姜冰雪，李 帅，武媛媛，宋景新，陈珊珊，李欣欣,*，孙慧敏

（1.吉林大学食品科学与工程学院，吉林 长春 130062；2.吉林农业科技学院食品工程学院，吉林 吉林 132101）

近年来，随着生物聚合物概念的兴起，生物基可降解包装材料引起了社会各界的广泛关注。传统塑料来源于石油，因其具有优良的机械性能和阻隔性能而被广泛应用，但由于其不可降解引起的“白色污染”给环境带来了巨大的损害[1]。生物可降解高分子材料来源于可再生生物质，在自然环境条件下能够被微生物降解为小分子物质，如二氧化碳和水。因此，对生物基高分子材料的研究被认为符合“从摇篮到摇篮”的绿色生产理念[2]。

淀粉属于高分子碳水化合物，由多个葡萄糖通过糖苷键连接而成，是一种可再生植物资源，广泛存在于谷物、块茎和豆类中[3]。天然淀粉主要由2 种类型的大分子组成，分别为直链淀粉和支链淀粉[4]。不同来源的淀粉，直链淀粉与支链淀粉的含量和比例也各不相同[5-6]。此外，淀粉具有较好的成膜能力，其成膜性能主要取决于直链淀粉的含量。直链淀粉含量越高，淀粉的成膜性能越好[7]。玉米淀粉（corn starch，CS）因其具有丰富的来源和较高的直链淀粉含量（26%～28%）而被广泛应用在食品包装领域中。CS薄膜具有较好的透明度、延展性和氧气阻隔性能。但由于淀粉的亲水性较强，导致CS膜具有较差的机械性能和水蒸气阻隔性能。为改善淀粉膜的亲水特性，Ghanbarzadeh等[8]研究柠檬酸和羧甲基纤维素的添加量对CS膜性能的影响。结果表明，柠檬酸和羧甲基纤维素显著增加淀粉膜的抗拉强度（tensile strength，TS）和水蒸气阻隔性能，当柠檬酸和羧甲基纤维素的添加量分别为10%和15%（m/m）时，复合膜具有最低的水蒸气透过系数（water vapour permeability，WVP）。

鸡蛋壳被认为是一种高度有序的多孔陶瓷，具有三层结构，分别为钙化的角质层、海绵层和内膜层[9]。随着鸡蛋被大量消耗，蛋壳副产物的数量也大大增加，质量约占鸡蛋总质量的11%[10]。因此，对蛋壳废弃物的合理利用有利于协调人类与环境的关系。蛋壳粉（eggshell powder，ESP）是鸡蛋壳经过水洗、干燥和微粉碎等过程精致而成的[11]。ESP含有约95%的碳酸钙和5%的有机物质，如X型胶原蛋白和硫酸化多糖，是一种天然的钙源和营养强化剂[12]。

本研究以ESP为增强剂、丙三醇（glycerol，Gly）为增塑剂制备CS/ESP复合膜，采用主成分分析法对膜性能进行综合评价，并通过响应面法优化膜制备的最佳工艺参数。同时利用热重分析（thermogravimetric analysis，TGA）、傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）、X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）、扫描电子显微镜（scanning electron microscopy，SEM）对复合膜的性能和结构进行分析和表征。结果表明，ESP提高复合膜TS、断裂伸长率（elongation at break，EB）、阻隔性能和热稳定性。这证实ESP作为生物填充材料具有提高食品包装领域中复合膜韧性的巨大潜力，并对新型可降解包装材料的研发提供一定的参考价值。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

CS（食品级） 长春大华淀粉有限公司；ESP（8.12 μm） 实验室自制；Gly（分析纯） 天津福晨化学试剂厂。

1.2 仪器与设备

JA10002型电子天平 上海精天电子仪器有限公司；90-1型双向磁力搅拌器 上海振荣科学仪器有限公司；DZKW-C小型三用恒温水箱 北京市医疗设备厂；SKFG-01型电热恒温鼓风干燥箱 湖北省黄石市医疗器械厂；XLW(B)型智能电子拉力试验机 济南兰光机电技术有限公司；SPX-150C型恒温恒湿箱 上海博迅实业有限公司医疗设备厂；TSY-T1L型透湿性测试仪 济南兰光机电技术有限公司；GDP-C型气体渗透性测试仪 德国Brugger公司；JSM-6700F型扫描电子显微镜 日本电子公司；Avatar 360型FTIR仪 美国尼高力仪器公司；D/Max2500pc型XRD仪 日本理学公司；STA449C型TGA仪 德国Netzsch公司。

