孙琮，王文涛，秦洋，袁新福，侯汉学*
(山东农业大学 食品科学与工程学院，山东 泰安，271018)
摘 要 对明胶(gelatin，GEL)进行加水润胀(20 %、25 %、30 %，质量分数)预处理，然后分别与氧化羟丙基淀粉(oxidized hydroxypropyl starch，OS)和羟丙基交联淀粉(hydroxypropyl distarch phosphate，HP)混合，添加起酥油作为疏水剂，硬脂酸锌、硬脂酸钙作为润滑剂，采用挤出吹塑工艺制备了可食性淀粉/明胶复合膜。通过扫描电镜(scanning electron microscope，SEM)、X射线衍射(X-ray diffraction，XRD)、差示量热扫描(differential scanning calorimetry，DSC)、低场核磁共振(low differential scanning calorimetry，L-NMR)、红外光谱(infrared spectroscopy，IR)，研究了明胶润胀加水量对复合膜性能与结构的影响。结果表明：25%水润胀的明胶与氧化羟丙基淀粉的复合膜存在最好的相容性，具有最好的力学性能和阻水性。适宜的水分添加量有助于淀粉的糊化和明胶的熔融，有助于增强分子间的作用力和膜的均匀性。
关键词 氧化淀粉；交联淀粉；明胶；可食性膜；挤出吹塑
第一作者：硕士研究生(侯汉学副教授为通讯作者，E-mail：494497530@qq.com)。
基金项目：国家自然科学基金(31371747)；山东省2018年度农业重大应用技术创新项目
收稿日期：2018-08-10，改回日期：2018-09-25
DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.018487
传统的石油基食品包装材料不仅会造成严重的环境污染，其引起的食品安全问题也日益突出。可食性包装膜具有可食性和全降解性等优点，逐渐成为了世界各国的研究热点[1]。明胶由动物的胶原蛋白热变性或者经物理、化学降解得到，具有极好的成膜性、生物降解性[2]和生物相容性。但明胶材料的价格较高，限制了在可食性膜研究中的应用。淀粉是一种天然高分子多糖，来源丰富且价格低廉，有很好的生物相容性和可降解性，通过化学改性可显著提升淀粉的加工性能，氧化羟丙基淀粉和羟丙基交联淀粉是2种公认的成膜性能较好的改性淀粉，且不存在安全性问题[3]，但单独使用存在成膜性较差，阻水性能较低等缺陷，应用范围受到限制[4]。将明胶与改性淀粉进行共混制成可食性复合膜，不仅能够改善和提高膜的性能，还能有效降低生产成本，从而扩大可食性膜的应用范围，因此成为越来越多的国内外学者探索的方向[5]。为使明胶与淀粉能够更好地实现共混，避免相分离现象，往往选择添加各种小分子增塑剂，水不仅是一种良好的增塑剂，而且还是促进淀粉糊化的重要因素，淀粉的糊化能够提高淀粉的界面亲和力，促进明胶与淀粉的均匀共混，从而提高二者的相容性[6]。
目前，淀粉/明胶复合膜主要采用溶液流延法制备，此法生产效率低、能耗大，限制了淀粉/明胶复合膜的推广应用。但是，淀粉直接与明胶混合后很难采用吹塑工艺制膜。FAKHOURI等[7]研究了不同制备方法对淀粉/明胶复合膜性能的影响，由于吹胀比较低，未能实现真正意义上的吹膜。
本研究采用不同的加水量对明胶颗粒进行预处理，然后分别与羟丙基交联淀粉和氧化羟丙基淀粉共混，采用熔融挤出吹塑的方法制备可食性淀粉/明胶复合膜，旨在探索不同明胶浸润加水量对复合膜性能的影响，以期研发出阻水性能好，且适应工业化生产的可食性淀粉/明胶复合膜。
羟丙基交联淀粉(hydroxypropyl distarch phosphate，HP)、氧化羟丙基淀粉(oxidized hydroxypropyl starch，OS)，杭州普罗星淀粉有限公司；牛皮明胶(GEL)，商水县富源明胶有限公司；硬脂酸锌、硬脂酸钙，湖州菱湖化学有限公司；起酥油，上海瑞勋国际贸易有限公司；甘油，天津市凯通化学试剂有限公司；吐温80，山东优索化工科技有限公司。
