魔芋葡甘聚糖/乙基纖維素復合膜配方優(yōu)化及其在蜂蜜包裝中的應用

肖 滿,唐 斌,姜發(fā)堂,王 浩,鄭 晗,張 瑩,謝 姣,詹建波,*

(1.湖北工業(yè)大學生物工程與食品學院,湖北武漢 430068; 2.云南中煙工業(yè)有限責任公司技術中心,云南昆明 650231)

食品工業(yè)中大量不可生物降解塑料膜的使用可導致環(huán)境污染問題,迫切需要一種能替代的可生物降解膜材料。多糖基復合膜是一種安全且環(huán)境友好型的食品包裝材料,具有潛在替代塑料膜的應用前景[1]。在多糖中,魔芋葡甘聚糖(Konjac glucomannan,簡稱KGM)為天南星科魔芋屬多年生草本植物的塊莖中提取的一種多糖,是一種高分子、水溶性以及非離子型天然多糖,常作為食品添加劑使用[2]。KGM具有優(yōu)越的成膜性,可用于可食性膜的制備[3-4]。KGM由β-D-葡萄糖和β-D-甘露糖按約1∶1.6的比例,以β-1,4糖苷連接,分支程度大約是每32個糖殘基有3個分支,主鏈上平均每隔9～19個糖殘基單元上C-6位置連接一個乙?；鵞5]。KGM具有良好的成膜性能,其純膜可用于包裝方便面中的調料包,如粉包、蔬菜包和油包[6]。但是KGM膜親水性較強,防水性差,拉伸強度低,不能包裝半固體或液體食品,為了克服上述缺點,許多研究者將KGM與其它多糖共混,如KGM與殼聚糖[7]、與可得然膠[8]、與瓊脂[9]、與纖維素[10]等,可制備出拉伸強度和疏水性更強的復合膜。

乙基纖維素(Ethyl cellulose,簡稱EC)是纖維素在堿化后與氯乙烷反應制備的一種非離子型纖維素烷基醚,具有來源豐富的優(yōu)點[11]。EC具有優(yōu)越的成膜性,且安全無毒,在食品和藥品領域被廣泛應用。如利用EC的物理性能,將其用于與食物接觸的紙或密封材料、涂料、食用色素等配方中;利用EC成膜性,將其用于藥品緩釋膜層、微膠囊包埋、緩釋微膠囊等,能使進入體內的藥品在胃、腸位置發(fā)揮最佳療效[12]。EC由β-1,4糖苷鍵連接的D-葡萄糖單元組成,葡萄糖殘基上部分羥基被乙基取代,當乙基取代度(DS)在0.7～1.7范圍時,EC溶于水中,當DS高于1.5時,溶于有機溶劑,如乙醇、乙酸乙酯、正丁醇等,目前工業(yè)上生產的EC DS為2.2～2.6,乙基含量為44%～51%[3,13]。

KGM與EC兩種多糖復合成膜,可以克服KGM防水性差、拉伸強度低等問題。Ni等以KGM和EC為基材,以水和乙酸乙酯作為溶劑,通過共混法將KGM與EC共混形成乳液,并對乳液進行了穩(wěn)定性和流變性測定[14]。Li等制備KGM/EC復合膜,并對復合膜機械性、微結構、熱性質、透氣性等進行了表征,KGM/EC膜的水阻隔性能提高,生物相容性結果表明復合膜對細胞無毒性[3]。在此研究基礎上,Xiao等[15]和萬力等[16]進一步對成膜過程和成膜機理進行了研究。上述研究內容主要是以KGM和EC為基材制備KGM/EC膜,并表征膜的結構、性質以及成膜機理,對KGM/EC復合膜配方優(yōu)化,以及該膜在半固體或液態(tài)食品中的包裝應用未見研究報道。傳統(tǒng)的蜂蜜包裝材料有玻璃瓶配馬口鐵蓋、塑料瓶、聚酯鍍鋁復合膜等[17],這些包裝材料不符合未來對可降解的綠色包裝材料的需求。KGM/EC膜具有綠色包裝材料的諸多特性,如可降解性、安全性等,將其應用于蜂蜜包裝值得研究。

