卡拉胶/魔芋胶复合膜保鲜纳米SiO2修饰工艺优化

张荣飞 王相友

（山东理工大学农业工程与食品科学学院 山东淄博255049）

双孢蘑菇是我国主要栽培的食用菌种之一，其中出口创汇占80%以上。在采后后熟过程中，双孢蘑菇生命代谢极其活跃，使其商品质量和货架寿命受到严重影响，在生产和贮运方面损失重大，也因此制约了双孢蘑菇产业的发展。因采后保鲜处理不合适或保鲜技术设施落后，我国每年双孢蘑菇在采后贮藏和运输过程中的损失高达30%以上[1]。

目前，国内外对可食性共混膜性能的研究逐渐成为果蔬涂膜保鲜研究的热点[2-8]。卡拉胶和魔芋胶均是从植物中提取的多糖物质，广泛应用于食品及食品添加剂中，两者共混成膜时，能够形成脆度小，弹性大，析水少的凝胶，因此，卡拉胶/魔芋胶复合膜作为一种可食性保鲜膜，可以产生各单体胶不具有的特性，在绿色可食性包装薄膜方面的应用前景十分广阔[8]。谢建华等[10]研究了卡拉胶-魔芋葡甘聚糖共混膜的制备，并测定其性能，结果表明其厚度、洗刷性等性能在魔芋葡甘聚糖与卡拉胶质量比为6∶4 时最佳。然而，卡拉胶/魔芋胶共混膜存在机械性能较差，强度低，抗水性差等缺点。纳米SiO2是一种白色粉末非金属材料，在有机材料改性中应用广泛，且无毒，无味，无污染，目前已被国家批准为食品添加剂[11]。由于其具有表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应等特征而常作为一种改性材料，可与许多高分子聚合物复合制备纳米复合材料，从而提高聚合物的成膜效能特性以及保鲜作用[12]。孟祥胜等[13]发现PVA 薄膜加入纳米SiO2粉体，其耐水性提高为原来的2.40 倍。Rhim 等[14]研究了纳米粘土对琼脂/卡拉胶/魔芋胶复合膜的机械性能和水阻隔性能的影响。

为了使纳米复合膜的性能达到最佳，本课题研究了纳米SiO2添加量、卡拉胶与魔芋胶质量比、甘油添加量对复合膜性能的影响，以及对双孢蘑菇的涂膜保鲜效果，并采用SEM，FTIR，XRD 和UV 对复合膜的结构进行表征分析，旨在为纳米SiO2/卡拉胶/魔芋胶复合膜用于果蔬及食用菌的保鲜提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 主要试剂与材料

双孢蘑菇：采摘于山东省淄博市淄河镇。采摘后的双孢蘑菇立即运至山东理工大学实验冷库，（2±1）℃下预冷24 h，降低其呼吸热。挑选伞盖直径大约4 cm 左右，洁白、无械损伤和真菌感染的双孢蘑菇。

食品级卡拉胶，天津市博迪化工有限公司；食品级魔芋胶，淄博双帆外贸有限公司；亲水型纳米SiO2，南京海泰纳米材料有限公司，HTSi-01；无水CaCl2，天津市福晨化工有限公司；甘油，莱阳经济技术开发区精细化工厂。

1.2 仪器及设备

电热恒温鼓风干燥箱（DHG-9140A），上海一恒科学仪器有限公司；数显恒温水浴锅（HH-S），常州普天仪器制造公司；场发射扫描电子显微镜（Sirion 200），美国FEI 公司；多晶X-射线衍射仪（D8 Advance），德国BrukerAXS 公司；傅立叶变换红外光谱仪 （Nicolet 5700），美国Thermo Electron；紫外可见分光光度仪（UV2550），日本岛津公司国际贸易有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 试验方案 对纳米SiO2添加量、卡拉胶与魔芋胶质量比、甘油添加量，根据有关参考文献[14]及实验室前期试验结果[15]进行L9（3）4正交试验设计，试验因子的水平和编码见表1，试验重复3次。

表1 试验因素水平编码表Table 1 Factors and levels of experiments

1.3.2 膜的制备 参照表2，分别把纳米SiO2到入100 mL 蒸馏水中，溶解后加入相应量的卡拉胶和魔芋胶，搅拌均匀后，60 ℃水浴锅中搅拌加热20 min，然后在频率为40 kHz，功率为150 W 的超声波下处理25 min，分散脱气。冷却至30 ℃左右，定量的在面积相同的玻璃板上流延成膜，待干燥后流水冲洗揭膜，制得不同比例的纳米SiO2/卡拉胶/魔芋胶复合膜，于室温下晾干，待用。

