琼脂/魔芋葡甘聚糖/乙基纤维素复合膜的制备与性能分析

胡婉婷，罗 曼，陆洁仪，黄雨纯，乔冬玲

（湖北工业大学生物工程与食品学院，湖北武汉 430068）

塑料食品包装材料不可生物降解的特性造成了严重的环境污染问题，部分塑料成分在与食物接触时可能迁移到食物中，进而对人体产生不利影响[1]。因此，可降解和安全无毒的天然生物高分子材料被广泛应用于食品包装的研发中[2]。然而单一的天然高分子薄膜材料存在一定的缺陷，如多糖膜的机械性能和耐水性较低，无法满足食品包装材料的需求。为了解决这些问题，将不同特性的天然高分子材料进行复配成为了天然高分子材料研发的一大趋势。

魔芋葡甘聚糖（konjac glucomannan，KGM）是魔芋属植物根和块茎中存在的一种水溶性中性多糖，已广泛应用于食品加工和生物医用材料中[3]。但KGM主链上存在羟基和乙酰基，使KGM 膜具有很强的亲水性，限制了其在食品包装上的应用。其中，Zou 等[4]将KGM 与玉米直链淀粉共混得到复合膜，通过对复合薄膜表征的测定，结果表明KGM 与淀粉通过氢键相互作用，产生显著的协同效应，从而改善KGM 膜的力学性能和耐水性。Li 等[5]通过流延法制备KGM/玉米醇溶蛋白复配膜，与纯KGM 膜和玉米醇溶蛋白膜相比，复配膜的水蒸气透过率降低，机械性能增强。琼脂（agar）是一种线性多糖，由β-1,3-连接的D-吡喃半乳糖和α-1,4-连接的3,6-脱水-L-吡喃半乳糖组成，具有部分侧链取代基，如硫酸酯、甲氧基和丙酮酸[6]。目前，琼脂因其优良的成膜能力、热塑性、生物相容性、生物降解性而被广泛用于食品包装材料。但由于琼脂链之间的强烈相互作用，琼脂膜的延展性有限[7]。前期研究中，我们发现KGM 与琼脂能够通过氢键相互作用形成互穿网络，并且实验表明琼脂/KGM 复合膜的配比为76:24 时，复合膜的结构较为致密，机械性能较强，但耐水性还有待提高[8]。

乙基纤维素（ethyl cellulose，EC）是由碱式纤维素与氯乙烷相互反应而制成的纤维素醚，纤维素主链上的羟基部分被乙基取代，是一种稳定的疏水生物聚合物[9]。Li 等[10]制备KGM/EC 复配膜，与KGM 膜相比，KGM/EC 复合膜的抗湿性、热稳定性、拉伸强度和断裂伸长率均有所提高。Wu 等[11]通过调节EC 组分的比例来控制KGM/EC 复合膜的亲疏水性和力学性能。

因此，本研究将琼脂、KGM、EC 三者进行复配，制备具有一定机械性能和耐水性的琼脂/魔芋葡甘聚糖/乙基纤维素（agar/konjac glucomannan/ethyl cellulose，AKE）三元复合膜，通过扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）、傅里叶红外光谱仪（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）以及X 线衍射仪（X-ray diffraction，XRD）等对复合膜进行表征，并对复合膜的机械性能、耐水性和水蒸气透过性能进行了测试。本研究为食品包装膜提供了一种新的选择，为KGM 基复合膜的广泛应用提供了参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

魔芋葡甘聚糖分子量（MW）为9.67×105Da 湖北强森魔芋有限公司；低温速溶型琼脂凝胶强度为750~1000 g/cm2中国山东青岛海之林有限公司；乙基纤维素（黏度为60~80 mPa·s）、柠檬酸三乙酯 分析纯，上海麦克林生化有限公司；乙酸乙酯 分析纯，西陇化工股份有限公司。

