交联体系对海藻酸钠/印度树胶复合膜性能的影响

李 杨,白 钰,许加超,高 昕,付晓婷

(中国海洋大学食品科学与工程学院,山东青岛 266003)

近年来,随着食品工业的快速发展和消费市场的不断升级,食品包装领域越来越受到人们的关注。目前,市场上出售的保鲜膜产品主要有以下三种:聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)和聚偏二氯乙烯(PVDC)保鲜膜[1]。这类保鲜膜是以石油提取物之一乙烯为母体制成[2],不易降解,只有少部分被回收利用,大部分累积在自然环境中,造成“白色污染”[3]。此外,保鲜膜可与食品直接接触,在高温条件下易产生“塑化剂迁移问题”[4-6],长期摄入会引起心脑血管疾病,造成内分泌失调[7],存在巨大的食品安全隐患。因此,迫切需要找到一种廉价、安全、可降解的包装材料,代替目前包装领域对塑料包装材料的需求。

海藻酸钠(sodium alginate)是一种从海洋褐藻或细菌中提取的天然多糖,安全无毒、来源丰富、具有全生物降解性和良好的成膜性,因此被广泛的应用于食品领域中[8]。海藻酸钠可与除镁离子外的多价金属离子交联形成不可逆凝胶,在实际应用中常使用二价钙离子作为交联剂,钙离子可与海藻酸钠形成典型的“蛋盒结构”[9],但单一交联剂形成的交联膜物理性能较差,不利于工业化生产及使用。针对上述问题,已有文献报道表明,通过交联体系的优化可改善膜的物理性能,如:Bartley等[10]探究了pH对海藻酸钠-卡拉胶共混膜交联度的影响,实验结果表明酸性环境下共混膜的交联度最大且共混膜的物理性能最佳;邓靖等[11]研究表明交联作用优化后,海藻酸钠膜的机械性能及耐水性能均有所改善;邱洁等[12]通过研究交联条件对海藻渣地膜性能的影响时,得出CaCl2-HCl交联体系可通过褐藻酸钙与褐藻酸之间的协同作用来改善褐藻酸钙膜的柔韧性。但目前大多使用无机酸(例如:盐酸等)进行优化研究,无机酸的酸性极强,这不仅大大加速了膜的降解速率,而且食品包装膜在使用过程中直接与食品接触,pH直接影响食品的货架期,pH较低易滋生细菌、酵母菌或霉菌[13],不利于食品的贮存。因此,本文选用柠檬酸、苹果酸、乳酸等几种食品工业中常用有机酸,这类酸不仅是一种天然的防腐剂,保鲜效果极佳,而且可参与人体正常的新陈代谢,对人体无害[14]。

因此,本实验以海藻酸钠为主要原料,与印度树胶进行复配,筛选氯化钙-柠檬酸、氯化钙-乳酸、氯化钙-苹果酸三种交联体系,并通过Ca2+-H+交联体系的优化来改善海藻酸钠/印度树胶复合膜的性能。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

海藻酸钠 青岛海之林生物科技有限公司;印度树胶 河南圣斯德实业有限公司;丙三醇(甘油) 天津市富宇精细化工有限公司;氯化钙 天津市大茂化学试剂厂;柠檬酸、乳酸、苹果酸 安徽雪郎生物科技股份有限公司。

HH-2型数显恒温水浴锅 国华电器有限公司;DZG-6020型电热真空干燥箱 上海培因实验仪器有限公司;DHG-9090A型电热恒温鼓风干燥箱 上海精宏实验设备有限公司;10JEWELS 测厚规 威海裕福量具有限公司;TMS-PRO 质构仪 美国Food Tech-nology Corporation;VEGA3 扫描电子显微镜 TESCAN;Nicolet iN10 傅里叶红外变换光谱 美国Massachusetts。

