香草醛調(diào)控蠟質(zhì)玉米淀粉-殼聚糖交聯(lián)薄膜的結(jié)構(gòu)和性能

張旭鑫，張書艷，李琳，朱杰*，趙雷

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，廣東廣州 510642）（2.東莞理工學(xué)院食品營(yíng)養(yǎng)健康與智能化加工研究中心，中國(guó)輕工業(yè)健康食品開發(fā)與營(yíng)養(yǎng)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，化學(xué)工程與能源技術(shù)學(xué)院，廣東東莞 523808）

保鮮是保障食品質(zhì)量與安全的重要途經(jīng)之一，與傳統(tǒng)的物理、化學(xué)等保鮮方法相比，活性包裝（active packaging）的使用可達(dá)到改善食品感官特性，具有延長(zhǎng)貨架期、增強(qiáng)抗菌和提高抗氧化性能的作用[1,2]?；钚园b即在包裝材料或包裝空隙處加入特殊組分，如包裝材料中添加精油（essential oil），精油是一類純天然、無毒無害的食品添加劑，具有抗菌、殺蟲及抗氧化活性，因此，精油廣泛應(yīng)用于活性包裝中[3,4]。此外，由于精油提取工藝簡(jiǎn)單、綠色、安全、高效、原料易得等優(yōu)勢(shì)，逐漸成為一種新型的食品保鮮技術(shù)，如葡萄精油、姜黃精油、丁香精油及檸檬精油等的應(yīng)用[5-7]。

活性包裝材料中最常見的石油基聚合物具有不可生物降解的劣勢(shì)[8]。因此，近些年來，可降解生物基活性包裝材料如淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)、殼聚糖等生物基包裝材料逐漸引起人們的關(guān)注[3,9-11]。有研究表明，米淀粉與魚蛋白不同比例共混并加入牛至精油后，共混體系的溶解性、水蒸氣滲透率均下降，可用于防止水果和蔬菜的褐變[12]。此外，殼聚糖基薄膜中加入迷迭香精油后，薄膜的溶解性和吸水率分別下降了25%和85%，薄膜的紫外透過率提高，抗菌活性也增強(qiáng)[13]。殼聚糖中含有親水性的羥基、羧基和氨基，是自然界中唯一的天然堿性多糖[14]。在活性包裝材料中，殼聚糖與淀粉交聯(lián)可改善殼聚糖基薄膜性能差和抗菌性不明顯等缺點(diǎn)[15]。此外，在木薯淀粉與殼聚糖交聯(lián)體系中加入植物精油和石榴提取物，并對(duì)番茄進(jìn)行涂抹處理時(shí)，番茄的水分損失和可溶性固形物損失均下降[16]。當(dāng)在淀粉與殼聚糖形成薄膜中加入迷迭香精油后薄膜的水蒸氣透過率、溶解性、吸水性下降，拉伸強(qiáng)度上升，且可降低黃曲霉毒素的產(chǎn)生[17]。

高支鏈玉米淀粉在中國(guó)產(chǎn)量豐富，價(jià)格低廉、應(yīng)用廣泛，目前精油在淀粉-殼聚糖交聯(lián)體系中的作用研究中，對(duì)高支鏈玉米淀粉的研究不足。本研究以高支鏈蠟質(zhì)玉米淀粉（waxy）為主要原料，制備蠟質(zhì)玉米淀粉-殼聚糖薄膜，并研究香草醛對(duì)蠟質(zhì)玉米淀粉-殼聚糖交聯(lián)薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響，為進(jìn)一步拓寬玉米淀粉/殼聚糖在活性食品包裝中的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

蠟質(zhì)玉米淀粉（waxy，直鏈淀粉含量為0.67%±0.07%[15]），秦皇島驪華淀粉股份有限公司；殼聚糖（chitosan，粘度：100～200 mPa·s）、香草醛（vanillin），分析純，上海麥克林生化科技有限公司；冰醋酸（CH3COOH）、聚乙二醇（Polyethylene glycol，average Mn=4000，簡(jiǎn)稱PEG），分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備

