无籽刺梨(Rosa sterilis)是生长在云贵地区的特有植物,营养丰富,是良好的第3代特色水果[1]。刺梨加工过程中产生大量的废弃物,其中含量最多的就是纤维素。如何利用纤维素是无籽刺梨产业的一个重要环节。纳米纤维素(nano-crystalline cellulose,NCC)是指直径在1~100 nm的纤维素[2],因其具有可降解性、高结晶度和良好的生物相容性,可改善食品、生物、化学等领域材料的透水透气性、力学性能等,被视为一种绿色环保材料,广泛应用于食品、医药等领域[3-4],近年来已成为研究热点。大豆分离蛋白(soybean protein isolate,SPI)是一种成膜性好的材料[5],在食品保鲜等领域具有独特的优势,但其透水透气性高及机械性差。如何提高以SPI为基材的复合膜性能是目前研究的一个热点。目前研究者采用纳米SO2、纳米纤维改性SPI膜性能方面已有相关的研究[6-7],但以无籽刺梨果渣(Rosa sterilis cellulose,RSC)为原料制备纳米纤维,并改善SPI膜性能的相关研究尚未见报道。
基于此,本文以无籽刺梨果渣为原料,采用硫酸水解法制备无籽刺梨纳米纤维(Rosa sterilis cellulose-nanocrystalline cellulose,RSC-NCC),并对RSC-NCC的基本特性进行表征。同时以SPI为成膜基材,对添加RSC-NCC的大豆分离蛋白膜(RSC-NCC/SPI)的性能进行了表征,并对透水透气性、机械性能进行了研究。研究结果可为无籽刺梨渣的纳米化提供参考,也为RSC-NCC在大豆分离蛋白膜的应用上提供参考。
无籽刺梨,云南昆明阿子营;NaClO(分析纯,活性氯≥5.5%),广东光华科技股份有限公司;NaOH、H2SO4、丙三醇等均为分析纯。
Quanta25场发射扫描电镜,美国FEI公司;JEM2100透射电子显微镜,日本JEOL公司;DSC204F1差示量热扫描仪,德国NETZCH公司;IRPrestige-21傅立叶红外光谱仪,日本Shimadu公司;Rigaku Ultima IV X-射线衍射仪,日本理学Rigaku公司;ST3100pH计,奥豪斯仪器(常州)有限公司;TG16-WS高速台式离心机,湖南迈克尔实验仪器有限公司;XINYI-IID超声波细胞粉碎机,宁波新艺超声设备有限公司;FD5-3冷冻干燥机,美国GOLD-SIM公司;UTM5105电子万能试验机,深圳三思纵横。
1.3.1 RSC制备
根据参考文献制备无籽刺梨纤维素[8]。无籽刺梨清洗、切分并榨汁,收集皮渣,用去离子水洗至滤液澄清,60 ℃烘干,粉碎、过60目筛,取晒下样品。500 mL去离子水中加入15 g无籽刺梨粉,85 ℃水浴2 h,加入NaClO溶液,HCl调pH至3.5~4.4,85 ℃水浴1 h,抽滤,滤渣用去离子水洗涤至中性,然后用95%(体积分数)乙醇洗涤1次,60 ℃烘干。烘干后样品与75 mL的10%(质量分数)NaOH溶液混合,85 ℃水浴1 h,抽滤,滤渣用去离子水洗涤至中性,然后用95%乙醇洗涤1次,60 ℃烘干。样品粉碎,过100目筛,取筛下样品,得无籽刺梨纤维素。
1.3.2 RSC-NCC制备
根据参考文献制备无籽刺梨纳米纤维素[8]。2 g RSC与质量分数55%硫酸,按料液比1∶20混匀,45 ℃水浴,100 r/min搅拌40 min,加400 mL的4 ℃去离子水,终止反应。10 000 r/min离心10 min,弃上清液,加去离子水至离心管2/3,离心,重复以上步骤,直至上层液体为乳白色悬浮液。收集乳液,放入透析袋(截留分子质量8 000~14 000 Da),用去离子水透析至pH呈中性,超声30 min,冷冻干燥,即得RSC-NCC。
1.3.3 SPI/RSC-NCC复合膜制备
根据参考文献制备SPI/RSC-NCC复合膜[9]。将5 g SPI分散于50 mL去离子水中,另取SPI质量分数为3%的RSC-NCC分散于50 mL去离子水中,570 W超声90 min,2种溶液混合。混合液中加入2.5 g丙三醇,85 ℃水浴,100 r/min搅拌60 min,14 000 r/min高速均质5 min。混合液300 W超声10 min进行消泡,倒入9 cm塑料培养皿中(8 g/个),35 ℃干燥24 h。样品置于恒温恒湿培养箱(25 ℃、相对湿度50%)平衡48 h,复合膜测试。
1.4.1 RSC-NCC性质测定