本實驗以KGM、EC、癸二酸二丁酯(DBS)為基材,以水和乙酸乙酯為溶劑,研究單因素條件下的KGM和DBS含量對膜拉伸強度的影響,并利用二因素三水平設計和響應面分析法對膜配方進行優(yōu)化,并將制備出的KGM/EC膜包裝蜂蜜,探究包裝膜對蜂蜜質量的影響。本實驗旨在為KGM/EC膜在蜂蜜包裝中的應用研究提供理論依據和技術基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

蜂蜜 上海冠生源食品有限公司;魔芋葡甘聚糖(KGM,Mw=8.56×105g/mol) 湖北一致魔芋生物科技有限公司;乙基纖維素(EC,Mw=6.5×104g/mol,取代度為2.2～2.6)、癸二酸二丁酯(DBS) 分析純,國藥集團化學試劑有限公司;乙酸乙酯 分析純,西隴化工股份有限公司;無水乙醇 分析純,天津市達森化工產品銷售有限公司。

AB-50電子分析天平 瑞士Mette公司;HH-2數顯恒溫水浴鍋 國華電器有限公司;JJ-1電動攪拌器 江蘇省金壇市醫(yī)療儀器廠;LHS-150HC智能恒溫恒濕箱 無錫華澤科技有限公司;GZX-9030MBE鼓風干燥箱 上海博迅實業(yè)有限公司設備;TMS-PRO質構儀 美國FTC;CH-1-S千分手式薄膜測厚儀 上海六菱儀器廠;FS-100塑料薄膜封口機 德清拜杰電器有限公司;SW-CJ-1FD無菌超凈臺 蘇州安泰空氣技術有限公司;SHP-150生化培養(yǎng)箱 上海精宏設備有限公司;HygroPalm便攜式水分活度儀 瑞士羅卓尼克公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 KGM與EC復合膜制備方法 稱取一定質量KGM,加入100 mL蒸餾水中,60 ℃水浴攪拌2 h,得到KGM水溶膠。稱取一定質量EC,加入15 mL乙酸乙酯,加入一定量的DBS,30 ℃水浴攪拌30 min,得到EC油基相。將EC油基相緩慢加入到KGM水溶膠中(900 r/min),快速攪拌30 min,使溶液充分攪拌均勻,得到穩(wěn)定不出現相分離的復合乳液[14]。將復合乳液倒入10 cm× 10 cm玻璃模具中,置于烘箱中70 ℃干燥2 h,然后60 ℃干燥12 h,將鋪好的膜置于25±1 ℃和55%±5%相對濕度條件下平衡3 h,揭膜。制備好的復合膜在25±1 ℃和55%±5% 的相對濕度條件下平衡3 d,用于后續(xù)測試。

1.2.2 單因素實驗

1.2.2.1 不同KGM含量對成膜性的影響 配制不同KGM含量的成膜溶液。其中,KGM和EC總固形物含量固定為1%,KGM分別占總固形物的100%、90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%、20%、10%、0。DBS固定為EC質量的20%。將上述配方依據1.2.1方法制備成膜,觀察成膜特性(是否能成膜)。

1.2.2.2 不同KGM含量對膜拉伸強度的影響 配制不同KGM含量的成膜溶液。其中,KGM和EC總固形物含量固定為1%,其中,KGM分別占總固形物的60%、70%、80%、90%、100%。DBS固定為EC質量的20%。將上述配方依據1.2.1方法制備成膜,并測定膜的拉伸強度。

