水和老化现象过于敏感的劣势,这影响了膜的力学性能（变得更易脆）和阻隔性能。为了克服这些问题,研究者们采用了多种方法,其中包括：淀粉的等离子体或化学改性,疏水性化合物的加入以及与其他聚合物或增强材料城复合材料。淀粉的化学改性包括淀粉链通过化学反应的改性,也包括用其他聚合物进行交联,例如PVA,或者直链淀粉和支链淀粉链通过聚合物链间形成共价键。疏水性化合物也可以被添加来改善淀粉基材料的特性。这些化合物包括分子脂质物和疏水性聚合物,例如聚己内醋和聚乳酸。然而,聚合物的不相容（由于极性不同）可能导致相分离,正如在PCL-淀粉共混膜中观察到的,对膜性能有负面影响。在一些情况下,观察到脂质物材料通过脂质物-淀粉直链复合物中V-型结晶的形成,影响基质的结晶度。除了这些结晶结构的形成,脂质物还提高了膜的脆性,对材料的力学反应有不利影响。在淀粉与其他聚合物（如酪蛋白酸钠和羟丙基甲基纤维素）形成的复合膜中,淀粉的结晶和性能退化受到比抑制。

其他研究者对淀粉明胶共混膜进行了研究,并提出当体系中蛋白占主导地位时,明胶和多糖基质具有良好相互作用。这些共混物在氧、水蒸汽的阻隔性能、力学性能和光学参数方面具有优势。即使明胶可提高淀粉基材料的性能,但它们均是高亲水性的。从这个意义上说,疏水性材料的加入可能被认为是降低材料水敏性的一种方式。Ma等人报道,加入质量分数5%～20%的橄榄油能降低鱼胶原膜的水蒸汽渗透性。同时也有报道认为,向日葵油和卵磷脂（两性化合物）能显著降低鳕鱼和猪明胶膜的水溶性。此外,明胶膜的阻隔和力学性能通过锂皂石和谷氨酰胺转胺酶的加入可以改善。

虽然最近在淀粉-明胶共混膜方面有许多不同的研究报道,但是其中并没有如脂肪酸或脂肪酸醋（从不同脂肪酸醇的醋化反应中得到）等疏水性物质对共混物影响的研究。之前对具有相似特征膜的研究中,例如含有油酸和/或α-维生素E的酪氨酸钠-淀粉膜,显示出因脂质物的添加膜延展性得到改善。

这项研究工作分析了在25 ℃,53%相对湿度下存储1周和5周后,基于木薯淀粉和牛明胶的不同混合、以及有无脂类（脂肪酸单、双甘油醋：E471）,膜的微观组织和物理性能的变化。

2 材料与方法

2.1 原材料

用来获得成膜分散体的木薯淀粉,由亚洲CO. LDT（Kalasin,Thailand）生产,从 Quimidroga S.A.（Barcelona,Spain）购买。用于与淀粉结合的牛皮A型明胶（Bloom 220-240°）,由Sancho de Borja,S.L.（Zaragoza,Spain）提供。脂肪酸单、双甘油醋（E471）来自Cargill（Barcelona,Spain）,而用作增塑剂的甘油,由Panreac Quí-mica S.A.（Barcelona,Spain）提供。

通过使用直/支链淀粉酶催化检测程序,且一式三份,测定木薯淀粉中直链淀粉、支链淀粉的比率。木薯淀粉中包含9.28%（g/100 g）的直链淀粉含量,直链淀粉：支链淀粉的比例为1∶9.78。

2.2 成膜分散体的制备

加入不同比例的木薯淀粉（S）和明胶（G）,用质量分数为2%的聚合物悬浮液制备成膜分散体。淀粉：明胶的比例（%）分别为0∶100,50∶50,75∶25和100∶0。每个配方中添加甘油作为增塑剂（聚合物：甘油的比例为1∶0.25）。此外,再准备4种配方,即在原基础上均加入15%（w/w）的脂肪酸单、双甘油醋（E471）。所以,本实验共对8种配方的膜进行分析研究。以膜中淀粉（S）明胶（G）的比率作为样品代码。当膜中含有甘油醋成分时,在代码中加注“e”。