KLJX-8型均相反應(yīng)器，鄭州長(zhǎng)征儀器制造有限公司；RWD100攪拌器，上海滬析實(shí)業(yè)有限公司；POWEREACH接觸角測(cè)量?jī)x，上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司；EM-30 PLUS+掃描電子顯微鏡，韓國(guó)COXEM（庫塞姆）公司；DX-27mini X-射線衍射儀，遼寧丹東浩元儀器有限公司；Spectrum Two傅立葉紅外光譜儀，美國(guó)PE公司；TGA 8000熱重分析儀，美國(guó)PE公司。

1.3 方法

1.3.1 蠟質(zhì)玉米淀粉與殼聚糖交聯(lián)薄膜的制備

稱取蠟質(zhì)玉米淀粉（waxy）0、0.60、1.00、1.40、2.00 g置于100 mL高壓反應(yīng)釜的聚四氟乙烯內(nèi)膽中并加入20 mL去離子水，然后將反應(yīng)釜置于均相反應(yīng)器中，反應(yīng)溫度為100 ℃，轉(zhuǎn)速為15 r/min，時(shí)長(zhǎng)2 min，使淀粉充分糊化后倒入錐形瓶中。分別稱取殼聚糖2.00、1.40、1.00、0.60、0 g，用40 mL（1%，V/V）乙酸溶液溶解后倒入糊化淀粉中，淀粉與殼聚糖的質(zhì)量比為2:0、1.4:0.6、1:1、0.6:1.4、0:2（為更直觀地表現(xiàn)淀粉與殼聚糖質(zhì)量比，故用10:0、7:3、5:5、3:7、0:10來表示）。后用電動(dòng)攪拌器進(jìn)行攪拌，轉(zhuǎn)速為300 r/min，10 min后再加入0.12 g（4%，m/m）的交聯(lián)劑聚乙二醇（PEG），攪拌40 min，使淀粉與殼聚糖充分混合交聯(lián)。完成后把混合體系于0.1～0.5 MPa真空下抽濾脫氣0.5 h，然后將溶液倒入直徑d為200 mm的培養(yǎng)皿中，置于45 ℃烘箱中恒溫24 h，烘干后將所制備的交聯(lián)薄膜置于干燥器中儲(chǔ)存。

1.3.2 添加香草醛交聯(lián)薄膜的制備

將1.3.1步驟中淀粉-殼聚糖混合溶液加入交聯(lián)劑PEG后，繼續(xù)攪拌35 min，加入0.02 g（1%，m/m）的香草醛，繼續(xù)攪拌20 min，充分混合并把混合體系于0.1～0.5 MPa真空下抽濾脫氣0.5 h，后倒入直徑d為200 mm的培養(yǎng)皿中，置于45 ℃烘箱中恒溫24 h，烘干后置于干燥器中儲(chǔ)存。

1.3.3 傅里葉紅外光譜分析

將樣品置于裝有ATR附件的傅里葉紅外光譜儀上，壓頭旋緊后使薄膜樣品與晶體表面緊密接觸，以空氣作為背景，掃描范圍400～4000 cm-1，掃描次數(shù)為16次，選同張薄膜表面不測(cè)試點(diǎn)掃描三次取平均值。

1.3.4 X-射線衍射分析

剪取樣品尺寸為2×2 cm2，平鋪于樣品盤上的凹槽內(nèi)，置于X-射線衍射儀的載物臺(tái)上，采用Cu-Kα射線源（λ=0.1542 nm），測(cè)試電流及電壓分別為40 mA和40 kV。測(cè)量角度2θ=5 °～50 °，步長(zhǎng)0.02 °，掃描速度0.1 °/s。

1.3.5 掃描電子顯微鏡觀察

剪取0.5 cm×0.5 cm大小的薄膜至于液氮中進(jìn)行自然脆斷，用膠帶將樣品斷面朝上固定在樣品臺(tái)上，真空噴金30 s，電壓20 kV，后置于掃描電子顯微鏡中進(jìn)行拍攝具有代表性的照片。