1.2 实验方法

1.2.1 海藻酸钠/印度树胶复合膜的制备 通过课题组前期单因素实验探索得最优配方如下:按照溶液总浓度为1.4%、比例为5∶1,分别称取海藻酸钠与印度树胶粉末溶于蒸馏水中,并向溶液中加入0.5%甘油[15],在60 ℃恒温水浴搅拌至完全溶解,将胶液冷却至室温并置于电热真空干燥箱中脱气30 min。再将脱气完全的胶液倒入15 cm×15 cm的亚克力板中烘干,随后将膜浸没在配制的交联溶液中进行交联,交联结束后,将交联膜用蒸馏水冲洗掉残余交联液,并将交联膜烘干。最后,将制备的样品膜放置于相对湿度为50%、温度为25 ℃的干燥器中调试3 d,以备后续性能测定使用。

1.2.2 交联体系对海藻酸钠/印度树胶复合膜性能的影响

1.2.2.1 钙离子浓度对海藻酸钠/印度树胶复合膜性能的影响 参照参考文献[12]的报道并稍作修改,按照钙离子浓度为1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%,交联时间为5 min,对复合膜进行交联,随后进行复合膜性能测试,筛选出最优钙离子浓度。

1.2.2.2 氢离子浓度对海藻酸钠/印度树胶复合膜性能的影响 参照参考文献[16]的报道并稍作修改,按照钙离子浓度为1.5%,氢离子浓度为0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%,交联时间为5 min,有机酸种类为柠檬酸配制交联溶液,对复合膜进行交联,随后进行复合膜性能测试,筛选出最优氢离子浓度。

1.2.2.3 交联时间对海藻酸钠/印度树胶复合膜性能的影响 参照参考文献[17]等的报道并稍作修改,按照钙离子浓度为1.5%,氢离子浓度为1.0%,交联时间为4、5、6、7、8、9、10 min,有机酸种类为柠檬酸配制交联溶液,对复合膜进行交联,随后进行复合膜性能测试,筛选出最优交联时间。

1.2.2.4 有机酸种类对海藻酸钠/印度树胶复合膜性能的影响 按照钙离子浓度为1.5%、,氢离子浓度为1.0%,交联时间为5 min,有机酸种类为柠檬酸、乳酸、苹果酸配制交联溶液,对复合膜进行交联,随后进行复合膜性能测试,筛选出最优有机酸种类。

1.2.3 膜性能测试

1.2.3.1 膜厚度的测定 使用测厚规(精密度为0.001 mm)测量海藻酸钠/印度树胶复合膜厚度,每个组分别选取3张复合膜进行测量。随机在每张复合膜上选取10个点,并计算其平均值。

1.2.3.2 力学性能的测定 参考ASTM Method D882标准并稍作修改[18],对膜的拉伸强度和断裂伸长率进行测定。将膜切割成5 cm×1.5 cm条形,设定参数:拉伸速率12 mm/min,起始夹距50 mm,使用TMS-Pro质构仪进行测定。每个组分取10条试样测定,并计算其平均值。

拉伸强度(TS)计算公式如下:

TS=Fmax/A

式(1)

其中,Fmax(N)是样品断裂所需最大力;A(m2)是样品横截面积(膜厚度×膜宽度)。

断裂伸长率(EB)计算公式如下:

EB(%)=(L/L0)×100

式(2)

其中,L(m)样品断裂时伸长率;L0(m)样品的初始长度。

1.2.3.3 水蒸气透过率的测定 参考ASTM Method E96标准并稍作修改[19],对膜的水蒸气透过率进行测定。将膜切成直径为6 cm的圆,覆盖于装有15 mL蒸馏水的称量杯(3 cm×5 cm)上。将称量杯置于相对湿度为50%,温度为25 ℃的环境中,12 h内每2 h测一次称量杯的重量。每个组分取3个试样测定,并计算其平均值。计算公式如下:

WVP=(WVTP×L)/ΔP

式(3)

其中,WVTP为水蒸气透过率(g/(m2s));L(m)为膜厚度;ΔP为膜两侧水蒸气压差。

1.2.3.4 含水量的测定 参照参考文献方法[20],并稍作修改。将膜剪碎成小块,称取约0.5 g于称量皿中,置于105 ℃烘箱中烘干至恒重。每个组分取3个试样测定,并计算其平均值。计算公式如下:

式(4)

其中,m0为膜的起始重量(g);mf为膜烘干至恒重后重量(g)。

1.2.3.5 水溶性的测定 参照参考文献方法[20],并稍作修改。将膜切割成直径为2.5 cm的圆形样品,称重为m0。并将圆形样品置于装有50 mL的蒸馏水的锥形瓶中,浸泡24 h后吸干水分,在105 ℃烘箱内烘干至恒重,取出称重mf。每个组分取3个试样测定,并计算其平均值。计算公式如下:

式(5)

其中,w为膜的水分含量。

1.2.3.6 扫描电镜 使用液氮处理使海藻酸钠/印度树胶复合膜自然断裂,并将复合膜进行镀金处理,在15 kV加速电压下使用扫描电子显微镜进行微观结构分析。

1.2.3.7 傅里叶红外变换光谱 将样品充分干燥、剪碎并研磨,取适量样品进行测试。测试条件为:扫描次数:16次,分辨率为4 cm-1,扫描波数范围400～4000 cm-1。

1.3 数据分析 通过one-way ANOVA进行统计分析,使用SPSS统计分析软件进行Ducan分析。所有实验至少重复3次,结果以means±S.D表示。当试验结果P<0.05时,具有显著性差异。

2 结果与分析

2.1 钙离子浓度对海藻酸钠/印度树胶复合膜性能影响

海藻酸钠可与二价金属离子Ca2+形成强凝胶褐藻酸钙,即为典型的“蛋盒”结构[21],改善海藻酸钠膜易溶于水的缺点。钙离子浓度为1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%对海藻酸钠/印度树胶复合膜力学性能的影响如图1所示,随着钙离子浓度增大,海藻酸钠/印度树胶复合膜拉伸强度先增大,当浓度为2.5%时达到最大为47.66 MPa(P<0.05),随后拉伸强度减小,与郭丽玲等[22]研究结果相同。同时,复合膜断裂伸长率随着钙离子浓度增大,呈现先增大后降低趋势,当浓度为1.5%时,断裂伸长率最大为8.98%(P<0.05)。这可能由于交联时,Ca2+与海藻酸钠分子链上的羧基基团结合,随着钙离子浓度增大,交联速度越快,拉伸强度增大。但交联速度过快导致钙离子与羧基基团不能有序结合,使复合膜拉伸强度降低[23]。

图1 钙离子浓度对海藻酸钠/印度树胶复合膜力学性能的影响

表1是钙离子浓度对复合膜厚度、水蒸气透过率、含水量和水溶性的影响。钙离子浓度增大对复合膜厚度影响不大,但复合膜的水蒸气透过率呈现先减小后趋于稳定趋势。这可能由于钙离子浓度增大,膜交联程度增高,膜越致密,水蒸气透过率减小。含水量一定程度上能反映复合膜的稳定性,随着钙离子浓度的增大呈现缓慢增大后减小的趋势。对于水溶性来说,钙离子浓度的改变对其无显著性影响(P>0.05)。

表1 钙离子浓度对海藻酸钠/印度树胶复合膜厚度、水蒸气透过率(WVP)、含水量和水溶性的影响

因此,综合考虑选择钙离子浓度为1.5%进行后续实验,此时膜厚度为31.05 μm,拉伸强度为47.66 MPa,断裂伸长率为8.98%,水蒸气透过率为7.81×10-11g/(m·s·Pa),含水量为16.32%,水溶性为8.07%。

2.2 氢离子浓度对海藻酸钠/印度树胶复合膜性能影响

由上述讨论得知,单纯钙交联体系所形成的交联膜刚性强,断裂伸长率性能差,因此本研究选取Ca2+-H+交联体系来改善复合膜的柔韧性。氢离子浓度为0.0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%对海藻酸钠/印度树胶复合膜力学性能的影响如图2所示,随着氢离子浓度的增加,膜拉伸强度先减小后趋于平稳,断裂伸长率先增大后减小。这归因于Ca2+-H+交联体系可形成强凝胶“Ca(Alg)2”和弱凝胶“HAlg”,两者比例可影响复合膜的强度及柔韧度[16],当氢离子浓度为1.0%时,强弱凝胶的协同作用最好,力学性能最佳。

