濕度或溫度條件對(duì)可食性明膠薄膜機(jī)械性能的影響

王春景

[摘 要] 研究了可食性明膠薄膜在不同的濕度或溫度條件下機(jī)械性能的變化。結(jié)果表明，明膠薄膜的機(jī)械性能會(huì)隨著環(huán)境中濕度或溫度的改變而改變，為了保持良好的機(jī)械性能，適宜的濕度范圍為50%～70%，溫度范圍為-10℃～40℃，20℃～30℃最佳。

[關(guān) 鍵 詞] 可食性明膠薄膜；濕度；溫度；機(jī)械性能

[中圖分類(lèi)號(hào)] TS206 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2017）35-0210-02

當(dāng)今世界，塑料包裝帶來(lái)的白色污染問(wèn)題越來(lái)越受重視，許多國(guó)家都投入了大量人力和物力重點(diǎn)解決。我國(guó)也在“九五”期間制定了“綠色包裝工程”計(jì)劃，逐步發(fā)展可再利用的包裝材料。目前國(guó)內(nèi)外正在研究聚乙烯醇（PVA）水溶性薄膜，適當(dāng)添加作為成膜助劑的可食性明膠，作為食品內(nèi)部的小包裝，類(lèi)似的課題有著極其廣闊的研究前景。但PVA主要應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和藥用，其“可食性”受到質(zhì)疑。

為了達(dá)到真正可食安全的目的，我們不使用聚乙烯醇，而以明膠為基質(zhì)，添加瓊脂為助劑，并以甘油為增塑劑，制得可食性明膠薄膜。因?yàn)槊髂z來(lái)源于動(dòng)物蛋白質(zhì)，屬于肉制品加工的副產(chǎn)品，由膠原蛋白部分水解得到，是一種可食、可生物降解及可再生的生物聚合物；而瓊脂來(lái)自紅水藻的各種海藻，是一種海藻多糖，可廣泛使用在食品工業(yè)中；而甘油常與脂肪酸合成三?；视?，即脂肪，可看作脂肪的代謝產(chǎn)物，所以食品級(jí)的甘油是可食、安全的。本實(shí)驗(yàn)分析將這種可食性薄膜放置在不同的濕度和溫度條件下，驗(yàn)證其作為食品包裝材料的可行性。

通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)資料的比較，發(fā)現(xiàn)不同的濕度和溫度條件，對(duì)可食性明膠薄膜機(jī)械性能的影響，沒(méi)見(jiàn)詳細(xì)的報(bào)道。本項(xiàng)研究做了細(xì)致的工作，確定了可食性明膠薄膜最適宜的濕度、溫度環(huán)境。

一、材料和方法

（一）實(shí)驗(yàn)材料

明膠、瓊脂：均為食品級(jí)；甘油，無(wú)水乙醇：分析純。

（二）可食性明膠薄膜的制備

配制膜液→脫氣→涂布于光滑玻璃板上→干燥→揭膜→貯存于一定溫度和濕度的環(huán)境中待測(cè)。

綜合考慮可食性明膠薄膜的機(jī)械性能等因素，確定膜液配制時(shí)，甘油添加量為5.0%，瓊脂添加量為2.0%，乙醇添加量為3.0%。制得厚度為0.15 mm的可食性明膠薄膜。

（三）薄膜性質(zhì)的測(cè)試

1.抗拉強(qiáng)度（TS）

按GB/T12914-91進(jìn)行測(cè)定，用紙張抗拉力試驗(yàn)儀來(lái)測(cè)定。將可食性明膠薄膜剪成10 cm×1.5 cm的長(zhǎng)條，置于紙張抗拉力試驗(yàn)儀上，讀取薄膜斷裂時(shí)的拉力（N）。按下式計(jì)算薄膜的抗拉強(qiáng)度：

TS=F×10-6/S

式中TS為抗拉強(qiáng)度（MP？琢）；

F——拉伸最大應(yīng)力（N）；

S——薄膜拉伸前橫截面積（cm2）；

2.薄膜的斷裂伸長(zhǎng)率（E（%））

在紙張抗拉力試驗(yàn)儀上拉伸，讀取薄膜拉伸前的長(zhǎng)度（L0）和將斷裂時(shí)的長(zhǎng)度（L）。按下面公式計(jì)算斷裂伸長(zhǎng)率：

E（%）=■×100%

式中E（%）為斷裂伸長(zhǎng)率；

L——薄膜將斷裂時(shí)的長(zhǎng)度（mm）；

L0——薄膜拉伸前長(zhǎng)度（mm）。

3.含水量（MC（%））

將薄膜剪成2 cm×2 cm的矩形條，稱(chēng)重，放在電熱鼓風(fēng)干燥箱中干燥至恒重，稱(chēng)重后根據(jù)干重、濕重之差計(jì)算含水量。用下式計(jì)算：

MC（%）=■×100%

式中MC（%）為薄膜的含水量；

m0——薄膜的干重（g）；

m3——薄膜的濕重（g）。

二、結(jié)果與討論

（一）環(huán)境濕度條件對(duì)膜性能的影響

將明膠薄膜放在電熱恒溫恒濕培養(yǎng)箱中，控制培養(yǎng)箱內(nèi)的溫度為室溫25℃，調(diào)整濕度大小，在不同濕度下監(jiān)測(cè)薄膜性能的變化（每一濕度條件測(cè)試前，明膠薄膜至少要放置2h，以達(dá)到均濕平衡）。主要測(cè)定抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率以及含水量，從而確定明膠薄膜最適宜的濕度條件。結(jié)果見(jiàn)圖1、2、3。

