改性纳米TiO2-大豆分离蛋白抑菌保鲜膜的制备及其性能

刘媛媛，徐丽娜，张 韩，张华江,*，迟玉杰,*，张莉力，刘秀颀

（1.东北农业大学食品学院，黑龙江 哈尔滨 150030；2.锦州医科大学食品科学与工程学院，辽宁 锦州 121001）

近些年来，随着人们对食品品质要求的提高以及环保意识的增强，可食性抑菌膜[1]越来越受到关注。可食性抑菌膜以多分子聚合物（如多糖、脂质、蛋白质）作为原料，加入适当的增塑剂、抑菌剂，经过多重工艺制备而成[2]。研究发现，相较于其他抗菌剂与食品结合的方式，抑菌包装中的活性物质可以通过低浓度的迁移速度从而保证被包装食品表面保持较高浓度的抑菌活性物质，从而抑制食品表面微生物的滋生，使得抑菌剂的抑菌作用得到最大程度的发挥[3-4]。

大豆分离蛋白（soy protein isolate，SPI）膜是以SPI为主要原料，通过分子之间的相互作用形成的具有多孔网状结构的薄膜[4]。SPI膜因其透气性低、机械性能优异等特点成为近年可食性抑菌包装膜的研究热点[5]。然而，相较于其他包装材料，SPI膜因其阻隔性能较差，且易滋生细菌的特点，其应用十分有限[6]。

纳米粒子的应用不仅可以提高膜的机械性能和阻隔性能[7]，同时还可以提高或赋予膜一定的抑菌性能[8]。纳米TiO2是新型的光催化抗菌剂[9]，经过光激发后可产生强氧化性活性类物质·OH和·OOH[11]，破坏其有机分子中的不饱和键达到杀灭微生物的目的。而由于纳米TiO2粒子极易团聚，降低成膜的表面平整度，影响膜的包装性能，因而必须要对纳米TiO2粒子进行表面改性处理。经由SiO2改性处理的纳米TiO2粒子表面能降低，团聚现象减少，且由于包覆层纳米SiO2表面带有大量的负电荷羟基，使得纳米TiO2粒子的电子与空穴复合受阻，光催化活性提高[12]。同时，还会形成具有强氧化性的羟基，这些活性羟基可以迅速将有机物分解[13]，杀死微生物。

近年来，国内外的研究主要是针对纳米TiO2-SPI抑菌保鲜膜的制备与研究，忽略了纳米TiO2粒子本身作为添加物对于SPI膜的机械性能影响的考虑。由于纳米TiO2粒子容易发生团聚的现象，影响膜的包装性能，因而使得纳米TiO2粒子在SPI膜中的应用十分有限。改性纳米TiO2-SPI抑菌保鲜膜是在SPI成膜液中添加适量的经过表面改性的纳米TiO2粒子代替未经改性的纳米TiO2粒子，提高了纳米在TiO2粒子水溶液中的分散稳定性，使得纳米TiO2粒子与SPI之间的结合更加紧密，膜机械性能及阻隔性能更佳，且改性纳米TiO2粒子的光催化性能提高，杀菌效果增强，因而可以赋予SPI膜更佳的抗菌效果。

本实验以SPI为主要原料，通过单因素试验和正交试验确定改性纳米TiO2-SPI复合膜的最佳工艺条件，通过接触角、傅里叶变换红外光谱仪（Fourier transform infrared spectrometer，FTIR）、扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）对膜的疏水性能及结构进行表征，通过光催化抑菌测试，研制出能够有效灭活常见食品污染菌的改性纳米TiO2-SPI复合膜。其优越性主要体现在具有较好的机械性能、优良的阻隔性能以及抗菌性，可以达到提高食品包装品质，延长食品货架期的目的，是一种新兴的食品包装材料，具有广阔的应用前景。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

SPI（蛋白质质量分数≥90%） 哈尔滨高科技（集团）股份有限公司；纳米TiO2（质量分数≥99.8%，锐钛型） 成都艾科达化学试剂有限公司；甘油、六偏磷酸钠、硅酸钠、稀硫酸 天津市凯通化学试剂有限公司；所用试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