首先,分别制备淀粉和明胶分散体。淀粉水分散体保持在95 ℃30 min,使淀粉糊化。同时,明胶溶解于40 ℃的水中,添加甘油,匀化前通过磁力搅拌混合。匀化使用转子-定子均质器完成,条件为在真空条件下,温度95 ℃,搅拌速度13 500 r/min时1 min,搅拌速度20 500 r/min时3 min。对于含有脂质物的配方,甘油在匀化之前加入。

将一定量的成膜水性分散体（相当于1.5 g固体）加入聚四氟乙烯模板（直径为15 cm）中,在25℃、45%相对湿度下干燥48 h。然后从板上剥离下来,在25 ℃相对湿度为53%的6-水合硝酸镁饱和溶液中调节。对存储一周或五周后的所有膜进行分析。

2.3 膜的表征

2.3.1 微观结构

膜的微观结构分析通过扫描电子显微镜（SEM）,JSM-5410 JEOL型（日本）来进行。在测试之前,将待测定的膜放在含P2O5的干燥器中,除去存在于样品中的水。用扫描电镜观察膜的表面和断面。膜在液氮中冷却,然后冷冻断裂,以便断面观察。贮存1周和5周后不同膜样品的表面和断面图像也可得到。

2.3.2 厚度

通过不同的分析,在6个随机位置用精确到0.0025 mm的Palmer数字千分尺来测量膜的厚度。

2.3.3 水蒸汽渗透性

根据质量法标准ASTM E96-95（1995）,在25℃,53%～100%的相对湿度梯度下,通过使用直径为3.5 cm的Payne 渗透杯来测定膜的水蒸汽渗透性（WVP）。杯子中分别放入过饱和的Mg（NO3）2溶液和蒸馏水,持续保持相对湿度为53%～100%。每2 h用分析天平（±0.00001 g）测量杯子的质量。水蒸汽渗透量WVTR根据达到平衡状态时回归分析得到的质量损失数据与时间的斜率除以膜面积获得。所报道的结果是至少4个样品的平均值。

2.3.4 氧渗透率

用 50 cm2的膜样品,按照标准方法（ASTM D3985-05,2002）在25 ℃、53%的相对湿度下,采用Oxtran系统来分析膜的氧渗透率（OP）。在测定时,膜一边通纯氧,另一边通纯氮气,通过计算氧气的透过率除以膜两边的压力差,并乘以平均膜厚度,得到氧渗透率。每个实验至少测定2次获得结果。

2.3.5 力学行为

采用万能试验机按 ASTM标准方法 D882（ASTM D882,2001）测定膜的力学性能。拉伸测试速度为50 mm/min。在试验进行期间,环境的温度为25 ℃,相对湿度被控制在53%左右。

试验中得到的力距数据转化为应力-应变曲线,可计算出一些力学参数,如弹性模量（EM）,拉伸强度（TS）和断裂伸长率（E,表示为百分比）。

2.3.6 光学性质

运用多重散射反射光谱的Kubelka-Munk理论测定膜的透明度。在白色和黑色的背景下,用分光比色剂CM-3600d）在400～700 nm间测定膜的表面反射光谱。当光通过膜,光被部分地吸收和散射,通过吸收（K）和散射（S）系数对光进行量化。膜的内透光率（Ti）通过式（1）来计算。在这个方程式中,R0是膜在黑色理想背景下的反射率。参数a和b由式（2）和（3）计算,其中R为由一个已知的反射率Rg的样品层测定的反射率。对每种干燥样品测定三次取平均值。

根据ASTM标准D-523（ASTM,1999）,使用平表面光泽计在60°入射角下测量膜的光泽度。每一个配方的三个膜在黑色磨砂标准板上进行测量。结果用光泽度单位表示,高度抛光标准黑色玻璃表面的光泽值接近100。

