魔芋葡甘聚糖/乙基纤维素/玉米醇溶蛋白复合膜的制备与性能表征

鄢 煦，陶宇轩，叶子健，朱丹丹，肖 满，吴 考

（湖北工业大学生物工程与食品学院，湖北武汉 430068）

随着社会经济的发展、人民消费水平的提升，食品包装材料的消耗量日益增加。虽然石油基塑料包装材料成本低廉，但其大量使用已经对生态环境造成了严重的污染[1]；同时，塑料包装在加工过程中，通常会加入表面活性剂、稳定剂、增塑剂和抗氧化剂等，这些添加剂在高温环境下会发生氧化和分解等化学反应，其产物会产生有害气体和有毒物质（如CO、甲苯和甲醛等），从食品包装材料迁移到被包装食品中，危害消费者健康[2-3]。近些年随着人们对生态环境问题的日益关注，世界各国均有出台禁塑等相关法律法规并鼓励发展可降解或可食性材料[4]。虽然多糖类和蛋白类成分均可成膜，但通常其成膜性较差（如淀粉、玉米醇溶蛋白）[5-6]，或性能较差（如魔芋葡甘聚糖、明胶等亲水性过强，酪蛋白、大豆分离蛋白力学性质较差）[7-9]，因此近期研究通常将具有不同特性的天然高分子材料进行复配，来提升复合膜性质[6,8]。

魔芋葡甘聚糖（Konjac glucomannan，KGM）是魔芋根和茎中特有的天然无端基可溶性非离子型多糖[7]，具有良好的生物相容性和成膜性[10]，已被广泛应用于食品加工和生物医用领域[11]。但KGM分子链上存在大量的羟基和乙酰基，使得KGM膜具有很强的亲水性，限制了其在食品包装领域上的应用[12]。为提高KGM基膜的功能特性（如耐水性能、阻隔性能等），常将KGM和其他生物聚合物及其衍生物混合制膜。例如可得然胶[13]、琼脂[14]、壳聚糖和淀粉[15-17]、细菌纤维素纳米纤维[18]、玉米醇溶蛋白[6]、乙基纤维素[19]。其中，乙基纤维素（Ethyl cellulose，EC）是由纤维素碱化后与氯乙烷反应生成的一种非离子型纤维素醚，其纤维素主链上的羟基部分被乙基取代，具有较好的稳定性和疏水性，在药物领域通常用作薄膜的包衣材料[20]。但EC分子之间具备较强的相互作用，限制了EC纯膜的延展性。前期研究发现，将KGM与EC复配，使两者在合适的制备条件下通过氢键形成互穿网络，可形成结构均一的KGM/EC复合膜且耐水性和力学性能均可提升，其最优KGM/EC复合配比为70:30[20]。玉米醇溶蛋白（zein）来源于玉米，具有良好的生物相容性和生物可降解性，并且非极性氨基酸含量较高，阻隔水性能较高，透气性较低，是一种稳定的疏水生物聚合物[6]。Wang等[6]发现与KGM纯膜相比，KGM和zein制备的复合膜的耐水性能显著更优，其机械性能、热稳定性等也有所提高。Xiang等[21]将KGM与不同纳米粒子进行复配，也发现zein纳米粒子的添加使复合膜的微观结构更加致密，其力学性能和热稳定性也显著提高。因此在合适条件下，将KGM、EC和zein制备成三元复合膜应有助于进一步提高薄膜的性能。

因此，本文以KGM、EC、zein为原料，将三者进行复配，制备出具有一定机械性能和耐水性能的复合膜。主要通过扫描电子显微镜（Scanning electron microscopy，SEM）、激光扫描共聚焦显微镜（Confocal laser scanning microscopy，CLSM）、傅里叶红外光谱仪（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）、显微红外光谱仪（Microscopic Fourier transform infrared spectroscopy，Micro-FTIR）等对复合膜进行表征，并对复合膜的机械性能、水接触角以及溶胀溶失等性能进行测试，分析其性能变化机制，为可食性包装膜的制备提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

魔芋葡甘聚糖（Mw=9.67×105Da） 湖北强森魔芋科技有限公司；乙基纤维素 分析纯，黏度为60～80 mPa·s，上海麦克林生化科技有限公司；柠檬酸三乙酯 分析纯，上海麦克林生化科技有限公司；玉米醇溶蛋白 北京百灵威科技有限公司；无水乙醇、乙酸 均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

