TG酶/k-卡拉膠協同改性明膠復合膜的工藝優化及表征

應天昊 朱蕓杉 胡楊

摘要：為了研制一種性能優良的天然保鮮膜，該研究以明膠為基質，通過k-卡拉膠與谷氨酰胺轉氨酶（TG酶）對明膠進行協同改性，采用流延法制備一種新型明膠復合膜，通過單因素試驗與正交試驗研究k-卡拉膠添加量、TG酶添加量、TG酶反應時間和干燥溫度對明膠復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%、反應時間60 min、干燥溫度45 ℃。在最佳工藝條件下制備的明膠復合膜拉伸強度為14.33 MPa，斷裂伸長率為44.24%，水溶性為26.72%，水蒸氣透過系數為0.278 g·mm/（kPa·h·m2）。優化制備工藝后，利用X射線衍射、熱重分析等手段對不同明膠復合膜的結構進行表征。表征結果表明，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明膠進行協同改性。該研究為新型明膠復合膜的開發提供了理論依據。

關鍵詞：明膠；k-卡拉膠；TG酶；復合膜；協同改性

中圖分類號：TS201.7????? 文獻標志碼：A???? 文章編號：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重的環境問題[1]，塑料保鮮膜如果處置不當會對環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域越來越受歡迎，蛋白質、纖維素、淀粉、殼聚糖和聚乳酸等物質被視為常規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材料[4]。然而明膠膜在實際制備與應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構中存在著許多親水基團，導致其很容易溶解在食品表面[5]；其次是機械性能，單純的明膠膜強度小、黏度大，難以應用于食品保鮮[6]。因此，研究人員通常選擇對明膠進行物理改性、化學改性與酶法改性[7]。例如Jridi等[8]研究發現，果膠的引入通過形成氫鍵增強了明膠膜的性質。與對照組相比，果膠的引入使得明膠網絡更加致密，顯著提高了明膠膜的機械強度。目前對于明膠改性已有諸多報道，但以k-卡拉膠與TG酶對明膠進行協同改性，同時改善明膠膜的機械性能與水溶性的研究尚未見報道。

因此，為同時解決明膠膜機械強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氨酶（TG酶）對明膠進行協同改性，通過流延法制成一種天然明膠復合膜，以單因素試驗與正交試驗優化其制備工藝，并對所制得的不同明膠復合膜進行X射線衍射、熱重分析等化學表征，從機理層面驗證k-卡拉膠與TG酶協同改性對明膠復合膜的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

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

1.2 主要儀器與設備

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質構儀 英國Stable Micro Systems公司；DHG-9240A電熱恒溫鼓風干燥箱 上海精宏實驗設備有限公司；HD-4測厚儀 天津建科試驗儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 明膠復合膜的制備工藝單因素試驗設計

本文采用流延法成膜。準確稱取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 ℃水浴攪拌反應一定時間（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皿中（d=90 mm），膜厚度以0.08 mm為宜，置于鼓風干燥箱內，于適當溫度（35，40，45，50，55 ℃）干燥6 h，取出培養皿，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條件下TG酶與k-卡拉膠單獨改性的明膠/k-卡拉膠膜、明膠/TG酶膜。

1.3.2 正交試驗設計

在單因素試驗的基礎上，在明膠添加量5%、TG酶反應時間60 min、干燥時間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個因素進行正交試驗，對明膠復合膜的制備工藝進行優化。因素水平選取見表1，進行三因素三水平正交試驗設計，通過測定拉伸強度、斷裂伸長率、水蒸氣透過系數、水溶性等指標，探究明膠復合膜最佳成膜條件。

1.3.3 明膠復合膜機械性能測定

機械性能的測定包括拉伸強度（TS）和斷裂伸長率（EAB）兩個方面。采用質構儀對明膠復合膜的拉伸強度與斷裂伸長率進行測定，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大小的矩形長條后將其置于質構儀A/TG探頭上勻速拉伸至膜斷裂，設置拉伸速率為10 mm/min，每組重復3次試驗，結果取平均值。

拉伸強度計算公式如下：

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

斷裂伸長率計算公式如下：

式中：EAB為膜斷裂伸長率，%；L1為膜斷裂時的長度，mm；L0為膜原始長度，mm。

1.3.4 明膠復合膜水蒸氣透過系數（WVP）測定

參照Zhang等[10]的方法并稍作修改。將明膠復合膜固定在含有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，使膜兩側的內外蒸汽壓差保持一致。靜置24 h后再次稱重，每組重復3次試驗，結果取平均值。