高速混合机(SHR-50A型),张家港市宏基机械有限公司；双螺杆挤出机,莱芜市精瑞塑料机械有限公司；单螺杆挤出吹塑试验机,张家港市联江机械有限公司；高速分散机(T-18D-S25型),德国IKA仪器公司；水蒸气透过率测试仪(PERMETMW3/030),济南兰光机电技术有限公司；紫外可见分光光度计(UV-2100型),北京普析通用仪器有限责任公司；X射线衍射仪(D8ADVANCE型),德国BRUKER-AXS有限公司；扫描电镜(QUANTA FEG 250),美国FEI公司；智能电子拉力机(XLW(PC)),济南兰光机电技术有限公司；(Nexus 670)红外光谱仪(ATR),美国Thermo Fisher Scientific。低场核磁成像仪(纽迈NMI20-015V-I型),苏州纽迈分析仪器股份有限公司。
1.3.1 淀粉/明胶复合膜的制备
将明胶颗粒过10目筛，然后进行加水润胀预处理并放置24 h，加水量分别为20%、25%、30%(质量分数)。将润胀好的明胶分别与氧化羟丙基淀粉(OS)和羟丙基交联淀粉(HP)按照质量比1∶2混合，在高速混合机中，低速(5 Hz)搅拌5 min。
将占干物料质量分数为6%的起酥油于烧杯中融化，再加入质量分数26.5%的甘油、2%吐温80，用高速分散机以20 000 r/min的转速分散5 min，形成稳定均一的液体。
将混合好的液料通过助剂阀门缓慢加入到混料机中，高速(12 Hz)搅拌10 min后，密封放置24 h。然后将物料通过双螺杆挤出机进行挤压造粒，造粒机的各温区温度分别设定为：80、90、105、105、95、85 ℃，螺杆转速为115 r/min。制得的物料通过切粒机粉碎后，利用单螺杆挤出吹塑机进行挤出吹膜，吹膜机的各区温度设定为90、100、105、115、105、95 ℃，螺杆转速为50 r/min，吹胀比为5，拉伸比为3。
1.3.2 淀粉/明胶复合膜的扫描电镜分析
利用QUANTA FEG 250电子显微镜扫描观察复合膜的表观形貌，膜样品表面进行喷金处理后进行扫描，加速电压为5.0 kV。
1.3.3 淀粉/明胶复合膜力学性能测试
复合膜的力学性能包括抗拉强度(tensile strength, TS，MPa)和断裂伸长率(elongation,E，%)。力学性能测试按照ASTM D882-02的方法，并根据复合膜的条件略作改动。将膜裁成150 mm×15 mm的长条，并放置在23 ℃和相对湿度(relative humidity，RH)为53%的恒温恒湿箱中均湿7 d。本试验中设置拉力机的初始夹距为100 mm，探头的移动速度为100 mm/min。每组样品重复测试6次，计算平均值。
1.3.4 淀粉/明胶复合膜水蒸气渗透系数的测定
将复合膜样品切成3个半径为20 mm的圆，固定在量湿杯中，测试面积为33.00 cm2，仪器预热时间设定为4 h，测试温度为38 ℃，测试湿度为90%，称重间隔为120 min。最终数据由3个独立的测试结果得出。
1.3.5 淀粉/明胶复合膜X-射线衍射分析
将复合膜样品在23 ℃和RH为53%的恒温恒湿箱中均湿7 d，测试的衍射角2θ范围为1°～40°，测试速率为0.02 °/s。
1.3.6 淀粉/明胶复合膜的傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析
使用Nexus 670红外光谱仪(ATR)直接进行测试，扫描波数范围为4 000～550 cm-1，累计扫描次数和扫描速率分别为32和4 cm-1。
1.3.7 淀粉/明胶复合膜的低场核磁分析
淀粉膜被裁剪成1.5 cm的长条，之后卷曲成为直径15 mm的圆柱体，并使用特氟龙带捆绑固定后，放入直径为15 mm的玻璃管中。将玻璃管插入仪器测试仓内，通过软件操作完成测量。试验参数为：测试温度(32±0.1) ℃，场强21.149 MHz，淀粉膜的自选弛豫时间(T2)通过CPMG序列方法测试并反演得到。
