魔芋膠/威蘭膠復(fù)合膜的制備及性能

吳先輝，林浚，王麗霞（.寧德職業(yè)技術(shù)學(xué)院生物技術(shù)系，福建福安355000；.閩南師范大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建漳州363000）

魔芋膠/威蘭膠復(fù)合膜的制備及性能

吳先輝1，林浚2，王麗霞2
（1.寧德職業(yè)技術(shù)學(xué)院生物技術(shù)系，福建福安355000；2.閩南師范大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建漳州363000）

以魔芋葡甘聚糖（KGM）和威蘭膠（WG）為基材，制備了一系列復(fù)合膜。通過單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，探討了魔芋粉和威蘭膠復(fù)合溶液濃度、WG/KGM比例、烘干溫度、烘干時(shí)間等因素對(duì)復(fù)合膜的制備及復(fù)合膜透明度、水溶性、水蒸汽透過系數(shù)等性能的影響。并采用分子模擬方法，研究了KGM、脫乙酰KGM（da-KGM）與WG之間的相互作用。結(jié)果表明，膜制備的最佳工藝條件為：復(fù)合溶液濃度0.6%，WG/KGM比例2∶8（g/g）、烘干溫度70℃、烘干時(shí)間7 h。KGM（da-KGM）和威蘭膠分子間存在氫鍵相互作用，da-KGM和威蘭膠分子間比KGM與威蘭膠間的氫鍵更多，相互作用更強(qiáng)。

魔芋葡甘聚糖；威蘭膠；復(fù)合膜；制備；性能

隨著工業(yè)發(fā)展而誕生的化學(xué)合成塑料制品，因其價(jià)格便宜，性質(zhì)穩(wěn)定而廣泛應(yīng)用于食品包裝及保鮮。但是，使用后的化學(xué)合成塑料制品遺棄在環(huán)境中降解困難，造成“白色”污染。因此，采用新型的紙質(zhì)或其他可食性包裝取代塑料包裝，成為食品包裝發(fā)展的新趨勢(shì)。世界一些發(fā)達(dá)國家競相研制和生產(chǎn)不造成環(huán)境污染的生物可降解包裝材料及可食性包裝材料［1-2］。我國在這一領(lǐng)域起步較晚，目前研究大多是多糖、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等單一成分的薄膜，復(fù)合膜研究極少。

魔芋葡甘聚糖（Konjac glucomannan，KGM）是從植物魔芋塊莖中提取的一種多糖，是一種可再生天然高分子資源，其來源廣泛，具有生物可降解性，水溶膠黏度高，可增稠、凝膠和成膜［3-4］。在適當(dāng)條件下能成膜，可作為一種可食性和自然降解的膜材料，但膜強(qiáng)度較差［5-6］。低濃度威蘭膠（WG）水溶液具有很高黏度，對(duì)剪切力和全流變學(xué)敏感，由于其溶液的獨(dú)特性質(zhì)使他具備了超越其它多糖的性質(zhì)。威蘭膠能溶于冷水中，在水溶液中呈現(xiàn)規(guī)則、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，低濃度的多糖水溶液即可獲得高的黏度，25℃時(shí)1%的水溶液黏度可達(dá)3.3 Pa·S［7］。KGM與WG復(fù)合膜的研究少見報(bào)道。

本文以魔芋粉與威蘭膠為主要原料，研究魔芋粉與威蘭膠混合溶液濃度、WG/KGM比例、烘干溫度、烘干時(shí)間等因素對(duì)其成膜性能的影響。

1　材料與方法

1.1材料

威蘭膠：安徽龍津生物科技有限公司提供；魔芋精粉：云南昭通市三艾公司提供。

1.2儀器

AR124CN型電子天平：奧豪斯儀器（上海）有限公司；JY92-II超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)：上海歐蒙實(shí)業(yè)有限公司；DHG-9030型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；V-1100D型紫外可見分光光度計(jì)：上海美譜達(dá)儀器有限公司。

1.3復(fù)合膜的制備

稱取適量威蘭膠和魔芋粉，加入裝有50 mL蒸餾水的燒杯中，常溫下攪拌2 h使之完全分散，溶脹得到溶膠，之后置于超聲波1 min～2 min驅(qū)除氣泡，并噴射少量乙醇進(jìn)一步消除氣泡，流延于9 cm塑料培養(yǎng)皿中干燥成膜。

