纤维素粒径对胶原纤维膜性能的影响

田海龙 高颖 邢振雷 徐利 刘坤 刘飞 陈茂深

摘要：因天然肠衣存在来源有限、加工繁琐以及质量不稳定等问题，机械化程度高、质量稳定的胶原肠衣已被广泛应用于肠衣加工等肉制品工业中。但国内胶原肠衣生产起步较晚，肠衣还存在强度不够、应用品质较差等问题，本研究以期通过纤维素共混的方式来改善胶原肠衣的特性，探索纤维素粒径对胶原肠衣的影响规律及机制。测定胶原纤维膜的物化特性和应用扫描电子显微镜（SEM）等手段，观测添加不同尺寸和添加量的纤维素共混胶原纤维膜中纤维素以及胶原纤维的排列结构;运用傅里叶红外光谱（FTIR）分析、X射线衍射仪（XRD）、差示扫描量热仪（DSC）等手段分析测定胶原纤维膜的结构特点和热稳定性;结合胶原膜宏观理化特性和微观结构的特点，分析不同粒径纤维素对膜性能影响规律及其原因。结果表明，添加200 PF纤维素的膜样品具有最致密、光滑的微观结构，且表现出了最好的性能，其中湿态和水煮拉伸强度分别提高260%、50%，而热变性温度升高了约10 ℃。本研究以期将其应用于胶原纤维肠衣的实际生产中，为其品质的提高提供技术指导。

关键词：胶原纤维膜;纤维素;热收缩率;热溶胀率;力学性能;微观结构

中图分类号： TS206.4文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2020）18-0198-07

收稿日期：2020-05-22

基金项目：国家自然科学基金（编号：31801589）;江苏省自然科学基金（编号：BK20180615）。

作者简介：田海龙（1985—），男，山东青岛人，硕士，主要从事再造烟叶工艺技术研究、质量管理。E-mail：thl2003@126.com。

通信作者：刘 飞，博士，副研究员，主要从事可食用膜研究。E-mail：feiliu@jiangnan.edu.cn。

胶原蛋白是一种丰富的动物源蛋白，主要存在于动物皮、骨和结缔组织中，由于具有独特的天然螺旋结构、弱抗原性、良好的生物相容性以及来源丰富等一系列优良性能，使得胶原蛋白具有广泛的用途[1-2]。近年来，由于合成塑料包装膜材料引起的环境问题日益严峻，开发可再生、可降解的环境友好型天然生物大分子可食用膜材料替代合成塑料包装、减少白色污染已成为当今食品包装领域的一种新趋势[3]。胶原蛋白作为一种天然的生物材料，越来越多地被研究用于包装行业，如可食用包装膜、人造胶原蛋白肠衣等[4-5]。

牛皮来源的胶原纤维具有良好的成膜性和食用价值，因而工业中采用牛皮胶原作为原料制备人造肠衣，能够通过纤维之间的排列和侧链基团间的相互作用形成更为紧密的空间网络结构[6]。胶原蛋白分子具备独特的三螺旋结构，可以构成抗拉强度很大的纤维束，因而纤维膜具有一定的机械性能[7]。

但在实际应用过程中，由于香肠生产操作强度高，纯的胶原蛋白制备的肠衣不足以满足机械强度需求，有研究指出，纤维素可作为增强剂，与胶原蛋白复合制得的可食用膜的性能会有很大的提高[8-9]。因而工业生产胶原蛋白肠衣时，多将纤维素用作改良剂，通过它们之间的协同作用能够有效提高复合膜的机械性能和阻隔性能[10-11]。然而，工业中的纤维素种类繁多，粒径不同，其性质差异也较大[12]。但不同粒径的纤维素对肠衣性质的影响尚不清晰。

本研究拟通过制备添加不同粒度纤维素的胶原纤维膜样品，测定不同样品的热收缩率、热溶胀率、干湿煮3种状态下的抗拉强度和断裂延伸率，同时对不同样品的微观结构、胶原纤维堆积密度、热稳定性和分子间的相互作用强度进行分析，研究纤维素的粒度对胶原纤维肠衣膜宏观性质和微观结构的影响，以及纤维素与胶原纤维之间的相互作用。以期深入了解和阐述胶原纤维膜的组织、结构以及二者之间的关系，另一方面希望能够为改善胶原纤维肠衣的特性、推动胶原纤维肠衣产业的进步提供技术思路。

1 材料与方法

试验于2019年9—11月在江南大学胶华实验室进行。

1.1 材料与试剂

牛二层皮原料，由北京秋实农业股份有限公司提供。甘油、浓盐酸、氨水及其他试剂，均购自国药集团化学试剂有限公司。不同粒径的纤维素（软木纤维、200植物纤维（PF）纤维素、300PF纤维素、500PF纤维素）购自美国FMC公司，具体参数见表1。

