周游,馮紅,李婷,呂慶云,2*,劉剛,2,丁文平,2,莊坤,2,陳曦,2
(1.武漢輕工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,湖北武漢 430023)
(2.大宗糧油精深加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢 430023)
可食性膜具有可降解、原料來源廣泛等特點(diǎn),是代替石油基塑料包裝材料防治“白色污染”的重要方案之一,也成為食品和藥品等包裝領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]??墒承阅さ脑现饕欣w維素及衍生物、多糖、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)等天然可食性物質(zhì),通過流延等工藝加工而成。其中多糖基可食性膜常用原料有淀粉、普魯蘭多糖、果膠、殼聚糖等[2],具有長鏈螺旋結(jié)構(gòu)的多糖,可通過分子內(nèi)和分子間的作用力形成具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的薄膜,適用于多種存儲環(huán)境[3,4]。
β-葡聚糖是由β-葡萄糖苷鍵連接D-葡萄糖而成的非淀粉多糖[5],具有良好的水溶性、高粘度、凝膠性等功能特性[6],并且具有較好的成膜性[7]。β-葡聚糖主要來源于麥類谷物(大麥、燕麥、小麥等)、酵母、菌類、細(xì)菌,玉米皮、褐藻海帶、雪松樹皮等也含有部分β-葡聚糖[6],而谷物β-葡聚糖(3%~7%)大多存在糊粉層,尤其是亞糊粉層,淀粉胚乳中含量則很少[8],因此,在谷物加工中β-葡聚糖會進(jìn)入麩皮而得不到充分利用,β-葡聚糖的成膜性研究為谷物麩皮的綜合利用提供一條新途徑。β-葡聚糖雖然具有較好的成膜性,但是其薄膜的機(jī)械性能較差,需要進(jìn)一步改進(jìn)。
果膠是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的酸性雜多糖,主鏈由D-半乳糖醛酸在α-1,4-糖苷鍵作用下聚合而成。作為天然高聚物,因其凝膠性,使其制備可食性薄膜成為可能[9]。果膠基薄膜是阻隔氣體的良好屏障,能防油、防異味,但僅用果膠制作的薄膜,由于其親水性強(qiáng),有熱穩(wěn)定性低、隔水防潮性能差等缺陷[10,11]。
本研究嘗試通過β-葡聚糖、果膠和甘油的共同作用,開發(fā)一種綜合性能較好的多糖復(fù)合膜。通過對膜的理化性能、微觀結(jié)構(gòu)、阻隔性能和熱性能的研究,確定β-葡聚糖與果膠的最佳配比并分析成膜機(jī)理。
純度為95%的β-葡聚糖購自Megazyme;果膠純度99%以上,購自北京索拉比奧科技有限公司(中國北京)。其他試劑均為分析純。
TA.XT2i物性測定儀,英國s.m.s公司;銳影Empyrean X射線衍射儀,荷蘭帕納科公司;S-3000N掃描式電子顯微鏡,日本日立公司;CH-10-AT測厚儀,上海六菱儀器公司;Q10型差示掃描量熱儀,美國TA公司;TGA-DSC測試同步(綜合)熱分析儀,瑞士梅特勒-托利多;Nicolet6700傅里葉紅外光譜儀,賽默飛世爾科技公司;NMI20-040V-I核磁共振成像分析儀,蘇州紐邁分析儀器股份有限公司。
1.2.1 膜的制備
膜的原料比例如表1所示,將0.2 gβ-葡聚糖和0.2 g果膠分別溶于兩個裝有25 mL蒸餾水的燒杯中,加入甘油(占總固體質(zhì)量的20%)作為增塑劑,在60 ℃攪拌1 h,制備純β-葡聚糖膜(BG5)和果膠膜(Pectin1)。然后將溶液倒入聚苯乙烯板中并在25 ℃下干燥12 h以形成膜。在測試開始前,將其放入含有飽和溴化鈉溶液的干燥器中。
復(fù)合膜的配方比例見表1。將BP2、BP3和BP4溶解在含有25 mL蒸餾水的燒杯中,分別制備復(fù)合膜溶液。添加適量的甘油(占總固體的20%,m/m)作為增塑劑。將燒杯置于60 ℃恒溫磁力攪拌水浴鍋中水浴1.5 h。混合溶液在4 ℃下冷藏12 h。消泡后倒入直徑為9 cm的培養(yǎng)皿中。然后將這些培養(yǎng)皿放在25 ℃的烘箱中干燥12 h。最后,所有薄膜在53%的濕度下放置48 h。五組中β-葡聚糖和果膠的總量均保持在0.20 g。
