纳米TiO2对魔芋葡甘聚糖/玉米醇溶蛋白复合膜结构和性能的影响

向 飞，李 冲，夏玉婷，肖 满，吴 考，倪学文

(湖北工业大学生物工程与食品学院, 湖北武汉 430068)

石油基塑料难降解，易破坏生态环境，使用绿色环保的材料已在全球成为共识。天然高分子复合膜具有良好的生物可降解性，是包装材料、医疗等领域的绿色资源，是可降解膜研究的热点内容[1-2]。目前，天然高分子复合膜的研究，主要集中在配方优化，以提高膜的理化性能[3-6]；添加活性成分，如抗氧化剂、抑菌剂和纳米材料等[7-8]，赋予膜材料特殊功能特性。Oleyaei等[9]向淀粉成膜液中添加纳米TiO2发现，纳米TiO2均匀分散在成膜液中，与淀粉形成复杂的三维网络结构；膜表面粗糙度和热稳定性增加，吸湿性降低。Qu等[10]在壳聚糖/玉米醇溶蛋白成膜液中加入纳米TiO2发现，复合膜微观结构改变，阻隔性能提高，且具有抑菌性。

天然高分子复合膜的制备原料主要有多糖、蛋白和脂类[11-12]。魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan,KGM)是从魔芋块茎中提取的一种主链由葡萄糖和甘露糖残基(1∶1.6)经β-1,4糖苷键聚合，支链经β-1,3糖苷键聚合的水溶性、非离子型高分子多糖，分子量为2.0×105～2.0×106g/mol[13-14]；纯魔芋葡甘聚糖膜的耐水性和抗菌活性差[6,15]。玉米醇溶蛋白(zein)源于玉米，有α、β、γ三种组分，主要蛋白质是α-醇溶蛋白(占醇溶蛋白总量的70%～85%)，分子量为1.9×104～2.2×104g/mol[16-17]；玉米醇溶蛋白疏水性好，可与魔芋葡甘聚糖共混制膜，提高复合膜的力学性能和疏水性能[3-4]。二氧化钛(TiO2)是一种惰性、无毒的材料，具有光催化活性和生物相容性；在光的激发下，TiO2能降解微生物的有机组分，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有良好抑制作用[18-19]。为进一步改善魔芋葡甘聚糖/玉米醇溶蛋白复合膜的理化性能，本研究在膜基质中引入纳米TiO2，使其符合实际应用需要。

本文以魔芋葡甘聚糖、玉米醇溶蛋白为基质，制备纳米TiO2/魔芋葡甘聚糖/玉米醇溶蛋白复合膜；研究了不同纳米TiO2添加量对复合膜的微观结构、热性能、机械性能和疏水性能的影响，评价了复合膜对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌的抑菌效果，以期为纳米TiO2/魔芋葡甘聚糖/玉米醇溶蛋白复合膜在包装领域的应用提供一定参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

魔芋葡甘聚糖 武汉力诚生物科技有限公司；玉米醇溶蛋白 百灵威试剂有限公司；无水乙醇(分析纯)、甘油(分析纯) 国药集团化学试剂有限公司；纳米TiO2(粒径 5～10 nm) 麦克林试剂网；大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌 2代菌种上海鲁微科技有限公司。

DNG-9031A烘箱 中国上海精宏有限公司；OS20-Pro搅拌器 美国赛洛捷克公司；LHS-150HC恒温恒湿箱 无锡华泽科技有限公司；TA.XT Plus质构仪 英国SMS公司；SC 502电子显微镜 日本东京日立公司；W3/031水蒸气透过率仪 济南兰光有限公司；DSA25水接触角测试仪 德国克鲁斯公司；VERTEX 70傅立叶红外光谱 德国布鲁克有限公司；DSC-Q10差式扫描量热仪 美国梅特勒公司。

