超声改性对壳聚糖/淀粉复合膜特性的影响

裴诺1,杜宇凡1,孙洁1,汪之和1,2,3*

1(上海海洋大学 食品学院,上海,201306)2(国家淡水水产品加工技术研发分中心(上海),上海,201306)3(上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心,上海,201306)

摘 要 壳聚糖/淀粉复合膜作为一种绿色环保的包装材料已被广泛应用于食品包装,但其力学性能较弱的特点限制了其应用范围。该文利用超声对壳聚糖/淀粉复合膜进行改性,比较了不同超声频率改性后的复合膜的力学性能、阻隔性能、表面结构、二级结构、热稳定性以及生物活性,旨在探究不同超声条件对复合膜特性的影响。结果表明,复合膜的抗拉强度及断裂伸长率随着超声强度的增加呈现先增强后减弱的趋势。经过28 kHz超声处理后的复合膜,抗拉强度能提升157%;二级结构、微观结构、热稳定结果也显示其具有更加稳定的内部结构;且其抑菌性及抗氧化性也优于其他组。该研究证明了超声改性能提高复合膜性能,研究结果为壳聚糖/淀粉复合膜的有效应用提供理论基础。

关键词 超声;壳聚糖;淀粉;复合膜

随着包装工业的快速发展,寻找新型可降解、环境友好、安全性能强、保藏效率高的可替代包装材料成为研究热点[1]。淀粉是一种来源广泛、生产成本低、安全可食的生物可降解多糖,是具有发展潜力的包装材料物质之一。但由于纯淀粉膜阻隔性能、生物活性较低等[2]因素,使其难以广泛应用。壳聚糖是天然多糖中唯一的碱性高分子多糖,其制备原料甲壳素储量仅次于纤维素[3]。壳聚糖具有较好的抗氧化、抑菌性、成膜性[4]等特点,在食品保鲜、包装方面有较好的应用。目前国内外许多学者研究将壳聚糖/淀粉复合膜用于食品保鲜。SNCHEZ-ORTEGA等[5]和PINZON等[6]发现,利用壳聚糖/淀粉复合膜进行保鲜时,能提升膜的抑菌性、抗氧化性等特性[7],延缓食品原料的腐败变质,延长商品的货架期。但该类复合膜的力学性能略差[8],限制了该类复合膜在实际生产中的应用。

超声是一种高效、绿色的物理改性手段。ABLOUH等[9]发现,利用超声处理壳聚糖,可以增加壳聚糖的比表面积、降低壳聚糖的结晶度,增强壳聚糖之间的相互作用。淀粉的凝沉性、溶解度、膨胀度在超声处理后也都能得到提升[10],达到提高淀粉品质的作用。

目前,对于壳聚糖/淀粉复合膜的研究主要集中在与其他生物活性物质复配提升复合膜的生物活性性能方面[11]。利用物理手段来提升复合膜性能的研究较少。本文通过超声对壳聚糖/淀粉复合膜改性,系统研究了不同超声频率对复合膜各项性能的影响,以期为壳聚糖/淀粉复合膜的深入研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 原料与试剂

壳聚糖,脱乙酰度>90%,黏度100~200 mPa·s,上海麦克林生化科技有限公司;淀粉,上海枫未事业有限公司;乙酸(分析纯),天津市大茂化学试剂厂;甘油(分析纯),国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

HH-6数显恒温搅拌水浴锅,常州鸿泽饰实验科技有限公司;SB-400DTY超声波多频清洗机,宁波新芝生物科技股份有限公司;UV-1800PC紫外分光光度仪,上海美谱达仪器有限公司;MED-01拉伸仪,济南兰光机电技术有限公司;厚度测定仪,长春市月明小型试验机有限责任公司;SU5000型扫描电镜,日立科学仪器(北京)有限公司;BGZ-140恒温干燥箱,上海博讯实业有限公司医疗设备厂。