表1 β-葡聚糖、果膠和甘油按不同比例制備薄膜Table 1 The film formulations of β-glucan, pectin and glycerol were prepared in different proportions
1.2.2 厚度
按GB/T 6672-2001的規(guī)定,用測厚儀在5個不同位置對單個薄膜樣品的薄膜厚度進(jìn)行測量,精確到1 μm。這些測量也被用來計算可食性薄膜的機(jī)械性能。
1.2.3 抗拉強(qiáng)度和斷裂延伸率
在試驗(yàn)前,從每個樣品上切下10 mm×45 mm大小的薄膜。復(fù)合膜的力學(xué)性能包括拉伸強(qiáng)度(TS)和斷裂伸長率(EAB),用物性分析儀(TA.XT2i)和ASTM標(biāo)準(zhǔn)方法D882-91進(jìn)行參數(shù)測定。TS和EAB由下式(1)和(2)計算。
式中:
TS——拉伸強(qiáng)度;
F——最大力,N;
S——橫截面積,mm2。
式中:
EAB——斷裂伸長率,%;
L——薄膜斷裂時的長度,mm;
L0——薄膜的初始長度,mm。
1.2.4 阻濕性
在裝有一定量無水氯化鈣的玻璃瓶上切下一小塊復(fù)合膜密封。在記錄其初始質(zhì)量m0后,將其置于濕度為45%的干燥器中,每12 h測量其質(zhì)量mn5次。
1.2.5 阻氧性
膜的氧阻隔性能(OP)通常采用硫代硫酸鈉滴定法來測量[12]。首先將大豆油(3 g)放入相同大小的小玻璃瓶中,然后用不同的復(fù)合膜小心地密封所有瓶子,將一個無膜密封的瓶子為空白組。之后,將所有薄膜置于50 ℃的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)3 d,然后測試其過氧化值(PV)。氧阻隔性能(OP)由過氧化值(PV)決定。油的過氧化值按GB 5009.227標(biāo)準(zhǔn)測定。PV由以下方程式(3)計算。
式中:
PV——過氧化值,g/100 g;
V——試樣消耗硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積,mL;
V0——在空白樣品中消耗的硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積,mL;
c——硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度,mol/L;
0.1269——碘的質(zhì)量,相當(dāng)于1.00 mL硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液[c(Na2S2O3)=1.000 mol/L];
m——樣品質(zhì)量,g;
100——換算系數(shù)。
1.2.6 差示掃描量熱法(DSC)
將復(fù)合膜切成質(zhì)量約5 mg的小塊,稱重后置于鋁盒中,在氮?dú)饬髁繛?5 mL/min、溫度區(qū)間20~250 ℃、升溫速度15 ℃/min的試驗(yàn)條件下,用DSC分析儀分析樣品的熱特性。
1.2.7 掃描電子顯微鏡(SEM)
掃描電子顯微鏡(SEM)用于觀察樣品表面的精細(xì)形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征[13]。在1 000×掃描電鏡下觀察了薄膜的表面和截面結(jié)構(gòu)。
1.2.8 傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)
紅外光譜被用來分析和鑒定物質(zhì)的分子。樣品的紅外吸收光譜在650~4 000 cm-1處測量,分辨率4 cm-1,波束精度0.01 cm,掃描次數(shù)16次,環(huán)境溫度25 ℃。