(1)扫描电镜分析(scanning electron microscopy,SEM):采用Quanta 25场发射扫描电镜观察样品形貌,放大倍数10 000倍,加速电压20 kV[10];(2)透射电镜分析(transmission electron microscopy,TEM):取1滴1 %(质量分数) RSC-NCC悬浮液滴在碳铜网上,干燥,加1滴1 mg/mL磷钨酸染液染色30 s。利用JEM2100型透射电子显微镜观察RSC-NCC,加速电压为200 kV[8];(3)差示扫描量热法分析(differential scanning calorimetry,DSC):5 mg样品置于铝制坩埚,温度25~250 ℃,升温速度10 ℃/min,氮气流速20 mL/min;(4)傅里叶红外光谱分析(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR):采用KBr压片法制备样品,扫描范围为4 000~500 cm-1;(5)X-射线衍射分析(X-ray diffraction,XRD):X-射线衍射仪分析样品结晶结构,测试波长1.54,电压40 kV,电流40 mA,扫描范围为5°~40°[10]。
1.4.2 RSC-NCC/SPI复合膜性能测定
(1)水蒸气透过系数(water vapor permeability,WVP)采用杯试法测定[11]。称取3.0 g无水CaCl2于称量瓶中,膜密封称量瓶瓶口,石蜡密封。样品置于25 ℃、相对湿度50%的环境168 h(7 d),记录称量瓶质量变化。WVP的计算如公式(1)所示:
(1)
式中:WVP,g·mm/(m2·h·kPa);Δm,称量瓶质量变化,g;L,膜厚度,mm;t,测试时间,h;A,薄膜的面积,m2;ΔP,试样两侧的蒸气压差,1.58 kPa。
(2)CO2透过率(QCO2)采用强碱吸收法测定[12]。称取3 g KOH于称量瓶中,膜密封称量瓶瓶口,石蜡密封。样品置于25 ℃、相对湿度50%的环境168 h(7 d),记录称量瓶质量变化。QCO2的计算如公式(2)所示:
(2)
式中:QCO2,CO2透过率,g/(m2·h);Δm,称量瓶质量变化,g;t,测试时间,h;A,薄膜的面积,m2。
(3)氧气透过率按过氧化值法测定[13]。称取5 g大豆油于称量瓶中,膜密封称量瓶瓶口,石蜡密封。样品置于25 ℃、相对湿度50%的环境7 d,以GB 5009.227—2016测定大豆油的过氧化值(peroxide value,POV)。
(4)参考GB/T 1040.3—2006复合膜机械性能[13]。将膜裁为90 mm×10 mm长条状,采用电子万能试验机测量膜的拉伸强度(tensile strength,TS)和断裂伸长率(elongation at break,EB),测试速度为5 mm/min。TS和EB的计算分别如公式(3)、公式(4)所示:
(3)
式中:TS,MPa;P,膜断裂时的最大作用力,N;b,试样宽度,mm;d,膜厚度,mm。
(4)
式中:EB,%;L0,膜的初始长度,mm;L,膜断裂时的长度,mm。
(5)表征分析。SEM分析:RSC-NCC/SPI复合膜固定后喷金,采用SEM观察膜的表面及横截面的形貌[14],横截面采用液氮冷冻后,测膜的断裂面。DSC分析:以空坩埚为对照,温度为25~250 ℃,升温速率为10 ℃/min。FTIR分析:FTIR仪对复合膜进行扫描,波数为4 000~600 cm-1[14]。XRD分析:采用Rigaku Ultima IV X-射线衍射仪分析样品,使用Cu-Kα射线,扫描范围为5°~60°。
2.1.1 微观结构分析
RS、RSC和RSC-NCC的SEM如图1所示,图2为RSC-NCC的TEM图。由图1可知,RS呈不规则形状,这是刺梨渣的原有表观结构;经NaClO去半纤维素,NaOH去木质素后,RSC呈束状结构,明显可见条状痕迹;经硫酸酸解的木纤维素制备的纳米纤维团聚在一起,形成了稳定的胶体,干燥后的微观结构呈块状。原因为RS-NCC粒径小,比表面积巨大,范德华力对纳米结构之间的影响,导致出现黏结和堆叠的现象,干燥后呈块状[15]。为了观察RSC-NCC的纳米丝状结构,采用TEM观察了其结构。由图2可知,溶解后的RSC-NCC直径约10 nm,长约500 nm,呈明显的纳米级别,说明硫酸能够有效的水解RSC,使其降低到纳米级别的尺寸。
a-RS;b-RSC;c-RSC-NCC
