氧化魔芋葡甘聚糖-殼聚糖復合薄膜的制備及性能研究

田文柯,覃小麗,謝勇,陳朝軍,龍明秀,張盛林,蔣學寬,劉雄*

1(西南大學 食品科學學院,重慶,400715)2(銅仁學院 材料與化學工程學院,貴州 銅仁,554300) 3(西南大學,魔芋研究中心,重慶,400715)4(重慶西大魔芋生物科技有限公司,重慶,400715)

近年來,環境污染問題越來越引起人們的重視,大量使用傳統的聚乙烯、聚氯乙烯等包裝材料造成的污染極為嚴重[1]。因此,開發由大分子生物聚合物作為原材料制備可降解食品包裝材料一直以來是研究的重要方向。在天然聚合物中,殼聚糖(chitosan, CS)和魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan, KGM)因其良好的成膜性能受到越來越多的關注[2-3]。CS是一種天然堿性多糖,由D-葡萄糖胺和N-乙酰-D-葡萄糖胺單元組成,無毒、可生物降解,有良好的生物相容性,純CS薄膜制備工藝簡便,但具有機械性能不佳、親水性強等缺點[4]。KGM是一種天然大分子聚合物,無毒,其分子鏈由D-葡萄糖和D-甘露糖以β-(1,4)-糖苷鍵連接而成,具有較強的吸水性、高膨脹率及高黏度[5]。有研究將CS和KGM作為復合成膜基材,發現所得CS/KGM復合薄膜的機械性能、阻濕性能優于CS薄膜[2,6]。但KGM的特性導致CS/KGM復合薄膜仍具有以下不足之處:a)KGM表面豐富的羥基使其與水分子之間存在很強的相互作用,因此復合薄膜的吸水溶脹性強于CS薄膜[7],不利于其在表面含水量高的食品上的包裝;b)KGM的分子質量可達100～1 000 kDa,其水溶膠黏度極大,這大大地增加了薄膜制備和加工的難度[8]。因此,可通過物理、化學和酶解等方法對KGM進行降解或改性以改變KGM的某些性質,增加其在薄膜制備中的應用性。

本課題組通過前期實驗探究,使用安全、快速、無化學殘留的微波輔助臭氧氧化方法對KGM進行化學降解,得到氧化魔芋葡甘聚糖(oxidized konjac glucomannan,OKGM),并對OKGM的物理化學性質做了詳細的研究,發現該降解方法能夠顯著降低KGM的分子質量、黏度和吸水溶脹性,降低程度與臭氧氧化降解的時間成正比,且OKGM分子鏈上引入了羧基基團,羧基基團增加量與臭氧氧化時間成正比[9-10]。有研究將經2, 2, 6, 6-四甲基哌啶氧化物氧化的KGM應用于硬膠囊的制備中,說明了氧化法改性KGM在薄膜制備上的可行性[11]。迄今為止,未見經臭氧降解制備的OKGM應用于可降解薄膜的報道。

因此,本研究基于OKGM的優點,將其與CS制備復合薄膜,探究經不同臭氧降解時間制備的OKGM水溶膠對CS薄膜物理性能及結構的影響,為提高CS薄膜性質以及KGM在可降解薄膜領域的進一步應用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

純化魔芋微粉(純度≥86%),湖北十堰花仙子魔芋制品有限公司;殼聚糖(生化試劑,脫乙酰度80.0%～95.0%),國藥集團化學試劑有限公司;丙三醇(分析純),成都市科隆化學品有限公司。

1.2 儀器與設備

FL-815Y臭氧消毒機,深圳市飛立電器科技有限公司;XH-300B微波超聲波組合合成萃取儀,北京祥鵠科技發展有限公司;FA2004A型電子分析天平,上海精天電子儀器有限公司;DHG-9240A型電熱恒溫鼓風干燥箱,上海龍躍儀器設備有限公司;BSC-150恒溫恒濕箱,上海博迅實業有限公司醫療設備廠;NDJ-8S數顯黏度計,上海衡平儀器儀表廠;XLW智能電子拉力試驗機,濟南蘭光機電技術有限公司;W3/060水蒸氣透過率測試系統,濟南蘭光機電技術有限公司;UV-2450型紫外分光光度計,日本島津公司;Phenom Pro-17A0040型掃描電鏡,荷蘭Phenom World公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 OKGM水溶膠的制備

