茶渣納晶纖維素的制備及其對大豆分離蛋白膜性能的影響

徐璐，金俊豪，王怡，金璐璐，徐華健，余振宇，宋傳奎，劉英男，肖亞慶

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶與食品科技學(xué)院，茶樹生物學(xué)與資源利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230036）

我國作為傳統(tǒng)的產(chǎn)茶大國，茶葉在生產(chǎn)與消費(fèi)中所產(chǎn)生的副產(chǎn)物——茶渣產(chǎn)量非常大，每年僅生產(chǎn)茶飲料產(chǎn)生的茶渣就高達(dá)18～20 萬t[1]。茶渣富含纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、縮合丹寧等功能成分[2]，它們均具有羧基、芳香羧基、酚羥基和氧基等多種官能團(tuán)，具有很高的開發(fā)利用價(jià)值。纖維素（C6H10O5）作為天然高分子化合物，具有較高的聚合度，是由葡萄糖單體通過β-（1，4）糖苷鍵聚合而成的長鏈線性多糖，約占茶渣總質(zhì)量的50%[3]。納米纖維素是納米級(jí)（≤100 nm）的纖維素材料，其優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度、生物相容性、可再生性使其成為新型綠色復(fù)合材料領(lǐng)域極具吸引力的結(jié)構(gòu)強(qiáng)化劑[4]。近年來，開發(fā)以天然高分子（如蛋白、多糖、脂質(zhì)及其混合物）作為成膜基材的綠色、可食性食品包裝材料已經(jīng)逐漸成為研究熱點(diǎn)。其中，大豆分離蛋白因其價(jià)格低廉、成膜性能好、營養(yǎng)價(jià)值高等優(yōu)勢備受青睞[5-6]。然而，純大豆分離蛋白膜存在阻隔性弱、穩(wěn)定性差、易溶于水等不足[7]，嚴(yán)重限制了其在食品包裝領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。提高大豆分離蛋白膜的包裝性能成為食品包裝領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)難題，與納晶纖維素的共混改性是提高蛋白基膜性能的有效手段[8]。然而，以茶渣為原料制備茶渣納晶纖維素（tea residue nanocrystalline cellulose，TRNC），并與大豆分離蛋白共混成膜的相關(guān)研究尚未見報(bào)道?；诖?，本研究從廢棄茶渣中提取分離納晶纖維素，并對其微觀形貌、晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)官能團(tuán)等理化性質(zhì)進(jìn)行表征。同時(shí)，以大豆分離蛋白為成膜基底，以TRNC 為結(jié)構(gòu)增強(qiáng)劑，開發(fā)TRNC-大豆分離蛋白復(fù)合膜，并對復(fù)合膜的機(jī)械性能、阻隔性能、耐水性能進(jìn)行分析，以期為功能性蛋白基可食用包裝膜的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

茶渣：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶樹生物學(xué)與資源利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供；透析袋（8 000～14 000 Da）：北京索萊寶生物科技有限公司；大豆分離蛋白（蛋白含量大于90%）：上海源葉生物科技有限公司；甘油（分析純）：成都市科隆化學(xué)品有限公司；NaOH、NaClO2、H2SO4（均為分析純）：國藥化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

電熱鼓風(fēng)干燥箱（GZX-9070）：上海博迅實(shí)業(yè)有限公司；高速多功能粉碎機(jī)（ST-512）：瑞安市賽特機(jī)電有限公司；恒溫水浴攪拌器（DF-101S）：鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；電子天平（ML-3002T/02）：梅特勒-托利多國際有限公司；多頭磁力加熱攪拌器（HJ-6A）：常州市國華電器有限公司；水浴恒溫振蕩器（SHY-2A）：常州普天儀器制造有限公司；超聲波多頻清洗機(jī)（KQ-250DE）：昆山超聲儀器有限公司；超低溫冰箱（DW-86L500）：澳柯瑪股份有限公司；冷凍干燥機(jī)（CTFD-10S）：青島永合創(chuàng)信電子科技有限公司；高速冷凍離心機(jī)（JW-3021HR）：安徽嘉文儀器裝備有限公司；恒溫恒濕培養(yǎng)箱（YKHWS-160L）：合肥右科儀器設(shè)備有限公司；掃描電子顯微鏡（S-3700）：日本日立公司；透射電子顯微鏡（JEM-1230）：日本電子株式會(huì)社公司；納米激光粒度儀（ZEN 3600）：英國馬爾文儀器有限公司；傅里葉變換紅外光譜儀（Vertex 70）、X-射線衍射儀（D8 Advance）：德國布魯克公司；熱重分析儀（DTG-60A）：日本島津公司；電子數(shù)字卡尺（DL91150）：寧波得力集團(tuán)有限公司；萬能拉伸機(jī)（XLW）：濟(jì)南蘭光測試儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 茶渣納晶纖維素的制備

