纖維素粒徑對(duì)膠原纖維膜性能的影響

田海龍 高穎 邢振雷 徐利 劉坤 劉飛 陳茂深

摘要：因天然腸衣存在來源有限、加工繁瑣以及質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，機(jī)械化程度高、質(zhì)量穩(wěn)定的膠原腸衣已被廣泛應(yīng)用于腸衣加工等肉制品工業(yè)中。但國內(nèi)膠原腸衣生產(chǎn)起步較晚，腸衣還存在強(qiáng)度不夠、應(yīng)用品質(zhì)較差等問題，本研究以期通過纖維素共混的方式來改善膠原腸衣的特性，探索纖維素粒徑對(duì)膠原腸衣的影響規(guī)律及機(jī)制。測定膠原纖維膜的物化特性和應(yīng)用掃描電子顯微鏡（SEM）等手段，觀測添加不同尺寸和添加量的纖維素共混膠原纖維膜中纖維素以及膠原纖維的排列結(jié)構(gòu);運(yùn)用傅里葉紅外光譜（FTIR）分析、X射線衍射儀（XRD）、差示掃描量熱儀（DSC）等手段分析測定膠原纖維膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和熱穩(wěn)定性;結(jié)合膠原膜宏觀理化特性和微觀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，分析不同粒徑纖維素對(duì)膜性能影響規(guī)律及其原因。結(jié)果表明，添加200 PF纖維素的膜樣品具有最致密、光滑的微觀結(jié)構(gòu)，且表現(xiàn)出了最好的性能，其中濕態(tài)和水煮拉伸強(qiáng)度分別提高260%、50%，而熱變性溫度升高了約10 ℃。本研究以期將其應(yīng)用于膠原纖維腸衣的實(shí)際生產(chǎn)中，為其品質(zhì)的提高提供技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：膠原纖維膜;纖維素;熱收縮率;熱溶脹率;力學(xué)性能;微觀結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)： TS206.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2020）18-0198-07

收稿日期：2020-05-22

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（編號(hào)：31801589）;江蘇省自然科學(xué)基金（編號(hào)：BK20180615）。

作者簡介：田海龍（1985—），男，山東青島人，碩士，主要從事再造煙葉工藝技術(shù)研究、質(zhì)量管理。E-mail：thl2003@126.com。

通信作者：劉?飛，博士，副研究員，主要從事可食用膜研究。E-mail：feiliu@jiangnan.edu.cn。

膠原蛋白是一種豐富的動(dòng)物源蛋白，主要存在于動(dòng)物皮、骨和結(jié)締組織中，由于具有獨(dú)特的天然螺旋結(jié)構(gòu)、弱抗原性、良好的生物相容性以及來源豐富等一系列優(yōu)良性能，使得膠原蛋白具有廣泛的用途[1-2]。近年來，由于合成塑料包裝膜材料引起的環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，開發(fā)可再生、可降解的環(huán)境友好型天然生物大分子可食用膜材料替代合成塑料包裝、減少白色污染已成為當(dāng)今食品包裝領(lǐng)域的一種新趨勢[3]。膠原蛋白作為一種天然的生物材料，越來越多地被研究用于包裝行業(yè)，如可食用包裝膜、人造膠原蛋白腸衣等[4-5]。

牛皮來源的膠原纖維具有良好的成膜性和食用價(jià)值，因而工業(yè)中采用牛皮膠原作為原料制備人造腸衣，能夠通過纖維之間的排列和側(cè)鏈基團(tuán)間的相互作用形成更為緊密的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[6]。膠原蛋白分子具備獨(dú)特的三螺旋結(jié)構(gòu)，可以構(gòu)成抗拉強(qiáng)度很大的纖維束，因而纖維膜具有一定的機(jī)械性能[7]。

但在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于香腸生產(chǎn)操作強(qiáng)度高，純的膠原蛋白制備的腸衣不足以滿足機(jī)械強(qiáng)度需求，有研究指出，纖維素可作為增強(qiáng)劑，與膠原蛋白復(fù)合制得的可食用膜的性能會(huì)有很大的提高[8-9]。因而工業(yè)生產(chǎn)膠原蛋白腸衣時(shí)，多將纖維素用作改良劑，通過它們之間的協(xié)同作用能夠有效提高復(fù)合膜的機(jī)械性能和阻隔性能[10-11]。然而，工業(yè)中的纖維素種類繁多，粒徑不同，其性質(zhì)差異也較大[12]。但不同粒徑的纖維素對(duì)腸衣性質(zhì)的影響尚不清晰。

