TG酶/k-卡拉膠協(xié)同改性明膠復(fù)合膜的工藝優(yōu)化及表征

應(yīng)天昊 朱蕓杉 胡楊

摘要：為了研制一種性能優(yōu)良的天然保鮮膜，該研究以明膠為基質(zhì)，通過k-卡拉膠與谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶（TG酶）對(duì)明膠進(jìn)行協(xié)同改性，采用流延法制備一種新型明膠復(fù)合膜，通過單因素試驗(yàn)與正交試驗(yàn)研究k-卡拉膠添加量、TG酶添加量、TG酶反應(yīng)時(shí)間和干燥溫度對(duì)明膠復(fù)合膜物理性能的影響。得出最佳制備工藝為明膠添加量5%、k-卡拉膠添加量0.5%、TG酶添加量0.2%、反應(yīng)時(shí)間60 min、干燥溫度45 ℃。在最佳工藝條件下制備的明膠復(fù)合膜拉伸強(qiáng)度為14.33 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為44.24%，水溶性為26.72%，水蒸氣透過系數(shù)為0.278 g·mm/（kPa·h·m2）。優(yōu)化制備工藝后，利用X射線衍射、熱重分析等手段對(duì)不同明膠復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。表征結(jié)果表明，k-卡拉膠與 TG酶分別通過靜電相互作用與氨基酸異肽鍵對(duì)明膠進(jìn)行協(xié)同改性。該研究為新型明膠復(fù)合膜的開發(fā)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：明膠；k-卡拉膠；TG酶；復(fù)合膜；協(xié)同改性

中圖分類號(hào)：TS201.7????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A???? 文章編號(hào)：1000-9973（2024）02-0010-09

Process Optimization and Characterization of Gelatin Composite Film Modified by TGase Associated with k-Carrageenan

Abstract： In order to develop a natural preservative film with excellent performance， in this study， with gelatin as the substrate， k-carrageenan and transglutaminase （TGase） are used to modify gelatin， and a new gelatin composite film is prepared by tape casting method. The effects of the addition amount of k-carrageenan， the addition amount of TGase， the reaction time of TGase and the drying temperature on the physical properties of gelatin composite film are investigated by single factor test and orthogonal test. It is determined that the optimum preparation process is 5% gelatin， 0.5% k-carrageenan， 0.2% TGase， reaction time 60 min and drying temperature 45 ℃. The tensile strength of the gelatin composite film prepared under the optimum process conditions is 14.33 MPa， the elongation of break is 44.24%， the water solubility is 26.72% and the water vapor permeability coefficient is 0.278 g·mm/（kPa·h·m2）. After the optimization of preparation process， the structures of different gelatin composite films are characterized by X-ray diffraction and thermogravimetric analysis. The characterization results show that k-carrageenan and TGase synergistically modify gelatin through electrostatic interaction and amino? acid isopeptide bonds respectively. This study has provided a theoretical basis for the development of new gelatin composite film.

Key words： gelatin; k-carrageenan; TGase; composite film; synergistic modification

目前，大量且不受控制地使用源自石油基塑料的食品保鮮膜造成了嚴(yán)重的環(huán)境問題[1]，塑料保鮮膜如果處置不當(dāng)會(huì)對(duì)環(huán)境和人類造成巨大危害[2]。近年來，天然可降解大分子聚合物在食品保鮮領(lǐng)域越來越受歡迎，蛋白質(zhì)、纖維素、淀粉、殼聚糖和聚乳酸等物質(zhì)被視為常規(guī)食品塑料保鮮膜的替代品[3]。明膠是膠原蛋白部分水解而成的一種大分子蛋白，由于其出色的成膜性與安全性成為理想的成膜基質(zhì)材料[4]。然而明膠膜在實(shí)際制備與應(yīng)用過程中存在著一些缺陷：首先是其溶解性，由于明膠的三螺旋結(jié)構(gòu)中存在著許多親水基團(tuán)，導(dǎo)致其很容易溶解在食品表面[5]；其次是機(jī)械性能，單純的明膠膜強(qiáng)度小、黏度大，難以應(yīng)用于食品保鮮[6]。因此，研究人員通常選擇對(duì)明膠進(jìn)行物理改性、化學(xué)改性與酶法改性[7]。例如Jridi等[8]研究發(fā)現(xiàn)，果膠的引入通過形成氫鍵增強(qiáng)了明膠膜的性質(zhì)。與對(duì)照組相比，果膠的引入使得明膠網(wǎng)絡(luò)更加致密，顯著提高了明膠膜的機(jī)械強(qiáng)度。目前對(duì)于明膠改性已有諸多報(bào)道，但以k-卡拉膠與TG酶對(duì)明膠進(jìn)行協(xié)同改性，同時(shí)改善明膠膜的機(jī)械性能與水溶性的研究尚未見報(bào)道。