1.2 实验方法

1.2.1 复合膜的制备 分别称取一定质量的纳米TiO2(基于魔芋葡甘聚糖和玉米醇溶蛋白总质量的1%、2%、3%)，加至100 mL水中；将其置于超声振荡仪中，均匀分散，制得纳米TiO2悬浮液。称取甘油0.15 g(基于魔芋葡甘聚糖和玉米醇溶蛋白总质量的15%)和0.10 g玉米醇溶蛋白溶解于20 mL乙醇/水(80/20，v/v)溶液中，在25 ℃，转速为500 r/min，磁力搅拌15 min，制得玉米醇溶蛋白溶液。称取0.90 g魔芋葡甘聚糖，缓慢加至纳米TiO2悬浮液中，在60 °C，转速为600 r/min，持续搅拌1 h，制得纳米TiO2/魔芋葡甘聚糖溶液。将玉米醇溶蛋白溶液缓慢加入纳米TiO2/魔芋葡甘聚糖溶液中，在60 ℃，转速为1000 r/min，持续搅拌30 min，制得纳米TiO2/魔芋葡甘聚糖/玉米醇溶蛋白成膜液。将成膜液缓慢倒于玻璃板内(14 cm×14 cm×1.5 cm)，在60 ℃烘箱中烘干，膜干燥终点的水分含量为9%(w.b.)。不同纳米TiO2添加量的复合膜分别命名为KZ、1%KZT、2%KZT和3%KZT；纯魔芋葡甘聚糖膜作为对照组，命名为KGM。

1.2.2 检测方法

1.2.2.1 扫描电子显微镜 利用扫描电子显微镜(SEM)观察膜的微观形貌；将膜裁成4 mm×4 mm，100×下观察表面；膜在液氮中脆断，1000×下观察膜的横截面。样品在真空度为7.5 Pa的大气压下喷金，喷金厚度为20 nm，时间为90 s，加速电压为30 kV。

1.2.2.2 傅里叶红外光谱 将膜样品裁成2 cm×2 cm，进行衰减全反射光谱扫描(FTIR)分析。测试前，样品需在60 ℃下平衡48 h。测试温度为：25 ℃；扫描波数为：4000～500 cm-1；在4 cm-1分辨率，32次扫描，收集数据。

1.2.2.3 差示扫描量热分析 利用差示扫描量热仪(DSC)检测膜样品的热稳定性。称量膜4 mg，密封于梅特勒皿中，检测温度：20～400 ℃，升温速率是10 ℃·min-1，检测系统在N2环境中运行。使用10.00版本STARe(Mettler Toledo，Zurich，Switzerland)操作软件进行数据分析。

1.2.2.4 水接触角测试 使用配备CCD相机和图像处理软件的水接触角测试仪，测试膜表面的水接触角值。将膜裁成2.0 cm×2.0 cm；使用注射器将2 μL的去离子水滴于膜表面。30 s稳定后，水滴与膜表面形成的角度，即为水接触角值。

1.2.2.5 水蒸气透过率 利用符合国家标准GB/T 1037-1988[20]测试原理的水蒸气透过率仪，测试膜的水蒸气透过率(10-13g·cm/(cm2·s·Pa))。将裁剪好的膜片，放入装有25 mL去离子水的透湿杯上，组装透湿杯，将其放入测试室。测试室的温度为25 ℃，相对湿度为90%。

1.2.2.6 溶胀率 将膜样品裁剪为2 cm × 2 cm，称其质量m1，浸没在30 mL去离子水中，25 ℃静置溶胀5 h；取出溶胀后的复合膜样品，用滤纸小心擦拭，除去表面多余水分，称其质量m2。溶胀率计算公式如下：

式中，m1(mg)为浸水前的样品干重；m2(mg)为浸水5 h后的样品重量。

1.2.2.7 力学性能测试 根据ASTM D882-09标准方法[21]，利用质构仪测试膜的拉伸强度(TS)和断裂伸长率(EAB)。膜样品剪切成10 mm×50 mm的条状(切口均匀、无裂痕)。测试时，膜样品夹在夹持器之间，初始夹具间隔为30 mm，移动速率为0.5 mm/s，使用Texture Expert软件记录力随变形程度的变化。拉伸强度和断裂伸长率的计算如下所示：

