殼聚糖/結(jié)冷膠雙層膜制備工藝優(yōu)化及表征

楊 旭，方 健，覃 敏，于 雷

（北京林業(yè)大學(xué)木質(zhì)材料科學(xué)與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

0 前言

肉類(lèi)食品在消費(fèi)市場(chǎng)中占有重要份額，其食品安全問(wèn)題不容忽視。包裝作為肉類(lèi)食品加工的最后一道工序，在保障食品安全方面發(fā)揮著重要作用。肉類(lèi)食品通過(guò)包裝能在很大程度上減少由于光照、空氣、微生物生長(zhǎng)導(dǎo)致食品變色、氧化、變質(zhì)等問(wèn)題［1］?，F(xiàn)有的包裝技術(shù)（真空包裝、氣調(diào)包裝）可有效抑制肉類(lèi)食品微生物生長(zhǎng)，使其在貨架期內(nèi)基本不會(huì)劣變。因此，在肉類(lèi)食品本身無(wú)質(zhì)量問(wèn)題的情況下，與之直接接觸的包裝材料成為影響食品安全的重要因素。目前，市場(chǎng)上肉類(lèi)食品生產(chǎn)和銷(xiāo)售環(huán)節(jié)采用的包裝材料主要是非生物可降解材料，如雙向拉伸聚丙烯薄膜（BOPP）、聚乙烯薄膜（PE）、聚酯薄膜（PET）等，這些材料較為穩(wěn)定，但儲(chǔ)存時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)存在有害物質(zhì)向食品中遷移的隱患［2］，并且廣泛應(yīng)用非生物可降解材料同樣不利于環(huán)境保護(hù)。因此，人們正在積極開(kāi)發(fā)無(wú)毒可生物降解的肉類(lèi)食品包裝材料。

在眾多可降解生物基材料中，CS作為1種來(lái)源廣泛的天然陽(yáng)離子多糖，由于自身的可生物降解性、無(wú)毒、優(yōu)良的成膜性、生物相容性和抗菌活性，成為了研究最多的食品包裝材料之一［3］。Azadbakht等［4］制備了用于切片香腸的含有桉樹(shù)精油的CS包裝膜，可有效抑制金黃色葡萄球菌和大腸桿菌生長(zhǎng)。GG是1種由埃洛德假單胞菌發(fā)酵得到的高分子線性陰離子多糖，無(wú)毒、可生物降解、成膜性好，具有優(yōu)良的膠凝性能、抗熱穩(wěn)定性和耐酸性，在食品包裝工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用［5］。李昭勇等［6］研發(fā)了1種海藻酸鈉/GG復(fù)合膜，提高了純海藻酸鈉膜和純GG膠膜的阻水性能。基于CS和GG2種材料的優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用在肉類(lèi)食品包裝上基本具備可行性。然而，當(dāng)采用純CS膜、純GG膜單一薄膜來(lái)包裝肉類(lèi)食品時(shí)，其力學(xué)性能、阻水性能通常無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際要求。一般采用共混方式增強(qiáng)單一薄膜的性能［7］，但在CS?GG聚電解質(zhì)體系中，直接共混會(huì)使該體系中高分子的正電基團(tuán)和負(fù)電基團(tuán)之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的離子交聯(lián)，導(dǎo)致成膜液出現(xiàn)絮凝、團(tuán)聚甚至分層的現(xiàn)象，不能保持成膜液的穩(wěn)定性，無(wú)法均勻成膜，Basu、程珊等［8?9］也證實(shí)了這一點(diǎn)。