1.3 实验方法

1.3.1 超声改性壳聚糖/淀粉复合膜的制备

称取一定量的壳聚糖粉末,用0.5%(体积分数)的乙酸溶液溶解,40 ℃恒温磁力搅拌至充分溶解成2%(质量分数)的壳聚糖溶液。淀粉用蒸馏水配制成5%(质量分数)的淀粉溶液,95 ℃恒温水浴至充分糊化,待其冷却后,将壳聚糖溶液与淀粉溶液按1∶2(质量比)混合,再加入30%(质量分数)的甘油后充分混合制得混合膜液,在超声功率240 W的条件下,分别用25、28、40、59 kHz的超声频率处理15 min 后得到超声复合膜溶液。采用流延法,将膜液倒入17.0 cm × 17.0 cm的聚酯平皿中,置于55 ℃恒温干燥箱中至完全干燥后揭膜,干燥保存。

1.3.2 色差测定

色差仪用标准白板进行校正。将模样品置于标准白板上,在膜表面随机选取6个点,用色差仪测定每个点的L*a*b*,并计算总色差值ΔE

1.3.3 力学性能的测定

将1.3.1所得复合膜裁成20.0 cm×1.5 cm的膜条[12],用拉力测试仪测定抗拉强度及断裂伸长率,拉伸速度设置为50 mm/s。

1.3.4 水蒸气透过系数

取20 mL蒸馏水倒入50 mL大小相同的小烧杯中[13],将膜包裹覆盖杯口并用细皮筋扎紧固定,将其放入含有硅胶的干燥器中,干燥器置于25 ℃恒温箱中。每隔2 h称重,重复6次,每组膜做3个平行,水蒸气透过系数(water vapor permeabilit,WVP)计算如公式(1)所示:

(1)

式中:x,膜厚,mm;S,有效面积18.08×10-4,m2;Δm,水分透过的质量,g;t,间隔时间,s;ΔP,膜两边的压强差,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],取质量为Wi(g)的膜放入50 mL蒸馏水中于室温下浸渍24 h,沥去浸渍液后放置于105 ℃干燥箱中,烘干至恒重,称得此时的质量为Wf(g),每组膜做3个平行,水溶性(water solubility,WS)计算如公式(2)所示:

(2)

1.3.6 透光性

将制得的可食性膜裁剪成30 mm×10 mm的样品,放于1 cm比色皿的一侧,使用紫外分光光度计在波长为500 nm的条件下测定其吸光度(Abs),并做空白对比试验。每组膜做3个平行,透光性(T)计算如公式(3)所示:

T/%=102-Abs

(3)

1.3.7 复合膜二级结构的测定

复合膜的红外光谱利用Thermo IS10傅立叶红外光谱仪进行测定,以空气为背景,扫描范围为4 000~600 cm-1,扫描次数32,分辨率为4 cm-1,所得图谱进行基线矫正处理。

1.3.8 复合膜微观结构的观察

使用日立SU5000扫描电镜对复合膜平面及截面微观形貌进行观察,加速电压为3 kV,测试样品截面用液氮冻裂,所有样品在测试前进行喷金处理。

1.3.9 复合膜热稳定性的测定

使用PerkinElmer DSC8500对复合膜热稳定性进行测试。取5~10 mg膜样置于铝坩埚中,以空坩埚作参比。在氮气流量为40 mL/min的条件下,从30 ℃加热到250 ℃,升温速率为5 K/min。记录吸热曲线,吸热曲线的峰值即为膜样的热变性温度。

1.3.10 抑菌性测定

参考PELISSARI等[15]的方法并略作修改,用抑菌圈方法测定复合膜对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌的抑菌活性。用打孔器取直径为6 mm的滤纸片若干,紫外灭菌后在膜液中浸30 min,实验前再进行紫外灭菌。将活化好的菌种用无菌生理盐水稀释100倍,作为初始菌液。将浸泡膜液后的滤纸片置于含有200 μL目标菌液的培养基上培养24 h后测定抑菌圈直径,每组做3个平行,取其平均值。