茶渣用沸水浸泡1 h 后倒掉茶水，重復(fù)3 次，用去離子水反復(fù)沖洗，除去水溶性色素等成分。在60 ℃烘箱中干燥24 h，粉碎后過40 目篩。所得茶渣粉在室溫（25 ℃）下用乙醇洗滌12 h，去除脂質(zhì)成分，自然晾干。隨后，將所得樣品按1∶20（g/mL）料液比浸泡于5.0%NaOH 溶液中，70 ℃條件下攪拌4 h。經(jīng)大量去離子水清洗后，將不溶性殘?jiān)烊?.0%NaClO2溶液中（用醋酸將pH 值調(diào)為3～4），70 ℃條件下攪拌2 h，此漂白過程重復(fù)5 次。最終，將得到的白色懸濁液用去離子水徹底清洗至pH 值為中性左右，用濾布過濾，得到茶渣纖維素。將茶渣纖維素按1∶20（g/mL）料液比分散于64%的H2SO4溶液中[9]，在45 ℃條件下攪拌90 min。用10 倍冷去離子水稀釋酸液以終止水解反應(yīng)，得到茶渣納晶纖維素懸浮液，冷凍干燥后得到茶渣納晶纖維素粉末，備用。

1.3.2 茶渣納晶纖維素的表征

1.3.2.1 形貌特征表征

取適量凍干后的茶渣粉和茶渣纖維素粉末樣品，均勻平鋪粘附在導(dǎo)電膠上，使其固定于載物銅板，樣品表面進(jìn)行噴金處理。使用掃描電子顯微鏡（Scanning electron microscope，SEM）在10 kV 加速電壓下觀察樣品的微觀形態(tài)[10]。

將大約5 μL 稀釋后的茶渣納晶纖維素懸液滴在普通碳支持膜（230 目）表面，室溫25 ℃下過夜自然晾干。用透射電子顯微鏡在80 kV 下觀察納晶纖維素的微觀形貌。從透射電子顯微鏡（transmission electron microscope，TEM）圖片中隨機(jī)選擇超過100 個(gè)納米顆粒，使用Nano Measurer 軟件統(tǒng)計(jì)納晶纖維素的長度和直徑，并計(jì)算長徑比。

1.3.2.2 Zeta 電位測定

以水為分散劑，使用納米激光粒度儀在室溫25 ℃下測定茶渣納晶纖維素懸液的Zeta 電位值。

1.3.2.3 化學(xué)官能團(tuán)測定

茶渣粉、茶渣纖維素和茶渣納晶纖維素樣品化學(xué)官能團(tuán)的變化情況使用傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行測量。采用溴化鉀壓片法，掃描范圍4 000～400 cm-1，分辨率4 cm-1，進(jìn)行32 次掃描，掃描數(shù)據(jù)排除水分與CO2干擾。

1.3.2.4 晶體結(jié)構(gòu)測定

茶渣粉、茶渣纖維素和茶渣納晶纖維素樣品的結(jié)晶特性使用配備Cu Kα 輻射源（λ=0.154 nm）的X-射線衍射儀進(jìn)行分析測量。掃描速率為4°/min，掃描范圍為5°～90°（2θ）。按照公式計(jì)算結(jié)晶度（X，%）[11]。

X=（I002-Iam）/I002×100

式中：I002為2θ=22°附近（002）晶格衍射峰的最高強(qiáng)度；Iam為2θ=18°附近的非晶態(tài)部分衍射峰的最低強(qiáng)度。

1.3.2.5 熱穩(wěn)定性測定

使用熱重分析儀測定茶渣粉、茶渣纖維素和茶渣納晶纖維素樣品的熱穩(wěn)定性，結(jié)果表示為失重比（%）和失重速率（%/min）。將約5 mg 的干樣品在氮?dú)猸h(huán)境下（50 mL/min）做熱失重測試，以10 ℃/min 的速率從20 ℃加熱到600 ℃。