DK-S22电热恒温水浴锅 上海精宏仪器设备有限公司；ME204电子天平 梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；OS20-Pro电动搅拌器 美国塞洛捷克公司；BGZ-246电热鼓风干燥箱 上海博迅医疗生物仪器股份有限公司；MDQ-30-30M数显千分尺 日本三丰精密仪器有限公司；UPT-II-10T超纯水机 四川优普超纯科技有限公司；DSA25接触角测量仪 德国克鲁斯公司；TA.XT Plus质构仪 英国Stable Micro Systems公司；JSM6390LV扫描电子显微镜 日本电子株式会社；VERTEX70傅里叶红外光谱仪 德国布鲁克有限公司；TCS SP8激光扫描共聚焦显微镜 德国徕卡公司；Nicolet iN10显微红外光谱仪 赛默飞世尔科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 膜的制备 为了便于分析不同复合膜样品的性质变化机理，本文所制备样品均保持总固形物含量一致，在其他研究中，也通常固定总固形物含量来研究不同成膜成分对复合膜性质的影响等[20,22]。考虑到复合膜的疏水性质较为重要，本文制备样品时，参考前期研究保持了较强疏水性成分EC含量为总固形物含量的30%不变[20]，然后研究zein的添加（伴随着KGM含量的减少）对复合膜相关性质的影响。

根据样品配方（表1），将KGM粉末分散于100 mL纯净水中，通过电动搅拌器在60 ℃下，600 r/min搅拌1.5 h，使其充分溶胀，制得KGM水溶液。将含有柠檬酸三乙酯（Triethyl citrate，TEC，基于总固形物含量的20%，w/w）的EC粉末分散于25 mL无水乙醇中，通过磁力搅拌器在40 ℃下，300 r/min搅拌1.0 h，使其充分溶解，制得EC溶液。室温下，将zein粉末分散于5 mL无水乙酸中，通过磁力搅拌器在25 ℃下，300 r/min搅拌0.5 h，使其充分溶解，制得zein分散液。将转速提高至1200 r/min，先将EC溶液加到KGM水溶液中，于60 ℃下继续搅拌0.5 h，获得KE混合溶液；再将zein分散液加到KE混合溶液，于60 ℃下继续搅拌0.5 h，制得稳定的KEZ复合成膜液。随后将其缓慢倒入玻璃板内（14 cm×14 cm×1.5 cm），置于60 ℃干燥箱中干燥10 h，制得复合膜样品。所有样品均放置在温度为25 ℃，相对湿度为50%的环境中平衡48 h备用。

表1 KGM/EC/zein共混膜的配方Table 1 Formula of KGM/EC/zein blend films

1.2.2 激光扫描共聚焦显微镜观察 参考Li等[23]的方法，使用CLSM观察zein在KGM/EC/zein复合膜液中的形态和分布。使用罗丹明B对zein进行染色。首先，将4 mg罗丹明B溶解在1 mL RO水中，然后取20 μL染料溶液加入5 mL zein溶液中，以150 r/min的速度在25 ℃下混合15 min，让染料与蛋白质充分混合，确保得到均匀分散的溶液；将染色的zein溶液滴入到KGM/EC混合溶液中，搅拌使其混合均匀，以制备染色的KGM/EC/zein复合成膜液，整个过程必须在避光条件下进行。将样品液滴加在载玻片上，并盖上盖玻片，在552 nm的绿色激发波长进行观察，每个样品至少重复三次。

1.2.3 扫描电子显微镜观察 参考Wu等[12]的方法，将膜样品裁剪成4 mm×4 mm的尺寸大小观察其表面形态；将膜样品在液氮中冷冻脆断后用于观察其截面形态，将其粘贴在SEM载物台上。测试条件：喷金压力为7.5 Pa；喷金厚度为20 nm；喷金时间为90 s；加速电压为30 kV，膜表面和截面的观测倍数分别为×500、×1000。

1.2.4 傅里叶红外光谱分析 将膜样品裁剪成2 cm×2 cm的尺寸大小，使用傅里叶红外进行衰减全反射光谱扫描。测试条件：测试温度为25 ℃；扫描波长范围为4000～500 cm-1；分辨率为0.5 cm-1；扫描次数为32次。测试前，所有膜样品都需要在60 ℃的条件下平衡48 h。