1.2.9 X射線衍射(XRD)
樣品用X射線衍射儀在溫度25 ℃,電壓40 kV,掃描角度5°~50°下進(jìn)行掃描。
1.2.10 低場核磁共振測量(NMR)
將復(fù)合膜切割成均勻的矩形,卷曲均勻,放入專用玻璃管中進(jìn)行測試。儀器校準(zhǔn)后,將待測玻璃管插入測試槽中,通過計算機(jī)軟件操作進(jìn)行測試。測試參數(shù):探頭選擇40 mm,SW:200 kHz,RFD:0.002 ms,溫度32 ℃,場強(qiáng)20 MHz,采樣方法:累積采樣。用CPMG序列法[14]測定并反演了復(fù)合膜的自旋弛豫時間T2。
1.2.11 熱重分析(TGA)
根據(jù)ASTM E1131(ASTM,2014),使用TGA儀器Mettler-Toledo(TGA/DSC 1 HT,瑞士)分析熱降解行為。將2~5 mg薄膜樣品置于氮?dú)饬髁?5 mL/min、溫度25~500 ℃、升溫速率10 ℃/min的鋁盤中。
所有實(shí)驗(yàn)均經(jīng)行三次,數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(mean±SD)表示。方差分析采用SPSS 18.0進(jìn)行,Duncan多重比較檢驗(yàn)。p≤0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。
結(jié)果表明,BP4(mBG:mPectin=3:1)復(fù)合膜在所有樣品中均具有較好的機(jī)械、物理性能。
表2 β-葡聚糖膜、果膠膜和復(fù)合膜的厚度、機(jī)械性能(拉伸強(qiáng)度和斷裂延伸率)、阻隔性能(阻濕性和阻氧性)Table 2 Thickness, Mechanical properties (tensile strength and elongation at break), barrier properties (moisture resistance and oxygen resistance) of β-glucan film, pectin film and blend films
由表2可知,各膜厚均有明顯差異(p≤0.05)。隨著β-葡聚糖含量的增加,膜厚呈上升趨勢。這可能是因?yàn)棣?葡聚糖分子與果膠分子形成三維網(wǎng)絡(luò)。兩種材料之間的分子間相互作用和氫鍵形成了一種新的分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。隨著β-葡聚糖含量的增加,網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)逐漸變大,從而增加了復(fù)合膜的厚度。隨著β-葡聚糖含量的增加,膜的厚度不斷變化??梢缘贸鼋Y(jié)論,薄膜的厚度取決于薄膜的性質(zhì)和成分。這一觀察結(jié)果與Abugoch等[15]的一致。
薄膜的拉伸強(qiáng)度總體呈先上升后穩(wěn)定的趨勢,即隨著β-葡聚糖含量的增加,薄膜的拉伸強(qiáng)度也不斷增加,BP3后趨于平緩。隨著β-葡聚糖含量的增加,薄膜的斷裂伸長率迅速增加,其中BP4(mBG:mPectin1=0.15:0.05)的斷裂伸長率最大,BG5的斷裂伸長率略有下降??偟膩碚f,BP4的力學(xué)性能最高,與純β-葡聚糖膜和純果膠膜相比具有更好的力學(xué)性能。這可能是由于β-葡聚糖和果膠分子在這個比例下相互作用最密切。可以得出,復(fù)合膜的力學(xué)性能比純β-葡聚糖膜和純果膠膜好。
隨著β-葡聚糖含量的增加,水蒸氣透過量呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。BP4時值最小,表明該比例的復(fù)合膜具有良好的防潮性能。其原因可能是葡聚糖和果膠分子在這個比例下相互作用強(qiáng)烈,結(jié)構(gòu)緊密。Pectin1的值較高表明純果膠膜的耐水性較差。Chaichi等[16]的研究同樣得出結(jié)論,純果膠膜比果膠和其他化合物結(jié)合形成的膜防潮性差。BG5時,復(fù)合膜的透濕性增加,這可能是由于更多β-葡聚糖分子自凝形成較大的孔隙所致。