1.3.11 抗氧化性测定

参考李念等[16]的方法略作修改,分别称取600 mg膜样溶于20 mL蒸馏水中,置于摇床振荡5 h后过滤得复合膜滤液,取2 mL滤液于20 mL试管中,加入2 mL 0.1 mmol/L的DPPH溶液,充分振荡摇匀,室温下避光反应30 min,在517 nm处测定吸光度并记录吸光值为A2。移取2 mL无水乙醇于20 mL试管中代替复合膜溶液,测定吸光值为A1。以2 mL无水乙醇代替DPPH溶液,测定吸光值为A0。实验设计3组平行,清除率计算如公式(4)所示:

DPPH自由基清除率

(4)

1.3.12 数据分析

试验数据均已平均值±标准差(mean±SD)表示,试验结果采用SPSS 22.0软件利用Duncan进行多重比较,显著性水平设为0.05,运用Origin 9.1软件作图。

2 结果与分析

2.1 色差及表观分析

超声频率对壳聚糖/淀粉复合膜色差及表观结果影响分别见表1和图1。由表1可知,随着超声频率的增加,复合膜的的亮度先减小后增大,偏红程度不变,偏蓝程度逐渐减小,总色差值先增大后减小。但由于色差值变化过于微小,在肉眼条件下的复合膜的表观无明显变化,如图1表观图像所示,超声改性前后的壳聚糖/淀粉复合膜表面都呈现光滑状态,无明显颗粒杂质存在,改性前后的复合膜表观图无明显差异,因此,超声改性对壳聚糖/淀粉复合膜的色差以及表观结构无明显影响。

表1 超声频率对壳聚糖/淀粉复合膜色差的影响

Table 1 Effect of ultrasonic frequency on color difference of chitosan/starch composite film

注:ΔL值表示复合膜的明暗程度,Δa值表示复合膜的红绿程度,Δb值表示复合膜的黄蓝程度[17];不同小写字母表示差异显著(P<0.05)(下同)

超声频率/kHzΔLΔaΔbΔE088.06±0.11ab-1.50±0.00a-5.12±0.16b11.40±0.13b2587.98±0.28a-1.48±0.04a-5.12±0.19b11.45±0.19bc2887.94±0.17a-1.48±0.04a-5.36±0.18a11.66±0.20c4087.96±0.15a-1.48±0.04a-5.28±0.13ab11.59±0.03bc5988.26±0.15b-1.50±0.00a-4.86±0.15c11.08±0.15a

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

图1 不同超声频率改性后壳聚糖/淀粉复合膜的表观图像

Fig.1 Apparent images of chitosan/starch composite films modified with different ultrasonic frequencies

2.2 力学性能分析

复合膜的抗拉强度可以反映复合膜能承受力的大小,抗拉强度越高,表明复合膜能承受的力越大;复合膜的断裂伸长率能反映出复合膜的柔韧性,断裂伸长率越高,复合膜的柔韧性越好。由图2可知,随着超声频率的增加,复合膜的抗拉强度变化显著(P<0.05),超声组的抗拉强度值均大于未超声组,并呈现先增大后减小的趋势,且在28 kHz处抗拉强度达到最大值23.60 MPa,与未超声组9.18 MPa相比,抗拉强度提升了157%,超声处理能显著提升复合膜的抗拉强度。与未超声组相比,断裂伸长率整体呈现先增大后减小的趋势,经25、28、40 kHz改性后复合膜的断裂伸长率均大于未超声组,且25~40 kHz无显著差异(P<0.05),但随着超声频率的继续增加,断裂伸长率显著降低(P<0.05)。抗拉强度及断裂伸长率的变化主要是由于前期随着超声频率的增加,超声空化效应增加,使得壳聚糖的粒径变小、比表面积增大,氢键数量增加[9],促进了壳聚糖与淀粉之间共聚物的形成,导致复合膜空间结构的稳定性得到提升。但后期随着空化效应的继续增加,可能超过了复合膜的临界承受值,破坏了共聚物之间的结构[18],影响了复合膜的韧性,导致抗拉强度和断裂伸长率的降低。抗拉强度及断裂伸长率结果与张欣欣[19]的结论相似,都证明了适度的超声条件对复合膜的力学性能有一定的提升作用。