本研究擬通過制備添加不同粒度纖維素的膠原纖維膜樣品，測定不同樣品的熱收縮率、熱溶脹率、干濕煮3種狀態(tài)下的抗拉強(qiáng)度和斷裂延伸率，同時(shí)對(duì)不同樣品的微觀結(jié)構(gòu)、膠原纖維堆積密度、熱穩(wěn)定性和分子間的相互作用強(qiáng)度進(jìn)行分析，研究纖維素的粒度對(duì)膠原纖維腸衣膜宏觀性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)的影響，以及纖維素與膠原纖維之間的相互作用。以期深入了解和闡述膠原纖維膜的組織、結(jié)構(gòu)以及二者之間的關(guān)系，另一方面希望能夠?yàn)楦纳颇z原纖維腸衣的特性、推動(dòng)膠原纖維腸衣產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步提供技術(shù)思路。

1?材料與方法

試驗(yàn)于2019年9—11月在江南大學(xué)膠華實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

1.1?材料與試劑

牛二層皮原料，由北京秋實(shí)農(nóng)業(yè)股份有限公司提供。甘油、濃鹽酸、氨水及其他試劑，均購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。不同粒徑的纖維素（軟木纖維、200植物纖維（PF）纖維素、300PF纖維素、500PF纖維素）購自美國FMC公司，具體參數(shù)見表1。

1.2?儀器設(shè)備

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，購自上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;電子分析天平，購自梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司;Panda Plus高壓均質(zhì)機(jī)，購自德國GEA公司;Fisco-1S真空攪拌脫氣機(jī)，購自德國Fluko公司;Discovery DHR-3旋轉(zhuǎn)流變儀，購自美國TA公司;物性分析儀，購自英國SMS公司;X射線衍射儀，購自德國布魯克AXS有限公司;傅立葉紅外光譜儀（Nicolet IS50 FT-IR），購自美國賽默飛世爾科技公司;差式掃描量熱儀，購自德國耐馳儀器制造有限公司;TA.XTPlus物性分析儀，購自源順國際有限公司;亞克力干燥箱，購自飛世爾實(shí)驗(yàn)器材（上海）有限公司。

1.3?試驗(yàn)方法

1.3.1?膠原纖維膜的制備

將洗凈牛皮剪成 1 cm×1 cm小塊，將切塊后的牛皮與2.5倍碎冰放入高速粉碎機(jī)中粉碎得皮漿。將9.3 g鹽酸、25 g甘油加入1 000 mL容量瓶配制pH值為2的酸液并定容。將皮漿分別與等質(zhì)量的含0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）軟木纖維、200PF纖維素、300PF纖維素、500PF纖維素的酸液混合，并用懸臂攪拌器攪拌約5 min使其混合均勻。在4 ℃條件下，酸化膨脹18～24 h。在膠團(tuán)中加入9倍質(zhì)量的去離子水，使用懸臂攪拌器攪拌至均勻狀態(tài)，經(jīng)30 MPa高壓均質(zhì)機(jī)均質(zhì)1次后使用高速冷凍離心機(jī)在4 000 r/min條件下脫氣 5 min。準(zhǔn)確稱量40 g脫氣后膠原稀溶液于平板中，置于30 ℃烘箱干燥36 h，成膜后將其置于恒溫恒濕箱內(nèi)平衡72 h。以不添加纖維素的膠原纖維膜作為對(duì)照。

