交聯(lián)體系對海藻酸鈉/印度樹膠復(fù)合膜性能的影響

李 楊,白 鈺,許加超,高 昕,付曉婷

(中國海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島 266003)

近年來,隨著食品工業(yè)的快速發(fā)展和消費市場的不斷升級,食品包裝領(lǐng)域越來越受到人們的關(guān)注。目前,市場上出售的保鮮膜產(chǎn)品主要有以下三種:聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)和聚偏二氯乙烯(PVDC)保鮮膜[1]。這類保鮮膜是以石油提取物之一乙烯為母體制成[2],不易降解,只有少部分被回收利用,大部分累積在自然環(huán)境中,造成“白色污染”[3]。此外,保鮮膜可與食品直接接觸,在高溫條件下易產(chǎn)生“塑化劑遷移問題”[4-6],長期攝入會引起心腦血管疾病,造成內(nèi)分泌失調(diào)[7],存在巨大的食品安全隱患。因此,迫切需要找到一種廉價、安全、可降解的包裝材料,代替目前包裝領(lǐng)域?qū)λ芰习b材料的需求。

海藻酸鈉(sodium alginate)是一種從海洋褐藻或細菌中提取的天然多糖,安全無毒、來源豐富、具有全生物降解性和良好的成膜性,因此被廣泛的應(yīng)用于食品領(lǐng)域中[8]。海藻酸鈉可與除鎂離子外的多價金屬離子交聯(lián)形成不可逆凝膠,在實際應(yīng)用中常使用二價鈣離子作為交聯(lián)劑,鈣離子可與海藻酸鈉形成典型的“蛋盒結(jié)構(gòu)”[9],但單一交聯(lián)劑形成的交聯(lián)膜物理性能較差,不利于工業(yè)化生產(chǎn)及使用。針對上述問題,已有文獻報道表明,通過交聯(lián)體系的優(yōu)化可改善膜的物理性能,如:Bartley等[10]探究了pH對海藻酸鈉-卡拉膠共混膜交聯(lián)度的影響,實驗結(jié)果表明酸性環(huán)境下共混膜的交聯(lián)度最大且共混膜的物理性能最佳;鄧靖等[11]研究表明交聯(lián)作用優(yōu)化后,海藻酸鈉膜的機械性能及耐水性能均有所改善;邱潔等[12]通過研究交聯(lián)條件對海藻渣地膜性能的影響時,得出CaCl2-HCl交聯(lián)體系可通過褐藻酸鈣與褐藻酸之間的協(xié)同作用來改善褐藻酸鈣膜的柔韌性。但目前大多使用無機酸(例如:鹽酸等)進行優(yōu)化研究,無機酸的酸性極強,這不僅大大加速了膜的降解速率,而且食品包裝膜在使用過程中直接與食品接觸,pH直接影響食品的貨架期,pH較低易滋生細菌、酵母菌或霉菌[13],不利于食品的貯存。因此,本文選用檸檬酸、蘋果酸、乳酸等幾種食品工業(yè)中常用有機酸,這類酸不僅是一種天然的防腐劑,保鮮效果極佳,而且可參與人體正常的新陳代謝,對人體無害[14]。

因此,本實驗以海藻酸鈉為主要原料,與印度樹膠進行復(fù)配,篩選氯化鈣-檸檬酸、氯化鈣-乳酸、氯化鈣-蘋果酸三種交聯(lián)體系,并通過Ca2+-H+交聯(lián)體系的優(yōu)化來改善海藻酸鈉/印度樹膠復(fù)合膜的性能。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

海藻酸鈉 青島海之林生物科技有限公司;印度樹膠 河南圣斯德實業(yè)有限公司;丙三醇(甘油) 天津市富宇精細化工有限公司;氯化鈣 天津市大茂化學(xué)試劑廠;檸檬酸、乳酸、蘋果酸 安徽雪郎生物科技股份有限公司。

