三明治型CA/CS/CA复合膜的制备、优化及性能表征

韩艳霞，倪荣，张妍，张人久，李丹丹，张振

1.锦州医科大学食品与健康学院（锦州 121000）；2.锦州医科大学生物信息工程学院（锦州 121000）

随着人们安全意识提高，目前可食性复合膜更趋向于天然绿色产品，壳聚糖已成为可食性复合膜与保鲜领域研究的热点。壳聚糖是一种类似纤维结构的、可经甲壳素脱乙酰化得到的天然阳离子多糖，是乳白色偏黄粉状颗粒。只可溶于某些酸性介质，易成膜[1]、有延缓氧化作用[2]，所成的膜透明度高、抗菌性强。但因壳聚糖所成的膜脆性大，国内外的研究人员通过向其溶液中加入一种或多种物质来改善，如蔡月等[3]用茶多酚@ZIF-8/壳聚糖/海藻酸钠来制备活性包装膜。

卡拉胶是一种亲水的藻胶[4]，是良好的增稠剂、凝胶剂[5]，但是单一卡拉胶不易成膜[6]，需要加入其他物质起增塑作用。胡燕等[7]通过添加丙三醇，制备并表征了复合可食性膜，通过Design-Expert 8.0.6.1软件进行响应面优化其主要制备工艺参数。

近年来，可食性膜由于具有制作工艺简单、成本低、可食、使用方便、易降解以及对环境不产生污染等优良特点成为研究热点。利用壳聚糖（CS）和卡拉胶（CA）为成膜基质的复合膜已有一些，但是对三明治型CA/CS/CA复合膜[8]的研究目前尚未发现。此次研究以卡拉胶（CA）和壳聚糖（CS）为主要原料，添加丙三醇为增塑剂，制备三明治型复合膜，并进行性能优化，以期研发一种性能优良的三明治型复合膜应用于食品保鲜与包装中。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

壳聚糖（食品级，脱乙酰度＞95%，黏度100~200 mPa·s，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；精纯卡拉胶（肇庆海星生物科技有限公司）；丙三醇（分析纯，天津市津东天正精细化学试剂）。

1.2 仪器与设备

Varioskan型酶标仪（赛默飞世尔科技公司）；TMS-PRO型质构仪（北京盈盛恒泰科技有限责任公司）；Mira3型电子扫描式电镜（捷克TESCAN）；FTIR-850型傅里叶红外光谱（天津港东科技股份有限公司）。

1.3 试验方法

1.3.1 卡拉胶/壳聚糖/卡拉胶复合膜的制备方法

取15 mL卡拉胶膜液，采用流延法[9]倾倒在90 mm的塑料培养皿上，于55 ℃烘至微干，取等体积壳聚糖膜液倾倒在第一层上烘至微干；再取15 mL卡拉胶膜液倾倒在第二层上烘干揭膜，得到三明治型CA/CS/CA复合膜。

1.3.2 单因素试验设计

以膜的断裂伸长率（EB）、水蒸气透过系数（WVP）为指标进行单因素试验，单因素试验因素与水平见表1。固定水平为卡拉胶（CA）浓度0.28 g/100 mL、CS浓度1.40 g/100 mL、丙三醇添加量1.00 mL，所有试验均进行3次，取平均值。

表1 单因素试验因素与水平

1.3.3 Box-Behnken试验设计

选取丙三醇添加量（A）、CA浓度（B）、CS浓度（C）为试验因素，以EB（Y）为响应值，设计三因素三水平的响应面试验，因素与水平设计见表2。

表2 响应面试验因子水平及编码

1.3.4 复合膜的光学照片

1.3.5 卡拉胶/壳聚糖/卡拉胶复合膜性能测定

1.3.5.1 膜厚度测定

根据GB/T 1040.3—2006《塑料 拉伸性能的测定第3部分：薄塑和薄片的试验条件》的测试方法，对膜样品均匀取8个点，用数显测厚仪测定这8个点的厚度并取平均值（mm），便于计算薄膜的EB和WVP。

