果胶-海藻酸钠-黄原胶可食性复合膜的制备及性能研究

樊彦玲，李晓君，2，张思瑶，杨静*

（1.中北大学化学工程与技术学院，山西 太原 030051；2.山西纳安生物科技股份有限公司，山西 太原 030006）

天然高分子材料具有来源广泛、环境友好、可生物降解和可食性等优点，符合消费者对安全产品的需求，已成为研究和开发的热点[1]。其中多糖类是一个重要的分支，主要包括淀粉、海藻酸钠、壳聚糖、果胶、黄原胶和纤维素等[2]。果胶主要来源于柑桔皮或苹果渣，由D-半乳糖醛酸单元的甲基化酯组成，单一果胶膜的机械强度差，但它的线性结构能赋予膜柔韧的特点，是形成可食性膜的一种良好材料[3]。海藻酸钠是由β-D-甘露醛酸和α-L-古龙醛酸通过α-1，4-葡萄糖苷键聚合的海藻多糖的代表，由于其良好的机械强度常被用作可食性涂膜或薄膜的基质[4]，但是单一海藻酸钠制成的薄膜具有硬脆及耐水性较差的缺点。因此，通常将两种或两种以上的材料共混，采用物理或化学的方法根据不同的比例复配，以增强其优良协同效应，改善自身的缺点[5]。果胶和海藻酸钠这两种聚阴离子多糖都可以与钙离子很好地形成“蛋盒”模型，其结合也有助于改善耐水性，增强协同物理化学性质，在复合膜的制备及应用上已得到广泛研究[6]。而在众多钙离子交联剂中，氯化钙的效果最好[7]。黄原胶是一种胞外微生物多糖，由以葡萄糖、甘露糖和葡萄糖醛酸组成的五糖重复单元形成，在低浓度下具有优异的相容性、溶解性和稳定性，常与其它生物聚合物共混以提高耐水性和热稳定性，在复合膜体系中起到辅助协调的作用[8]。增塑剂甘油具有相对低的极性，可阻隔空气，抑制水分挥发，通常用来提高复合膜的柔韧性[9]。

单一成分的可食性膜存在机械性能不足和透湿效果差等问题，而复合膜又存在成膜液黏度过高，在制膜过程中易产生大量泡沫影响复合膜性能等问题，本研究将果胶、海藻酸钠与黄原胶共混，制成可食性膜液，以膜液混合体系的流变特性为响应值，先确定果胶和海藻酸钠的用量，再将二价阳离子Ca2+与天然阴离子多糖膜液相互交联形成可食性复合膜，以拉伸强度为响应值，进一步通过响应面法优化黄原胶、甘油及氯化钙质量分数制备优化一种新型多糖类复合膜，研究其结构及理化性能，以期为新型可食性多糖膜的开发和利用提供一种新途径和基础数据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

果胶（货号LM-106AS-YA，酯化度45.53%，食品级）：美国斯比凯可公司；海藻酸钠[黏度667 mPa·s（20℃），食品级]：青岛聚大洋藻业集团有限公司；黄原胶（食品级）：淄博海澜化工有限公司；甘油（食品级）：广州嘉德乐生化科技有限公司；氯化钙（食品级）：潍坊海之源化工有限公司；乙醇（食品级）：湖北鑫润德化工有限公司；其它试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

JM-B-200电子天平：浙江省余姚市纪铭称重设备公司；LC-DMC-H磁力搅拌器：上海力辰科技有限公司；211-101EK电子数显千分尺：桂州广陆数字测控有限公司；LGD 5000电子万能拉力试验机：厦门易仕特仪器有限公司；Lambda35紫外可见分光光度计、Spectrum two傅立叶红外光谱仪：美国珀金埃尔默公司；MCR 301流变仪：奥地利安东帕公司；D8 Advance X-射线衍射仪：德国布鲁克公司；JSM-7001F热场发射扫描电子显微镜：日立高新技术公司。

