干燥温度对魔芋葡甘聚糖/纳米玉米醇溶蛋白复合膜微观结构和理化性能的影响

向 飞，王 岩，夏玉婷，倪学文

（湖北工业大学生物工程与食品学院，湖北武汉 430068）

石油基塑料的使用及随意丢弃，已对生态环境造成严重污染[1]。因此，国内外陆续提出“禁塑令”等环保要求，绿色无污染的可降解膜材料亟待开发。研究发现，以天然多糖、蛋白和脂类为原料制得的可降解复合膜，在替代石油基塑料上有良好的应用前景[2-5]；其中，多糖基复合膜的开发受到研究者的青睐。魔芋葡甘聚糖（konjac glucomannan, KGM）取自魔芋根茎，是一种由葡萄糖和甘露糖残基（1:1.6）通过β-1,4糖苷键聚合而成的分子量为2.0×105～2.0×106g/mol的非离子型多糖，具有良好的生物相容性和成膜性[6]。KGM经溶胀、流延、干燥等工序可制得纯KGM膜，因其疏水性差、脆性较强导致其应用受限[7]。在改善纯KGM膜性能的研究中，主要将KGM与其它组分共混，制得KGM基复合膜[2]。其中，向KGM基质中添加纳米颗粒，可显著提升复合膜的理化性能[8]。例如，将壳聚糖/没食子酸纳米颗粒与KGM溶胶共混，混合体系中发生氢键和静电斥力等作用，分子间相互缠结形成网络结构，制得复合膜的机械和阻隔性能增强[9]。将细菌纤维素纳米纤维或氧化甲壳素纳米晶/花青素与KGM溶胶共混，分子间存在氢键相互作用，形成互穿网络，增加混合体系的内聚性，显著提高复合膜的机械和疏水性能[8,10]。

玉米醇溶蛋白（zein）来源于玉米，是一种分子量为1.9～2.2×104g/mol的疏水性蛋白，具有良好的生物相容性和生物可降解性[11-12]。研究发现，zein-芦丁复合纳米粒子/玉米淀粉复合膜表现持久抗氧化活性，在活性包装领域有潜在应用前景[13]。Zein制成纳米粒子后，其粒径变得均匀，但不同的温度可能引起粒子发生不同程度的聚集，从而影响复合膜的结构和性能。本文以KGM和纳米玉米醇溶蛋白（NZ）为成膜基质，研究了不同干燥温度对魔芋葡甘聚糖/纳米玉米醇溶蛋白复合膜（KNZ）的微观结构、热稳定性、机械和阻湿性能的影响。研究复合膜在不同干燥条件下微观结构和理化性能的变化，有助于符合实际应用需求的膜材料的设计和制备。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

魔芋葡甘聚糖（Mw 1.012×106g/mol；Mw/Mn 1.220；纯度≥95%） 湖北强森魔芋科技有限公司；玉米醇溶蛋白（Mw 2.5～4.5×104Da；纯度≥98%）百灵威试剂有限公司；无水乙醇、甘油、span 80 均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

FA 25高剪切分散乳化机 上海弗鲁克科技发展有限公司；DNG-9031A烘箱 中国上海精宏有限公司；OS20-Pro搅拌器 美国塞洛捷克公司；LHS-150HC恒温恒湿箱 中国无锡华泽科技有限公司；SC 502电子扫描显微镜 日本东京日立公司；Zetasizer Nano-ZS纳米粒度仪 英国马尔文仪器公司；VERTEX 70傅立叶红外光谱仪、DSA25水接触角仪 德国布鲁克有限公司；DSC-Q10差示扫描量热仪 美国梅特勒公司；TA.XT Plus质构仪 英国SMS公司；W3/031水蒸气透过率仪 中国济南兰光有限公司；Modulyod-230冻干机 美国热力公司。

