KGM/PEC/TiO2复合膜的制备及其性能研究

2023-06-19黄舒琦陈熠李慧玲范丽萍王楠

食品工业 2023年6期

黄舒琦，陈熠，李慧玲，范丽萍, ，王楠,

1. 嘉应学院生命科学学院（梅州 514015）；2. 广东省山区特色农业资源保护与精准利用重点实验室（梅州 514015）

石油化工聚合物被广泛应用于食品包装，但是其不可再生以及不可生物降解的特性，给环境带来巨大的污染，因此需要找到易于降解和可再生的替代包装材料[1]。可食用膜（Edible films）是以天然生物大分子为成膜基质，通过不同基团间的相互作用形成致密多孔网状结构，不仅具备安全性、可降解性、可食用性等优点[2]，还具备良好的力学性能、气体屏障性能，并且可以抑制微生物生长，延长食品的保质期等。魔芋葡甘聚糖（Konjac glucomannan，KGM）是从魔芋植物的块茎中分离得到的高分子量亲水性非离子型天然聚多糖，具有优良的成膜性能[3]，但单一膜成膜时间长，黏度大，不容易揭膜，同时存在抗菌活性差、理化性能低等问题。果胶（Pectin，PEC）是一种胶状多糖物质，具备良好的生物相容性、可生物降解性和无毒性，是一种有效应用于可食用膜生产的生物天然大分子材料[4]，其线性结构赋予膜具有坚韧的特点[5]。将魔芋葡甘聚糖与果胶共混制膜，能产生协同增效作用，增强膜的机械强度，使结构更加致密[6]。

KGM/PEC复合膜能改善单一KGM膜在理化性质上的不足，但还是存在膜机械强度低、抑菌效果差等缺点。为进一步改善KGM/PEC复合膜的理化性质，添加纳米TiO2，研究其添加量对复合膜的理化性能、抑菌性能等的影响，为纳米TiO2增强KGM/PEC复合膜的各项性能提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

果胶（食品级，江苏杰诺食品配料有限公司）；魔芋葡甘聚糖（食品级，西安瑞盈生物科技有限公司）；纳米TiO2（食品级，南京海泰纳米材料有限公司）；甘油（食品级，天津渤化化学试剂有限公司）；无水氯化钙（广州化学试剂厂）；大豆油（市售）。

1.2 仪器及设备

TA.XT plus质构仪（英国Stable Micro Systems公司）；S-4800扫描电子显微镜（日本日立公司）；Thermo Scientific Nicolet iS50傅里叶变换红外光谱仪（美国赛默飞世尔科技公司）；DSC-Q10差式扫描量热仪（美国梅特勒公司）。

1.3 试验方法

1.3.1 KGM/PEC复合膜的制备

采用流延成膜法。称取果胶，加入蒸馏水中配成不同质量分数的果胶悬浊液（w/v，以蒸馏水体积为基准），加入不同质量分数的魔芋葡甘聚糖、甘油（w/w，以果胶溶液质量为基准），搅拌均匀后用磁力搅拌器在60 ℃，700 r/min下搅拌1.5 h。将成膜液放置超声波振荡仪振荡15 min，倾倒于铺有涂抹了甘油的吸油纸培养皿中，在60 ℃鼓风干燥箱中干燥后揭膜，室温下平衡48 h。

1.3.2 KGM/PEC/纳米TiO2复合膜的制备

分别称取一定质量的纳米TiO2（基于KGM、PEC、甘油总质量的0.5%，1.5%，2.5%，3.5%和4.5%）加至450 mL水中，置于超声振荡仪在500 W下振荡30min，搅拌2 h，制得纳米TiO2悬液。在60 ℃下加入一定质量的KGM、PEC、甘油，以60 ℃，700 r/min搅拌1.5 h。用超声波振荡仪在500 W下振荡15 min，制得KGM/PEC/纳米TiO2成膜液。成膜过程同1.3.1小节。

