羧甲基化处理对魔芋葡甘聚糖成膜性能影响的研究

肖 蕊,张华江,石云娇，迟玉杰,李 亮,吕雪鹏,魏春立

(东北农业大学食品学院,黑龙江哈尔滨 150030)

羧甲基化处理对魔芋葡甘聚糖成膜性能影响的研究

肖 蕊,张华江*,石云娇，迟玉杰,李 亮,吕雪鹏,魏春立

(东北农业大学食品学院,黑龙江哈尔滨 150030)

本文通过对反应时间、温度及乙酸钠的用量,制备出不同取代度的羧甲基魔芋葡甘聚糖,选取最接近取代度0.1、0.2、0.3、0.4、0.5的样品进行制膜并测定其机械性能及表征,筛选出最适制膜的取代度。最终确定取代度0.2980为最适制膜的取代度,此时对应的改性魔芋葡甘聚糖膜的拉伸强度为21.43 kPa,断裂伸长率为32.1%,水蒸气透过系数和水蒸气透过率分别为8.9 g·mm/m2d·kPa和11.4 g/h·m2,油脂氧化值为15.81 meq/kg。借助傅里叶红外光谱和扫描电镜的分析,进一步验证了魔芋葡甘聚糖羧甲基反应的发生及对成膜微观结构的影响。与未羧甲基化的膜相比,改性后膜的性能得到了很大的改善,为今后可食性魔芋葡甘聚糖薄膜的研究提供一定的技术基础。

魔芋葡甘聚糖,羧甲基化,取代度,膜

魔芋是天南星科魔芋属植物的块茎,分布广泛,资源丰富[1]。魔芋葡甘聚糖是非离子型中性多糖,含有大量的羟基、羰基等亲水基团,易溶于水,不溶于乙醇、丙酮等有机溶剂[2]。魔芋葡甘聚糖(KGM)具有成膜性,其溶胶在碱性条件下脱水后形成透明和致密度高的膜[3]。但KGM溶胶的稳定性差、对温度和pH敏感,这都对成膜后的性能造成一定的影响。所以需要对其进行改性修饰处理,以降低其粘度[4],提高其溶胶流变性及成膜性。

如今绿色可回收再生、可降解的包装材料是世界包装发展的趋势,也与我国实现可持续发展,人与自然和谐发展的方针不谋而合。国内,邓红[5]等人利用KGM和食用级的增塑剂组合,研制出具有一定强度和耐水性的可降解膜。陈从贵[6]等人利用魔芋胶和卡拉胶复配,制作可食性包装纸。增韧效果优于两者形成的单纯膜,并得出最佳复配比例。国外则未见此报道。KGM 能够在温和的碱性条件下脱掉一部分乙酰基团,脱掉乙酰基后有利于分子内和分子间羟基的氢键相互交联,同时增强了分子链间的作用力,从而引起其成膜性能的改变。KGM脱乙酰基后,分子链从半柔性的直链分子逐渐转化成为弹性微球状,降低了特性黏度,增加了非对称性,形成了有序结构,从而形成的材料具有较高的耐水性能以及较好的拉伸性能[7]。

由于制备出的包装材料机械性能不够理想,限制了其在实际中的应用。因此,本研究对魔芋葡甘聚糖进行羧甲基改性后,得到具有更好疏水性和阻湿阻氧性,以及更适合应用于膜制备的羧甲基魔芋葡甘聚糖[8]。并通过对羧甲基改性膜性能的测定,筛选出最适成膜的取代度。本实验为今后研究羧甲基魔芋葡甘聚糖的应用提供了可行性的研究及参考,对羧甲基魔芋葡甘聚糖膜的综合利用以及新产品的开发提供了基础研究资料。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

魔芋粉 湖北武汉力诚生物科技有限公司;乙醇、乙酸钠、氢氧化钠、盐酸、氯化钙、硫代硫酸钠 均为国产分析纯;酚酞 实验室自制;大豆油 九三豆油购于超市。

DHG-9240A 鼓风干燥箱 上海博迅实业有限公司设备厂;AB-50电子分析天平 瑞士METTE公司;TA-XT 质构仪 天津市普博科技;HH-2数显恒温水浴锅 天津泰斯特有限公司;自制亚克力成膜板槽;智能型傅里叶红外光谱仪 美国Nicolet公司;JSM-6390LV型扫描电镜 日本Hitachi公司。