HH-2型數(shù)顯恒溫水浴鍋 國華電器有限公司;DZG-6020型電熱真空干燥箱 上海培因?qū)嶒瀮x器有限公司;DHG-9090A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海精宏實驗設(shè)備有限公司;10JEWELS 測厚規(guī) 威海裕福量具有限公司;TMS-PRO 質(zhì)構(gòu)儀 美國Food Tech-nology Corporation;VEGA3 掃描電子顯微鏡 TESCAN;Nicolet iN10 傅里葉紅外變換光譜 美國Massachusetts。

1.2 實驗方法

1.2.1 海藻酸鈉/印度樹膠復(fù)合膜的制備 通過課題組前期單因素實驗探索得最優(yōu)配方如下:按照溶液總濃度為1.4%、比例為5∶1,分別稱取海藻酸鈉與印度樹膠粉末溶于蒸餾水中,并向溶液中加入0.5%甘油[15],在60 ℃恒溫水浴攪拌至完全溶解,將膠液冷卻至室溫并置于電熱真空干燥箱中脫氣30 min。再將脫氣完全的膠液倒入15 cm×15 cm的亞克力板中烘干,隨后將膜浸沒在配制的交聯(lián)溶液中進行交聯(lián),交聯(lián)結(jié)束后,將交聯(lián)膜用蒸餾水沖洗掉殘余交聯(lián)液,并將交聯(lián)膜烘干。最后,將制備的樣品膜放置于相對濕度為50%、溫度為25 ℃的干燥器中調(diào)試3 d,以備后續(xù)性能測定使用。

1.2.2 交聯(lián)體系對海藻酸鈉/印度樹膠復(fù)合膜性能的影響

1.2.2.1 鈣離子濃度對海藻酸鈉/印度樹膠復(fù)合膜性能的影響 參照參考文獻[12]的報道并稍作修改,按照鈣離子濃度為1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%,交聯(lián)時間為5 min,對復(fù)合膜進行交聯(lián),隨后進行復(fù)合膜性能測試,篩選出最優(yōu)鈣離子濃度。

1.2.2.2 氫離子濃度對海藻酸鈉/印度樹膠復(fù)合膜性能的影響 參照參考文獻[16]的報道并稍作修改,按照鈣離子濃度為1.5%,氫離子濃度為0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%,交聯(lián)時間為5 min,有機酸種類為檸檬酸配制交聯(lián)溶液,對復(fù)合膜進行交聯(lián),隨后進行復(fù)合膜性能測試,篩選出最優(yōu)氫離子濃度。

1.2.2.3 交聯(lián)時間對海藻酸鈉/印度樹膠復(fù)合膜性能的影響 參照參考文獻[17]等的報道并稍作修改,按照鈣離子濃度為1.5%,氫離子濃度為1.0%,交聯(lián)時間為4、5、6、7、8、9、10 min,有機酸種類為檸檬酸配制交聯(lián)溶液,對復(fù)合膜進行交聯(lián),隨后進行復(fù)合膜性能測試,篩選出最優(yōu)交聯(lián)時間。

1.2.2.4 有機酸種類對海藻酸鈉/印度樹膠復(fù)合膜性能的影響 按照鈣離子濃度為1.5%、,氫離子濃度為1.0%,交聯(lián)時間為5 min,有機酸種類為檸檬酸、乳酸、蘋果酸配制交聯(lián)溶液,對復(fù)合膜進行交聯(lián),隨后進行復(fù)合膜性能測試,篩選出最優(yōu)有機酸種類。

1.2.3 膜性能測試

1.2.3.1 膜厚度的測定 使用測厚規(guī)(精密度為0.001 mm)測量海藻酸鈉/印度樹膠復(fù)合膜厚度,每個組分別選取3張復(fù)合膜進行測量。隨機在每張復(fù)合膜上選取10個點,并計算其平均值。

1.2.3.2 力學(xué)性能的測定 參考ASTM Method D882標準并稍作修改[18],對膜的拉伸強度和斷裂伸長率進行測定。將膜切割成5 cm×1.5 cm條形,設(shè)定參數(shù):拉伸速率12 mm/min,起始夾距50 mm,使用TMS-Pro質(zhì)構(gòu)儀進行測定。每個組分取10條試樣測定,并計算其平均值。