TA.XT Plus型质构仪 英国Stable Micro System公司；S-3400N型SEM、E-1010型离子溅射仪 日本Hitachi公司；DHG-9210A型电热恒温鼓风干燥箱 上海一恒科学仪器有限公司；78HW-1型恒温磁力搅拌器江苏金坛荣华仪器公司；JJ-1型电子分析天平 梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；PHS-3C型酸度计 上海精密仪器有限公司；D3000型原子力显微镜（atomic force microscope，AFM） 美国Veeco公司。

1.3 方法

1.3.1 改性纳米TiO2的制备工艺[14]

将纳米TiO2粉体配成质量分数5%的悬浮液，加入10 mL质量浓度为0.005 g/mL的六偏磷酸钠作为分散剂，超声振荡20 min，然后将分散好的TiO2浆液水浴加热85 ℃，匀速滴加330 mL浓度为0.5 mol/L的硅酸钠溶液，同时滴加体积分数为10%的稀硫酸溶液，及时调整稀硫酸溶液的滴加速度使得溶液的pH值保持在9.5左右，反应结束后，继续搅拌5 h，得到白色悬浮液，过滤，去离子水洗涤，烘干研磨得到样品。

1.3.2 SPI膜及复合膜制备流程

SPI膜制备流程：SPI+甘油+水→调节pH值至8.0→磁力搅拌→恒温水浴加热→冷却至室温→过滤、倒膜→干燥→成膜→回软→揭膜→室温放置48 h→膜性能的测定。

纳米TiO2-SPI复合膜制备流程：SPI+甘油+水→调节pH值至8.0→磁力搅拌20 min，加入纳米TiO2→恒温水浴加热30 min→磁力搅拌20 min→冷却至室温→过滤、倒膜→干燥→成膜→回软→揭膜→室温放置48 h→膜性能的测定。

改性纳米TiO2-SPI复合膜制备流程：SPI+甘油+水→调节pH值至8.0→磁力搅拌20 min→恒温水浴加热30 min，加入改性纳米TiO2→磁力搅拌20 min→冷却至室温→过滤、倒膜→干燥→成膜→回软→揭膜→室温放置48 h→膜性能的测定。

1.3.3 单因素试验条件对SPI复合薄膜性能的影响

影响复合膜性能的主要因素有改性TiO2添加量、SPI添加量及甘油添加量。试验研究每种单因素对复合薄膜成膜性能的影响及规律，最终优化确定出最佳的复合膜制备技术参数。

1.3.4 正交试验对SPI复合薄膜性能的优化

通过单因素试验表明，改性TiO2添加量、甘油添加量以及SPI添加量对膜的性能影响显著（P＜0.05），因此选择SPI添加量（A）、改性TiO2添加量（B）、甘油添加量（C）作为试验因素，干燥温度70 ℃，烘干时间6 h，采用L9（33）进行正交试验，因素与水平如表1所示。

表1 正交试验因素与水平Table1 Coded levels of independent variables used for orthogonal array design g/100 mL

1.3.5 指标的测定

1.3.5.1 膜机械性能的测定[15]

采用TA.XT Plus型质构仪测定膜样品的抗拉强度（tensile strength，TS）、断裂伸长率（elongation at break，EAB），拉伸速率为15 mm/min。每个样品做3 次平行实验。根据公式（1）、（2）计算样品TS和EAB：

式中：F为膜断裂时承受的最大拉力/N；S为膜的横截面积/m2。

式中：L0为膜原长/mm；L1为膜断裂时的膜长/mm。

1.3.5.2 水蒸气透过率（water vapor permeability，WVP）[16]

采用拟杯子法测定WVP。称取3.00 g经干燥的无水氯化钙并装入50 mL广口三角瓶中，用石蜡将待测的复合膜密封于瓶口处，通过杯质量的增加量计算WVP，见公式（3）：

式中：Δm为水蒸气迁移量/g；A为膜的面积/m2；t为测定时间/d；L为膜厚/mm；ΔP为膜两侧的水蒸气压差/kPa；24为24 h。纯水25 ℃时的饱和水蒸气压为3.1671 kPa，KBr饱和溶液的水蒸气压为纯水的83%。

1.3.5.3 透氧性及透二氧化碳性的测定

参考文献[17]的方法。在50 mL锥形瓶中装入1 mL亚油酸，锥形瓶口用复合膜覆盖，扎紧后用石蜡密封。称质量后置于空气中，每天称质量2 次并记录下称质量时间，持续7 d，通过杯质量的增加量计算氧气透过速率。