1.2 实验方法

1.2.1 不同取代度(DS)羧甲基魔芋葡甘聚糖(CK)的制备及工艺流程 1 g魔芋粉分散溶胀于60 ℃的蒸馏水中0.5 h,将一定量的乙酸钠溶于40 mL 70%(v/v)乙醇溶液加入到溶胀的KGM溶胶中,充分反映一定时间后,取出冷却。用80%(v/v)乙醇溶液沉淀,之后用50%(v/v)的乙醇溶液反复洗涤至硝酸银检验滤液无Cl-存在,最后用95%(v/v)乙醇溶液脱水沉淀过夜,用保鲜膜封口。将脱水后的CK放入60 ℃的鼓风干燥箱中除去水分后,用研钵研碎后过60～100目筛后得到乳白色至淡黄色的粉末即为CK,保存备用。

取代度会随着反应温度、时间以及乙酸钠的用量增加而增加。因此,要通过对反应温度、时间以及乙酸钠的用量控制得到不同取代度的CK,使其自由组合来确定所需取代度的条件,最终获得所需取代度的CK样品。

1.2.2 CK取代度的测定 电位滴定法测定羧甲基魔芋葡甘聚糖的取代度:将0.2%(w/t)CK溶液中加入一定量的HCl溶液(0.1 mol/L),使酸性的CK溶液的pH<2,然后用NaOH溶液(0.1 mol/L)滴定酸性的CK溶液,用酚酞做指示剂,溶液色时即为中和几下所用NaOH溶液的体积,然后通过以下公式计算CK的取代度:

式中:A-每gCK样品消耗的NaOH溶液的量,(mmol);162和58-分别为葡聚糖或者甘露糖以及羧甲基的相对分子质量。

表1 不同取代度CK样品的制备方法

1.2.3 CK膜的制备 将不同取代度的CK配制成2%的成膜溶液并加入2 g甘油,置于60 ℃的水浴锅中水浴,匀速搅拌3 h后取出,真空脱气后在玻璃板上延流成膜并将其放入60 ℃的鼓风干燥箱中干燥。10 h后将样品取出并小心的将膜从玻璃板上剥离,置于干燥器中备用。

1.2.4 拉伸强度(TS)和断裂伸长率的测定(E%)测定 膜的抗拉强度用质构仪测定。将膜裁成100 mm×20 mm的长条,用TA.XT.Plus质构仪做拉伸测定,有效拉伸长度为50 mm,拉伸速度为5 mm/s,最小感应力为5 g,测定条件为25 ℃,80%RH。将膜系于拉伸探头(A/SPR)上,启动仪器,使探头慢慢将膜向上拉,直至膜断裂。记录测试样品膜断裂时的最大张力(F)、伸长的距离(S)、断裂时的标线之间的距离G和断裂时膜被拉伸的长度ΔG。拉伸强度(TS)和断裂伸长率的测定(E%)按下式计算。每种取代度的CK膜取三个样品进行测定,结果取其平均值。

表2 不同制备条件下CK的DS

式中:TS-拉伸强度,(kPa);E-断裂伸长率,(%);F-样品断裂时承受的最大张力,(N);ΔG-样品断裂时膜被拉伸的长度,(mm);G-样品断裂时标线间的距离,(mm)。

1.2.5 透水透氧性测定 透水性:采用拟杯子法测定水蒸气透过量:称取3 g经干燥的无水氯化钙并装入50 mL广口三角瓶中,用石蜡将待测的CK膜密封于瓶口处,通过杯重的增加量计算水蒸气的透过量[9]。

WVP(水蒸气透过系数,(g·mm/m2d·kPa);WVTR-水蒸气透过率,(g/h·m2);Δm-水蒸气迁移量,(g);A-膜的面积,(m2);t-测定时间,(h);L-膜厚,(mm);ΔP-膜两侧的水蒸气压差,(Kpa);24为24h。

