朱秀清 陈 华 和铭钰 冯旭梅 李 杨,2 滕 飞

(1.东北农业大学食品学院， 哈尔滨 150030； 2.黑龙江省绿色食品科学研究院， 哈尔滨 150028)

0 引言

传统塑料使用带来的不可再生资源消耗以及塑料废弃物处理造成的环境问题日益严重，因此研究人员正致力于开发廉价且优质的新型生物降解包装材料[1]。目前用于生产食品包装材料的天然高分子物质有多糖、脂类和蛋白质。大豆分离蛋白(Soy protein isolate，SPI)因其成本低、成膜性能优异、生物相容性好而备受关注，但SPI膜普遍存在机械强度不足、耐水性低等问题[2]。近年来，研究者们普遍采用改性处理如物理改性、化学改性和酶改性等提高蛋白膜性能[3-5]。此外，联合改性也是改善膜性能的有效方法，多糖或脂肪酸与蛋白复合，可以增强膜的物理化学性质，如多糖可以提高蛋白膜的机械性能，脂肪酸则可以提高蛋白膜的阻水性能[6]。文献[7]利用壳聚糖显著提高了明胶膜的机械性能和耐水性。文献[8]将不同类型的多糖(海藻酸丙二醇酯、果胶、卡拉胶和芦荟多糖)直接添加或共混干燥到SPI/月桂酸膜中，用于改善膜的力学性能和耐水性。

海藻酸钠(Sodium alginate，NaAlg)是从褐藻或马尾藻中提取的一种天然多糖物质，具有生物降解性、良好的凝胶性、成膜性和生物相容性，可与蛋白、多糖和脂类等大分子物质复合制成具有良好性能的复合膜[9]。文献[10]制备并表征了以水杨酸与阿魏酸交联的海藻酸钠可食用膜，以了解两者对膜特性变化的影响。文献[11]制备了具有缓慢释放抗菌物质的海藻酸钠/玉米醇溶蛋白抗菌复合膜并对其表征以及对抗菌性能进行了分析。SPI/NaAlg复合膜[12]与单一膜相比，机械性能有了极大提高，但柔韧性较差，脆性较强，极大地限制了其在食品工业中的广泛应用，因此可以通过添加脂类来改善复合膜的阻水性能。疏水性物质硬脂酸(Stearic acid，SA)是一种含有十八碳链的饱和脂肪酸，天然存在于动植物体内。在复合膜中添加硬脂酸不仅可以提高膜的阻水性能，还可以降低复合膜的表面活性，提高膜的接触角，构造出疏水表面[13]。硬脂酸还可以起到增塑的作用，增加膜内分子的柔韧性和运动空间，降低分子之间的作用力[14]。文献[15]研究了缓冲液的酸碱度、乙醇添加量、载姜黄素量、膜中硬脂酸量等因素对姜黄素从壳聚糖-果胶-硬脂酸膜中释放的影响。文献[16]使用酪蛋白酸钠和硬脂酸制备可食用膜，研究了硬脂酸和酪蛋白酸钠与水的比例对所制备膜的水蒸气透过率和机械性能的影响。

目前，硬脂酸影响蛋白基膜的阻水性能主要通过测定水蒸气渗透性、表面润湿性、含水率及水溶性等指标体现，然而关于硬脂酸影响SPI/NaAlg复合膜阻水性能的结构变化及结构与性能相关性仍存在研究空白。因此本文利用硬脂酸复合SPI和海藻酸钠，采用改性技术制备三元复合膜，探究硬脂酸对复合膜的机械性能和阻水性能的影响，并对其进行微观表征，以期为SPI/NaAlg复合膜的研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

大豆分离蛋白(纯度91.32%)，河南川锦生物科技有限公司；硬脂酸(分析纯，纯度98%)，上海麦克林生化科技有限公司；海藻酸钠(化学纯，粘度(200±20) mPa·s)，上海麦克林生化科技有限公司；甘油(分析纯，99%)，上海源叶生物科技有限公司；其它试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

