魚皮膠原纖維淀粉復合膜的制備及性能研究

徐 晶,葉 銳,時 瑞,程文健,陳麗嬌,梁 鵬

(福建農林大學食品科學學院,福建福州 350002)

食品包裝是保護食品在加工、運輸、貯藏過程中,免受外界物理、化學、生物危害引起食品腐敗變質的重要環節。目前食品包裝材料以不可降解的塑料薄膜為主,但由于技術、經濟方面的原因,使塑料薄膜的回收受到限制[1]。淀粉來源于大自然,具有較好的成膜性和可降解性,是重要的可降解生物薄膜的材料來源,但單一的淀粉膜阻濕性較差、機械性能也不理想,限制了其應用[2]。為了克服淀粉膜表現出來的較差的阻隔性能和機械性能,常將淀粉作為填充基質與纖維素或其衍生物混合,通過天然纖維素及其衍生物的增強作用,以達到增強復合膜強度和剛度的效果[3-4]。Müller等[5]將一定量的纖維素添加到淀粉膜中形成的復合膜致密、均一,對復合膜機械性能、阻隔性能研究,發現添加纖維素使淀粉膜抗拉強度和剛性增加,水蒸汽的阻隔性能增強。

膠原纖維是由交錯的原膠原分子交聯而成的具有纖維狀結構的蛋白,其廣泛存在于動物組織結構中。將動物皮膠原在稀醋酸酸性體系中先進行酸松弛,然后對組織研磨,可獲得具有纖維束形狀的膠原纖維,其同時保持了天然膠原纖維的性質和性能[6-7]。酸預處理時間越長,魚皮結構變得越疏松[8],在研磨過程中膠原纖維組織越容易分散,可能得到長短、粗細不同的膠原纖維。膠原纖維具有較高的彈性,在形變過程中表現出較高的斷裂強度[9]。利用膠原纖維的不溶性和纖維狀結構,將其作為增強材料,搭建網絡骨架結構,并以淀粉為填充基質,制備復合膜,有望獲得性能優良的膜材料,然而這方面的研究尚屬空白。有研究表明,添加不同縱橫比的纖維素對淀粉膜機械性能有較大的影響[10]。Deiber等[11]也表示適當粒徑的膠原纖維對膜的均一性有至關重要的作用。因此膠原纖維的尺寸對淀粉膜性能可能產生較大影響。

為研究魚皮膠原纖維尺寸及其添加量對魚皮膠原纖維-淀粉復合膜的性能的影響,本文主要以魚皮膠原纖維為網絡骨架,淀粉為填充基質,制備復合膜。研究醋酸預處理不同時間得到的不同尺寸膠原纖維及其添加量對淀粉膜性能的影響。同時以復合膜的機械性能為指標,確定較優的膠原纖維-淀粉復合膜的制備工藝。利用傅里葉紅外光譜、差示掃描量熱法、掃描電鏡對單一淀粉膜和復合膜進行表征,分析其相互作用機制。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

干明太魚皮 購自吉林琿春市;食用玉米淀粉 菱花集團有限公司;甘油、冰醋酸、氫氧化鈉 購自國藥集團化學試劑有限公司。

DHG-9070A型電熱恒溫水浴鍋 上海精宏實驗儀器設備有限公司;BS224S型電子分析天平 北京賽托利斯有限公司;KQ-200VDE型超聲波清洗機 濟南華舜儀器有限公司;ECLIPSE Ts2型倒置顯微鏡 尼康儀器有限公司;SPX-250型微電腦人工氣候箱 上海榮宣儀器有限公司;0～10 mm數顯千分測厚規 深圳新德亞精密儀器有限公司;EZ TEST型質構儀 日本島津公司;DSC200F3型差示掃描量熱儀 佐藤精密儀器有限公司;VERTEX 70傅里葉紅外光譜儀 布魯克光譜儀器公司;Nova Nano SEM型掃描電子顯微鏡 美國捷克FEI公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 膠原纖維的制備 將干明太魚浸水1 h,去鱗洗凈,用紗布擦干表面水分。稱取四份40 g擦干的魚皮,用400 mL的0.1 mol/L的NaOH溶液于4 ℃浸泡4 h,每兩小時換一次溶液,以除去魚皮中雜蛋白和色素。用大量去離子水漂洗至中性(以pH計測上清液為準)。再用400 mL的0.05 mol/L醋酸溶液于4 ℃分別浸泡3、6、9和12 h。用高速粉碎破壁攪拌成勻漿。再添加400 mL的去離子水用膠體磨研磨5次,收集勻漿。通過預實驗發現當膠原纖維尺寸大于45目時,形成的膜表面粗糙。且當粒徑較大時,對形成的膜機械性能有不利影響[11]。因此,用45目篩過濾勻漿,收集濾液,篩上物再用去離子水反復清洗三次,收集所有濾液,用離心機以4500 r/min速度離心15 min,除去上清液。然后添加去離子水,混勻沉淀物,離心,除去上清液。如此反復離心3次,最終取沉淀物,即得酸處理不同時間的不溶性膠原纖維(CF3、CF6、CF9、CF12),然后冷藏備用。