總體上,復(fù)合膜的過氧化值呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。過氧化值代表了薄膜的阻氧性能,過氧化值越低表明薄膜的阻氧性能越好。BP2和BP4的PV值非常相似,分別為1.22 g/100 g和1.25 g/100 g,表明該比例的復(fù)合膜具有良好的阻氧性。BP3的過氧化值為1.50 g/100 g,抗氧化性低于BP2和BP4。純果膠膜和β-葡聚糖膜的過氧化值分別為2.27 g/100 g和2.13 g/100 g。Pectin1的抗氧化性在所有膜中最低,這是由于果膠分子形成的膜結(jié)構(gòu)不緊密造成的。β-葡聚糖與果膠復(fù)合膜的PV值低于純β-葡聚糖膜(BG5)和純果膠膜(Pectin1)。這可以用葡聚糖和果膠分子之間的相互作用來解釋。綜上所述,與純β-葡聚糖膜和純果膠膜相比,一定比例的BP復(fù)合膜的阻氧性有所提高。與Chang等[7]的β-葡聚糖/普魯蘭多糖混合物的結(jié)論一致。
差示掃描量熱法(Tg)表征了復(fù)合薄膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。非晶聚合物熔體的吸熱峰[17](Tm)溫度越高,分之間作用力越強(qiáng),材料之間的熱穩(wěn)定性和相容性越好。Tg是確定混合聚合物評價指標(biāo)[18]的關(guān)鍵,兩種聚合物的混合物中只有一個Tg,說明兩者具有良好的相容性[19]。
從圖1可以看出,在0~200 ℃范圍內(nèi),不同配比的混合膜只出現(xiàn)一個峰,說明β-葡聚糖與果膠的相容性較好。結(jié)果表明,β-葡聚糖與果膠混合對Tg值無明顯影響。這一觀察結(jié)果與Mohammadi等[20]報告的研究結(jié)果相似。復(fù)合膜的熱穩(wěn)定性可以用峰值吸熱溫度來比較。峰值溫度越高,熔化所需能量越大,結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。從圖1可以看出,純β-葡聚糖膜和純果膠膜的峰值溫度均低于共混膜的峰值溫度,表明兩者之間的作用力不如復(fù)合膜的作用力大。BP2、BP3和BP4的峰值溫度較高,說明在此比例下的復(fù)合膜具有良好的相容性。分子間作用力強(qiáng),結(jié)構(gòu)緊湊。因此,對氧的阻隔能力增強(qiáng),這與阻氧測試的結(jié)果一致。
圖1 β-葡聚糖膜、果膠膜和復(fù)合膜的DSC分析Fig.1 DSC analysis of β-glucan film, pectin film and blend films
圖2 掃描電鏡觀察五組樣品的結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of five groups of samples observed under scanning electron microscope
掃描電子顯微鏡(SEM)是介于透射電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡之間的一種微觀形貌觀察方法,觀察了BP復(fù)合膜的表面和橫截面[21]。
如圖2所示,Pectin1表面有細(xì)微裂紋,說明其易斷裂,耐濕性較差,與拉伸強(qiáng)度、斷裂延伸率、耐濕性結(jié)果一致。BP2、BP3、BP4和BG5的表面結(jié)構(gòu)平坦、光滑、連續(xù)。果膠膜斷面致密光滑;純β-葡聚糖膜的橫截面也相對平坦,但側(cè)面可以觀察到鋸齒狀,這可能是用刀切膜造成的。BP3斷面上的微孔表明復(fù)合膜的比例不完全相容。BP4斷面呈致密層狀,說明復(fù)合膜相容性好,不易斷裂,這與膜的力學(xué)性能和XRD分析結(jié)果一致。
圖3 β-葡聚糖膜、果膠膜和復(fù)合膜的紅外分析Fig.3 Infrared analysis of β-glucan film, pectin film and blend films