1.3 复合膜液的制备

在2%甘油的条件下，称取不同质量分数的果胶、海藻酸钠及黄原胶于80℃的蒸馏水中，用磁力搅拌器将三者混合均匀至完全溶解得到膜液。

1.4 复合膜液流变特性的测定

分别改变果胶、海藻酸钠及黄原胶的质量分数，固定其它条件不变，制备可食性膜液。膜液冷却至室温22℃，用流变仪测定膜液的流变性能，CP-50-1锥板的直径为50 mm，锥角为1°，间隙为0.1 mm，用于测量剪切黏度（剪切速率0.1 s-1～100 s-1）和黏弹性（应变1%，频率 0.1 Hz～100 Hz）。

1.5 果胶-海藻酸钠-黄原胶膜（pectin-sodium alginatexanthan gum composite film，PAX）的制备

1.5.1 单因素试验设计

以甘油为助溶剂，称取质量分数为0.6%的果胶、0.5%的海藻酸钠和一定质量分数的黄原胶加入80℃的蒸馏水中，用磁力搅拌器将三者混合均匀至完全溶解得到膜液。将膜液倒入90 mm培养皿内，使其高度为0.5 cm，再将氯化钙溶液喷洒在复合膜液的表面至完全覆盖。最后将含膜液的培养皿放入烘箱，60℃下烘干后揭取成膜，并在室温22℃下置于干燥器中静置24 h得到复合膜。在此基础上分别研究黄原胶质量分数（0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%），甘油质量分数（0.1%、0.5%、1.5%、2.5%、3.5%） 和氯化钙质量分数（1%、2%、3%、4%、5%）3个单因素条件对复合膜拉伸强度的影响，重复3次。

1.5.2 响应面试验设计

根据单因素试验结果，采用Box-Behnken中心组合设计以A（黄原胶质量分数）、B（甘油质量分数）、C（氯化钙质量分数）为自变量，以拉伸强度（tensile strength，TS）为响应值的三因素三水平响应面试验。

1.6 PAX的性能测试

1.6.1 厚度及密度

在膜材料上随机取5个点，用电子数显千分尺进行测定，并取平均值。将膜裁剪成5 cm×5 cm的大小，并称量其质量，由厚度计算其体积的大小，根据公式（1）可得到膜的密度ρ。

式中：m 为 5 cm × 5 cm 膜的质量，g；a、b、c分别为该膜的长度、宽度、厚度，cm。

1.6.2 机械性能

将膜剪成2 cm×7 cm的长方形，用电子万能拉力试验机进行拉力测试，测定复合膜的拉伸强度及断裂伸长率（elongation at break，EB）。夹距设定为 2 cm，拉伸速度设定为10 mm/min，测定温度（25±2）℃，相对湿度40%～55%。根据拉力和位移，利用公式（2）和（3）计算膜的拉伸强度和断裂伸长率[10]。

式中：TS为拉伸强度，MPa；FM为膜断裂时承受的最大拉力，N；S为拉伸前截面积，mm2。

式中：EB为断裂伸长率，%；Lmax为膜断裂时达到的最大长度，mm；L0为膜的初始长度，mm。

1.6.3 水蒸气透过率（water vapor permeability，WVP）

水蒸气渗透性试验根据ASTM E96《材料水蒸气透过率的标准试验方法》进行了一些修改，将50 mL烧杯注入20 mL蒸馏水，用膜将杯口包裹密封，橡皮筋固定。然后放置在无水硅胶干燥器中（相对湿度为0%，室温22℃）。每2 h称重1次，称6次。根据公式（4）进行计算。

式中：Δm为两次称重质量之差，g；x为膜的平均厚度，mm；S为包裹部分的有效面积，m2；ΔP为膜两侧的蒸汽压差，为 3 179 Pa（22 ℃）；t为间隔时间，s。