1.2.2 膠原纖維尺寸分布測定 取上述不溶性膠原纖維一定質量,配制成0.2%的懸液,用手持式均質機均質30 s,用光學顯微鏡測量纖維長度和直徑。具體方法:取一定搖勻后的懸液于載玻片上,蓋上蓋玻片,按照一定順序移動載玻片,隨機選擇膠原纖維,通過儀器自帶的軟件測量膠原纖維長度和直徑,直至獲取200個讀數,按照膠原纖維長度依次劃分為50 μm以下、50～100、100～150、150～200、200～250、250～300、300～400、400～500、500 μm以上等若干區間,統計各個區間段的頻數,做出膠原纖維尺寸分布直方圖。

1.2.3 膠原纖維-淀粉復合膜的制備 稱取一定量的淀粉于去離子水中,并添加30%(占淀粉含量)甘油,置于90 ℃水浴鍋內邊攪拌邊加熱30 min,配制成質量分數為8%的淀粉糊液。

稱取一定量的膠原纖維于去離子水中,在室溫下用手持式均質機使膠原纖維與水形成均勻的混合液。再分別稱取一定質量的冷卻至60 ℃左右的淀粉糊液與膠原纖維混合液配成100 g膠原纖維-淀粉共混液(其中保持淀粉含量占總膜液質量的4%,膠原纖維(以干基計,占淀粉含量的0%、2.5%、5.0%、7.5%、10.0%和12.5%)),并用手持式均質機使其混合均勻,然后置于超聲清洗機中超聲10 min以脫除氣泡。將膜液倒入有機平板內,置于平整臺面,在室溫下風干24 h,再放置25 ℃恒溫恒濕箱內干燥24 h。揭下干燥的膜置于恒溫恒濕箱內,濕度控制在50%±3%平衡72 h,用于測定膜的基本性能。將另一部分膜置于含變色硅膠的干燥器內一周,用于測定傅里葉紅外光譜、DSC分析和掃描電子顯微鏡結構觀察。

1.2.4 膜厚度測定 在膜邊緣和中心隨機取10個點用精密度為0.001 mm的數顯千分測厚規測其厚度,求平均值。

1.2.5 透明度 用紫外分光光度計測膜在600 nm波長下的吸光度值來評價膜的透光性能。具體方法參考Condés等[13]方法。將膜裁剪成10 mm×50 mm的長條,置于比色皿中,將比色皿放入測試池中,測試樣品的吸光度,其中空比色皿為參考值。每個處理取5個樣品,求取平均值。透明度值計算公式如下:

式中:A600是薄膜在600 nm波長處的吸光度值;x為膜的厚度(mm);T為透明度值,透明度值越高,說明膜的透明度越低。

1.2.6 溶解性測定 膜的溶解性測定參考陽暉[12]方法,并略微修改。將平衡濕度后的膜剪成2 cm×2 cm的樣品,將其放入105 ℃鼓風干燥箱內12 h至恒重,再稱其重量記為m1。隨后,將干燥后的膜放入50 mL離心管中,加入30 mL去離子水,在30 ℃下保存24 h。然后取出不溶性膜碎片置于105 ℃鼓風干燥箱干燥12 h至恒重,稱其質量m2。每組試驗重復三次,然后求平均值。溶解性計算公式:

1.2.7 機械性能 將平衡濕度后的膜,剪成10 mm×50 mm長條,用質構儀測定其機械性能。膜的抗拉伸強度和斷裂伸長率測定方法參照陳俊等[14]描述的方法。其中,膜的初始拉伸速度為60 mm/min,初始夾持分離長度為30 mm。每個處理取10個樣品,取平均值。計算公式如下:

式中:TS為抗拉強度(MPa);EAB為斷裂伸長率(%);F為膜拉伸過程中受的最大張力(N);A為膜的橫斷面積(m2);L1為拉伸時的初始夾持距離(30 mm);L2為膜拉伸至斷裂時的長度(mm)。