称取5 mL蒸馏水于50 mL锥形瓶中，向锥形瓶中不断加入氢氧化钾搅拌溶解直至饱和。锥形瓶口用复合膜覆盖，扎紧后用石蜡密封。称质量后置于空气中，每天称质量2 次并记录称质量时间，持续7 d，通过杯质量的增加量计算二氧化碳的透过率。

对膜样品透氧性及透二氧化碳性进行测定，每个样品做3 次平行实验，取其平均值，计算公式见公式（4）、（5）：

式中：P（O2）为透氧性（g/（m2·d））；P（CO2）为透二氧化碳性/（g/（m2·d））；Δm为杯质量的增加量/g；A为膜面积/m2；t为测量时间/d。

1.3.5.4 透光性的测定

参照文献[18]，将膜剪成5 cm×1 cm大小，贴在比色皿的一侧，空白为空比色皿，在500 nm波长处测定其透光率。

1.3.5.5 疏水性能的测定

将膜样品剪成1 cm×1 cm的矩形，并将其平整贴于载玻片上，在距离膜表面10 mm处向膜表面滴加一滴去离子水滴液，5 s后进行拍照，记录水滴与膜间形成的接触角，实验重复3 次。对照组为普通SPI膜及纳米TiO2-SPI复合膜，实验组为改性纳米TiO2-SPI复合膜。

1.3.6 结构表征

对普通SPI膜、纳米TiO2-SPI复合膜以及改性纳米TiO2-SPI复合膜进行结构表征，进一步说明改性纳米TiO2-SPI复合膜的结构变化，其中对照组为普通SPI膜及纳米TiO2-SPI复合膜，实验组为改性纳米TiO2-SPI复合膜。

1.3.6.1 FTIR分析

FTIR扫描范围为4 000～400 cm-1。

1.3.6.2 SEM分析

采用S-3400N型SEM观察膜的断面，加速电压为5 kV，观察前进行镀金处理。

1.3.6.3 AFM分析

使用D3000型AFM观察膜表面结构，采用敲击模式，扫描尺寸为1 μm，扫描速率为1.001 Hz。

1.3.7 物理性能的综合评价

对各物理性能进行模糊综合评价：在本实验中需要综合考虑多个物理性能指标对SPI膜的质量进行评价，具体见文献[16]。采用模糊综合评价法，引入隶属度函数，X（u）为待分析点的隶属度函数值（公式（6）、（7））；Xi为待分析点的数据值；Xmax为待分析点所在数据列的最大值；Xmin为待分析点所在数据列的最小值。

将膜的多个性能指标经过模糊变换成综合评价的累加加权隶属度值∑X（u）·Y。本实验中需要考虑的物理性能有TS、EAB、WVP、透氧性、透二氧化碳性，所以综合评价的权重子集Y为{0.25，0.25，0.25，0.25}。

1.3.8 改性纳米TiO2-SPI膜的抑菌性能测定[19-20]

参照QB/T 2591—2003《抗菌塑料 抗菌性能试验方法和抗菌效果》及《消毒技术规范》，使制备的薄膜与一定量的菌悬液作用一段时间后培养，按GB 4789.2—2016《食品卫生微生物学检验 菌落总数测定》菌落计数，从而测定复合膜的抑菌性能。抑菌率按公式（8）计算：

式中：B为空白对照样品平均回收菌数/（CFU/片）；C为膜样品平均回收菌数/（CFU/片）。

1.4 数据分析

通过SPSS 17.0统计软件对测得的单因素数据进行方差分析，采用t检验进行显著性分析，显著性水平为P值小于0.05，采用Origin 8.6软件作图。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 改性TiO2添加量对复合膜性能的影响

为了研究改性TiO2添加量对复合膜性能的影响，固定SPI添加量5 g/100 mL、甘油添加量2.0 g/100 mL，选择改性TiO2添加量分别为0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 g/100 mL，烘干温度为70 ℃，烘干时间为6 h。