1.2 实验方法

1.2.1 纳米玉米醇溶蛋白（NZ）的制备 NZ以反溶剂沉淀法制得，参考Parris等[14]的方法，略作修改。取1.0 g zein粉末，分散在15 mL 80%（v/v）乙醇溶液中，制得zein分散液。将zein分散液逐滴加至40 mL反渗透水（RO）中（同时在19000 r/min下剪切）。除去浮沫，在19000 r/min下继续剪切2 min，冷冻干燥后即得NZ样品，25 ℃密封放置，备用。

1.2.2 粒径测试 采用Zetasizer Nano-ZS纳米粒度仪测定NZ的粒径。测试条件：测试温度为25 ℃；折光指数：1.450；分散相折光指数：1.200；吸光指数：0.01；He-Ne激光光源输出功率：4 mW；检测角度173°；检测波长：633 nm。

1.2.3 膜的制备 将0.168 g NZ和0.042 g span 80分散至 20 mL 80%（v/v）乙醇溶液中（500 r/min，25 ℃搅拌15 min），制得NZ分散液。取1.032 g KGM和0.240 g甘油加至100 mL RO水中搅拌溶胀（600 r/min，60 ℃ 搅拌 30 min），制得 KGM 溶胶。将NZ分散液加至KGM溶胶中，60 ℃继续搅拌30 min，制得KNZ复合成膜液。将80±2 g成膜液经流延方式注入平板内（14 cm×14 cm×1.5 cm），在烘箱中干燥，以膜的水分含量至9%（w.b.）为干燥终点。不同干燥温度制得的复合膜用T ℃ KNZ表示（T分别设置为 30、40、50、60、70、80）。取 1.200 g KGM和0.240 g甘油加至100 mL RO水中溶胀（600 r/min，60 ℃搅拌 60 min），60 ℃干燥，制得纯 KGM膜。所有膜样品置于25 ℃，50%相对湿度（RH）下平衡48 h备用。

1.2.4 微观形态 利用SC 502扫描电子显微镜观察NZ和膜的微观形态。NZ微观形态观察：将NZ分散液流延在锡箔纸上，自然风干成薄层后观察。膜微观形态观察：将膜裁剪成4 mm×4 mm观察表面形态；膜在液氮中脆断后用于其截面形态观察。测试条件：喷金压力：7.5 Pa；喷金厚度：20 nm；喷金时间：90 s；加速电压：30 kV；NZ 形态观测倍数：50000×；膜表面观测倍数：500×；膜横截面观测倍数：1000×。

1.2.5 傅里叶红外光谱 将膜样品裁成2 cm×2 cm，进行衰减全反射红外光谱扫描（FTIR）分析。测试前，样品需在60 ℃下平衡48 h。测试温度为：25 ℃；扫描波数为：4000～500 cm-1。

1.2.6 差示扫描量热分析 参考Xiang等[15]的方法，利用DSC-Q10差示扫描量热分析仪测试膜的热稳定性，采用10.00版STARe（Mettler Toledo, Zurich,Switzerland）进行数据分析。样品测试前在60 ℃下平衡48 h。样品置于梅特勒皿，系统运行环境为N2，检测温度为20～400 ℃，升温速率为10 ℃/min。

1.2.7 机械性能 参考 ASTM D882-09[16]，利用TA.XT Plus质构仪测试膜的拉伸强度和断裂伸长率。将膜裁剪成切口均匀、无裂痕的5 mm×50 mm的长条，置于夹持器中间夹紧，使用Texture Expert软件记录力和形变。测试条件：初始夹具间隔：30 mm；移动速度：0.5 mm/s。拉伸强度和断裂伸长率计算公式如下：

式中：F为膜断裂时的力，N；T为膜厚，mm；W为膜宽，mm。

式中：L0为膜的起始长度，cm；L为膜断裂前的最大长度，cm。

1.2.8 溶解率和溶胀率 参考Xiang等[15]的方法，将膜裁剪成3 cm×3 cm，浸没于100 mL RO水中（25 ℃，24 h）。将水倒出，膜置于105 ℃干燥至恒重。溶解率计算公式如下：