因此，為同時(shí)解決明膠膜機(jī)械強(qiáng)度不足與溶解性過高的問題，研究以明膠為原料，通過k-卡拉膠與谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶（TG酶）對(duì)明膠進(jìn)行協(xié)同改性，通過流延法制成一種天然明膠復(fù)合膜，以單因素試驗(yàn)與正交試驗(yàn)優(yōu)化其制備工藝，并對(duì)所制得的不同明膠復(fù)合膜進(jìn)行X射線衍射、熱重分析等化學(xué)表征，從機(jī)理層面驗(yàn)證k-卡拉膠與TG酶協(xié)同改性對(duì)明膠復(fù)合膜的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

藥用級(jí)明膠：上海阿拉丁生物試劑有限公司；食品級(jí)k-卡拉膠：浙江上方生物科技有限公司；食品級(jí)TG酶：江蘇一鳴生物科技有限公司；食品級(jí)甘油：廣州康本生物科技有限公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備

AUY220電子分析天平、TX2202L電子天平 日本島津公司；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 鞏義市科瑞儀器有限公司；TA-XT2i質(zhì)構(gòu)儀 英國(guó)Stable Micro Systems公司；DHG-9240A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；HD-4測(cè)厚儀 天津建科試驗(yàn)儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 明膠復(fù)合膜的制備工藝單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文采用流延法成膜。準(zhǔn)確稱取5 g明膠與k-卡拉膠（0，0.25，0.5，0.75，1 g），加入90 mL純水混勻，60 ℃水浴攪拌30 min后，加入1 mL甘油，60 ℃水浴攪拌10 min。降溫至45 ℃，在膜溶液中加入TG酶（0，0.1，0.2，0.3，0.4 g，均提前溶于10 mL純水中），45 ℃水浴攪拌反應(yīng)一定時(shí)間（0，30，60，90，120，150 min）后，90 ℃水浴10 min滅酶，降溫至50 ℃超聲脫氣15 min后得到均勻成膜液。將成膜液流延至一次性培養(yǎng)皿中（d=90 mm），膜厚度以0.08 mm為宜，置于鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，于適當(dāng)溫度（35，40，45，50，55 ℃）干燥6 h，取出培養(yǎng)皿，緩慢揭下膜樣品，放入干燥皿中平衡12 h備用，并以流延法分別制備純明膠膜與最優(yōu)條件下TG酶與k-卡拉膠單獨(dú)改性的明膠/k-卡拉膠膜、明膠/TG酶膜。

1.3.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在明膠添加量5%、TG酶反應(yīng)時(shí)間60 min、干燥時(shí)間6 h的條件下，選取k-卡拉膠添加量（A）、TG酶添加量（B）、干燥溫度（C）3個(gè)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，對(duì)明膠復(fù)合膜的制備工藝進(jìn)行優(yōu)化。因素水平選取見表1，進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過測(cè)定拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、水蒸氣透過系數(shù)、水溶性等指標(biāo)，探究明膠復(fù)合膜最佳成膜條件。

1.3.3 明膠復(fù)合膜機(jī)械性能測(cè)定

機(jī)械性能的測(cè)定包括拉伸強(qiáng)度（TS）和斷裂伸長(zhǎng)率（EAB）兩個(gè)方面。采用質(zhì)構(gòu)儀對(duì)明膠復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率進(jìn)行測(cè)定，參考Zou等[9]的方法并稍作修改。選擇光滑、無褶皺的膜樣品，將其切割成6 cm×2 cm大小的矩形長(zhǎng)條后將其置于質(zhì)構(gòu)儀A/TG探頭上勻速拉伸至膜斷裂，設(shè)置拉伸速率為10 mm/min，每組重復(fù)3次試驗(yàn)，結(jié)果取平均值。

拉伸強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

式中：TS為膜拉伸強(qiáng)度，MPa；Fmax為膜斷裂時(shí)所需的最大張力，N；d為膜厚度，mm；w為膜寬度，mm。

斷裂伸長(zhǎng)率計(jì)算公式如下：

式中：EAB為膜斷裂伸長(zhǎng)率，%；L1為膜斷裂時(shí)的長(zhǎng)度，mm；L0為膜原始長(zhǎng)度，mm。

1.3.4 明膠復(fù)合膜水蒸氣透過系數(shù)（WVP）測(cè)定

參照Zhang等[10]的方法并稍作修改。將明膠復(fù)合膜固定在含有10 mL超純水的錐形瓶口。稱重后，將錐形瓶放入含有變色硅膠的干燥皿中，使膜兩側(cè)的內(nèi)外蒸汽壓差保持一致。靜置24 h后再次稱重，每組重復(fù)3次試驗(yàn)，結(jié)果取平均值。

水蒸氣透過系數(shù)（WVP）計(jì)算公式如下：

式中：WVP為水蒸氣透過系數(shù)，g·mm/（kPa·h·m2）；Δm為相同時(shí)間內(nèi)錐形瓶質(zhì)量變化，g；A為明膠復(fù)合膜有效面積，m2；t為測(cè)定時(shí)間間隔，h；d為膜厚度，mm；Δp為試樣兩側(cè)水蒸氣壓差，kPa。