1.3.6 水接觸角分析

在室溫條件下，將交聯(lián)薄膜置于測(cè)量?jī)x上進(jìn)行表面接觸角的測(cè)試（與平板接觸的面朝上），本實(shí)驗(yàn)采用靜態(tài)滴定法，以接觸平板的薄膜表面為測(cè)定面，測(cè)定蒸餾水液滴與薄膜樣品接觸時(shí)刻的水接觸角。

1.3.7 熱失重分析

稱取樣品約5 mg，置于樣品盤中。設(shè)置升溫程序：30～600 ℃，升溫速率為10 ℃/min，吹掃氣體為氮?dú)猓∟2），流速為20 mL/min。將TG曲線進(jìn)行一階求導(dǎo)得到DTG曲線，并利用軟件標(biāo)示熱失重速率曲線的Peak溫度。

1.3.8 數(shù)據(jù)處理

waxy淀粉-殼聚糖交聯(lián)薄膜接觸角和峰值溫度均進(jìn)行3次平行測(cè)定，所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均利用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行方差分析（p＜0.05）。

2 結(jié)果與討論

2.1 分子結(jié)構(gòu)表征

圖1為衰減全反射（ATR）模式下，不同質(zhì)量比下，添加精油前后waxy玉米淀粉與殼聚糖交聯(lián)薄膜的紅外光譜圖。前期研究表明，淀粉分子在3300 cm-1附近形成-OH的伸縮振動(dòng)峰，在1010 cm-1附近形成C-O-C鍵的對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰；殼聚糖分子在3408 cm-1和1081 cm-1處形成-OH和C-O鍵的伸縮振動(dòng)，在1554 cm-1處形成殼聚糖分子中-N-H的變形振動(dòng)（deformation vibration）[18,19]。

由圖1a觀察可知，未加香草醛時(shí)，淀粉自交聯(lián)薄膜在3288.25 cm-1（10:0）形成-OH伸縮振動(dòng)峰，淀粉-殼聚糖交聯(lián)薄膜在3270.56 cm-1（5:5）和1015.26 cm-1（5:5）附近均形成-OH和葡萄糖環(huán)C-O-C鍵的伸縮振動(dòng)峰。隨著殼聚糖添加量的增加，-OH伸縮振動(dòng)峰波數(shù)由3288.5 cm-1（10:0）降至3280.27 cm-1（0:10）；殼聚糖分子中-N-H變形振動(dòng)峰波數(shù)由1561.12 cm-1（7:3）下降至1551.46 cm-1（0:10）。有研究表明，相對(duì)穩(wěn)定作用力的形成促使紅外光譜的波數(shù)減小[20]。因此，上述結(jié)果淀粉與殼聚糖間的氫鍵作用強(qiáng)于淀粉自交聯(lián)作用。

加入香草醛后，交聯(lián)體系對(duì)應(yīng)特征基團(tuán)的紅外光譜如圖1b所示。由圖可知，體系中-OH伸縮振動(dòng)、-N-H變形振動(dòng)的變化均與未加精油的交聯(lián)薄膜相似，-OH伸縮振動(dòng)峰的波數(shù)由3292.17 cm-1（10:0）降至3258.27 cm-1（0:10）；-N-H變形振動(dòng)峰波數(shù)由1552.35 cm-1（7:3）降至1541.46 cm-1（0:10）。由此可知，加入香草醛后，香草醛分子中-CHO與殼聚糖-NH3+相互作用形成-C=N鍵，香草醛與waxy玉米淀粉形成新的氫鍵作用，弱化了淀粉與殼聚糖間的氫鍵作用。