相比傳統(tǒng)的成膜技術(shù)，日漸興起的層層自組裝技術(shù)能夠組裝聚電解質(zhì)、納米顆粒、有機(jī)小分子等材料，在電化學(xué)電容器、光敏微膠囊、分離膜和藥物釋放［10?13］等領(lǐng)域均有應(yīng)用。目前，利用層層自組裝技術(shù)制備用于肉類(lèi)食品包裝的雙層膜鮮有研究，該技術(shù)可以使帶相反電荷的多糖依次沉積，利用各層聚合物基團(tuán)之間的強(qiáng)相互作用力（化學(xué)鍵等）或弱相互作用力（靜電引力、氫鍵、配位鍵等）形成多層膜，各層膜之間的相互作用會(huì)賦予膜更好的性能。因此，本研究采用CS和GG2種帶有相反電荷的多糖，采用溶液流延法并結(jié)合層層自組裝技術(shù)，制備1種以CS膜為外層、GG膜為內(nèi)層的新型雙層膜。雙層膜的力學(xué)性能和阻水性能分別以拉伸強(qiáng)度和透濕量為指標(biāo)，以拉伸強(qiáng)度高、透濕量低為優(yōu)先原則。通過(guò)單因素和響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化雙層膜的制備工藝，并對(duì)比評(píng)價(jià)雙層膜較單一薄膜的性能，為雙層膜的進(jìn)一步制備和在肉類(lèi)食品包裝應(yīng)用提供一定的參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

CS，脫乙酰度≥95%，上海麥克林生化科技有限公司；

GG（低酰型）、生物技術(shù)級(jí)，上海麥克林生化科技有限公司；

甘油，分析純，上海麥克林生化科技有限公司；

乙酸，分析純，北京化工廠；

2，2?聯(lián)苯基?1?苦基肼基（DPPH），純度≥99%，上海麥克林生化科技有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

電動(dòng)攪拌器，JJ?1，常州國(guó)華電器有限公司；

電熱恒溫水浴鍋，DZKW?D?4，北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司；

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，DH?101，天津市中環(huán)實(shí)驗(yàn)電爐有限公司；

厚度計(jì)，7327，日本Mitutoy公司；

智能電子拉力試驗(yàn)機(jī)，XLW（L）?500N PC，濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)發(fā)展中心；

透濕性測(cè)試儀，TSY?T1，濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司；

紅外光譜儀（FTIR），SPECTRUM100D，美國(guó)PerKin Elmer公司；

掃描電子顯微鏡（SEM），JSM?6700F，日本電子JEOL公司；

紫外?可見(jiàn)分光光度計(jì)，UV?5100，上海京工實(shí)業(yè)有限公司；

色差儀，CM?2300d，日本柯尼卡美能達(dá)公司。

1.3 樣品制備

取一定質(zhì)量的CS溶于2%體積分?jǐn)?shù)乙酸溶液中，加入適量甘油充分混合，得到均勻透明的CS成膜液，靜置脫泡備用；再將一定質(zhì)量的GG溶于70℃的蒸餾水中，在恒溫水浴鍋中攪拌至完全溶解，加入適量甘油充分混合后，靜置脫泡；取一定體積的GG成膜液均勻流延至塑料培養(yǎng)皿中，在55℃烘箱中烘至膜表面微干，取出培養(yǎng)皿；再取一定體積的CS成膜液平鋪于GG膜之上，制得雙層膜；在55℃的條件下干燥12 h揭膜，將雙層膜置于25℃、50%RH的環(huán)境中平衡24 h，測(cè)定膜的各項(xiàng)性能［14］；雙層膜的制備原理如圖1所示。此外，采用溶液流延法制備純CS膜和純GG膜，通過(guò)控制成膜液的體積以保證薄膜的厚度基本一致，與優(yōu)化后的雙層膜進(jìn)行性能對(duì)比。

圖1 雙層膜的制備原理圖Fig.1 Schematic diagram of bilayer film preparation

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

厚度測(cè)定：使用厚度計(jì)在平整、光滑的薄膜上隨機(jī)測(cè)量10個(gè)不同位置的厚度，取平均值；

透濕性測(cè)定：參照GB/T 1037—2021使用透濕性測(cè)試儀測(cè)定；

含水量、溶解度測(cè)定［15］：將薄膜裁成1 cm×1 cm的小塊，質(zhì)量為M1（單位g）；在105℃的烘箱中干燥至恒重，質(zhì)量為M2（單位g）；之后將干燥薄膜浸入水中6 h，取出后用濾紙吸干表面水分，在烘箱中干燥至恒重，質(zhì)量為M3（單位 g）；薄膜的含水量（WC，%）和溶解度（WS，%）由式（1）～（2）計(jì)算：