1.3.3 茶渣納晶纖維素-大豆分離蛋白復(fù)合膜的制備

將一定量的大豆分離蛋白粉末（6%）分別與不同添加量的茶渣納晶纖維素（0%、0.25%、0.50%、0.75%、1.00%）混入去離子水中，10 000 r/min 的速度均質(zhì)處理5 min，室溫25 ℃下攪拌2 h。用2 mol/L 的NaOH 將溶液pH 值調(diào)為9.0。所得混合液在85 ℃水浴中加熱20 min，然后使用超聲波清洗機(jī)（25 ℃，500 W）脫氣10 min。將成膜溶液倒入直徑90 mm 的一次性培養(yǎng)皿中，放進(jìn)55 ℃的烘箱中12 h[12]，隨后移入恒溫恒濕培養(yǎng)箱（25 ℃，50%）中平衡48 h 后進(jìn)行性能測定。

1.3.4 復(fù)合膜的性能測定

1.3.4.1 厚度測定

薄膜厚度的測試方法參照GB/T 6672—2001《塑料薄膜和薄片厚度測定機(jī)械測量法》進(jìn)行。用電子數(shù)字卡尺接觸測量薄膜，每個(gè)試樣至少隨機(jī)測量9 個(gè)點(diǎn)，計(jì)算求得平均值記為薄膜厚度。

1.3.4.2 機(jī)械性能測試

共混膜的機(jī)械性能采用萬能拉伸機(jī)進(jìn)行測試，記錄膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率。將對照膜、茶渣纖維素共混膜和茶渣納晶纖維素共混膜裁剪成長條形（100 mm×15 mm），測試條件為拉伸速度150 mm/min，共持間距50 mm。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每組膜重復(fù)6 次，求得平均值。

1.3.4.3 水溶性測定

采用稱重法測量共混膜的水溶性，將干燥器中干燥至恒重的對照膜、茶渣纖維素共混膜、茶渣納晶纖維素共混膜裁剪成正方形（20 mm×20 mm）[13]，稱取此時(shí)的質(zhì)量為初始質(zhì)量。在室溫25 ℃條件下，將初始3 組膜試樣放入100 mL 的蒸餾水中浸泡12 h，結(jié)束后將共混膜試樣放入鼓風(fēng)干燥箱中，在40 ℃的溫度下進(jìn)行干燥，直至恒重后稱取測量。根據(jù)浸泡前后共混膜的質(zhì)量變化計(jì)算共混膜的水溶性（X，%）[14]。

X=（m1-m2）/m1×100

式中：m1為共混膜浸泡前初始質(zhì)量，g；m2為共混膜浸泡后的質(zhì)量，g。

1.3.4.4 水蒸氣透過率測定

水蒸氣透過率測試參照ASTM E96-95《材料水蒸氣滲透性標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》方法執(zhí)行。在測試杯（45 mm深度，20 mm 內(nèi)徑）裝入10 mL 去離子水，用膜樣品（直徑30 mm）密封杯口，貯藏在恒定環(huán)境（25 ℃，50%）中48 h。每隔6 h 稱量杯子的質(zhì)量。水蒸氣透過率[X，10-10g/（m·s·Pa）]計(jì)算公式如下[15]。

X=（Δm×L）/（Δt×A×Δp）

式中：Δm/Δt 為失重與時(shí)間的曲線斜率，g/s；L 為膜厚度，m；A 為膜覆蓋區(qū)域的瓶口面積，m2；Δp 為貯藏環(huán)境中膜兩側(cè)的水蒸氣壓差，Pa。