图2 氢离子浓度对海藻酸钠/印度树胶复合膜力学性能的影响

氢离子浓度对海藻酸钠/印度树胶复合膜厚度、水蒸气透过率、含水量和水溶性的影响如表2所示,水蒸气透过率和水溶性均呈现先降低后增大趋势,氢离子浓度为1.0%时,水蒸气透过率和水溶性分别为6.99×10-11g/(m·s·Pa)、6.41%(P<0.05)。

表2 氢离子浓度对海藻酸钠/印度树胶复合膜膜厚度、水蒸气透过率(WVP)、含水量和水溶性的影响

因此,综合考虑选择氢离子浓度为1.0%进行后续实验,此时膜厚度为34.52 μm,拉伸强度为34.11 MPa,断裂伸长率为15.27%,含水量为17.33%,水蒸气透过率为6.99×10-11g/(m·s·Pa),水溶性为6.41%。

2.3 交联时间对海藻酸钠/印度树胶复合膜性能影响

交联时间是影响海藻酸钠/印度树胶复合膜性能的重要指标之一,将复合膜在交联液中分别交联4、5、6、7、8、9、10 min,探究交联时间对复合膜性能影响。如图3所示,随着交联时间的增大复合膜的拉伸强度和断裂伸长率均呈现先增大后缓慢减小的趋势(P<0.05)。当交联5 min时,复合膜交联完全,拉伸强度和断裂伸长率分别为34.11 MPa和15.27%。但本研究为Ca2+-有机酸交联体系,海藻酸钠膜在酸性条件下可发生降解[24],而有机酸酸性呈弱酸性,因此呈现缓慢降低趋势。

图3 交联时间对海藻酸钠/印度树胶复合膜力学性能的影响

如表3所示,交联时间在4～8 min内时,复合膜的水蒸气透过率均在6.57×10-11～7.37×10-11g/(m·s·Pa)之间。当交联时间增大时,水蒸气透过率增大,交联时间10 min时,高达9.61×10-11g/(m·s·Pa)。可能是由于复合膜交联5 min时,交联完全形成致密的网状结构,但随着交联时间的延长,导致海藻酸钠/印度树胶复合膜在酸性条件下发生降解[24],破坏了形成的“蛋盒”结构,导致水蒸气透过率增大。复合膜的水溶性呈现先降低后略微升高至平衡状态,这归因于随着交联时间的延长交联程度增高,当交联5 min时交联完全,此时水溶性最小。

表3 交联时间对海藻酸钠/印度树胶复合膜膜厚度、水蒸气透过率(WVP)、含水量和水溶性的影响

因此,综合考虑选择交联时间5 min进行后续实验,此时膜厚度为34.52 μm,拉伸强度为34.11 MPa,断裂伸长率为15.27%,水蒸气透过率为6.99×10-11g/(m·s·Pa),含水量为17.33%,水溶性为6.41%。

2.4 有机酸种类对海藻酸钠/印度树胶复合膜性能影响

本研究选取柠檬酸、乳酸、苹果酸三种常用的有机酸,通过测定复合膜的性能筛选出合适的Ca2+-H+体系。如图4所示,通过氯化钙-柠檬酸交联体系制备的复合膜拉伸强度和机械性能分别为34.11 MPa和15.27%,均优于氯化钙-乳酸交联体系和氯化钙-苹果酸交联体系。从表4中可知:氯化钙-柠檬酸交联体系水蒸气透过率最佳(P<0.05),氯化钙-乳酸交联体系其次,氯化钙-苹果酸交联体系最差。三种有机酸交联体系所形成的复合膜水溶性:氯化钙-乳酸>氯化钙-苹果酸>氯化钙-柠檬酸。这可能归因于氯化钙-柠檬酸交联体系中Ca2+与H+协同作用最佳,复合膜的水蒸气透过率最低，为6.99×10-11g/(m·s·Pa),水溶性为6.41%。