1.3.5 明膠復(fù)合膜水溶性（WS）測(cè)定

參考Sahraee等[11]的方法并作適當(dāng)?shù)男薷?。在待測(cè)明膠復(fù)合膜上切割一塊2 cm×2 cm大小的膜。于105 ℃烘箱中干燥24 h后，稱重為W1。將其置于盛有15 mL純水的燒杯中，并在溫度為25 ℃的搖床中水浴振搖24 h。倒掉水溶液，將不溶物重新在105 ℃烘箱中干燥至恒重W2。每組重復(fù)3次試驗(yàn)，結(jié)果取平均值。

水溶性計(jì)算公式如下：

式中：WS為明膠復(fù)合膜水溶性，%；W1為溶解前明膠復(fù)合膜質(zhì)量，g；W2為溶解后明膠復(fù)合膜質(zhì)量，g。

1.3.6 物理性能綜合分計(jì)算

參考趙然[12]的研究方法，根據(jù)明膠復(fù)合膜的性能需求設(shè)定拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、水蒸氣透過系數(shù)和水溶性的權(quán)重分別為a、b、c、d。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合隸屬度分析法算出正交試驗(yàn)中復(fù)合膜物理性能綜合得分，從而獲得明膠復(fù)合膜的最佳成膜配方。

隸屬度根據(jù)下式計(jì)算，其中水蒸氣透過系數(shù)與水溶性的隸屬度計(jì)算公式見式（5），拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率的隸屬度計(jì)算公式見式（6）。

式中：P為指標(biāo)隸屬度；Ai為指標(biāo)值；Amin為相同指標(biāo)最小值；Amax為相同指標(biāo)最大值。

明膠復(fù)合膜物理性能綜合分S計(jì)算公式如下：

S=a×P1+b×P2+c×P3+d×P4。（7）

式中：S為明膠復(fù)合膜物理性能綜合分；a、b、c、d分別為拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、水蒸氣透過系數(shù)與水溶性的權(quán)重；P1、P2、P3、P4分別為拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、水蒸氣透過系數(shù)與水溶性的隸屬度。

1.3.7 明膠復(fù)合膜X射線衍射測(cè)試（XRD）

利用X-射線衍射儀對(duì)4種明膠復(fù)合膜（明膠膜、明膠/k-卡拉膠膜、明膠/TG酶膜、明膠/k-卡拉膠/TG酶膜）的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。參考廖偉[13]的實(shí)驗(yàn)條件，設(shè)置2θ角度范圍為5°～50°，掃描速度為6°/min，測(cè)試電壓和電流分別為40 kV與40 mA。

1.3.8 明膠復(fù)合膜熱重分析（TGA）

參考Barreto等[14]的方法并稍作修改，分別稱取 5～8 mg干燥后的不同明膠復(fù)合膜（明膠膜、明膠/k-卡拉膠膜、明膠/TG酶膜、明膠/k-卡拉膠/TG酶膜）于氧化鋁坩堝中進(jìn)行熱重分析，測(cè)試條件：在N2環(huán)境下，設(shè)置起始溫度為50 ℃，升溫速率為10 ℃/min，終止溫度為500 ℃，保存數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)分析。

1.3.9 明膠復(fù)合膜掃描電鏡觀察（SEM）

將4種不同明膠復(fù)合膜樣品放置在干燥器中，使其保持干燥。在經(jīng)過液氮脆斷所得到的薄膜的截面處進(jìn)行噴金處理，再將其固定在樣品臺(tái)上進(jìn)行掃描電鏡觀察，加速電壓為20 kV。

1.3.10 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS軟件進(jìn)行處理及顯著性分析，顯著性分析取95%置信度（P＜0.05），并使用Origin 2021軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 k-卡拉膠添加量對(duì)明膠復(fù)合膜性能的影響

食品保鮮膜應(yīng)當(dāng)具備一定的機(jī)械強(qiáng)度，能夠承受食品運(yùn)輸過程中所受到的壓力、摩擦力等[15]。由圖1中a可知，隨著k-卡拉膠添加量的增加，明膠復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)k-卡拉膠添加量為0.50%時(shí)，明膠復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值14.56 MPa，隨后逐漸減小。這是由于明膠分子鏈上的氨基帶有正電荷，而k-卡拉膠分子鏈上的硫酸基帶負(fù)電荷，在一定添加量范圍內(nèi)二者會(huì)發(fā)生靜電相互作用，且在明膠三螺旋構(gòu)象出現(xiàn)之前，由靜電相互作用引導(dǎo)的其局部結(jié)構(gòu)的重組，會(huì)使明膠與k-卡拉膠之間形成氫鍵，產(chǎn)生更強(qiáng)的復(fù)合凝聚，使得膜的拉伸強(qiáng)度增大[16] 。宋佳明等[17]也發(fā)現(xiàn)k-卡拉膠的加入能夠顯著提高明膠復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度。但當(dāng)k-卡拉膠的添加量過高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致k-卡拉膠-明膠復(fù)合體系中的負(fù)電荷過多，使得分子間的靜電斥力增大，因此膜的拉伸強(qiáng)度降低。