水蒸氣透過系數（WVP）計算公式如下：

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

1.3.5 明膠復合膜水溶性（WS）測定

參考Sahraee等[11]的方法并作適當的修改。在待測明膠復合膜上切割一塊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3次試驗，結果取平均值。

水溶性計算公式如下：

式中：WS為明膠復合膜水溶性，%；W1為溶解前明膠復合膜質量，g；W2為溶解后明膠復合膜質量，g。

1.3.6 物理性能綜合分計算

參考趙然[12]的研究方法，根據明膠復合膜的性能需求設定拉伸強度、斷裂伸長率、水蒸氣透過系數和水溶性的權重分別為a、b、c、d。在此基礎上，結合隸屬度分析法算出正交試驗中復合膜物理性能綜合得分，從而獲得明膠復合膜的最佳成膜配方。

隸屬度根據下式計算，其中水蒸氣透過系數與水溶性的隸屬度計算公式見式（5），拉伸強度與斷裂伸長率的隸屬度計算公式見式（6）。

式中：P為指標隸屬度；Ai為指標值；Amin為相同指標最小值；Amax為相同指標最大值。

明膠復合膜物理性能綜合分S計算公式如下：

S=a×P1+b×P2+c×P3+d×P4。（7）

式中：S為明膠復合膜物理性能綜合分；a、b、c、d分別為拉伸強度、斷裂伸長率、水蒸氣透過系數與水溶性的權重；P1、P2、P3、P4分別為拉伸強度、斷裂伸長率、水蒸氣透過系數與水溶性的隸屬度。

1.3.7 明膠復合膜X射線衍射測試（XRD）

利用X-射線衍射儀對4種明膠復合膜（明膠膜、明膠/k-卡拉膠膜、明膠/TG酶膜、明膠/k-卡拉膠/TG酶膜）的晶體結構進行分析。參考廖偉[13]的實驗條件，設置2θ角度范圍為5°～50°，掃描速度為6°/min，測試電壓和電流分別為40 kV與40 mA。

1.3.8 明膠復合膜熱重分析（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）于氧化鋁坩堝中進行熱重分析，測試條件：在N2環境下，設置起始溫度為50 ℃，升溫速率為10 ℃/min，終止溫度為500 ℃，保存數據進行后續分析。

1.3.9 明膠復合膜掃描電鏡觀察（SEM）

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

1.3.10 數據分析

試驗數據采用SPSS軟件進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 結果與分析

2.1 k-卡拉膠添加量對明膠復合膜性能的影響

食品保鮮膜應當具備一定的機械強度，能夠承受食品運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，明膠復合膜的拉伸強度呈先增大后減小的趨勢。當k-卡拉膠添加量為0.50%時，明膠復合膜的拉伸強度達到最大值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電荷，在一定添加量范圍內二者會發生靜電相互作用，且在明膠三螺旋構象出現之前，由靜電相互作用引導的其局部結構的重組，會使明膠與k-卡拉膠之間形成氫鍵，產生更強的復合凝聚，使得膜的拉伸強度增大[16] 。宋佳明等[17]也發現k-卡拉膠的加入能夠顯著提高明膠復合膜的拉伸強度。但當k-卡拉膠的添加量過高時，會導致k-卡拉膠-明膠復合體系中的負電荷過多，使得分子間的靜電斥力增大，因此膜的拉伸強度降低。

由圖1中b可知，隨著k-卡拉膠添加量的增加，明膠復合膜的斷裂伸長率呈現先快速下降后緩慢下降的趨勢。這是因為引入k-卡拉膠后，明膠體系剛性結構快速增加，斷裂伸長率隨之顯著下降。隨著k-卡拉膠添加量的繼續增加，干燥后的明膠復合膜脆性增大，斷裂伸長率進一步下降。k-卡拉膠添加量的變化對明膠復合膜拉伸強度、斷裂伸長率的變化影響顯著。

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[18]，因此純明膠膜的水溶性與水蒸氣透過系數都較高。加入k-卡拉膠后，明膠復合膜的水溶性與水蒸氣透過系數均呈現先下降后上升的趨勢。當k-卡拉膠添加量為0.50%時，明膠復合膜的水溶性和水蒸氣透過系數都達到最小值，分別為25.20%和0.303 g·mm/（kPa·h·m2）。明膠復合膜的水溶性與水蒸氣透過系數降低是因為明膠上的氨基與k-卡拉膠上的硫酸基相互作用，導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，二者可能會發生締合相互作用[19]，形成部分可溶性聚電解質復合物，膜的水溶性與水蒸氣透過系數反而升高。k-卡拉膠添加量的變化對明膠復合膜的水溶性、水蒸氣透過系數的影響并不顯著。綜上所述，選擇k-卡拉膠添加量為0.25%～0.75%進行后續正交試驗。