1.3.3 厚度 将膜样品折叠一定的层数，取不同的点用游标卡尺测其厚度，取其平均值。

1.3.4 透光率[14]将待测纳米SiO2/卡拉胶/魔芋胶复合膜和卡拉胶/魔芋胶复合膜样品裁成4.5 mm×1.1 mm 条状，贴于比色皿内部，利用日本岛津公司UV2550 紫外分光光度计，以空比色皿做对照，在波长450 nm 处测定复合膜的吸光度，每组样品取3 个，取其平均值。按照式（1）计算。

式中，A——吸光光度值；T——透光率，%。

1.3.5 透水率 参照GB/T 16928-1997[17]中的方法A 和ASTM[18]方法，烘干称量瓶，称取3 g 无水CaCl2置于其中，用纳米SiO2/卡拉胶/魔芋胶复合膜和卡拉胶/魔芋胶复合膜在瓶口紧密覆盖，并用橡皮筋固定，放入恒温恒湿箱 （23 ℃，RH=90%）中，24 h 后（至称量瓶质量不变时）测定量瓶质量的增加量。每组样品取3 块膜，结果取其平均值。膜的透水率按式（2）计算。

式中，WVTR——水蒸气传递速率，g/m2·d；D——时间，d；S——膜的有效面积，m2。

1.3.6 溶胀度 膜的溶胀度采用干湿法[19]测定。测定优化复合膜的溶胀度并与卡拉胶/魔芋胶复合膜进行比较。每组样品取3 个，结果取平均值。

1.3.7 水溶性 将复合膜剪裁成正方形，于干燥器中恒温干燥，准确称量膜的质量，放入蒸馏水中吸水至恒重，收集膜，50 ℃干燥至恒重，称重（Wfinaldry，精确到0.0001 g），根据其质量变化计算膜的水溶性[20]，平行测定3 次，结果取平均值。膜的水溶性按照式（3）计算。

1.3.8 透氧性 采用脱氧剂吸收法，脱氧剂根据文献[21]制备。事先将称量瓶烘干至恒定质量，把脱氧剂置于称量瓶中，用复合膜在瓶口紧密覆盖，并用橡皮筋固定，放入23 ℃恒温恒湿箱中，于一定湿度（RH=90%）条件下放置48 h 后测定称量瓶增加质量Δm，即脱氧剂吸收O2的量[18]。O2透过膜被脱氧剂吸收。按式（4）计算成膜的透氧率。

式 中，Q （O2）——膜 的 透O2率，g/m2·d；Δm——脱氧剂吸收O2的质量，g；D——时间，d；S——为膜片的有效面积，m2。

1.3.9 透CO2性 事先将称量瓶烘干至质量恒定，将5 g KOH 置于称量瓶中，用复合膜在瓶口紧密覆盖，并用橡皮筋固定，放入23 ℃恒温恒湿箱中，于一定湿度（RH=90%）条件下放置48 h 后测定量瓶的增加质量Δm′，即KOH 吸收CO2的量[18]。CO2透过膜被KOH 吸收。按式（5）计算成膜的透CO2率：

式中，Q（CO2）——膜的透CO2率，g/m2·d；Δm′——KOH 吸 收CO2的 质 量，g；D——时 间，d；S——膜片的有效面积，m2。

1.3.10 复合膜的结构表征 采用美国Nicolet5700 型红外光谱仪、UV2550 紫外可见分光光度计、FEI Sirion200 型电子扫描电镜和X 射线衍射光谱仪分别对卡拉胶/魔芋胶复合膜及纳米复合膜进行结构表征。

1.3.11 双孢蘑菇的涂膜保鲜试验 将挑选好的蘑菇随机分为3 组（重复3 次），每组30 个。用优化后的纳米复合膜和普通复合膜对双孢蘑菇进行涂膜在（4±1）℃下贮藏保鲜[15]并每隔1 d 随机取样，测不同处理组双孢蘑菇的失重率、白度、硬度、细胞膜透性等生理品质指标，与对照组（未涂膜）进行比较。

2 结果与分析

2.1 试验安排与结果

根据表2的试验数据，分析纳米SiO2添加量，卡拉胶与魔芋胶质量比，甘油添加量对膜的透光率的影响规律，根据所测定的指标，利用SPSS19.0 软件对试验数据进行方差显著性分析，从而得到最佳配比。