由圖1中b可知，隨著k-卡拉膠添加量的增加，明膠復(fù)合膜的斷裂伸長(zhǎng)率呈現(xiàn)先快速下降后緩慢下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)橐雓-卡拉膠后，明膠體系剛性結(jié)構(gòu)快速增加，斷裂伸長(zhǎng)率隨之顯著下降。隨著k-卡拉膠添加量的繼續(xù)增加，干燥后的明膠復(fù)合膜脆性增大，斷裂伸長(zhǎng)率進(jìn)一步下降。k-卡拉膠添加量的變化對(duì)明膠復(fù)合膜拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率的變化影響顯著。

由圖1中c和d可知，由于明膠中含有較多氨基、羥基、羧基等親水基團(tuán)[18]，因此純明膠膜的水溶性與水蒸氣透過系數(shù)都較高。加入k-卡拉膠后，明膠復(fù)合膜的水溶性與水蒸氣透過系數(shù)均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。當(dāng)k-卡拉膠添加量為0.50%時(shí)，明膠復(fù)合膜的水溶性和水蒸氣透過系數(shù)都達(dá)到最小值，分別為25.20%和0.303 g·mm/（kPa·h·m2）。明膠復(fù)合膜的水溶性與水蒸氣透過系數(shù)降低是因?yàn)槊髂z上的氨基與k-卡拉膠上的硫酸基相互作用，導(dǎo)致明膠與水分子的相互作用受阻。但隨著k-卡拉膠添加量的增加，二者可能會(huì)發(fā)生締合相互作用[19]，形成部分可溶性聚電解質(zhì)復(fù)合物，膜的水溶性與水蒸氣透過系數(shù)反而升高。k-卡拉膠添加量的變化對(duì)明膠復(fù)合膜的水溶性、水蒸氣透過系數(shù)的影響并不顯著。綜上所述，選擇k-卡拉膠添加量為0.25%～0.75%進(jìn)行后續(xù)正交試驗(yàn)。

2.2 TG酶添加量對(duì)明膠復(fù)合膜性能的影響

由圖2中a和b可知，隨著TG酶添加量的不斷增加，明膠復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)TG酶添加量為0.3%時(shí)，明膠復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值，為14.56 MPa，隨后逐漸減小。當(dāng)TG酶添加量為0.2%時(shí)，明膠復(fù)合膜的斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)到最大值，為44.42%，隨后逐漸減小。明膠復(fù)合膜機(jī)械性能的提升主要是由于TG酶能催化明膠分子鏈上谷氨酰胺的γ-羥酰胺基與賴氨酸上的ε-氨基發(fā)生?；D(zhuǎn)移反應(yīng)生成ε-（γ-Glutanyl）-Lys 異肽鍵，誘導(dǎo)明膠交聯(lián)形成致密的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，改善明膠復(fù)合膜的機(jī)械性能[20]。而隨著TG酶添加量進(jìn)一步提高，明膠產(chǎn)生過交聯(lián)現(xiàn)象，膜中蛋白分子鏈的自由度減小，流延成膜難度增大，導(dǎo)致明膠復(fù)合膜的機(jī)械性能逐漸下降。

由圖2中c和d可知，隨著TG酶添加量的不斷增加，明膠復(fù)合膜的水溶性與水蒸氣透過系數(shù)均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，且加入TG酶后明膠復(fù)合膜的水溶性顯著下降。當(dāng)TG酶添加量為0.3%時(shí)，明膠復(fù)合膜的水溶性達(dá)到最小值，為25.20%。當(dāng)TG酶添加量為0.2%時(shí)，明膠復(fù)合膜的水蒸氣透過系數(shù)達(dá)到最小值，為0.278 g·mm/（kPa·h·m2）。明膠復(fù)合膜的水溶性與水蒸氣透過系數(shù)的降低主要是因?yàn)門G酶能夠誘導(dǎo)明膠分子鏈上的氨基反應(yīng)，生成氨基酸異肽鍵，使得膜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加致密，親水性基團(tuán)減少，處于自由狀態(tài)的明膠分子數(shù)減少，致使明膠膜在水中的溶出率降低且水分子不易透過。但隨著TG酶添加量的進(jìn)一步增加，過多的酶會(huì)導(dǎo)致明膠過度交聯(lián)[21]，過快的反應(yīng)速度形成大量的分子內(nèi)共價(jià)鍵，阻礙了分子間的聚集。因此，明膠復(fù)合膜的水溶性與水蒸氣透過系數(shù)反而升高。綜上所述，選擇TG酶添加量為0.1%～0.3%進(jìn)行后續(xù)正交試驗(yàn)。

2.3 TG酶反應(yīng)時(shí)間對(duì)明膠復(fù)合膜性能的影響

由圖3中a和b可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，明膠復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率都呈先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為60 min時(shí)，明膠復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率都達(dá)到最大值，分別為14.56 MPa和39.01%，隨后逐漸減小。TG酶能夠催化明膠發(fā)生交聯(lián)，生成異肽交聯(lián)鍵，形成致密的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以此改善明膠復(fù)合膜的機(jī)械性能。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間過短時(shí)，TG酶無法完全誘導(dǎo)明膠分子交聯(lián)，使得明膠復(fù)合膜的機(jī)械性能較差。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，會(huì)因?yàn)槊髂z分子間過度交聯(lián)而降低膜的流動(dòng)性，造成流延困難且氣泡難以去除，影響明膠復(fù)合膜的機(jī)械性能。