1.3 方法

1.3.1 ESP的制备

取新鲜的鸡蛋壳用去离子水清洗除杂，加热煮沸10 min进行杀菌处理。再将其放在50 ℃烘箱中烘干。将烘好的鸡蛋壳放在粉碎机中粉碎3 次，每次30 s，然后过300 目筛。最后将过完筛的ESP放在105 ℃烘箱中烘干至恒质量，保存在干燥器中备用。

1.3.2 CS/ESP复合膜的制备

取一定质量的ESP分散在蒸馏水中，用磁力搅拌器搅拌2 h，使其充分润湿。称取一定质量的CS和Gly溶解于蒸馏水中，在90 ℃预先糊化5 min，随后将ESP分散液逐滴添加到淀粉膜液中，再继续加热搅拌25 min。将上述配制好的溶液冷却到室温，在－0.09 MPa真空脱气20 min，然后静置1 h。取120 mL膜液流延到自制的有机玻璃板中，在50 ℃干燥12 h。待膜干燥冷却后揭膜，并放置在23 ℃、相对湿度50%的恒温恒湿箱中平衡48 h，用于膜性能的检测。

1.3.3 CS/ESP复合膜性能测定

1.3.3.1 膜厚度

按照GB/T 6672—2001《塑料薄膜和薄片厚度测定机械测量法》测定薄膜的厚度。在膜样品的4 个角各取一点，中间取一点，用螺旋测微器测定这5 个点的厚度并取平均值（μm），用于计算薄膜的TS和WVP。

1.3.3.2 机械性能

按照GB/T 13022—1991《塑料薄膜拉伸性能试验方法》测定膜的TS和EB。采用切纸机将被测样品裁剪成15 mm×120 mm的长条形状，测量速率为200 mm/min，实际测量长度为80 mm。按照公式（1）和（2）计算膜的TS和EB：

式中：F为薄膜断裂时承受的最大拉力/N；A为实验前薄膜的横截面积/mm2；L为实验前薄膜的长度/mm；L0为实验断裂时薄膜的长度/mm。

1.3.3.3 WVP

按照GB 1037—1988《塑料薄膜和片材透水蒸气性试验方法 杯式法》和GB/T 16928—1997《包装材料试验方法 透湿率》测定膜样品的WVP，测试面积为100 mm2，每个膜样品重复测量3 次，计算平均值。

1.3.3.4 氧气透过率（oxygen permeability，OP）

按照GB/T 19789—2005《包装材料、塑料薄膜和薄片氧气透过性试验》和GB/T 1038—2000《塑料薄膜和薄片气体透过性试验方法 压差法》，采用GDP-C型气体渗透性测试仪测定薄膜的OP值，样品的测试面积为108 mm2，实验气体为99%氧气，每个样品重复测量3 次，计算平均值。

1.3.3.5 CS/ESP复合膜各个性能指标综合评分的计算

采用隶属度综合评分法[13]对膜的性能进行评价，优化CS/ESP膜的最佳制备条件，各个指标重要程度的权重采用主成分分析法[14]确定。TS和EB 2 个指标的隶属度根据公式（3）计算，WVP和OP 2 个指标的隶属度根据公式（4）计算，膜性能的综合评分（S）按公式（5）计算：

式中：P为指标隶属度；Ai为指标值；Amin为相同指标最小值；Amax为相同指标最大值。S为膜性能的综合评分；a1、a2、a3、a4分别为TS、EB、WVP和OP 4 个指标的权重；P1、P2、P3和P4分别为TS、EB、WVP和OP 4 个指标的隶属度。

1.3.3.6 单因素试验设计

以膜的TS、EB、WVP和OP为指标进行单因素试验，见表1。固定水平为CS质量浓度5 g/100 mL、ESP添加量1%、Gly添加量50%，所有实验重复3 次，取平均值。