图2 超声频率对壳聚糖/淀粉复合膜抗拉强度及断裂伸长率的影响

Fig.2 Effect of ultrasonic frequency on tensile strength and elongation at break of chitosan/starch composite film

注:不同小写字母表示抗拉强度存在显著性差异(P<0.05);不同大写字母表示断裂伸长率存在显著性差异(P<0.05)

2.3 阻隔性能分析

复合膜的水蒸气透过系数可以反映复合膜对水蒸气的阻隔能力,阻隔水蒸气能力是判断包装材料优劣性的重要指标之一,水蒸气透过系数越小,说明膜的阻湿效果越好。由表2可知,随着超声频率的增加,复合膜水蒸气透过系数显著(P<0.05)降低,在超声频率为28 kHz 时取得最低值2.41×10-11 g/(Pa·s·m)后,随着后续超声频率的增加,水蒸气透过系数无显著差异(P<0.05)。这是由于超声频率的增强加大了超声空化效应,促进了壳聚糖与淀粉之间的相互作用,增加了复合膜的致密性,从而减少了水蒸气的渗透和溢出,导致水蒸气透过系数的减小[20]。复合膜的水溶性可以反映出复合膜对外界水分的抵抗能力。由表2可以看出,超声频率对复合膜的水溶性影响不大,水溶性之间无显著性差异(P<0.05),复合膜的水溶性保持在13%~15%,主要是因为壳聚糖与淀粉2种物质本身水溶性较低,在形成复合膜的过程中结构本身就比较致密,所以超声频率对水溶性影响不大[9-10]。关于复合膜的透光性,由表2可知,随着超声频率的增加,复合膜的透光性呈现先增加后减小的趋势,与抗拉强度的变化趋势保持一致,也是由于复合膜结构的致密性发生变化而变化的。

表2 超声频率对壳聚糖/淀粉复合膜水蒸气透过系数、水溶性及透光性的影响

Table 2 Effect of ultrasonic frequency on water vapor transmittance, water solubility and light transmittance of chitosan/starch composite film

超声频率/kHz水蒸气透过系数/[10-11 g·(Pa·s·m)-1]水溶性/%透光性/%03.84±0.59c 14.48±0.87b59.43±0.96a 253.11±0.32b14.47±0.84b66.07±0.26b282.39±0.17a 14.56±0.54b68.55±0.47c402.85±0.13ab13.71±0.35ab63.53±0.15b592.41±0.07a13.08±0.27a65.36±0.38b

2.4 二级结构分析

图3是超声改性后的壳聚糖/淀粉复合膜的傅立叶红外光谱图。由图3可以看出,超声改性前后复合膜特征峰大致相同。图中显示复合膜在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的骨架振动峰[21]。在1 575 cm-1左右为酰胺—NH2吸收带,在1 630 cm-1左右为酰胺 Ⅰ 带,壳聚糖/淀粉复合膜经过超声处理后,淀粉分子中酰胺 Ⅰ 带从1 634 cm-1向更低波数处移动,壳聚糖分子中的—NH2吸收峰也从1 575 cm-1略微向左偏移,这些偏移结果说明淀粉分子上的羟基与壳聚糖分子上的氨基发生了相互作用[22]。在3 290 cm-1左右有一个相对较宽的频带,这是由于O—H的伸缩振动峰与同在这一区域的N—H伸缩振动峰重叠所致的[23],并且由图3可以看出,超声后的复合膜在该位置的氢键特征峰向更低波数处移动,表明壳聚糖和淀粉分子间通过超声作用加剧了分子间氢键的形成。