2.2 TG酶添加量對明膠復合膜性能的影響

由圖2中a和b可知，隨著TG酶添加量的不斷增加，明膠復合膜的拉伸強度與斷裂伸長率均呈現先增大后減小的趨勢。當TG酶添加量為0.3%時，明膠復合膜的拉伸強度達到最大值，為14.56 MPa，隨后逐漸減小。當TG酶添加量為0.2%時，明膠復合膜的斷裂伸長率達到最大值，為44.42%，隨后逐漸減小。明膠復合膜機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-氨基發生?；D移反應生成ε-（γ-Glutanyl）-Lys 異肽鍵，誘導明膠交聯形成致密的三維網絡結構，改善明膠復合膜的機械性能[20]。而隨著TG酶添加量進一步提高，明膠產生過交聯現象，膜中蛋白分子鏈的自由度減小，流延成膜難度增大，導致明膠復合膜的機械性能逐漸下降。

由圖2中c和d可知，隨著TG酶添加量的不斷增加，明膠復合膜的水溶性與水蒸氣透過系數均呈現先下降后上升的趨勢，且加入TG酶后明膠復合膜的水溶性顯著下降。當TG酶添加量為0.3%時，明膠復合膜的水溶性達到最小值，為25.20%。當TG酶添加量為0.2%時，明膠復合膜的水蒸氣透過系數達到最小值，為0.278 g·mm/（kPa·h·m2）。明膠復合膜的水溶性與水蒸氣透過系數的降低主要是因為TG酶能夠誘導明膠分子鏈上的氨基反應，生成氨基酸異肽鍵，使得膜網絡結構更加致密，親水性基團減少，處于自由狀態的明膠分子數減少，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酶添加量的進一步增加，過多的酶會導致明膠過度交聯[21]，過快的反應速度形成大量的分子內共價鍵，阻礙了分子間的聚集。因此，明膠復合膜的水溶性與水蒸氣透過系數反而升高。綜上所述，選擇TG酶添加量為0.1%～0.3%進行后續正交試驗。

2.3 TG酶反應時間對明膠復合膜性能的影響

由圖3中a和b可知，隨著反應時間的增加，明膠復合膜的拉伸強度與斷裂伸長率都呈先增大后減小的趨勢。當反應時間為60 min時，明膠復合膜的拉伸強度與斷裂伸長率都達到最大值，分別為14.56 MPa和39.01%，隨后逐漸減小。TG酶能夠催化明膠發生交聯，生成異肽交聯鍵，形成致密的三維網絡結構，以此改善明膠復合膜的機械性能。當反應時間過短時，TG酶無法完全誘導明膠分子交聯，使得明膠復合膜的機械性能較差。當反應時間過長時，會因為明膠分子間過度交聯而降低膜的流動性，造成流延困難且氣泡難以去除，影響明膠復合膜的機械性能。

由圖3中c可知，隨著反應時間的不斷增加，明膠復合膜的水溶性呈現不斷下降的趨勢。當反應時間為120 min時，明膠復合膜的水溶性達到最小值23.1%。這是因為隨著反應時間的增加，在TG酶的作用下，明膠分子內與分子間的交聯變得越發緊密，導致明膠復合膜的水溶性不斷降低。但反應時間過長，又會因為明膠分子間過度交聯而降低膜的流動性[22]，造成流延困難，無法流延成膜。

由圖3中d可知，隨著反應時間的不斷增加，明膠復合膜的水蒸氣透過系數呈現先下降后上升的趨勢。當反應時間為90 min時，明膠復合膜的水蒸氣透過系數達到最小值，為0.286 g·mm/（kPa·h·m2），隨后逐漸上升。當反應時間增加時，TG酶逐步誘導明膠分子交聯，使得明膠復合膜結構越發致密，水分難以透過薄膜，但當反應時間過長時，明膠分子間過度交聯，造成流延困難且氣泡難以去除，此時的薄膜厚度不均且存在大量難以去除的氣泡，影響了明膠復合膜的水蒸氣透過系數。綜上所述，不選擇TG酶反應時間為正交試驗因素，確定TG酶反應時間為60 min。