表2 改性TiO2添加量对膜性能的影响Table2 Effect of modif i ed TiO2 on fi lm properties

由表2可以看出，随着复合膜中改性TiO2添加量的增加，复合膜性能发生显著性变化。膜的机械性能是衡量膜性能的一个重要指标[21]。膜的TS逐渐增大，EAB呈现出先下降后上升的趋势，这可能是由于在改性TiO2添加量较低时，在复合膜的内部主要是改性TiO2与SPI分子的结合，改性TiO2添加量增加，二者结合的程度越大，因而使得复合膜中分子结合更加紧密，刚性结构增多，EAB降低，而当改性TiO2添加量达到2.5 g/100 mL，两分子之间的结合达到饱和的状态，改性TiO2继续添加使得复合膜中的单分子增多，EAB会增加。其中，改性TiO2添加量为3.0 g/100 mL时，复合膜的TS达到最大值为9.04 MPa，改性TiO2添加量为2.0 g/100 mL时，复合膜的EAB达到最小值为17.63%。而这可能是由于随着改性TiO2添加量的增加，与SPI相结合的分子也就越多，成膜时的分子相互作用力越大，分子之间的交联更加紧密，膜结构也更加的致密，因此复合膜的TS显著提高（P＜0.05），而由于改性TiO2本身具有不溶于水的性质，因此随着改性TiO2添加量的继续增加，膜表面会有小颗粒的出现，膜的延展性降低，因此随着复合膜中改性TiO2添加量不断增加，复合膜的EAB降低。

WVP、透光率、透氧性以及透二氧化碳性主要考察的是复合膜的阻隔性能。其中WVP、透氧性以及透二氧化碳性指标值越低，说明复合膜的防腐、抗氧化性能更佳，而透光率越低说明复合膜能够更好的达到食品包装保护的作用[22]。由表2可以看出，随着改性TiO2添加量的增加，复合膜的透光率逐渐的降低，这可能是由于经过改性之后的TiO2和未经改性的TiO2类似，都能够起到增白的作用，使得复合膜的透光率降低。且随着改性TiO2添加量的增加，复合膜的WVP总体呈下降的趋势，这可能是由于纳米TiO2粒子与SPI分子形成稳定的Si—O—C、Ti—O—C、Si—O—Ti共价键[23-25]，破坏共价键需要提供额外的力，因此复合膜的机械性能和阻湿性能提高。而随着改性TiO2添加量的增加，复合膜的透氧性呈现出先降低后增加的趋势，在添加量为2.5 g/100 mL达到最小值为0.11 g/（m2·d），透二氧化碳性不规律变化，这可能是由于通过在复合膜中添加改性TiO2，改性后的TiO2粒子之间的范德华力大大减小，凝聚力降低，因而更易与SPI分子之间发生共价交联作用，改变复合膜的物理性能，也可能是由于纳米TiO2粒子与SPI分子链之间会形成某种缠结结构，从而会对SPI的性能产生影响[26]。而当改性TiO2添加量为3.0 g/100 mL时，WVP、透氧性以及透二氧化碳性规律出现变化，这可能是由于随着改性TiO2添加量的不断增加，SPI分子与改性TiO2的结合呈现饱和的状态，当改性TiO2添加量由2.5 g/100 mL增加至3.0 g/100 mL的过程之中，SPI膜中改性TiO2自由粒子及亲水基团不断增多，使得复合膜的WVP、透氧性以及透二氧化碳性增加。因此，综合考虑到膜必须具有良好的机械性能以及阻隔性能，选择1.5～2.5 g/100 mL作为正交试验的水平范围。

2.1.2 甘油添加量对复合膜性能的影响

为了研究甘油添加量对复合膜性能的影响，固定SPI添加量5 g/100 mL、改性TiO2添加量2.0 g/100 mL，选择甘油添加量分别为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 g/100 mL，烘干温度为70 ℃，烘干时间为6 h。

表3 甘油添加量对膜性能的影响Table3 Effect of glycerin on fi lm properties

由表3可以看出，甘油添加量越大，对复合膜的性能影响越显著（P＜0.05）。随着甘油添加量的增加，复合膜的TS急速下降，EAB逐渐增大，这可能是甘油小分子可以插入SPI分子链之间，并与酰胺基团形成氢键，减弱了SPI分子之间或者是分子内部的相互作用，软化了膜的刚性结构，增加了链的流动性，膜的结构也得到了有效的延展和松弛，膜的塑性增加[27-28]，因而，宏观上就会表现为膜的TS降低，EAB增大。由表3可以看出，复合膜中甘油添加量的增加对其透光率的影响并不显著（P＞0.05），而随着甘油添加量的增加，复合膜的WVP、透氧性以及透二氧化碳性都显著地提高，说明复合膜的透性增加，阻隔性能降低。这可能是由于增加甘油含量，使得复合膜中亲水基团增加，单位体积羟基数目增多，蛋白质分子含量下降，削弱了分子之间的相互作用，增加了分子内部空间，复合膜结构变差，致密性下降，渗透性增加[29-30]。综合考虑，选择甘油添加量1.5～2.5 g/100 mL作为正交试验的水平范围。