1.4工藝流程

魔芋粉、威蘭膠按一定比例加入蒸餾水中→攪拌水合溶脹→脫氣→靜置→流延于9 cm塑料培養(yǎng)皿→烘箱干燥成膜→冷卻→揭膜→置于干燥器中待用［8］

1.5膜的性能指標(biāo)及其測定方法

1.5.1感官指標(biāo)及其評(píng)定

1.5.1.1揭膜難易

根據(jù)揭膜的難易程度和揭膜的完整性分為易、較易、較難、難4個(gè)指標(biāo)［9-10］。具體評(píng)價(jià)得分情況見表1。

表1　揭膜難易感官指標(biāo)評(píng)價(jià)表Table 1　Sensory evaluation standard for uncovering the film

1.5.1.2透明度

將膜一層一層的折疊，蓋在黑白條碼上，直到看不見條碼時(shí)為止，記錄膜折疊的層數(shù)。

1.5.1.3光潔度

目測判斷，以差、較好、好、很好為指標(biāo)。

1.5.1.4感官柔軟度

以“+”為其評(píng)價(jià)指標(biāo)，輕折即斷的記為“-”，折后有明顯折痕但未斷的以一個(gè)“+”表示，依此類推，若折后無痕，質(zhì)地柔軟，以6個(gè)“+”表示。

1.5.2理化指標(biāo)及其測定

1.5.2.1膜的厚度測定

采用千分尺在膜上隨機(jī)取5點(diǎn)，測出膜的厚度取平均值［11］。

1.5.2.2透光率的測定

采用SP-2012UV紫外/可見分光光度計(jì)測試。將待測共混膜切成10 mm×60 mm矩形，用透明膠帶紙貼于比色皿表面（一邊即可），在400 nm～800 nm范圍內(nèi)，以蒸餾水作為標(biāo)準(zhǔn)物，以比色皿作為空白參照物，分別測定膜的透光率。每個(gè)試樣測量3次，取平均值。

1.5.2.3溶解性（Solution Quality，SQ）

測定方法：先將膜在100℃的條件下干燥24 h，稱重后放入加有50 mL水的燒杯中，在室溫下溶解24 h（定期攪拌）后，將膜在100℃的條件下干燥24 h稱重，根據(jù)膜溶解前后重量的變化來計(jì)算水溶性［12］。

1.5.2.4透水性能

采用擬杯子法［13］測定：室溫下，稱取2.0 g無水氯化鈣（0%RH），置于杯子中，用膜將杯子口密封，即做成透濕杯。將透濕杯稱重后，再把其置于底部是飽和氯化鉀溶液（85%RH）的干燥器中，測量通過膜樣的蒸汽量，即由透濕杯增重計(jì)算水蒸氣透過速率WVTR （water vapor transmission rate），考慮到膜厚對(duì)吸濕增重的影響，本試驗(yàn)選用水蒸氣滲透系數(shù)WVP。作為衡量膜阻濕性能的指標(biāo)。

式中：△W為透濕杯增重，g；A為透過面積，m2；△t為時(shí)間變化，d；△X為膜厚度，mm；P2-P1為水蒸氣透過膜的兩側(cè)壓力差（P2-P1=2.03 kPa）。

WVTR值越大，表明膜的阻濕性越差。

1.6分子模擬

采用Hyperchem Release 7.0軟件（USA）中的建模模塊構(gòu)建脫乙酰KGM、帶乙酰KGM及威蘭膠的結(jié)構(gòu)模型。采用分子力學(xué)方法，選擇MM+力場在微機(jī)上分別對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)優(yōu)化。合并脫乙酰KGM和威蘭膠分子、帶乙酰KGM和威蘭膠分子，并對(duì)合并后的復(fù)合物分別進(jìn)行預(yù)優(yōu)化，用于進(jìn)一步分子動(dòng)力學(xué)模擬。以預(yù)優(yōu)化后的復(fù)合物模型為基礎(chǔ)模型，進(jìn)行真空中分子動(dòng)力學(xué)模擬，從而獲取能量最低的三維構(gòu)象。并顯示H鍵［14］。

2　結(jié)果與討論

2.1單因素試驗(yàn)

2.1.1復(fù)合溶液濃度對(duì)成膜及膜性質(zhì)的影響

以威蘭膠和魔芋粉比例4∶6（g/g），干燥溫度60℃，干燥時(shí)間7 h的條件下采用復(fù)合溶液濃度1.2%、1%、0.8%、0.6%、0.4%進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表2。