2.3.7 统计分析

数据分析是通过使用5.1软件进行方差分析（ANOVA）。费希尔最小显著差异（LSD）程序使用95%的置信水平。

3 结果

3.1 微观结构

膜的微观结构,取决于膜组分之间的相互作用和干燥条件,显著影响着最终材料的物理性质。所以,膜的微观结构与其阻隔性能、力学和光学性能相关联。

图1和2分别展示了对应于每个研究的膜表面和横截面的显微照片。这些与纯木薯淀粉膜相关的图像,与早先研究观察到的连续、光滑的表面结果相似。在观察之前,膜中存在的水被去除,从而导致形成脆性膜,这与观察到的结构一致。我们发现在所有的横截面和表面图像上,纯淀粉膜是均匀的,这表明淀粉颗粒在加热过程中被完全破坏。

图1 淀粉-明胶膜表面的SEM图像,含或不含脂质（单、双甘油酯脂肪酸）

正如多位研究者观察到的,纯明胶膜非常均匀,并具有相对光滑的表面。尽管如此,由于干燥过程中蛋白质链的重组,在明胶膜表面和明胶基质内有某些圆形区域存在。这些蛋白质链往往通过螺旋形式聚集,形成类似于胶原纤维的结构。在这个意义上,已有发现,明胶膜呈纤维状结构表现出胶原原纤维的特性。这种现象发生的原因是因为蛋白质链交织恢复了胶原（螺旋）的天然构象。在表面和断面图像上,复合膜（75S-25G和50S-50G）均表现出异质结构。我们观察到的膜表面的圆形区域和其横截面上的纤维区域,都与明胶分子链的构象和交联有关。这些结果表明,尽管淀粉和明胶似乎由于其类似的亲水性而宏观兼容,但仍会发生相分离导致形成两相：一个是淀粉富集相,一个是明胶富集相。

图2 被研究的淀粉-明胶膜横截面的SEM微观图像,含或不含脂质

脂质物显著影响着膜的微观结构,导致形成异质性基质,从而表明在使用的浓度下基质中相聚集脂质物缺乏。在显微照片中可以观察到,相应的脂质物液滴干扰聚合物基体,这种效应对共混物膜非常显著。含脂质的明胶膜（75S-25Ge,50S-50Ge和0S-100Ge）表面均呈小脂滴和圆形的明胶层,这表明明胶的螺旋形成也能发生在这些共混物中。在膜的干燥过程中聚合物和脂质物成分之间的不相容性会引起分层现象和膜表面疏水大颗粒的出现,如之前所描述的其他含有脂质物的膜。Bertan等研究了醋酸甘油醋的掺入对明胶基质的影响,并观察到在蛋白基质中脂质物的聚集是不均匀的。他们还报道了通过DSC测定的多个玻璃化转变,表明相分离的发生。Wongsasulak等也发现了含有葵花油的鸡蛋白-木薯淀粉膜的异构结构,其中的聚合物并没有充分聚集形成一个连续的基质,油是一个单独相。

3.2 光学性质

在膜应用于涂层产品后,与膜的微观结构密切相关的膜光泽和透明度,是描述膜受到影响的最重要的光学性质。光泽度与表面粗糙度有直接关系,而透明性则取决于基质内部的微观结构和组成成分的分布。表1显示的是含或不含脂肪酸醋的淀粉-明胶膜的光泽度值（60°）和内部透光率（480 nm）。在波长为480 nm时,观察到膜中最大的差异在于内部透光率的光谱分布。

Ti值介于84%和87%范围内的所有膜推断认为均是透明的。高Ti值与显著的结构均匀性和更透明的膜有关。不论存储时间长短,纯淀粉膜是最透明的,这与在图1和2中观察到的更均匀的结构相吻合。

不管聚合物的比率是多少,脂质物的添加会降低淀粉-明胶膜的透明度,这与微观结构观察结果一致。与亲水性聚合物不相容的脂质成分在分散相,促使光分散并导致了较低程度的透明度。Jimenez等在含有脂肪酸的玉米淀粉膜上也观察到类似的结果。

在大多数情况下,存储后膜的透明度明显下降,这种在纯淀粉膜上更明显。这种结果之前Jimenez等人已有报道,在含有脂肪酸的玉米淀粉膜中发现。透明度的降低与淀粉的结晶或老化现象的增加有关,两者都导致了聚合物网络中氢键数目的增加。这导致基质折射率的变化,从而促进了光的散射。