由圖3中c可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的不斷增加，明膠復(fù)合膜的水溶性呈現(xiàn)不斷下降的趨勢(shì)。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為120 min時(shí)，明膠復(fù)合膜的水溶性達(dá)到最小值23.1%。這是因?yàn)殡S著反應(yīng)時(shí)間的增加，在TG酶的作用下，明膠分子內(nèi)與分子間的交聯(lián)變得越發(fā)緊密，導(dǎo)致明膠復(fù)合膜的水溶性不斷降低。但反應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)，又會(huì)因?yàn)槊髂z分子間過度交聯(lián)而降低膜的流動(dòng)性[22]，造成流延困難，無法流延成膜。

由圖3中d可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的不斷增加，明膠復(fù)合膜的水蒸氣透過系數(shù)呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為90 min時(shí)，明膠復(fù)合膜的水蒸氣透過系數(shù)達(dá)到最小值，為0.286 g·mm/（kPa·h·m2），隨后逐漸上升。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間增加時(shí)，TG酶逐步誘導(dǎo)明膠分子交聯(lián)，使得明膠復(fù)合膜結(jié)構(gòu)越發(fā)致密，水分難以透過薄膜，但當(dāng)反應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，明膠分子間過度交聯(lián)，造成流延困難且氣泡難以去除，此時(shí)的薄膜厚度不均且存在大量難以去除的氣泡，影響了明膠復(fù)合膜的水蒸氣透過系數(shù)。綜上所述，不選擇TG酶反應(yīng)時(shí)間為正交試驗(yàn)因素，確定TG酶反應(yīng)時(shí)間為60 min。

2.4 干燥溫度對(duì)明膠復(fù)合膜性能的影響

由圖4中a和b可知，隨著干燥溫度的升高，明膠復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率均呈先增大后減小的趨勢(shì)，且干燥溫度對(duì)明膠復(fù)合膜機(jī)械強(qiáng)度的影響較顯著。當(dāng)干燥溫度為45 ℃時(shí)，明膠復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值，為14.56 MPa，隨后逐漸減小。當(dāng)干燥溫度為50 ℃時(shí)，明膠復(fù)合膜的斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)到最大值，為41.81%，隨后逐漸減小。水分蒸發(fā)的速度直接影響膜的致密程度。干燥溫度過低，水分不易蒸發(fā)逸出，干燥后膜中殘留的水分較多。而干燥溫度過高，水分蒸發(fā)的速度過快，導(dǎo)致膜的致密性下降，干燥后明膠復(fù)合膜變得較脆。干燥溫度為45～50 ℃時(shí)，明膠復(fù)合膜具有較好的機(jī)械強(qiáng)度。

由圖4中c和d可知，隨著干燥溫度的不斷升高，明膠復(fù)合膜的水溶性與水蒸氣透過系數(shù)均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。當(dāng)干燥溫度為45 ℃時(shí)，明膠復(fù)合膜的水溶性和水蒸氣透過系數(shù)都達(dá)到最小值，分別為25.20%和0.303 g·mm/（kPa·h·m2），這種趨勢(shì)也是膜的致密程度改變所造成的。干燥溫度過低，水分不易蒸發(fā)逸出，干燥后膜中殘留的水分較多。而干燥溫度過高，水分蒸發(fā)的速度過快，導(dǎo)致膜的致密性下降，干燥后明膠復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)變得疏松。綜上所述，選擇干燥溫度為40～50 ℃進(jìn)行后續(xù)正交試驗(yàn)。

2.5 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表1制備了不同配比的明膠復(fù)合膜，并對(duì)所制得的明膠復(fù)合膜的機(jī)械強(qiáng)度、水溶性、水蒸氣透過系數(shù)進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見表2。

對(duì)表2的4個(gè)指標(biāo)分別進(jìn)行極差分析，結(jié)果見表3～表6。

由表3可知，通過對(duì)k-卡拉膠添加量（A）、TG酶添加量（B）與干燥溫度（C）3個(gè)因素對(duì)明膠復(fù)合膜拉伸強(qiáng)度變化結(jié)果的影響程度（R值與K值）進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)影響明膠復(fù)合膜拉伸強(qiáng)度的因素主次順序?yàn)锳>B>C，且拉伸強(qiáng)度最優(yōu)的成膜條件為A3B1C1，即k-卡拉膠添加量為0.75%，TG酶添加量為0.1%，干燥溫度為40 ℃，此結(jié)果不在正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的9組試驗(yàn)中，需再做驗(yàn)證試驗(yàn)。

由表4可知：通過對(duì)k-卡拉膠添加量（A）、TG酶添加量（B）與干燥溫度（C）3個(gè)因素對(duì)明膠復(fù)合膜斷裂伸長(zhǎng)率變化結(jié)果的影響程度（R值與K值）進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)影響明膠復(fù)合膜斷裂伸長(zhǎng)率的因素主次順序?yàn)锳>B>C，且斷裂伸長(zhǎng)率最大的成膜條件為A1B2C2，即k-卡拉膠添加量為0.25%，TG酶添加量為0.2%，干燥溫度為45 ℃，即正交試驗(yàn)中的2號(hào)試驗(yàn)組。