1.2.2.3 不同DBS含量對膜拉伸強度的影響 配制不同DBS含量的成膜溶液。其中,KGM和EC總固形物含量為1%,KGM和EC分別為固形物含量的70%和30%,DBS加入量分別為EC含量的15%、20%、25%、30%、35%,即DBS含量為固形物含量的4.5%,6.0%,7.5%,9.0%,10.5%。將上述配方依據1.2.1方法制備成膜,并測定膜的拉伸強度。

1.2.3 響應面優(yōu)化實驗 在單因素水平基礎上,選取KGM含量和DBS含量為自變量,以KGM/EC復合膜拉伸強度為響應值,用Miscellaneous試驗設計,參考Diblan等和Ma等對2因素3水平響應面優(yōu)化試驗方法[18-19]進行實驗,各因素和水平見表1。

表1 Miscellaneous設計因素水平表Table 1 The factors and levelsTable of miscellaneous design

1.2.4 膜拉伸強度測定 參照GB/T 1040.3-2006《塑料薄膜拉伸強度性能試驗方法》測定膜的拉伸強度[20]。選取光滑平整的膜,裁成10 mm×50 mm的長方形,利用薄膜測厚儀測定膜6個不同位置點的膜厚,取其平均值。利用質構儀測定膜的拉伸強度(TS),測試條件:測試速度為5 mm/min,測試溫度為25 ℃。膜樣品的拉伸強度公式如下:

式中:TS(MPa)為拉伸強度;P(N)為最大負荷即拉力;b(m)為試樣寬度;d(m)為試樣厚度。

1.2.5 膜水溶性觀察 將膜裁成40 mm×40 mm的正方形,浸入去離子水中,觀察膜在水中溶解情況。

1.2.6 KGM濃度對膜熱封強度的影響 分別配制濃度為0.5%,1.0%,1.5%,2.0%,2.5%,3.0%的KGM溶膠,用移液槍吸取0.2 mL,均勻涂布在KGM/EC膜封口面(10 mm×60 mm),利用塑料薄膜封口機對膜封口面進行熱封,熱封時間為14 s,封口后測定膜封口強度。

1.2.7 熱封時間對膜封口強度的影響 配制2% KGM溶膠,用移液槍吸取0.2 mL,均勻涂布在KGM/EC膜封口面(10 mm×60 mm),利用塑料薄膜封口機對膜封口面進行熱封,熱封時間設定為8～18 s,封口后測定膜封口強度。

1.2.8 膜封口強度測定 將膜剪成長方形(長8 cm,寬4 cm),設定熱封時間,用封口機封口。參照QB/T 2358-1998《塑料薄膜包裝袋熱合強度試驗方法》測定膜封口強度[21],即以熱封部位為中心,打開180°,把膜的兩端夾在質構儀上下兩個夾具上,夾具間距離為30 mm,設定儀器測試速度為100±10 mm/min,記錄熱封口處斷裂時的最大載荷,單位用N/15 mm表示密封強度。

1.2.9 復合膜包裝蜂蜜試驗

1.2.9.1 蜂蜜包裝袋失重率 根據響應面試驗得出的最優(yōu)膜配方制備KGM/EC膜,在最優(yōu)的熱封性能條件下,將KGM/EC膜制成包裝袋,然后倒入蜂蜜,再次進行熱封。將裝有蜂蜜的包裝袋放置在25 ℃,50%±5%的相對濕度條件下,每隔2 d測定包裝有蜂蜜的包裝袋重量,并根據如下公式計算失重率:

1.2.9.2 蜂蜜水分活度測定 利用便攜式水分活度儀測定蜂蜜水分活度。

1.2.9.3 蜂蜜中菌落總數測定 根據GB/T 4789.2-2016食品衛(wèi)生微生物學檢驗-菌落總數測定方法測定市售瓶裝蜂蜜、KGM/EC膜包裝蜂蜜中菌落總數[22]。

1.3 數據處理

每個樣品至少重復測定6次,取平均值±標準偏差。采用Design Expert V8.0.6軟件進行響應面分析,采用Excel 2010進行繪圖,利用SPSS軟件對數據進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果