表1 单因素试验因素与水平Table 1 Factors and levels used for one-factor-at-a-time (OFAT) design

1.3.3.7 响应面法优化试验设计

选取CS质量浓度（X1）、Gly添加量（X2）和ESP添加量（X3）为试验因素，以TS（Y1）、EB（Y2）、WVP（Y3）、OP（Y4）4 个指标的综合评分（S）为响应值，设计3因素3水平的响应面试验，因素与水平设计见表2。

表2 响应面试验因素与水平Table 2 Factors and levels used for response surface design

1.3.4 FTIR分析

将膜样品在45 ℃干燥24 h，剪碎研磨，采用KBr压片，利用FTIR仪进行分析。选择仪器分辨率4 cm－1，扫描次数16，扫描范围4 000～500 cm－1。

1.3.5 XRD分析

采用D/max2500pc型XRD仪对ESP微粒进行分析，Cu靶，Kα射线，管压40 kV，电流250 mA，步进扫描范围5°～50°，步长0.02°，扫描速率2 °/min。

1.3.6 SEM分析

将膜样品在50 ℃干燥4 h。并将部分样品在液氮下冷冻脆断，用于观察膜的断面结构。采用SEM观察膜表面微观结构形态，取2 mm×2 mm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，观察样品表面和断面的微观形态结构。

1.3.7 TGA

取3～5 mg试样于铝坩埚内，将空坩埚作对照，以N2（99.999%）作为保护气体，对ESP进行热性能测试。测试参数为：加热速率10 ℃/min，测试范围30～500 ℃。

1.4 数据统计与分析

利用Design-Expert、SPSS 17.0、Origin 7.5等软件进行数据分析与处理，计算 ±s，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 单因素试验结果

2.1.1 CS质量浓度

图1 CS质量浓度对CS/ESP膜性能的影响Fig. 1 Effect of CS concentration on properties of C S/ESP film

如图1a所示，随着CS质量浓度的增大，膜的TS先上升后下降。这是因为在一定范围内，CS质量浓度越大，单位体积内淀粉分子数就越多，分子链之间的相互作用越强[15]。当CS质量浓度为5.5 g/100 mL时，TS达到最大，为4.13 MPa。随着CS质量浓度继续增加，膜液的黏度增大，体系的流动性变差。与低质量浓度的CS膜液相比，在相同时间内淀粉颗粒的糊化程度较低[16]，膜内部结构的致密性和连续性较差，导致膜的TS下降。随着CS质量浓度从4 g/100 mL增大到6 g/100 mL，膜的EB呈现先上升后下降的趋势。当CS质量浓度为5 g/100mL时，膜的EB达到最大，为96.85%。这是因为随着CS质量浓度的增大，淀粉分子间的相互作用增强，膜的柔韧性增加。当淀粉质量浓度增加到一定程度后，构成膜骨架的分子数增多，导致复合膜的刚性结构增强，EB下降。

如图1b所示，随CS质量浓度的增加，膜的WVP呈现逐渐增大的趋势。这是由于CS质量浓度越大，单位体积内淀粉分子数越多。由于淀粉为亲水性物质，CS质量浓度的增加导致其亲水效应增强，膜的水蒸气阻隔性能下降[17]。随着CS质量浓度的增加，膜的OP呈现先下降后上升的趋势。这是因为在一定范围内，CS质量浓度越大，淀粉膜形成的空间交联结构越致密，复合膜的连续性越好，氧气阻隔性越强。当CS质量浓度为5 g/100 mL时，膜的OP值最小，为1.36×10－5cm3/（m2·d·Pa）。随着CS质量浓度继续增大，分子间的作用力减弱，导致分子间隙增大，OP值增加。

2.1.2 ESP添加量

图2 ESP添加量对CS/ESP膜性能的影响Fig. 2 Effect of ESP content on properties of CS/ESP film

如图2a所示，随着ESP添加量的增加，膜的TS和EB均呈现先上升后下降的趋势。这是由于小分子的ESP微粒作为增强因子填充到CS膜基质形成的网状结构中，导致复合薄膜结构的致密性增加。此外，蛋壳表面含有丰富的极性基团，如胶原蛋白、硫酸化多糖等。这些有机成分充当ESP微粒和淀粉膜基质之间的偶联剂，促使ESP微粒能均匀地分散在淀粉膜中，进而增加膜TS和EB[18]。当ESP添加量为2%时，复合膜具有最大的TS和EB，分别为4.69 MPa和108.38%。随着ESP添加量的继续增大，由于ESP的团聚作用导致共混体系出现相分离，TS和EB相应减小。