由表5可知，通過對(duì)k-卡拉膠添加量（A）、TG酶添加量（B）與干燥溫度（C）3個(gè)因素對(duì)明膠復(fù)合膜水蒸氣透過系數(shù)變化結(jié)果的影響程度（R值與K值）進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)影響明膠復(fù)合膜水蒸氣透過系數(shù)的因素主次順序?yàn)锳>B>C，且水蒸氣透過系數(shù)最小的成膜條件為A2B2C2，即k-卡拉膠添加量為0.5%，TG酶添加量為0.2%，干燥溫度為45 ℃，此結(jié)果不在正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的9組試驗(yàn)中，需再做驗(yàn)證試驗(yàn)。

由表6可知，通過對(duì)k-卡拉膠添加量（A）、TG酶添加量（B）與干燥溫度（C）3個(gè)因素對(duì)明膠復(fù)合膜水溶性變化結(jié)果的影響程度（R值與K值）進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)影響明膠復(fù)合膜水溶性的因素主次順序?yàn)锽>A>C，且水溶性最小的成膜條件為A3B2C1，即k-卡拉膠添加量為0.75%，TG酶添加量為0.2%，干燥溫度為40 ℃，即正交試驗(yàn)中的8號(hào)試驗(yàn)組。

根據(jù)極差分析結(jié)果進(jìn)行正交試驗(yàn)驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果見表7。

2.6 正交試驗(yàn)結(jié)果綜合得分分析

根據(jù)明膠復(fù)合膜的基本性能要求，設(shè)定拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、水蒸氣透過系數(shù)和水溶性的權(quán)重分別為0.3，0.2，0.2，0.3。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合隸屬度分析法算出正交試驗(yàn)及驗(yàn)證試驗(yàn)中復(fù)合膜物理性能綜合得分（見表8），得到明膠復(fù)合膜的最佳成膜工藝。

由表8可知，第11組正交試驗(yàn)的得分最高，說明此時(shí)的明膠復(fù)合膜整體機(jī)械性能較好、水蒸氣透過系數(shù)較小、耐水性較好。因此，確定最佳成膜工藝為明膠添加量5%、k-卡拉膠添加量0.5%、TG酶添加量0.2%、反應(yīng)時(shí)間60 min、干燥溫度45 ℃、干燥時(shí)間6 h。在最優(yōu)工藝條件下制備的明膠復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度為14.33 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為44.24%，水蒸氣透過系數(shù)為0.278 g·mm/（kPa·h·m2），水溶性為26.72%。

2.7 明膠復(fù)合膜X射線衍射測(cè)試結(jié)果分析（XRD）

由圖5可知，所有明膠復(fù)合膜均在2θ=7.5°和2θ=22°附近出現(xiàn)衍射峰，這也是比較典型的明膠膜的特征衍射峰[23]。其中在2θ=21.5°處出現(xiàn)的寬衍射峰通常代表明膠分子的左旋螺旋結(jié)構(gòu)，屬于明膠的無定型結(jié)構(gòu)[24]；而在2θ=7.5°附近出現(xiàn)的衍射尖峰則可歸屬于明膠中的三螺旋結(jié)構(gòu) [25] 。

由圖5可知，純明膠膜在2θ=7.5°處有最強(qiáng)的X衍射峰，k-卡拉膠與TG酶加入后，衍射峰強(qiáng)度逐漸降低，且k-卡拉膠與TG酶協(xié)同改性后的明膠復(fù)合膜衍射峰強(qiáng)度最低。這是因?yàn)閗-卡拉膠能夠與明膠形成靜電相互作用，而TG酶促使明膠分子之間形成異肽共價(jià)鍵，使得明膠內(nèi)部體系更加穩(wěn)定。在2θ=21.5°處的峰強(qiáng)度也隨著k-卡拉膠與TG酶的加入而減弱，這也說明明膠結(jié)構(gòu)經(jīng)過協(xié)同交聯(lián)后變得更加穩(wěn)定，這與Liu等[26]的研究結(jié)果相似。Liu等使用TG酶對(duì)牛明膠膜進(jìn)行改性，XRD的表征結(jié)果也顯示出在酶法改性后，2θ=7.5°和2θ=22°處出現(xiàn)的衍射峰強(qiáng)度皆呈降低趨勢(shì)。

2.8 明膠復(fù)合膜熱重分析（TGA）結(jié)果

熱重分析（TGA）是評(píng)價(jià)膜熱穩(wěn)定性的常用手段之一。4種不同明膠復(fù)合膜的TGA曲線見圖6，在升溫過程中對(duì)應(yīng)不同溫度段的失重率，見表9。