式中，F为复合膜断裂时的力(N)；T为膜厚(mm)；W为膜宽(mm)。

式中，L0为膜的起始长度(cm)；L为复合膜断裂前的长度(cm)。

1.2.2.8 抑菌实验 制备液体培养基，分别称取胰蛋白胨10 g，酵母提取物5 g，NaCl 10 g，将以上溶质溶解于950 mL水中，使用NaOH溶液将其pH调至7.0，定容到1000 mL，灭菌。在液体培养基的基础上，加入总体积3%(w/v)的琼脂，加热溶解，灭菌，制得固体培养基。活化菌种，并将活化后的金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和枯草芽孢杆菌分别稀释约106CFU/mL，各吸取0.1 mL，分别涂布在已灭菌的固体培养基上。在无菌条件下，将复合膜剪成直径1 cm的圆片，并置于涂有菌悬液的固体培养基上，37℃培养24 h，取出观察。

1.3 数据处理

每个样品至少重复测定3次，取平均值±SD。采用Origin 8.0软件和SPSS 19.0软件进行数据统计分析，通过单因素方差分析比较组间数据(图中不同字母表示差异显著，P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 微观结构

利用扫描电子显微镜观察了KGM膜、KZ复合膜、不同纳米TiO2添加量的KZT复合膜的表面和截面的微观结构。图1和图2显示，KGM膜光滑、均匀且致密。KZ复合膜较KGM膜粗糙，玉米醇溶蛋白均匀分布在魔芋葡甘聚糖基质内，干燥过程中玉米醇溶蛋白分子发生聚集，使KZ复合膜的粗糙度增加[3-4,22]。KZT复合膜中，随着纳米TiO2添加量的增加，复合膜表面的“斑点状”颗粒逐渐增大，膜的表面粗糙度增加；截面呈现出凹凸不平的形态。可能是溶剂由里向表迁移和挥发，纳米TiO2颗粒在成膜液中发生迁移，纳米颗粒发生聚集，导致纳米TiO2颗粒改变了魔芋葡甘聚糖与玉米醇溶蛋白的原生网络结构，从而改变复合膜的微观形态，这与Oleyaei等[9]的研究结果相似。

图1 KGM膜、KZ复合膜、不同纳米TiO2添加量的KZT复合膜的扫描电镜表面图Fig.1 SEM images of the surface of pure KGM film, KZ blend film and KZT blend films with different titanium dioxide contents

图2 KGM膜、KZ复合膜、不同纳米TiO2添加量的KZT复合膜的扫描电镜截面图Fig.2 SEM images of the cross-section of KGM film, KZ blend film and KZT blend films with different titanium dioxide contents

2.2 红外光谱分析

图3显示了KGM膜、KZ复合膜、不同纳米TiO2添加量的KZT复合膜的红外光谱。KGM膜中，魔芋葡甘聚糖分子的-OH和-C-H特征吸收峰分别在3320 和2920 cm-1；1644 cm-1处的吸收峰可能是分子间水的存在引起的；870 和805 cm-1为甘露糖在魔芋葡甘聚糖中的特征吸收峰。与KGM膜相比，KZ复合膜的-OH吸收峰发生了偏移，表明加入玉米醇溶蛋白后，魔芋葡甘聚糖与玉米醇溶蛋白发生分子间相互作用[3-4,22]。添加纳米TiO2后，KZT复合膜的-OH吸 收 峰 均 发 生 偏 移，1%KZT，2%KZT，3%KZT复合膜的-OH吸收峰分别偏移至3316、3314、3293 cm-1，表明纳米TiO2与KZ复合膜基质之间发生相互作用，与Oleyaei等[9]向淀粉成膜液中添加纳米TiO2的研究结果相似。

图3 KGM膜、KZ复合膜、不同纳米TiO2添加量的KZT复合膜的红外光谱图Fig.3 FTIR of KGM film, KZ blend film and KZT blend films with different titanium dioxide contents