1.2.8 膜的水蒸氣透過率測定 膜的透濕性測定參考程文健等[15]報道的方法略有修改。將50 mm×30 mm的稱量瓶杯沿涂一層凡士林,并向稱量瓶內倒入15 mL去離子水。將平衡濕度后的,完整、無孔的薄膜裁剪成直徑為5.5 cm的圓片,覆蓋在稱量瓶瓶口上,壓緊稱重,放入裝有變色硅膠的密封干燥器中。使膜內外兩側保持100%/0%的相對濕度。將干燥器置于25 ℃恒溫箱中,每2 h稱重一次,做出質量變化隨時間的關系圖,由此得到一條直線,決定系數R2>0.99,由此計算水蒸氣滲透率(WVTR,單位g/m2·h),并根據WVTR計算水蒸氣透過系數(WVP,單位g·mm/kPa·h·m2)。試驗中每個處理重復測定3次。計算公式如下:

式中:Δm為兩次測定的質量差(g);t為兩次測量間隔時間(h);S為圓片的面積(mm2);L為薄膜的厚度(mm);ΔP為膜內外兩側的水蒸汽壓差(kPa)。

1.2.9 傅里葉紅外光譜分析 用配有衰減全反射附件的傅里葉紅外光譜儀進行分析,方法參照Arfat等[16]所描述的方法。將用干燥器干燥兩周后的復合膜置于ATR附件上,測試溫度為25 ℃,以不加樣品的空ATR附件為背景光譜,用反射法波數4000～650 cm-1,分辨率為4 cm-1,掃描次數為32次。

1.2.10 熱穩定性分析 熱穩定性分析采用差式掃描量熱法。稱取4 mg左右經干燥器干燥后的薄膜樣品,密封于鋁坩堝中,以空鋁坩堝為參比,以氮氣為保護氣,保護氣流量為20 mL/min。升溫速率為10 ℃/min,在溫度范圍為20～300 ℃內進行差式掃描量熱分析。

1.2.11 微觀結構觀察 取出經干燥器干燥兩周后的膜,用液氮浸泡后折斷,將樣品固定在樣品臺上,真空鍍金2 min。然后將樣品置于場發射掃描電子顯微鏡中,在加速電壓為5.0 kV下,分別觀察膜表面和截面的微觀結構。其中膜表面放大倍數為1000倍,截面放大倍數為2000倍。

1.3 數據處理

數據分析采用軟件Origin 9.0進行處理,用SPSS 20.0對數據進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 膠原纖維的尺寸分布

魚皮經醋酸浸泡后,膠原纖維會膨脹,通過醋酸浸泡不同的時間,打漿后膠原纖維尺寸相差較大。經過不同時間處理后,膠原纖維直徑大部分在10～20 μm(數據未顯示)之間,相比于長度的分布變化規律不明顯。如圖1,CF3、CF6、CF9和CF12分別代表經過醋酸浸泡3、6、9、12 h后研磨得到的膠原纖維。從膠原纖維長度分布圖可以看出,膠原纖維長度都分布在0～600 μm,其中CF3長度主要集中在0～300 μm之間;CF6長度集中在50～200 μm之間;CF9和CF12長度分布集中在50～200 μm之間,且50～100 μm最為集中。表明浸泡時間較長,得到的膠原纖維長度較短且分布均勻,而浸泡時間較短導致膠原纖維長度不一,長度分布廣泛。這可能是由于醋酸浸泡越長,魚皮膨脹效果越好,越利于膠原纖維組織分散[17]。

圖1 膠原纖維長度分布Fig.1 Distribution of collagen fiber length

2.2 復合膜厚度和透明度

復合膜的厚度影響復合膜大多數功能特性,薄膜厚度增加,透明度降低[18]。薄膜厚度不僅影響光學性能,而且可能影響包裝膜的機械性能[19]。由表1可以看出,當膠原纖維添加到一定量時,薄膜的厚度顯著性增加(P<0.5)。

薄膜的透明度是包裝材料的重要指標,消費者更喜歡選擇薄而透明的薄膜應用于食品包裝表面[20]。透明度值越低,表明薄膜的透明度越高。見表1,膠原纖維添加量較大時,薄膜的透明度值顯著性增加(P<0.5),薄膜透明度降低。這與薄膜厚度變化趨勢相近。膠原纖維是白色或類白色絮狀纖維[21],因此,引起膠原纖維-淀粉復合膜透明度的變化最主要還是膠原纖維的添加。