由圖3可以看出,在3 200~3 600 cm-1處是-OH伸縮振動形成的特征峰,果膠在1 745 cm-1處有羧甲基化酯中C=O伸縮振動的特征峰,在1 620 cm-1處是離子化羧基伸縮振動的特征峰[22]。隨著β-葡聚糖含量的增加,果膠在1 745 cm-1處的C=O伸縮振動特征峰發(fā)生紅移,峰強(qiáng)度大大減弱。在BP4時,果膠在1 620 cm-1處的特征峰減弱,在1 250 cm-1和1 050 cm-1處出現(xiàn)了由于β-葡聚糖的-OH與果膠的-COOH反應(yīng)生成酯的C-O-C吸收峰。這表明β-葡聚糖羥基與果膠羧基是通過離子鍵形成交聯(lián)。同樣,β-葡聚糖的加入使-OH的伸縮振動峰向低波方向移動,表明組分間的氫鍵作用增強(qiáng)。在BP4(mBG:mPectin1=0.15:0.05)達(dá)到最低,說明分子間作用力最強(qiáng),復(fù)合膜結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。這與力學(xué)性能測試的結(jié)果一致。紅外光譜分析表明,果膠與β-葡聚糖在復(fù)合膜體系中具有良好的相容性,XRD測試進(jìn)一步證實(shí)了這一點(diǎn)。
如圖4所示,果膠膜在2θ=15.59°處有明顯的衍射峰,隨著β-葡聚糖的不斷加入,在BP4處的衍射峰消失,BP2和BP3仍有峰,這主要是因?yàn)棣?葡聚糖與果膠分子之間存在著強(qiáng)烈的氫鍵作用,這種相互作用改變了β-葡聚糖膜中原有的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。BP4在2θ=15.59°處無衍射峰的原因是葡聚糖的加入擾亂了果膠鏈的原有有序排列,果膠羧基與葡聚糖羥基之間的強(qiáng)氫鍵相互作用干擾了果膠分子的原有結(jié)晶。復(fù)合過程中形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)降低了果膠的原始結(jié)晶度。這與BP4是所有薄膜和SEM中機(jī)械性能最好的結(jié)論一致,與Trovatti等[23]報道的結(jié)果相似。
圖4 β-葡聚糖膜、果膠膜和復(fù)合膜的x射線衍射Fig.4 X-ray diffraction of β-glucan film, pectin film and blend films
核磁共振是一種無損檢測技術(shù)[24]。核磁共振測量的橫向弛豫時間T2的弛豫信息與樣品的物理和結(jié)構(gòu)性質(zhì)密切相關(guān),因此核磁共振測量是表征樣品組成和結(jié)構(gòu)的有力工具[25]。樣品的含水率和樣品大分子與水分子結(jié)合能力的差異是T2變化的重要原因。弛豫較快(T21)的為束縛水,弛豫較慢(T22)的為自由水,S21和S22分別代表束縛水和自由水的含量。
由表3可以看出,果膠膜的T21為1.15 ms,并且存在大量的氫質(zhì)子組合,因此氫質(zhì)子從激發(fā)態(tài)恢復(fù)到基態(tài)所需的時間增加,弛豫時間最長。S21=20.09%,是所有樣品中結(jié)合水含量最高的。純β-葡聚糖膜T21=1.59 ms,S21=5.46%,說明水分子結(jié)合果膠的能力遠(yuǎn)大于β-葡聚糖。隨著β-葡聚糖含量的增加,復(fù)合膜的結(jié)合水含量明顯降低。BP2、BP3和BP4的S21分別為5.31%、8.11%和5.29%。結(jié)合水含量的降低與β-葡聚糖含量的增加不成正比,這可能是由于復(fù)合膜中的雜質(zhì)引起的。
表3 β-葡聚糖膜、果膠膜和復(fù)合膜的低場NMR測試結(jié)果Table 3 Low field NMR test of β-glucan film, pectin film and blend films