式中：W2为膜溶解前的质量，g；W1为膜干燥至恒重的质量，g。

将膜裁剪成2 cm×2 cm，浸没于30 mL RO水中（25 ℃，5 h）。将膜取出，除去表面多余水分。溶胀率计算公式如下：

1.2.9 水接触角 将膜裁剪成 3 cm×3 cm，利用DSA25水接触角仪测试其表面的水接触角值。测试条件：水滴体积：2 μL；保持时间：30 s。

1.2.10 水蒸气透过率 利用W3/031水蒸气透过率仪测试膜的水蒸气透过率（10-13g·cm/（cm2·s·Pa））。将膜裁剪后置于装有25 mL RO水的透湿杯上。测试条件：测试室温度：38 ℃；相对湿度：90%；测试模式：连续模式。

1.3 数据处理

每个待测样品至少做三次平行实验，实验数据采用平均数±标准差（mean±SD）表示。利用Origin 2017和SPSS 19.0进行图表的绘制和数据统计分析。通过单因素方差分析比较组间数据，图中不同的字母表示差异性显著（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 微观结构

NZ微观形态和粒径大小如图1。由图1A观察，NZ大小均匀，表面光滑，以单个纳米球的形态存在。根据图1B分析，NZ平均粒径为92.36 nm，分布均匀。图1B和图1A的现象一致，表明制备的NZ为纳米级且大小均匀，这与Parris等[13]以及Farajpour等[17]的报道一致。

图1 纳米玉米醇溶蛋白（NZ）的微观形态（A）及其粒径分布（B）Fig.1 Micromorphology (A) and the particle size distribution(B) of zein nanoparticles

纯KGM膜和不同干燥温度制备的KNZ的微观形态如图2～图3。纯KGM膜横截面致密，KNZ的横截面较纯KGM膜粗糙。对于复合膜，30 ℃ KNZ截面出现大小不均的圆形蛋白颗粒；70 ℃ KNZ和80 ℃ KNZ截面存在较大的椭圆形蛋白聚集体；40、50、60 ℃干燥的KNZ截面较致密，蛋白颗粒分布均匀，未见明显的大颗粒聚集体。纯KGM膜表面平整光滑，KNZ表面均出现蛋白颗粒，且不同干燥条件制备的复合膜表面聚集的蛋白颗粒大小和形态不同。30 ℃ KNZ表面蛋白颗粒大小不一，有较小的单个聚集体及多个蛋白颗粒聚集的团状体；70 ℃ KNZ和80 ℃ KNZ表面形成较大的蛋白聚集体；40、50、60 ℃干燥的KNZ表面蛋白分布和颗粒大小均匀。可见NZ分散在KGM基质中，改变了KGM膜原生的微观结构，形成新的复杂的微观结构。干燥过程中，存在溶剂的蒸发和溶质的迁移，由于乙醇蒸发速率比水快，导致NZ发生聚集；不同的溶剂蒸发速率，NZ聚集程度不同，使复合膜的微观结构有差异[18-20]。干燥温度较低时（30 ℃），干燥时间长，蛋白有足够的时间迁移和聚集，形成较大的颗粒[21]；干燥温度较高时（70、80 ℃），干燥时间缩短，干燥过程剧烈，可能导致蛋白的二级结构变化[22-23]，蛋白分子因疏水相互作用、结构重排或热诱导交联导致蛋白聚集，形成较大的蛋白颗粒[24-26]。因此，在KNZ干燥过程中，40、50、60 ℃是较佳的干燥温度，形成的复合膜较致密、平整。

图2 纯KGM膜及不同干燥温度制备的KNZ的横截面微观图Fig.2 Scanning electron microscopy images of the cross-section of pure KGM film and KNZ dried at different temperatures

图3 纯KGM膜及不同干燥温度制备的KNZ的表面微观图Fig.3 Scanning electron microscopy images of the surface of pure KGM film and KNZ dried at different temperatures

