超聲改性對殼聚糖/淀粉復合膜特性的影響

裴諾，杜宇凡，孫潔，汪之和,2,3*

1(上海海洋大學 食品學院，上海，201306)2(國家淡水水產品加工技術研發分中心(上海)，上海，201306)3(上海水產品加工及貯藏工程技術研究中心，上海，201306)

隨著包裝工業的快速發展，尋找新型可降解、環境友好、安全性能強、保藏效率高的可替代包裝材料成為研究熱點[1]。淀粉是一種來源廣泛、生產成本低、安全可食的生物可降解多糖，是具有發展潛力的包裝材料物質之一。但由于純淀粉膜阻隔性能、生物活性較低等[2]因素，使其難以廣泛應用。殼聚糖是天然多糖中唯一的堿性高分子多糖，其制備原料甲殼素儲量僅次于纖維素[3]。殼聚糖具有較好的抗氧化、抑菌性、成膜性[4]等特點，在食品保鮮、包裝方面有較好的應用。目前國內外許多學者研究將殼聚糖/淀粉復合膜用于食品保鮮。SNCHEZ-ORTEGA等[5]和PINZON等[6]發現，利用殼聚糖/淀粉復合膜進行保鮮時，能提升膜的抑菌性、抗氧化性等特性[7]，延緩食品原料的腐敗變質，延長商品的貨架期。但該類復合膜的力學性能略差[8]，限制了該類復合膜在實際生產中的應用。

超聲是一種高效、綠色的物理改性手段。ABLOUH等[9]發現，利用超聲處理殼聚糖，可以增加殼聚糖的比表面積、降低殼聚糖的結晶度，增強殼聚糖之間的相互作用。淀粉的凝沉性、溶解度、膨脹度在超聲處理后也都能得到提升[10]，達到提高淀粉品質的作用。

目前，對于殼聚糖/淀粉復合膜的研究主要集中在與其他生物活性物質復配提升復合膜的生物活性性能方面[11]。利用物理手段來提升復合膜性能的研究較少。本文通過超聲對殼聚糖/淀粉復合膜改性，系統研究了不同超聲頻率對復合膜各項性能的影響，以期為殼聚糖/淀粉復合膜的深入研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

殼聚糖，脫乙酰度>90%，黏度100～200 mPa·s，上海麥克林生化科技有限公司；淀粉，上海楓未事業有限公司；乙酸(分析純)，天津市大茂化學試劑廠；甘油(分析純)，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

HH-6數顯恒溫攪拌水浴鍋，常州鴻澤飾實驗科技有限公司；SB-400DTY超聲波多頻清洗機，寧波新芝生物科技股份有限公司；UV-1800PC紫外分光光度儀，上海美譜達儀器有限公司；MED-01拉伸儀，濟南蘭光機電技術有限公司；厚度測定儀，長春市月明小型試驗機有限責任公司；SU5000型掃描電鏡，日立科學儀器(北京)有限公司；BGZ-140恒溫干燥箱，上海博訊實業有限公司醫療設備廠。

1.3 實驗方法

1.3.1 超聲改性殼聚糖/淀粉復合膜的制備

稱取一定量的殼聚糖粉末，用0.5%(體積分數)的乙酸溶液溶解，40 ℃恒溫磁力攪拌至充分溶解成2%(質量分數)的殼聚糖溶液。淀粉用蒸餾水配制成5%(質量分數)的淀粉溶液，95 ℃恒溫水浴至充分糊化，待其冷卻后，將殼聚糖溶液與淀粉溶液按1∶2(質量比)混合，再加入30%(質量分數)的甘油后充分混合制得混合膜液，在超聲功率240 W的條件下，分別用25、28、40、59 kHz的超聲頻率處理15 min 后得到超聲復合膜溶液。采用流延法，將膜液倒入17.0 cm × 17.0 cm的聚酯平皿中，置于55 ℃恒溫干燥箱中至完全干燥后揭膜，干燥保存。

