明膠/普魯蘭酶改性淀粉膜的制備與性能研究*

王苗苗，董海洲，張慧，侯漢學，尹訓蘭

(山東農業大學食品科學與工程學院，山東 泰安，271018)

近年來，越來越多的科研人員致力于研究可降解的包裝材料，更強調采用天然原料來制造完全降解塑料［1－2］。淀粉是一種天然高分子化合物，具有來源廣泛、價格低廉、再生周期短、易生物降解等優點［2－3］。然而，原淀粉的結構性質決定了其在應用上具有很多不足，制備的淀粉膜的性能較差，限制了其廣泛應用。因此，可以運用物理、化學或酶等方法，對原淀粉進行改性，或者通過添加塑化劑或增強劑等物質制備性能較好的復合淀粉膜。

普魯蘭酶(Pullulanase)是一種脫支酶，它作用于淀粉，能水解淀粉鏈結構中的α-1.6葡萄糖苷鍵，從而提高淀粉中直鏈分子的比例。經酶變性的淀粉生成的膜具有較好的機械強度，適用于制作食品包裝膜［4－5］。

明膠來源豐富，無毒性且具有良好的生物可降解性和生物相容性，因此可作為果蔬涂膜保鮮的材料［6］。用明膠制得的生物塑料具有耐折、透明度高和易揭膜的特性［7］。故可將明膠和其他高分子物質共混，可有效改善膜的性能。

本文以玉米淀粉為主要成膜基質，經普魯蘭酶改性后，混合加入明膠，以甘油為增塑劑，研究不同比例的明膠對淀粉復合膜性能的影響，以期為可降解性包裝材料的工業化生產提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 主要材料

玉米淀粉，諸城興貿玉米開發有限公司;普魯蘭酶(食用級)，200U/mL，北京房山酶制劑總廠;丙三醇(食用級)，天津市凱通化學試劑有限公司;明膠(食用級)，博興生物資源有限公司。

1.2 主要儀器與設備

TA-XT2i物性測試儀，英國Stable Micro System公司;101A-1型電熱鼓風干燥箱，黃驊市卸甲綜合電器廠;PERMETMW3/030水蒸氣透過率測試儀，濟南蘭光機電技術有限公司;HH-2數顯恒溫水浴鍋，江蘇金壇市榮華儀器制造有限公司;JJ-1精密增力電動攪拌器，常州國華電器有限公司;UV-2100型紫外可見分光光度計，北京普析通用儀器有限責任公司;真空泵，沈陽微電機廠;螺旋測微器，上海量具刃具廠;200 PC差示量熱掃描儀，耐馳科學儀器商貿(上海)有限公司;PHs-25型酸度計，上海偉業儀器廠;QUANTA FEG 250掃描電鏡，美國FEI公司。

1.3 普魯蘭酶溶液的配制

用移液管移取2.5 mL 200 U/ml的普魯蘭酶液于100 mL燒杯中，加入一定量pH值為6.0的檸檬酸-磷酸二氫鈉緩沖液，攪拌均勻后轉移至100 mL容量瓶繼續加pH值為6.0的緩沖液定容，配置5 U/mL的普魯蘭酶液，在0～5℃條件下保存待用。

1.4 膜的制備

1.4.1 原淀粉膜的制備

稱取一定量的玉米淀粉，配成5%的淀粉乳，在90℃水浴下攪拌30 min，再加入35%(占淀粉百分數)甘油后攪拌20 min，使其形成均勻的成膜液。然后將成膜溶液于0.09 MPa真空度下脫氣20 min，以驅除攪拌過程中溶解在成膜液中的空氣。稱取一定量的膜液傾倒于玻璃平板上，置于電熱鼓風干燥箱中50℃下烘干，取出后揭膜，樣品保存于25℃下干燥器(50%RH)中備用。

1.4.2 明膠/酶改性淀粉膜的制備

稱取一定量的明膠、玉米淀粉(明膠添加量分別為明膠和淀粉總重量的5%、10%、15%、10%、20%、25%)，配制成總質量分數為5%的混合液，在90℃水浴下攪拌30 min后將成膜液降至室溫，調節pH值為5.5，加入普魯蘭酶(0.8 U/g淀粉)，在45℃水浴下攪拌4 h，沸水浴滅酶30 min，再加入35%(占淀粉和明膠總質量百分數)甘油后攪拌20 min，使其形成均勻的成膜液。然后將成膜溶液于0.09 MPa真空度下脫氣20 min，以驅除攪拌過程中溶解在成膜液中的空氣。稱取一定量的膜液傾倒于玻璃平板上，置于電熱鼓風干燥箱中50℃下烘干，取出后揭膜，樣品保存于25℃下干燥器(50%RH)中備用。