力學(xué)性能測(cè)定：參照GB/T 1040.1—2018測(cè)定，拉伸速率為5 mm/min；

不透明度測(cè)定［16］：將尺寸為10 mm×40 mm的薄膜放入比色皿中，取1個(gè)空比色皿作參比，使用紫外?可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定600 nm處的吸光度，薄膜的不透明度（OP，mm-1）按式（3）計(jì)算：

式中A600——薄膜在600 nm處的吸光度

d——薄膜厚度，mm

外觀和顏色測(cè)定：將薄膜平鋪在白紙上拍照，用色差儀測(cè)定明度（L）、紅綠度（a）、藍(lán)黃度（b）值，其中L0=92.60，a0=-0.92和b0=-2.24代表標(biāo)準(zhǔn)白板的顏色值，然后按式（4）計(jì)算總色差（ΔE）：

抗氧化性能測(cè)定［17］：通過(guò)DPPH自由基清除試驗(yàn)評(píng)估薄膜抗氧化能力；將不同質(zhì)量的薄膜樣品（4、8、12、16、20 mg）浸入 4 mL 100 μM DPPH 乙醇溶液，黑暗中反應(yīng)1 h后，使用紫外?可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定溶液在517 nm處的吸光度；DPPH自由基清除率（C，%）按式（5）計(jì)算：

式中A0——反應(yīng)前DPPH溶液的吸光度

A1——反應(yīng)后DPPH溶液的吸光度

紅外分析：選擇ATR模式，在4 000～600 cm-1波數(shù)范圍內(nèi)掃描，掃描次數(shù)為32，分辨率為4 cm-1；

微觀形貌分析：使用導(dǎo)電膠將噴金后的薄膜固定在樣品板上，通過(guò)SEM觀察薄膜表面、截面形貌并拍照；

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析：每組試驗(yàn)至少重復(fù)3次，得到的數(shù)據(jù)采用SPSS 26.0軟件中的Duncan進(jìn)行方差分析，結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

以CS質(zhì)量分?jǐn)?shù)（1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%）、GG質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%）、甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)（20%、25%、30%、35%、40%，基于干物質(zhì)質(zhì)量）、CS與GG成膜液體積比（7/3、6/4、5/5、4/6、3/7）為因素，探究對(duì)雙層膜拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和透濕量的影響。

在GG質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%、甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%、CS與GG成膜液體積比5/5的條件下，不同CS質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)雙層膜性能的影響如圖2所示。在1.0%～1.5%范圍內(nèi)，CS質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，其分子與GG分子間的靜電作用力和氫鍵作用越強(qiáng)，分子鏈排列越緊密，形成1種相對(duì)致密的膜結(jié)構(gòu)，雙層膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率較高。CS質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1.5%時(shí)，CS分子中帶正電荷的氨基之間的排斥作用逐漸增強(qiáng)，分子鏈在空間上有較大伸展，破壞了一部分氫鍵，影響膜致密結(jié)構(gòu)的形成，導(dǎo)致雙層膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率出現(xiàn)一定程度的下降。CS質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高（大于2.0%），聚電解質(zhì)體系中的正負(fù)電荷數(shù)量懸殊，導(dǎo)致不同基質(zhì)間的靜電相互作用不明顯［11］，此時(shí)雙層膜的性能接近純CS膜，拉伸強(qiáng)度隨CS質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加。從膜結(jié)構(gòu)的角度分析，CS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)，雙層膜界面處緊密結(jié)合，膜結(jié)構(gòu)達(dá)到了致密狀態(tài)，減少了水蒸氣擴(kuò)散，此時(shí)透濕量較低。CS質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到2.0%時(shí)，雙層膜結(jié)構(gòu)變得疏松，利于水蒸氣擴(kuò)散，透濕量略有增加。此外，CS質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)低（小于1.0%），成膜薄且不易揭膜，力學(xué)性能較差。CS質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.5%時(shí)，成膜液黏稠且流動(dòng)性差，不易脫泡，流延成膜時(shí)厚度不均勻。因此，為滿(mǎn)足肉類(lèi)食品包裝膜拉伸強(qiáng)度較高、透濕量較低的要求，雙層膜的CS質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.5%～2.0%為宜。