表2 正交试验设计表及试验结果Table 2 The orthogonal experiment design and test results

表3 主体间效应的检验Table 3 The inspection effect among subjects

从表2和表3中可知，影响复合膜透光率的因子主次顺序为B>A>C，最佳配比为A1B3C2，并且卡拉胶与魔芋胶质量比和甘油两个因素对复合膜的透光率影响极其显著（P＜0.01），说明当卡拉胶与魔芋胶质量比为1∶3 时，复合膜的透光率到达最大值，这可能是因为魔芋胶和卡拉胶的协同效果在此时最佳，同时相容性较好[22-23]，两相光散射或折射损耗较少。除此之外，甘油的加入在一定程度上使复合膜的透光率提高，这表明甘油作为一种小分子有机物和复合膜中的第3 相，能够提高魔芋胶和卡拉胶共混时的均匀性，减少分子链团聚，利于复合膜中光波的传播，从而增强复合膜的透光率。纳米SiO2的独特结构使其表现出一些特殊的光学特性[24]，也提高了膜的透光率。郭卫红等[25]研究结果表明，由于纳米SiO2粒子尺寸小于可见光波长，加入了纳米SiO2的纳米复合膜具有良好的透明度和较高的光泽度。

2.2 复合膜的性能验证

2.2.1 复合膜的厚度 卡拉胶和魔芋胶本身具有很好的流延性和成膜性，与纳米粒子结合后成膜比较均匀，所得的膜的厚度主要在25～26 nm 之间。膜厚度的均匀性对膜的综合性能的研究具有重要意义。

2.2.2 复合膜的性能验证 以纳米SiO2添加量0.03%，卡拉胶与魔芋胶质量比1∶3，甘油添加量0.7%的优化配方，配制复合膜测定其透光性、透氧性、透CO2性、水溶性、溶胀性、透水率，并与未添加纳米SiO2的卡拉胶/魔芋胶复合膜进行比较。

将复合膜涂膜于果蔬表面进行保鲜，在食用前果蔬一般需要经过清洗，所以，膜的水溶性和溶胀度是评价该膜是否可实际应用的重要指标之一[26]。卡拉胶/魔芋胶复合膜是坚韧的弹性材料，在一定范围内，溶胀度越大复合膜的弹性越好，果蔬保鲜效果也越好。由表4可见，纳米SiO2/卡拉胶/魔芋胶复合膜的水溶性和溶胀度分别较卡拉胶/魔芋胶复合膜高2.42%，5.54%。

图1 复合膜的厚度Fig.1 The thickness of composite films

表4 纳米复合膜的性能Table 4 Performances of nano-composite film

对于处在保鲜膜包装中的果蔬而言，过高或过低的氧气浓度都会影响其鲜度和贮藏寿命。因此新鲜果蔬用保鲜膜包装时，膜的氧气透过率应适量，以防止果蔬进行无氧呼吸而腐烂，若膜的氧气透过率太大，呼吸强度过高，从而使果蔬代谢加速，寿命缩短[27]。由表4可知，添加纳米粒子后，纳米复合膜的透O2性低于卡拉胶/魔芋胶复合膜0.007 g/m2·d，透CO2性高于卡拉胶/魔芋胶复合膜0.024 g/m2·d，因此，纳米复合膜更有利于抑制果蔬的呼吸作用。除此之外，纳米复合膜的透光率增加，这是因为纳米SiO2具有很好的光学效应[24]；其透水率较卡拉胶/魔芋胶复合膜降低了9.03%。综上所述，纳米SiO2/卡拉胶/魔芋胶复合膜的性能较优些，更有利于其在果蔬保水、保鲜方面的应用。

2.3 复合膜的微观结构表征

2.3.1 扫描电镜分析 纳米SiO2在卡拉胶/魔芋胶复合膜中分散SEM 分析结果如图2所示。

由图2b 可见，卡拉胶和魔芋胶具有较好的相容性，且无分离现象，图2a 中纳米SiO2在卡拉胶/魔芋胶复合膜中分散较均匀，相容性较好。王明力等[28]在壳聚糖保鲜涂膜纳米SiOx 修饰工艺优化的研究中，纳米SiO2可较好的分散在壳聚糖中，且相容性较好。

图2 复合膜的SEM 图Fig.2 SEM photo of composite film

2.3.2 红外光谱分析 纳米SiO2/卡拉胶/魔芋胶复合膜和卡拉胶/魔芋胶复合膜的红外光谱图如图3所示。

由图3可知，其普通复合膜和纳米复合膜羟基伸缩振动峰分别为3 359.9，3 352.2 cm-1，纳米复合膜羟基伸缩峰向低波方向发生迁移，说明纳米粒子与卡拉胶/魔芋胶复合膜分子之间发生作用，表现为纳米复合膜的凝胶作用较卡拉胶/魔芋胶复合膜增大，从而成膜性较好。这与卡拉胶残基上的半酯式硫酸盐基团能成为一种阴离子型分子电解质有关[29]，以及纳米SiO2与卡拉胶/魔芋胶分子之间形成的氢键所致。因此，氢键的存在对复配体系起到了非常重要的增容作用。这与王元兰等[30]对卡拉胶/魔芋胶复配胶凝胶强度的测试结果非常吻合。