1.3.2 色差測定

色差儀用標準白板進行校正。將模樣品置于標準白板上，在膜表面隨機選取6個點，用色差儀測定每個點的L*、a*、b*，并計算總色差值ΔE。

1.3.3 力學性能的測定

將1.3.1所得復合膜裁成20.0 cm×1.5 cm的膜條[12]，用拉力測試儀測定抗拉強度及斷裂伸長率，拉伸速度設置為50 mm/s。

1.3.4 水蒸氣透過系數

取20 mL蒸餾水倒入50 mL大小相同的小燒杯中[13]，將膜包裹覆蓋杯口并用細皮筋扎緊固定，將其放入含有硅膠的干燥器中，干燥器置于25 ℃恒溫箱中。每隔2 h稱重，重復6次，每組膜做3個平行，水蒸氣透過系數(water vapor permeabilit，WVP)計算如公式(1)所示：

(1)

式中：x，膜厚，mm；S，有效面積18.08×10-4，m2；Δm，水分透過的質量，g；t，間隔時間，s；ΔP，膜兩邊的壓強差，ΔP=3 179 Pa。

1.3.5 水溶性

裁取10.0 cm×10.0 cm的膜片置于105 ℃烘干至恒重[14]，取質量為Wi(g)的膜放入50 mL蒸餾水中于室溫下浸漬24 h，瀝去浸漬液后放置于105 ℃干燥箱中，烘干至恒重，稱得此時的質量為Wf(g)，每組膜做3個平行，水溶性(water solubility，WS)計算如公式(2)所示：

(2)

1.3.6 透光性

將制得的可食性膜裁剪成30 mm×10 mm的樣品，放于1 cm比色皿的一側，使用紫外分光光度計在波長為500 nm的條件下測定其吸光度(Abs)，并做空白對比試驗。每組膜做3個平行，透光性(T)計算如公式(3)所示：

T/%=102-Abs

(3)

1.3.7 復合膜二級結構的測定

復合膜的紅外光譜利用Thermo IS10傅立葉紅外光譜儀進行測定，以空氣為背景，掃描范圍為4 000～600 cm-1，掃描次數32，分辨率為4 cm-1，所得圖譜進行基線矯正處理。

1.3.8 復合膜微觀結構的觀察

使用日立SU5000掃描電鏡對復合膜平面及截面微觀形貌進行觀察，加速電壓為3 kV，測試樣品截面用液氮凍裂，所有樣品在測試前進行噴金處理。

1.3.9 復合膜熱穩定性的測定

使用PerkinElmer DSC8500對復合膜熱穩定性進行測試。取5～10 mg膜樣置于鋁坩堝中，以空坩堝作參比。在氮氣流量為40 mL/min的條件下，從30 ℃加熱到250 ℃，升溫速率為5 K/min。記錄吸熱曲線，吸熱曲線的峰值即為膜樣的熱變性溫度。

1.3.10 抑菌性測定

參考PELISSARI等[15]的方法并略作修改，用抑菌圈方法測定復合膜對大腸桿菌及金黃色葡萄球菌的抑菌活性。用打孔器取直徑為6 mm的濾紙片若干，紫外滅菌后在膜液中浸30 min，實驗前再進行紫外滅菌。將活化好的菌種用無菌生理鹽水稀釋100倍，作為初始菌液。將浸泡膜液后的濾紙片置于含有200 μL目標菌液的培養基上培養24 h后測定抑菌圈直徑，每組做3個平行，取其平均值。

1.3.11 抗氧化性測定

參考李念等[16]的方法略作修改，分別稱取600 mg膜樣溶于20 mL蒸餾水中，置于搖床振蕩5 h后過濾得復合膜濾液，取2 mL濾液于20 mL試管中，加入2 mL 0.1 mmol/L的DPPH溶液，充分振蕩搖勻，室溫下避光反應30 min，在517 nm處測定吸光度并記錄吸光值為A2。移取2 mL無水乙醇于20 mL試管中代替復合膜溶液，測定吸光值為A1。以2 mL無水乙醇代替DPPH溶液，測定吸光值為A0。實驗設計3組平行，清除率計算如公式(4)所示：