圖2 CS質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)雙層膜性能的影響Fig.2 Effect of CS mass fraction on properties of bilayer films

在CS質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%、甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%、CS與GG成膜液體積比5/5的條件下，不同GG質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)雙層膜性能的影響如圖3所示。GG質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至1.5%時(shí)，聚電解質(zhì)體系中CS的氨基與GG的羥基之間存在的靜電相互作用不斷加強(qiáng)，膜結(jié)構(gòu)愈發(fā)致密，雙層膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均有提高。GG質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高（大于1.5%）時(shí)，GG由分散相變?yōu)檫B續(xù)相，輕微的相分離會(huì)導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)的致密性下降，斷裂伸長(zhǎng)率下降。同理，導(dǎo)致雙層膜透濕量變化的原因亦是如此。與CS相似，GG質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高時(shí)，同樣出現(xiàn)了成膜液過(guò)于黏稠的現(xiàn)象，且凝膠現(xiàn)象明顯，流動(dòng)性很差，在實(shí)際應(yīng)用中存在困難，這與李金星等［7］試驗(yàn)中的現(xiàn)象一致。此外，鑒于GG具有高分子質(zhì)量和高分子剛性的特點(diǎn)，在較低的質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)也可達(dá)到高表觀黏度［18］。綜合比較，可初步確定GG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的理想范圍處于1.0%～1.5%之間。

圖3 GG質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)雙層膜性能的影響Fig.3 Effect of GG mass fraction on properties of bilayer films

在CS質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%、GG質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%、CS與GG成膜液體積比5/5的條件下，不同甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)雙層膜性能的影響如圖4所示。甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)低（小于25%）時(shí)，膜質(zhì)脆易裂，不易揭膜。甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低（小于35%）時(shí)，雙層膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率隨甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，歸因于甘油中含多羥基親水基團(tuán)，其分子內(nèi)部的羥基可與CS、GG分子中的羥基結(jié)合起來(lái)形成分子鏈間的氫鍵，提高了拉伸強(qiáng)度，同時(shí)改善了剛性結(jié)構(gòu)，增加流動(dòng)性，從而增強(qiáng)了雙層膜的韌性，斷裂伸長(zhǎng)率逐漸增大。當(dāng)甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增大（大于35%），雙層膜的斷裂伸長(zhǎng)率仍有提高，拉伸強(qiáng)度有所下降，這是由于基質(zhì)中過(guò)量的甘油影響了膜結(jié)構(gòu)的致密性。雙層膜的透濕量隨著甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加。因?yàn)楦视褪?種可以進(jìn)入基質(zhì)的分子鏈間的小分子增塑劑，起到疏松膜結(jié)構(gòu)、增加膜極性的作用，同時(shí)又提高了親水性，因此透濕量增大。綜合考慮，甘油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在25%～35%之間，雙層膜的力學(xué)性能和阻水性能較好。

圖4 甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)雙層膜性能的影響Fig.4 Effect of glycerol mass fraction on properties of bilayer films

在CS質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%、GG質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%、甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的條件下，CS與GG成膜液不同體積比對(duì)雙層膜性能的影響如圖5所示。提高GG的占比，雙層膜的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率均有明顯提高，在體積比為4/6時(shí)達(dá)到峰值。這是由于在層層自組裝的過(guò)程中，GG的羥基與CS中的氨基在數(shù)量上達(dá)到了平衡狀態(tài)，高分子層之間產(chǎn)生了非共價(jià)相互作用，如范德華力、靜電吸引、氫鍵等［11，19］。在這些力的協(xié)同作用下，雙層膜界面緊密結(jié)合，形成了結(jié)構(gòu)完整、致密有序的薄膜結(jié)構(gòu)。同時(shí)，體系中自由體積變小，阻礙了水蒸氣的溶解與擴(kuò)散，雙層膜的透濕量達(dá)到最低，阻水性能最佳。因此，通過(guò)此項(xiàng)試驗(yàn)，可以確定CS與GG成膜液體積比為4/6時(shí)，雙層膜具有良好的力學(xué)性能和阻水性能，之后的響應(yīng)面試驗(yàn)中不再探討此因素。