1.2.5 显微红外光谱分析 参考Ishige等[24]的方法，将膜样品裁剪成2 cm×2 cm的尺寸大小并平铺于镀金玻璃平板表面，在液氮冷却条件下，采集空白镀金玻璃平板表面背景红外图谱作为对照，利用反射法采用拼接模式测试选取区域内（400 μm×400 μm）各测试点的红外图谱，采用OMNIC Picta图像处理软件获取复合膜中组分分子在不同波数下组分分布相图。测试条件：光谱范围为4000～675 cm-1，面扫范围为0.9 cm×0.9 cm；拼接次数为9次；采样间隔为100 μm×100 μm；光谱分辨率为8 cm-1。

1.2.6 力学性能测定 参考ASTM D882-09[25]标准方法，利用TA.XT Plus质构仪对膜的拉伸强度和断裂伸长率进行测试。具体步骤为将膜样品裁剪成0.5 cm×5 cm的长条，两端分别预留1 cm用于拉伸固定，随机取5个点使用数显千分尺测量样品膜厚，计算平均值。将长条两端置于夹具并夹紧，采用Tension模式，记录力和形变，每个样品平行测试30次。测试条件：初始夹具间隔为3 cm；测试速度为0.5 mm/s；触发力为5.0 N。拉伸强度和断裂伸长率分别按公式（1）、（2）计算：

式中：P为最大负荷即拉力，N；b为膜的宽度，mm；d为膜的平均厚度，mm。

式中：L为膜断裂前的最大长度，cm；L0为膜的起始长度，cm。

1.2.7 静态水接触角测定 利用配备CCD相机和图像处理软件的DSA25接触角测量仪测试膜样品的静态水接触角值。测试前将膜裁剪成3 cm×3 cm的长条，用双面胶将其固定在载玻片上，将载玻片放在载物台上，使用仪器配备的精密注射器将去离子水滴在膜与空气接触的表面。测试条件：水滴体积：2 μL；保持时间：60 s。

1.2.8 溶胀率和可溶性固体损失率测定 参考Wu等[12]的方法，使用数显千分尺在样品膜上随机取点测量厚度，选取膜厚均一（50 μm）的部分裁剪成2 cm×2 cm的尺寸大小，于25 ℃的30 mL去离子水中浸没5 h后取出，用吸水滤纸擦拭以除去多余的液体并称重。溶胀率按照公式（3）计算：

式中：m1为 膜溶胀前的质量，g；m2为膜溶胀后的质量，g。

将膜样品剪裁成3 cm×3 cm的尺寸大小，于25 ℃的100 mL去离子水中浸没24 h后取出，然后置于105 ℃下干燥至恒重。可溶性固体损失率按照公式（4）计算：

式中：w1为 膜溶解前的质量，g；w2为膜干燥至恒重的质量，g。

1.3 数据处理

对于每个样品，所有实验至少平行三次，使用SPSS 19.0和Origin 2017进行数据统计分析和图表的绘制，采用ANOVA进行图基（Tukey's）差异分析，以P＜0.05为差异显著。

2 结果与分析

2.1 成膜液及膜的微观结构

通过CLSM观察zein在KGM/EC/zein成膜液中的形态分布，如图1所示（图中红色斑点代表zein）。结果表明，随着zein含量的增加，其颗粒数量增多。当zein添加量＞9%时，聚集颗粒的尺寸明显增大，分散均一性显著下降。Zeng等[26]研究无定形淀粉与zein混合时报道过类似情况，其发现zein添加量过低时有利于混合物的连续形态，但当zein添加量过高时，将导致微相分离行为。因此在三元复合体系下，zein的添加量不宜超过9%。