OKGM水溶膠的制備方法參考本課題組已有的方法[9]。稱取3.0 g KGM粉末加入300 mL去離子水中,采用微波協同臭氧氧化降解方法制備OKGM水溶膠,處理時間為30、60、90、120 min。反應結束后,補足減失水分,即得到不同降解時間的1% OKGM水溶膠(質量分數),標記為OKGM-30、OKGM-60、OKGM-90和OKGM-120。

1.3.2 CS/OKGM成膜液及復合膜的制備

將CS溶于體積分數為1%的乙酸溶液中,60 ℃水浴并攪拌80 min至完全溶解,制備3%(質量分數)CS溶液。將CS溶液與OKGM水溶膠等體積混合,加入1%(質量分數)甘油,在室溫下磁力攪拌1 h使其充分混勻,混勻后于6 000 r/min離心20 min以脫除氣泡,制得CS/OKGM成膜液。同時按照上述方法制備2%(質量分數)CS成膜液以及CS/KGM成膜液作為對照。以上6組成膜液分別取15.0 g均勻地鋪展在直徑為90 mm的一次性培養皿中。將培養皿置于電熱恒溫鼓風干燥箱中,45 ℃干燥12 h成膜。成膜后將薄膜置于25 ℃、相對濕度50%的環境中平衡24 h,測定膜的各項性能指標。CS、CS/KGM以及CS/OKGM(不同降解時間)薄膜分別標記為CS、CK、CO-30、CO-60、CO-90和CO-120。

1.3.3 成膜液的流變學性能

參考WU等[12]的方法并稍作修改。取6組制備好的成膜液,選擇PP 60平板,間隙設置為1.0 mm,剪切速率0.1～100 s-1,恒定25 ℃下測定成膜液的流變行為。使用1%的應變進行動態頻率掃描,角頻率范圍1～100 rad/s,溫度25 ℃。

1.3.4 薄膜厚度的測定

對于所有薄膜,在薄膜上隨機選擇5個點,使用千分尺測定薄膜的厚度,結果取平均值。用于薄膜物理性能的測定。

1.3.5 抗拉強度與斷裂伸長率

參考GB/T 1040.3—2006 《塑料 拉伸性能的測定 第3部分:薄塑和薄片的試驗條件》測定,使用智能電子拉力試驗機測定。將薄膜裁剪成矩形試樣(70 mm × 10 mm),設置拉伸速率為50 mm/min,上下夾片初始距離為52 mm。記錄每組薄膜樣品的抗拉強度和斷裂伸長率。

1.3.6 水蒸氣透過系數

參考GB/T 1037—2021 《塑料薄膜與薄片水蒸氣透過性能測定 杯式增重與減重法》測定。使用透濕杯稱重法,將薄膜樣品固定在透濕杯杯口,將透濕杯放入干燥器中,每間隔3 h稱重1次,循環7次,儀器軟件計算薄膜樣品的水蒸氣透過系數。

1.3.7 顏色與不透明度

參考HUA等[13]的方法測定薄膜的顏色并稍作修改。使用便攜式色差計測定,測定前用標準白板校準,測試期間用該白板作為背景,測定薄膜的L*(亮度)、a*(+,紅色;-,綠色)和b*(+,黃色;-,藍色),并根據公式(1)計算薄膜的總色差值ΔE。將薄膜裁剪成40 mm×10 mm的長方形,貼于比色皿的一側,用分光光度計在600 nm波長處測定薄膜吸光度,按照公式(2)計算薄膜的不透明度。

(1)

式中:ΔE,薄膜樣品的總色差值;L*、a*和b*,薄膜樣品的顏色指數;L、a和b,標準白板的顏色參數。

(2)

式中:A600nm為薄膜樣品在波長600 nm處的吸光度;x為薄膜樣品的厚度,mm。

1.3.8 溶解度

薄膜溶解度的測定參考孫彥峰等[1]的方法。將膜切割成20 mm×20 mm的正方形,置于105 ℃烘箱,干燥至恒重后取出稱重,作為膜的初始質量。然后將膜浸泡于30 mL去離子水中,放置24 h后取出,用濾紙輕輕擦去表面的水分,將膜再次放入105 ℃烘箱,干燥至恒重后取出稱重,為膜的最終質量。按照公式(3)計算薄膜的溶解度:

(3)

式中:m0,膜樣品初始質量,g;m1,膜樣品最終質量,g。

1.3.9 溶脹指數

薄膜溶脹指數的測定參考NISAR等[14]的方法,并稍作修改。將薄膜裁剪成10 mm×40 mm樣,每2片為一組稱重,作為膜樣品的初始質量。將樣品浸泡于30 mL去離子水中,4 h后取出,用濾紙吸干表面水分,稱量薄膜的重量,為膜樣品溶脹后的質量。由公式(4)計算薄膜溶脹指數:

(4)

式中:m2,膜樣品的初始質量,g;m3,膜樣品溶脹后質量,g。

1.3.10 紅外光譜分析

按照1.3.2節的方法制備KGM薄膜以及OKGM-60薄膜,設置紅外光譜測定的樣品組為CS、KGM、OKGM-60、CK、CO-60和CO-120,將薄膜切成小片,置于載樣臺,波長范圍4 000～600 cm-1,掃描次數32次,分辨率4 cm-1。

1.3.11 熱穩定性分析

參考WU等[3]的方法并稍作修改。使用熱重分析儀測定薄膜的熱穩定性。樣品重量約為5 mg,測定溫度范圍30～600 ℃,升溫速率10 ℃/min。

1.3.12 掃描電鏡觀察

參考孫海濤等[15]的方法,用掃描電子顯微鏡觀察薄膜的表面(5 000×)和橫截面(2 000×)形態。將薄膜樣品干燥,裁剪成合適的大小,用導電膠固定在銅板上,真空噴金處理,加速電壓為20 kV。

1.4 數據處理與分析

所有試驗重復3次,結果以平均值±標準偏差表示。采用SPSS 26軟件對數據進行處理,ANOVA法進行方差分析,Duncan多重比較檢驗法進行顯著性分析(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 成膜液的流變學性能

不同組分成膜液的表觀黏度見圖1。各組成膜液的表觀黏度隨著剪切速率的增加而逐漸降低,表現出偽塑性行為[16]。在同一剪切速率下,添加了KGM的CK成膜液表觀黏度最大。而將KGM降解為OKGM后,CS/OKGM成膜液的表觀黏度明顯降低,且隨OKGM降解時間的增加而逐漸降低。這是因為臭氧降解處理會導致KGM分子鏈的斷裂,分子質量的減小使得OKGM水溶膠的黏度降低[9]。當降解時間達到120 min時,CO-120成膜液的表觀黏度在任一剪切速率下均略低于CS成膜液。

圖1 OKGM水溶膠對成膜液表觀黏度的影響Fig.1 The influence of OKGM hydrosols on the apparent viscosity of film-forming solutions

成膜液的動態流變學特性見圖2。各組成膜液的儲能模量(G′)和耗能模量(G″)都隨著角頻率的增加而升高。在1～100 rad/s的頻率內,CS成膜液的G″大于G′,表明其始終表現出液體性質。CK成膜液G′和G″曲線在高頻率下發生交叉,表現出類固體性質,而CS/OKGM 4組成膜液的G″在低頻率和高頻率下始終高于G′,且隨OKGM降解時間的延長,G″和G′均逐漸降低。表明臭氧降解KGM會使其分子鏈間及與CS分子鏈的網絡糾纏減弱,從而引起其黏彈性降低,故其成膜液表現出液體黏性的性質[17],該發現可解決CK成膜液黏度高的問題,其中CO-120成膜液的流動性最好。

圖2 OKGM水溶膠對成膜液儲能模量(G′)和 耗能模量(G″)的影響Fig.2 The influence of OKGM hydrosols on the G′ and G″ of film-forming solutions