如图2b所示，随着ESP添加量的增加，膜的WVP和OP均呈现先下降后上升的趋势。这是因为添加的ESP微粒分散在膜液中，渗入到膜的间隙里，使气体分子的扩散路径变得曲折，延缓其运动速率，从而导致WVP和OP降低[19]。此外，由于蛋壳表面上有机物的存在增加ESP的黏附性，使ESP微粒能均匀地分散在淀粉膜基质中，导致膜的致密性增加。与CS相比，ESP中含有的碳酸钙具有较低的亲水性，分散在膜液中降低薄膜整体的亲水特征。当ESP添加量为2%时，复合膜具有最低的WVP和OP值，分别为1.44×10－12g/（cm·s·Pa）和1.22×10－5cm3/（m2·d·Pa）。与Sun Qingjie等[20]研究的碳酸钙/玉米淀粉膜相比，CS/ESP复合膜表现出较好的机械强度和水蒸气阻隔性能。随着ESP添加量继续增大，由于ESP的团聚使其在膜液中分散不均，破坏膜结构的致密性和完整性，导致其阻隔性能下降。综上，选择ESP添加量2%作为响应面试验的中心水平。

2.1.3 Gly添加量

图3 Gly添加量对CS/ESP膜性能的影响Fig. 3 Effect of Gly content on properties of CS/ESP film

如图3a所示，随着Gly添加量的增加，膜的TS呈现逐渐下降的趋势，EB先上升后下降。这是因为Gly与淀粉具有较好的相容性，并且Gly作为小分子增塑剂能够进入到淀粉分子链之间，削弱淀粉分子间的作用力，破坏淀粉的刚性结构，从而增加膜的柔韧性[21]，所以淀粉膜的TS减小，EB增加。当Gly添加量为55%时，CS/ESP膜TS的下降速率增大，EB值最高，此时的TS和EB分别为3.23 MPa和103.69%。然而，随着Gly添加量继续增加，Gly与淀粉的作用面积增大，淀粉分子链的流动性增强，导致淀粉膜过于柔软，所以TS和EB下降。

如图3b所示，随Gly添加量的增加，膜的WVP和OP均呈现先减小后增大的趋势。这是因为适量Gly能与淀粉分子之间形成氢键，使成膜物质之间结合得更加紧密，阻碍水蒸气分子和氧气分子的通过，因此WVP和OP减小[22]。当Gly添加量为50%时，WVP和OP值分别为1.69×10－12g/（cm·s·Pa）和1.38×10－5cm3/（m2·d·Pa），此时CS/ESP复合膜具有较好的水蒸气和氧气阻隔性能。然而，随着Gly添加量继续增加，Gly与淀粉分子间形成的氢键键合力大于淀粉分子内的氢键键合力，破坏膜内部的网状结构，导致分子间隙增大。综上，选择Gly添加量50%作为响应面试验的中心水平。

2.2 CS/ESP膜性能的综合评分

2.2.1 主成分分析

以膜的TS、EB、WVP和OP 4 个指标作为分析对象分别从 3 个单因素试验数据中各随机抽取2 组数据进行主成分分析，如表3所示。相关成分的特征值及方差贡献率见表4。由表4可知，第1主成分和第2主成分的特征值均大于1，方差贡献率分别为55.624%和41.286%，并且二者的累计方差贡献率为96.910%，说明前2 个主成分基本包含了样品中绝大多数信息，能够反应CS/ESP复合膜性能指标的整体信息，即可代替原来的4 个指标（TS、EB、WVP、OP）[13]。

表3 主成分分析结果Table 3 Properties of CSS/ESP films prepared under randomly selected conditions from OFAT

表4 相关成分的特征值及贡献率Table 4 Eigenvalues and variance contribution rats of principal components