(4)

1.3.12 數據分析

試驗數據均已平均值±標準差(mean±SD)表示，試驗結果采用SPSS 22.0軟件利用Duncan進行多重比較，顯著性水平設為0.05，運用Origin 9.1軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 色差及表觀分析

超聲頻率對殼聚糖/淀粉復合膜色差及表觀結果影響分別見表1和圖1。由表1可知，隨著超聲頻率的增加，復合膜的的亮度先減小后增大，偏紅程度不變，偏藍程度逐漸減小，總色差值先增大后減小。但由于色差值變化過于微小，在肉眼條件下的復合膜的表觀無明顯變化，如圖1表觀圖像所示，超聲改性前后的殼聚糖/淀粉復合膜表面都呈現光滑狀態，無明顯顆粒雜質存在，改性前后的復合膜表觀圖無明顯差異，因此，超聲改性對殼聚糖/淀粉復合膜的色差以及表觀結構無明顯影響。

表1 超聲頻率對殼聚糖/淀粉復合膜色差的影響

a-0 kHz復合膜；b-25 kHz復合膜；c-28 kHz復合膜；d-40 kHz復合膜；e-59 kHz復合膜

2.2 力學性能分析

復合膜的抗拉強度可以反映復合膜能承受力的大小，抗拉強度越高，表明復合膜能承受的力越大；復合膜的斷裂伸長率能反映出復合膜的柔韌性，斷裂伸長率越高，復合膜的柔韌性越好。由圖2可知，隨著超聲頻率的增加，復合膜的抗拉強度變化顯著(P<0.05)，超聲組的抗拉強度值均大于未超聲組，并呈現先增大后減小的趨勢，且在28 kHz處抗拉強度達到最大值23.60 MPa，與未超聲組9.18 MPa相比，抗拉強度提升了157%，超聲處理能顯著提升復合膜的抗拉強度。與未超聲組相比，斷裂伸長率整體呈現先增大后減小的趨勢，經25、28、40 kHz改性后復合膜的斷裂伸長率均大于未超聲組，且25～40 kHz無顯著差異(P<0.05)，但隨著超聲頻率的繼續增加，斷裂伸長率顯著降低(P<0.05)。抗拉強度及斷裂伸長率的變化主要是由于前期隨著超聲頻率的增加，超聲空化效應增加，使得殼聚糖的粒徑變小、比表面積增大，氫鍵數量增加[9]，促進了殼聚糖與淀粉之間共聚物的形成，導致復合膜空間結構的穩定性得到提升。但后期隨著空化效應的繼續增加，可能超過了復合膜的臨界承受值，破壞了共聚物之間的結構[18]，影響了復合膜的韌性，導致抗拉強度和斷裂伸長率的降低。抗拉強度及斷裂伸長率結果與張欣欣[19]的結論相似，都證明了適度的超聲條件對復合膜的力學性能有一定的提升作用。

圖2 超聲頻率對殼聚糖/淀粉復合膜抗拉強度及斷裂伸長率的影響

2.3 阻隔性能分析

復合膜的水蒸氣透過系數可以反映復合膜對水蒸氣的阻隔能力，阻隔水蒸氣能力是判斷包裝材料優劣性的重要指標之一，水蒸氣透過系數越小，說明膜的阻濕效果越好。由表2可知，隨著超聲頻率的增加，復合膜水蒸氣透過系數顯著(P<0.05)降低，在超聲頻率為28 kHz 時取得最低值2.41×10-11g/(Pa·s·m)后，隨著后續超聲頻率的增加，水蒸氣透過系數無顯著差異(P<0.05)。這是由于超聲頻率的增強加大了超聲空化效應，促進了殼聚糖與淀粉之間的相互作用，增加了復合膜的致密性，從而減少了水蒸氣的滲透和溢出，導致水蒸氣透過系數的減小[20]。復合膜的水溶性可以反映出復合膜對外界水分的抵抗能力。由表2可以看出，超聲頻率對復合膜的水溶性影響不大，水溶性之間無顯著性差異(P<0.05)，復合膜的水溶性保持在13%～15%，主要是因為殼聚糖與淀粉2種物質本身水溶性較低，在形成復合膜的過程中結構本身就比較致密，所以超聲頻率對水溶性影響不大[9-10]。關于復合膜的透光性，由表2可知，隨著超聲頻率的增加，復合膜的透光性呈現先增加后減小的趨勢，與抗拉強度的變化趨勢保持一致，也是由于復合膜結構的致密性發生變化而變化的。