從表2可以看出，隨著濃度的提高，成膜性逐漸增強(qiáng)。濃度太低時(shí)，揭膜困難，而濃度太高得到的溶膠黏度大，流動(dòng)性差，制成的膜厚度增加，且厚薄不均，柔韌度差和光潔度下降，并且氣泡極多。膜的溶解性隨著濃度增加而遞減，透水性能隨著濃度的增加而減少。根據(jù)實(shí)際操作及成膜的性能，濃度選擇在0.6%～0.8%。

表2　WG/KGM總濃度對(duì)復(fù)合膜性質(zhì)的影響Table 2　Effects of the concentration of composite solution of KGM and WG on the properties of composite film

2.1.2WG/KGM配比對(duì)成膜及膜性質(zhì)的影響

在復(fù)合溶液濃度0.8%、干燥溫度60℃、干燥時(shí)間7 h條件下，采用WG/KGM比例0∶10、2∶8、4∶6、6∶4、8∶2、10∶0（g/g）進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表3。

表3　不同WG/KGM配比對(duì)復(fù)合膜性質(zhì)的影響Table 3　Effects of different mixed proportion on the properties of KGM-WG composite film

從表3可以看出，不同WG/KGM配比所成膜均很透明，中間比例透明度略有下降。這可能是由于兩相高聚物相混，在膜基質(zhì)形成過程中，沉降速度不一致，因而導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)致密度較低，膜中的粒子粒度較大且不均勻，故WG/KGM共混膜的透光率有所下降。而透水性能WVP以WG/KGM比例為4∶6最低點(diǎn)，兩邊呈遞增趨勢(shì)。影響高分子薄膜的透過率的因素有許多，其中結(jié)晶度和高分子薄膜的透過性密切相關(guān)。聚合物結(jié)晶度越高，則透過率越低，聚合物中長鏈大分子的取向也可以降低薄膜的透過率，取向的結(jié)果是使晶體排列起來，使得滲透分子需要經(jīng)過更為曲折的路徑才能透過薄膜。推測，KGM與WG相互作用，復(fù)合膜結(jié)晶度比單一膜增加，從而透水性降低。因此比例選擇在2∶8～6∶4。

2.1.3不同烘干溫度對(duì)成膜及膜性質(zhì)的影響

在復(fù)合溶液濃度0.8%、WG/KGM比例4∶6條件下，以55、60、65、70、75℃烘干，對(duì)成膜及其性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如表4。

表4　烘干溫度對(duì)復(fù)合膜性質(zhì)的影響Table 4　Effects of drying temperature on the properties of composite film

從表4可以看出，干燥溫度越高，揭膜就越難，膜的柔軟度也隨之減低，且膜的顏色微顯淡黃。膜的溶解性隨著烘干溫度的升高而增加，膜的透水性亦隨之增加?？赡苁怯捎跍囟鹊纳咂茐牧薟G和KGM相互作用的氫鍵，導(dǎo)致膜在水中的溶解度變大。采用低溫干燥膜本身的含水率較高，水分子形成水化膜降低了膜的透水性能；而高溫干燥，膜本身的含水率降低，干燥過程中水蒸氣溢出留下的孔隙易透過水分子。綜合考慮，選用60℃～70℃的烘干溫度。

2.1.4烘干時(shí)間對(duì)成膜及膜性質(zhì)的影響

以復(fù)合溶液濃度0.8%、WG/KGM比例4∶6、烘干溫度60℃，分別烘干7、7.5、8、8.5 h，對(duì)成膜及其性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如表5。

表5　烘干時(shí)間對(duì)復(fù)合膜性質(zhì)的影響Table 5　Effects of drying time on the properties of composite film

從表5可以看出，隨著時(shí)間的增加，膜顏色微顯淡黃，柔韌度略降低，揭膜難度也略有降低。透過率隨著烘干時(shí)間的增加呈增大趨勢(shì)，溶解性隨著烘干時(shí)間的增加而減低?？赡苁怯捎趦煞N高聚物在形成膜的過程中隨著時(shí)間的增加粒子沉降的過程越均勻，致密度越好。因此，故根據(jù)實(shí)際操作及成膜的性能選擇7 h～8 h的烘干時(shí)間。