AUY 120型分析天平(精度0.000 1 g)，北京赛多利斯仪器系统有限公司；HWS-26型电热恒温水浴锅，上海一恒仪器有限公司；S22-2型恒温磁力搅拌器，上海司乐仪器有限公司；SB25-12 DTD型超声波细胞破碎仪，宁波新芝生物科技股份有限公司；电热恒温鼓风干燥箱，上海新苗医疗器械制造有限公司；HP-50型数显推拉力计测试机，乐清市艾德堡仪器有限公司；数显游标卡尺，得力集团有限公司；视频光学动态接触角测量仪，瑞典百欧林科技有限公司；台式高速冷冻离心机，湖南湘仪实验室仪器开发有限公司；傅里叶变换红外光谱仪，赛默飞世尔科技(中国)有限公司；S-3400 N型扫描电子显微镜，日本日立公司。

1.3 方法

1.3.1SPI/NaAlg/SA复合膜制备

准确称取5.00 g SPI、0.50 g海藻酸钠，加2.50 mL甘油、150 mL蒸馏水，磁力搅拌30 min，然后分别添加0、2%、4%、6%、8%和10%(占成膜液中SPI质量分数)的硬脂酸，在70℃下恒温水浴并搅拌40 min，制备SPI/NaAlg/SA成膜液。对上述成膜溶液进行超声200 W、脱气20 min，然后倾倒至平板，置于65℃干燥箱中干燥3 h后揭膜，揭膜后将其置于相对湿度(RH)为75%(饱和氯化钠溶液)的干燥器中平衡2 d，测定膜性能。

1.3.2机械性能测定

参照文献[17]的方法，稍作修改。利用数显推拉力计测试机对复合膜样品的拉伸强度以及断裂伸长率进行测定。将裁剪好的膜样品夹在两个探头之间，有效拉伸长度为50 mm，十字头速率为15 mm/min，记录膜样品断裂时的最大作用力和长度，膜的拉伸强度(Tensile strength，TS)和断裂伸长率(Elongation at break，EB)计算公式为

(1)

(2)

式中T——样品拉伸强度，MPa

F——样品断裂时承受的最大作用力，N

S——样品横截面面积，mm2

E——样品断裂伸长率，%

L——样品断裂时的长度，mm

L0——样品初始长度，mm

1.3.3水蒸气渗透性测定

水蒸气渗透性的测定采用拟杯子法，参照文献[18]的方法，并稍作修改。在20℃条件下，将干燥的硅胶放入玻璃杯至杯口5 mm处(RH为0；水蒸气压力为0 kPa)。选择厚度均匀且完整的复合膜，先用游标卡尺测量厚度，然后再用凡士林将膜密封于杯口，称量。保持20℃的条件，将玻璃杯放在盛有蒸馏水的干燥器中(RH为100%；水蒸气压力为2.346 kPa)，使复合膜两侧保持0/100%的相对湿度差。每隔2 h称量一次，共称量6次，且每组试验重复3次，水蒸气透过系数(Water vapor permeability，WVP)计算公式为

(3)

式中W——水蒸气透过系数，g·mm/(m2·h·kPa)

Δm——稳定后膜质量增量，g

d——膜平均厚度，mm

A——有效透过水蒸气膜的面积，m2

t——测定时间间隔，h

Δp——膜两侧水蒸气压差，kPa

1.3.4含水率及水溶性测定

参照文献[19]的方法，稍作修改。将膜样品称量之后，置于105℃干燥箱中干燥24 h，再称量。膜的含水率计算公式为

(4)

式中Mc——膜含水率，%

m1——干燥前膜质量，g

m2——干燥24 h之后膜质量，g

将干燥后的膜样品置于盛有30 mL蒸馏水的烧杯中，室温(20℃)放置24 h，之后5 000 r/min离心5 min，将不溶性的膜再次干燥至质量恒定，再次称量。膜水溶性指数计算公式为

(5)

式中Ws——膜水溶性指数，%

m3——最终干燥膜质量，g

1.3.5接触角测定

参照文献[20]的方法，稍作修改。通过坐滴法来测定膜的表面润湿性。首先将1.3.1节的成膜液浓度增大，蛋白质量浓度由3.33 g/(100 mL)增大为5 g/(100 mL)，其他物质基于SPI的相对含量不变，然后干燥成膜。25℃条件下，将裁好的膜片固定于测试台上，滴1滴去离子水(约5 μL)，此时开始计时，10 s后拍摄膜的接触角图像。试验重复3次，结果取平均值。