DK-S22 电热恒温水浴锅 上海精宏实验设备有限公司；JE1002 型电子天平 上海浦春计量仪器有限公司；S20-Pro 型电子搅拌器 大龙兴创实验仪器（北京）有限公司；UFE600 型烘箱 德国MEMMERT公司；JSM6390LV 型扫描电镜 日本电子仪器有限公司；CH-1-S 千分手式薄膜测厚仪 上海六菱仪器厂；TA-XT Plus 型质构仪 英国Stable Micro Systems公司；D8-A 型X 射线衍射仪 德国布鲁克有限公司；VERTEX 70 傅立叶红外光谱仪 德国布鲁克有限公司；W3/031 型水蒸气透过率仪 济南兰光机电技术有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 AKE 复合膜的制备 参照文献中[8,11]的方法，按照表1 中固形物配比称取原料。将低温速溶型琼脂溶解于盛有200 mL 去离子水的三口瓶中，90 °C水浴快速搅拌15 min，取适量的KGM 与之混合，使用电子搅拌器在600 r/min 下搅拌2 h 获得琼脂/KGM溶液。将EC 与柠檬酸三乙酯（添加量为EC 的50%）溶解到乙酸乙酯中（EC 与乙酸乙酯的料液比为1:50 g/mL），在600 r/min、30 °C 条件下搅拌1 h 获得EC 溶液。将琼脂/KGM 溶液降温至60 °C 后加入EC 溶液，并提高转速至900 r/min，搅拌30 min，获得稳定的AKE 复配溶液。后将该复配溶液倒入28.0 cm×28.0 cm×1.5 cm 的玻璃板中，于60 °C 烘箱中干燥10 h，干燥后将膜揭下。所有膜样品均在温度为（25±1）°C、相对湿度为（50%±2%）的环境中平衡。

表1 AKE 复合膜的组分配比Table 1 Composition ratio for the AKE composite films

1.2.2 扫描电子显微镜（SEM）分析 根据文献[12]中的方法，利用SEM 观察复合膜的微观形貌；将复合膜分为两组，一组在液氮中淬断得到低温淬断截面；另一组通过方法

1.2.5 拉伸测试获得拉伸断裂截面。样品在真空度为7.5 Pa 的大气压下进行喷金，加速电压为30 kV，1000×下观察复合膜的截面。

1.2.3 傅立叶红外光谱（FTIR）测试 采用傅立叶红外光谱仪（FTIR）检测复合膜的ATR-FTIR 光谱。检测前将所有样品膜裁剪成1.5 cm×1.5 cm 大小的试样，在60 °C 烘箱干燥48 h。收集4000~650 cm−1范围内的扫描光谱，扫描32 次，分辨率为4 cm−1。

1.2.4 X-射线衍射（XRD）测定 参照文献[13]中的方法，采用D8 Advance X 射线衍射仪，以40 kV 和30 mA 的电压对样品膜的结晶结构进行测定。XRD 曲线在4~40°范围内每2θ记录一次，步长为0.02°，步速为每步0.5 s。

1.2.5 机械性能测定 根据ASTM-D-882-91 标准方法，使用质构仪测试复合膜的机械性能。测试前，将复合膜裁剪为5 mm×50 mm 的样条，复合膜的厚度用千分尺测定。将复合膜样条夹在夹具间，测试夹具间距30 mm，测试速度为0.5 mm/s。复合膜的拉伸强度和断裂伸长率分别按公式（1）、（2）计算。拉伸强度（MPa）由最大负荷（N）比上膜横截面积计算而得，断裂伸长率（%）由有效标线部分（两夹具间）拉断时长度增加量与初始有效标线部分（两夹具间）长度的百分比计算而来。

式中：Fmax为最大载荷（N）；T 为膜的膜厚（mm）；W 为膜的膜宽（mm）；L0为膜断裂前的长度（mm）；L 为膜断裂后的长度（mm）。

1.2.6 溶胀率与溶失率测定 采用文献[14]报道的方法测定复合膜的溶胀率和溶失率，将复合膜裁剪成2 cm×2 cm 大小的试样，于105 °C 下干燥1 h，后置于干燥器中冷却至室温，称重（m1）。将其浸入盛有30 mL 去离子水的培养皿中，在（25±0.5）°C 环境中溶胀5 h。然后将样品拿出用滤纸去除残留在表面的多余水分，并称重（m2）。溶胀率根据公式（3）计算：

式中：m1为浸入水中之前样品的干重（mg）；m2为浸泡5 h 后样品的重量（mg）。

复合膜剪成2 cm×2 cm 大小的试样，置于105 °C下干燥1 h，冷却至室温，称重（W0）。后将样品条浸入到去离子水中，于（25±0.5）°C 下静置24 h，后将复合膜取出在105 °C 下干燥5 h，置于干燥器中冷却至室温，称重（W1）。溶失率由公式（4）计算：