2.1.3 SPI添加量对复合膜性能的影响

为了研究SPI添加量对复合膜性能的影响，固定甘油添加量2 g/100 mL、改性TiO2添加量2.0 g/100 mL，选择SPI添加量分别为3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0 g/100 mL，烘干温度为70 ℃，烘干时间为6 h。试验结果如表4所示。

表4 SPI添加量对膜性能的影响Table4 Effect of SPI on fi lm properties

从表4可以看出，随着SPI添加量的增加，蛋白膜的TS增加，EAB急速减小，主要的原因可能是复合膜中SPI含量较低时，膜液中水分含量比较高，成膜结构形成不佳[17]，而增加复合膜中SPI含量，使得水分含量相对减小，膜刚性结构增加，塑性降低。复合膜的透光率、WVP、透氧性以及透二氧化碳性都显著地降低（P＜0.05），这可能是由于随着复合膜中SPI含量的增加，成膜厚度增加，颜色变深，因而使膜的阻隔性能及透光率降低。

SPI添加量小于3.5 g/100 mL时，膜比较柔软，揭膜困难，性能比较差；当添加量大于6.0 g/100 mL，虽然TS比较大，但膜比较硬，脆性很强，不适用于包装。因此，综合考虑各方面的因素，选取SPI添加量4.5～5.5 g/100 mL作为正交试验的水平范围。

2.1.4 正交试验结果

综合考虑多个物理性能指标对改性纳米TiO2-SPI复合膜的性能进行评价，因此采用模糊综合评价法，统计结果见表5。

表5 正交试验设计及结果Table5 Orthogonal array design with response variable

表6 方差分析Table6 Analysis of variance

由表6可以看出，各个因素对于SPI膜综合性能影响都不显著，不必在进行各因素水平间的多重比较，因而可以从正交试验结果（表5）中筛选出改性纳米TiO2-SPI复合膜制备条件为A1B2C1，即SPI添加量4.5 g/100 mL、改性TiO2添加量2.0 g/100 mL、甘油添加量1.5 g/100 mL。同时将优化出的最佳制备条件A1B2C1与正交表中综合评价累加加权隶属度值最高的方案2（A1B2C2）和最低的方案4（A2B1C3）做2 次平行实验进行对照，结果见表7。

表7 二次平行实验结果Table7 Validation of optimized combination

由表7可以看出，通过方案A1B2C1制备的蛋白膜的各项物理指标均优于方案A1B2C2和方案A2B1C3，进一步验证了正交试验结果的准确性与可信度。因而本试验确定改性纳米TiO2-SPI复合膜的最佳制备配方条件为A1B2C1，即SPI添加量4.5 g/100 mL、改性TiO2添加量2 g/100 mL、甘油添加量1.5 g/100 mL。

2.2 改性纳米TiO2-SPI复合膜的接触角结果

将优化后的改性纳米TiO2-SPI复合膜与普通SPI膜、TiO2-SPI复合膜进行疏水性的比较分析。其中3 种膜的制备条件分别为改性纳米TiO2-SPI复合膜中SPI添加量4.5 g/100 mL、改性TiO2添加量2.0 g/100 mL、甘油添加量1.5 g/100 mL，而纳米TiO2-SPI复合膜中SPI添加量4.5 g/100 mL、改性TiO2添加量2.0 g/100 mL、甘油添加量1.5 g/100 mL，普通SPI膜中SPI添加量4.5 g/100 mL、甘油添加量1.5 g/100 mL，烘干温度为70 ℃，烘干时间为6 h。

疏水相互作用是维持蛋白质三级结构的主要作用力，对于SPI膜的性能具有重要的作用。接触角是判定膜材料表面疏水性的重要考察指标[31-33]。一般来说，膜接触角角度越大说明其表面疏水性越好[34]。