圖5 CS與GG成膜液體積比對(duì)雙層膜性能的影響Fig.5 Effect of liquid volume ratio of chitosan to gellan gum on properties of bilayer films

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

為進(jìn)一步明確不同因素對(duì)CS/GG雙層膜力學(xué)性能和阻水性能的影響，優(yōu)化雙層膜的制備工藝，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行Box?Benhnken中心組合試驗(yàn)，試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)表如表1所示。為滿(mǎn)足肉類(lèi)食品包裝材料的要求，要以拉伸強(qiáng)度高、透濕量低為優(yōu)先原則，因此以拉伸強(qiáng)度（Y1）和透濕量（Y2）為響應(yīng)值，考察CS質(zhì)量分?jǐn)?shù)（X1）、GG質(zhì)量分?jǐn)?shù)（X2）、甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)（X3）對(duì)其影響，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 Box?Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案中的因素及水平Tab.1 Factors and their levels used in the Box?Behnken experi?ments design

表2 Box?Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Tab.2 Design and results of Box?Behnken experiments

2.2.1 響應(yīng)面模型與方差分析

利用Design?Expert軟件對(duì)表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，獲得雙層膜拉伸強(qiáng)度、透濕量對(duì)CS質(zhì)量分?jǐn)?shù)、GG質(zhì)量分?jǐn)?shù)、甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的多項(xiàng)式回歸方程為Y1=35.456-1.747 5X1+0.566 5X2-2.0577 5X3+0.585 5X1X2-3.476 5X1X3-0.674X2X3；Y2=810.486+19.461 2X1-15.351 2X2+12.127 5X3+4.06X1X2-2.502 5X1X3-17.142 5X2X3+36.269 5X12-1.570 5X22-13.788X32。如表3所示，對(duì)回歸方程進(jìn)行方差分析，2個(gè)響應(yīng)值的回歸模型均極顯著（P<0.000 1），失擬項(xiàng)不顯著，說(shuō)明回歸模型可以較好地?cái)M合試驗(yàn)結(jié)果。2個(gè)回歸方程的決定系數(shù)分別為0.991 7和0.983 0，表明該模型擬合度較好；矯正決定系數(shù)分別為0.981 1和0.961 1，說(shuō)明2個(gè)模型分別可以解釋98.11%和96.11%的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變異性，誤差較小。此外，這2個(gè)模型的變化系數(shù)分別為1.04和0.720 5，均小于10，說(shuō)明試驗(yàn)數(shù)據(jù)變異率較低，用此方程模擬試驗(yàn)具備可行性；精密度為39.315 4和22.448 7，說(shuō)明試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠。

表3 響應(yīng)面二次模型及其回歸系數(shù)的方差分析結(jié)果Tab.3 Analyses of variance for the response surface quadratic model and regression coefficient