2.4 干燥溫度對明膠復合膜性能的影響

由圖4中a和b可知，隨著干燥溫度的升高，明膠復合膜的拉伸強度與斷裂伸長率均呈先增大后減小的趨勢，且干燥溫度對明膠復合膜機械強度的影響較顯著。當干燥溫度為45 ℃時，明膠復合膜的拉伸強度達到最大值，為14.56 MPa，隨后逐漸減小。當干燥溫度為50 ℃時，明膠復合膜的斷裂伸長率達到最大值，為41.81%，隨后逐漸減小。水分蒸發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，水分蒸發的速度過快，導致膜的致密性下降，干燥后明膠復合膜變得較脆。干燥溫度為45～50 ℃時，明膠復合膜具有較好的機械強度。

由圖4中c和d可知，隨著干燥溫度的不斷升高，明膠復合膜的水溶性與水蒸氣透過系數均呈現先下降后上升的趨勢。當干燥溫度為45 ℃時，明膠復合膜的水溶性和水蒸氣透過系數都達到最小值，分別為25.20%和0.303 g·mm/（kPa·h·m2），這種趨勢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，水分蒸發的速度過快，導致膜的致密性下降，干燥后明膠復合膜的結構變得疏松。綜上所述，選擇干燥溫度為40～50 ℃進行后續正交試驗。

2.5 正交試驗結果分析

根據表1制備了不同配比的明膠復合膜，并對所制得的明膠復合膜的機械強度、水溶性、水蒸氣透過系數進行測定，結果見表2。

對表2的4個指標分別進行極差分析，結果見表3～表6。

由表3可知，通過對k-卡拉膠添加量（A）、TG酶添加量（B）與干燥溫度（C）3個因素對明膠復合膜拉伸強度變化結果的影響程度（R值與K值）進行分析，發現影響明膠復合膜拉伸強度的因素主次順序為A>B>C，且拉伸強度最優的成膜條件為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 ℃，此結果不在正交試驗設計的9組試驗中，需再做驗證試驗。

由表4可知：通過對k-卡拉膠添加量（A）、TG酶添加量（B）與干燥溫度（C）3個因素對明膠復合膜斷裂伸長率變化結果的影響程度（R值與K值）進行分析，發現影響明膠復合膜斷裂伸長率的因素主次順序為A>B>C，且斷裂伸長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 ℃，即正交試驗中的2號試驗組。

由表5可知，通過對k-卡拉膠添加量（A）、TG酶添加量（B）與干燥溫度（C）3個因素對明膠復合膜水蒸氣透過系數變化結果的影響程度（R值與K值）進行分析，發現影響明膠復合膜水蒸氣透過系數的因素主次順序為A>B>C，且水蒸氣透過系數最小的成膜條件為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 ℃，此結果不在正交試驗設計的9組試驗中，需再做驗證試驗。

由表6可知，通過對k-卡拉膠添加量（A）、TG酶添加量（B）與干燥溫度（C）3個因素對明膠復合膜水溶性變化結果的影響程度（R值與K值）進行分析，發現影響明膠復合膜水溶性的因素主次順序為B>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 ℃，即正交試驗中的8號試驗組。

根據極差分析結果進行正交試驗驗證試驗，結果見表7。

2.6 正交試驗結果綜合得分分析

根據明膠復合膜的基本性能要求，設定拉伸強度、斷裂伸長率、水蒸氣透過系數和水溶性的權重分別為0.3，0.2，0.2，0.3。在此基礎上，結合隸屬度分析法算出正交試驗及驗證試驗中復合膜物理性能綜合得分（見表8），得到明膠復合膜的最佳成膜工藝。

由表8可知，第11組正交試驗的得分最高，說明此時的明膠復合膜整體機械性能較好、水蒸氣透過系數較小、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%、反應時間60 min、干燥溫度45 ℃、干燥時間6 h。在最優工藝條件下制備的明膠復合膜的拉伸強度為14.33 MPa，斷裂伸長率為44.24%，水蒸氣透過系數為0.278 g·mm/（kPa·h·m2），水溶性為26.72%。