2.2 機械性能分析

薄膜的機械性能由抗拉強度和斷裂伸長率2個指標表示。如圖3所示,所有復合薄膜的抗拉強度均高于CS薄膜(21.16 MPa)。這是因為CS與KGM(或OKGM)復合成膜使得分子鏈交聯程度增加,從而提高薄膜的內聚力[7],而微觀網絡結構的增強能夠提高復合薄膜的抗拉強度[14]。然而,相比于CK復合薄膜的抗拉強度(39.22 MPa),OKGM與CS所得復合薄膜的抗拉強度顯著降低,且與臭氧降解時間呈負相關。這是由于臭氧降解導致OKGM分子鏈長逐漸變短,弱化了其與CS的相互作用,致使復合薄膜的網絡結構逐漸松散[18]。此外,CS薄膜的斷裂伸長率最高(81.38%),KGM、OKGM的加入降低了CS薄膜的斷裂伸長率。其中CO-120薄膜斷裂伸長率最低(54.11%),仍具有較好的延展性[8]。綜上,CK薄膜機械性能最佳,CS/OKGM 4組薄膜均可在一定程度上提高CS薄膜的機械性能。

2.3 水蒸氣透過系數

不同薄膜類型的水蒸氣透過系數見圖4。CK和CO-30薄膜的水蒸氣透過系數與CS薄膜無顯著性差異,均表現出良好的水蒸氣阻隔性能。隨OKGM降解時間的延長,其復合膜的水蒸氣透過系數逐漸增加,這是由于臭氧降解能夠減小OKGM的分子質量[9],水分子更容易通過低分子質量OKGM形成的復合薄膜基質擴散[18]。水蒸氣透過系數相對較低的CO-30薄膜有望用于高水分含量食品的包裝,可以減少食品與周圍環境之間的水分交換,有利于保持食品的品質。而水蒸氣透過系數相對較高的CO-60、CO-90和CO-120薄膜有可能適用于新鮮水果包裝方面,有利于水果的有氧呼吸,從而減少水珠掛膜而造成的細菌繁殖,降低水果腐爛率[19]。

2.4 顏色與不透明度

用色差值和不透明度來表征薄膜的外觀。如表1所示,CK薄膜的L*、b*和ΔE最低,表明其亮度、黃度和總色差最低[20],且其不透明度最高。而CS/OKGM 4組薄膜L*提高,表明降解能夠提高復合薄膜的亮度;b*升高,說明薄膜黃度增加;CO-30與CK薄膜的b*和ΔE沒有顯著差別。此外,與CS薄膜相比,CO-30、CO-60和CO-90薄膜的不透明度更低,這意味著具有良好透明度的CO-30、CO-60和CO-90薄膜有利于展示食物的外觀。

2.5 溶解度

CS和KGM均為大分子聚合物,具有較強的親水性,水溶性較高[21]。如表2所示,CK薄膜溶解性比CS低7.12%,這可能由于KGM分子質量極大,其分子鏈與CS分子纏繞緊密,形成致密的網絡結構[18]。CO-30和CO-60薄膜的溶解度與CK薄膜沒有顯著差異,且低于CS薄膜,說明較短時間的適度氧化降解不會顯著影響復合膜的溶解度,因此能夠改善CS薄膜的溶解性。然而,隨著KGM進一步氧化降解,CO-90和CO-120薄膜的溶解度較高,這可能是因為降解時間長的OKGM中部分低分子質量短鏈從薄膜網絡結構中溶出,臭氧處理過程中引入的羧基基團也能夠提高OKGM在水中的溶解度[9]。

表2 OKGM對薄膜溶解度和溶脹指數的影響Table 2 The influence of OKGM on the solubility and swelling ratio of films

2.6 溶脹指數

溶脹指數可以反映薄膜的吸水膨脹程度。由表2可知,CS薄膜的溶脹指數為1.64,而CK薄膜為2.76,表明KGM會顯著增加CS薄膜的吸水性,這是因為KGM分子鏈中含有大量可與水分子形成氫鍵的羥基[7],導致CK薄膜吸水能力大大增加。CS/OKGM 4組薄膜的溶脹指數隨OKGM降解時間增加而降低,這可能是由于臭氧降解后OKGM分子質量減小,與水分子結合的能力逐漸減弱[9]。其中CO-60薄膜的溶脹指數與CS薄膜無顯著差異,CO-90和CO-120兩組薄膜的溶脹指數低于CS薄膜。該結果表明臭氧降解方法能在很大程度上改善CK薄膜高溶脹性的問題。