由表5可知，提取的2 个主成分的因子载荷矩阵，反映各指标对主成分贡献率的大小，决定第1主成分大小的主要为TS、EB和WVP，其中TS的载荷最大。决定第2主成分大小的主要是TS、WVP和OP，其中OP的载荷最大[22]。

表5 2 个主成分的因子载荷矩阵Table 5 Factor loading matrix of first two principal components

2.2.2 CS/ESP膜性能的综合评分

结合各个主成分的分析结果，经过归一化计算后得到评价CS/ESP膜性能的4 个指标（TS、EB、WVP、OP）的权重分别为0.39、0.12、0.40和0.09。根据公式（3）～（5）计算得出膜性能综合评分的数学模型为：S=0.39P1+0.12P2+0.4P3+0.09P4。

2.3 响应面法优化试验结果

2.3.1 试验设计及结果

在单因素试验的基础上，选取CS质量浓度（X1）、Gly添加量（X2）和ESP添加量（X3）为试验因素，选择TS、EB、WVP和OP的综合评分为响应值，进行3因素3水平的响应面法优化试验，结果见表6。利用Design-Expert软件进行多元回归拟合得到的回归方程为：Y=0.83－0.036X1－0.057X2－0.081X3－0.010X1X2－0.028X1X3+0.025X2X3－0.12X12－0.21X22－0.25X32。

表6 Box-Behnken试验设计及结果Table 6 Box-Behnken design with experimental and predicted results

2.3.2 回归模型的建立及检验

表7 模型方差分析Table 7 Analysis of variance of quadratic polynomial model

由表7可知，失拟项不显著（P=0.607 9＞0.05），并且模型的P值小于0.000 1，表明该二次回归模型差异极显著；模型的决定系数R2为0.996 3，表明通过该模型得到的预测值与实际值具有较高的拟合度。模型的一次项X1（P=0.000 5＜0.01）影响极显著、X2（P＜0.000 1）影响极显著、X3（P＜0.000 1）影响极显著。二次项X12、X22、X32的影响均达到极显著水平（P＜0.01），交互项X1X2影响不显著、X1X3（P=0.013 9＜0.05）和X2X3（P=0.021 1＜0.05）的影响达到显著水平。

X1均方值为0.0 1 1，X2均方值为0.0 2 6，X3均方值为0.053。因此，对CS/ESP复合膜性能评价的综合评分影响的主次顺序为ESP添加量＞Gly添加量＞CS质量浓度。

2.3.3 回归方程综合寻优与实验验证结果

结合回归模型以及Design-Expert的分析结果，得出CS/ESP膜的最佳制备工艺参数为：CS质量浓度4.93 g/100 mL、Gly添加量49.28%、ESP添加量1.92%，预测得到CS/ESP膜性能综合评分为0.979。为进一步验证模型的可靠性，考虑到实际操作情况，将最佳工艺条件修正为CS质量浓度4.9 g/100 mL、Gly添加量49%、ESP添加量1.9%，在此条件下进行3 次平行实验，得到CS/ESP膜性能的综合评分为0.950，达到预测值的97.04 %，验证实验结果与拟合值无显著性差异，对应CS/ESP膜的TS、EB、WVP和OP分别为4.97 MPa、109.12%、1.31×10－12g/（cm·s·Pa）和1.19×10－5cm3/（m2·d·Pa）。

2.4 FTIR结果

图4 CS膜和CS/ESP复合膜的FFTTIIRR图Fig. 4 FTIR spectra of CS and CS/ESP films

由图4可知，CS膜在波数为707 cm－1处的吸收峰是由骨架上的C—C伸缩振动产生的。添加ESP之后该峰向大波数方向移动。分析原因是诱导效应导致的，ESP中O—C—O键面内变形振动的吸收峰在713 cm－1处，C—C键受到O—C—O键的诱导作用，使电荷分布发生变化，向大波数方向移动[23]。此外，CS膜在波数为574 cm－1和528 cm－1处为吡喃环骨架模式振动的吸收峰。添加ESP之后该吸收峰向小波数方向移动，并且伸缩振动的谱带变宽。这是因为淀粉和ESP之间形成了氢键，使吡喃环骨架振动的频率降低，导致其吸收峰向低波数方向移动[24]。综上所述，CS与ESP具有较好的相容性。