2.2 結(jié)晶結(jié)構(gòu)表征

圖2為添加香草醛前（圖3a）后（圖3b）waxy玉米淀粉-殼聚糖交聯(lián)薄膜的X-射線衍射圖譜。淀粉在經(jīng)過糊化作用處理后，淀粉分子中晶態(tài)和非晶態(tài)結(jié)構(gòu)中的氫鍵作用均被破壞，促使淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)消失，同時(shí)，殼聚糖分子在2θ=10.80 °和2θ=19.90 °附近有明顯的衍射峰[21,22]。由圖2a可知，不同質(zhì)量比下，waxy玉米淀粉-殼聚糖交聯(lián)薄膜體系均呈寬泛的彌散峰，即交聯(lián)薄膜內(nèi)部形成無定形結(jié)構(gòu)。由圖2b可知，加入精油后，不同質(zhì)量比條件下淀粉-殼聚糖交聯(lián)薄膜的衍射圖譜仍呈現(xiàn)寬泛的衍射峰，表明香草醛的加入并不改變交聯(lián)薄膜體系的無定形結(jié)構(gòu)。而當(dāng)waxy淀粉/殼聚糖自交聯(lián)時(shí)，分別在2θ=15.34 °和15.56 °處形成較弱衍射峰，對(duì)應(yīng)香草醛2θ=13.16 °處的強(qiáng)衍射峰（未在圖中標(biāo)明），表明在淀粉/殼聚糖自交聯(lián)薄膜體系中，空間位阻或自交聯(lián)作用導(dǎo)致香草醛中的-CHO未能充分參與反應(yīng)；而當(dāng)薄膜體系中存在淀粉、殼聚糖與香草醛三種組分時(shí)，三者間的相互作用維持了薄膜內(nèi)部的無定形結(jié)構(gòu)。

2.3 斷面形貌分析

由圖3a可知，waxy玉米淀粉/殼聚糖自交聯(lián)薄膜的斷面均形成不同程度的規(guī)則孔洞結(jié)構(gòu)。淀粉與殼聚糖交聯(lián)后，薄膜斷面的平整度均不同程度的上升，形成褶皺或顆粒狀突起結(jié)構(gòu)。由圖3b可知，加入香草醛后，隨著殼聚糖添加量的增加，waxy玉米淀粉-殼聚糖交聯(lián)薄膜的顆粒度降低、平整度增大，形成均勻的斷面形貌。

殼聚糖的氨基質(zhì)子在酸的作用下形成-NH3+，淀粉分子中的有序結(jié)構(gòu)經(jīng)過糊化作用后被破壞，淀粉分子中的-OH與殼聚糖分子中的-NH3+反應(yīng)并形成新的氫鍵，增強(qiáng)淀粉與殼聚糖之間的相容性，斷面的平整度增大[23]。當(dāng)?shù)矸厶砑恿枯^多時(shí)，高支鏈淀粉的空間位阻抑制其與殼聚糖交聯(lián)，導(dǎo)致交聯(lián)薄膜斷面的粗糙度較大。加入香草醛后，香草醛分子中的-CHO與殼聚糖分子中的-NH3+作用形成新的-C=N鍵，減弱淀粉與殼聚糖的氫鍵作用，同時(shí)，碳氮雙鍵的形成促使交聯(lián)薄膜的斷面平整度隨殼聚糖添加量的增加而增大。

2.4 水接觸角分析

圖4a和4b為不同質(zhì)量比，添加香草醛前后交聯(lián)薄膜WCA值的變化情況，表1為WCA值的匯總。前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，淀粉自交聯(lián)薄膜的成膜性差，無法測(cè)定其水接觸角[15]。由表可知，未加香草醛時(shí)，隨著殼聚糖添加量的增大，交聯(lián)薄膜的接觸角呈下降趨勢(shì)，WCA值由82.88 °（7:3）下降至75.37 °（0:10）。加入香草醛后，隨著殼聚糖添加量的增加，WCA值先下降后上升。同時(shí)，當(dāng)?shù)矸?殼聚糖質(zhì)量比相同時(shí)，淀粉添加量較高時(shí)，添加香草醛的交聯(lián)薄膜WCA值較未添加香草醛時(shí)低；淀粉添加量較高時(shí)則相反。

表1 不同質(zhì)量比添加香草醛前后waxy玉米淀粉-殼聚糖交聯(lián)薄膜的水接觸角Table 1 Water contact angles of waxy corn starch-chitosan crosslinking film by different mass ratios with (without) vanillin addition