表2 超聲頻率對殼聚糖/淀粉復合膜水蒸氣透過系數、水溶性及透光性的影響

2.4 二級結構分析

圖3是超聲改性后的殼聚糖/淀粉復合膜的傅立葉紅外光譜圖。由圖3可以看出，超聲改性前后復合膜特征峰大致相同。圖中顯示復合膜在1 200～700 cm-1有淀粉分子的特征峰存在，包括C—C、C—O和C—H的骨架振動峰[21]。在1 575 cm-1左右為酰胺—NH2吸收帶，在1 630 cm-1左右為酰胺 Ⅰ 帶，殼聚糖/淀粉復合膜經過超聲處理后，淀粉分子中酰胺 Ⅰ 帶從1 634 cm-1向更低波數處移動，殼聚糖分子中的—NH2吸收峰也從1 575 cm-1略微向左偏移，這些偏移結果說明淀粉分子上的羥基與殼聚糖分子上的氨基發生了相互作用[22]。在3 290 cm-1左右有一個相對較寬的頻帶，這是由于O—H的伸縮振動峰與同在這一區域的N—H伸縮振動峰重疊所致的[23]，并且由圖3可以看出，超聲后的復合膜在該位置的氫鍵特征峰向更低波數處移動，表明殼聚糖和淀粉分子間通過超聲作用加劇了分子間氫鍵的形成。

圖3 超聲改性殼聚糖/淀粉膜的傅立葉紅外光譜圖

2.5 掃描電鏡結果分析

圖4為不同超聲頻率改性后的復合膜平面及截面電鏡掃描結果。由圖4-a～圖4-c不同平面圖可以看出，未經超聲處理的殼聚糖/淀粉復合膜的表面光滑、連續且均勻，結構完整性良好，膜基體平整致密，無明顯裂痕。經過25 kHz及28 kHz超聲處理后的復合膜表面依舊呈現均一、平整的狀態，少有雜質出現，基本與對照組結構一致。由圖4-f～圖4-h不同截面圖可以看出，經過超聲處理的復合膜的內部結構更為均勻、致密、緊致。表明殼聚糖與淀粉復合過程中兩物質本身相容較好，并且超聲處理可以促進殼聚糖與淀粉分子間共聚物的形成[22]，兩物質能達到完全相容的狀態，復合膜空間結構的穩定性致密性得到提高，形成的復合膜結構更加完整光滑。但隨著超聲頻率的進一步加強，復合膜的表面及截面都逐漸出現凹凸不平且不均勻的區域，帶有一些孔隙，能明顯看出復合膜的結構出現了改變。說明隨著超聲頻率的進一步增強，過大的空化效應破壞了原有的致密的殼聚糖/淀粉聚合物的結構[24]，使得復合膜的結構變得松散，這與力學性能的研究結果一致。

a-0 kHz復合膜；b-25 kHz復合膜；c-28 kHz復合膜；d-40 kHz復合膜；e-59 kHz復合膜 f-0 kHz復合膜；g-25 kHz復合膜；h-28 kHz復合膜；i-40 kHz復合膜；j-59 kHz復合膜