2.3.3 紫外可见分光光谱分析 纳米SiO2/卡拉胶/魔芋胶复合膜和卡拉胶/魔芋胶复合膜的紫外可见光光谱图如图4所示。

由图4可知，加入纳米粒子后复合膜的成分没有变化，只是分子中某些基团的吸收值发生改变，从图中可以明显看出，加入纳米粒子后复合膜中所有基团的吸收波长都发生了红移（向长波长方向移动），并且其波峰值也都增大，说明纳米复合膜中的氢键作用比较强，氢键的数量也较多。进一步说明纳米粒子对复合膜有一定的修饰作用。

图3 复合膜的红外光谱图Fig.3 FTIR photo of composite film

图4 复合膜紫外可见分光光谱图Fig.4 UV photo of composite film

2.3.4 X-射线衍射光谱分析 纳米SiO2/卡拉胶/魔芋胶复合膜和卡拉胶/魔芋胶复合膜的X-射线衍射光谱图，如图5所示。在加入纳米SiO2粒子后，复合膜的结晶峰发生了明显改变，卡拉胶/魔芋胶/纳米SiO2复合膜在2 附近处结晶峰加强。结果表明，尽管卡拉胶和魔芋胶原有结构的规整性被机械力及分子动力学作用扰乱，但因纳米SiO2分子中含有大量羟基，增加了卡拉胶、魔芋胶分子内的氢键强度和分子的有序度，所以结晶度增加；与此同时，纳米SiO2和卡拉胶、魔芋胶分子之间有较强的氢键作用，分子的链段有的独自排列，有的相互缠结在一起，从而原有的排列被打乱，导致各自的结晶性能和结构发生改变。所以纳米SiO2对卡拉胶、魔芋胶分子存在一定的修饰作用。

2.4 保鲜试验结果

由上述试验结果得到的优化配方，对双孢蘑菇进行涂膜（4±1）℃保鲜，由表5可知，贮藏第12天时，空白对照组的失重率为0.89%，而卡拉胶/魔芋胶/纳米SiO2复合涂膜处理组为0.67%。结果表明，相对于空白组，卡拉胶/魔芋胶复合涂膜和卡拉胶/魔芋胶/纳米SiO2复合涂膜均显著（P＜0.05）抑制了双孢蘑菇的失重情况；空白对照组与涂膜处理两组的硬度值有显著差异（P<0.05），空白对照组的硬度值降到4.19×105Pa，卡拉胶/魔芋胶复合涂膜处理组降到4.53×105Pa，卡拉胶/魔芋胶/纳米SiO2复合涂膜处理组降到6.41×105Pa；纳米复合涂膜组白度值都高于空白对照组，细胞膜透性也低于对照组（表5）。这是由于无机纳米粒纳米SiO2与卡拉胶和魔芋胶通过共混的方式所制成的膜，膜中的硅氧键对CO2和O2有吸附、溶解、扩散、释放作用[31]，可调节膜内外CO2和O2交换量，从而抑制双孢蘑菇呼吸强度，达到保鲜、保湿的作用。

图5 复合膜X-射线衍射光谱图Fig.5 XRD photo of composite film

表5 复合涂膜在（4±1）℃对双孢蘑菇的失重率、白度、硬度及细胞膜透性的影响Table 5 Effect of coating on weightloss，surface color，hardness and membrane permeability of Agaricus bisporus during storage at （4±1）℃

3 结论

本文以魔芋葡甘聚糖、卡拉胶为成膜基材，制备纳米可食性复合膜并对其性能进行测定，并进行微观结构表征。结果表明，质量配比、甘油含量、纳米SiO2对复合膜力学性能和光学性能有较大影响，其中卡拉胶与魔芋胶的质量配比影响较大，其次是纳米SiO2。通过正交试验，确定了膜制备的最佳工艺条件：纳米SiO2添加量、卡拉胶与魔芋胶质量比、甘油添加量分别为0.03%，1∶3，0.7%时，制得的复合膜各项性能较好，其透光率为84.26%，透氧性为0.15 g/m2·d，透CO2性为0.207 g/m2·d，水溶性值为51.78%，溶胀度为76.90%，透水率为62.31%。

卡拉胶/魔芋胶/纳米SiO2复合膜具有良好的透过性，如其对气体和蒸汽的透过性，包括氧气、二氧化碳和有机物蒸汽，并克服了普通高分子生物膜具有较差机械性能和阻隔性能的缺陷。因此，在双孢蘑菇生产、贮运和销售过程中，该纳米复合膜能起到较好的保鲜作用，并且符合当今农业生态可持续发展的要求，具有广阔的应用前景。