2.3 热性能

包装材料的热性能是决定其加工、应用温度范围的重要指标。材料的热分解温度越高，表明热稳定性越好。利用差示扫描量热分析仪对KGM膜、KZ复合膜、不同纳米TiO2添加量的KZT复合膜的热性能进行了研究(图4)，复合膜的热性能曲线中表现出单一的玻璃化转变温度：KGM膜(77.5 ℃)、KZ复合膜(100.4 ℃)、1%KZT复合膜(104.3 ℃)、2%KZT复合膜(106.2 ℃)、3%KZT复合膜(108.1 ℃)，表明复合膜基质各组分的相容性良好[3]。KGM膜和KZ复合膜的热分解温度分别为320 和330.5 ℃，魔芋葡甘聚糖与玉米醇溶蛋白可能发生氢键相互作用和美拉德反应[3-4]，使得KZ复合膜的热分解温度升高，此现象与Wu等[23]的研究相似。添加纳米TiO2后，KZT复合膜的热分解温度为338.0～338.4 ℃。可能是纳米TiO2与膜基质中成分发生相互作用，使复合膜的玻璃化转变温度和热分解温度增加，热稳定性增加，与红外光谱分析结果一致。

图4 KGM膜、KZ复合膜、不同纳米TiO2添加量的KZT复合膜的差示扫描量热图Fig.4 DSC curves of KGM film, KZ blend film and KZT blend films with different titanium dioxide contents

2.4 水接触角

水接触角是水滴与固体表面保持接触，水滴与固-液接触面交界形成的角度；这是由于两相之间的界面相互作用造成的，通常用来测量材料表面的疏水性；水接触角值越大，表面疏水性越好。KGM膜、KZ复合膜、不同纳米TiO2添加量的KZT复合膜的水接触角值如图5所示，KGM膜的水接触角低于65°，表明KGM膜表面的亲水性较好[24]。KZ复合膜和KZT复合膜的水接触角范围在70～105°，较KGM膜表面疏水性显著提高(P<0.05)。纳米TiO2添加量为1%(wt%)时，KZT复合膜的水接触角值最大，继续增加纳米TiO2，水接触角值下降。可能是纳米TiO2添加量在1%时，纳米颗粒均匀的分布在复合膜基质中，且此时纳米TiO2与KZ复合膜基质之间发生相互作用较强，复合膜基质与水滴之间的相互作用减弱，水接触角值较大，复合膜的疏水性较强。当纳米TiO2添加量浓度提高，纳米TiO2发生聚集，复合膜表面粗糙度增加，这可能加大了水分与魔芋葡甘聚糖的接触，导致复合膜疏水性下降。

图5 KGM膜、KZ复合膜、不同纳米TiO2添加量的KZT复合膜的水接触角图Fig.5 Water contact angle of KGM film, KZ blend film and KZT blend films with different titanium dioxide contents

2.5 水蒸气透过率

复合膜水蒸气透过率如图6所示，KGM膜具有最高的水蒸气透过率，这是因为魔芋葡甘聚糖有较高的亲水性。与KGM膜比较，KZ复合膜的水蒸气透过率显著下降(P<0.05)，这是由于玉米醇溶蛋白具有较强的疏水性，且玉米醇溶蛋白与魔芋葡甘聚糖存在分子间相互作用[3-4]，使得KZ复合膜的疏水性增强，从而降低其水蒸气透过率。KZT复合膜的水蒸气透过率均低于KGM复合膜，且纳米TiO2的添加量为1%时，KZT复合膜的水蒸气透过率值最小，表现出最好的阻湿性。可能是纳米TiO2的加入，膜基质中形成新的相互作用和分子缠结，改变了膜的原生微观结构，水分子通过的微观路径变得更加复杂。但纳米TiO2添加量增加后，水蒸气透过率增加，可能是因为纳米TiO2在膜基质中形成聚集，复合膜的致密程度降低，水分子在复合膜中的迁移更容易，水蒸气透过率增加。

图6 KGM膜、KZ复合膜、不同纳米TiO2添加量的KZT复合膜的水蒸汽透过率Fig.6 Water vapor permeability of KGM film, KZ blend film and KZT blend films with different titanium dioxide contents