1.3.3 单因素试验

分别探讨KGM、PEC、甘油的添加量对复合膜理化性能的影响。

1.3.4 正交试验

基于单因素试验，选择抗拉强度、断裂伸长率、水蒸气透过系数、透油系数及透光率为评价指标，进行三因素三水平L9(33)正交试验，优化成膜配方配比，如表1所示。

表1 正交试验因素水平设计单位：%

1.3.5 膜厚度的测定

在被测膜上随机取5个点，用螺旋测微器测量，取其平均值。

1.3.6 水蒸气透过系数

参考周悦等[7]方法，并略作修改。

1.3.7 透油系数

参考张朋等[8]方法，并略作修改。

1.3.8 抗拉强度、断裂伸长率

参考GB/T 1040.3——2006[9]并略作修改。裁取薄膜（7 mm×25 mm）固定在力学拉伸测试仪上，将初始夹距设置为25 mm，拉伸速率2 mm/s进行测量。

1.3.9 透光率测定

参照张鹰等[10]方法，并略作修改。

1.3.10 傅里叶红外光谱（FTIR）测试

将膜裁成合适大小后置于傅里叶红外光谱分析仪上，对其进行红外光谱分析；参数设置：扫描波长范围600～4 000 cm-1，分辨率4 cm-1，扫描次数32次[11]。

1.3.11 扫描电镜（SEM）分析

对复合膜样品的表面微观形貌进行扫描。放大倍数1 000倍[12]。

1.3.12 热重（TG）分析

样品质量约10 mg，在氮气氛围下进行测试，升温速率为10 ℃/min，测试温度范围为25～700 ℃[13]。

1.3.13 复合膜抑菌性测定

将KGM/PEC/纳米TiO2复合膜样品裁剪成直径为1 cm的小圆片，用紫外灯照射30 min后分别将膜贴在涂布了大肠杆菌、绿脓单胞杆菌的固体培养基表面，放置于37 ℃恒温培养箱培养24 h，取出观察。每种浓度重复3次。

1.4 数据处理

所有试验平行重复3次测定，试验结果用“平均值±标准偏差”表示。采用SPSS 25.0软件进行分析，采用Duncan法进行显著性检验（P＜0.05），用Origin 2019软件作图。

2 结果与分析

2.1 KGM/PEC复合膜成膜机理分析

图1为KGM/PEC、PEC、KGM的红外光谱图。由图1可知，三种物质红外光谱并不一致，KGM与PEC发生了化学结合，且KGM/PEC复合膜的红外光谱与KGM相近，表明KGM为复合膜的主要暴露物。对比PEC、KGM的红外光谱，KGM/PEC复合膜在3 400 cm-1处的——OH特征吸收峰明显红移（波数降低），表明复合过程中，分子间氢键的作用较强[14]。此外，对比1 750～1 500 cm-1区间的多糖C==O和——COOH特征区[15]，表明参与复合过程的基团主要为PEC的羧基产生的静电相互作用。而复合膜中在1 100～900 cm-1处的C——O——C的位移及强度变化，可能由范德华力的作用所致。

图1 KGM/PEC复合膜、PEC、KGM的红外光谱图

2.2 单因素试验分析

2.2.1 KGM添加量对复合膜理化性能的影响

表2为设定PEC质量分数0.6%，甘油质量分数0.5%时，KGM质量分数对复合膜理化性能的影响。其中，水蒸气透过系数呈先上升后减小的趋势，透油系数的变化趋势则与之相反，先减小后增加。究其原因，KGM分子在甘油的作用下，——OH暴露较多[16]，复合膜对水蒸气的透过率增加。然而，当进一步提高KGM质量分数（0.75%～1.25%）时，分子间的氢键交联作用增强，——OH暴露量下降，亲油性增强，且KGM结晶度提高，膜结构致密均匀，阻水性增强[17]。

表2 KGM添加量对复合膜理化性能的影响

分析KGM对复合物机械性能的影响可知，KGM质量分数为0.5%时，复合膜抗拉强度（TS）最大，随着KGM含量增加，TS下降，推测为分子间氢键增加，可增强机械强度。然而，由于过量的KGM自身发生团聚，抗拉强度降低，表现为KGM质量分数大于0.5%时延展性降低[18]，薄膜断裂伸长率减小。这一现象与KGM/凝胶多糖（Curdlan）复合膜中抗拉强度的变化趋势相似[19]。综合考虑，当KGM质量分数为0.5%～1%时复合膜理化性能较优。

2.2.2 PEC添加量对复合膜理化性能的影响

表3为设定KGM质量分数0.75%，甘油质量分数0.5%时，PEC添加量对复合膜理化性能的影响。试验表明，随着PEC质量分数的升高，复合膜透光率下降，水蒸气透过系数上升，而透油系数先上升后下降。究其原因，果胶具有较多的疏油性羟基，容易与水分子相互作用，因此在一定范围内，随着质量分数的增加，膜能够阻止油脂的渗出，且透水性增强[4]。