2.2 红外光谱分析

图4显示了KGM膜和不同干燥温度制备的KNZ复合膜的红外光谱图。KGM膜中，KGM分子的-OH和-C-H特征吸收峰分别在3320和2920 cm-1；1641 cm-1处的吸收峰可能是分子间水的存在引起的；870和807 cm-1为甘露糖在KGM分子中的特征吸收峰。与 KGM 膜相比，在 30、40、50、60、70、80 ℃制得KNZ的-OH特征吸收峰为3315～3319 cm-1，-OH吸收峰发生了偏移，表明加入NZ后，KGM与NZ发生分子间相互作用[15]。这与Zhang等[13]向玉米淀粉中添加zein-芦丁复合纳米粒子的研究结果相似。

图4 纯KGM膜及不同干燥温度制备的KNZ的红外光谱图Fig.4 FTIR of pure KGM film and KNZ dried at different temperatures

2.3 热稳定性

材料热性能的变化反映物质间相容性和材料的热稳定性。纯KGM膜和不同干燥温度制备的KNZ的差示扫描量热曲线如图5。纯KGM膜的玻璃化转变温度（Tg）和热降解温度（Td）分别为 77.9和317.8 ℃。在 30、40、50、60、70、80 ℃ 制得的 KNZ的 Tg分别为：111.9、119.6、119.4、120.9、104.2和100.5 ℃；Td分别为：326.8、334.6、332.4、334.5、323.0和322.9 ℃。KGM基质中加入NZ后，复合膜的Tg和Td均增加，且均表现为先升高后降低的趋势，可能是因为复合膜基质间的分子相互作用改变了原始的晶体结构和分子网络，NZ的添加导致复合膜的Tg和Td值高于KGM膜[15]。Motedayen等[27]研究发现，Tg的变化可以反映聚合物间的相容性；如果只出现一个Tg峰，表明聚合物分子间相容性好，如果出现两个或多个Tg峰，表明聚合物间的相容性不好或出现分相。由图5可知，复合膜均只有一个Tg，表明KGM与NZ能较好的相容，二者未出现分相，推测分子之间存在相互作用。40、50、60 ℃干燥的KNZ的Tg和Td较高，可能在此温度范围内聚合物分子间相互作用较强，溶质分子间迁移受到限制，NZ的结构未遭到破坏[28]，NZ能均匀分布在KGM基质中，此现象与其微观形态变化现象一致。

图5 纯KGM膜及不同干燥温度制备的KNZ的差示扫描量热曲线Fig.5 Differential scanning calorimetry curves of pure KGM film and KNZ dried at different temperatures

2.4 机械性能

纯KGM膜和不同干燥温度制备的KNZ的膜厚及机械性能如图6。70 ℃ KNZ和80 ℃ KNZ的膜厚显著高于其他组（P＜0.05）；纯 KGM膜和 30、40、50、60 ℃干燥的KNZ的膜厚无显著性差异（P＞0.05）。可能是由于干燥温度过高（＞70 ℃），干燥过程剧烈，蛋白的二级结构变化和结构重排，蛋白聚集或交联成大颗粒，使膜厚增加[22-23,26]。由图6B可知，在 30、40、50、60、70、80 ℃ 制得的 KNZ 的拉伸强度和断裂伸长率（60.28～79.27 MPa；31.73%～47.50%）均高于纯 KGM 膜（42.02 MPa；21.2%），可能是KGM与NZ之间较好的相容性和分子间相互作用，以及NZ在基质中的“增塑”作用，使得KNZ的机械性能增强[18,29]。其中，40、50、60 ℃干燥的KNZ的断裂伸长率显著大于其他组（P＜0.05），且40 ℃ KNZ 的拉伸强度最大（79.27 MPa）。

图6 纯KGM膜及不同干燥温度制备的KNZ的膜厚（A）、拉伸强度和断裂伸长率（B）Fig.6 Thickness (A), tensile strength and elongation at break(B) of pure KGM film and KNZ dried at different temperatures