在50～600 ℃的溫度測(cè)試范圍內(nèi)，明膠復(fù)合膜的質(zhì)量損失主要可分為兩個(gè)階段：第一階段是200 ℃前發(fā)生的水分蒸發(fā)，在此溫度段內(nèi)的質(zhì)量損失主要是由于膜中的自由水與結(jié)合水蒸發(fā)；第二階段主要發(fā)生在250～400 ℃區(qū)間內(nèi)，在此溫度段內(nèi)，明膠和k-卡拉膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生崩解，進(jìn)而熱分解、氣化。由圖6可知，4種不同的明膠復(fù)合膜在200 ℃之前的TGA曲線無明顯差異，而在300～400 ℃范圍內(nèi)，能夠明顯看到k-卡拉膠與TG酶協(xié)同改性的明膠復(fù)合膜的熱分解溫度，有明顯向高溫方向移動(dòng)的趨勢(shì)，這說明經(jīng)過k-卡拉膠與TG酶協(xié)同改性后，明膠復(fù)合膜變得更加致密，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，表9中數(shù)據(jù)也能證實(shí)這一點(diǎn)，在300～400 ℃范圍內(nèi)，明膠膜的質(zhì)量損失為35.81%，而k-卡拉膠與TG酶協(xié)同改性的明膠復(fù)合膜質(zhì)量損失僅為33.22%，k-卡拉膠與TG酶單獨(dú)改性的明膠膜在此溫度范圍內(nèi)的質(zhì)量損失分別為33.25%和36.67%。

2.9 明膠復(fù)合膜掃描電鏡測(cè)試結(jié)果分析（SEM）

4種不同明膠復(fù)合膜的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡橫截面圖像見圖7。

由圖7中a可知，明膠膜截面整體較均勻，但仍能看到較多細(xì)微裂紋，這可能是由于明膠膜在干燥過程中水分逸散過快導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)有少許破壞。

由圖7中b可知，加入k-卡拉膠后，明膠膜的裂紋數(shù)量減少，但裂紋大小明顯增加，雖然k-卡拉膠的加入使得明膠復(fù)合膜的強(qiáng)度得到顯著提升，但k-卡拉膠與明膠的溶解性差異導(dǎo)致明膠膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的均勻性有所降低，宏觀表現(xiàn)為裂紋大小增加。

由圖7中c可知，經(jīng)過酶法改性后，明膠膜的截面變得較光滑平整，裂紋大小和數(shù)量大幅降低，只能從圖中找到肉眼幾乎不可見的少許裂紋，這是因?yàn)槊髂z經(jīng)酶法改性后，明膠內(nèi)部產(chǎn)生大量分子間與分子內(nèi)的異肽鍵交聯(lián)，明膠結(jié)構(gòu)變得致密、緊實(shí)。

由圖7中d可知，十分光滑平整的明膠膜截面無裂紋、無孔洞，k-卡拉膠與TG酶協(xié)同改性后，彌補(bǔ)了之前存在的一些裂紋。Liu等[26]通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，未改性的明膠膜顯示出粗糙的橫截面微觀結(jié)構(gòu)，而添加TG酶改性后，明膠膜的表面變得更平滑、更緊湊，這可能歸因于TG酶交聯(lián)的明膠基質(zhì)的內(nèi)聚力更大。

在存在TG酶的情況下，明膠鏈之間可能會(huì)形成更強(qiáng)的膜網(wǎng)絡(luò)，從而抑制其表面裂紋和皺紋的形成。對(duì)比圖7中e～h仍能得出上述結(jié)論，圖7中e明膠截面圖上顯示一些細(xì)小的裂紋，而在加入k-卡拉膠改性后，裂紋的數(shù)量減少，裂紋大小增加（見圖7中f），明膠膜改性后趨于平滑，裂紋數(shù)量與大小都顯著減少，對(duì)比圖7中h和e可知，k-卡拉膠與TG酶協(xié)同改性后明膠復(fù)合膜表面變得致密光滑。

3 結(jié)論

本文以明膠為基質(zhì)，以TG酶與k-卡拉膠對(duì)明膠進(jìn)行協(xié)同改性，以流延法制成一種明膠復(fù)合膜。并通過單因素試驗(yàn)與正交試驗(yàn)，確定明膠復(fù)合膜最佳成膜工藝為明膠添加量5%、k-卡拉膠添加量0.5%、TG酶添加量0.2%、TG酶反應(yīng)時(shí)間60 min、干燥溫度45 ℃。此時(shí)制得的明膠復(fù)合膜物理性能為拉伸強(qiáng)度14.33 MPa、斷裂伸長(zhǎng)率44.42%、水蒸氣透過系數(shù)0.278 g·mm/（kPa·h·m2）、水溶性26.72%。此外，本文利用X射線衍射、熱重分析、掃描電鏡等手段對(duì)不同明膠復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，結(jié)果表明k-卡拉膠與TG酶分別通過靜電相互作用與氨基酸異肽鍵對(duì)明膠進(jìn)行協(xié)同改性。本研究為新型明膠復(fù)合膜的開發(fā)與利用提供了理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]FLREZ M， GUERRA-RODRGUEZ E， CAZN P， et al. Chitosan for food packaging：recent advances in active and intelligent films[J].Food Hydrocolloids，2022，124：107328.

[2]IRFANA A， ULLAH B S， ADIL G， et al.Protein based packaging of plant origin： fabrication， properties， recent advances and future perspectives[J].International Journal of Biological Macromolecules，2020，164：707-716.