1.3.5.2 色差

参照肖力源等[10]的方法，用色差计按LAB模式进行测定。用滤纸（L=75.10，a=-4.30，b=36.00）校正，将膜样品平放在白色校正板上，测定L、a、b值。

1.3.5.3 EB测定

采用切纸机将被测样品裁剪成20 mm×70 mm的长条形状，测量速率为120 mm/min，实际测量长度为80 mm。EB按照式（1）计算。

式中：L前为试验前薄膜的长度，mm；L后为试验断裂时薄膜的长度，mm。

1.3.5.4 WVP测定

根据GB/T 1037—2021《塑料薄膜与薄片水蒸气透过性能测定 杯式增重与减重法》，测试面积为3.14 cm2，重复测量3次，计算平均值。

1.3.6 SEM分析

将膜样品在50 ℃干燥4 h，用于观察膜的断面结构。取2 cm×2 cm膜样品，用导电胶固定于不锈钢载物片上。真空喷金处理，加速电压15 kV。取出样品置于载物台上，观察样品断面的微观形态结构。

1.3.7 FT-IR分析

将膜样品在45 ℃干燥24 h，剪碎研磨，采用KBr压片，利用FT-IR仪进行分析。选择仪器分辨率4 cm-1，扫描32次数，扫描范围500~4 000 cm-1。

1.3.8 抑菌性能分析

选择大肠杆菌与金黄色葡萄球菌为代表菌株，取0.40 mL的107CFU/mL处于对数生长期的菌液，倾倒在平板上制成含菌平板。将直径为0.50 cm的无菌滤纸片逐层浸泡复合膜液中5 min，用无菌镊子取出后贴于含菌平板上，平板倒置于37±1 ℃培养箱，培养48±1 h后测量抑菌圈直径[10]。

1.3.9 抗氧化性能分析

1.3.9.1 DPPH自由基清除率

吸取1∶1体积比的膜液与DPPH醇溶液于孔板中，记为Asample；吸取1∶1体积比的膜液与无水乙醇溶液于空白孔板中，记为Ablank；吸取1∶1体积比的DPPH醇溶液与去离子水于对照孔板中，记为Acontrol；振荡均匀后在避光环境中自然反应30 min，在517 nm波长处测定各吸光度A。每组取三组平行，结果取平均值。根据式（2）计算复合膜对 DPPH自由基清除率。

1.3.9.2 ABTS自由基清除率

参照闫林林等[11]的方法，稍作修改后进行ABTS自由基清除试验。首先制备ABTS溶液（取等体积的7.40 mmol/L的ABTS溶液与2.60 mmol/L的过硫酸钾溶液混合，在室温黑暗条件下反应12 h），在试验之前，用无水乙醇将ABTS溶液的吸光度稀释至0.70±0.02，记为A0。取等体积的膜液与等体积稀释后的ABTS溶液混合，避光静置6 min后，测量其在波长734 nm处的吸光度，记为A1，将无水乙醇溶液设为空白对照校零液。ABTS自由基清除率按式（3）计算。

1.4 数据统计与分析

试验结果均平行测定3次，以“χ±SD”表示测定结果。使用Design-Expert 8.0.6.1、SPSS 26.0、Origin 2018软件处理数据，ANOVA法进行方差分析，LSD和S-N-K多重比较法检验进行显著性分析（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

复合膜的EB[12]高有利于复合膜的成型且可保护食品免受外界压力的损伤，WVP较低，表明该复合膜具有较好的阻隔性能，可防止食品吸潮减少微生物污染，因此试验中需要综合多个指标对复合膜进行评价[13-14]。

2.1.1 丙三醇添加量对复合膜性能的影响

由图1可知，富含多羟基亲水基团、具有较强的亲水性的丙三醇可以与壳聚糖分子结合形成链间氢键，两者结合减少了壳聚糖分子间内部作用力，柔化壳聚糖的刚性结构，使复合膜变得更加柔韧，所以EB逐渐增大[6]。随着丙三醇添加量的增加，WVP逐渐增加，这可能是因为丙三醇的加入，膜的结构变松散且油性分子在基质中不易挥发，膜的极性增加，透水能力随之变大[15]。当丙三醇添加量高于1.00 mL时，复合膜开始变得十分软黏，揭膜较难。综合考虑，选取甘油添加量1.00 mL为宜。