1.3.6傅里叶变换红外光谱分析

参照文献[21]的方法，稍作修改。使用傅里叶红外光谱仪在波数400～4 000 cm-1范围内对干燥处理后的膜进行扫描，25℃环境下，以分辨率4 cm-1，扫描32次，得到红外吸收光谱。

1.3.7扫描电镜分析

参照文献[22]的方法，稍作修改。应用钨灯丝扫描电子显微镜观察膜的表面以及横断面形貌，用双面胶将膜固定在样品台表面上，用喷金仪在真空状态下喷金，加速电压设为5.00 kV，膜的表面和横断面均放大1 000倍。

1.4 数据统计与分析

在本研究中，所有收集的数据均为3次测定的平均值及3次重复试验，结果表示为平均值±标准差(SD)，利用SPSS Statistics 22软件，使用方差分析(ANOVA)对数据进行差异显著性比较，P<0.05为显著性差异。采用Origin 9.5软件进行数据统计、图表绘制及图谱分析处理。

2 结果与分析

2.1 机械性能

不同添加量硬脂酸对复合膜拉伸强度和断裂伸长率的影响如图1(不同小写字母表示P<0.05水平上差异显著，下同)所示，与二元复合膜相比，随着硬脂酸添加量的增加，复合膜的拉伸强度呈现先上升后下降的趋势。添加2%、4%、6%硬脂酸，复合膜的拉伸强度增加可能是因为SPI和海藻酸钠通过共价键、氢键等化学键形成网络结构，加入的硬脂酸则分布在网络结构的缝隙中，能够形成良好的网络结构，键与键之间结合较强，从而导致拉伸强度增加[23]；当添加量继续增加时，拉伸强度下降，这可能是因为SPI游离的氨基被硬脂酸的长碳链取代，氢键减少，从而拉伸强度降低[24]。断裂伸长率随着硬脂酸添加量的增加则呈现先下降后上升的趋势。断裂伸长率降低可能与含水率减小和蛋白质链之间的空间位阻增加有关[24]，SPI和海藻酸钠能够形成良好的网络结构，增强了蛋白质链之间的空间位阻，这导致断裂伸长率降低；添加10%硬脂酸时，断裂伸长率增加，这可以表明硬脂酸起到了增塑的作用，可以增加蛋白质分子的柔韧性，降低蛋白质与蛋白质之间的作用力，因此随着硬脂酸浓度的增加，断裂伸长率增加。文献[25]以不同比例的硬脂酸和胱氨酸制备具有良好力学性能和阻水性能的SPI膜，断裂伸长率研究也有类似结果。

图1 硬脂酸添加量对SPI/NaAlg复合膜机械性能的影响Fig.1 Effect of different concentrations of stearic acid on mechanical properties of SPI/NaAlg composite films

2.2 水蒸气渗透性

水蒸气透过系数是评价包装材料的重要指标。由表1可知，随着硬脂酸添加量的增加，复合膜的水蒸气透过系数呈现先下降后上升的趋势。当硬脂酸添加量为8%时，复合膜的水蒸气透过系数达到最小值(2.95±0.49) g·mm/(m2·h·kPa)(P<0.05)，这可能是因为在成膜过程中，SPI和海藻酸钠通过共价键、氢键等化学键形成网络结构，加入的硬脂酸则分布在网络结构的缝隙中，使得复合膜能够形成良好的网络结构，有效提高复合膜的阻水性能[23]。但添加过量的硬脂酸会造成乳化不均，使得硬脂酸在膜表面结晶不连续，从而导致WVP升高[26]。

表1 硬脂酸添加量对SPI/NaAlg膜水蒸气渗透性、含水率及水溶性的影响Tab.1 Effects of different concentrations of stearic acid on water vapor permeability, water content and water solubility of SPI/NaAlg films

2.3 含水率及水溶性

由表1可知，硬脂酸添加量对三元复合膜的含水率无显著影响(P>0.05)，但二元复合膜的含水率显著高于添加硬脂酸的三元复合膜的含水率。这可能是因为硬脂酸是一种疏水性很强的物质，可以降低复合膜对水分的吸附能力[27]。