1.5 膜的性質的測定

1.5.1 膜厚度測定

在被測膜上隨機取6個點，用螺旋測微器測量，取其平均值。

1.5.2 膜力學性質測定

抗拉強度TS(MPa)和斷裂伸長率E(%)是判斷膜力學性質重要指標。力學性質測試按照 ASTM D882－02方法，并根據膜條件進行一些改動。將膜裁剪成85 mm×15 mm長條，在相對濕度為53%環境中放置48 h待測。本實驗中設置TA-XT2i物性儀初始夾距設為50 mm，探頭的移動速度設為1 mm/s。TS和E計算公式如下:

式中:TS，抗拉強度(MPa);F，膜斷裂時承受的最大張力(N);S，膜的有效面積(m2)。

式中:E，膜的斷裂伸長率(%);L1，膜斷裂時的長度(m);L0，膜的原有效長度(m)。

1.5.3 水蒸氣透過系數(WVP)

水蒸氣透過系數由PERMETMW3/030水蒸氣透過率測試儀測定。采用取樣器將膜裁剪成直徑為80 mm的圓形，測試試樣應沒有皺折、褶痕、針孔和污漬，厚度均勻，并且試樣在試驗前應按照GB298或ISO291中的規定，在溫度(23±2)℃、相對濕度(50±5)%RH的環境條件下放置24 h。設置試驗參數為預熱時間4 h、試驗判斷比例10%、溫度38.0℃、濕度90.0%、稱重間隔120 min。

1.5.4 膜透光率的測定

膜透光率的測試采用UV－2100分光光度計。膜裁成4 cm×1 cm的長條，測試波長在400～800 nm之間。

1.5.5 膜的DSC分析［8］

膜的熱穩定性采用差示掃描量熱法(DSC)進行分析。樣品測試之前在濕度53%的環境中存放48 h，然后把樣品剪成圓形放入坩堝中。以密封的空鋁盒作為對照，N2流速為20 mL/min，升溫速率為10℃/min，掃描的起始溫度為－50℃，升溫至250℃，得到DSC曲線。

1.5.6 掃描電鏡分析(SEM)

膜的表面形態采用QUANTA FEG 250電子顯微鏡進行掃描。掃描前對膜樣品表面進行噴金處理，加速電壓為5 kV。

1.6 數據統計分析

采用Excel 2007進行方差分析，采用SPSS 17.0統計學軟件進行均值顯著性差異分析(采用鄧肯氏新復極差法測驗顯著性水平P為0.05時的均值顯著性差異)。

2 結果與分析

2.1 膜的力學性能分析

抗拉強度是反映膜強度的指標，斷裂伸長率是反映膜塑性的指標。從表1可以看出，與原淀粉膜相比，酶改性后的淀粉膜的抗拉強度增大，斷裂伸長率降低，這可能是由于普魯蘭酶作用于淀粉分子的α-1，6葡萄糖苷鍵，從而使淀粉酶解產物中直鏈淀粉含量增大［5］，Bae 等［9］發現，抗拉強度與直鏈淀粉含量呈一定正相關關系(R2=0.714)。

表1 膜的力學性能

與未添加明膠的膜相比，當明膠添加量較低(5%)時，抗拉強度降低，斷裂伸長率增大，這可能是因為加入的少量明膠充當了塑化劑的功能，從而軟化了膜的剛性結構。當明膠添加量在5% ～25%內，隨著共混膜中明膠含量的增多，淀粉含量的減少，共混膜的抗拉強度先增大后減小，斷裂伸長率先減小后增大，當明膠添加量在10%時，膜的抗拉強度最大，說明在淀粉中添加適量的明膠有助于提高膜的抗拉強度，這可能是由于明膠與淀粉之間的分子交互作用力增大。

2.2 膜的透光性能分析

表2 膜的透光率

從表2可以看出，在可見光范圍內(400～800 nm)，隨著波長的增大，所有膜的透光率都增大。與原淀粉膜相比，酶改性后的淀粉膜的透光率增大。添加明膠后，隨著明膠添加量的增大，膜的透光率逐漸降低，逐漸由較透明的膜變為顏色淡黃而透明性較低的膜，這可能是由于淀粉和明膠共混，在膜基質形成過程中，粒子大小不一樣，沉降速度不一致，從而導致復合膜的透光率下降［10］。這一結果表明，明膠的添加能增強復合膜的光線阻隔性能，能有效減少可見光引起的食品變質。