图1 RS、RSC和RSC-NCC的扫描电镜图
Fig.1 SEM images of RS,RSC, and RSC-NCC
图2 RSC-NCC的透射电镜图
Fig.2 TEM image of RSC-NCC
2.1.2 热稳定性分析
由图3可知,3种样品发生放热反应,RS、RSC和RSC-NCC的熔融温度分别约为165、117、100 ℃,RSC-NCC的熔融温度最低,RSC-NCC熔融温度和RS相比降低了65 ℃。结果可见RS、RSC、RSC-NCC的热稳定性逐渐下降。原料RS中含有木质素,且结构紧密,要破坏稳定结构需要的热量多,因此熔融温度最高。采用RS制备的RSC因去除了木质素,且纤维素的一些紧凑结构部分打开,因此熔融温度下降;以RSC为原料制备的RSC-NCC在硫酸水解后形成纳米级纤维素,粒径减小,比表面积增大,聚合度降低,导致裸露的活性基团增多,导致熔点降低[10]。
图3 RS、RSC和RSC-NCC的DSC曲线
Fig.3 DSC curves of RS, RSC, and RSC-NCC
2.1.3 FTIR分析
RS、RSC和RSC-NCC的红外光谱如图4所示。3 440 cm-1特征峰为纤维素中的—OH伸缩振动,2 920 cm-1附近为—CH伸缩振动[16]。由图4可知,RSC、RSC-NCC比RS强度略大,可能是RSC、RSC-NCC制备过程中,木质素减少,纤维素和纳米纤维素中的—OH、—CH相对数量增加,强度增强。在RS中,1 735 cm-1可见明显的吸收峰,为原料中半纤维素中的CO伸缩振动引起[17]。1 636 cm-1是由H—O—H的弯曲振动引起,RS强度大于RSC和RSC-NCC。这是因原料中较多的半纤维素,当除去半纤维素后,强度下降。1 061 cm-1为吡喃糖环C—O伸缩振动,3个样品没有明显区别。RS、RSC和RS-NCC样品的特征峰没有发生明显变化,说明在制备RSC的过程中,保留了纤维素的基本特征结构,硫酸水解的纳米纤维素制备过程中并未破坏和改变纤维素分子的化学结构。
图4 RS、RSC和RSC-NCC的FTIR图
Fig.4 FTIR spectra of RS, RSC, and RSC-NCC
2.1.4 XRD分析
图5为RS、RSC以及RSC-NCC的XRD图。RS在14.88°、21.30°,RSC在20.16°、21.70°,RSC-NCC在22.10°时,对应的是典型的Ⅰ型纤维素衍射峰。RSC、RSC-NCC在12.04°时出现新的衍射峰,对应Ⅱ型纤维素衍射峰,说明RS经强碱处理后,其内部的氢键断裂,结构发生变化,暴露出更多官能团,出现新的晶型[16]。在20°~23°时,RSC、RSC-NCC衍射峰比RS更强,这是由于经过碱处理及氧化漂白除去了无定形区的半纤维素、木质素、果胶等杂质,因此纤维素结晶区的占比有所增加[10]。RSC-NCC相较于RSC峰值降低,原因为RSC表面结晶区面积大,在强酸水解下,不仅使无定形区的氢键断裂,部分结晶区纤维素之间的氢键也被水解,结晶结构遭到破坏,故RSC-NCC结晶度略有下降[18]。
图5 RS、RSC和RS-NCC的X射线衍射图
Fig.5 X-ray diffraction patterns of RS, RSC, and RSC-NCC
2.2.1 复合膜基本特性
透水透气性是衡量膜的质量的重要指标之一。WVP越低,说明膜的透水效果越差,与空气中水分接触的可能性越小;而油脂过氧化值和QCO2越小,说明膜的透气性越差,有助于延缓食品腐败变质。由表1可知,RSC-NCC/SPI复合膜的WVP、QCO2和POV值比SPI膜分别降低了11.04%、5.63%和42.79%,这可能是由于RSC-NCC与蛋白质之间形成了致密、稳定和有序的网络结构,阻碍了水蒸汽和气体透过[19]。WVP、QCO2差异不显著,但透氧性差异显著,这可能是氧气分子质量小,更易透过复合膜,添加RSC-NCC后,其透过性显著下降。机械强度可以使复合膜在贮藏、运输过程中较好地保持内部物质的完整性[20]。RSC-NCC/SPI复合膜的TS提高了18.15%,EB增加了44.8%,这可能是因为RSC-NCC与蛋白质之间发生了缔合和交联作用[21],使得复合膜的抗拉强度和断裂伸长率都有一定的提高。
表1 SPI和RS-NCC/SPI基本特性
Table 1 SPI and RSC-NCC/SPI performance test sheet