表3 PEC添加量对复合膜理化性能的影响

此外，复合膜的抗拉程度随着果胶质量分数的增加先降低后增加，断裂伸长率在果胶质量分数1%时有最大值。推测为PEC质量分数较低时，复合膜主要通过KGM的分子间氢键和分子间缠结作用形成，膜的总体刚性较大，抗拉强度较低，随着PEC质量分数的增加，KGM自由体积增加，膜的韧性也随之增大。综合力学指标，果胶质量分数为0.6%～1%时复合膜品质较优。

2.2.3 甘油添加量对复合膜理化性能的影响

表4为设定KGM质量分数0.75%，PEC质量分数0.6%时，甘油添加量对复合膜理化性能的影响。由表4可知，随着甘油质量分数的增加，复合膜的水蒸气透过系数呈先上升后下降的趋势，与透油系数的变化趋势相同。究其原因，甘油极性较强，当其质量分数低于0.5%时，可流入KGM、PEC分子间，增大多糖分子间距，表现为含量微增，增强复合膜的持水性与透油性。然而，甘油质量分数进一步提升时，与KGM、PEC之间的氢键、范德华力等作用力增强，使基质分子之间的作用力减弱，膜的致密程度增加，水蒸气透过率、透油系数降低。

表4 甘油添加量对复合膜理化性能的影响

此外，随着甘油质量分数的增加，复合膜的抗拉强度降低，断裂伸长率呈先上升后下降趋势。原因是甘油羟基与KGM、PEC分子相互作用，减弱了多糖分子间的相互作用力，复合膜的抗拉强度下降。Nordin等[20]以及Tang等[21]均得到类似的结果。此外，甘油的存在，减少PEC、KGM分子内氢键的形成，多糖分子链延展充分，表现为断裂伸长率增加。综合考虑，甘油质量分数在0.5%～0.7%时能够较好地改善膜的性质。

2.3 正交试验结果与分析

正交试验结果（见表5）采用极差分析法分析，经显著性（F检验）分析，所有因素均对复合膜各类指标有显著性影响（P＜0.05）。各因素对抗拉强度的显著程度为A＞B＞C，最优组合A2B3C1；对薄膜断裂伸长率为A＞C＞B，最优组合A1B1C1。薄膜水蒸气透过系数的显著程度为C＞B＞A，最优组合为A2B3C3（系数较高）；对透油系数的影响显著程度C＞A＞B，最优组合A3B1C1（系数较低）。对透光率的影响显著程度为A＞C＞B，最优组合A1B2C2（透光率高）。

表5 正交试验结果

根据表5的极差分析，为保证复合膜的优良性能，分别采取对指标影响最为显著的因素作为第一指标，其中：因素A对复合膜的抗拉强度、断裂伸长率及透光率的影响最显著，为保证复合膜的力学性能，选择A2为最优因素，此时复合膜抗拉强度最高，而断裂伸长率同样可以保持较高水平；因素C对复合膜的水蒸气透过率及透油系数具有最显著影响；为便于后期观察复合膜应用过程中观察所包装食品的状态，因素B、C均以透光率最高时作为最优水平，即B2和C2。因此，试验的最优组合为A2B2C2。

对优化条件进行验证性试验，复合膜性能数据如表6所示，此时复合膜的机械性能和阻隔性能重复性较好。

表6 验证试验结果与分析

2.4 纳米TiO2添加量对复合膜理化性能的影响

试验按最佳成膜工艺制备了KGM/PEC复合膜，在此基础上添加不同质量分数的纳米TiO2，探讨纳米TiO2添加量对复合膜理化性能的影响。其水蒸气透过系数、透油系数、断裂伸长率、抗拉强度测试结果如表7所示。

表7 纳米TiO2添加量对复合膜理化性能的影响

与KGM/PEC复合膜相比，含不同浓度纳米TiO2的复合膜抗拉强度均较低，纳米TiO2质量分数为1.5%时最低，推测原因是纳米TiO2颗粒通过嵌入PEC与KGM分子之间，减少了多糖分子与甘油之间的羟基交联[22]，导致拉伸强度下降。然而，随着TiO2质量分数的增大（4.5%），TiO2添加量增多，与多糖分子之间的交联增强，且纳米颗粒间碰撞概率变大，团聚现象的出现使得抗拉强度和断裂伸长率有所回升[23]。