圖5 β-葡聚糖膜、果膠膜和復(fù)合膜的低場NMR測試Fig.5 Low field NMR test of β-glucan film, pectin film and blend films
從圖5可以看出,BP4的兩個吸收峰沒有清晰的邊界連接,表明在這個比率下的復(fù)合膜處于特殊狀態(tài)。這可能是由于水分子與果膠的結(jié)合減弱以及果膠分子與β-葡聚糖分子之間的作用力增加所致。在BP4(mBG:mPectin1=0.15:0.05)下,S21最小,結(jié)合水含量最低。這說明β-葡聚糖分子和果膠分子在這個比例下完全結(jié)合,相互作用力強(qiáng)。此時復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定,這與薄膜的力學(xué)性能、紅外光譜分析、X射線衍射分析一致。
圖6顯示了純果膠膜、純β-葡聚糖膜和兩者不同比例的復(fù)合膜的熱降解圖。5種不同的薄膜都有相同的兩個降解步驟,在60~130 ℃時失水[26],約占20%的重量損失。甘油的降解發(fā)生在180~250 ℃之間。Nordin等[27]報告了類似的發(fā)現(xiàn),即玉米淀粉基可食用薄膜的甘油相在190~250 ℃的溫度下降解。在此溫度范圍內(nèi),Pectin1、BP2和BP3也發(fā)生了降解。在180~250 ℃范圍內(nèi),BP4對甘油無降解作用。可能的原因是在BP4的配比下,β-葡聚糖與果膠的反應(yīng)相對充分,可食性膜的結(jié)構(gòu)相對致密,從而提高了復(fù)合膜的熱穩(wěn)定性,使甘油的分解溫度向更高的方向移動。在280~350 ℃時,β-葡聚糖在BG5中發(fā)生降解,而甘油和β-葡聚糖在BP4中發(fā)生降解。
圖6 β-葡聚糖膜、果膠膜和復(fù)合膜的熱重曲線Fig.6 Thermogravimetric curves of β-glucan film, pectin film and blend films
表4 β-葡聚糖膜、果膠膜和復(fù)合膜的熱重分析結(jié)果Table 4 Results of thermogravimetric analysis of β-glucan film, pectin film and blend films
根據(jù)表4的分析,與其他對照組相比,BP4在質(zhì)量損失10%和25%時所需要的溫度最高,在質(zhì)量損失為50%時也需要較高的溫度,這可能是由于β-葡聚糖、果膠和甘油在這個比例下發(fā)生了良好的相互作用。Abdorrezd等[28]的研究發(fā)現(xiàn),增塑劑和多糖在一定條件下可以良好的相互作用,從而提高可食用薄膜的熱穩(wěn)定性。同時,BP4的DTG向更高的溫度移動,這也表明BP4的熱穩(wěn)定性優(yōu)于其他薄膜配方。在溫度達(dá)到500 ℃時的剩余殘留物表明,隨著β-葡聚糖含量的增加,殘留量逐漸減少,在BP4時達(dá)到最低,說明該比例下的可食性膜具有良好的降解性能。
對純β-葡聚糖膜、果膠膜和不同比例的復(fù)合膜進(jìn)行了研究。不同配比的原料對可食性薄膜的力學(xué)性能、紅外光譜、核磁共振譜和熱性能均有影響。與其他可食性薄膜相比,BP4(mBG:mPectin=3:1)薄膜具有最高的TS和EAB,表明其具有較好的力學(xué)性能。SEM掃描結(jié)果表明,BP4復(fù)合膜表面光滑連續(xù),斷面結(jié)構(gòu)致密。X射線衍射(XRD)結(jié)果表明,BP4復(fù)合膜中存在較強(qiáng)的氫鍵相互作用,復(fù)合膜的性能最好。NMR和FT-IR分析表明BP4具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)性能。熱重分析結(jié)果表明,BP4可食性薄膜具有較好的熱穩(wěn)定性。這些結(jié)果提供了一些有關(guān)物理、化學(xué)、力學(xué)和熱性能的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),可作為今后研究的參考。