1.3.8 淀粉/明胶复合膜的DSC分析
将5 mg左右的复合膜样品放置于铝制坩埚中密封，以空铝盒作为对照，以氮气为吹扫气，以20 mL/min的速度吹扫坩埚，以保持内部测试环境的稳定。测试温度范围为-40～200 ℃，升温速率为5 ℃/min。
1.3.9 数据处理
数据采用Origin8.0进行作图，SPSS 18.0进行数据统计分析。
由图1可以看出，不同加水量的明胶颗粒的熔融温度有着显著差异，随着加水量的增加，峰值温度(Tm)逐渐左移，且峰形有着变宽的趋势，这说明明胶的浸润处理有效的降低了明胶颗粒的融化温度，提升了明胶与淀粉的相容性。随着加水量的增加，Tm的变化量逐渐变小，这说明浸润明胶的水量趋于饱和，过量的水分不利于聚合物的塑性。
图1 不同加水量浸润处理的明胶颗粒的DSC分析
Fig.1 DSC analysis of different water addition of gelatin
图2-a为氧化羟丙基淀粉(OS)与3种不同加水量润胀的明胶(GEL)复合膜表面形貌。图2-b为羟丙基交联淀粉(HP)与3种不同加水量润胀的明胶复合膜表面形貌。由图2可以看出，复合膜的表面仍然有较多尚未完全糊化的淀粉颗粒，使膜的表面变得粗糙，这可能会降低膜的抗拉强度以及阻水性[7]。但随着加水量的增加，淀粉颗粒的数量呈现减少的趋势，说明水分含量的增加有助于淀粉的糊化，使更多糊化膨胀的淀粉颗粒嵌入到明胶的三维网状结构中，有利于膜性能的提升。对比图2-a和图2-b可以发现，HP与GEL的复合膜表面多为完整的球形颗粒，而OS与GEL的复合膜表面多为不规则小颗粒，这是由于2种淀粉的糊化温度不同导致的糊化难易程度不同造成的。2种淀粉/明胶复合膜形态结构的差异可能会造成它们理化性质的不同。
图2 淀粉/明胶复合膜的扫描电镜图
Fig.2 Scanning electron microscopy of starch/gelatin composite film
OS/GEL复合膜与HP/GEL复合膜的抗拉强度如图3-a所示。由图3-a可知，25%加水量的OS/GEL复合膜呈现出最大的抗拉强度，HP/GEL复合膜的抗拉强度随加水量增加而上升。OS/GEL复合膜与HP/GEL复合膜的断裂伸长率如图3-b所示。由图3-b可知，2种复合膜的断裂伸长率均较低，这是由于明胶膜具有强黏附能力，在相对较低的湿度环境下会表现出较差的韧性和较高的杨氏模量[8]。 本文由于采用挤出吹膜的方式，加工温度较高，可能导致蛋白质变性，且增塑剂存在一定程度的挥发，使得膜的韧性较流延膜相比均有降低[7]。HP/GEL复合膜的断裂伸长率逐渐减小，可能是因为随着水分添加量的增加，HP的糊化程度和GEL的熔融程度均提高，从而增强了淀粉分子与明胶分子间的相互作用力，降低了复合膜中分子运动能力。由图3可知，加水量25%的OS/GEL复合膜表现出较好的机械性能，这可能是由于氧化淀粉属于离子型淀粉，与明胶的官能团结合的更加紧密，两者相容性更好。
图3 淀粉/明胶复合膜的机械性能
Fig.3 Mechanical properties of starch/gelatin composite films
注：同类柱状图上具有不同字母表示显著性差异(P<0.05),下同。
由图4可知，HP/GEL复合膜的水蒸气渗透系数均高于OS/HP膜，这是由于2种淀粉的分子结构不同造成的，氧化淀粉分子经高度解聚，暴露出更多基团，引入的羧基与明胶有较好的相容性，分子之间结合的更紧密[7]，使水分子难以透过。而在相同加水量条件下，羟丙基交联淀粉的糊化程度较低，阻碍了与明胶分子间的充分结合，使膜的致密性降低，导致水分子容易透过。随着加水量的增加，复合膜的水蒸汽渗透系数有所增加，这是因为水分子的增加导致淀粉膜中自由体积的膨胀，使水分子更容易透过[9]。
图4 淀粉/明胶复合膜的水蒸气渗透系数