图3 超声改性壳聚糖/淀粉膜的傅立叶红外光谱图

Fig.3 Fourier infrared spectra of chitosan/starch films modified by ultrasonic

2.5 扫描电镜结果分析

图4为不同超声频率改性后的复合膜平面及截面电镜扫描结果。由图4-a~图4-c不同平面图可以看出,未经超声处理的壳聚糖/淀粉复合膜的表面光滑、连续且均匀,结构完整性良好,膜基体平整致密,无明显裂痕。经过25 kHz及28 kHz超声处理后的复合膜表面依旧呈现均一、平整的状态,少有杂质出现,基本与对照组结构一致。由图4-f~图4-h不同截面图可以看出,经过超声处理的复合膜的内部结构更为均匀、致密、紧致。表明壳聚糖与淀粉复合过程中两物质本身相容较好,并且超声处理可以促进壳聚糖与淀粉分子间共聚物的形成[22],两物质能达到完全相容的状态,复合膜空间结构的稳定性致密性得到提高,形成的复合膜结构更加完整光滑。但随着超声频率的进一步加强,复合膜的表面及截面都逐渐出现凹凸不平且不均匀的区域,带有一些孔隙,能明显看出复合膜的结构出现了改变。说明随着超声频率的进一步增强,过大的空化效应破坏了原有的致密的壳聚糖/淀粉聚合物的结构[24],使得复合膜的结构变得松散,这与力学性能的研究结果一致。

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

图4 超声改性壳聚糖/淀粉复合膜的平面、截面扫描电镜图

Fig.4 Scanning electron mircroscope images of plane and cross section of chitosan/starch composite film modified by ultrasonic

注:a~e为平面图,f~j为截面图

2.6 热稳定性分析

熔融温度转变趋势及热焓值的大小可以反映复合膜的热稳定性。因此通过差示扫描量热法(different scanning calorimetry,DSC)测定了不同超声条件改性后的壳聚糖/淀粉复合膜的熔融温度,结果如图5、表3所示。如图5所示,在0~40 kHz,随着超声强度的增强,吸热峰向右发生偏移,与表3所示数据一致。这是因为随着超声频率的增加,壳聚糖与淀粉之间形成的共聚物之间产生了更加紧密的空间结构[25],导致更高的温度才能使其结构遭到破坏;但在40 kHz以后,随着超声频率的进一步增加,可能破坏了原有的共聚物之间的结构,导致熔融起始温度的降低。同时,热焓值也能反映复合膜结构的稳定性,热焓值越低,复合膜的结构越稳定[26],这与上述结果保持一致。

图5 超声改性壳聚糖/淀粉复合膜的DSC曲线

Fig.5 DSC curve of chitosan/starch composite film modified by ultrasonic

表3 超声改性壳聚糖/淀粉复合膜的DSC参数

Table 3 DSC parameters of chitosan/starch composite films modified by ultrasonic

注:T0表示熔融开始温度,T1表示熔融温度,T2表示熔融结束温度,H代表焓值

超声频率/kHzT0/℃T1/℃T2/℃H/(J·g-1)0146.46159.32204.94208.3025155.06159.48203.61207.0028183.35186.00209.17164.4040185.35187.55202.71167.8059183.79184.42202.94184.42

2.7 抑菌性分析

表4为不同超声频率改性后复合膜对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌抑菌圈的大小。壳聚糖/淀粉复合膜具有抑菌性主要是因为壳聚糖带正电荷的氨基基团可与细菌细胞膜上带负电荷的物质结合导致细胞膜破裂,细胞内容物流出致使微生物死亡[27]。由表4可知,不同超声频率对复合膜抑菌效果影响显著(P<0.05),并且随着超声频率的增加,复合膜对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌的抑菌效果均呈现先增加再减小的趋势。这可能是随着超声频率的增加,壳聚糖分子粒径变小,更多的氨基基团暴露并与细胞膜上的物质结合导致复合膜的抑菌性增加,但随着后期超声频率的继续增加,超声对壳聚糖分子的破坏程度加深,影响其与细胞膜的结合而导致复合膜的抑菌性下降[9]

表4 超声改性复合膜对微生物抑菌圈直径的影响

Table 4 Diameter of microbial inhibition zone of chitosan/starch composite film modified by ultrasonic

超声频率/kHz抑菌圈直径/mm大肠杆菌金黄色葡萄球菌06.52±0.02a6.55±0.02a256.53±0.01a6.56±0.01a287.01±0.01d6.92±0.02d406.97±0.01c6.87±0.15c596.82±0.02b6.75±0.15b