图1 不同丙三醇添加量对复合膜性能的影响

2.1.2 卡拉胶浓度对复合膜性能的影响

根据图2可知，复合膜的EB随着卡拉胶含量的増加先增加后降低，WVP先降低后升高。这可能是因为CA含有丰富的阴离子硫酸盐线性多糖[7]，这些极性分子可以作为CA与CS结合的偶联剂[16]，使得CS和丙三醇均匀地分布，因此EB逐渐增大，在CA浓度为0.28 g/100 mL时，复合膜的EB达到最大值，为29.01%。但CA浓度＞0.28 g/100 mL时，会发生自身凝聚现象，导致EB下降[4]。由于CA微粒分散渗入复合膜的间隙里，改变了气体分子的扩散路径，延缓了其运动速率[17]，此外CA分子的加入增强了与丙三醇之间化学键键能，增加致密性，可以阻止水蒸气进出，从而降低WVP[7]。当CA浓度为0.28 g/100 mL时，复合膜的WVP最小，为0.71×10-8g·mm/（h·cm2·Pa）。

图2 不同卡拉胶浓度对复合膜性能的影响

2.1.3 壳聚糖浓度对复合膜性能的影响

如图3所示，随着CS浓度的增加，EB呈先增加后减小的趋势，WVP呈先减小后增大的趋势。这可能是因为CS是一种天然阳离子多糖，可与阴离子CA通过静电作用交联和氢键相互反应，使得复合膜的结构更加紧密，但过量的CS可使复合膜黏稠度增加，刚性大[18]。当CS浓度为1.40 g/100 mL时，膜的EB达到顶峰，为30.35%，WVP最小，为1.87×10-8g·mm/（cm2·h·Pa）。

图3 不同壳聚糖浓度对复合膜性能的影响

2.2 响应面试验结果与分析

2.2.1 模型建立与数据分析

利用Design-Expert 8.0.6.1软件进行多元回归拟合，得回归方程Y=37.65+3.01A+0.69B+0.83C+0.92AB-0.70AC-0.72BC-6.67A2-4.32B2-3.44C2（R2=0.994 2，变异系数=1.96＜10）。

从表3和表4可看出，此次试验的设计模型极显著（P＜0.000 1），失拟项不显著（P=0.129 7＞0.05），说明该回归模型能够很好地拟合试验结果。该模型的校正决定系数Radj2=0.986 7，R2=0.930 3，说明该模型能够解释 98.67% 的响应值变化。由回归模型可看出，A、B、C、AB对断裂伸长率为正效应，AC、BC、A2、B2、C2对断裂伸长率为负效应。其中，A、C、A2、B2、C2对断裂伸长率的影响是极显著的（P＜0.01），BC、AB、B对断裂伸长率的影响是显著的（P＜0.05），AC对断裂伸长率的影响是不显著的（P＞0.05）。

表3 响应面试验设计及结果

表4 回归模型方差分析（断裂伸长率EB）

2.2.2 各因素之间的交互作用

从响应面设计试验所呈现的3D图和平面图可以直观地看出：图4-a1曲面陡峭，b1等高线为椭圆形，说明卡拉胶和丙三醇的交互作用对响应值的影响显著（P＜0.05）；图5-b2等高线稀疏近圆形，说明丙三醇和壳聚糖的交互作用对响应值的影响不显著（P＞0.05）；图6-a3曲面陡峭，b3等高线为椭圆形，说明卡拉胶和壳聚糖的交互作用对响应值的影响显著（P＜0.05）。