式中：W0为浸入水中之前样品的干重（mg）；W1为浸泡24 h 并于105 °C 下干燥5 h 后的样品重量（mg）。

1.2.7 水蒸气透过率测定 采用水蒸气透过率测定仪测试复合膜的水蒸气透过率（g·cm/（cm2·s·Pa）），此仪器采用国家标准GB/T 1037-1988 设计制造。透湿杯的底部加入25 mL 去离子水，将裁剪好的复合膜片（膜片直径为60 mm）放入透湿杯上部，完全覆盖杯口并固定，组装好透视杯后将其放入测试腔体。测试腔体的温度为25 °C，相对湿度为50%。水蒸气透过率由公式（5）计算：

式中： Δm 是时间Δt（s）时间内透湿杯的增重（g）；L 是薄膜的厚度（cm）；A 是薄膜的暴露面积（cm2）；ΔP 是水蒸气分压（Pa）。

1.3 数据处理

所有实验都至少对每个样品进行三次重复。使用Origin 2018、SPSS 25、Omnic 3.2 等软件进行统计分析和图形绘制。以P值小于0.05 的Turkey 法进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 复合膜的微观结构

采用扫描电子显微镜对复合膜的截面（低温淬断、拉伸断裂）进行观察，考察组分间的相容性和复合膜的微观结构。从图1a 可见，AK 膜低温淬断的截面均匀光滑，无肉眼可见的微米级相分离特征。与AK 膜相比，AKE 复合膜中琼脂/KGM 连续相中嵌入了椭圆EC 颗粒，且随着EC 含量的增加，EC 颗粒增多。结果表明，EC 分子链随着溶剂中乙酸乙酯的挥发而相互聚集。这与之前KGM/EC 复合膜观察到的现象一致[11]。与液氮淬断截面相比（图1a），图1b 中AKE 复合膜拉伸断面出现了较多的孔洞，且其机械断面较为粗糙，这主要是由于在外力拉伸作用下，由于分子链的延展性，使得复合膜随着外力的作用不断被拉长直至断裂，被拉长后断裂的截面较为粗糙。

图1 不同EC 含量的AKE 三元复合膜的（a）液氮淬断截面与（b）机械拉断截面的SEM 图Fig.1 SEM images of fracture surface obtained by manually breaking the films frozen by liquid nitrogen (a) and mechanically breaking (b) for AKE ternary composite films with different EC contents

2.2 傅里叶红外光谱分析（FTIR）

如图2 所示，EC 膜在3470、2954~2850、1740、1450、1375 cm−1处的吸收峰归因于-OH、-CH、C-O、-CH3、-CH2的伸缩振动。AKE 膜在3355 cm−1显示出较宽的与-OH 基团伸展振动相关的吸收峰[15]。2916 cm−1处的吸收峰与琼脂中糖环上次甲基键相关的C-H 伸展有关[16]；2883 cm−1处的峰与KGM 中甲基C-H 拉伸振动有关，1731 cm−1处的峰与KGM 中乙酰基伸展有关[13]。1640 cm−1处由于琼脂中胺（-NH）和丙酮基团形成的共轭肽键的伸缩振动，1372 cm−1处与琼脂中侧链取代基硫酸酯有关[17]。1064、1035、930 cm−1处的峰与琼脂中3,6-脱水半乳糖的C-O 拉伸振动有关[18]。871、805 cm−1处的收缩振动峰与KGM 中的甘露糖相关[19]。对于复合膜，主要基团的峰位没有变化，说明AK 和乙基纤维素之间没有形成新的化学键。在3400~3200 cm−1的宽谱带归因于-OH 的伸缩振动，随着EC 含量的增加，-OH 基团的伸缩振动峰的位置发生了变化，波数从3355 cm−1降低至3287 cm−1，这可能是因为复合膜中EC 分子链未完全延展，疏水基团相互聚集，分子间氢键减弱[20]。

图2 AK 膜、EC 膜、不同EC 添加量的AKE 三元复合膜的FTIR 光谱Fig.2 FTIR spectra of AK film, EC film and AKE ternary composite film with different EC content

2.3 X-射线衍射分析（XRD）

由图3a 可知，EC 膜在8.5°和20.4°处出现了强衍射峰，其中，8.5°为结晶峰，20.4°为非结晶峰[21]。琼脂膜在13.8°和19.3°处显示出特征衍射峰，主要由琼脂分子中的半乳糖链结晶所产生[22]。在AKE 三元复合膜中，随着EC 含量的增加，13.8°处的衍射峰逐渐减弱，表明EC 的加入抑制了琼脂的结晶，使复合膜中的无定形结构增加。纤维素纳米晶/双醛葡甘聚糖/明胶膜的XRD 谱图也发生了类似的变化[23]。