[3]ZHANG W， SHU C， CHEN Q， et al. The multi-layer film system improved the release and retention properties of cinnamon essential oil and its application as coating in inhibition to penicillium expansion of apple fruit[J].Food Chemistry，2019，299：125109.

[4]LUO Q， HOSSEN M A， ZENG Y， et al. Gelatin-based composite films and their application in food packaging： a review[J].Journal of Food Engineering，2022，313：110762.

[5]劉安軍，王躍猛，王穩(wěn)航，等.谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶對(duì)明膠-CaCO3礦物質(zhì)膜成膜性的影響[J].現(xiàn)代食品科技，2014，30（5）：18-22.

[6]周偉，胡熠，張進(jìn)杰，等.楊梅素和糖基化協(xié)同改性魚鱗明膠可食膜[J].食品與發(fā)酵工業(yè)，2018，44（6）：58-66.

[7]RATHER J A， AKHTER N， ASHRAF Q S， et al. A comprehensive review on gelatin： understanding impact of the sources， extraction methods， and modifications on potential packaging applications[J].Food Packaging and Shelf Life，2022，34：100945.

[8]JRIDI M， ABDELHEDI O， SALEM A， et al. Physicochemical， antioxidant and antibacterial properties of fish gelatin-based edible films enriched with orange peel pectin： wrapping application[J].Food Hydrocolloids，2020，103：105688.

[9]ZOU Y Y， YUAN C， CUI B， et al. High-amylose corn starch/konjac glucomannan composite film： reinforced by incorporating β-cyclodextrin[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry，2021，69（8）：2493-2500.

[10]ZHANG G， GUAN T， ZHANG J， et al. Theoretical and experimental investigation of sodium alginate composite films containing star anise ethanol extract/hydroxypropyl-β-cyclodextrin inclusion complex[J].Journal of Food Science，2021，86（2）：434-442.

[11]SAHRAEE S， MILANI J M， GHANBARZADEH B， et al. Effect of corn oil on physical， thermal， and antifungal properties of gelatin-based nanocomposite films containing nano chitin[J].LWT-Food Science and Technology，2017，76：33-39.

[12]趙然.植物精油復(fù)合花青素可食膜的制備及其保鮮效果研究[D].錦州：渤海大學(xué)，2021.

[13]廖偉.基于羅非魚皮明膠理化性質(zhì)的花色苷活性智能包裝膜的制備[D].?？冢汉Ｄ洗髮W(xué)，2018.

[14]BARRETO P L M， PIRES A T N， SOLDI V. Thermal degradation of edible films based on milk proteins and gelatin in inert atmosphere[J].Polymer Degradation and Stability，2003，79（1）：147-152.

[15]陽元夢(mèng).魚明膠抗菌復(fù)合膜的制備與理化性能及其對(duì)草莓保鮮效果的研究[D].雅安：四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，2020.

[16]李曉藝，蘇現(xiàn)波，韓霜，等.大目金槍魚皮明膠與k-卡拉膠復(fù)配膠凝膠特性探究[J].食品工業(yè)科技，2018，39（19）：13-19.

[17]宋佳明，陳海華.響應(yīng)面法優(yōu)化k-卡拉膠-明膠復(fù)合膜拉伸特性的研究[J].食品與機(jī)械，2009，25（6）：169-173.

[18]楊憬，邏輯，蔡倩，等.谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶對(duì)明膠紡絲原液及其纖維的影響[J].紡織導(dǎo)報(bào)，2017（6）：62-66.

[19]包俊青，唐亞麗，盧立新，等.肉桂醛對(duì)明膠基腸衣膜的性能影響[J].食品科學(xué)，2019，40（14）：1-6.

[20]AHAMMED S， LIU F， WU J， et al. Effect of transglutaminase crosslinking on solubility property and mechanical strength of gelatin-zein composite films[J].Food Hydrocolloids，2021，116：106649.

[21]葛曉軍.魚皮明膠的殼聚糖與酶法復(fù)合改性及其膜性能研究[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2011.

[22]林海莉，曹靜，陳高禮，等.影響明膠膜性能的因素研究[J].淮北煤炭師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007（4）：41-44.

[23]ZHANG F， WANG A， LI Z， et al. Preparation and characterisation of collagen from freshwater fish scales[J].Food and Nutrition Sciences，2011，2（8）：1810-1817.

[24]BIGI A， BORGHI M， COJAZZI G， et al. Structural and mechanical properties of crosslinked drawn gelatin films[J].Journal of Thermal Analysis and Calorimetry，2000，61（2）：451-459.

[25]BIGI A， CANTELLI I， PANZAVOLTA S， et al. Alpha-Tricalcium phosphate-gelatin composite cements[J].Journal of Applied Biomaterials & Biomechanics：JABB，2004，2（2）：81-87.

[26]LIU Y， XIA L， JIA H， et al. Physiochemical and functional properties of chum salmon （Oncorhynchus keta） skin gelatin extracted at different temperatures[J].Journal of the Science of Food and Agriculture，2017，97（15）：5406-5413.