膜的组成很大程度上影响了膜的光泽度（表1）。可能的原因是在初始时,膜因为明胶含量的增多更加光亮,而纯明胶膜是最光亮的。然而,这种影响在添加物为脂肪酸醋时并没有发现。这可能是由于膜表面脂质颗粒的存在（图1）有助于提高膜表面粗糙度,从而降低了光泽度,掩盖了明胶的光泽度效应。事实上,脂质的加入明显（p＜0.05）降低了每一种情况下的膜光泽度。像之前解释的,膜的干燥过程中脂质物的年均和乳化导致液滴在膜-空气界面的聚集,从而增加了表面的不均匀性。因此,光学参数值与之前描述的膜微观结构（扫描电镜图像）是一致的。

表1 存储1周（初始时间）和5周（最终时间）后淀粉-明胶基膜的光学性能。S（淀粉）.G（明胶）.e（E471）.平均值与标准差

存储时间对光泽值的影响取决于膜的类型。在纯淀粉膜中,光泽度在老化后并没有显著变化,而在其他情况下膜光泽度下降,主要表现在无脂质的膜上。这些结果可以归因于明胶链的渐进重组,这在膜表面水平上有一个相关的影响。

3.3 阻隔性能

3.3.1 水蒸汽渗透性

所研究的膜在实验控制条件下存储1周或5周后,其水蒸汽渗透率值（WVP）和水分含量（Xw）如表2所示。在大多数情况下,膜中水分含量没有发生显著变化,膜的水分范围控制在7.7%到11%。当膜中添加明胶时水分含量增加,而含有脂质物时,膜的水分含量降低。这与两种组分的不同亲水性和同淀粉相比明胶更高的亲水性是吻合的。

在最初的时候,不添加醋类的膜（包括复合物）其WVP值上没有明显差异。这一结果与以前研究的关于酪蛋白酸钠和羟丙基甲基纤维素的淀粉共混膜的结果是一致的,WVP值没有较大不同。相反,据Jongjareonrak等报道,含较高蛋白质含量的明胶膜具有更高的WVP,这与明胶的更高亲水性一致。在对含不同比例明胶的西米淀粉膜的WVP研究上,Al-Hassan等也没有发现任何显著的差异。因此,水蒸汽渗透性不仅取决于基质的组成,也取决于组分之间的相互作用。

脂质物的添加通常会降低膜的WVP值,与其疏水性特征是一致的,在以前的研究中也发现如此。WVP值减少最大的是纯淀粉膜（100S-0Ge）,这可能是由于淀粉和脂质物之间疏水链相互作用的影响。这些相互作用包含聚合物链间氢键的建立,并导致V-型晶体结构的形成,其中直链淀粉和支链淀粉的螺旋结构包裹了脂质的疏水链。之前的研究指出,在水蒸汽阻隔性能上的改进,可被视为不同组分间相互作用的结果。

老化对膜水蒸汽阻隔性能的影响是不同的,这取决于膜的配方。事实上,无脂质纯淀粉膜的WVP随时间的增加而增加,而含脂质膜的WVP随时间则显著降低（p＜0.05）。这可能与聚合物基质的结构变化有关,它导致脂质膜中因曲折因子的增加,水份传递的变化。

3.3.2 氧渗透性

膜的透氧值（OP）如表2所示。纯明胶膜（0S-100G）的OP显著高于淀粉膜（100S-0G）。甚至当明胶含量增加时,OP也增加,正如以前观察到的结合有淀粉的其他聚合物。如预测的那样,由于基质（脂滴）的疏水性区域氧溶解程度较高,脂质物的增加提高了OP值。

表2 阻隔性能（WVP：水蒸汽渗透率OP：透氧值）,在1周或5周的存储后膜的厚度和湿度。平均值与标准差。

可能是由于链的不断聚集和基质紧密度的增加,膜的存储降低了其透氧性。对于含有淀粉的膜,氧阻隔性能的提高与结晶度的增加有关,因为晶体加剧了基质中不利于氧传输的能力,认为氧的传输可能对晶体是不能渗透的。