拉伸強度(TS)計算公式如下:

TS=Fmax/A

式(1)

其中,Fmax(N)是樣品斷裂所需最大力;A(m2)是樣品橫截面積(膜厚度×膜寬度)。

斷裂伸長率(EB)計算公式如下:

EB(%)=(L/L0)×100

式(2)

其中,L(m)樣品斷裂時伸長率;L0(m)樣品的初始長度。

1.2.3.3 水蒸氣透過率的測定 參考ASTM Method E96標準并稍作修改[19],對膜的水蒸氣透過率進行測定。將膜切成直徑為6 cm的圓,覆蓋于裝有15 mL蒸餾水的稱量杯(3 cm×5 cm)上。將稱量杯置于相對濕度為50%,溫度為25 ℃的環(huán)境中,12 h內(nèi)每2 h測一次稱量杯的重量。每個組分取3個試樣測定,并計算其平均值。計算公式如下:

WVP=(WVTP×L)/ΔP

式(3)

其中,WVTP為水蒸氣透過率(g/(m2s));L(m)為膜厚度;ΔP為膜兩側(cè)水蒸氣壓差。

1.2.3.4 含水量的測定 參照參考文獻方法[20],并稍作修改。將膜剪碎成小塊,稱取約0.5 g于稱量皿中,置于105 ℃烘箱中烘干至恒重。每個組分取3個試樣測定,并計算其平均值。計算公式如下:

式(4)

其中,m0為膜的起始重量(g);mf為膜烘干至恒重后重量(g)。

1.2.3.5 水溶性的測定 參照參考文獻方法[20],并稍作修改。將膜切割成直徑為2.5 cm的圓形樣品,稱重為m0。并將圓形樣品置于裝有50 mL的蒸餾水的錐形瓶中,浸泡24 h后吸干水分,在105 ℃烘箱內(nèi)烘干至恒重,取出稱重mf。每個組分取3個試樣測定,并計算其平均值。計算公式如下:

式(5)

其中,w為膜的水分含量。

1.2.3.6 掃描電鏡 使用液氮處理使海藻酸鈉/印度樹膠復(fù)合膜自然斷裂,并將復(fù)合膜進行鍍金處理,在15 kV加速電壓下使用掃描電子顯微鏡進行微觀結(jié)構(gòu)分析。

1.2.3.7 傅里葉紅外變換光譜 將樣品充分干燥、剪碎并研磨,取適量樣品進行測試。測試條件為:掃描次數(shù):16次,分辨率為4 cm-1,掃描波數(shù)范圍400～4000 cm-1。

1.3 數(shù)據(jù)分析 通過one-way ANOVA進行統(tǒng)計分析,使用SPSS統(tǒng)計分析軟件進行Ducan分析。所有實驗至少重復(fù)3次,結(jié)果以means±S.D表示。當(dāng)試驗結(jié)果P<0.05時,具有顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 鈣離子濃度對海藻酸鈉/印度樹膠復(fù)合膜性能影響

海藻酸鈉可與二價金屬離子Ca2+形成強凝膠褐藻酸鈣,即為典型的“蛋盒”結(jié)構(gòu)[21],改善海藻酸鈉膜易溶于水的缺點。鈣離子濃度為1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%對海藻酸鈉/印度樹膠復(fù)合膜力學(xué)性能的影響如圖1所示,隨著鈣離子濃度增大,海藻酸鈉/印度樹膠復(fù)合膜拉伸強度先增大,當(dāng)濃度為2.5%時達到最大為47.66 MPa(P<0.05),隨后拉伸強度減小,與郭麗玲等[22]研究結(jié)果相同。同時,復(fù)合膜斷裂伸長率隨著鈣離子濃度增大,呈現(xiàn)先增大后降低趨勢,當(dāng)濃度為1.5%時,斷裂伸長率最大為8.98%(P<0.05)。這可能由于交聯(lián)時,Ca2+與海藻酸鈉分子鏈上的羧基基團結(jié)合,隨著鈣離子濃度增大,交聯(lián)速度越快,拉伸強度增大。但交聯(lián)速度過快導(dǎo)致鈣離子與羧基基團不能有序結(jié)合,使復(fù)合膜拉伸強度降低[23]。