图1 KEZ混合溶液在25 ℃下的CLSM显微图像Fig.1 CLSM micrographs of KEZ mixed solutions at 25 ℃

使用SEM观察K70E30复合膜和不同配方制备的KEZ复合膜的微观形态，如图2和图3所示。结果表明，与K70E30复合膜相比，在KEZ复合膜中出现明显的椭圆状的颗粒，这可能是由于zein加入后分布于KGM/EC连续相中所导致的，并且随着zein含量的增加，KEZ复合膜表面和截面从开始的微孔变得较为致密，最后出现较大的蛋白聚集体，这与CLSM结果一致。干燥过程中，乙酸的蒸发速率最慢，因此zein颗粒可嵌在KGM/EC形成的网络结构当中，来实现多糖-蛋白分子互穿网络化交联并实现微孔隙填充[27]。K64E30Z6表面较为平整光滑，截面微小颗粒状现象少，这是由于此配比下，zein分子与KGM分子和EC分子形成的氢键相互作用最强，其微孔结构填充达到最好，与KGM和EC分子间结合程度达到最优，使其复合膜结构最为致密。

图2 K70E30复合膜及不同配方制备的KEZ复合膜的表面SEM图Fig.2 SEM images of the surface of K70E30 blend film and KEZ blend films prepared with different formulae

图3 K70E30复合膜及不同配方制备的KEZ复合膜的截面SEM图Fig.3 SEM images of the cross-section of K70E30 blend film and KEZ blend films prepared with different formulae

2.2 膜的傅里叶红外光谱分析

KGM膜、EC膜、zein膜、K70E30复合膜及不同配方制备的KEZ复合膜的红外光谱图如图4所示。zein膜在3290、1650、1538、1450 cm-1处的吸收峰分别对应于-OH的伸缩振动、酰胺I带中C=O和C-C的伸缩振动、酰胺Ⅱ带中C-N和N-H拉伸振动、-CH3的伸缩振动[28]。1714 cm-1处的吸收峰与KGM中乙酰基的伸缩振动有关，873和805 cm-1处的吸收峰与KGM中特有的甘露糖有关[12]。2973、1735 cm-1处的吸收峰分别与EC中-CH2、C-O的伸缩振动有关[20]。复合膜含有KGM、EC和zein各自的特征吸收峰，且没有新的吸收峰的出现，说明各组分未发生化学变化。与K70E30复合膜相比，添加zein后制得的KEZ复合膜的-OH基团的伸缩振动峰发生了一定偏移（3357～3305 cm-1），这是由于干燥过程中，随着溶剂的挥发，复合膜中的zein分子因疏水相互作用、结构重排或热诱导交联导致蛋白聚集，形成较大的蛋白颗粒，不利于分子间的氢键相互作用[23,29]。

图4 KGM膜、EC膜、zein膜、K70E30复合膜及不同配方制备的KEZ复合膜的红外光谱图Fig.4 FTIR spectrums of KGM film, EC film, zein film, K70E30 blend film and KEZ blend films prepared with different formulations

2.3 膜的显微红外光谱分析

复合膜的机械性能和亲疏水性能通常受其组分分子相容性的影响，通过显微红外成像技术可以得到物质各组分的空间分布信息，分析时需选择某一化学官能团的特定红外吸收波长，以该波长处的红外吸收强度特征，显示对应的化学官能团（即对应物质）的分布情况[30-32]。基于2.2中的分析，分别以805、2973和1538 cm-1处的峰强作为KGM、EC和zein的特征信号，分析其在复合膜中的分布情况。

不同配方制备的KEZ复合膜中KGM、EC和zein的分布分别如图5a、图5b和图5c所示。由图5可以看出，总体而言，图像中主体颜色为绿色，其中K67E30Z3、K64E30Z6和K61E30Z9分布较为均匀。当比例为K58E30Z12、K55E30Z15时，图像中局部位置出现较多的黄色和橙色区域，表明此区域复合膜中各组分分布不均一，这与CLSM、SEM结果一致。这是由于与EC、zein相比，KGM分子柔性较强，适合作为成膜组分，并已有研究报道KGM分别与EC、zein共混得到的二元成膜液均具备较好相容性[6,20]。对于KEZ复合膜，EC、zein均可通过氢键与KGM结合。在干燥过程中，随着zein含量的增加，KGM含量的减少，一方面EC分子、zein分子与KGM分子的氢键结合位点存在竞争关系，另一方面zein分子自身会聚集[28]；同时由于EC和zein之间相容性较差，两者结构之间氢键结合位点较少。因此使得该体系稳定性较差。

图5 不同配方制备的KEZ复合膜的显微红外图像Fig.5 Micro-FTIR image of KEZ blend films prepared with different formulae