纯水25 ℃时的饱和水蒸汽压为3.1671kPa,KBr饱和溶液的水蒸汽压为纯水的83%。

透氧性:称取6.0g大豆油,至于广口瓶中,用CK膜将瓶口密封,以敞口放置的大豆油做空白对照,至于60 ℃恒温培养箱中,7d后取出,称取大豆油样品1.0g,测其过氧化值(POV),以脂肪氧化的程度简洁表示膜的透氧性。油样的POV值计算如下公式:

式中:POV-油脂的过氧化值(meq/kg);C-Na2S2O3标准溶液的浓度(mol/L);V1-膜封油脂消耗Na2S2O3标准溶液的体积(mL);V2-对照组消耗Na2S2O3标准溶液的体积(mL);m-油脂样品的质量(g)。

1.2.6 红外光谱测定(FTIR) 将不同取代度的CK膜裁剪成2cm×2cm的小方块后,充分干燥,然后用傅里叶红外分光光度计进行红外光谱的测定,波长范围为4000～500cm-1。

1.2.7 扫描电镜测定(SEM) 将膜样品裁剪成小块,至于干燥器中干燥24h后进行SEM分析。取干燥膜样品至于铜台在13.3Pa真空度下喷金,厚度约为20nm,加速电压为20kV,用SEM观察膜样品的表面形态并拍照。

1.3 数据处理

实验数据采用Origin8.5软件进行处理。

2 结果与讨论

2.1 不同制备条件下CK的取代度筛选

表2显示不同反应温度、乙酸钠(NaAc)用量、反应时间的条件下,制备的CK的DS。通过控制条件,得到不同DS的CK,从中选取DS最接近0.1、0.2、0.3、0.4、0.5的样品进行制膜及性能的测定表征。即DS为0.0998、0.2008、0.2980、0.3984、0.5005的样品,分别标记为CK-a、CK-b、CK-c、CK-d、CK-e及KGM为空白对照组。

2.2 不同取代度的CK对其成膜机械性能的影响

2.2.1 拉伸强度和断裂伸长率 拉伸强度是衡量膜机械性能最重要的指标,拉伸强度的值越大,说明其膜承受的力越大,也就越不易发生断裂,其实际利用价值也就越高。断裂伸长率是判断膜延展性的重要指标,图1是改性后的CK膜与单纯KGM膜的拉伸强度和断裂伸长率。由图可以看出,改性后的CK膜的拉伸强度与断裂伸长率均大于单纯KGM膜。在DS小于CK-c,拉伸强度与断裂伸长率随着取代度的增加而增大,CK-c拉伸强度与断裂伸长率达到最大,值分别为21.43kPa和32.1%。CK-d膜的机械强度大大降低,这可能是由于当CK的DS高于CK-c,其内部脱掉了大部分的乙酰基,而乙酰基能保证KGM有一定的亲水性,所以亲水性明显下降,样品太过于疏水而不利于成膜,从而导致了膜的机械性能减弱[10]。CK-e拉伸强度与断裂伸长率则降低的更加明显。

图1 取代度对拉伸强度和断裂伸长率的影响Fig.1 Degree of substitution on the tensile strength and elongation at break注:用t检验法进行分析,实验组与对照组相比,**表示差异极显著(p<0.01),*表示差异显著。(p<0.05),不标者则为差异不显著(p>0.05)，图2、图3同。

2.2.2 透水透氧性 由于CK具有一定的亲水性,导致其成膜后对水蒸气的阻隔作用较差。而水蒸气透过系数(WVP)和水蒸气透过率(WVTR)以及透氧性(用油脂的过氧化值POV间接表示)将直接影响包装产品的质量,三者值越低,膜的防腐效果越好[11]。由图2和图3可以看到,在五种不同取代度的CK膜中,当取代度为CK-a、CK-b、CK-c膜的WPV、WVPR和POV逐渐减小。CK-c膜的WPV、WVPR和POV最低,分别为8.9 g·mm/m2d·kPa、11.4 g/h·m2和15.81 meq/kg,故其阻湿阻氧性能最佳。CK-d、CK-e膜的WPV、WVPR和POV值又上升,阻湿阻氧开始减弱。但只要是改性后的KGM制成的CK膜的阻湿阻氧性不论其取代度多大都要明显高于未改性的纯KGM膜。