圖1 鈣離子濃度對海藻酸鈉/印度樹膠復(fù)合膜力學(xué)性能的影響

表1是鈣離子濃度對復(fù)合膜厚度、水蒸氣透過率、含水量和水溶性的影響。鈣離子濃度增大對復(fù)合膜厚度影響不大,但復(fù)合膜的水蒸氣透過率呈現(xiàn)先減小后趨于穩(wěn)定趨勢。這可能由于鈣離子濃度增大,膜交聯(lián)程度增高,膜越致密,水蒸氣透過率減小。含水量一定程度上能反映復(fù)合膜的穩(wěn)定性,隨著鈣離子濃度的增大呈現(xiàn)緩慢增大后減小的趨勢。對于水溶性來說,鈣離子濃度的改變對其無顯著性影響(P>0.05)。

表1 鈣離子濃度對海藻酸鈉/印度樹膠復(fù)合膜厚度、水蒸氣透過率(WVP)、含水量和水溶性的影響

因此,綜合考慮選擇鈣離子濃度為1.5%進行后續(xù)實驗,此時膜厚度為31.05 μm,拉伸強度為47.66 MPa,斷裂伸長率為8.98%,水蒸氣透過率為7.81×10-11g/(m·s·Pa),含水量為16.32%,水溶性為8.07%。

2.2 氫離子濃度對海藻酸鈉/印度樹膠復(fù)合膜性能影響

由上述討論得知,單純鈣交聯(lián)體系所形成的交聯(lián)膜剛性強,斷裂伸長率性能差,因此本研究選取Ca2+-H+交聯(lián)體系來改善復(fù)合膜的柔韌性。氫離子濃度為0.0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%對海藻酸鈉/印度樹膠復(fù)合膜力學(xué)性能的影響如圖2所示,隨著氫離子濃度的增加,膜拉伸強度先減小后趨于平穩(wěn),斷裂伸長率先增大后減小。這歸因于Ca2+-H+交聯(lián)體系可形成強凝膠“Ca(Alg)2”和弱凝膠“HAlg”,兩者比例可影響復(fù)合膜的強度及柔韌度[16],當(dāng)氫離子濃度為1.0%時,強弱凝膠的協(xié)同作用最好,力學(xué)性能最佳。

圖2 氫離子濃度對海藻酸鈉/印度樹膠復(fù)合膜力學(xué)性能的影響

氫離子濃度對海藻酸鈉/印度樹膠復(fù)合膜厚度、水蒸氣透過率、含水量和水溶性的影響如表2所示,水蒸氣透過率和水溶性均呈現(xiàn)先降低后增大趨勢,氫離子濃度為1.0%時,水蒸氣透過率和水溶性分別為6.99×10-11g/(m·s·Pa)、6.41%(P<0.05)。

表2 氫離子濃度對海藻酸鈉/印度樹膠復(fù)合膜膜厚度、水蒸氣透過率(WVP)、含水量和水溶性的影響

因此,綜合考慮選擇氫離子濃度為1.0%進行后續(xù)實驗,此時膜厚度為34.52 μm,拉伸強度為34.11 MPa,斷裂伸長率為15.27%,含水量為17.33%,水蒸氣透過率為6.99×10-11g/(m·s·Pa),水溶性為6.41%。

2.3 交聯(lián)時間對海藻酸鈉/印度樹膠復(fù)合膜性能影響

交聯(lián)時間是影響海藻酸鈉/印度樹膠復(fù)合膜性能的重要指標之一,將復(fù)合膜在交聯(lián)液中分別交聯(lián)4、5、6、7、8、9、10 min,探究交聯(lián)時間對復(fù)合膜性能影響。如圖3所示,隨著交聯(lián)時間的增大復(fù)合膜的拉伸強度和斷裂伸長率均呈現(xiàn)先增大后緩慢減小的趨勢(P<0.05)。當(dāng)交聯(lián)5 min時,復(fù)合膜交聯(lián)完全,拉伸強度和斷裂伸長率分別為34.11 MPa和15.27%。但本研究為Ca2+-有機酸交聯(lián)體系,海藻酸鈉膜在酸性條件下可發(fā)生降解[24],而有機酸酸性呈弱酸性,因此呈現(xiàn)緩慢降低趨勢。