2.2.2 響應(yīng)面因素交互作用分析

由圖6的響應(yīng)面圖可以直觀看出CS、GG和甘油之間兩兩交互作用。曲面越陡，等高線越接近橢圓形，兩因素的交互作用越顯著。在拉伸強(qiáng)度方面，CS質(zhì)量分?jǐn)?shù)和甘油的交互作用>GG質(zhì)量分?jǐn)?shù)和甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的交互作用>CS質(zhì)量分?jǐn)?shù)和GG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的交互作用。這是因?yàn)殡SCS質(zhì)量分?jǐn)?shù)和甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，雙層膜的拉伸強(qiáng)度先增大后減小。CS和GG都屬于多糖類(lèi)化合物，經(jīng)過(guò)層層自組裝，在靜電力和氫鍵的協(xié)同作用下，膜結(jié)構(gòu)會(huì)變得更加致密，界面處緊密結(jié)合，拉伸強(qiáng)度有所提高；CS質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷增加會(huì)影響CS和GG分子間氫鍵形成，導(dǎo)致分子間作用力下降，不利于不同層間的界面結(jié)合，拉伸強(qiáng)度下降。甘油作為增塑劑，能進(jìn)入聚合物的分子鏈間，增加分子鏈流動(dòng)性，改善膜的韌性。但過(guò)量的甘油會(huì)破壞CS和GG分子間作用力，降低膜的拉伸強(qiáng)度，這與李金星等［7］得出的結(jié)論一致。在透濕量方面，GG質(zhì)量分?jǐn)?shù)和甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的交互作用>CS質(zhì)量分?jǐn)?shù)和GG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的交互作用>CS質(zhì)量分?jǐn)?shù)和甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的交互作用。這是由于隨著GG質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷增加，會(huì)出現(xiàn)輕微的相分離，影響膜致密結(jié)構(gòu)的形成；又因?yàn)楦视椭泻嗔u基親水基團(tuán)，過(guò)量甘油會(huì)導(dǎo)致膜親水性增強(qiáng)，同樣會(huì)影響膜的致密結(jié)構(gòu)。因此，在GG質(zhì)量分?jǐn)?shù)和甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的情況下，雙層膜對(duì)水蒸氣的屏蔽能力下降，透濕量增大［18］。綜上可知，CS、GG和甘油的添加量應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)，才能制備出拉伸強(qiáng)度高、透濕量低的雙層膜。

圖6 兩因素交互作用對(duì)雙層膜拉伸強(qiáng)度和透濕量的影響Fig.6 Effects of interaction of two factors on tensile strength and moisture permeability of bilayer films

2.2.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)回歸方程計(jì)算分析，得出優(yōu)化后的結(jié)果：CS質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.732%，GG質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%，甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%。此時(shí)，由模型預(yù)測(cè)雙層膜的拉伸強(qiáng)度為38.362 MPa，透濕量為 773.075 g/（m2·d）。為保證響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)行3次驗(yàn)證性試驗(yàn)，結(jié)果取平均值。為方便實(shí)際操作，將CS質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)為1.7%，在此條件下測(cè)得復(fù)合膜拉伸強(qiáng)度為38.83 MPa，透濕量為750.76 g/（m2·d）。2個(gè)指標(biāo)的實(shí)際值與預(yù)測(cè)值的誤差分別為1.22%和2.89%，均在允許誤差5%的范圍內(nèi)，說(shuō)明此回歸方程具有較高的準(zhǔn)確性，通過(guò)Box?Behnken試驗(yàn)優(yōu)化的雙層膜制備工藝條件可靠。

2.3 外觀顏色與不透明度

表4前4行數(shù)據(jù)顯示了雙層膜顏色參數(shù)的變化。從視覺(jué)上來(lái)看，GG膜和雙層膜透明無(wú)色，CS膜呈淡黃色，均有較高的亮度。由于缺乏強(qiáng)烈的顏色，這些膜的a值和b值也相對(duì)較低。特別是與單一薄膜相比，雙層膜b值明顯降低，與標(biāo)準(zhǔn)值b0僅差0.12，而且ΔE值變化最小，即色差較小，這表明雙層膜的各組分具有良好的相容性；雙層膜表面光滑、接近無(wú)色，可有效改善純CS膜顏色發(fā)黃的問(wèn)題，這與圖7觀察到的薄膜外觀一致。此外，雙層膜的不透明度介于2種單層膜之間，相比李京縵等［20］制備的CS/羥乙基纖維素雙層膜的不透明度顯著減小，既可起到一定的光屏蔽效果，保護(hù)食品免受降解，又方便消費(fèi)者觀察內(nèi)裝物的形態(tài)。

表4 CS膜、GG膜和雙層膜的物理性能Tab.4 Physical properties of CC film，GG film and bilayer film

圖7 不同薄膜的外觀Fig.7 Appearance of different films

2.4 力學(xué)性能

力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明雙層膜的拉伸強(qiáng)度相比純CS膜和純GG膜分別提升了16.26%和103.73%，較Ferreira 等［21］制備的CS/巖藻酚雙層膜提升了326.30%，而斷裂伸長(zhǎng)率介于2種單層膜之間。拉伸強(qiáng)度增大，一方面是CS和GG分子間通過(guò)一系列氫鍵的相互作用，另一方面是陽(yáng)離子多糖和陰離子多糖層層自組裝過(guò)程中產(chǎn)生的靜電相互作用，界面處緊密結(jié)合，構(gòu)成了致密的膜結(jié)構(gòu)。斷裂伸長(zhǎng)率較純CS膜有所下降，這是由于膜結(jié)構(gòu)中2種基質(zhì)層之間的相互作用形成的新鍵（氫鍵和靜電鍵）減小了鄰鏈滑動(dòng)［22］，使膜的脆性增加，斷裂伸長(zhǎng)率降低。

