明胶/普鲁兰酶改性淀粉膜的制备与性能研究*

王苗苗，董海洲，张慧，侯汉学，尹训兰

(山东农业大学食品科学与工程学院，山东 泰安，271018)

近年来，越来越多的科研人员致力于研究可降解的包装材料，更强调采用天然原料来制造完全降解塑料［1－2］。淀粉是一种天然高分子化合物，具有来源广泛、价格低廉、再生周期短、易生物降解等优点［2－3］。然而，原淀粉的结构性质决定了其在应用上具有很多不足，制备的淀粉膜的性能较差，限制了其广泛应用。因此，可以运用物理、化学或酶等方法，对原淀粉进行改性，或者通过添加塑化剂或增强剂等物质制备性能较好的复合淀粉膜。

普鲁兰酶(Pullulanase)是一种脱支酶，它作用于淀粉，能水解淀粉链结构中的α-1.6葡萄糖苷键，从而提高淀粉中直链分子的比例。经酶变性的淀粉生成的膜具有较好的机械强度，适用于制作食品包装膜［4－5］。

明胶来源丰富，无毒性且具有良好的生物可降解性和生物相容性，因此可作为果蔬涂膜保鲜的材料［6］。用明胶制得的生物塑料具有耐折、透明度高和易揭膜的特性［7］。故可将明胶和其他高分子物质共混，可有效改善膜的性能。

本文以玉米淀粉为主要成膜基质，经普鲁兰酶改性后，混合加入明胶，以甘油为增塑剂，研究不同比例的明胶对淀粉复合膜性能的影响，以期为可降解性包装材料的工业化生产提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 主要材料

玉米淀粉，诸城兴贸玉米开发有限公司;普鲁兰酶(食用级)，200U/mL，北京房山酶制剂总厂;丙三醇(食用级)，天津市凯通化学试剂有限公司;明胶(食用级)，博兴生物资源有限公司。

1.2 主要仪器与设备

TA-XT2i物性测试仪，英国Stable Micro System公司;101A-1型电热鼓风干燥箱，黄骅市卸甲综合电器厂;PERMETMW3/030水蒸气透过率测试仪，济南兰光机电技术有限公司;HH-2数显恒温水浴锅，江苏金坛市荣华仪器制造有限公司;JJ-1精密增力电动搅拌器，常州国华电器有限公司;UV-2100型紫外可见分光光度计，北京普析通用仪器有限责任公司;真空泵，沈阳微电机厂;螺旋测微器，上海量具刃具厂;200 PC差示量热扫描仪，耐驰科学仪器商贸(上海)有限公司;PHs-25型酸度计，上海伟业仪器厂;QUANTA FEG 250扫描电镜，美国FEI公司。

1.3 普鲁兰酶溶液的配制

用移液管移取2.5 mL 200 U/ml的普鲁兰酶液于100 mL烧杯中，加入一定量pH值为6.0的柠檬酸-磷酸二氢钠缓冲液，搅拌均匀后转移至100 mL容量瓶继续加pH值为6.0的缓冲液定容，配置5 U/mL的普鲁兰酶液，在0～5℃条件下保存待用。

1.4 膜的制备

1.4.1 原淀粉膜的制备

称取一定量的玉米淀粉，配成5%的淀粉乳，在90℃水浴下搅拌30 min，再加入35%(占淀粉百分数)甘油后搅拌20 min，使其形成均匀的成膜液。然后将成膜溶液于0.09 MPa真空度下脱气20 min，以驱除搅拌过程中溶解在成膜液中的空气。称取一定量的膜液倾倒于玻璃平板上，置于电热鼓风干燥箱中50℃下烘干，取出后揭膜，样品保存于25℃下干燥器(50%RH)中备用。

1.4.2 明胶/酶改性淀粉膜的制备

称取一定量的明胶、玉米淀粉(明胶添加量分别为明胶和淀粉总重量的5%、10%、15%、10%、20%、25%)，配制成总质量分数为5%的混合液，在90℃水浴下搅拌30 min后将成膜液降至室温，调节pH值为5.5，加入普鲁兰酶(0.8 U/g淀粉)，在45℃水浴下搅拌4 h，沸水浴灭酶30 min，再加入35%(占淀粉和明胶总质量百分数)甘油后搅拌20 min，使其形成均匀的成膜液。然后将成膜溶液于0.09 MPa真空度下脱气20 min，以驱除搅拌过程中溶解在成膜液中的空气。称取一定量的膜液倾倒于玻璃平板上，置于电热鼓风干燥箱中50℃下烘干，取出后揭膜，样品保存于25℃下干燥器(50%RH)中备用。

1.5 膜的性质的测定

1.5.1 膜厚度测定

在被测膜上随机取6个点，用螺旋测微器测量，取其平均值。

1.5.2 膜力学性质测定

抗拉强度TS(MPa)和断裂伸长率E(%)是判断膜力学性质重要指标。力学性质测试按照 ASTM D882－02方法，并根据膜条件进行一些改动。将膜裁剪成85 mm×15 mm长条，在相对湿度为53%环境中放置48 h待测。本实验中设置TA-XT2i物性仪初始夹距设为50 mm，探头的移动速度设为1 mm/s。TS和E计算公式如下:

式中:TS，抗拉强度(MPa);F，膜断裂时承受的最大张力(N);S，膜的有效面积(m2)。

式中:E，膜的断裂伸长率(%);L1，膜断裂时的长度(m);L0，膜的原有效长度(m)。

1.5.3 水蒸气透过系数(WVP)

水蒸气透过系数由PERMETMW3/030水蒸气透过率测试仪测定。采用取样器将膜裁剪成直径为80 mm的圆形，测试试样应没有皱折、褶痕、针孔和污渍，厚度均匀，并且试样在试验前应按照GB298或ISO291中的规定，在温度(23±2)℃、相对湿度(50±5)%RH的环境条件下放置24 h。设置试验参数为预热时间4 h、试验判断比例10%、温度38.0℃、湿度90.0%、称重间隔120 min。

1.5.4 膜透光率的测定

膜透光率的测试采用UV－2100分光光度计。膜裁成4 cm×1 cm的长条，测试波长在400～800 nm之间。

1.5.5 膜的DSC分析［8］

膜的热稳定性采用差示扫描量热法(DSC)进行分析。样品测试之前在湿度53%的环境中存放48 h，然后把样品剪成圆形放入坩埚中。以密封的空铝盒作为对照，N2流速为20 mL/min，升温速率为10℃/min，扫描的起始温度为－50℃，升温至250℃，得到DSC曲线。

1.5.6 扫描电镜分析(SEM)

膜的表面形态采用QUANTA FEG 250电子显微镜进行扫描。扫描前对膜样品表面进行喷金处理，加速电压为5 kV。

1.6 数据统计分析

采用Excel 2007进行方差分析，采用SPSS 17.0统计学软件进行均值显著性差异分析(采用邓肯氏新复极差法测验显著性水平P为0.05时的均值显著性差异)。

2 结果与分析

2.1 膜的力学性能分析

抗拉强度是反映膜强度的指标，断裂伸长率是反映膜塑性的指标。从表1可以看出，与原淀粉膜相比，酶改性后的淀粉膜的抗拉强度增大，断裂伸长率降低，这可能是由于普鲁兰酶作用于淀粉分子的α-1，6葡萄糖苷键，从而使淀粉酶解产物中直链淀粉含量增大［5］，Bae 等［9］发现，抗拉强度与直链淀粉含量呈一定正相关关系(R2=0.714)。

表1 膜的力学性能

与未添加明胶的膜相比，当明胶添加量较低(5%)时，抗拉强度降低，断裂伸长率增大，这可能是因为加入的少量明胶充当了塑化剂的功能，从而软化了膜的刚性结构。当明胶添加量在5% ～25%内，随着共混膜中明胶含量的增多，淀粉含量的减少，共混膜的抗拉强度先增大后减小，断裂伸长率先减小后增大，当明胶添加量在10%时，膜的抗拉强度最大，说明在淀粉中添加适量的明胶有助于提高膜的抗拉强度，这可能是由于明胶与淀粉之间的分子交互作用力增大。

2.2 膜的透光性能分析

表2 膜的透光率

从表2可以看出，在可见光范围内(400～800 nm)，随着波长的增大，所有膜的透光率都增大。与原淀粉膜相比，酶改性后的淀粉膜的透光率增大。添加明胶后，随着明胶添加量的增大，膜的透光率逐渐降低，逐渐由较透明的膜变为颜色淡黄而透明性较低的膜，这可能是由于淀粉和明胶共混，在膜基质形成过程中，粒子大小不一样，沉降速度不一致，从而导致复合膜的透光率下降［10］。这一结果表明，明胶的添加能增强复合膜的光线阻隔性能，能有效减少可见光引起的食品变质。

2.3 膜的透水性能分析

从图1可以看出，经普鲁兰酶改性后的膜的水蒸气透过率增大。这可能是因为淀粉经普鲁兰酶脱支后，形成了较多长短不一的直链淀粉，淀粉分子的亲水性羟基增多，膜的水蒸气透过率增大。

图1 原淀粉膜及不同明胶添加量的明胶/酶改性淀粉膜的水蒸汽透过率

水蒸气透过率的大小受到2个因素的影响:一个是膜的基质本身的亲水性;另一个是水分子在膜内部穿行所受到的阻力。从图1可得，当明胶添加量在0% ～10%内，随着明胶添加量的增大，膜的水蒸气透过率降低较显著，这可能是由于淀粉与明胶之间通过分子间作用力形成了三维网络结构，其对水分子的束缚作用导致膜的水蒸气透过率降低。当明胶添加量在10%以上时，水蒸气透过率变化不大。这可能是因为明胶含量继续提高时，明胶的强吸水性导致的吸水溶胀可放大膜内部的缺陷，增加水分子的透过性，因此水蒸气透过率降低程度减小。

2.4 膜的热性能分析

半结晶的高分子(如淀粉)，通常有3个典型的热转变:无定形区的玻璃化转变，结晶区的熔融转变和结晶化转变［11］。起始温度与熔融温度越接近，热封性能越好［12］。从表3中可以看出，酶改性的膜的热封性要优于原淀粉膜。添加明胶后，熔融温度与起始温度之差增大，膜的热封性能变差。