图2 取代度对水蒸气透过性的影响Fig.2 Degree of substitution on the WPV and WVPR

图3 取代度对氧气透过性的影响Fig.3 Degree of substitution on the oxygen permeability

2.3 不同取代度的CK膜的FTIR光谱分析

图4是KGM和CK的红外光谱图,两者的图谱有明显的差异。与KGM相比CK在1213.41 cm-1和1660.37 cm-1处出现了明显的羧基C-O和羟基-OH。1663.89～1611.17 cm-1处是C=O的吸收,CK的图谱上此处伸缩振动明显变宽,说明羧甲基基团已经与魔芋葡甘聚糖相互作用形成了羧甲基魔芋葡甘聚糖[12]。

图4 KGM和CK的红外光谱图Fig.4 FTIR spectra of KGM and CK

2.4 不同取代度的CK膜的SEM分析

图5为放大1000倍的电镜效果,展现了纯KGM膜和CK膜的表面结构。KGM膜的电镜图呈现出了不均匀的团块,这可能是由于未改性的KGM中含有大量的乙酰基,乙酰基的存在使其亲水性较强。在CK膜的电镜图中可以看出,CK-c呈现出更加平滑致密的表面结构,这可能是由于此时的CK的取代度是最佳成膜取代度,可以改善膜的一些性能。但当取代度高于CK-c的值时,其膜的表面结构又表现出了一些孔洞,可能是KGM脱掉大量的乙酰基后太过于疏水导致的[11]。

图5 KGM和不同取代度CK膜的SEM图Fig.5 SEM micrographs of surface of KGM film and CK film with different DS

3 结论

本实验通过对单因素的控制,制备出了不同取代度的羧甲基魔芋葡甘聚糖,并将其制备成膜,研究不同取代度对改性膜的性能的影响。通过对拉伸强度、水蒸气透过性及扫描电镜的测定,筛选出了制膜的最适取代度(DS为0.2980)。傅里叶红外光谱的测定验证了羧甲基反应的发生,改性后成膜的性能得到了极大的改善,这也为今后的研究奠定了一定的基础。

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Effect of carboxymethylation modification on konjac glucomannan film membrane

XIAO Rui,ZHANG Hua-jiang*,SHI Yun-jiao,CHI Yu-jie,LI Liang,LV Xue-peng,WEI Chun-li

(College of Food,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

In this study,the substitution degree of carboxymethyl konjac glucomannan nearest 0.1,0.2,0.3,0.4,0.5 were selected to make films,the effect of the films conditions,including controlling the reaction time,temperature and sodium acetate content was examined by mechanical properties and characterization. Finally CK film optimum substitution degree was 0.2980,the TS and E of the modified KGM film were 21.43 kPa and 32.1%,WVP and WVPR were 8.9 g·mm/m2d·kPa and 11.4 g/h·m2,respectively,the POV was 15.81 meq/kg. The analysis of further validated the carboxymethylation reaction occurred on KGM by Fourier transform infrared and scanning electron microscopy and affect the microstructure of the film. Performance of the modified film had been greatly improved than non-carboxymethylation one. This research provided a technical basis for future study to edible konjac glucomannan film.

carboxymethyl konjac glucomannan;carboxymethylation;substitution degree;film

2014-10-08

肖蕊(1988-),女,硕士,研究方向:农产品深加工,E-mail:xiaorui9797@163.com。

*通讯作者:张华江(1976-),男,博士,副教授,研究方向:农产品加工及贮藏工程,E-mail:hjthzhang@163.com。

国家自然基金青年项目(31101386);国家自然基金面上项目(31271961);中国博士后科学基金特别资助项目(2013T60340);国家“十二五”科技支撑计划项目子课题(2012BAD34B04-2)。

TS206.4

A

1002-0306(2015)15-0058-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.15.003