2.5 透濕量

食品包裝材料的阻水性能是影響食品貨架期壽命和適用性的重要因素，阻水性能優(yōu)良的包裝材料能有效減少水分在周?chē)h(huán)境與食品之間傳遞，從而減緩食物在存儲(chǔ)過(guò)程中發(fā)生化學(xué)和酶促反應(yīng)。透濕量是反映薄膜阻水性能的重要參數(shù)，透濕量越低，說(shuō)明薄膜的阻水性能越好。由表4可知，雙層膜的透濕量相比純CS膜和純GG膜分別下降了7.36%和8.21%，這是由于CS與GG分子間高度有序的氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成了更曲折的通道，限制了水分通過(guò)薄膜的傳輸［23］；另一方面，也與CS沉積在GG引起的界面疏水性有關(guān)［24］。

2.6 含水量和溶解度

薄膜的含水量和溶解度的變化如表4所示。含水量體現(xiàn)了膜內(nèi)水分子在總自由體積的占比，會(huì)影響薄膜的物理、化學(xué)和力學(xué)性能。相比之下，純CS膜的含水量最高，這是CS分子中大量的親水基團(tuán)導(dǎo)致的，尤其是羥基和氨基［25］。而雙層膜的含水量相比純CS膜、純GG膜分別下降了38.08%和24.09%，這是由于在層層自組裝過(guò)程中CS層與GG層結(jié)合，層間的相互作用吸引羥基轉(zhuǎn)向膜內(nèi)部，影響了膜結(jié)合水的能力，進(jìn)而導(dǎo)致含水量的差異。薄膜的溶解度又稱(chēng)水溶性，反映了薄膜的耐水能力。雙層膜的溶解度相比純CS膜、純GG膜分別下降了24.39%和25.25%，較陳鳳霞等［26］制備的CS/聚乙烯雙層膜下降了28.25%。這是由于在層層自組裝的過(guò)程中靜電力影響了不同基質(zhì)的部分親水基團(tuán)相互作用，形成了穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu)，使得親水基團(tuán)不易與水接觸，提高了膜的耐水性，降低了溶解度。

2.7 抗氧化性能

測(cè)定DPPH自由基清除活性是評(píng)估包裝膜抗氧化性能最常用的方法之一。薄膜的抗氧化活性如圖8所示。相比之下，CS膜具有較強(qiáng)的DPPH自由基清除活性，這與CS中存在的自由氨基與自由基之間的反應(yīng)有關(guān)［27］。然而，GG膜的DPPH自由基清除活性較低，這是由于其原料本身基本不具備抗氧化性。雙層膜的DPPH自由基清除活性介于二者之間，這與CS的自由氨基和GG的羥基之間的相互作用有關(guān)，進(jìn)而導(dǎo)致基質(zhì)中自由氨基的數(shù)量減少。但從整體上看，雙層膜的抗氧化性能是優(yōu)于聚乙烯膜（市售保鮮膜）的，作為肉類(lèi)食品包裝能夠起到一定的保鮮作用。