2.2正交試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用表L9（34）設(shè)計(jì)對(duì)影響成膜及膜性能的因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，探討復(fù)合溶液濃度、WG/KGM比例、烘干溫度、烘干時(shí)間等因素對(duì)膜的制備及性能的影響。如表6所示。

表6　L9（34）正交試驗(yàn)結(jié)果及分析Table 6　L9（34）Results and analysis of orthogonal experiments

由于3個(gè)指標(biāo)單獨(dú)分析出來的最優(yōu)水平條件與正交試驗(yàn)分析出來的結(jié)果存在略微差別，因此根據(jù)各因素指標(biāo)的影響的主次順序綜合考慮，進(jìn)一步確定最佳條件。為此，采用綜合分析法進(jìn)行分析［11］，結(jié)果如下：

因素A（復(fù)合溶液濃度）對(duì)透光率的影響排在第四位，為次要因素，最優(yōu)水平為A2；對(duì)于溶解性的影響排在第一位，為主要因素，最優(yōu)水平為A1；對(duì)透水性能的影響排在第三位，最優(yōu)水平為A1；綜合考慮A因素的最優(yōu)水平為A1。

因素B（WG/KGM比例）對(duì)透光率影響排在第二位，對(duì)透光率影響的最優(yōu)水平為B1，對(duì)溶解性影響排在第三位，最優(yōu)水平為B1，對(duì)透水性能的影響排在第四位，最優(yōu)水平為B2；綜合考慮B因素的最優(yōu)水平為B1。

因素C（烘干溫度）對(duì)透光率的影響排在第三位，最優(yōu)水平為C1；對(duì)溶解性的影響排在第四位，為次要因素，最優(yōu)水平為C3；對(duì)透水性能的影響排在第1位，為主要因素，其最優(yōu)水平為C3，綜合分析，C3為最優(yōu)水平。

因素D（烘干時(shí)間）對(duì)所有因素的因素都較大。透過率的影響排在第一位，最優(yōu)水平為D1；對(duì)溶解的影響排在第二位，最優(yōu)水平為D1；對(duì)透水性能的影響排在第二位，最優(yōu)水平為D2，綜合考慮，D因素的最優(yōu)水平為D1。

綜上所述，本實(shí)驗(yàn)的最佳條件為A1B1C3D1。

2.3驗(yàn)證試驗(yàn)

最佳工藝A1B1C3D1組不在正交試驗(yàn)組中，故對(duì)其做驗(yàn)證試驗(yàn)，以A1B1C3D1做3組平行試驗(yàn)，得到的復(fù)合膜透光率為0.189 0，溶解性為78%，透水性能為1.2× 10-7，優(yōu)于正交試驗(yàn)中的所有組，所以復(fù)合溶液濃度0.6%，WG/KGM比例2∶8，烘干溫度70℃，烘干時(shí)間7 h為最佳組合。

2.4KGM和威蘭膠分子間相互作用的動(dòng)力學(xué)模擬

KGM和威蘭膠分子間相互作用的動(dòng)力學(xué)模擬見圖1、圖2。

圖1　KGM和威蘭膠相互作用圖Fig.1　The interaction between KGM and WG

圖2　脫乙酰KGM和威蘭膠相互作用圖Fig.2　The interaction between da-KGM and WG

由圖1、圖2可知，無支鏈帶乙酰KGM和威蘭膠分子間有2個(gè)分子間氫鍵。氫鍵作用位點(diǎn)為RHA5（鼠李糖）上2位-OH O原子和MAN17上6位-OH H原子；RHA5上3位-OH H原子和Glc15上6位-OH O原子。而脫乙酰KGM（da-KGM）和威蘭膠分子間有8個(gè)分子間氫鍵。由此可見，脫乙酰KGM與威蘭膠相互作用更強(qiáng)，可能成膜性能更好。

3　結(jié)論

1）本文對(duì)魔芋粉與威蘭膠復(fù)合膜的成膜工藝條件進(jìn)行了研究，通過對(duì)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)分析，確定了魔芋粉與威蘭膠復(fù)合膜制備的最佳工藝參數(shù)為：魔芋粉與威蘭膠復(fù)合溶液濃度0.6%，魔芋粉與威蘭膠WG/KGM比例2：8、烘干溫度70℃、烘干時(shí)間7 h。在最佳條件下制得的魔芋粉與威蘭膠包裝膜具有良好的透明性，柔軟度和一定的耐水性。

