鱼皮胶原纤维淀粉复合膜的制备及性能研究

徐 晶,叶 锐,时 瑞,程文健,陈丽娇,梁 鹏

(福建农林大学食品科学学院,福建福州 350002)

食品包装是保护食品在加工、运输、贮藏过程中,免受外界物理、化学、生物危害引起食品腐败变质的重要环节。目前食品包装材料以不可降解的塑料薄膜为主,但由于技术、经济方面的原因,使塑料薄膜的回收受到限制[1]。淀粉来源于大自然,具有较好的成膜性和可降解性,是重要的可降解生物薄膜的材料来源,但单一的淀粉膜阻湿性较差、机械性能也不理想,限制了其应用[2]。为了克服淀粉膜表现出来的较差的阻隔性能和机械性能,常将淀粉作为填充基质与纤维素或其衍生物混合,通过天然纤维素及其衍生物的增强作用,以达到增强复合膜强度和刚度的效果[3-4]。Müller等[5]将一定量的纤维素添加到淀粉膜中形成的复合膜致密、均一,对复合膜机械性能、阻隔性能研究,发现添加纤维素使淀粉膜抗拉强度和刚性增加,水蒸汽的阻隔性能增强。

胶原纤维是由交错的原胶原分子交联而成的具有纤维状结构的蛋白,其广泛存在于动物组织结构中。将动物皮胶原在稀醋酸酸性体系中先进行酸松弛,然后对组织研磨,可获得具有纤维束形状的胶原纤维,其同时保持了天然胶原纤维的性质和性能[6-7]。酸预处理时间越长,鱼皮结构变得越疏松[8],在研磨过程中胶原纤维组织越容易分散,可能得到长短、粗细不同的胶原纤维。胶原纤维具有较高的弹性,在形变过程中表现出较高的断裂强度[9]。利用胶原纤维的不溶性和纤维状结构,将其作为增强材料,搭建网络骨架结构,并以淀粉为填充基质,制备复合膜,有望获得性能优良的膜材料,然而这方面的研究尚属空白。有研究表明,添加不同纵横比的纤维素对淀粉膜机械性能有较大的影响[10]。Deiber等[11]也表示适当粒径的胶原纤维对膜的均一性有至关重要的作用。因此胶原纤维的尺寸对淀粉膜性能可能产生较大影响。

为研究鱼皮胶原纤维尺寸及其添加量对鱼皮胶原纤维-淀粉复合膜的性能的影响,本文主要以鱼皮胶原纤维为网络骨架,淀粉为填充基质,制备复合膜。研究醋酸预处理不同时间得到的不同尺寸胶原纤维及其添加量对淀粉膜性能的影响。同时以复合膜的机械性能为指标,确定较优的胶原纤维-淀粉复合膜的制备工艺。利用傅里叶红外光谱、差示扫描量热法、扫描电镜对单一淀粉膜和复合膜进行表征,分析其相互作用机制。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

干明太鱼皮 购自吉林珲春市;食用玉米淀粉 菱花集团有限公司;甘油、冰醋酸、氢氧化钠 购自国药集团化学试剂有限公司。

DHG-9070A型电热恒温水浴锅 上海精宏实验仪器设备有限公司;BS224S型电子分析天平 北京赛托利斯有限公司;KQ-200VDE型超声波清洗机 济南华舜仪器有限公司;ECLIPSE Ts2型倒置显微镜 尼康仪器有限公司;SPX-250型微电脑人工气候箱 上海荣宣仪器有限公司;0～10 mm数显千分测厚规 深圳新德亚精密仪器有限公司;EZ TEST型质构仪 日本岛津公司;DSC200F3型差示扫描量热仪 佐藤精密仪器有限公司;VERTEX 70傅里叶红外光谱仪 布鲁克光谱仪器公司;Nova Nano SEM型扫描电子显微镜 美国捷克FEI公司。