2.6 溶胀性能

KGM膜在水中很快溶胀分散，无法测试。图7表明，KZT复合膜的溶胀率均低于KZ复合膜，表明添加纳米TiO2可提高复合膜的耐水性。1%KZT复合膜在水中的溶胀率最小，即具有最大的疏水性，这是由于纳米TiO2与KZ复合膜基质之间发生相互作用，形成稳定的网络结构，使得复合膜在水环境中保持稳定且耐水性增强。复合膜的溶胀率随纳米TiO2添加量的增加而增大，可能是纳米TiO2在膜基质中形成聚集，复合膜的致密程度降低，增大了水分子与复合膜中魔芋葡甘聚糖接触，溶胀率增加，疏水性降低，这与水蒸气透过率、水接触角测试结果一致。

图7 不同纳米TiO2添加量的KZT膜的溶胀率Fig.7 Swelling ratio of KZ blend film and KZT blend films with different titanium dioxide contents

2.7 力学性能

力学性能是评价食品包装材料在运输、储存和应用中抗应力性的重要参数。拉伸强度越大，表明膜的力学承受能力越强；断裂伸长率越大，表明膜的柔性越好[2,11,25]。图8表明，纯KGM膜的拉伸强度和断裂伸长率分别为(57.5±4.6)MPa和6.2%±0.7%，加入玉米醇溶蛋白后，KZ复合膜的拉伸强度和断裂伸长率显著提升为(76.9±4.2)MPa和16.3%±1.3%，这是由于玉米醇溶蛋白均匀分散且相容在魔芋葡甘聚糖基质中，发生分子间相互作用[3-4]。KZT复合膜的拉伸强度和断裂伸长率较KZ复合膜减小，表明纳米TiO2的加入，减小了复合膜的柔韧性和强度；可能是纳米TiO2颗粒填充在膜基质中，抑制魔芋葡甘聚糖与玉米醇溶蛋白之间的分子滑移，复合膜的柔性减低且增加复合膜的脆性，使得复合膜的力学性能降低。

图8 KGM膜、KZ复合膜、不同纳米TiO2添加量的KZT复合膜的的拉伸强度和断裂伸长率Fig.8 The tensile strength and elongation at break of KGM film, KZ blend film and KZT blend films with different titanium dioxide contents

2.8 抑菌性能

食源性致病菌严重影响食品的质量，在食品的保存过程中会引起各类安全问题，因此复合膜的抑菌性能在应用中非常重要[26]。本文评价了不同纳米TiO2添加量的KZT复合膜对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌的抑菌效果。图9显示，KZ复合膜表面均有细菌生长，表明其对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌几乎没有抑菌活性。KZT复合膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制效果，表现为复合膜表面不生长大肠杆菌和金黄色葡萄球菌。这可能是在近紫外光线的照射下，由于纳米TiO2本身作为一种光谱催化剂，纳米TiO2诱导产生了过氧化物，影响细胞中的多不饱和磷脂，从而抑制细菌的生长[22]；但KZT复合膜对枯草芽孢杆菌的抑制效果不明显，这可能是由于TiO2纳米的浓度或功效不足以抑制枯草芽孢杆菌的生长。

图9 KZ复合膜、不同纳米TiO2添加量的KZT复合膜对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌的抑菌情况Fig.9 Antibacterial effect of KZ film and KZT blend films with titanium dioxide content on Escherichia coli, Staphylococcus aureus and Bacillus subtilis

3 结论

添加纳米TiO2使复合膜表面和截面的粗糙度增加；纳米TiO2与魔芋葡甘聚糖、玉米醇溶蛋白分子间存在相互作用，相容性良好；随着纳米TiO2浓度的增加，复合膜的热稳定性提高；复合膜的拉伸强度和断裂伸长率几乎不随纳米TiO2浓度的改变而变化。添加纳米TiO2增强了复合膜的阻湿性，当添加量为1% wt时，复合膜的水蒸气透过率和溶胀率最小，水接触角值最大，复合膜的疏水性最好；添加纳米TiO2后的KZ复合膜对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌抑菌效果显著，但是对于枯草芽孢杆菌效果不明显。综上，纳米TiO2的添加量为1% wt时，KZT复合膜的综合性能最佳。在此基础上，复合膜干燥过程中微观结构的变化、成膜机理以及包装应用特性，还有待进一步研究。