表1 復合膜的基本性能Table 1 Basic properties of composite films

2.3 溶解性

膠原纖維-淀粉復合膜的溶解性隨膠原纖維添加量變化見表1,純淀粉膜及膠原纖維淀粉復合膜的溶解度范圍為16.27%～20.08%。當加入膠原纖維后,復合膜中膠原纖維含量較低時對淀粉膜溶解性有輕微增加或不變的趨勢,當膠原纖維添加量達到7.5%或更高時,復合膜溶解性明顯下降。這可能是當復合膜中膠原纖維含量較高時,膠原纖維相互纏繞,形成較完整的網絡結構,使復合膜中的淀粉顆粒不容易溶解釋放出來。Chiumarelli等[22]研究了木薯淀粉和巴西棕櫚蠟的薄膜的水溶性范圍為27.86%至51.09%,天然甘薯淀粉及改性淀粉膜的溶解度范圍在19.58%～53.43%之間[23],本實驗膠原纖維-淀粉復合膜的溶解性降低可能是膠原纖維與淀粉相互作用的原因[24],也有可能歸因于膠原纖維也難溶于水[25]。

2.4 復合膜機械性能探究

2.4.1 抗拉強度 由圖2可以看出,當添加膠原纖維的量達到7.5%時,添加CF3和CF6制備的復合膜抗拉強度明顯高于CF9和CF12。復合材料的機械性能受增強材料的尺寸、形狀、縱橫比及分布的影響[26]。CF3和CF6長短不一,長度分布較廣,而CF9和CF12長度較短,且集中(圖1)。而尺寸分布較廣的不溶性膠原纖維可能比集中尺寸的不溶性膠原纖維對復合膜性能更好[27]。因為較長的纖維在相互纏繞過程中,較短的纖維能作為填充材料,起到進一步連接作用,加固了網絡結構[26]。因此用醋酸預處理較短時間的膠原纖維CF3和CF6對復合膜抗拉強度有積極影響。

圖2 膠原纖維添加量對抗拉強度的影響Fig.2 Effect of the addition of collagen fiber on tensile strength

膠原纖維-淀粉復合膜的抗拉強度隨膠原纖維的添加大部分呈先下降后上升再下降的趨勢,添加10%的CF6有最強的抗拉強度?？赡茉蚴悄z原纖維含量較低時,膠原纖維不足以形成網絡結構,在復合膜中反而破壞了淀粉之間的相互作用力,使膜的抗拉強度下降[28]。而膠原纖維含量增加到一定程度,膠原纖維相互纏繞,并與淀粉分子間相互作用,形成更牢固的結構,從而承受更大的機械力,膜抗拉性能增強[29-30]。然而,當膠原纖維繼續增加時,膜的抗拉強度反而有下降的趨勢。這可能是當含量進一步增加時,一方面可能引起膠原纖維聚集,使膜更加不均勻[3];另一方面,可能是膠原纖維含量增加,復合膜液黏度增大,產生部分難以去除的氣泡,形成的膜有較多細小的空隙,抗拉強度下降。這與預實驗中膠原纖維添加量增加到15%時,復合膜的表面有較多氣泡的現象相符。

2.4.2 斷裂伸長率 由圖3可以看出,當膠原纖維添加量增加到一定量時,復合膜斷裂伸長率增加,且較長時間醋酸預處理得到的膠原纖維對復合膜的斷裂伸長率改善尤為明顯。這可能是添加膠原纖維削弱了淀粉膜中淀粉分子間作用力,使淀粉鏈剛性降低,復合膜柔韌性增加[24],且較短纖維作用效果更加明顯。

圖3 膠原纖維添加量對斷裂伸長率的影響Fig.3 Effect of the addition of collagen fiber on the elongation at break

2.5 水蒸氣透過系數

膠原纖維-淀粉復合膜水蒸氣透過系數見圖4。純淀粉膜水蒸氣透過系數為1.079 g·mm/kPa·h·m2,添加膠原纖維后,復合膜的水蒸氣透過系數明顯增加?？赡茉蚴翘砑幽z原纖維后,雖然膠原纖維形成了網絡結構,但破壞了淀粉膜內部結構的致密性,水蒸氣透過速率增加。