图3 EC、AK、琼脂膜（a）和不同EC 添加量AKE 复合膜（b）的XRD 衍射图Fig.3 X-ray diffraction pattern of EC, AK, agar film (a)and AKE composite films with different EC content (b)

2.4 机械性能分析

拉伸强度和断裂伸长率可以用于评价膜的机械强度和延展性。图4 显示了不同EC 添加量对复合膜的拉伸强度和断裂伸长率的影响。图4a 显示，随着EC 含量的增加，复合膜的拉伸强度逐渐降低，这可能是由于EC 在琼脂/KGM 复合膜中发生聚集，形成颗粒，且粒径分布不均所致，这与前文中SEM 图显示的EC“团聚”粒子表现一致。该结果与壳聚糖/乙基纤维素微球复合膜中EC 的表现类似[24]。图4b 显示，随着EC 添加量的增加，复合膜的断裂伸长率先上升后下降，当EC 的添加量为25%时，复合膜的断裂伸长率达到最大值，为15.08%。此结果表明添加适量的EC 组分可以提高琼脂/KGM 复合膜中分子链的延展性[15,23]，但当EC 的添加量增加到一定程度时，复合膜中聚集的EC 粒子过多，降低了互穿网络的连续性，使复合膜的结构松散[25]。这与卡拉胶与木质纤维素[26]、壳聚糖与纳米纤维素[27]等复合膜的结果类似，过量的乙基纤维素会在琼脂/KGM 复合膜中聚集，从而降低复合膜微观结构的连续性，导致其机械性能降低。

图4 不同EC 添加量AKE 三元复合膜的拉伸强度（a）和断裂伸长率（b）Fig.4 The tensile strength (a) and elongation at break (b) of AKE composite films with different EC content

2.5 复合膜耐水性分析

耐水性指材料浸湿后，抵抗水的破坏作用的能力。其中，溶胀率、溶失率和水蒸气透过率是考察复合膜耐水性的重要指标。复合膜中EC 组分耐水性最强，琼脂次之，KGM 最弱，且KGM 膜能在水中100%溶解[4]。图5a、图5b 为复合膜溶胀率与溶失率的结果图。从图中可知，随着EC 含量的升高，复合膜的溶胀率和溶失率显著减少（P＜0.05），这主要由EC 的疏水性所致。当EC 添加量超过25%时，大量的EC 颗粒使复合膜结构的致密性下降，水分子更容易渗透进复合膜内部，导致亲水性多糖溶于水，溶失率提高。

图5 不同EC 添加量下复合膜的溶胀率（a）、溶失率（b）与水蒸气透过率（c）Fig.5 Swelling rate (a), dissolving rate (b) and water vapor transmittance (C) of composite films with different EC content

水蒸气透过性能是衡量包装材料阻隔外界水气对食品侵蚀的一个重要指标。水蒸气透过薄膜的过程属于活化扩散，主要为水分子在薄膜水蒸气分压高的一侧聚集，在薄膜基质中迁移直到薄膜另一侧挥发出去。图5c 表明，随着EC 的加入，复合膜的WVP明显降低，未添加EC 的AK 复合膜的WVP 为13.19×10−12·g·cm/（cm2·s·Pa），而EC 添加量为25%的AKE复合膜WVP 为9.88×10−12·g·cm/（cm2·s·Pa），降低了25.09%。一方面是因为疏水性的EC 分散在复合膜中导致水蒸气扩散的曲折路径增加[28]，另一方面是因为EC 与琼脂/KGM 组分之间存在较强的相互作用，降低了复合膜中分子链间的自由体积，导致水蒸汽渗透性降低[29]。但当EC 添加量达到30%时，复合膜的水蒸气透过率开始增大，进一步说明了过量的EC 粒子团聚降低了复合膜的致密性。

3 结论

本研究通过在琼脂/KGM 复合体系中加入乙基纤维素，成功制备了AKE 三元复合膜。SEM 表明，部分EC 组分以“颗粒”的形式分布于复合膜中。XRD 显示EC 的添加抑制了复合膜体系中琼脂的结晶。随着EC 含量的增加，AKE 复合膜的延展性和耐水性呈现出先增强后降低的趋势，当EC 的添加量为25%时，复合膜的断裂伸长率达到最大值，为15.08%，且水蒸气透过率最低，为9.88×10−12·g·cm/（cm2·s·Pa）。综上所述，乙基纤维素的加入提高了复合膜的延展性与耐水性，使AKE 复合膜在食品包装上具有更加良好的应用前景。