表3 不同复合膜的热性能

由表3可知，与原淀粉膜相比，未添加明胶的普鲁兰酶改性淀粉膜的玻璃化转变温度降低，当明胶添加量在5%～25%内，随着明胶添加量的增大，玻璃化转变温度逐渐减小，这可能是由于明胶含量的增大的同时淀粉含量降低，明胶含有的低分子片段增多，使聚合物在无定形区的平均分子量降低所致［11］。

熔融峰与在成膜过程中高分子重组形成的结晶的熔融有关［11］。与原淀粉膜相比，酶改性淀粉膜的熔融温度与熔融热焓都增大，这可能是由于淀粉经酶解后，结晶度增大［13］，因此在热熔解时所需的温度增加，熔融热焓增大。添加明胶后，膜的熔融温度与熔融热焓都是先增大后减小，峰值的增大说明添加适量的明胶有利于较大的结晶区的形成。明胶添加量较高时，熔融温度与熔融热焓都减小，可能是由于明胶具有塑化剂的作用［14］，减小了分子间的相互作用和相互联系，结晶度降低［11］。

从表3可知，每一种膜都只有一个玻璃化转变温度和熔融温度，说明没有出现相分离现象［11－12］。

2.5 膜的表观结构

由图2可以看出，玉米原淀粉膜的表面有微小的颗粒、微孔及细微的裂缝，而经普鲁兰酶改性后的淀粉所成的膜的表面没有裂缝。添加明胶后，膜的表面变粗糙，有一些小的结块，表面凹凸不平。这可能是由于部分明胶和淀粉结合形成的结晶增大，结晶区的密度比无定形区要大，密度的变化使得膜的微观结构不均一。

图2 膜的扫描电镜图(×500)

3 结论

(1)在本实验条件下，与原淀粉膜相比，淀粉经普鲁兰酶改性后，所成的膜均匀，表面没有裂缝，膜的抗拉强度、透光率、热稳定性都增加，断裂伸长率和阻水性降低。

(2)与未添加明胶的酶改性淀粉膜相比，添加明胶后，膜的表面变粗糙;随着明胶添加量的增大，水蒸气透过率和透光率逐渐减小。当明胶添加量为10%时，膜的抗拉强度最大，明胶添加量超过10%时，抗拉强度逐渐减小;当明胶添加量在0% ～25%内，断裂伸长率先减小后增大;在明胶添加量为15%时，膜的热稳定性最大。

［1］ Cennadios A，Welter CL.Edible films and coating from wheat and corn Proteins［J］.Food Technology，1990，44:63－69.

［2］ 何小维，黄强.淀粉基生物降解材料［M］.北京:中国轻工业出版社，2008.

［3］ Kerr R W.Chemistry and Industry of Starch［M］.New York:Academic Press，1950.

［4］ 张友松.变性淀粉生产与应用手册［M］.北京:中国轻工业出版社，1999.

［5］ 苏俊烽，程建军.玉米挤压淀粉酶法改性制膜的工艺优化［J］.农业工程学报，2011，26(12):367－372.

［6］ Arvanitoyannis I S，Nakayama.Chitosan and gelatin based edible biofilms:state diagrams，mechanical and permeation properties［J］.Carbohydrate Polymers，1998，37:371－382.

［7］ Farayde Matta Fakhoury，Silvia Maria Martellib，Larissa Canhadas Berta，et al.Edible films made from blends of manioc starch and gelatin-Influence of different types of plasticizer and different levels of macromolecules on their properties［J］.LWT-Food Science and Technology，2012，xxx:1－6.

［8］ ASTM.Standard test method for transition temperatures of polymers by differential scanning calorimetry，D3418.In Annual book of ASTM standards.Philadelphia，PA:A-merican Society for Testing and Material，2005.

［9］ Ho J，Bae，Dong S.Cha，et al.Film and pharmaceutical hard capsule formation properties of mungbean，waterchestnut，and sweet potato starches［J］，Food Chem，2008，106(1):96 －105.

［10］ 宫志强.可食性明胶-壳聚糖复合膜的制备及性能研究［D］.济南:山东轻工业学院，2008.

［11］ Babak Ghanbarzadeh，Hadi Almasi，Ali A，et al.Physical properties of edible modified starch/carboxymethyl cellulose films［J］.Innovative Food Science and Emerging Technologies，2010，11:697－702.

［12］ Qianqian Yan，Hanxue Hou，Pei Guo，et al.Effects of extrusion and glycerol content on properties of oxidized and acetylated corn starch-based films［J］.Carbohydrate Polymers，2012，87:707－712.

［13］ 高群玉，蔡丽明.直链结晶淀粉形成过程中结晶度的变化［J］.食品与发酵工业，2008，34(8):18－21.

［14］ Al-Hassan A A．Starch-gelatin edible films:Water vapor permeability and mechanical properties as affected by plasticizers［J］.Food Hydrocolloids，2012，26:108 －117.