2.6 熱穩定性分析

熔融溫度轉變趨勢及熱焓值的大小可以反映復合膜的熱穩定性。因此通過差示掃描量熱法(different scanning calorimetry,DSC)測定了不同超聲條件改性后的殼聚糖/淀粉復合膜的熔融溫度，結果如圖5、表3所示。如圖5所示，在0～40 kHz，隨著超聲強度的增強，吸熱峰向右發生偏移，與表3所示數據一致。這是因為隨著超聲頻率的增加，殼聚糖與淀粉之間形成的共聚物之間產生了更加緊密的空間結構[25]，導致更高的溫度才能使其結構遭到破壞；但在40 kHz以后，隨著超聲頻率的進一步增加，可能破壞了原有的共聚物之間的結構，導致熔融起始溫度的降低。同時，熱焓值也能反映復合膜結構的穩定性，熱焓值越低，復合膜的結構越穩定[26]，這與上述結果保持一致。

圖5 超聲改性殼聚糖/淀粉復合膜的DSC曲線

表3 超聲改性殼聚糖/淀粉復合膜的DSC參數

2.7 抑菌性分析

表4為不同超聲頻率改性后復合膜對大腸桿菌及金黃色葡萄球菌抑菌圈的大小。殼聚糖/淀粉復合膜具有抑菌性主要是因為殼聚糖帶正電荷的氨基基團可與細菌細胞膜上帶負電荷的物質結合導致細胞膜破裂，細胞內容物流出致使微生物死亡[27]。由表4可知，不同超聲頻率對復合膜抑菌效果影響顯著(P<0.05)，并且隨著超聲頻率的增加，復合膜對大腸桿菌及金黃色葡萄球菌的抑菌效果均呈現先增加再減小的趨勢。這可能是隨著超聲頻率的增加，殼聚糖分子粒徑變小，更多的氨基基團暴露并與細胞膜上的物質結合導致復合膜的抑菌性增加，但隨著后期超聲頻率的繼續增加，超聲對殼聚糖分子的破壞程度加深，影響其與細胞膜的結合而導致復合膜的抑菌性下降[9]。

表4 超聲改性復合膜對微生物抑菌圈直徑的影響

2.8 抗氧化性分析

若復合膜具有一定的抗氧化性，則其作為食品包裝膜能起到延緩食品變質的作用。本實驗以DPPH自由基清除能力來反映復合膜的抗氧化性。圖6是不同超聲頻率改性后殼聚糖/淀粉復合膜的DPPH自由基清除率的大小。復合膜的抗氧化性隨著超聲頻率的增加顯著增加(P<0.05)，經過28 kHz超聲處理后的復合膜抗氧化性最強，為18.59%，但隨著超聲頻率的繼續增強，復合膜的抗氧化性顯著降低(P<0.05)并趨于穩定。復合膜的抗氧化性主要通過殼聚糖分子上的活化羥基和氨基的還原性來實現的[9,28]。在超聲過程中，一定的超聲頻率促進了復合膜結構中更多活化羥基及氨基的暴露，使得復合膜的抗氧化性增強，但隨著超聲頻率的進一步增加，破壞了活化基團的結構與效能，使其抗氧化性下降，這與抑菌性的研究結果一致。

圖6 超聲頻率對殼聚糖/淀粉復合膜DPPH清除率的影響

3 結論

利用不同頻率的超聲條件處理殼聚糖/淀粉復合膜，并研究了改性后的復合膜物理特性、結構特性和生物活性的變化。結果顯示，殼聚糖/淀粉復合膜的物理性能及生物活性隨著超聲強度的增加量呈現先增強后減弱的趨勢；結構特性結果表明適度的超聲強度可以增強復合膜的致密性。經28 kHz超聲條件處理效果最佳，抗拉強度顯著提高了157%；抑菌性及抗氧化也顯著優于其他組；結構分析也顯示其內部結構最為穩定；證明超聲對于殼聚糖/淀粉復合膜的改性有效。改性后的復合膜生物活性雖然得到一定的提升，但依然具有較大提升空間，因此，在后續的研究中可以繼續研究提升復合膜生物活性的方法，以期為復合膜的深入發展提供基礎。