在交聯(lián)體系中加入香草醛后，殼聚糖分子中-NH3+與香草醛分子中-CHO形成碳氮雙鍵[24]；同時(shí)，香草醛分子與淀粉分子形成氫鍵作用。殼聚糖添加量較?。?:3、5:5）時(shí)，由于waxy高支鏈淀粉的空間位阻作用，促使香草醛中的-CHO優(yōu)先與殼聚糖分子中-NH3+作用；此外，淀粉、殼聚糖大分子間的交聯(lián)受到抑制，促使體系中自由-OH增加，薄膜的親水性增大。殼聚糖添加量較大（3:7、0:10）時(shí)，小分子香草醛分子與殼聚糖、淀粉分子相互作用，殼聚糖分子自交聯(lián)，促使薄膜中的親水性減小。

2.5 熱性質(zhì)分析

圖5a和5b為不同質(zhì)量比，淀粉-殼聚糖交聯(lián)薄膜加入香草醛前后的熱失重曲線（實(shí)線）及失重速率曲線（虛線）。實(shí)驗(yàn)可知，香草醛在195.49 ℃有明顯的失重峰（未在圖中標(biāo)明）。由圖可知，交聯(lián)薄膜主要呈現(xiàn)出兩個(gè)熱損失階段：第一階段（＜180 ℃）為水分蒸發(fā)；第二階段（＞180 ℃）為淀粉/殼聚糖分子的裂解和解聚，由于二者分子解聚溫度相近，在圖中表現(xiàn)為混合失重峰，由于香草醛添加量較少（1%），熱失重曲線中并未呈現(xiàn)明顯的香草醛熱損失峰。

未加香草醛時(shí)，由圖5（a）和表2可知，淀粉/殼聚糖自交聯(lián)時(shí)，淀粉/殼聚糖裂解溫度為336.23 ℃（10:0）和310.83 ℃（0:10），淀粉-殼聚糖交聯(lián)薄膜中大分子裂解溫度均低于淀粉/殼聚糖自交聯(lián)薄膜；且隨著殼聚糖添加量的增加，交聯(lián)薄膜中大分子的裂解溫度呈逐漸下降趨勢(shì)。加入香草醛后，隨著殼聚糖添加量的增加，薄膜中大分子裂解溫度也降低，且都低于淀粉/殼聚糖自交聯(lián)薄膜；同時(shí)，交聯(lián)薄膜中大分子的裂解溫度均低于未加香草醛的薄膜。

表2 不同質(zhì)量比waxy玉米淀粉-殼聚糖交聯(lián)薄膜添加香草醛前后分子裂解峰值溫度Table 2 Peak temperatures of molecular decomposition for waxy cornstarch-chitosan crosslinking films by different mass ratios before(a) and after (b) vanillin addition

前期研究表明，淀粉與殼聚糖交聯(lián)后，薄膜形成更多的無定形結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致解聚溫度降低[15]。在淀粉/殼聚糖自交聯(lián)薄膜中，氫鍵作用的形成促使交聯(lián)薄膜中大分子的解聚溫度高于淀粉-殼聚糖交聯(lián)的薄膜。而加入香草醛后，香草醛的熱分解破壞了香草醛與殼聚糖間的碳氮雙鍵，同時(shí)減弱了香草醛與淀粉間的氫鍵作用，促使淀粉/殼聚糖的解聚溫度下降。

3 結(jié)論

waxy玉米淀粉與殼聚糖交聯(lián)過程的實(shí)質(zhì)是淀粉分子內(nèi)氫鍵、殼聚糖分子內(nèi)氫鍵及淀粉-殼聚糖分子間氫鍵作用力的形成。在交聯(lián)體系中添加香草醛后，香草醛、淀粉與殼聚糖間產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)作用，一方面香草醛分子中-CHO與殼聚糖分子中-NH3+作用形成-C=N鍵；另一方面，香草醛分子-OH與淀粉分子-OH形成新的氫鍵。-C=N鍵和新氫鍵的形成抑制了淀粉分子內(nèi)氫鍵作用、淀粉-殼聚糖分子間氫鍵及殼聚糖分子內(nèi)氫鍵作用。且隨著殼聚糖添加量的增加，薄膜體系中形成更多的-C=N鍵，促使大分子間作用力減弱，自由羥基增多，薄膜的親水性增強(qiáng)，-N-H鍵伸縮振動(dòng)峰波數(shù)降低，淀粉/殼聚糖分子的解聚溫度下降。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為淀粉和殼聚糖在新型包裝材料中的應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)。