观察表7，KGM/PEC/纳米TiO2复合膜的水蒸气透过率与透油系数，均呈现先增大后减小的趋势，分别在TiO2质量分数2.5%和1.5%时达到峰值。此外，不同纳米TiO2质量分数的复合膜透光率均低于KGM/PEC复合膜低，且随着TiO2浓度的增加而不断下降。原因是分散在复合膜中的纳米TiO2颗粒可对光产生散射作用，从而导致光的穿透能力减弱[24]。

2.5 微观结构

图2为扫描电子显微镜下，不同纳米TiO2质量分数的KGM/PEC/纳米TiO2复合膜表面结构。由图2可知，未添加纳米TiO2的KGM/PEC复合膜均匀、平滑、致密，含0.5%纳米TiO2时，数量少、半径小的纳米TiO2颗粒，可进入KGM、PEC分子间隙中[25]，与KGM、PEC之间相互作用，复合膜出现少量团聚物及裂缝，使复合膜抗拉伸强度下降，而团聚物的出现可使复合膜断裂伸长率稍有提升，但复合膜整体仍较为平整，与2.4小节复合膜性能测定的结论一致。随着TiO2质量分数的增加，复合膜表面凸起的团聚物数量快速增加，4.5%时铺满复合膜表面，裂缝消失，这与Cheng等[26]结果相似，过量的纳米TiO2导致颗粒的聚集和表面不均匀。此时，仅靠超声波处理难以使所有纳米TiO2均匀分散于溶液中，团聚的纳米TiO2与周围的多糖分子在氢键等相互作用力的作用下聚集形成凸起[23]，复合膜的断裂伸长率的快速提升，抗拉强度的回升，同时导致复合膜的高粗糙度。

图2 不同纳米TiO2添加量的KGM/PEC/纳米TiO2复合膜扫描电镜图片

2.6 热稳定性能分析

图3为不同纳米TiO2浓度复合膜的热稳定性情况。观察图3可知，复合膜样品的TG曲线均呈现先缓慢分解，后急剧分解最后趋于平衡的热降解过程。第一阶段为0～90 ℃，主要为膜中含有的水分、甘油蒸发造成的质量损失[27]。第二个阶段是在90～180 ℃温度区间，此区主要是发生氢键断裂，聚合物结构也在此发生改变。第三个阶段在180～700 ℃温度区间，此时成膜基质的碳骨架发生断裂，在高温作用下，形成CO2等气体散失，导致重力下降迅速。各质量分数的最大质量变化速率对应的温度相差不大，但是纳米TiO2质量分数为4.5%时，变化速率最大，说明过量纳米TiO2会导致膜的热稳定性下降，而适量的纳米TiO2减少膜的质量损失，增强稳定性，可能是因为适量纳米TiO2的存在限制了多糖分子链的迁移，而多糖分子链在热传递过程中同时起到了热绝缘体的作用[28]。

图3 纳米TiO2添加量对复合膜热力学性能的影响

2.7 红外光谱分析

由图4可得，添加纳米TiO2后，KGM/PEC/TiO2复合膜的红外光谱整体与KGM/PEC复合膜一致，表明在KGM/PEC/TiO2复合膜中，主要是PEC与KGM之间产生相互作用，较多地保留了PEC、KGM的化学结构，纳米TiO2的添加没有产生新的化学键。

图4 不同纳米TiO2添加量的KGM/PEC/纳米TiO2复合膜的红外光谱图

2.8 抑菌性能

选择大肠杆菌、绿脓单胞杆菌作为抑菌对象，通过观察复合膜是否被细菌分解来分析薄膜的抑菌性能[29]。如图5所示，未添加纳米TiO2时，膜大部分被细菌分解，结果表明其对大肠杆菌的抑菌作用微弱。当纳米TiO2添加量超过1.5%时，复合膜抑菌效果明显。如图6所示，复合膜对绿脓单胞杆菌的抑菌效果与对大肠杆菌的抑菌效果相似。表明纳米TiO2复合膜在一定程度上能够抑制大肠杆菌和绿脓单胞杆菌的生长。原因是在紫外光照射的条件下，纳米TiO2会有光催化反应产生，通过破坏细菌的细胞膜来发挥其抗菌作用[30]。