圖4 膠原纖維添加量對WVP的影響Fig.4 Effect of the amount of collagen fiber on WVP

2.6 傅立葉紅外光譜分析

根據上述分析,選擇抗拉強度最好的復合膜配方(添加10%的CF6與淀粉復合)進行復合膜結構表征。通常利用傅里葉紅外光譜分析薄膜組分間的相互作用,薄膜的紅外光譜圖如圖5。薄膜在1151和1079 cm-1處均出現吸收峰,此為淀粉C-O-C吡喃糖環骨架振動和C-C鍵吸收峰[25,31]。所有膜在3000～3500 cm-1波段范圍內均有吸收峰,此為OH和NH振動波數[32]。通常振動波數OH、NH振動譜帶表示聚合物之間的相互作用是氫鍵結合引起的[16],波段向低波段移動說明氫鍵增強或有形成氫鍵[33]。加入膠原纖維后,波數由3331 cm-1向3318 cm-1偏移,說明膠原纖維與淀粉形成氫鍵相互作用。淀粉中有大量的羥基可與蛋白質中的氨基形成氫鍵,從而增加聚合物間的相互作用力[34]。此外,加入膠原纖維后,復合膜波數從1644 cm-1向1658 cm-1移動,這可能也是膠原纖維與淀粉相互作用引起的。

圖5 復合膜的傅里葉紅外光譜圖Fig.5 Fourier transform infrared spectroscopy of composite films

2.7 熱穩定性分析

對膜材料熱力學表征分析可以得到膜的結構及穩定性特征。玻璃化轉變溫度(Tg)是用于分析共混物的相容性和熱穩定性的重要指標,它是聚合物各種類型分子運動的反映,與材料的種類及復合膜的結構性質有很大關系。在一個二元共混體系中,若復合膜熱變性曲線中出現一個峰,且位于兩主體物質之間,表明復合膜中兩相相容性良好,若出現兩個峰,且偏離主體物質的,則說明兩者之間相容性不好[35]。如圖6為純淀粉膜和添加10%膠原纖維(CF6)的復合膜的DSC圖,在30～250 ℃溫度范圍內,單一淀粉膜玻璃化轉變溫度為125.71 ℃,而添加膠原纖維后,復合膜的玻璃化轉變溫度降低至120.7 ℃。單一淀粉膜和復合膜都只出現一個吸熱峰,說明膠原纖維與淀粉相容性良好。凡是能使鏈柔性增大的鏈結構因素,能降低復合膜的玻璃化轉變溫度[36]。因此復合膜玻璃化轉變溫度降低充分表明添加膠原纖維破壞了淀粉鏈之間相互作用,使鏈柔韌性增加。這一結論與復合膜的斷裂伸長率增強相符。

圖6 復合膜的熱穩定性圖Fig.6 Thermal stability diagram of composite films

2.8 微觀結構觀察

如圖7分別為純淀粉膜和添加10%膠原纖維(CF6)的復合膜的表面圖和截面圖,純淀粉膜表面和截面均比較光滑,這是由于淀粉與淀粉鏈之間的相互作用,形成比較致密的薄膜。添加膠原纖維后,薄膜的表面變得粗糙,通過截面圖,可以清楚看到膠原纖維均勻分布在淀粉膜中,斷面變得粗糙。表明膠原纖維與淀粉發生了相互作用,使斷面變得粗糙,同時使淀粉膜的致密性降低。

圖7 復合膜的掃描電子顯微鏡圖Fig.7 Scanning electron microscope diagram of composite films注:a、b分別代表純淀粉膜的表面(1000×)和截面圖(2000×),c、d分別代表膠原纖維-淀粉復合膜的表面(1000×)和截面圖(2000×)。

3 結論

本文研究醋酸預處理不同時間得到的不同類型的膠原纖維及其添加量對復合膜基本性能的影響,并對制備的復合膜進行表征,研究膠原纖維與淀粉共混過程中相互作用機理。結果表明,添加膠原纖維能增加復合膜的柔韌性和水蒸氣透過系數,降低復合膜的溶解性;當添加7.5%和10%的CF3和CF6時,對復合膜的抗拉強度有增強作用,而添加CF9和CF12使復合膜的抗拉強度降低。膠原纖維與淀粉相容性良好,在成膜過程中,膠原纖維與淀粉形成氫鍵;但加入膠原纖維后復合膜的熱穩定降低,這可能與膠原纖維破壞淀粉膜中淀粉分子間作用力有關。因此選擇添加適當量的CF3和CF6能改善淀粉膜的性能,研究結果為膠原纖維應用于可食膜及其改性研究提供理論基礎。