图4 丙三醇与卡拉胶交互作用对断裂伸长率影响的响应面与等高线

图5 丙三醇与壳聚糖交互作用对断裂伸长率影响的响应面与等高线

图6 卡拉胶与壳聚糖交互作用对断裂伸长率影响的响应面与等高线

通过响应面确定最佳成膜配比：CA浓度0.28 g/100 mL，丙三醇添加量1.00 mL，CS浓度1.40 g/100 mL。

2.3 复合膜的光学照片与色差分析

结合复合膜的光学照片（图7）表明：三明治型CA/CS/CA复合膜的颜色为白色透明状，可以嗅到冰乙酸的酸味，外观光滑良好。色差结果（表5）也进一步验证膜的透明度良好，呈黄绿色。

图7 三明治型CA/CS/CA复合膜的光学照片

表5 CA/CS/CA复合膜的色差值（χ±SD）

2.4 复合膜的物理性能分析

表6表示三明治型CA/CS/CA复合膜在最优配比条件下的物理性能的测定结果。厚度为0.09 mm，EB为37.64%，WVP为2.34×10-8g·mm/（cm2·h·Pa）。

表6 三明治型CA/CS/CA复合膜的物理性能（χ±SD）

2.5 SEM分析结果

由图8可知，复合膜具有较明显的三层结构，CA/CS/CA复合膜断面较粗糙，清晰完整，均未出现气孔、断痕和聚集，存在少量的空隙。这可能是由于卡拉胶和壳聚糖之间相互作用力较弱，导致复合膜在脱水过程中出现断裂[19]。

图8 三明治型CA/CS/CA复合膜的断面图

2.6 FT-IR分析结果

红外光谱是研究氢键和相容性非常有效的工具，从红外光谱图可以观察到氢键作用的强度以及氢键的归属。一般而言，对于水溶性高分子，共混涉及的是氢键的类型与大小变化，表现在非共价键或一些次级键的变化[20]。由图9可知，3 500~3 300 cm-1处的宽吸收峰是—OH和—NH 的伸缩振动吸收峰。2 939 cm-1和2 798 cm-1处的吸收峰是甲基和次甲基的C—H不对称伸缩振动峰。1 610 cm-1处的吸收峰是由C==O的伸缩振动造成的[21]。图9-b因课题组使用的壳聚糖黏度大且精纯，可能导致壳聚糖的红外光谱只在1 635.35 cm-1处有波长。图9-a中原料卡拉胶和三明治型CA/CS/CA复合膜峰形相似，说明CA/CS/CA复合膜的网络结构以卡拉胶为主，壳聚糖与卡拉胶相容后在1 635.35 cm-1处分子作用力减弱，峰值降低，因其加入使得三明治型CA/CS/CA复合膜在3 486.7 cm-1处的分子作用力加强。

图9 CA/CS/CA复合膜及其原料傅里叶红外光谱图

2.7 抑菌性能分析结果

通常用抑菌圈直径来表征抑菌能力。由表7可知，三明治型CA/CS/CA复合膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均有抑菌效果，且抑菌圈直径d金黄色葡萄球菌＞d大肠杆菌，分别为0.77和1.20 cm。

表7 CA/CS/CA复合膜的抑菌性能

2.8 抗氧化性能分析结果

由图10可知，三明治型CA/CS/CA复合膜对DPPH自由基、ABTS自由基均具有清除能力，分别为74.72%和54.00%。自由基清除能力越强，抗氧化能力就越强。

图10 三明治型CA/CS/CA复合膜对DPPH自由基、ABTS自由基清除率图

3 结论

选取EB为考察指标，以CA浓度、丙三醇添加量、CS浓度为主要影响因素，通过响应面试验确定最佳成膜配比：CA浓度0.28 g/100 mL，丙三醇添加量1.00 mL，CS浓度1.40 g/100 mL。该配比条件下制得的CA/CS/CA可食性膜，WVP较低，为2.34×10-8g·mm/（cm2·h·Pa），EB较高，为37.64%，厚度为0.09 mm。SEM和FT-IR结果显示，所制备的复合膜具有三层结构，且各组分间相容性好。其具有抑菌和抗氧化性能等特点。该研究结果在生产上具有较高的实用价值，可以为扩大三明治型复合膜的应用范围及后续对食品的保鲜提供参考。