2.1.1 不同KGM含量對成膜的影響 由表2可知,純KGM和EC膜都具有良好的成膜性,形成的膜均勻透明;當KGM含量為90%、80%、70%、60%時,復合膜具有良好的成膜性,均勻透明;當KGM含量為50%時,能成膜但成膜性較差,出現部分相分離;當KGM含量為40%、30%、20%、10%時,出現非常明顯的相分離,不成膜(表2)。由于KGM和EC共混溶液為乳液,當KGM含量不同時,乳液存在熱力學穩(wěn)定區(qū)和不穩(wěn)定區(qū),在穩(wěn)定區(qū),共混乳液可以形成膜;在不穩(wěn)定區(qū),共混乳液出現相分離而不能成膜[14]。因此,為了能制備KGM/EC復合膜,KGM含量需大于50%。

表2 KGM/EC膜外觀觀察Table 2 Appearance of KGM/EC blend films

2.1.2 不同KGM含量對膜機械性能的影響 由圖1可知,隨著KGM含量從100%降低至60%,KGM/EC復合膜的拉伸強度先增加后降低,原因可能是不同KGM含量的膜具有不同的膜微結構[3]。當KGM的含量為70%,復合膜的拉伸強度最大達到55.3 MPa,大于純KGM膜(21.2 MPa)和純EC膜(43.0 MPa)的拉伸強度,原因是KGM/EC復合膜中KGM和EC分子間發(fā)生氫鍵相互作用[15]。參照食品包裝用聚氯乙烯膜國家標準中規(guī)定中膜拉伸強度≥44.0 MPa的技術要求[23],本實驗制備的復合膜拉伸強度可以滿足食品包裝對膜拉伸強度的要求。因此,選擇KGM最適含量為70%。

圖1 不同KGM含量下KGM/EC復合膜拉伸強度Fig.1 Tensile strength of films with different contents of KGM in KGM/EC blend films

2.1.3 不同DBS含量對膜拉伸強度的影響 增塑劑DBS是成膜過程中最為重要的輔料,能降低高分子間形成氫鍵的幾率,從而減小分子鏈間的剛性和增加分子鏈柔性,促進成膜[24]。

當KGM/EC復合溶膠中無DBS時,不能成膜,加入DBS時,可成透明膜(圖2)。當增塑劑DBS含量增加時,膜的拉伸強度先增大后減小,原因是DBS增塑劑的加入,可以降低EC分子間形成氫鍵的幾率[25],從而提高了KGM和EC分子間的氫鍵相互作用,從而增加了KGM/EC膜的拉伸強度;但是DBS添加量過多時,會阻礙KGM和EC分子間氫鍵相互作用,引起KGM/EC膜拉伸強度的降低。當DBS的含量為7.5%時,復合膜的拉伸強度達到最大值為63.9 MPa(圖3)。因此,選擇DBS最適含量為7.5%,即添加量為EC含量的25%。

圖2 增塑劑對成膜的影響Fig.2 Photographs of KGM/EC film without and with DBS

圖3 不同DBS含量下KGM/EC復合膜拉伸強度Fig.3 Tensile strength of films with different contents of DBS in KGM/EC blend films

2.2 響應面優(yōu)化

2.2.1 Miscellaneous混雜試驗設計結果 在單因素實驗基礎上,以KGM和DBS含量兩個因素對膜拉伸強度的影響,采用二因素三水平的響應面分析方法。按照表3中的Miscellaneous試驗方案進行13組實驗并對結果進行二次多項式回歸擬合分析和方差分析,結果如表4所示,并獲得回歸方程為:Y=-633.34+20.06A+1.02B+0.045AB-0.15A2-0.24B2。

2.2.2 兩因子間交互作用分析 KGM含量60%～80%,DBS含量4%～12%范圍內,膜拉伸強度呈先增加后降低的趨勢。根據其等高線呈橢圓形,說明兩因素之間的交互作用顯著,與P值結果相一致。