1.2 仪器设备

电热恒温鼓风干燥箱，购自上海森信实验仪器有限公司;电子分析天平，购自梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司;Panda Plus高压均质机，购自德国GEA公司;Fisco-1S真空搅拌脱气机，购自德国Fluko公司;Discovery DHR-3旋转流变仪，购自美国TA公司;物性分析仪，购自英国SMS公司;X射线衍射仪，购自德国布鲁克AXS有限公司;傅立叶红外光谱仪（Nicolet IS50 FT-IR），购自美国赛默飞世尔科技公司;差式扫描量热仪，购自德国耐驰仪器制造有限公司;TA.XTPlus物性分析仪，购自源顺国际有限公司;亚克力干燥箱，购自飞世尔实验器材（上海）有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 胶原纤维膜的制备

将洗净牛皮剪成 1 cm×1 cm小块，将切块后的牛皮与2.5倍碎冰放入高速粉碎机中粉碎得皮浆。将9.3 g盐酸、25 g甘油加入1 000 mL容量瓶配制pH值为2的酸液并定容。将皮浆分别与等质量的含0.5%（质量分数）软木纤维、200PF纤维素、300PF纤维素、500PF纤维素的酸液混合，并用悬臂搅拌器搅拌约5 min使其混合均匀。在4 ℃条件下，酸化膨胀18～24 h。在胶团中加入9倍质量的去离子水，使用悬臂搅拌器搅拌至均匀状态，经30 MPa高压均质机均质1次后使用高速冷冻离心机在4 000 r/min條件下脱气 5 min。准确称量40 g脱气后胶原稀溶液于平板中，置于30 ℃烘箱干燥36 h，成膜后将其置于恒温恒湿箱内平衡72 h。以不添加纤维素的胶原纤维膜作为对照。

2.3 不同纤维素对胶原纤维膜干、湿、煮状态机械特性的影响

由于在实际生产中，胶原纤维肠衣须要经受灌肠等内容物对肠衣壁的机械挤压作用，因此要具备一定的抗拉强度和耐拉伸性[14]。但抗拉强度和断裂伸长率与胶原纤维肠衣的性能并不是完全呈正相关关系。强度不足时，容易出现肠衣破裂，而过高的抗拉强度则会降低食用品质，过大的断裂伸长率可能会出现咬不断的现象[15]。使用物性分析仪对所制备的膜样品不同状态的抗拉强度和断裂延伸率进行测定，从图3可以看出，添加4种纤维素后，膜样品在干状态下的抗拉强度都有了不同程度的下降，说明不同粒径纤维素均会破坏胶原纤维膜的结构，且软木纤维的影响最大。但在湿状态或煮1、10 min状态下，添加纤维素的抗拉强度大多大于对照组，说明在湿热处理时，纤维素的添加可缓解胶原纤维膜样品机械强度的下降。这可能是由于纤维素可以缓解胶原纤维结构的破坏。对于断裂延伸率而言，在干状态下，200PF和500PF的纤维素对胶原膜的断裂延伸率略有提升。添加软木纤维的膜样品在湿状态下展现出很大的断裂延伸率，可能是因为软木纤维与胶原纤维的相容性较好，形成了较好的融合[8]。添加纤维素后的膜样品随着水煮时间的延长，断裂延伸率均明显降低，其中500PF纤维素的膜样品下降的程度最大，这可能是纤维素的加入使得膜样品中的胶原纤维更容易在水煮时被破坏，而粒径越大（500PF）破坏程度越大。总体而言，添加200PF纤维素对膜样品的积极影响最大，特别是在煮较长时间下，表现出较好的力学性能。

2.4 不同纤维素对胶原纤维膜微观形貌的影响

各胶原纤维膜样品扫描电镜图像见图4，由上至下依次为对照组、软木纤维、200PF纤维素、300PF纤维素、500PF纤维素处理。空白组表面较为平整，无明显气孔及裂纹等缺陷，也存在部分胶原纤维聚集形成的小凸起。试验组在放大倍数为100倍情况下可以看到膜样品表面的纤维素凸起;在1 000倍状态下可以更为清晰地看出几种纤维素的形态，添加软木纤维素的膜样品较为粗糙，可能是由于其粒径较小，更容易发生聚集。200PF纤维素和300PF纤维素的加入使膜样品变得较为致密。在10 000倍下可以观察到添加200PF纤维素的膜样品，胶原纤维聚集情况有所改善。而500PF纤维素可能由于粒径过大，使得膜表面隆起，从而使得膜表面变得粗糙。