2）KGM和威蘭膠分子間存在氫鍵相互作用，脫乙酰KGM（da-KGM）和威蘭膠分子間比帶乙酰KGM與威蘭膠間的氫鍵更多，相互作用更強(qiáng)，其成膜性可能更好。在今后的研究中，有必要進(jìn)一步試驗(yàn)研究脫乙酰KGM和威蘭膠的成膜性及其性能。

［1］胡國華.新型食品膠在我國的開發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀及前景［J］.中國食品添加劑，2005（5）：33-42

［2］李波，謝筆鈞.魔芋葡甘聚糖可食性膜材料研究［J］.食品科學(xué)，2000，21（1）：19-20

［3］王麗霞，姚閩娜，王芹，等.魔芋葡甘聚糖結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展［J］.食品與機(jī)械，2011，27（3）：143-146

［4］ Fang Weixuan，Wu Pengwu.Variations of Konjac glucomannan （KGM）from Amorphophallus Konjac and its refined powder in China ［J］.Food Hydrocolloids，2004，18（1）：167-170

［5］牛義，張盛林，王志敏，等.中國魔芋資源的研究與利用［J］.西南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（3）：634-638

［6］李斌.魔芋葡甘聚糖物理共混研究新進(jìn)展［J］.冷飲與速凍食品工業(yè)，2004，10（1）：35-37

［7］郭建軍，李建科，陳芳，等.黃原膠和韋蘭膠混膠黏度的影響因素研究［J］.食品科學(xué)，2007（10）：96-99

［8］方競，沈月新，王慥，等.殼聚糖魔芋復(fù)合膜材料的研究［J］.食品科學(xué)，2002，23（8）：47-50

［9］林曉艷，陳彥，羅學(xué)剛，等.魔芋葡甘聚糖去乙?；男灾颇ぬ匦匝芯浚跩］.食品科學(xué)，2002，23（2）：21-24

［10］楊君，孫遠(yuǎn)明，吳青，等.可食性魔芋葡甘聚糖成膜特性研究［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，2001，27（9）：21-25

［11］鄧紅，郭佳琦，王軍.脫乙?；в笃细示厶且粴ぞ厶枪不炷ぶ苽涔に嚄l件研究［J］.陜西師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，35 （2）：87-91

［12］Caner C，Vergano P J，Wiles J L.Chitosan film mechanical and permeation properties as affected by acid plasticizer and storage［J］. Food Science，1998，63（6）：1049-1053

［13］張賓，汪東風(fēng)，鄧尚貴，等.殼聚糖-胰蛋白酶抑制劑復(fù)合可食性膜的制備及抗黃曲霉活性［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（4）：287-292

［14］Wang Lixia，Wen chengrong，Wujing，et al.Studies on the Molecular Chain Conformation Stability of Aminated Konjac Glucomannan［J］. Chinese J Struct Chem，2013，32（12）：1845-1853

Preparation and Properties of Konjac Glucomannan/Welan Gum Composite Film

WU Xian-hui1，LIN Jun2，WANG Li-xia2
（1.Department of Biotechnology，Ningde Vocational and Technical College，F(xiàn)u'an 355000，F(xiàn)ujian，China；2.Department of Biology Science and Technology，Minnan Normal University，Zhangzhou 363000，F(xiàn)ujian，China）

A series of composite films were prepared taking konjac glucomannan（KGM）and welan gum（WG）as raw materials.The effect of the concentration of composite solution of KGM and WG，the ratio of WG/KGM，drying temperature and drying time on the preparation，transmittance，water-solubility，water vapor permeability of the composite film，were firstly investigated by single factor experiments and orthogonal experiments.The interaction between KGM（da-KGM）and WG was also investigated by using molecular modeling studies.The results showed that the optimum film-forming parameters were as follows：concentration of composite solution 0.6%，WG/KGM 2∶8（g/g），drying temperature 70℃，and drying time 7 h.There was hydrogen bond interactions between the molecules of KGM and WG.More intermolecular hydrogen bondings existed in da-KGM and WG complex.And the interaction between da-KGM and WG was stronger than that between KGM and WG.

konjacglucomannan（KGM）；welangum（WG）；compositefilm；preparation；properties

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.15.005

福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2014J01384）；福建省教育廳科技計(jì)劃項(xiàng)目（JA13440）；閩南師范大學(xué)博士啟動(dòng)基金（2006L21335）

吳先輝（1972—），男（漢），教授，碩士，研究方向：多糖結(jié)構(gòu)與功能。

2015-08-13