1.6.4 膜的表征

将干燥后的膜样品（2 mm×2 mm）喷金，使用扫描电子显微镜（scanning electron microscopy，SEM）对复合膜的表面及横截面进行观察，膜处于高真空状态，加速电压为3 kV。

对膜进行X射线衍射分析（X-ray diffractometry，XRD），射线采用CuKα射线，电压为 40 kV，电流为40 mA。扫描范围为 10°～50°。

采用傅立叶变换红外光谱仪（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）对膜进行结构分析，将膜（5 cm×5 cm）放置在试样台中间位置，采用衰减全反射（attenuated total reflection，ATR）附件测量，扫描次数为32，分辨率 4 cm-1，测量范围 4 000 cm-1～400 cm-1。

1.7 统计分析

所有的测试都至少重复3次，使用IBM SPSS Statistics 22.0软件进行数据处理，结果用平均值±标准差表示。使用Design-Expert 8.0.5.1软件进行响应面分析，使用Origin 8.5软件进行画图。

2 结果与分析

2.1 不同质量分数的果胶和海藻酸钠对膜液流变特性的影响

成膜溶液的流变性对液体涂层的扩散能力、均匀性、复合膜的厚度及机械性能有重要影响[11]。在25℃条件下，不同质量分数的果胶和海藻酸钠对膜液流变特性的影响见图1。

图1 不同质量分数的果胶和海藻酸钠对膜液流变特性的影响Fig.1 Effects of pectin and sodium alginate with different concentrations on rheological properties of film-forming solutions

由图1a可知，黏度随剪切速率的增加而降低，与具有剪切稀化行为的非牛顿流体相对应，特别是当剪切速率在0.1 s-1～20 s-1时，黏度急剧下降，其主要原因是快速剪切过程中成膜溶液分子链的破坏[12]。同时，果胶质量分数越大，溶液的黏度越大。这是因为随着果胶质量分数的增加，单位质量溶液中果胶的分子量增加，海藻酸钠与果胶的距离缩短，分子间作用力增强[13]。采用Ostwald-de-Waele幂律方程对静态流变曲线进行拟合，得出所有样品的稠度系数（k）、流变指数（n）值以及相关系数（R2），如表1所示。

表1 成膜液幂律方程拟合参数Table 1 Fitting parameters of power law equation for filmforming solution

n值小于1的成膜溶液为非牛顿假塑性流体，较高的n值意味着成膜溶液接近牛顿流体，黏度不依赖剪切速率[14]。当果胶质量分数低于0.4%时，流动性太强，难以控制；当果胶质量分数超过0.6%时，成膜物黏度太大，难以充分溶解和混合。综合考虑，果胶质量分数确定为0.6%，有利于膜液的充分溶解、混合和铺展。MA等[13]报道的塔拉胶-聚乙烯醇膜溶液的k值和n值分别为4.253Pa·s和0.466，与本研究结果相似。由图1b及表1同理可得，海藻酸钠的最佳质量分数为0.5%。

2.2 复合膜的制备

2.2.1 PAX制备的单因素试验

不同黄原胶、甘油及氯化钙质量分数对复合膜拉伸强度的影响见图2。

图2 不同黄原胶、甘油及氯化钙质量分数对复合膜拉伸强度的影响Fig.2 Effect of different concentrations of xanthan gum，glycerin and calcium chloride on tensile strength of composite film

由图2可知，PAX的拉伸强度随着黄原胶质量分数的增加呈现先升高后降低的趋势，当黄原胶质量分数增加到0.4%时，拉伸强度达到最大，为（34.89±0.43）MPa，这是由于黄原胶分子呈现有序的螺旋结构，与水分子、其它多糖分子之间借助范德华力和氢键形成致密的三维网状结构[15]。但当黄原胶质量分数超过0.4%时，由于黄原胶极大的黏度，难以形成较均一的共混膜，拉伸强度逐渐降低。刘筱等[16]也报道乳胶膜的拉伸强度随着黄原胶的加入先增大后减小。结合PAX在黄原胶质量分数为0.4%时，柔韧性及外观颜色较好，可得黄原胶的最佳质量分数为0.4%。