武術(shù)散打?qū)儆诂F(xiàn)代體育的范疇，它突出表現(xiàn)了武術(shù)的對抗本質(zhì)，在散打的規(guī)則中又明確規(guī)定了禁止擊打部位，這樣保證了參與者的生命安全，符合奧林匹克的競技精神。學(xué)生練習(xí)武術(shù)散打能夠鍛煉身體，增強(qiáng)體質(zhì)，使自身全面發(fā)展，在生活上可以團(tuán)結(jié)有愛、尊師重道、幫助他人、快樂自己；在學(xué)習(xí)上，可以努力奮斗、不怕失敗、面向勝利的道路勇敢前進(jìn)；在精神上，鍛煉意志、不怕苦、不怕累、繼承并發(fā)揚(yáng)我國傳統(tǒng)體育精神。散打運(yùn)動(dòng)可以促進(jìn)當(dāng)代高校學(xué)生全面發(fā)展，為成為國家優(yōu)秀人才奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

使用Statistix 8.0 軟件中的單向方差分析法（ANOVA）和Tukeys 檢驗(yàn)法在P＜0.05 水平上對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。試驗(yàn)至少重復(fù)3 次，結(jié)果表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 茶渣纖維素和茶渣納晶纖維素的宏觀形貌分析

圖1～圖4 描述了各處理階段茶渣樣品的宏觀形貌。

圖1 茶渣的宏觀形貌Fig.1 The macroscopic morphology of tea residue

由圖1～圖4 可知，沖泡后的茶渣葉底勻整，色澤明亮均一（圖1）；經(jīng)烘干、粉碎、過篩后得到茶渣粉末，其粒度變小、比表面積變大，色澤變暗，這可能是烘干過程中多酚類物質(zhì)的氧化引起的（圖2）；經(jīng)堿處理、漂白處理后，茶渣粉由褐色轉(zhuǎn)為明顯的白色（圖3），明顯的顏色變化是由于茶渣粉純化過程中半纖維素、木質(zhì)素以及其他非纖維素成分（色素、果膠等）的廣泛去除。

圖2 茶渣粉的宏觀形貌Fig.2 The macroscopic morphology of tea residue powder

圖3 茶渣纖維素的宏觀形貌Fig.3 The macroscopic morphology of tea residue cellulose

圖4 茶渣納晶纖維素的宏觀形貌Fig.4 The macroscopic morphology of TRNC

如圖4 所示，經(jīng)硫酸水解制備得到了較為均一穩(wěn)定的TRNC 膠體懸浮液。靜置過夜后，TRNC 懸液并未出現(xiàn)分層或沉淀現(xiàn)象，說明纖維素納米化處理后，其在水中的分散穩(wěn)定性得到了改善。

2.2 茶渣纖維素和茶渣納晶纖維素的微觀形貌

茶渣粉末、茶渣纖維素和TRNC 的微觀結(jié)構(gòu)使用掃描和透射電子顯微鏡進(jìn)行觀察，結(jié)果見圖5～圖7。

圖5 茶渣粉的掃描電鏡圖Fig.5 SEM image of tea residue powder

由圖5 所知，茶渣粉末呈現(xiàn)不規(guī)則的團(tuán)聚形態(tài)，可能是由于茶渣粗體粉碎不徹底，粉體間靜電排斥力較小，容易發(fā)生團(tuán)聚。純化步驟包括堿處理和漂白，NaOH 去除了大部分半纖維素，NaClO2漂白去除了木質(zhì)素以及殘留的半纖維素，所得茶渣纖維素呈束狀結(jié)構(gòu)（圖6），茶渣纖維素周圍分散的一些球體物可能是殘留的淀粉顆粒。堿處理步驟有助于促進(jìn)纖維素分子的充分溶脹，而漂白導(dǎo)致了纖維素的部分除顫和纖維束的逐漸打開，從而形成了直徑減少的纖維素網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。納晶纖維素的物理尺寸通常在幾十納米到幾百納米之間[16]。茶渣粉末經(jīng)硫酸水解和機(jī)械作用分離得到TRNC，TRNC 呈典型的針狀或棒狀結(jié)構(gòu)，并伴有少量團(tuán)聚體出現(xiàn)（圖7）。納晶纖維素較小的物理尺寸和較大的比表面積有助于其通過氫鍵或范德華力彼此堆疊，從而引發(fā)聚集[17]。