1.2 实验方法

1.2.1 胶原纤维的制备 将干明太鱼浸水1 h,去鳞洗净,用纱布擦干表面水分。称取四份40 g擦干的鱼皮,用400 mL的0.1 mol/L的NaOH溶液于4 ℃浸泡4 h,每两小时换一次溶液,以除去鱼皮中杂蛋白和色素。用大量去离子水漂洗至中性(以pH计测上清液为准)。再用400 mL的0.05 mol/L醋酸溶液于4 ℃分别浸泡3、6、9和12 h。用高速粉碎破壁搅拌成匀浆。再添加400 mL的去离子水用胶体磨研磨5次,收集匀浆。通过预实验发现当胶原纤维尺寸大于45目时,形成的膜表面粗糙。且当粒径较大时,对形成的膜机械性能有不利影响[11]。因此,用45目筛过滤匀浆,收集滤液,筛上物再用去离子水反复清洗三次,收集所有滤液,用离心机以4500 r/min速度离心15 min,除去上清液。然后添加去离子水,混匀沉淀物,离心,除去上清液。如此反复离心3次,最终取沉淀物,即得酸处理不同时间的不溶性胶原纤维(CF3、CF6、CF9、CF12),然后冷藏备用。

1.2.2 胶原纤维尺寸分布测定 取上述不溶性胶原纤维一定质量,配制成0.2%的悬液,用手持式均质机均质30 s,用光学显微镜测量纤维长度和直径。具体方法:取一定摇匀后的悬液于载玻片上,盖上盖玻片,按照一定顺序移动载玻片,随机选择胶原纤维,通过仪器自带的软件测量胶原纤维长度和直径,直至获取200个读数,按照胶原纤维长度依次划分为50 μm以下、50～100、100～150、150～200、200～250、250～300、300～400、400～500、500 μm以上等若干区间,统计各个区间段的频数,做出胶原纤维尺寸分布直方图。

1.2.3 胶原纤维-淀粉复合膜的制备 称取一定量的淀粉于去离子水中,并添加30%(占淀粉含量)甘油,置于90 ℃水浴锅内边搅拌边加热30 min,配制成质量分数为8%的淀粉糊液。

称取一定量的胶原纤维于去离子水中,在室温下用手持式均质机使胶原纤维与水形成均匀的混合液。再分别称取一定质量的冷却至60 ℃左右的淀粉糊液与胶原纤维混合液配成100 g胶原纤维-淀粉共混液(其中保持淀粉含量占总膜液质量的4%,胶原纤维(以干基计,占淀粉含量的0%、2.5%、5.0%、7.5%、10.0%和12.5%)),并用手持式均质机使其混合均匀,然后置于超声清洗机中超声10 min以脱除气泡。将膜液倒入有机平板内,置于平整台面,在室温下风干24 h,再放置25 ℃恒温恒湿箱内干燥24 h。揭下干燥的膜置于恒温恒湿箱内,湿度控制在50%±3%平衡72 h,用于测定膜的基本性能。将另一部分膜置于含变色硅胶的干燥器内一周,用于测定傅里叶红外光谱、DSC分析和扫描电子显微镜结构观察。

1.2.4 膜厚度测定 在膜边缘和中心随机取10个点用精密度为0.001 mm的数显千分测厚规测其厚度,求平均值。

1.2.5 透明度 用紫外分光光度计测膜在600 nm波长下的吸光度值来评价膜的透光性能。具体方法参考Condés等[13]方法。将膜裁剪成10 mm×50 mm的长条,置于比色皿中,将比色皿放入测试池中,测试样品的吸光度,其中空比色皿为参考值。每个处理取5个样品,求取平均值。透明度值计算公式如下:

式中:A600是薄膜在600 nm波长处的吸光度值;x为膜的厚度(mm);T为透明度值,透明度值越高,说明膜的透明度越低。

1.2.6 溶解性测定 膜的溶解性测定参考阳晖[12]方法,并略微修改。将平衡湿度后的膜剪成2 cm×2 cm的样品,将其放入105 ℃鼓风干燥箱内12 h至恒重,再称其重量记为m1。随后,将干燥后的膜放入50 mL离心管中,加入30 mL去离子水,在30 ℃下保存24 h。然后取出不溶性膜碎片置于105 ℃鼓风干燥箱干燥12 h至恒重,称其质量m2。每组试验重复三次,然后求平均值。溶解性计算公式:

1.2.7 机械性能 将平衡湿度后的膜,剪成10 mm×50 mm长条,用质构仪测定其机械性能。膜的抗拉伸强度和断裂伸长率测定方法参照陈俊等[14]描述的方法。其中,膜的初始拉伸速度为60 mm/min,初始夹持分离长度为30 mm。每个处理取10个样品,取平均值。计算公式如下:

式中:TS为抗拉强度(MPa);EAB为断裂伸长率(%);F为膜拉伸过程中受的最大张力(N);A为膜的横断面积(m2);L1为拉伸时的初始夹持距离(30 mm);L2为膜拉伸至断裂时的长度(mm)。

1.2.8 膜的水蒸气透过率测定 膜的透湿性测定参考程文健等[15]报道的方法略有修改。将50 mm×30 mm的称量瓶杯沿涂一层凡士林,并向称量瓶内倒入15 mL去离子水。将平衡湿度后的,完整、无孔的薄膜裁剪成直径为5.5 cm的圆片,覆盖在称量瓶瓶口上,压紧称重,放入装有变色硅胶的密封干燥器中。使膜内外两侧保持100%/0%的相对湿度。将干燥器置于25 ℃恒温箱中,每2 h称重一次,做出质量变化随时间的关系图,由此得到一条直线,决定系数R2>0.99,由此计算水蒸气渗透率(WVTR,单位g/m2·h),并根据WVTR计算水蒸气透过系数(WVP,单位g·mm/kPa·h·m2)。试验中每个处理重复测定3次。计算公式如下:

式中:Δm为两次测定的质量差(g);t为两次测量间隔时间(h);S为圆片的面积(mm2);L为薄膜的厚度(mm);ΔP为膜内外两侧的水蒸汽压差(kPa)。

1.2.9 傅里叶红外光谱分析 用配有衰减全反射附件的傅里叶红外光谱仪进行分析,方法参照Arfat等[16]所描述的方法。将用干燥器干燥两周后的复合膜置于ATR附件上,测试温度为25 ℃,以不加样品的空ATR附件为背景光谱,用反射法波数4000～650 cm-1,分辨率为4 cm-1,扫描次数为32次。

1.2.10 热稳定性分析 热稳定性分析采用差式扫描量热法。称取4 mg左右经干燥器干燥后的薄膜样品,密封于铝坩埚中,以空铝坩埚为参比,以氮气为保护气,保护气流量为20 mL/min。升温速率为10 ℃/min,在温度范围为20～300 ℃内进行差式扫描量热分析。

1.2.11 微观结构观察 取出经干燥器干燥两周后的膜,用液氮浸泡后折断,将样品固定在样品台上,真空镀金2 min。然后将样品置于场发射扫描电子显微镜中,在加速电压为5.0 kV下,分别观察膜表面和截面的微观结构。其中膜表面放大倍数为1000倍,截面放大倍数为2000倍。

1.3 数据处理

数据分析采用软件Origin 9.0进行处理,用SPSS 20.0对数据进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 胶原纤维的尺寸分布

鱼皮经醋酸浸泡后,胶原纤维会膨胀,通过醋酸浸泡不同的时间,打浆后胶原纤维尺寸相差较大。经过不同时间处理后,胶原纤维直径大部分在10～20 μm(数据未显示)之间,相比于长度的分布变化规律不明显。如图1,CF3、CF6、CF9和CF12分别代表经过醋酸浸泡3、6、9、12 h后研磨得到的胶原纤维。从胶原纤维长度分布图可以看出,胶原纤维长度都分布在0～600 μm,其中CF3长度主要集中在0～300 μm之间;CF6长度集中在50～200 μm之间;CF9和CF12长度分布集中在50～200 μm之间,且50～100 μm最为集中。表明浸泡时间较长,得到的胶原纤维长度较短且分布均匀,而浸泡时间较短导致胶原纤维长度不一,长度分布广泛。这可能是由于醋酸浸泡越长,鱼皮膨胀效果越好,越利于胶原纤维组织分散[17]。

图1 胶原纤维长度分布Fig.1 Distribution of collagen fiber length

2.2 复合膜厚度和透明度

复合膜的厚度影响复合膜大多数功能特性,薄膜厚度增加,透明度降低[18]。薄膜厚度不仅影响光学性能,而且可能影响包装膜的机械性能[19]。由表1可以看出,当胶原纤维添加到一定量时,薄膜的厚度显著性增加(P<0.5)。

薄膜的透明度是包装材料的重要指标,消费者更喜欢选择薄而透明的薄膜应用于食品包装表面[20]。透明度值越低,表明薄膜的透明度越高。见表1,胶原纤维添加量较大时,薄膜的透明度值显著性增加(P<0.5),薄膜透明度降低。这与薄膜厚度变化趋势相近。胶原纤维是白色或类白色絮状纤维[21],因此,引起胶原纤维-淀粉复合膜透明度的变化最主要还是胶原纤维的添加。