3.4 可延展性

图3显示了在实验控制条件下存储1周和5周后,含脂质物或不含脂质物膜的应力-应变曲线。初始时间下的曲线表明,与纯淀粉膜相比,明胶（含和不含脂质物）使膜更具抗性、更柔韧。膜的弹性模量值（EM）,拉伸强度（TS）和断裂伸长率（E）如表3所示。扫描电镜观察发现,这些参数与基质中不同膜组分的排列、基质中的结合力有关,它们通常用来描述膜的力学性能。获得的纯淀粉膜（100S-0G）和纯明胶膜（0S-100G）的参数值类似于分别由Al-Hassan等和Chambi等得到的结果。

与Al-Hassan等报道的不同,在无脂质淀粉-明胶膜中由于明胶的高力学抗性,随其含量上升,所有的力学参数值增大。事实上,基质中蛋白链的构象和排列导致了类似胶原结构的较强的分子间力,从而提高了其力学性能。Pranoto等也报道了多糖,例如淀粉,与明胶相互缠绕后,材料的力学抗性得到提高。

含脂质膜的EM值和TS值均低于那些无脂质的膜。这可以由微观结构的特性来解释,如图2所示,可以观察到聚合物基质的连续性被脂质液滴打断。这些不连续性,以及在脂类化合物存在下可能存在的分子间力的弱化,均降低了基质的内结合力,从而降低了力学抗性能,该结论之前其他作者也报告过。同样地,添加脂质物提高了膜的断裂伸长率,当明胶比列增高（高达50%）时,效果十分明显。先前已经观察到,由于脂质的塑化效果,通过添加脂质物,蛋白质-淀粉基质膜的可延展性增强。因此,脂质物在明胶-淀粉膜中具有增塑作用,这可能是由于基质中官能团的取向作用有利于脂质物-聚合物的相互作用和聚合物链间吸引力的减弱。这种效果意味着聚合物网络的软化,且有利于膜拉伸过程中链的滑移,从而增强其延展性。在初始控制时间内这种效果更加显著。

由于老化,除了含脂质物的纯淀粉膜,所有的膜变得更加坚硬且不可延展,从而表明在存储过程中链进行了持续重排。蛋白质链倾向于通过螺旋结构聚集,而支链淀粉和直链淀粉链通过形成氢键逐步聚集。在含脂质物的膜中,观察到类似的、但不显著的趋势。在5周的存储后,纯脂质淀粉膜（100S-0Ge）的力学反应很明显。相反,先前Jimenez等人观察到,在含有脂肪酸的玉米淀粉中,与初始值比较,膜表现出更强的可延展性（p＜0.05）。这个意想不到的值可能是由于木薯淀粉的直链淀粉含量较低,而直链淀粉有形成带脂质螺旋复合物的能力。游离的（非复合）脂质分子可以逐步释放可润滑淀粉的基质,从而使聚合物链在拉伸试验中更容易滑动。我们所观察到的木薯淀粉的行为方式表明,低的直链淀粉含量以及淀粉链和脂质分子间的相互作用,在膜的力学性能中起着非常重要的作用。

图3 在25 ℃,53%的相对湿度条件下,平衡1周或5周的淀粉-明胶膜的应力-应变曲线。A和B对应1周的存储时间数据,C和D对应5周的存储时间数据。

表3 均存储1周或5周,含或不含单-双脂肪酸甘油酯的淀粉-明胶基膜的力学性能。平均值与标准差。

4 结论

对甘油增塑木薯淀粉,牛皮明胶和脂类（脂肪酸单-双甘油醋的共混物）的掺入显著影响了淀粉膜的物理性能,同时表现出聚合物相分离和一个脂质物分散相。聚合物共混膜的力学性能明显优于纯淀粉膜。明胶的掺入产生了具有更抗断裂和更强延展性的硬膜,而脂质物降低了膜的硬度和抗性,但是提高了拉伸延展性,尤其是在含50%明胶的膜上。同样,脂质物改善了膜的水阻隔性能,同时它们降低了膜的氧渗透性、光泽度和透明度。存储5周后,所有的膜变得更硬且难以断裂,特别是那些不含脂质物的膜。脂质物提高了膜存储过程中的可延展性。以在食品行业中市场更容易接受为目的,不论含不含脂质物,含50%明胶的木薯淀粉膜在食品涂层或包装上都表现出非常优异的性能,所以在食品行业具有显著优势。