2.3?不同纖維素對(duì)膠原纖維膜干、濕、煮狀態(tài)機(jī)械特性的影響

由于在實(shí)際生產(chǎn)中，膠原纖維腸衣須要經(jīng)受灌腸等內(nèi)容物對(duì)腸衣壁的機(jī)械擠壓作用，因此要具備一定的抗拉強(qiáng)度和耐拉伸性[14]。但抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率與膠原纖維腸衣的性能并不是完全呈正相關(guān)關(guān)系。強(qiáng)度不足時(shí)，容易出現(xiàn)腸衣破裂，而過高的抗拉強(qiáng)度則會(huì)降低食用品質(zhì)，過大的斷裂伸長率可能會(huì)出現(xiàn)咬不斷的現(xiàn)象[15]。使用物性分析儀對(duì)所制備的膜樣品不同狀態(tài)的抗拉強(qiáng)度和斷裂延伸率進(jìn)行測定，從圖3可以看出，添加4種纖維素后，膜樣品在干狀態(tài)下的抗拉強(qiáng)度都有了不同程度的下降，說明不同粒徑纖維素均會(huì)破壞膠原纖維膜的結(jié)構(gòu)，且軟木纖維的影響最大。但在濕狀態(tài)或煮1、10 min狀態(tài)下，添加纖維素的抗拉強(qiáng)度大多大于對(duì)照組，說明在濕熱處理時(shí)，纖維素的添加可緩解膠原纖維膜樣品機(jī)械強(qiáng)度的下降。這可能是由于纖維素可以緩解膠原纖維結(jié)構(gòu)的破壞。對(duì)于斷裂延伸率而言，在干狀態(tài)下，200PF和500PF的纖維素對(duì)膠原膜的斷裂延伸率略有提升。添加軟木纖維的膜樣品在濕狀態(tài)下展現(xiàn)出很大的斷裂延伸率，可能是因?yàn)檐浤纠w維與膠原纖維的相容性較好，形成了較好的融合[8]。添加纖維素后的膜樣品隨著水煮時(shí)間的延長，斷裂延伸率均明顯降低，其中500PF纖維素的膜樣品下降的程度最大，這可能是纖維素的加入使得膜樣品中的膠原纖維更容易在水煮時(shí)被破壞，而粒徑越大（500PF）破壞程度越大?？傮w而言，添加200PF纖維素對(duì)膜樣品的積極影響最大，特別是在煮較長時(shí)間下，表現(xiàn)出較好的力學(xué)性能。

2.4?不同纖維素對(duì)膠原纖維膜微觀形貌的影響

各膠原纖維膜樣品掃描電鏡圖像見圖4，由上至下依次為對(duì)照組、軟木纖維、200PF纖維素、300PF纖維素、500PF纖維素處理?？瞻捉M表面較為平整，無明顯氣孔及裂紋等缺陷，也存在部分膠原纖維聚集形成的小凸起。試驗(yàn)組在放大倍數(shù)為100倍情況下可以看到膜樣品表面的纖維素凸起;在1 000倍狀態(tài)下可以更為清晰地看出幾種纖維素的形態(tài)，添加軟木纖維素的膜樣品較為粗糙，可能是由于其粒徑較小，更容易發(fā)生聚集。200PF纖維素和300PF纖維素的加入使膜樣品變得較為致密。在10 000倍下可以觀察到添加200PF纖維素的膜樣品，膠原纖維聚集情況有所改善。而500PF纖維素可能由于粒徑過大，使得膜表面隆起，從而使得膜表面變得粗糙。

2.5?不同纖維素對(duì)膠原纖維膜傅里葉紅外光譜的影響

從圖5可以看出，膜樣品在4 000～2 500 cm-1 的區(qū)域（氫鍵區(qū)）有3個(gè)膠原蛋白的特征峰，包括酰胺A譜帶（3 310～3 290 cm-1）、酰胺B譜帶（3 070～3 060 cm-1）和—CH2不對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰（2 930～2 920 cm-1）。N—H和O—H等2種共價(jià)鍵的伸縮會(huì)引起酰胺A譜帶變化，而酰胺A對(duì)膠原蛋白的三股螺旋結(jié)構(gòu)比較敏感[16]，在膜樣品添加不同種類纖維素后，酰胺A譜帶幾乎無變化，表明所制備的膠原纖維膜中加入其他纖維素并沒有生成新的官能團(tuán)，膠原纖維的三股螺旋構(gòu)型特征沒有改變[11]。