表1 复合膜的基本性能Table 1 Basic properties of composite films

2.3 溶解性

胶原纤维-淀粉复合膜的溶解性随胶原纤维添加量变化见表1,纯淀粉膜及胶原纤维淀粉复合膜的溶解度范围为16.27%～20.08%。当加入胶原纤维后,复合膜中胶原纤维含量较低时对淀粉膜溶解性有轻微增加或不变的趋势,当胶原纤维添加量达到7.5%或更高时,复合膜溶解性明显下降。这可能是当复合膜中胶原纤维含量较高时,胶原纤维相互缠绕,形成较完整的网络结构,使复合膜中的淀粉颗粒不容易溶解释放出来。Chiumarelli等[22]研究了木薯淀粉和巴西棕榈蜡的薄膜的水溶性范围为27.86%至51.09%,天然甘薯淀粉及改性淀粉膜的溶解度范围在19.58%～53.43%之间[23],本实验胶原纤维-淀粉复合膜的溶解性降低可能是胶原纤维与淀粉相互作用的原因[24],也有可能归因于胶原纤维也难溶于水[25]。

2.4 复合膜机械性能探究

2.4.1 抗拉强度 由图2可以看出,当添加胶原纤维的量达到7.5%时,添加CF3和CF6制备的复合膜抗拉强度明显高于CF9和CF12。复合材料的机械性能受增强材料的尺寸、形状、纵横比及分布的影响[26]。CF3和CF6长短不一,长度分布较广,而CF9和CF12长度较短,且集中(图1)。而尺寸分布较广的不溶性胶原纤维可能比集中尺寸的不溶性胶原纤维对复合膜性能更好[27]。因为较长的纤维在相互缠绕过程中,较短的纤维能作为填充材料,起到进一步连接作用,加固了网络结构[26]。因此用醋酸预处理较短时间的胶原纤维CF3和CF6对复合膜抗拉强度有积极影响。

图2 胶原纤维添加量对抗拉强度的影响Fig.2 Effect of the addition of collagen fiber on tensile strength

胶原纤维-淀粉复合膜的抗拉强度随胶原纤维的添加大部分呈先下降后上升再下降的趋势,添加10%的CF6有最强的抗拉强度。可能原因是胶原纤维含量较低时,胶原纤维不足以形成网络结构,在复合膜中反而破坏了淀粉之间的相互作用力,使膜的抗拉强度下降[28]。而胶原纤维含量增加到一定程度,胶原纤维相互缠绕,并与淀粉分子间相互作用,形成更牢固的结构,从而承受更大的机械力,膜抗拉性能增强[29-30]。然而,当胶原纤维继续增加时,膜的抗拉强度反而有下降的趋势。这可能是当含量进一步增加时,一方面可能引起胶原纤维聚集,使膜更加不均匀[3];另一方面,可能是胶原纤维含量增加,复合膜液黏度增大,产生部分难以去除的气泡,形成的膜有较多细小的空隙,抗拉强度下降。这与预实验中胶原纤维添加量增加到15%时,复合膜的表面有较多气泡的现象相符。

2.4.2 断裂伸长率 由图3可以看出,当胶原纤维添加量增加到一定量时,复合膜断裂伸长率增加,且较长时间醋酸预处理得到的胶原纤维对复合膜的断裂伸长率改善尤为明显。这可能是添加胶原纤维削弱了淀粉膜中淀粉分子间作用力,使淀粉链刚性降低,复合膜柔韧性增加[24],且较短纤维作用效果更加明显。

图3 胶原纤维添加量对断裂伸长率的影响Fig.3 Effect of the addition of collagen fiber on the elongation at break

2.5 水蒸气透过系数

胶原纤维-淀粉复合膜水蒸气透过系数见图4。纯淀粉膜水蒸气透过系数为1.079 g·mm/kPa·h·m2,添加胶原纤维后,复合膜的水蒸气透过系数明显增加。可能原因是添加胶原纤维后,虽然胶原纤维形成了网络结构,但破坏了淀粉膜内部结构的致密性,水蒸气透过速率增加。