2.2.3 最佳條件的預測及驗證實驗 根據所建立的數學模型進行參數最優(yōu)分析,得到預測最佳配方條件,即KGM含量為69.04%,DBS含量為8.46%,膜拉伸強度可達63.49 MPa。根據實驗的實際可操作性,選擇KGM含量為70%,DBS含量為8%,所得膜拉伸強度為64.56 MPa,與預測值接近,誤差為1.69%。

表3 響應面試驗設計與結果Table 3 Design and results of response surface experiment

表4 響應面方差分析結果Table 4 Analysis results of response surface experiment

圖4 KGM與DBS的交互作用對膜拉伸強度影響的響應面圖和等高線圖Fig.4 Response surface map and contour map of the interaction between KGM and DBS on tensile strength of the film

2.3 KGM濃度的選擇

本實驗中的純KGM水溶膠可以直接作為膠粘劑使用[26],其對KGM/EC膜封口可以用膠粘劑的膠接理論之一的擴散理論解釋。即膠粘劑與被粘物的分子、長鏈分子或個別鏈段互相擴散,使界面上分子發(fā)生互溶,從而使界面消失,形成一個過渡區(qū)域而起到粘接的作用,此種理論能較好的解釋同種物質或者結構相近的物質之間的結合[27-28]。本實驗中KGM溶膠中的水擴散至KGM/EC膜中并使膜中分子溶脹,KGM和EC分子發(fā)生運動,并與KGM溶膠中的KGM分子重新進行分子組裝,當受熱后水分蒸發(fā),KGM和EC分子重新固化成膜。

利用純KGM水溶膠作為膠粘劑,對復合膜(膜厚35 μm)進行封口。隨著KGM濃度的增加,KGM/EC膜的熱封強度逐漸增強;當KGM濃度為2%時,膜的熱封強度達到最大值4.7 N/15 mm(圖5)。但是當KGM濃度大于2%時,其水溶膠粘度大,在膜表面涂布易出現不均勻,封口時產生褶皺,導致封口處膜厚不均勻。因此,選擇2%的KGM水溶膠作為膠粘劑對膜進行封口。

圖5 KGM膠粘劑濃度對KGM/EC膜封口強度的影響Fig.5 Effect of the concentration of KGM sol on the sealing strength of KGM/EC films

2.4 封口時間對復合膜熱封強度的影響

圖6 熱封時間對KGM/EC膜熱封強度的影響Fig.6 Effect of sealing time on the sealing strength of KGM/EC films

熱封強度可反映包裝膜綜合物理機械性能,是包裝膜材料的一個重要指標。熱封時間是指塑料薄膜在熱封刀下停留的時間,是影響熱封強度和外觀的一個重要因素。如圖6所示,隨著熱封時間的增加,復合包裝膜的熱封強度逐漸增加,在14 s時達到最大值4.1 N/15 mm,說明兩層膜分子層融合在一起;但當時間大于14 s時,膜封口處易變形或燙傷,從而導致封口處出現褶皺、不平、斷裂,甚至熱封過程中被燒焦,降低了膜熱封強度。因此,復合膜的最佳熱封時間為14 s。本試驗中KGM/EC復合膜封口強度能達到4.4 N/15 mm,與厚度為30～40 μm的PE膜熱封強度為8.5～10.2 N/15 mm[29],以及普通塑料包裝袋封口強度為大于6 N/15 mm[30]相比,KGM/EC復合膜熱封強度較小,有待進一步尋找更好的安全、可生物降解膠粘劑對膜膠粘,使膜熱封強度提高。