2.5 不同纤维素对胶原纤维膜傅里叶红外光谱的影响

从图5可以看出，膜样品在4 000～2 500 cm-1 的区域（氢键区）有3个胶原蛋白的特征峰，包括酰胺A谱带（3 310～3 290 cm-1）、酰胺B谱带（3 070～3 060 cm-1）和—CH2不对称伸缩振动峰（2 930～2 920 cm-1）。N—H和O—H等2种共价键的伸缩会引起酰胺A谱带变化，而酰胺A对胶原蛋白的三股螺旋结构比较敏感[16]，在膜样品添加不同种类纤维素后，酰胺A谱带几乎无变化，表明所制备的胶原纤维膜中加入其他纤维素并没有生成新的官能团，胶原纤维的三股螺旋构型特征没有改变[11]。

在1 700～1 200 cm-1的区域有酰胺Ⅰ谱带（1 650～1 640 cm-1）、酰胺Ⅱ谱带（1 550～1 540 cm-1）以及酰胺Ⅲ谱带（1 250～1 240 cm-1）的出现，它们都是胶原蛋白的特征峰。其中酰胺Ⅰ谱带为CO以及CN的伸缩振动峰，对胶原蛋白的三股螺旋结构变化较为敏感[17]，加入几种纤维素后，酰胺Ⅰ谱带均变得更加尖锐，说明引起了CO键的伸缩振动;酰胺Ⅱ谱带与三股螺旋结构相关性较小，在纤维素加入后也变得更加尖锐，说明几种纤维素与胶原纤维之间均有氢键作用，影响最大的是500 PF纤维素;酰胺Ⅲ谱带中C—N的拉伸振动，以及胶原蛋白的甘氨酸主链中—CH2基团都会引起酰胺Ⅲ谱带的变化，由FTIR图可以看出，纤维素的添加在一定程度上影响了胶原蛋白分子间的相互作用[10]，其中最显著的为软木纤维，这与膜樣品干态的力学性能具有一致性。

2.6 不同纤维素对胶原纤维膜的X射线衍射图谱的影响

采用X射线衍射分析可以确定不同胶原纤维分子的结构，也能显示出胶原中三股螺旋的含量[18]。从图6可以看出，胶原纤维膜样品均具有2个明显的特征峰，分别为2θ=8.32°的尖锐的峰和2θ=17.26° 时的宽峰。 与对照组相比， 添加纤维素的膜样品在2θ=22.84°处有较为尖锐的特征峰，此处显示的为4种纤维素的结晶度，最为明显的是300PF纤维素，可以看出在纤维素与胶原纤维形成的聚合物结晶度会发生变化。2θ=8.32°附近的峰与三股螺旋结构有关，其峰强度与膜样品中三股螺旋结构的含量呈正相关。在加入软木纤维后对该特征峰无明显影响，表明纤维素的添加对胶原纤维的三股螺旋结构影响较小，主要为物理填充和网络结构增强作用[11]，此结果与FTIR图谱所显示的结果一致。

2.7 不同纤维素对胶原纤维膜热稳定性的影响

采用差示扫描量热仪对该组膜样品的热性能进行测定，从图7可以看出，所有膜样品都有1个吸收峰，为胶原纤维的三股螺旋结构转化为杂乱无序的单链结构的转化峰，峰值温度的变化与胶原纤维分子的降解过程密切相关[18-19]，此温度均为90 ℃左右，说明胶原蛋白发生了热变性，这与相关报道中胶原纤维的变性温度[18]基本一致。

继续升高温度，膜样品也不再出现突变峰，形成一条较为平滑的线，表明纤维素也是在90 ℃左右发生了热变性。纤维素的加入对膜样品的热稳定性起到了积极作用，其中最有效的是500PF纤维素，它使得峰值温度由81.95 ℃升高到93.49 ℃（表2）。这可能是因为纤维素的热稳定性高，复合后能够增强整体的热稳定性，且粒径越大越稳定[8]。

3 讨论与结论

本研究通过对添加不同种类纤维素的膜样品的微观结构进行观测和物性进行测定，综合分析可知，不同粒径纤维素的添加可通过物理填充而降低胶原纤维膜的热收缩率，但纤维素与胶原纤维之间排列形成的缝隙便于水分的渗入，从而增大了其热溶胀率，且随着纤维素粒径的增大而更加明显。无论哪种粒径的纤维素，总体上均未改变胶原的三股螺旋结构，但提高了胶原纤维膜的湿、煮机械特性和热稳定性，其中添加500PF的纤维素时，水煮 10 min 时机械特性下降明显，而热变性温度提升最明显，约为12 ℃。研究结果表明，200PF纤维素为最合适的种类，它对膜样品的表面结构影响较小，同时跟胶原纤维形成较为紧密的结构，对膜的其他性质均有一定改善。

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