随着甘油质量分数的增加，PAX的拉伸强度从（43.53±0.72）MPa逐渐降低到（18.60±0.60）MPa，这是因为甘油为小分子物质，很容易进入到膜基质大分子间，破坏膜中原有大分子链的结构，削弱聚合物分子间的范德华力，降低氢键形成的几率，但提高了分子链的柔韧性[17]。考虑到甘油的质量分数在低于1.0%时，PAX的延伸性变差，脆性增加，容易折断，所以选择1.0%～3.0%的质量分数。

随着氯化钙质量分数增大，PAX的拉伸强度增大，当质量分数为2%时达到最大为（28.60±0.37）MPa，随后拉伸强度减小，这与李杨等[18]研究Ca2＋质量分数对海藻酸钠-印度树胶复合膜的力学性能趋势结果相同。这可能是因为多糖中含有丰富的羧基，易与Ca2＋发生交联作用。随着Ca2＋质量分数的增大，交联速度越快，使拉伸强度增大，但交联速度过快导致Ca2＋与羧基基团不能有序结合，使PAX拉伸强度降低[19]。当氯化钙质量分数很大时，复合膜的表面会有钙离子析出，呈现白色污渍，外观不佳且复合膜变脆。综合分析，氯化钙质量分数为2%时，PAX有较好的性能。

2.2.2 PAX的响应面优化试验

根据单因素试验结果，确定响应面中三因素三水平分别为：A黄原胶质量分数（0.3%、0.4%、0.5%），B甘油质量分数（1%、2%、3%）和C氯化钙质量分数（1%、2%、3%）。响应面试验方案和试验结果见表2。

表2 响应面试验设计方案及结果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

采用Design Expert软件对试验数据进行多元回归拟合，得到以各因素水平编码为自变量，拉伸强度为响应值的二次回归方程：Y=29.80-0.45A-0.75B-0.11C-0.42AB-0.22AC-0.36BC-2.20A2-1.64B2-1.22C2。对该模型进行方差分析及显著性检验，结果见表3。

表3 回归方程的方差分析结果Table 3 Analysis of variance（ANOVA）for regression equation

模型的F=54.46，P<0.000 1，表明该回归模型高度显著；A、B、A2、B2、C2影响极显著，AB 影响显著，该模型的相关系数R2=0.985 9，因变量与自变量之间线性关系显著，说明模型对试验拟合情况较好，试验误差小，可用于预测PAX最佳制备工艺。

各因素交互作用对PAX拉伸强度影响的响应面图如图3所示。

图3 各因素交互作用对PAX拉伸强度影响的响应面图Fig.3 Response surface showing the interactive effects of variable variables on TS of PAX

响应曲面的坡度越陡峭，说明交互作用越显著[20]。随着黄原胶和甘油质量分数变化的响应面趋势呈抛物线，出现极大值，并且曲面坡度较陡，说明AB之间存在交互作用，图3b的分析结果与方差分析结果PAB＜0.05相一致；而曲面平缓，说明AC和BC之间交互作用不明显。

通过回归模型分析，得出PAX拉伸强度的理论最佳制备工艺为0.39%黄原胶、1.78%甘油、1.99%氯化钙，预测PAX的拉伸强度最大值为29.897 MPa。考虑到实际操作的方便和可行性，选择0.4%黄原胶、1.8%甘油和2%氯化钙进行验证试验，结果表明，此条件下的PAX的抗拉伸强度为29.650 MPa，与理论预测值相差0.247 MPa，说明该模型是准确可行的。