2.5 XRD结果

图5 CS膜CS/ESP复合膜的XXRRDD图Fig. 5 XRD spectra of CS and CS/ESP films

由图5可知，未添加ESP的CS膜在19.72°～21.7°之间出现了弥散峰，呈现出无定形结构，说明纯玉米淀粉膜属于非晶高分子材料[25]。这是因为淀粉颗粒是由无序的无定形区和有序的结晶区组成的。在糊化过程中，淀粉颗粒膨胀，水分子先后进入到淀粉分子中的非结晶区和结晶区，破坏淀粉颗粒内部的氢键，导致微晶束解体，淀粉分子的晶体结构消失。此外，由CS/ESP复合膜的衍射图谱可以看出，在29.4°处出现1 个明显的衍射峰，此处为ESP中方解石晶体的特征峰[26-27]，表明CS/ESP膜是一种半晶性高分子材料[25]。

2.6 SEM结果

图6 膜的SEM表面和断面图Fig. 6 SEM surface and cross-section images of the films

由图6可知，未添加ESP的CS膜（图6a1）表面光滑，没有明显的突起和孔洞。添加了ESP的复合膜（图6a2）表现出和CS膜相似的表面形态，说明ESP在淀粉膜中分布均匀，这是因为ESP与CS具有较好的相容性，并通过氢键连接形成了致密的网状结构。未添加ESP的CS膜（图6b1）和添加了ESP的复合膜（图6b2）的断面结构致密，进一步证明了CS/ESP复合膜具有较好的机械强度和阻隔性能[20]。

2.7 TGA结果

图7为CS和CS/ESP膜的TGA和微熵热重分析（derivative thermogravimetric，DTG）曲线，由图7a可知，CS膜的热失重过程分为3 个阶段：第1个阶段的质量损失主要表现为淀粉膜内部水分的散失[28]，温度在50～120 ℃之间，质量损失率较小。随着温度继续升高到250 ℃，这个阶段膜的质量损失与增塑剂和结合水的蒸发有关[18]。最后一个阶段主要发生的是淀粉和ESP的分解反应，质量损失最大，温度在250～400 ℃之间。由图7b可知，CS膜的最大降解温度为313.10 ℃，CS/ESP复合膜的最大降解温度为320.06 ℃。结果表明ESP的添加导致淀粉膜的热降解温度滞后，提高CS/ESP复合膜的热稳定性。此外，与未添加ESP的CS膜对比，当温度为500 ℃时，复合膜具有较高的剩余质量。这是因为ESP微粒属于刚性粒子，添加到淀粉膜中影响了复合材料的热传导，对膜的热降解起着阻碍作用，致使热降解温度滞后[29]。

图7 膜的TGA（a）和DTG（b）图Fig. 7 TGA (a) and DTG (b) curves of films

3 结 论

由单因素试验得出，随着CS质量浓度的增加，膜的TS和EB先上升后下降，OP先下降后上升，WVP呈现逐渐增大的趋势。随着ESP添加量的增加，膜的TS和EB均呈现先上升后下降的趋势，而WVP和OP均呈现先下降后上升的趋势。随Gly添加量的增加，膜的TS呈现逐渐下降的趋势，EB先上升后下降。WVP和OP均呈现先减小后增加的趋势。影响CS/ESP膜性能综合评分的主次顺序为ESP添加量＞Gly添加量＞CS质量浓度。最佳工艺条件修正为CS质量浓度4.9 g/100 mL、Gly添加量49%、ESP添加量1.9%，在此条件下进行3 次平行实验，得到CS/ESP膜性能综合分为0.950，对应CS/ESP膜的TS、EB、WVP和OP分别为4.97 MPa、109.12%、1.31×10－12g/（cm·s·Pa）和1.19×10－5cm3/（m2·d·Pa）。FTIR结果表明，ESP与CS膜之间形成了氢键，说明两者具有较好的相容性；XRD结果表明，CS/ESP膜是一种半结晶性高分子材料。SEM分析表明，CS/ESP复合膜具有光滑的表面和断面形貌，没有明显的突起和腔；TGA分析表明，ESP的添加提高了CS膜的热稳定性，阻碍了膜的热降解。