圖6 茶渣纖維素的掃描電鏡圖Fig.6 SEM image of tea residue cellulose

圖7 茶渣納晶纖維素的透射電鏡圖Fig.7 TEM image of TRNC

2.3 茶渣納晶纖維素的尺寸分布

圖8～圖10 分別為透射電鏡圖像中TRNC 的長度（L）、直徑（D）和長徑比分布直方圖。

圖8 茶渣納晶纖維素的長度分布直方圖Fig.8 Distribution histogram of TRNC length

圖9 茶渣納晶纖維素的直徑分布直方圖Fig.9 Distribution histogram of TRNC diameter

圖10 茶渣納晶纖維素的長徑比分布直方圖Fig.10 Distribution histogram of TRNC length-diameter ratio

納晶纖維素是原纖維中的結(jié)晶區(qū)片段，結(jié)晶度較高[18]。纖維素來源廣泛，結(jié)晶區(qū)片段的長度、直徑等尺寸因纖維素原料來源不同而有所差異。TRNC 平均長度為（795.61±189.27）nm，平均直徑為（32.17±11.64）nm，平均長徑比為（33.33±15.32）nm。納晶纖維素具有高長徑比的優(yōu)點(diǎn)[19]，其長徑比是決定其性能的重要參數(shù)，直接影響到納晶纖維素的界面吸附能力。一般來說，長徑比越高，納晶纖維素的界面吸附能力就越大，更傾向于在連續(xù)相中組裝形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)效果也就越好。因此，茶渣納晶纖維素較高的長徑比預(yù)示其較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)化性能[20]。

2.4 茶渣纖維素的Zeta 電位

Zeta 電位是表征膠體體系分散穩(wěn)定性和聚集狀態(tài)的重要指標(biāo)。分子或分散粒子越小，Zeta 電位的絕對值（正或負(fù)）越高，體系越穩(wěn)定，即溶解或分散可以抵抗聚集。反之，Zeta 電位（正或負(fù)）越低，越傾向于凝結(jié)或凝聚，即吸引力超過了排斥力，分散被破壞而發(fā)生凝結(jié)或凝聚。茶渣納晶纖維素的Zeta 電位見圖11。

圖11 茶渣納晶纖維素的Zeta 電位Fig.11 Zeta potential of TRNC

2.5 化學(xué)官能團(tuán)

紅外光譜廣泛應(yīng)用于分子結(jié)構(gòu)和物質(zhì)化學(xué)組成的研究，它主要是利用特征吸收譜帶頻率的變化推測臨近的基團(tuán)或鍵，進(jìn)而確定分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)。茶渣粉、茶渣纖維素和茶渣納晶纖維素的紅外光譜曲線見圖12。

圖12 茶渣粉、茶渣纖維素和茶渣納晶纖維素的紅外光譜曲線Fig.12 Infrared spectroscopy curves of tea residue powder，tea residue cellulose and TRNC

如圖12 所示，茶渣粉、茶渣纖維素和TRNC 紅外圖譜的峰位置和峰形大致相同，說明在堿處理、漂白、酸處理過程前后官能團(tuán)可能未發(fā)生顯著變化。其中，3 410 cm-1附近的吸收峰可能是纖維素中—OH 伸縮振動(dòng)，3 000～2 800 cm-1范圍內(nèi)的吸收峰可能與—CH伸縮振動(dòng)有關(guān)，1 730 cm-1處吸收峰為纖維素C O 伸縮振動(dòng)，1 640 cm-1對應(yīng)于O—H 彎曲振動(dòng)[23]。在茶渣纖維素和納晶纖維素樣品中，1 520 cm-1（芳香族骨架振動(dòng)）和1 250 cm-1（ C—O—C 軸向不對稱應(yīng)變）附近特征峰缺失，可能與半纖維素和木質(zhì)素成分的去除有關(guān)[24]。而纖維素結(jié)構(gòu)對應(yīng)的特征峰，如1 325 cm-1（O—H 彎曲）、1 152 cm-1（C—O—C 糖苷鍵不對稱拉伸）、1 100 cm-1（C—OH 拉伸）和1 053 cm-1（C—O—C吡糖環(huán)振動(dòng)）在純化后更加劇烈，這主要?dú)w因于纖維素成分的充分溶脹暴露[25]。

2.6 結(jié)晶特性

茶渣粉、茶渣纖維素、TRNC 的X 射線衍射曲線如圖13 所示。

圖13 茶渣粉、茶渣纖維素和茶渣納晶纖維素的X 射線衍射曲線Fig.13 X-ray diffraction curves of tea residue powder，tea residue cellulose and TRNC