圖3 交聯(lián)時間對海藻酸鈉/印度樹膠復(fù)合膜力學(xué)性能的影響

如表3所示,交聯(lián)時間在4～8 min內(nèi)時,復(fù)合膜的水蒸氣透過率均在6.57×10-11～7.37×10-11g/(m·s·Pa)之間。當(dāng)交聯(lián)時間增大時,水蒸氣透過率增大,交聯(lián)時間10 min時,高達9.61×10-11g/(m·s·Pa)。可能是由于復(fù)合膜交聯(lián)5 min時,交聯(lián)完全形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),但隨著交聯(lián)時間的延長,導(dǎo)致海藻酸鈉/印度樹膠復(fù)合膜在酸性條件下發(fā)生降解[24],破壞了形成的“蛋盒”結(jié)構(gòu),導(dǎo)致水蒸氣透過率增大。復(fù)合膜的水溶性呈現(xiàn)先降低后略微升高至平衡狀態(tài),這歸因于隨著交聯(lián)時間的延長交聯(lián)程度增高,當(dāng)交聯(lián)5 min時交聯(lián)完全,此時水溶性最小。

表3 交聯(lián)時間對海藻酸鈉/印度樹膠復(fù)合膜膜厚度、水蒸氣透過率(WVP)、含水量和水溶性的影響

因此,綜合考慮選擇交聯(lián)時間5 min進行后續(xù)實驗,此時膜厚度為34.52 μm,拉伸強度為34.11 MPa,斷裂伸長率為15.27%,水蒸氣透過率為6.99×10-11g/(m·s·Pa),含水量為17.33%,水溶性為6.41%。

2.4 有機酸種類對海藻酸鈉/印度樹膠復(fù)合膜性能影響

本研究選取檸檬酸、乳酸、蘋果酸三種常用的有機酸,通過測定復(fù)合膜的性能篩選出合適的Ca2+-H+體系。如圖4所示,通過氯化鈣-檸檬酸交聯(lián)體系制備的復(fù)合膜拉伸強度和機械性能分別為34.11 MPa和15.27%,均優(yōu)于氯化鈣-乳酸交聯(lián)體系和氯化鈣-蘋果酸交聯(lián)體系。從表4中可知:氯化鈣-檸檬酸交聯(lián)體系水蒸氣透過率最佳(P<0.05),氯化鈣-乳酸交聯(lián)體系其次,氯化鈣-蘋果酸交聯(lián)體系最差。三種有機酸交聯(lián)體系所形成的復(fù)合膜水溶性:氯化鈣-乳酸>氯化鈣-蘋果酸>氯化鈣-檸檬酸。這可能歸因于氯化鈣-檸檬酸交聯(lián)體系中Ca2+與H+協(xié)同作用最佳,復(fù)合膜的水蒸氣透過率最低，為6.99×10-11g/(m·s·Pa),水溶性為6.41%。

表4 有機酸種類對海藻酸鈉/印度樹膠復(fù)合膜膜厚度、水蒸氣透過率(WVP)、含水量和水溶性的影響

圖4 有機酸種類對海藻酸鈉/印度樹膠復(fù)合膜力學(xué)性能的影響

因此,綜合考慮選用氯化鈣-檸檬酸交聯(lián)體系進行后續(xù)實驗,此時膜厚度為34.52 μm,拉伸強度為34.11 MPa,斷裂伸長率為15.27%,水蒸氣透過率為6.99×10-11g/(m·s·Pa),含水量為17.51%,水溶性為6.41%。