2.5 溶解率和溶胀率

膜材料的溶解率和溶胀率可直观评价材料的亲、疏水性，其值越低，膜材料的疏水性越好。由于KGM亲水性强，纯KGM膜在水中快速溶胀溶解，无法测得其溶解率和溶胀率。不同干燥温度制备的KNZ的溶解率和溶胀率如图7。30、70、80 ℃干燥的KNZ的溶解率均大于25%，溶胀率分别为1430.35%、2140.05%、2510.67%，疏水性较差，可能是由于复合膜的结构相对疏松，导致其耐水性能差。40、50、60 ℃干燥的KNZ的溶解率和溶胀率均显著低于其他组（P＜0.05），表明此条件下制备的复合膜疏水性较好，可能是由于NZ与KGM之间相容性更好，形成了致密膜结构[15]。其中40 ℃ KNZ的溶解率（19.99%）最低，表明在此干燥温度下，分子间的相互作用最强，形成了更加致密的结构，复合膜的疏水性最好。

图7 不同干燥温度制备的KNZ的溶解率和溶胀率Fig.7 Swelling and solubility of KNZ dried at different temperatures

2.6 水接触角和水蒸气透过率

水接触角值可评估材料的表面疏水性，其值越大，表面疏水性越好。纯KGM膜和不同干燥温度制备的KNZ的水接触角值如图8A。KNZ的水接触角值显著大于纯KGM膜（P＜0.05），表明NZ的添加提高了复合膜的表面疏水性。40、50、60 ℃干燥的KNZ的水接触角值显著高于其他组（P＜0.05），可能是在此干燥条件下，NZ与KGM的分子间相互作用较强，NZ均匀分布在KGM基质中，形成致密的膜结构和疏水的表面[24,29]，使其疏水性增强，此现象与溶解率和溶胀率结果一致。纯KGM膜和不同干燥温度制备的KNZ的水蒸气透过率如图8B。纯KGM膜的水蒸气透过率最大，显著高于其他组（P＜0.05），表明纯KGM膜的阻湿性较差，水分子很容易渗透纯KGM膜。其原因是KGM亲水性好，水分子易与KGM发生相互作用，使膜结构变软而疏松，导致其阻湿性差[24]。40 ℃ KNZ的水蒸气透过率最低（7.641×10-13·g·cm/（cm2·s·Pa）），表明在此干燥温度下，NZ与KGM间的相互作用最强，形成的膜结构更加致密，内部通道更加复杂，使得水蒸气通过的效率降低，阻湿性增强[24,30-31]。

图8 纯KGM膜及不同干燥温度制备的KNZ的水接触角值（A）和水蒸气透过率（B）Fig.8 Water contact angle (A) and water vaper permeability(B) of pure KGM film and KNZ dried at different temperatures

3 结论

不同干燥条件下，KNZ的微观结构和理化性能存在显著差异。干燥温度较低时（30 ℃），干燥时间长，分子迁移时间增加，NZ聚集和交联的机会加大，KNZ内NZ聚集的颗粒大小不一，分布不均匀。在适宜干燥温度下（40、50、60 ℃），NZ与 KGM相容性更好，NZ在KGM基质中分散较均匀，复合膜微观结构致密；复合膜的机械和疏水性能显著优于其他组（P＜0.05）；尤其 40 ℃ KNZ具有较好的物性学性能，其热分解温度（334.6 ℃）和拉伸强度（79.27 MPa）最大，溶解率（19.99%）和水蒸气透过率（7.641×10-13g·cm/（cm2·s·Pa））最小。干燥温度较高时（＞70 ℃），溶剂挥发速率加大，分子间运动剧烈，NZ二级结构可能发生变化，结构重排导致聚集颗粒较大，复合膜的微观结构较松散。综上，40 ℃干燥获得的KNZ的理化性能最佳。本文研究了不同干燥温度对KNZ微观结构和理化性能的影响，关于40 ℃ KNZ的成膜过程及成膜过程中分子的自组装行为还需深入研究，为膜材料的结构设计和性能调控提供理论基础。