2.5 KGM/EC膜包裝蜂蜜

2.5.1 蜂蜜重量變化 根據響應面優(yōu)化配方設計結果,制備KGM含量為70%,EC含量為30%,DBS含量為8%的復合膜,并將該膜用于蜂蜜包裝。比較0～22 d中的蜂蜜包裝袋,外觀無差異。但是包裝袋質量隨著保藏時間延長而減小,在22 d時,包裝袋失重達到平衡,此時失重率為9.3%(圖7),表明蜂蜜中水分減少,其原因是蜂蜜包裝袋在25 ℃,50%±5%的相對濕度條件下存放,蜂蜜中的水分可向KGM/EC膜遷移,由于膜具有水蒸氣透過性[3,31],水分逃逸到環(huán)境中,使蜂蜜包裝袋質量減少,當蜂蜜包裝袋達到水分解吸平衡時,其質量保持恒定。蜂蜜中的水分減少也可以從蜂蜜水分活度的變化得到驗證,如在0和22 d時,測得蜂蜜水分活度aw分別為0.641和0.507,表明蜂蜜中水分減少。蜂蜜中水分減少將會使蜂蜜粘度增加甚至出現結晶現象[32],可以提高蜂蜜包裝袋放置環(huán)境的相對濕度(如70%相對濕度),減小蜂蜜中水分通過膜向環(huán)境中擴散,達到控制蜂蜜中的水分含量保持不變。

圖7 蜂蜜包裝袋失重率Fig.7 Weight loss rate of honey packaged with KGM/EC film

2.5.2 蜂蜜中菌落總數 將市售蜂蜜和用KGM/EC膜包裝22 d后的蜂蜜進行微生物檢測,對照組(空白)、市售瓶裝蜂蜜、KGM/EC膜包裝蜂蜜中無菌落生長。蜂蜜中無微生物檢出是因為蜂蜜的水分活度為0.641,在此水分活度下可以抑制絕大數微生物的繁殖;另外由于蜂蜜水分擴散減少,水分活度下降至0.507,更能抑制微生物的生長。

2.5.3 KGM/EC膜包裝蜂蜜與市售蜂蜜產品比較 目前市售蜂蜜產品有一部分是用塑料袋包裝液態(tài)蜂蜜,當食用時,塑料袋中的蜂蜜會粘附在袋內而難以取凈,不僅造成蜂蜜的浪費,而且蜂蜜殘留在塑料袋內,殘留的蜂蜜和塑料袋都會造成環(huán)境污染。本實驗中KGM/EC包裝袋可以解決上述問題。由于KGM/EC膜吸水溶脹但不崩解,仍能保持膜的完整性(圖8)。原因是EC分子疏水性極強,雖然KGM分子在水中吸漲,但是KGM和EC分子整體形成的網絡結構在水中能保持比較好的網絡結構,KGM/EC膜不會像KGM膜那樣在水中吸漲而解體。當KGM/EC膜蜂蜜包裝袋遇水時,復合膜封口處迅速吸水溶脹開口,而包裝袋其它部分仍能保持完整性,通過玻璃棒攪拌包裝袋,蜂蜜可迅速溶出,利用篩網取出包裝袋丟棄后可以生物降解,不會造成環(huán)境污染。KGM/EC包裝袋用于蜂蜜包裝具有潛在應用前景。

圖8 膜的水溶解圖Fig.8 Dissolution of films in water

3 結論

在單因素實驗基礎上通過響應面法優(yōu)化KGM/EC膜配方,以膜拉伸強度為響應值,設計了二因素三水平響應面實驗。由響應面法得到復合膜最佳配方為KGM含量為70%,EC含量為30%,DBS含量為8%時,制備的KGM/EC復合膜拉伸強度最大為64.6 MPa。選取2% KGM溶膠作為膠粘劑對KGM/EC膜進行熱封,熱封時間14 s時膜封口強度最大為4.4 N/15 mm。將最優(yōu)配方制備的KGM/EC膜應用于蜂蜜包裝,在25 ℃和50%±5%的相對濕度條件下存放22 D達到水蒸氣解吸平衡,失重率為9.3%,蜂蜜中未檢出微生物菌落。KGM/EC復合膜可應用于蜂蜜包裝,具有潛在應用前景。