2.7 明膠復合膜X射線衍射測試結果分析（XRD）

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

由圖5可知，純明膠膜在2θ=7.5°處有最強的X衍射峰，k-卡拉膠與TG酶加入后，衍射峰強度逐漸降低，且k-卡拉膠與TG酶協同改性后的明膠復合膜衍射峰強度最低。這是因為k-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鍵，使得明膠內部體系更加穩定。在2θ=21.5°處的峰強度也隨著k-卡拉膠與TG酶的加入而減弱，這也說明明膠結構經過協同交聯后變得更加穩定，這與Liu等[26]的研究結果相似。Liu等使用TG酶對牛明膠膜進行改性，XRD的表征結果也顯示出在酶法改性后，2θ=7.5°和2θ=22°處出現的衍射峰強度皆呈降低趨勢。

2.8 明膠復合膜熱重分析（TGA）結果

熱重分析（TGA）是評價膜熱穩定性的常用手段之一。4種不同明膠復合膜的TGA曲線見圖6，在升溫過程中對應不同溫度段的失重率，見表9。

在50～600 ℃的溫度測試范圍內，明膠復合膜的質量損失主要可分為兩個階段：第一階段是200 ℃前發生的水分蒸發，在此溫度段內的質量損失主要是由于膜中的自由水與結合水蒸發；第二階段主要發生在250～400 ℃區間內，在此溫度段內，明膠和k-卡拉膠內部結構發生崩解，進而熱分解、氣化。由圖6可知，4種不同的明膠復合膜在200 ℃之前的TGA曲線無明顯差異，而在300～400 ℃范圍內，能夠明顯看到k-卡拉膠與TG酶協同改性的明膠復合膜的熱分解溫度，有明顯向高溫方向移動的趨勢，這說明經過k-卡拉膠與TG酶協同改性后，明膠復合膜變得更加致密，內部結構更加穩定，表9中數據也能證實這一點，在300～400 ℃范圍內，明膠膜的質量損失為35.81%，而k-卡拉膠與TG酶協同改性的明膠復合膜質量損失僅為33.22%，k-卡拉膠與TG酶單獨改性的明膠膜在此溫度范圍內的質量損失分別為33.25%和36.67%。

2.9 明膠復合膜掃描電鏡測試結果分析（SEM）

4種不同明膠復合膜的場發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致內部結構有少許破壞。

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合膜的強度得到顯著提升，但k-卡拉膠與明膠的溶解性差異導致明膠膜內部結構的均勻性有所降低，宏觀表現為裂紋大小增加。

由圖7中c可知，經過酶法改性后，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，這是因為明膠經酶法改性后，明膠內部產生大量分子間與分子內的異肽鍵交聯，明膠結構變得致密、緊實。

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酶協同改性后，彌補了之前存在的一些裂紋。Liu等[26]通過掃描電鏡觀察發現，未改性的明膠膜顯示出粗糙的橫截面微觀結構，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酶交聯的明膠基質的內聚力更大。

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

3 結論

本文以明膠為基質，以TG酶與k-卡拉膠對明膠進行協同改性，以流延法制成一種明膠復合膜。并通過單因素試驗與正交試驗，確定明膠復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酶反應時間60 min、干燥溫度45 ℃。此時制得的明膠復合膜物理性能為拉伸強度14.33 MPa、斷裂伸長率44.42%、水蒸氣透過系數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、掃描電鏡等手段對不同明膠復合膜的結構進行表征，結果表明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明膠進行協同改性。本研究為新型明膠復合膜的開發與利用提供了理論依據。

參考文獻：

[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，王穩航，等.谷氨酰胺轉移酶對明膠-CaCO3礦物質膜成膜性的影響[J].現代食品科技，2014，30（5）：18-22.

[6]周偉，胡熠，張進杰，等.楊梅素和糖基化協同改性魚鱗明膠可食膜[J].食品與發酵工業，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，2021.

[13]廖偉.基于羅非魚皮明膠理化性質的花色苷活性智能包裝膜的制備[D].?？冢汉Ｄ洗髮W，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.魚明膠抗菌復合膜的制備與理化性能及其對草莓保鮮效果的研究[D].雅安：四川農業大學，2020.

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

[17]宋佳明，陳海華.響應面法優化k-卡拉膠-明膠復合膜拉伸特性的研究[J].食品與機械，2009，25（6）：169-173.

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

[19]包俊青，唐亞麗，盧立新，等.肉桂醛對明膠基腸衣膜的性能影響[J].食品科學，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合改性及其膜性能研究[D].青島：中國海洋大學，2011.

[22]林海莉，曹靜，陳高禮，等.影響明膠膜性能的因素研究[J].淮北煤炭師范學院學報（自然科學版），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.