组别WVP/[(g·mm)·(m2·h·kPa)-1]QCO2/[g·(h·m2)-1]POV/[g·(100 g)-1]TS/MPaEB/%RSC-NCC/SPI0.164 3a6.308 9b0.025 4a1.517a66.7aSPI0.184 7a6.685 3a0.044 4a1.284b21.9c
注:同一列中不同字母表示差异显著(P<0.05)
2.2.2 复合膜形貌特征
图6为SPI和RSC-NCC/SPI膜表面(图6-a、图6-b)和截面(图6-c、图6-d)SEM图。SPI和RSC-NCC/SPI没有明显区别,说明RSC-NCC能均匀地分散在膜中,能与SPI形成稳定均匀的溶液,制备的复合膜均匀,具有较好的填充作用[22]。SPI和RSC-NCC/SPI的截面明显不同。SPI膜截面具有较多的裂纹,而RSC-NCC截面裂纹较少,可有效减小复合膜的透水透气性,这与之前SPI和RSC-NCC基本性质一致。
a-SPI膜表面;b-RSC-NCC/SPI膜表面;c-SPI膜截面; d-RSC-NCC/SPI膜截面
图6 SPI和RSC-NCC/SPI膜的SEM图
Fig.6 SEM of SPI film and RSC-NCC/SPI composite film
2.2.3 复合膜DSC分析
由图7可知,SPI膜的熔融温度为143 ℃,加入RSC-NCC后,RSC-NCC/SPI复合膜的熔点变为168 ℃,熔点升高了25 ℃。这是因为RSC-NCC与SPI之间的氢键、范德华力增强,同时RSC-NCC的纳米尺度效应阻碍了大豆分离蛋白的分子热运动,可提高SPI膜的热稳定性[13]。此外RSC-NCC的加入强化了SPI的网状结构,使复合膜的热稳定性能提高。
2.2.4 复合膜FTIR分析
SPI和RSC-NCC/SPI膜在4 000~600 cm-1的红外光谱图如图8所示。SPI在3 250 cm-1吸收峰是O—H和N—H特征缔合峰;1 630、1 540、12 40 cm-1处的吸收峰对应于大豆分离蛋白中酰胺I(CO伸缩振动)、酰胺Ⅱ(N—H弯曲振动)和酰胺Ⅲ(C—H伸缩振动和N—H伸缩振动)特征吸收峰[23],1 030 cm-1吸收峰为C—O的伸缩振动峰。随着RSC-NCC加入,SPI在3 250、1 630 cm-1处的吸收峰偏移到3 260、1 640 cm-1处,整体向高波数移动。RSC-NCC 和SPI间有很强的氢键作用,但特征峰未发生明显变化,RSC-NCC的添加对SPI结构没有影响,保留了膜的基本结构[14]。
图7 SPI和RSC-NCC/SPI的DSC曲线
Fig.7 DSC curves of SPI and RSC-NCC/SPI
图8 SPI和RSC-NCC/SPI膜的FTIR图
Fig.8 FTIR spectra of SPI and RSC-NCC/SPI
2.2.5 复合膜XRD分析
由图9可知,SPI膜在7.96°出现相对较弱的衍射峰,在20.24°处出现明显的衍射峰,其对应于大豆分离蛋白二级结构中β有序折叠。RSC-NCC/SPI复合膜在8.70°处出现弱衍射峰,相较于SPI膜,2θ略有增大,表明RSC-NCC使分子链的排列变得紧密,各组分分子间的相互作用稍许增强,影响了结晶结构,进而提高了膜的综合性能[11]。且由于强衍射峰位置没有发生较大改变,说明添加适量RSC-NCC没有改变膜的基本结构。RSC-NCC/SPI复合膜在20.24°处峰值强度略低于SPI膜,原因为纳米纤维素使分子间的无序性增加,导致复合膜结晶度降低。
图9 SPI和RSC-NCC/SPI的X射线衍射图
Fig.9 X-ray diffraction of SPI and RSC-NCC/SPI
以无籽刺梨果渣为原料,采用硫酸水解法制备RSC-NCC,通过进行SEM、TEM、DSC、FTIR、XRD的微观结构观察和性质表征,结果发现RSC-NCC直径约10 nm,长约500 nm,保留了纤维素的基本化学结构,结晶度较高,熔融温度100 ℃。
以SPI为基材,添加RSC-NCC制备RSC-NCC/SPI复合膜,研究RSC-NCC对SPI膜性能的影响。结果发现膜的透水蒸汽率和透气性均低于SPI膜,TS和EB有明显提高,这些性质有助于RSC-NCC/SPI膜在食品包装应用;SEM、DSC、FTIR和XRD分析表明RSC-NCC和SPI具有良好的相容性,复合膜结构致密性提高,稳定性增强。
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