2.7 紅外光譜分析

2.8 熱穩定性分析

薄膜的熱穩定性如圖6所示。薄膜重量損失主要有3個階段(30～120 ℃、150～350 ℃和400～600 ℃)。第一個階段(30～120 ℃)下薄膜的重量損失是由薄膜中游離水的蒸發造成的。第二個階段(150～350 ℃)中150～220 ℃區間內的失重由作為增塑劑的甘油分解引起,220～350 ℃內是由于多糖在熱作用下的分解造成的重量損失,生成氣體產物和固體焦炭[6]。多糖的分解主要在這個階段,其中CK薄膜的重量損失率最大(47.26%),其次為CO-30薄膜(46.61%),均高于CS薄膜(45.53%),表現出較差的熱穩定性。而CO-60、CO-90和CO-120薄膜的重量損失率分別為44.85%、44.44%和45.34%,低于CS薄膜的重量損失率。第三個階段(400～600 ℃)的質量變化歸因于焦炭的熱分解,最終形成一個部分被破壞、緊湊堆疊的固體炭[23]。因此由圖6可以看出,相比于CK薄膜,經臭氧降解的OKGM與CS制得的薄膜具有更好的熱穩定性,且CO-60、CO-90和CO-120薄膜的熱穩定性優于CS薄膜。結果表明經較長時間臭氧降解的OKGM能夠減緩CS薄膜的熱分解,其中CO-90薄膜的熱穩定性最佳。

2.9 薄膜微觀結構分析

不同類型薄膜表面和橫截面的微觀結構如圖7所示。CS薄膜表面光滑平整無裂痕,其橫截面有微小的孔洞存在。當KGM加入薄膜中,CK薄膜表面出現有較大的結團,橫截面孔洞減少,結構更加致密,表明KGM與CS之間形成了交聯網絡結構,兩者具有良好的相容性和混溶性[20],GOMES等[7]和WU等[3]的研究中也得到了類似結果。結團的存在可能是由于未降解的KGM分子質量大,黏度大,部分KGM分子鏈發生纏結,在薄膜表面形成結團。而在薄膜中加入不同臭氧時間降解的OKGM也會出現結團,但隨著臭氧降解時間的增加,OKGM分子質量和黏度逐漸減小,薄膜表面結團現象愈加改善,橫截面結構也呈較緊密的結構。CO-120薄膜表面出現裂痕,可能是由于OKGM-120能夠顯著降低復合薄膜的溶脹性,導致薄膜皺縮,出現微小裂縫。裂縫的出現可能是CO-120薄膜水蒸氣透過系數顯著提高的原因。

3 結論

添加KGM以及不同臭氧降解時間的OKGM對CS薄膜的物理性質和微觀結構有顯著的影響。CK成膜液的表觀黏度最大,降解為OKGM后復合成膜液的表觀黏度顯著降低。與CS薄膜相比,KGM和OKGM都能夠增強CS薄膜的機械性能,且KGM和適度降解的OKGM-30能夠降低CS薄膜的水蒸氣透過系數。表明KGM和OKGM均可在一定程度上改善CS薄膜的力學性質和阻濕性能。CO-30和CO-60薄膜黃度顯著低于CS薄膜,且透明度高,具有較好的外觀。CK薄膜的溶脹指數最大,CS/OKGM薄膜的溶脹指數隨OKGM降解時間的增加而降低,且CO-90和CO-120薄膜的溶脹指數顯著低于CS薄膜。紅外光譜圖可知,KGM和OKGM與CS之間存在氫鍵相互作用,分子間相互作用的產生有利于薄膜理化性質的提高。SEM結果表明,KGM和OKGM與CS均具有良好的相容性,其中CO-60和CO-90薄膜表面相對平整且無裂痕,橫截面結構致密,具有更為良好的微觀結構。因此,在生產應用中,可以通過控制OKGM降解的程度,以獲得具有不同性質的CS/OKGM復合薄膜。本研究為新型可降解生物復合薄膜的開發以及改性魔芋葡甘聚糖的應用提供參考。