Fig.4 Water vapor permeability coefficient of starch/gelatin composite film
OS/GEL复合膜和HP/GEL复合膜的XRD分析如图5所示。由图5可知，在2θ=15°～23°出现了一系列峰，这些是属于淀粉的特征峰。据报道，明胶的特征峰出现在20°左右，与淀粉特征峰相重叠[10]，也有学者发现在2θ=7°～8°附近出现的小峰[11]，也属于明胶的特征峰。随着明胶加水量的增加，2种复合膜的XRD图谱呈现出不同的变化趋势。OS/GEL复合膜的衍射强度随着加水量的升高而降低，表明淀粉的糊化程度和明胶的熔融程度提高，分子间相互作用增强，减弱了由于分子运动造成的重结晶[12]。而HP/GEL复合膜的衍射峰强度随着加水量的增加而增强，这可能是由于在此加水量条件下，HP淀粉颗粒发生了充分溶胀但尚未充分糊化，作为增塑剂的水越多，润胀淀粉颗粒中的淀粉分子越易发生结晶重排。
图5 淀粉/明胶复合膜的XRD分析
Fig.5 XRD analysis of starch/gelatin composite film
由图6可知，在3 280 cm-1左右和2 850～3 000 cm-1处有较强且宽的吸收峰，分别代表—OH的伸缩振动和—CH的对称伸缩振动，1 630 cm-1左右的峰代表了酰胺Ⅰ带—CO的伸缩振动，1 550 cm-1处附近出现的峰属于酰胺Ⅱ带的—NH弯曲振动和—CN伸缩振动，1 250 cm-1处为酰胺Ⅲ带的—CN伸缩振动和酰胺Ⅱ的—NH的弯曲振动[13-14]。位于875～1 080 cm-1处的峰带属于淀粉中CO，CC伸缩振动，以及—C—OH弯曲振动。从图6中可以看出，随着水添加量的增加，淀粉/明胶复合膜的FI-IR光谱未发生明显变化，说明明胶与淀粉之间主要是物理相互作用[15]。
图6 淀粉/明胶复合膜的FT-IR图谱
Fig.6 FT-IR spectrum of starch/gelatin composite film
注：OS/GEL复合膜(a-20%水；b-25%水；c-30%水)； HP/GEL复合膜(d-20%水；e-25%水；f-30%水)。
低场核磁技术中自旋-自旋时间(T2，又称横向弛豫时间)是指自旋质子受到激发后与相邻的质子间发生能量交换，直到达到动态平衡所需的时间[16]。样品含水量的多少和样品大分子与水分子的结合能力的多样性是引起T2变化的重要原因[17]，其中弛豫较快(T21)的为结合水，弛豫较慢(T22)的为自由水，S21、S22分别表示为结合水与自由水的量[11]。由表1和表2可知，当加水量为25%时，2种膜的结合水达到最长弛豫时间，此时明胶润胀程度达到最佳，结合的氢质子数量增多，从而使氢质子从激发态恢复到基态所需的时间增加，弛豫时间变长。
表1 OS/GEL复合膜的低场核磁测试
Table 1 Low-field NMR of OS/GEL composite films
表2 HP/GEL复合膜的低场核磁测试
Table 2 Low-field NMR of HP/GEL composite films
对比2种复合膜的T21、S21与T22、S22可以发现，2种膜的T21、S21的变化规律相同，而T22、S22的变化规律不同。由此可以推测，复合膜中的结合水主要是由明胶保持，而自由水的吸附是明胶与淀粉共同作用的结果。
由图7可知，在位于47°、110°、140°左右的熔融吸热峰是分别属于油脂、明胶以及淀粉的吸热特征峰[18-19]。图中明胶的吸热峰与淀粉的吸热峰有些许重叠，说明相容性比较好[20]。随着加水量的提高，2种复合膜的Tm均有不同程度的增加，这是由于水的增加一定程度上促进了淀粉的糊化和明胶的熔融，有利于淀粉分子和明胶分子的充分接触，能使分子之间形成更多牢固的氢键，当复合膜重结晶后，热稳定性提高[8]。随着明胶加水量的增加，OS/GEL膜的ΔTm呈现的变化趋势为先减小后增大，而HP/GEL膜的ΔTm是逐渐增加的，这说明交联淀粉与明胶的相容性随加水量增加而增加，氧化淀粉与明胶的相容性在25%加水量时达到最佳。这一结果与前面力学性能的分析相一致。