图4 胶原纤维添加量对WVP的影响Fig.4 Effect of the amount of collagen fiber on WVP

2.6 傅立叶红外光谱分析

根据上述分析,选择抗拉强度最好的复合膜配方(添加10%的CF6与淀粉复合)进行复合膜结构表征。通常利用傅里叶红外光谱分析薄膜组分间的相互作用,薄膜的红外光谱图如图5。薄膜在1151和1079 cm-1处均出现吸收峰,此为淀粉C-O-C吡喃糖环骨架振动和C-C键吸收峰[25,31]。所有膜在3000～3500 cm-1波段范围内均有吸收峰,此为OH和NH振动波数[32]。通常振动波数OH、NH振动谱带表示聚合物之间的相互作用是氢键结合引起的[16],波段向低波段移动说明氢键增强或有形成氢键[33]。加入胶原纤维后,波数由3331 cm-1向3318 cm-1偏移,说明胶原纤维与淀粉形成氢键相互作用。淀粉中有大量的羟基可与蛋白质中的氨基形成氢键,从而增加聚合物间的相互作用力[34]。此外,加入胶原纤维后,复合膜波数从1644 cm-1向1658 cm-1移动,这可能也是胶原纤维与淀粉相互作用引起的。

图5 复合膜的傅里叶红外光谱图Fig.5 Fourier transform infrared spectroscopy of composite films

2.7 热稳定性分析

对膜材料热力学表征分析可以得到膜的结构及稳定性特征。玻璃化转变温度(Tg)是用于分析共混物的相容性和热稳定性的重要指标,它是聚合物各种类型分子运动的反映,与材料的种类及复合膜的结构性质有很大关系。在一个二元共混体系中,若复合膜热变性曲线中出现一个峰,且位于两主体物质之间,表明复合膜中两相相容性良好,若出现两个峰,且偏离主体物质的,则说明两者之间相容性不好[35]。如图6为纯淀粉膜和添加10%胶原纤维(CF6)的复合膜的DSC图,在30～250 ℃温度范围内,单一淀粉膜玻璃化转变温度为125.71 ℃,而添加胶原纤维后,复合膜的玻璃化转变温度降低至120.7 ℃。单一淀粉膜和复合膜都只出现一个吸热峰,说明胶原纤维与淀粉相容性良好。凡是能使链柔性增大的链结构因素,能降低复合膜的玻璃化转变温度[36]。因此复合膜玻璃化转变温度降低充分表明添加胶原纤维破坏了淀粉链之间相互作用,使链柔韧性增加。这一结论与复合膜的断裂伸长率增强相符。

图6 复合膜的热稳定性图Fig.6 Thermal stability diagram of composite films

2.8 微观结构观察

如图7分别为纯淀粉膜和添加10%胶原纤维(CF6)的复合膜的表面图和截面图,纯淀粉膜表面和截面均比较光滑,这是由于淀粉与淀粉链之间的相互作用,形成比较致密的薄膜。添加胶原纤维后,薄膜的表面变得粗糙,通过截面图,可以清楚看到胶原纤维均匀分布在淀粉膜中,断面变得粗糙。表明胶原纤维与淀粉发生了相互作用,使断面变得粗糙,同时使淀粉膜的致密性降低。

图7 复合膜的扫描电子显微镜图Fig.7 Scanning electron microscope diagram of composite films注:a、b分别代表纯淀粉膜的表面(1000×)和截面图(2000×),c、d分别代表胶原纤维-淀粉复合膜的表面(1000×)和截面图(2000×)。

3 结论

本文研究醋酸预处理不同时间得到的不同类型的胶原纤维及其添加量对复合膜基本性能的影响,并对制备的复合膜进行表征,研究胶原纤维与淀粉共混过程中相互作用机理。结果表明,添加胶原纤维能增加复合膜的柔韧性和水蒸气透过系数,降低复合膜的溶解性;当添加7.5%和10%的CF3和CF6时,对复合膜的抗拉强度有增强作用,而添加CF9和CF12使复合膜的抗拉强度降低。胶原纤维与淀粉相容性良好,在成膜过程中,胶原纤维与淀粉形成氢键;但加入胶原纤维后复合膜的热稳定降低,这可能与胶原纤维破坏淀粉膜中淀粉分子间作用力有关。因此选择添加适当量的CF3和CF6能改善淀粉膜的性能,研究结果为胶原纤维应用于可食膜及其改性研究提供理论基础。