圖8 不同薄膜的DPPH自由基清除活性Fig.8 DPPH radical scavenging activity of different films

2.8 紅外分析

FTIR譜圖用于評(píng)估和確定薄膜各組分之間的相互作用。如圖9所示，薄膜在3 500～3 300 cm-1處均有由于O—H和N—H的拉伸振動(dòng)所致的中強(qiáng)度吸收峰。CS膜在1 563 cm-1處和GG膜在1 067 cm-1處是—NH2彎曲振動(dòng)的吸收峰；CS膜在1 409 cm-1處和GG膜在1 410 cm-1處是—CH伸縮振動(dòng)的吸收峰；CS膜和GG膜在1 025 cm-1處是C—O伸縮振動(dòng)的吸收峰。然而，在第一區(qū)域，雙層膜較單層膜的吸收峰右移至3 274 cm-1處，說(shuō)明這些物質(zhì)同時(shí)存在—OH，且不同基質(zhì)之間具有一定的氫鍵作用；在第三區(qū)域，CS膜在1 563 cm-1處有明顯的—NH2彎曲振動(dòng)，與酰胺Ⅱ振動(dòng)重疊，但在雙層膜中此處峰消失。這是由于在層層自組裝過(guò)程中，帶正電荷的CS和帶負(fù)電的GG在界面處產(chǎn)生絡(luò)合作用，導(dǎo)致CS形成的—NH3+反對(duì)稱(chēng)變形和GG的羧基吸收峰出現(xiàn)了重疊現(xiàn)象［28］；此外，可以觀察到雙層膜對(duì)應(yīng)的—CH伸縮振動(dòng)吸收峰移至1 407 cm-1處與C—O伸縮振動(dòng)吸收峰右移至1 022 cm-1處，這是由于雙層膜中形成了分子間作用力。與單一薄膜相比，雙層膜中未出現(xiàn)新峰，而氫鍵效應(yīng)使雙層膜的吸收峰增強(qiáng)或發(fā)生偏移，氫鍵作用會(huì)使CS與GG之間連接緊密，膜結(jié)構(gòu)致密且具有良好的相容性，證明了雙層膜可用于改善純CS膜和純GG膜的力學(xué)性能和阻水性能。綜上，由FTIR譜圖可知關(guān)鍵基團(tuán)峰發(fā)生了變化和偏移，雙層膜不同層之間不是簡(jiǎn)單疊加，而是存在一定的分子間相互作用，化學(xué)結(jié)構(gòu)未發(fā)生本質(zhì)變化。

圖9 CS膜、GG膜和雙層膜的FTIR譜圖Fig.9 FTIR spectra of CS film，GG film and bilayer film

2.9 微觀形貌

從圖10（a）和（d）可以看出純CS膜的表面相對(duì)光滑均勻，截面相對(duì)致密；從圖10（b）和（e）可以看出純GG膜表面較為粗糙，帶有紋路，截面存在裂隙和小孔結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步揭示了純GG膜不透明度高、力學(xué)性能差、透濕量大的原因；經(jīng)過(guò)層層自組裝，從圖10（c）和（f）可以看出雙層膜表面更加均勻光滑，界面結(jié)合處致密規(guī)則，未出現(xiàn)明顯的相分離，孔隙大幅較少，二者之間具有良好的相容性。這是不同基質(zhì)間的靜電作用力和氫鍵協(xié)同作用的結(jié)果，這種相互作用提高了雙層膜的阻水性能，降低了溶解度。?

圖10 膜樣品的SEM照片F(xiàn)ig.10 SEM images of the film samples

3 結(jié)論

（1）較優(yōu)的CS/GG雙層膜制備工藝條件為CS質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.7%，GG質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%，CS與GG成膜液體積比4/6，甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%；在此條件下，雙層膜的拉伸強(qiáng)度為38.83 MPa、透濕量為750.76 g/（m2·d），與預(yù)測(cè)值的誤差分別為1.22%和2.89%，證明此預(yù)測(cè)模型可靠；

（2）雙層膜中層與層之間并非簡(jiǎn)單疊加，不同層的分子之間存在一定的相互作用；由于CS、GG之間的靜電力和官能團(tuán)之間的相互作用，雙層膜層與層之間具有良好的相容性；

（3）雙層膜的拉伸強(qiáng)度相比純CS膜和純GG膜分別提升了16.26%和103.73%；不透明度介于二者之間；雙層膜的拉伸強(qiáng)度和不透明度接近于市售保鮮膜（聚乙烯膜），且具備一定的抗氧化性；阻水性能較單一薄膜有所提高，但仍需進(jìn)一步增強(qiáng)。