在1 700～1 200 cm-1的區(qū)域有酰胺Ⅰ譜帶（1 650～1 640 cm-1）、酰胺Ⅱ譜帶（1 550～1 540 cm-1）以及酰胺Ⅲ譜帶（1 250～1 240 cm-1）的出現(xiàn)，它們都是膠原蛋白的特征峰。其中酰胺Ⅰ譜帶為CO以及CN的伸縮振動(dòng)峰，對(duì)膠原蛋白的三股螺旋結(jié)構(gòu)變化較為敏感[17]，加入幾種纖維素后，酰胺Ⅰ譜帶均變得更加尖銳，說明引起了CO鍵的伸縮振動(dòng);酰胺Ⅱ譜帶與三股螺旋結(jié)構(gòu)相關(guān)性較小，在纖維素加入后也變得更加尖銳，說明幾種纖維素與膠原纖維之間均有氫鍵作用，影響最大的是500 PF纖維素;酰胺Ⅲ譜帶中C—N的拉伸振動(dòng)，以及膠原蛋白的甘氨酸主鏈中—CH2基團(tuán)都會(huì)引起酰胺Ⅲ譜帶的變化，由FTIR圖可以看出，纖維素的添加在一定程度上影響了膠原蛋白分子間的相互作用[10]，其中最顯著的為軟木纖維，這與膜樣品干態(tài)的力學(xué)性能具有一致性。

2.6?不同纖維素對(duì)膠原纖維膜的X射線衍射圖譜的影響

采用X射線衍射分析可以確定不同膠原纖維分子的結(jié)構(gòu)，也能顯示出膠原中三股螺旋的含量[18]。從圖6可以看出，膠原纖維膜樣品均具有2個(gè)明顯的特征峰，分別為2θ=8.32°的尖銳的峰和2θ=17.26° 時(shí)的寬峰。 與對(duì)照組相比， 添加纖維素的膜樣品在2θ=22.84°處有較為尖銳的特征峰，此處顯示的為4種纖維素的結(jié)晶度，最為明顯的是300PF纖維素，可以看出在纖維素與膠原纖維形成的聚合物結(jié)晶度會(huì)發(fā)生變化。2θ=8.32°附近的峰與三股螺旋結(jié)構(gòu)有關(guān)，其峰強(qiáng)度與膜樣品中三股螺旋結(jié)構(gòu)的含量呈正相關(guān)。在加入軟木纖維后對(duì)該特征峰無明顯影響，表明纖維素的添加對(duì)膠原纖維的三股螺旋結(jié)構(gòu)影響較小，主要為物理填充和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)作用[11]，此結(jié)果與FTIR圖譜所顯示的結(jié)果一致。

2.7?不同纖維素對(duì)膠原纖維膜熱穩(wěn)定性的影響

采用差示掃描量熱儀對(duì)該組膜樣品的熱性能進(jìn)行測定，從圖7可以看出，所有膜樣品都有1個(gè)吸收峰，為膠原纖維的三股螺旋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為雜亂無序的單鏈結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化峰，峰值溫度的變化與膠原纖維分子的降解過程密切相關(guān)[18-19]，此溫度均為90 ℃左右，說明膠原蛋白發(fā)生了熱變性，這與相關(guān)報(bào)道中膠原纖維的變性溫度[18]基本一致。

繼續(xù)升高溫度，膜樣品也不再出現(xiàn)突變峰，形成一條較為平滑的線，表明纖維素也是在90 ℃左右發(fā)生了熱變性。纖維素的加入對(duì)膜樣品的熱穩(wěn)定性起到了積極作用，其中最有效的是500PF纖維素，它使得峰值溫度由81.95 ℃升高到93.49 ℃（表2）。這可能是因?yàn)槔w維素的熱穩(wěn)定性高，復(fù)合后能夠增強(qiáng)整體的熱穩(wěn)定性，且粒徑越大越穩(wěn)定[8]。

3?討論與結(jié)論

本研究通過對(duì)添加不同種類纖維素的膜樣品的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測和物性進(jìn)行測定，綜合分析可知，不同粒徑纖維素的添加可通過物理填充而降低膠原纖維膜的熱收縮率，但纖維素與膠原纖維之間排列形成的縫隙便于水分的滲入，從而增大了其熱溶脹率，且隨著纖維素粒徑的增大而更加明顯。無論哪種粒徑的纖維素，總體上均未改變膠原的三股螺旋結(jié)構(gòu)，但提高了膠原纖維膜的濕、煮機(jī)械特性和熱穩(wěn)定性，其中添加500PF的纖維素時(shí)，水煮 10 min 時(shí)機(jī)械特性下降明顯，而熱變性溫度提升最明顯，約為12 ℃。研究結(jié)果表明，200PF纖維素為最合適的種類，它對(duì)膜樣品的表面結(jié)構(gòu)影響較小，同時(shí)跟膠原纖維形成較為緊密的結(jié)構(gòu)，對(duì)膜的其他性質(zhì)均有一定改善。

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