表4 有机酸种类对海藻酸钠/印度树胶复合膜膜厚度、水蒸气透过率(WVP)、含水量和水溶性的影响

图4 有机酸种类对海藻酸钠/印度树胶复合膜力学性能的影响

因此,综合考虑选用氯化钙-柠檬酸交联体系进行后续实验,此时膜厚度为34.52 μm,拉伸强度为34.11 MPa,断裂伸长率为15.27%,水蒸气透过率为6.99×10-11g/(m·s·Pa),含水量为17.51%,水溶性为6.41%。

2.5 扫描电镜分析

利用扫描电镜对海藻酸钠/印度树胶复合膜进行表面及断面结构的表征,从而进一步分析不同Ca2+-H+交联体系对膜结构的影响。如图5所示,三种不同Ca2+-H+交联体系交联膜表面平整、均匀,这是由于Ca2+可优先与海藻酸钠中GG片段交联形成“蛋盒结构”[21],随后H+可与海藻酸钠中MG(或者GM)片段交联形成HAlg线性弱凝胶[25],形成致密结构。相较之下,氯化钙-乳酸交联体系和氯化钙-柠檬酸交联体系表面粗糙、有少量颗粒状结构。断面:氯化钙-柠檬酸交联体系结构紧密,无气泡及空腔;氯化钙-乳酸交联体系截面紧密但可观察到少量条状缺失;氯化钙-苹果酸交联体系断面有一层层片状,结构不致密,截面厚度厚。综上所示,三种不同的交联体系中,氯化钙-柠檬酸交联体系形成的交联膜微观结构最紧密、均匀、交联度高。

图5 不同交联体系海藻酸钠/印度树胶复合膜表面(左)及断面(右)的微观结构

2.6 傅里叶红外光谱分析

如图6所示,三种不同Ca2+-H+交联体系所形成的特征峰在3329、1705、1604、1406、1035 cm-1波段。其中,3329 cm-1处吸收峰为-OH的伸缩振动峰,1604和1406 cm-1处特征峰分别对应-COO-的反对称伸缩振动吸收峰及对称伸缩振动吸收峰[15,26]。此外,1705和1035 cm-1分别对应着羧酸酯(C=O)的伸缩振动吸收峰及糖苷键吸收峰[27]。分析可得,三种不同交联体系的傅里叶红外光谱图类似,其中主要在-OH伸缩振动吸收峰和羧酸酯(C=O)伸缩振动吸收峰发现差异。-OH谱带形成的差异是由分子内及分子间形成的氢键产生;羧酸酯(C=O)谱带形成的差异归因于:有机酸呈弱酸性,可与海藻酸钠形成酯键[28],三种有机酸在水溶性中的酸性强弱不同,因此羧酸酯形成峰的峰面积不同。

图6 不同交联体系海藻酸钠/印度树胶复合膜傅里叶红外光谱图

3 结论

本研究通过探究氯化钙-柠檬酸、氯化钙-乳酸、氯化钙-苹果酸三种不同的Ca2+-H+交联体系来改善海藻酸钠/印度树胶复合膜的性能。复合膜的优化结果为,当选用氯化钙-柠檬酸交联体系,Ca2+浓度为1.5%,H+浓度为1.0%,交联时间为5 min时,海藻酸钠/印度树胶复合膜综合性能最佳:拉伸强度为34.11 MPa,断裂伸长率为15.27%,膜厚度为34.52 μm,水蒸气透过率为6.99×10-11g/(m·s·Pa),含水量为17.51%,水溶性为6.41%。同时,扫描电镜和傅里叶红外变换光谱表征方法也表明氯化钙-柠檬酸交联体系形成的交联膜微观结构紧密、均匀、交联度高。此外,本实验结果为海藻酸钠/印度树胶复合膜作为一种安全无毒、环境友好、可生物降解的新型包装材料提供了理论依据。