由图1可以看出，3 种复合膜的接触角大小呈现不断递增的趋势：普通SPI膜的接触角为86.7°，纳米TiO2-SPI复合膜为103.4°（较普通SPI膜提高了19.3%），改性纳米TiO2-SPI复合膜为115.3°（较普通SPI膜提高了33.0%，较纳米TiO2-SPI复合膜提高了11.5%）。所以，就SPI膜的疏水性能来讲，改性纳米TiO2-SPI复合膜＞纳米TiO2-SPI复合膜＞普通SPI膜。这可能是由于纳米TiO2粒子之间与SPI的氢键作用形成物理性的缠结结构，使得复合膜的性能发生变化，降低了复合膜的亲水性[26]，也有可能是由于添加纳米TiO2之后，SPI的蛋白质结构被打乱，表面的亲水基团遭到破坏[35]，提高其表面疏水性能。而纳米TiO2分子经过改性处理之后，硅烷偶联剂与二氧化钛发生反应，使其表面包覆一层有机偶联剂分子，变为非极性、亲油疏水的有机表面，因而就会呈现出来较强的非浸润性[36]，因而经过改性的TiO2在SPI复合膜的制备中使得膜表面具有较强的疏水性及较低的浸润性，也可能是由于改性后的纳米TiO2粒子与SPI分子上的羟基发生脱水反应，形成化学性的交联缠结结构，使得膜结构更加致密，疏水性能增强。

图1 对照组及改性纳米TiO2-SPI复合膜的接触角变化Fig.1 Contact angle of control group and modi fi ed TiO2-SPI fi lm

2.3 改性纳米TiO2-SPI复合膜的结构分析

2.3.1 FTIR分析

由图2可以看出，实验组（改性纳米TiO2-SPI复合膜）与对照组（纳米TiO2-SPI复合膜、普通SPI膜）在4 000～600 cm-1波数范围内呈现出相似的红外光谱。其中，在波数为1 630、1 538、1 240 cm-1处的峰分别对应的是SPI中的酰胺I键（C＝O伸缩振动）、酰胺II键（N—H弯曲振动）及酰胺III键（C＝O伸缩振动和N—H弯曲振动）[37-39]。由图2可以看出，相比于普通SPI膜，纳米TiO2-SPI复合膜以及改性纳米TiO2-SPI复合膜，酰胺I键发生了红移，这说明纳米TiO2以及改性纳米TiO2的加入均改变了SPI的结构，使其结构变得舒展[40]。同时相比于普通SPI膜及纳米TiO2-SPI复合膜，改性纳米TiO2-SPI复合膜酰胺III键也发生了红移，表示相比于未改性的TiO2，在SPI膜成膜液中加入改性TiO2可以使得SPI的结构更加的舒展，从而使SPI分子之间可以形成大量氢键，分子链结合更加紧密，改变其性能。

图2 对照组及改性纳米TiO2-SPI复合膜的FTIR图Fig.2 FTIR spectra of control group and modi fi ed TiO2-SPI fi lm

2.3.2 SEM分析

图3 对照组及改性纳米TiO2-SPI复合膜的SEM图Fig.3 SEM micrographs of control group and modi fi ed TiO2-SPI fi lms

由图3可以看出，改性纳米TiO2-SPI复合膜与普通SPI膜、纳米TiO2-SPI复合膜相比，表面更加致密平整，没有明显裂痕和空洞出现，表面性能：改性纳米TiO2-SPI复合膜＞纳米TiO2-SPI复合膜＞普通SPI膜，其主要原因可能是纳米TiO2-SPI复合膜中SPI分子更加舒展，相互之间形成大量的氢键，分子链向聚合态运动，使其结合更加紧密，原来处于分子内部的疏水基团大量暴露在分子表面，而亲水基团在表面的分布则相对减少，当TiO2改性后，在TiO2表面形成Ti—O—Si键[41]，也存在着端羟基，和TiO2表面性质相似，但是表面包覆SiO2的TiO2粒子表面变得光滑并成类球状，有助于水的吸附形成较厚溶剂化层，颗粒之间的斥力也将增大，有利于其在水中的分散稳定性提高[42]。

2.3.3 AFM分析

图4 对照组及改性纳米TiO2-SPI复合膜的AFM图Fig.4 AFM micrographs of control group and modi fi ed TiO2-SPI fi lms

由图4可以看出，普通SPI膜表面不光滑，凹凸起伏较大，膜表面的平均粗糙度为632.2 nm；纳米TiO2-SPI复合膜表面的平均粗糙度为478.6 nm，膜表面平整度较普通SPI膜有所改善；而改性纳米TiO2-SPI复合膜无明显的相分离，表面平均粗糙度仅为267.4 nm，无明显的凸起和凹坑，膜表面均匀光滑，结果与SEM图相符。