2.3 膜的透水性能分析

從圖1可以看出，經普魯蘭酶改性后的膜的水蒸氣透過率增大。這可能是因為淀粉經普魯蘭酶脫支后，形成了較多長短不一的直鏈淀粉，淀粉分子的親水性羥基增多，膜的水蒸氣透過率增大。

圖1 原淀粉膜及不同明膠添加量的明膠/酶改性淀粉膜的水蒸汽透過率

水蒸氣透過率的大小受到2個因素的影響:一個是膜的基質本身的親水性;另一個是水分子在膜內部穿行所受到的阻力。從圖1可得，當明膠添加量在0% ～10%內，隨著明膠添加量的增大，膜的水蒸氣透過率降低較顯著，這可能是由于淀粉與明膠之間通過分子間作用力形成了三維網絡結構，其對水分子的束縛作用導致膜的水蒸氣透過率降低。當明膠添加量在10%以上時，水蒸氣透過率變化不大。這可能是因為明膠含量繼續提高時，明膠的強吸水性導致的吸水溶脹可放大膜內部的缺陷，增加水分子的透過性，因此水蒸氣透過率降低程度減小。

2.4 膜的熱性能分析

半結晶的高分子(如淀粉)，通常有3個典型的熱轉變:無定形區的玻璃化轉變，結晶區的熔融轉變和結晶化轉變［11］。起始溫度與熔融溫度越接近，熱封性能越好［12］。從表3中可以看出，酶改性的膜的熱封性要優于原淀粉膜。添加明膠后，熔融溫度與起始溫度之差增大，膜的熱封性能變差。

表3 不同復合膜的熱性能

由表3可知，與原淀粉膜相比，未添加明膠的普魯蘭酶改性淀粉膜的玻璃化轉變溫度降低，當明膠添加量在5%～25%內，隨著明膠添加量的增大，玻璃化轉變溫度逐漸減小，這可能是由于明膠含量的增大的同時淀粉含量降低，明膠含有的低分子片段增多，使聚合物在無定形區的平均分子量降低所致［11］。

熔融峰與在成膜過程中高分子重組形成的結晶的熔融有關［11］。與原淀粉膜相比，酶改性淀粉膜的熔融溫度與熔融熱焓都增大，這可能是由于淀粉經酶解后，結晶度增大［13］，因此在熱熔解時所需的溫度增加，熔融熱焓增大。添加明膠后，膜的熔融溫度與熔融熱焓都是先增大后減小，峰值的增大說明添加適量的明膠有利于較大的結晶區的形成。明膠添加量較高時，熔融溫度與熔融熱焓都減小，可能是由于明膠具有塑化劑的作用［14］，減小了分子間的相互作用和相互聯系，結晶度降低［11］。

從表3可知，每一種膜都只有一個玻璃化轉變溫度和熔融溫度，說明沒有出現相分離現象［11－12］。

2.5 膜的表觀結構

由圖2可以看出，玉米原淀粉膜的表面有微小的顆粒、微孔及細微的裂縫，而經普魯蘭酶改性后的淀粉所成的膜的表面沒有裂縫。添加明膠后，膜的表面變粗糙，有一些小的結塊，表面凹凸不平。這可能是由于部分明膠和淀粉結合形成的結晶增大，結晶區的密度比無定形區要大，密度的變化使得膜的微觀結構不均一。

圖2 膜的掃描電鏡圖(×500)

3 結論

(1)在本實驗條件下，與原淀粉膜相比，淀粉經普魯蘭酶改性后，所成的膜均勻，表面沒有裂縫，膜的抗拉強度、透光率、熱穩定性都增加，斷裂伸長率和阻水性降低。

(2)與未添加明膠的酶改性淀粉膜相比，添加明膠后，膜的表面變粗糙;隨著明膠添加量的增大，水蒸氣透過率和透光率逐漸減小。當明膠添加量為10%時，膜的抗拉強度最大，明膠添加量超過10%時，抗拉強度逐漸減小;當明膠添加量在0% ～25%內，斷裂伸長率先減小后增大;在明膠添加量為15%時，膜的熱穩定性最大。

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