水溶性可以反映膜的亲水性能，膜含有的亲水基团越多或基团亲水性越好，复合膜的水溶性也就越高[28]。试验过程中膜保持了完整性。由表1可知，膜的水溶性随着硬脂酸添加量的增加而显著降低(P<0.05)，当添加量大于6%时，水溶性变化不显著。这可能是由于硬脂酸的添加阻碍了蛋白和多糖分子的运动，使能自由活动的亲水基团减少，导致复合膜的水溶性下降[26]。

2.4 接触角

通常用接触角来衡量膜的亲水或疏水特性，当接触角小于90°时，膜亲水；反之膜疏水[17]。图2反映了水在复合膜表面的分散状况。二元复合膜表现出高度亲水的性质，接触角最小，为58.80°±7.47°(P<0.05)。随着硬脂酸添加量的增加，复合膜的接触角呈现先增大后减小的趋势。当硬脂酸添加量为8%时，复合膜的接触角最大，为91.68°±9.02°(P<0.05)。试验结果表明添加适量硬脂酸能有效提高SPI/NaAlg复合膜的耐水性，同时也侧面验证WVP试验的结果。

图2 不同硬脂酸添加量的SPI/NaAlg/SA复合膜接触角图像Fig.2 Contact angle pictures of SPI/NaAlg/SA composite films

2.5 红外光谱分析

图3 不同硬脂酸添加量的SPI/NaAlg/SA复合膜红外光谱图Fig.3 FTIR spectra of SPI/NaAlg/SA composite films with different amounts of stearic acid addition

2.6 扫描电镜分析

图4为添加不同比例硬脂酸的复合膜放大1 000倍下的表面扫描电镜图。由图4可知，SPI/NaAlg二元复合膜的表面光滑平坦，这表明SPI、甘油和海藻酸钠的混合物是均匀的。随着硬脂酸添加量的增加，硬脂酸聚集并嵌入到膜基质中，从而导致相对不均匀的表面。表面出现白点可能与硬脂酸的不均匀填充有关[35]。当添加10%时，膜的表面更为粗糙且呈现出不连续的网络结构。这可能是因为复合膜中过量的硬脂酸聚集而影响SPI与海藻酸钠形成的网络结构，进而影响膜的阻水性能[36]。

图4 不同硬脂酸添加量的SPI/NaAlg/SA复合膜表面扫描电镜图Fig.4 SEM images of outer surface of SPI/NaAlg/SA composite films with different amounts of stearic acid addition

图5 不同硬脂酸添加量的SPI/NaAlg/SA复合膜的截面扫描电镜图Fig.5 SEM images of cross section of SPI/NaAlg/SA composite films with different amounts of stearic acid addition

图5为添加不同比例硬脂酸的复合膜放大1 000倍下的截面扫描电镜图。由图5可知，随着硬脂酸添加量的增加，膜内空隙逐渐减少，这可能是因为加入的硬脂酸填充在复合膜的网络结构中，形成复杂的蛋白质-多糖-脂质网络，使得复合膜内部结构变得十分致密[37]。当添加10%时，复合膜表面已经出现球状的硬脂酸颗粒，这可能是因为当硬脂酸添加量较大时，三者相容性较差，在缓慢的干燥过程中，部分硬脂酸向膜表面迁移，并最终在复合膜表面形成脂质层[38]。

3 结束语

通过添加不同添加量硬脂酸制备SPI/NaAlg/SA三元复合膜，对比复合膜机械性能和阻水性能的不同，并通过傅里叶变换红外光谱图和扫描电镜图对复合膜进行微观结构表征，探究硬脂酸对其耐水性变化的影响。结果表明：添加8%硬脂酸后，三元复合膜的断裂伸长率、水蒸气透过率显著下降，接触角最大，对其含水率及水溶性也有显著影响。此外，红外光谱结果表明复合膜的拉伸强度及水分阻隔性的增加可能是因为硬脂酸与蛋白质和海藻酸钠之间发生了相互作用，使之形成了相对稳定的网络结构。通过扫描电镜图可以看出添加8%硬脂酸的三元复合膜表面结构较为光滑平整，出现的空隙较少，复合膜内部结构致密。综上添加适量硬脂酸能有效提高SPI/NaAlg复合膜的耐水性。