2.8 抗氧化性分析

若复合膜具有一定的抗氧化性,则其作为食品包装膜能起到延缓食品变质的作用。本实验以DPPH自由基清除能力来反映复合膜的抗氧化性。图6是不同超声频率改性后壳聚糖/淀粉复合膜的DPPH自由基清除率的大小。复合膜的抗氧化性随着超声频率的增加显著增加(P<0.05),经过28 kHz超声处理后的复合膜抗氧化性最强,为18.59%,但随着超声频率的继续增强,复合膜的抗氧化性显著降低(P<0.05)并趋于稳定。复合膜的抗氧化性主要通过壳聚糖分子上的活化羟基和氨基的还原性来实现的[9,28]。在超声过程中,一定的超声频率促进了复合膜结构中更多活化羟基及氨基的暴露,使得复合膜的抗氧化性增强,但随着超声频率的进一步增加,破坏了活化基团的结构与效能,使其抗氧化性下降,这与抑菌性的研究结果一致。

图6 超声频率对壳聚糖/淀粉复合膜DPPH清除率的影响

Fig.6 Effect of ultrasonic frequency on DPPH clearance of chitosan/starch composite membrane

注:不同小写字母表示差异显著(P<0.05)

3 结论

利用不同频率的超声条件处理壳聚糖/淀粉复合膜,并研究了改性后的复合膜物理特性、结构特性和生物活性的变化。结果显示,壳聚糖/淀粉复合膜的物理性能及生物活性随着超声强度的增加量呈现先增强后减弱的趋势;结构特性结果表明适度的超声强度可以增强复合膜的致密性。经28 kHz超声条件处理效果最佳,抗拉强度显著提高了157%;抑菌性及抗氧化也显著优于其他组;结构分析也显示其内部结构最为稳定;证明超声对于壳聚糖/淀粉复合膜的改性有效。改性后的复合膜生物活性虽然得到一定的提升,但依然具有较大提升空间,因此,在后续的研究中可以继续研究提升复合膜生物活性的方法,以期为复合膜的深入发展提供基础。

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Effect of ultrasonic modification on properties of chitosan/starch composite membrane

PEI Nuo1,DU Yufan1,SUN Jie1,WANG Zhihe1,2,3*

1(College of Food Science and Technology, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China)2(National Freshwater Aquatic Products Processing Technology Research and Development Center (Shanghai),Shanghai 201306, China)3(Shanghai Engineering Research Center of Aquatic Products Processing and Preservation, Shanghai 201306, China)

ABSTRACT As a green packaging material, chitosan/starch composite film has been widely used in food packaging, but the weak mechanical properties limit its application. In this paper, chitosan/starch composite membrane was modified by ultrasonic, and then the mechanical properties, barrier properties, surface structure, secondary structure, thermal stability and biological activity of the composite membrane modified by different ultrasonic frequencies were compared. The results showed that the tensile strength and elongation at break of the composite films increased first and then decreased with the increase of ultrasonic intensity. After 28 kHz ultrasonic treatment, the tensile strength of the composite film increased by 157%. Secondary structure, microstructure and thermal stability results also showed that it had a more stable internal structure. The bacteriostasis and antioxidant activity were better than other groups. This study proved that ultrasonic modification could improve the properties of composite membrane, and provided a theoretical basis for the effective application of chitosan/starch composite membrane.

Key words ultrasonic; chitosan; starch; composite membrane

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.029293

引用格式:裴诺,杜宇凡,孙洁,等.超声改性对壳聚糖/淀粉复合膜特性的影响[J].食品与发酵工业,2022,48(18):88-94.PEI Nuo,DU Yufan,SUN Jie, et al.Effect of ultrasonic modification on properties of chitosan/starch composite membrane[J].Food and Fermentation Industries,2022,48(18):88-94.

第一作者:硕士研究生(汪之和教授为通信作者,E-mail:zhwang@shou.edu.cn)

基金项目:国家重点研发计划项目(2019YFD0902003)

收稿日期:2021-09-05,改回日期:2021-10-09