图7 淀粉/明胶复合膜的DSC分析
Fig.7 DSC analysis of starch/gelatin composite film
通过对明胶加水浸润预处理，成功采用挤出吹塑工艺制备出了淀粉/明胶复合膜，为淀粉与明胶挤出吹塑制膜提供了新的思路。明胶的加水预处理对复合膜的性能具有显著影响。适宜的加水量有助于促进淀粉的糊化以及明胶的融熔，使淀粉与明胶分子间形成牢固的氢键，增强了分子间的作用力，使复合膜的致密性有所提高。25%加水量预处理明胶与氧化淀粉的复合膜表现出最优的力学性能和阻水性能。较高的加水量能够促进淀粉分子的重结晶，复合膜中的结合水主要由明胶保持，自由水则由明胶淀粉共同束缚。适当的加水量能够促进明胶与淀粉相容性及热稳定性。
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SUN Cong，WANG Wentao，QIN Yang, YUAN Xinfu, HOU Hanxue*
(College of Food Science and Engineering，Shandong Agricultural University，Tai’an 271018，China)
Abstract Gelatin was wetted with 20%, 25% and 30% water, followed by mixing with oxidized hydroxypropyl starch and hydroxypropyl distarch phosphate starch, respectively. Shortening was added as a hydrophobic agent. Zinc stearate and calcium stearate were added as lubricants. Edible starch/gelatin composite films were prepared by extrusion blowing. The effects of the amount of water added to gelatin on the properties and structures of starch/gelatin composite films were investigated by scanning electron microscopy, X-ray diffraction, differential calorimetry, low-field NMR, and infrared spectroscopy. The results showed that the films prepared from 25% water-wetting gelatin and oxidized hydroxypropyl starch had the best compatibility, mechanical properties, and water-resistant properties. Appropriate amount of water added to gelatin promoted starch gelatinization and gelatin melting, enhancing the intermolecular forces and homogeneity of the film.
Key words oxidized starch; hydroxypropyl distarch phosphate starch; gelatin; edible film; extrusion blowing