2.4 改性纳米TiO2-SPI复合膜抑菌性分析

图5 改性TiO2添加量对复合膜抑菌性能的影响Fig.5 Bacteriostatic effects of composite fi lms containing different amounts of modif i ed TiO2

2.4.1 改性TiO2添加量对复合膜抑菌性能的影响由图5可以看出，随着改性TiO2的不断添加，复合膜的抑菌率显著增大，表明复合膜的抑菌性增强，当改性TiO2添加量达到2.0 g/100 mL时，复合膜对于李斯特菌和大肠杆菌的抑菌性能最强，抑菌率分别达到92.81%和85.41%。与文献[19]中的TiO2-SPI复合膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌性能相比，改性纳米TiO2-SPI复合膜的抑菌性能显著增强。这可能是由于TiO2是光催化抗菌剂，其抑菌主要是依靠光激发产生的强氧化性的活性类物质·OH和·OOH作用于微生物[11]，破坏其有机分子中的不饱和键杀灭微生物。而经SiO2改性后的TiO2催化活性提高[42]，在光照条件下改性TiO2粒子在光催化下产生更多具有高活性自由基，因此经改性后的纳米TiO2粒子抑菌性能增强。随着改性TiO2添加量的继续增加，复合膜的抑菌性能无显著性的增加且物理性能还会有所降低，因而，综合考虑，选取2.0 g/100 mL的改性TiO2添加量，与前述工艺条件一致。

2.4.2 照射时间对复合膜抑菌性能的影响

图6 照射时间对复合膜抑菌性能的影响Fig.6 Bacteriostatic effects of composite fi lms after UV radiation treatment for different times

如图6所示，随着照射时间的延长，复合膜的抑菌性能增强。当照射时间为6 h时，复合膜对大肠杆菌和李斯特菌的抑菌性能最强，抑菌率分别达到91.14%和92.42%。而随着照射时间的继续延长，复合膜的抑菌性能变化不显著。这可能是由于改性TiO2光催化抗菌剂必须在光的激发下才能够产生活性自由基，杀死微生物，随着光照射时间的延长，改性TiO2抗菌剂活性不断激发，活性自由基的产生量增多，因而复合膜的抑菌性能不断增加。达到一定照射时间之后，由于复合膜中改性TiO2含量有限或是菌液抵抗力增强，其抑菌性能趋于平稳或呈现下降的趋势[19]。

2.4.3 波长对复合膜抑菌性能的影响

图7 不同波长对复合膜抑菌性能的影响Fig.7 Bacteriostatic effects of composite fi lmsafter UV radiation treatment at different wavelengths

从图7可以看出，复合膜在波长为365 nm的紫外灯照射处理下对大肠杆菌和李斯特菌的抑制率可以分别达到82.53%和82.03%，相比于在波长为280 nm的紫外灯照射处理下抑菌率显著提高，表明复合膜在波长为280 nm的紫外灯照射处理下对大肠杆菌和李斯特菌的抑菌性能均显著低于波长为365 nm的紫外照射处理。这可能是由于365 nm波长紫外光对改性TiO2粒子的光催化活性要远低于280 nm波长紫外光，因此365 nm波长紫外光照射处理使得改性TiO2粒子得以更强的激发，产生更多的活性自由基，破坏其有机分子中的不饱和键，达到杀灭微生物的目的。

3 结 论

改性纳米TiO2-SPI复合膜的最佳成膜工艺条件为SPI添加量4.5 g/100 mL、改性TiO2添加量2.0 g/100 mL、甘油添加量1.5 g/100 mL。其TS为13.22 MPa，EAB为10.18%，WVP为3.543 3（g·mm）/（m2·d·kPa），透氧性为0.35 g/（m2·d），透二氧化碳性为1.51 g/（m2·d），接触角为115.3°，疏水性能优良。添加改性TiO2的SPI膜的红外光谱酰胺I、III区均发生了变化，对其性能产生影响，且改性纳米TiO2-SPI复合膜的表面更为致密平整，无颗粒状结合物。当改性TiO2的添加量为2 g/100 mL、365 nm波长紫外灯照射6 h时，复合膜对大肠杆菌和李斯特菌的抑菌性能最强，最高抑菌率分别达到91.14%和92.81%。