2.4 膜的力学性能分析

拉伸强度和断裂伸长率是主要的膜力学性能指标。K70E30复合膜和不同配方制备的KEZ复合膜的机械性能如图6所示。与K70E30复合膜相比，KEZ复合膜的拉伸强度和断裂伸长率在一定程度上有所降低。但随着zein含量的增加，KEZ复合膜的拉伸强度和断裂伸长率先上升后下降，当比例为K64E30Z6时，KEZ复合膜的拉伸强度和断裂伸长率达到最大值，分别为72.93 MPa、16.39%。此结果表明添加适量的zein对KEZ复合膜的机械性能影响不大，但当zein的添加量达到一定程度后，zein分子聚集现象严重，分布不均匀，这与SEM图显示的zein“聚集”粒子表现一致，该现象与明胶与zein复合膜中相分离行为类似[33]；同时zein分子聚集降低了互穿网络的连续性，使得KEZ复合膜的结构变得松散[34]。

图6 K70E30复合膜及不同配方制备的KEZ复合膜的拉伸强度和断裂伸长率Fig.6 Tensile strength and elongation at break of K70E30 blend film and KEZ blend films prepared with different formulae

2.5 膜的耐水性能分析

材料表面的亲疏水性可以通过水接触角值来评估，其值越大，表面疏水性越好。K70E30复合膜和不同配方制备的KEZ复合膜的水接触角如图7所示。与K70E30复合膜相比，除K67E30Z3外，KEZ复合膜的水接触角值显著增大（P＜0.05），表明zein的添加提高了复合膜的表面疏水性。对于KEZ复合膜，随着zein含量的增加，复合膜的水接触角先上升后下降，当比例为K64E30Z6时，复合膜的水接触角达到最大值，为104.2°。这是由于此比例下，zein与KGM和EC的分子间相互作用最强，同时zein均匀分布在KGM/EC基质中，形成了致密的复合膜结构和疏水性表面，从而使疏水性增强[23]，这与SEM和CLSM结果一致。该结果与zein纳米粒子的添加对KGM/zein纳米粒子复合膜的水接触角类似[21]。

图7 K70E30复合膜及不同配方制备的KEZ复合膜的水接触角Fig.7 Water contact angle of K70E30 blend film and KEZ blend films prepared with different formulae

为了更加直观地评价材料的耐水性，对复合膜进行溶胀率和可溶性固体损失率测试，其值越小，表明复合膜的耐水性越好。K70E30复合膜和不同配方制备的KEZ复合膜的溶胀率和可溶性固体损失率如图8所示。K58E30Z12、K55E30Z15的可溶性固体损失率均大于30%，溶胀率分别为766.43%、819.63%，说明耐水性较差。其原因可能是该比例下的成膜干燥过程中，zein聚集行为较为严重，使得复合膜的结构相对疏松，水容易渗透进入，使得耐水性能较差。K64E30Z6的溶胀率和可溶性固体损失率（502.21%、15.50%）均低于其他比例，表明此比例下制备的复合膜的耐水性较好，这是由于zein均匀分布在KGM/EC的连续相中，zein与KGM/EC之间形成的氢键较多较强，形成的微观结构最为致密，使得可溶性固体损失率降低[6]，与水接触角结果一致。

图8 K70E30复合膜及不同配方制备的KEZ复合膜的溶胀率和可溶性固体损失率Fig.8 Swelling and soluble solid loss ratio of K70E30 blend film and KEZ blend films prepared with different formulae

3 结论

本文研究通过在KGM/EC复合体系中添加zein，成功制备出了KEZ三元复合膜。通过固定总固形物含量和EC含量，研究了zein的添加量对KEZ复合膜的微观结构和疏水相关性能的影响。SEM和CLSM表明zein添加量较少时，zein在KGM/EC基质中分散较均匀，复合膜的微观结构致密，zein添加量过高时，zein聚集现象较多，复合膜的微观结构较为疏松，表面较为粗糙；当比例为K64E30Z6时，KEZ复合膜的水接触角达到最大值，溶胀率和可溶性固体损失率最小，分别为104.2°、502.21%、15.50%，此时拉伸强度和断裂伸长率也达到最大值，分别为72.93 MPa、16.39%。综上，zein的加入提高了复合膜微观致密性和耐水性，在食品包装上具有良好的应用前景。