X-射線在晶體中的衍射現(xiàn)象是晶體中各原子散射波之間的干涉結(jié)果，衍射峰與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)[26]，衍射強(qiáng)度與定量分析有關(guān)。由圖13 可知，在21.6°、22.9°、22.7°處出現(xiàn)強(qiáng)特征峰，對應(yīng)著纖維素晶體中的（002）晶面，16.2°處的特征峰對應(yīng)纖維素晶體中的（110）晶面，這些特征峰代表著典型的Ⅰ型纖維素結(jié)構(gòu)。TRNC 在34.7°處觀察到新的衍射峰，對應(yīng)于（004）晶面，預(yù)示著晶體結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)。TRNC 結(jié)晶度可達(dá)62.36%，明顯高于茶渣纖維素（42.67%）和茶渣粉（14.15%）。經(jīng)純化和酸解處理，大量無定形區(qū)被破壞，結(jié)晶區(qū)不斷被釋放，引起結(jié)晶度的增強(qiáng)。較高的結(jié)晶度有助于強(qiáng)化復(fù)合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并能有效降低氣體和水分子的滲透性。

2.7 熱特性

熱重分析（thermogravimetric analysis，TGA）是在程序控制溫度下測量待測樣品的質(zhì)量與溫度變化關(guān)系的一種熱分析技術(shù)，常被用來研究蛋白質(zhì)基材料的熱穩(wěn)定性。對茶渣粉、茶渣纖維素和茶渣納晶纖維素進(jìn)行熱特性分析，結(jié)果見圖14～圖15。

圖14 茶渣粉、茶渣纖維素和茶渣納晶纖維素的TGA 曲線Fig.14 The TGA curve of tea residue powder，tea residue cellulose and TRNC

圖15 茶渣粉、茶渣纖維素和茶渣納晶纖維素的DTG 曲線Fig.15 The DTG curve of tea residue powder，tea residue cellulose and TRNC

由圖14 可知，樣品熱失重經(jīng)歷3 個(gè)階段：干燥預(yù)熱、主失重區(qū)間、殘留物熱解。第一個(gè)失重平臺(tái)在150 ℃左右，與水分等低沸物質(zhì)的蒸發(fā)有關(guān)。在200～350 ℃的主失重區(qū)間，纖維素緩慢通過受熱解聚，內(nèi)部發(fā)生結(jié)構(gòu)重組以及“玻璃化轉(zhuǎn)變”[27]。第三階段，熱解殘留物質(zhì)量下降幅度減緩，TGA 曲線逐漸趨于平緩。TRNC 的熱解殘留物最少，原因可能是納晶纖維素的比表面積大，有利于氣化反應(yīng)。由圖15 可知，TRNC 的最大降解溫度（317.09 ℃）明顯高于原料茶渣粉（256.18 ℃），說明與纖維素成分相比，被去除的半纖維素和木質(zhì)素的熱穩(wěn)定性較差。然而，TRNC 的降解溫度低于纖維素（336.19 ℃）。一方面，TRNC 的比表面積高于纖維素，從而導(dǎo)致其更多地暴露在熱環(huán)境中；另一方面，TRNC表面引入的硫酸鹽基團(tuán)可能會(huì)進(jìn)一步降低納晶纖維素的熱降解活化能。

2.8 大豆分離蛋白基膜的機(jī)械性能

圖16～圖18 顯示了對照膜、茶渣纖維素-大豆分離蛋白共混膜、TRNC-大豆分離蛋白共混膜的厚度、拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率。

圖16 大豆分離蛋白基膜的厚度Fig.16 Thickness of soybean protein isolate based film

圖17 大豆分離蛋白基膜的拉伸強(qiáng)度Fig.17 Tensile strength of soybean protein isolate based film

圖18 大豆分離蛋白基膜的斷裂伸長率Fig.18 Elongation at break of soybean protein isolate based film