由圖1、2可知，（1）隨環(huán)境濕度增大，明膠薄膜抗拉強(qiáng)度減小、斷裂伸長(zhǎng)率增大。當(dāng)濕度>70%時(shí)，這種變化加劇。（2）當(dāng)濕度<70%時(shí)，明膠薄膜的抗拉強(qiáng)度非常穩(wěn)定，而斷裂伸長(zhǎng)率變化顯著；當(dāng)濕度<40%時(shí)，斷裂伸長(zhǎng)率<10%，說(shuō)明薄膜非常脆，易折斷，因而明膠薄膜適用的濕度范圍為50%～70%。

由圖3可知，隨環(huán)境濕度增大，明膠薄膜的含水量增加，這是決定明膠薄膜機(jī)械性能的關(guān)鍵因素。含水量增加，斷裂伸長(zhǎng)率也增加，呈正相關(guān)關(guān)系；含水量增加，抗拉強(qiáng)度減小，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。最重要的是，斷裂伸長(zhǎng)率的變化意味著明膠薄膜表現(xiàn)為脆性或柔軟性，決定了是否能用于包裝。綜合看來(lái)，濕度范圍為50%～70%時(shí)，各項(xiàng)性能適中，明膠薄膜能保持良好的包裝性能。

這是因?yàn)樗畬?duì)明膠薄膜來(lái)說(shuō)，作用非常復(fù)雜，一方面，水是最普遍存在的增塑劑，水分子與極性高分子的羥基通過(guò)氫鍵結(jié)合在一起，使聚合物的矩陣結(jié)構(gòu)增塑，從而改變其機(jī)械性能。明膠薄膜含有適量水，增強(qiáng)聚合鏈的靈活性，感覺(jué)柔軟。而且，水會(huì)促進(jìn)明膠結(jié)構(gòu)中膠原蛋白三股螺旋結(jié)構(gòu)的復(fù)原。另一方面，濕度較高時(shí)，明膠薄膜會(huì)溶脹，失去尺寸穩(wěn)定性，降低機(jī)械和阻隔特性，從而會(huì)限制明膠薄膜與高含水量食物的直接接觸。

這也說(shuō)明可食性明膠薄膜與環(huán)境之間能保持一定的平衡關(guān)系，環(huán)境濕度大時(shí)，明膠薄膜吸水，含水量增加；環(huán)境濕度小時(shí)，明膠薄膜失水，含水量減小。而且這一變化是可逆的。

（二）環(huán)境溫度條件對(duì)明膠薄膜性能的影響

把明膠薄膜放在電熱恒溫恒濕培養(yǎng)箱內(nèi)，控制濕度條件恒定為65%，使溫度分別設(shè)定為-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃，測(cè)定明膠薄膜的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率，測(cè)定時(shí)要保持這一溫度，否則溫度變化明膠薄膜會(huì)迅速恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。結(jié)果見(jiàn)圖4和5。

由圖4可知，隨環(huán)境溫度的變化，明膠薄膜的抗拉強(qiáng)度增大，最后趨于不變。雖然明膠薄膜的抗拉強(qiáng)度隨溫度增加有所增加，但增加不明顯，為9.98MP？琢～10.02MP？琢。這可能是因?yàn)闇囟壬撸髂z薄膜失水，使明膠分子致密度提高，從而抗拉強(qiáng)度有所增大。

由圖5可知，隨環(huán)境溫度的變化，明膠薄膜的斷裂伸長(zhǎng)率先增大后減小，環(huán)境溫度較低，明膠薄膜的斷裂伸長(zhǎng)率較小，膜質(zhì)脆；溫度升高，斷裂伸長(zhǎng)率增大，膜變得柔軟；溫度處于室溫附近，斷裂伸長(zhǎng)率最大，為20.87%，溫度繼續(xù)升高，斷裂伸長(zhǎng)率反而下降。這可能是因?yàn)闇囟壬?，明膠薄膜失去網(wǎng)絡(luò)中的水分子，致密度增強(qiáng)了，但分子鏈的靈活性減小了。

環(huán)境溫度變化，明膠薄膜斷裂伸長(zhǎng)率比抗拉強(qiáng)度變化明顯，這是因?yàn)闇囟扰c濕度的作用機(jī)理不同，濕度變化時(shí)，水作為增塑劑進(jìn)入明膠網(wǎng)絡(luò)，改變明膠蛋白質(zhì)分子鏈間的相互作用，而溫度只增強(qiáng)蛋白質(zhì)分子的活動(dòng)性，沒(méi)有從根本上改變明膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

如果繼續(xù)升高溫度超過(guò)60℃，膜會(huì)慢慢變?yōu)槿刍癄顟B(tài)。因此，明膠薄膜適宜的溫度范圍為-10℃～40℃，最適20℃～30℃。

總之，環(huán)境的濕度和溫度都會(huì)使可食性明膠薄膜的機(jī)械性能發(fā)生變化。隨著濕度增加，因?yàn)槟さ暮吭黾?，所以斷裂伸長(zhǎng)率增加，抗拉強(qiáng)度減小，當(dāng)濕度范圍為50%～70%時(shí)，各項(xiàng)性能適中，明膠薄膜能保持良好的包裝性能。溫度對(duì)明膠薄膜的抗拉強(qiáng)度影響較小，而斷裂伸長(zhǎng)率比抗拉強(qiáng)度變化明顯，明膠薄膜適用的溫度范圍為-10℃～40℃，最適20℃～30℃。

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