2.5 掃描電鏡分析

利用掃描電鏡對海藻酸鈉/印度樹膠復(fù)合膜進行表面及斷面結(jié)構(gòu)的表征,從而進一步分析不同Ca2+-H+交聯(lián)體系對膜結(jié)構(gòu)的影響。如圖5所示,三種不同Ca2+-H+交聯(lián)體系交聯(lián)膜表面平整、均勻,這是由于Ca2+可優(yōu)先與海藻酸鈉中GG片段交聯(lián)形成“蛋盒結(jié)構(gòu)”[21],隨后H+可與海藻酸鈉中MG(或者GM)片段交聯(lián)形成HAlg線性弱凝膠[25],形成致密結(jié)構(gòu)。相較之下,氯化鈣-乳酸交聯(lián)體系和氯化鈣-檸檬酸交聯(lián)體系表面粗糙、有少量顆粒狀結(jié)構(gòu)。斷面:氯化鈣-檸檬酸交聯(lián)體系結(jié)構(gòu)緊密,無氣泡及空腔;氯化鈣-乳酸交聯(lián)體系截面緊密但可觀察到少量條狀缺失;氯化鈣-蘋果酸交聯(lián)體系斷面有一層層片狀,結(jié)構(gòu)不致密,截面厚度厚。綜上所示,三種不同的交聯(lián)體系中,氯化鈣-檸檬酸交聯(lián)體系形成的交聯(lián)膜微觀結(jié)構(gòu)最緊密、均勻、交聯(lián)度高。

圖5 不同交聯(lián)體系海藻酸鈉/印度樹膠復(fù)合膜表面(左)及斷面(右)的微觀結(jié)構(gòu)

2.6 傅里葉紅外光譜分析

如圖6所示,三種不同Ca2+-H+交聯(lián)體系所形成的特征峰在3329、1705、1604、1406、1035 cm-1波段。其中,3329 cm-1處吸收峰為-OH的伸縮振動峰,1604和1406 cm-1處特征峰分別對應(yīng)-COO-的反對稱伸縮振動吸收峰及對稱伸縮振動吸收峰[15,26]。此外,1705和1035 cm-1分別對應(yīng)著羧酸酯(C=O)的伸縮振動吸收峰及糖苷鍵吸收峰[27]。分析可得,三種不同交聯(lián)體系的傅里葉紅外光譜圖類似,其中主要在-OH伸縮振動吸收峰和羧酸酯(C=O)伸縮振動吸收峰發(fā)現(xiàn)差異。-OH譜帶形成的差異是由分子內(nèi)及分子間形成的氫鍵產(chǎn)生;羧酸酯(C=O)譜帶形成的差異歸因于:有機酸呈弱酸性,可與海藻酸鈉形成酯鍵[28],三種有機酸在水溶性中的酸性強弱不同,因此羧酸酯形成峰的峰面積不同。

圖6 不同交聯(lián)體系海藻酸鈉/印度樹膠復(fù)合膜傅里葉紅外光譜圖

3 結(jié)論

本研究通過探究氯化鈣-檸檬酸、氯化鈣-乳酸、氯化鈣-蘋果酸三種不同的Ca2+-H+交聯(lián)體系來改善海藻酸鈉/印度樹膠復(fù)合膜的性能。復(fù)合膜的優(yōu)化結(jié)果為,當(dāng)選用氯化鈣-檸檬酸交聯(lián)體系,Ca2+濃度為1.5%,H+濃度為1.0%,交聯(lián)時間為5 min時,海藻酸鈉/印度樹膠復(fù)合膜綜合性能最佳:拉伸強度為34.11 MPa,斷裂伸長率為15.27%,膜厚度為34.52 μm,水蒸氣透過率為6.99×10-11g/(m·s·Pa),含水量為17.51%,水溶性為6.41%。同時,掃描電鏡和傅里葉紅外變換光譜表征方法也表明氯化鈣-檸檬酸交聯(lián)體系形成的交聯(lián)膜微觀結(jié)構(gòu)緊密、均勻、交聯(lián)度高。此外,本實驗結(jié)果為海藻酸鈉/印度樹膠復(fù)合膜作為一種安全無毒、環(huán)境友好、可生物降解的新型包裝材料提供了理論依據(jù)。