2.3 复合膜的性能

2.3.1 PAX的基础指标结果

复合膜优良的机械性能可确保膜在应用过程中的完整性，是分子交联作用与分子移动性的体现[21]，PAX性能参数见表4。

表4 PAX的性能参数Table 4 Performance parameters of PAX

由表4可得PAX的拉伸强度大于国标GB 10457—2009《食品用塑料自粘保鲜膜》[22]中聚乙烯（10 MPa）及聚氯乙烯（15 MPa）保鲜膜的要求。PAX的水蒸气透过率与CAZÓN等[2]总结的壳聚糖类的可食性膜数值相近，具有进一步作为食品包装的商业意义。PAX的不透明度仅为0.217±0.11，当用作食品包装时，可实现被包装食品的实时可视化。

2.3.2 PAX的微观结构

通过扫描电镜对PAX及响应面方案中3、4、11、16、17的表面微观结构进行观察，如图4所示。

图4 复合膜的表面扫描电镜结果Fig.4 Surface scanning electron microscopy of composite films

方案3中含3%的甘油和3%的氯化钙，表面斑点及孔隙相对较多，说明交联过度导致析出，所对应的拉伸强度为25.65 MPa也相对较小。方案4与方案11中黄原胶质量分数为0.3%，且交联剂质量分数都不能同时满足2%，所以表面孔隙相对较多，影响其拉伸强度大小。方案16含0.5%的黄原胶、3%的氯化钙，含量高导致表面分布零散的块状物，说明相容性相对较差。方案17含1%的甘油及1%的氯化钙，交联不足使其表面大面积的沟壑较多，影响其拉伸强度。PAX具有比较光滑均匀的表面，说明大分子之间排列紧密平整，膜基质间很好地相容在一起，这与YU等[23]制备的甲基纤维素膜的SEM图相似。

2.3.3 PAX的X-射线衍射及红外光谱分析

果胶、海藻酸钠、黄原胶和PAX的红外光谱图及X射线衍射图如图5所示。

图5 果胶、海藻酸钠、黄原胶和PAX的红外光谱图及X射线衍射图Fig.5 Infrared spectra and X-ray diffraction patterns of pectin，sodium alginate，xanthan gum and PAX

如图5a所示，由于果胶链中的结晶，果胶粉末在13.6°和21.8°处出现结晶峰[11]。黄原胶粉末的衍射图显示了一个中心位于20.6°左右的宽的无定形峰[24]。海藻酸钠粉末在14.2°左右有一个衍射峰，在22.5°处有一个非常弱的衍射峰[25]。PAX在2θ=21°处的衍射峰比果胶和海藻酸钠更平坦、更宽，并且在13°～14°之间的衍射峰消失，这是膜基质之间相互作用的结果，说明果胶、海藻酸钠和黄原胶之间具有良好的相容性，这一结果验证了SEM分析结果。

复合膜中果胶、海藻酸钠和黄原胶的特征峰都产生了微小的位移（图5b），说明果胶、海藻酸钠和黄原胶分子间氢键、静电作用力和范德华引力等强烈相互作用，使它们之间产生了良好的相容性，在复合膜中羟基、羧基等基团的伸缩振动和弯曲振动吸收峰发生了较大变化[15]。

3 结论

以果胶、海藻酸钠和黄原胶为基材，辅以甘油及氯化钙的交联制备复合膜PAX，首先参考流变结果确定PAX中果胶与海藻酸钠的最佳质量分数分别为0.6%及0.5%，再以拉伸强度为指标，通过响应面试验优化确定最佳制备工艺为0.4%黄原胶，1.8%甘油及2%氯化钙，在此条件下复合膜的拉伸强度为29.65 MPa，其断裂伸长率为19.02%，水蒸气透过率为18.12×10-11g/（m2·s·Pa）。流变分析与响应面法设计为生产新型食品包装膜提供了技术参数，有利于在生产实践中寻找最佳工艺，后续也可以在复合膜PAX中添加花青素等天然指示剂来进行研究应用。