由圖16～圖18 可知，3 組膜的厚度均在80 μm 左右，各組之間不存在顯著性差異（p＞0.05），表明茶渣纖維素和茶渣納晶纖維素在成膜基質(zhì)中分散均勻、相容性較好。TRNC-大豆分離蛋白共混膜的拉伸強(qiáng)度顯著高于對照組（p＜0.05），但茶渣纖維素膜與對照組之間無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的差異性（p＞0.05），這是由于茶渣納晶纖維素的比表面積大，在膜形成的過程中，纖維素與蛋白分子之間發(fā)生了一定程度的交聯(lián)和相互作用[28]。然而，兩組復(fù)合膜的斷裂伸長率較對照組有所下降，尤其是經(jīng)茶渣納晶纖維素強(qiáng)化的復(fù)合膜（p＜0.05），這是因?yàn)樗庥行П┞冻霾柙械拇罅苛u基官能團(tuán)，這些羥基與蛋白質(zhì)形成更加緊密的氫鍵，從而降低了膜分子的流動(dòng)性。另外，未交聯(lián)的增強(qiáng)劑物理保留在膜網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，進(jìn)一步導(dǎo)致膜的延展性降低。這些相互作用的發(fā)生縮小了分子間距離，復(fù)合膜形成相對穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其柔韌性下降，從而降低了斷裂伸長率。結(jié)果表明制備的TRNC-大豆分離蛋白共混膜機(jī)械強(qiáng)度高、柔韌性低，具有強(qiáng)大的抵抗形變能力。

2.9 大豆分離蛋白基膜的水蒸氣透過率和水溶性

食品中的水分是影響其貯藏時(shí)間和質(zhì)量的重要物質(zhì)，阻水性能良好的食品包裝袋可防止水分流失，從而起到保護(hù)食品的作用。水蒸氣透過率反映包裝膜材料對水分子的阻隔性能，水蒸氣透過率越低，表明水蒸氣阻隔性能越好。大豆分離蛋白基膜的水蒸氣透過率及水溶性見圖19～圖20。

圖19 大豆分離蛋白基膜的水蒸氣透過率Fig.19 Water vapor permeability of soybean protein isolate based film

圖20 大豆分離蛋白基膜的水溶性Fig.20 Water solubility of soybean protein isolate based film

由圖19 可知，兩組復(fù)合膜的水蒸氣透過率低于對照膜，表明纖維素和納晶纖維素的加入有效提高了大豆分離蛋白基膜對水蒸氣的阻隔性能。其中TRNC 強(qiáng)化膜的水蒸氣阻隔性能最好，這可能是由于在該復(fù)合膜內(nèi)部形成了更加曲折的路徑，從而阻礙了滲透水分子通過薄膜。

水溶性是評價(jià)大豆分離蛋白基膜親水性能的重要指標(biāo)。由圖20 可知，對照膜與纖維素強(qiáng)化膜的水溶性均大于30%，且兩組差異不顯著（p＞0.05）。納晶纖維素強(qiáng)化膜的水溶性約為25%，與其他兩組相比顯著降低（p＜0.05），表明耐水性能的顯著改善。TRNC-大豆分離蛋白共混膜耐水性的提升，可能是由于納晶纖維素與蛋白質(zhì)之間發(fā)生締合與交聯(lián)作用，形成了致密、穩(wěn)定、有序的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，阻礙了水分子的滲透。另一方面，高結(jié)晶度的TRNC 可能作為疏水屏障，阻止水分子進(jìn)入蛋白膜內(nèi)部。

3 結(jié)論

本研究從廢棄物茶渣中提取分離得到茶渣納晶纖維素，其平均長度約為795.61 nm，平均直徑約為32.17 nm，平均長徑比約為33.33，呈典型的針狀結(jié)構(gòu)。茶渣納晶纖維素的Zeta 電位值為（-32.76±2.11）mV，具有良好的水分散穩(wěn)定性；結(jié)晶度為62.36%，顯著高于茶渣纖維素的42.67%。然而，茶渣納晶纖維素的熱穩(wěn)定性較纖維素有所下降，這歸因于比表面積的增大和硫酸鹽基團(tuán)的引入。茶渣納晶纖維素能顯著改善大豆分離蛋白基膜的拉升強(qiáng)度、降低斷裂伸長率，并提高復(fù)合膜的水蒸氣阻隔性能和耐水性能，表明其有望應(yīng)用于蛋白基可食性膜的開發(fā)。