超声波微波协同制备玉米醇溶蛋白/壳聚糖复合膜工艺优化

摘要：利用超声波微波协同技术，制备玉米醇溶蛋白/壳聚糖复合膜。以拉伸强度为考核指标，选择超声波功率、微波温度、超声波微波协同作用时间、搅拌转速作为优化因素，在单因素试验基础上，通过正交试验确定最佳工艺参数。结果表明：最优工艺为超声波功率180 W、微波温度50 ℃、协同作用时间6 min、搅拌转速300 r/min，在此条件下，复合膜的拉伸强度为（19.98±0.34） MPa。微观研究表明，复合膜的微观形态结构得到改善，通过扫描电子显微镜观察，复合膜表面平整，颗粒感较少。红外光谱分析表明超声波微波协同作用对分子结构没有明显破坏。

关键词：超声波微波协同作用；复合膜；工艺优化；形态分析

玉米醇溶蛋白，是湿法生产玉米淀粉所产生的副产物［1］，在胚乳中占总蛋白质量的50%～60% ［2］。玉米醇溶蛋白不溶于水，可溶于60%～95%乙醇溶液、阴离子活性剂及高浓度尿素溶液中［3］。玉米醇溶蛋白分子间以结合力较强的疏水键、氢键和有限的二硫键相连，易形成薄膜［4-5］。天然蛋白膜具有隔氧、阻湿等优点，可应用于食品的包装、保鲜［6］。壳聚糖也叫甲壳素，主要存在于虾、蟹等甲壳类动物壳中，其基本组成单位是氨基葡萄糖，基本结构单元是壳二糖［7］。壳聚糖无毒、无味，具有良好的成膜性、生物相容性及抑菌性［8-10］。将壳聚糖与玉米醇溶蛋白共混制备复合膜，并结合超声波微波协同作用辅助制备复合膜，可有效改善膜的机械性能。

对于超声波微波联合技术的应用，目前多用于对物质的萃取、合成方面［11-14］，在复合膜研究方面，陈姗姗等［15］研究了微波超声波协同作用下微波功率对复合膜性能的影响，而微波超声波协同技术应用于复合膜制备的研究报道较少。

本实验通过单因素和正交试验优化超声波微波协同作用条件，并利用扫描电子显微镜和红外光谱对复合膜的微观结构进行观察分析，为超声波微波协同制备复合膜工艺的优化提供理论依据。利用超声波微波协同技术制备玉米醇溶蛋白/壳聚糖复合膜，有效改善复合膜的机械性能，提高复合膜的利用价值，为超声波微波协同技术在复合膜制备方面的应用提供理论依据。

1 材料与方法

玉米醇溶蛋白实验室自制；壳聚糖（脱乙酰度90%，相对分子质量8.0×10 5）上海隆葛生物科技有限公司；无水乙醇天津新通精细化工有限公司；甘油、冰醋酸天津市光复精细化工研究所；溴化钾北京化工厂。

EX-224电子精密天平奥豪斯（上海）仪器有限公司；HH-2数显恒温水浴锅常州澳华仪器有限公司；UWave-1000型微波紫外超声波三位一体合成萃取反应仪上海新仪微波化学科技有限公司；SHB-B95A循环水式多用真空泵郑州长城科工贸有限公司；IR prestige-21傅里叶红外光谱仪、SSX-550扫描电子显微镜日本岛津公司；UV2100紫外-可见分光光度计北京普析通用仪器有限公司。

将10.00 g玉米醇溶蛋白溶于100 mL 80%乙醇溶液中，50 ℃水浴30 min，不断搅拌；将1.00 g壳聚糖溶于10 mL、1%的乙酸溶液中，50 ℃水浴30 min，不断搅拌。将玉米醇溶蛋白与壳聚糖溶液按质量比8∶2混合均匀，加入20%甘油溶液，50 ℃水浴并搅拌30 min，充分混合，真空脱气（-0.85 MPa，30 min），制得复合膜液。

每次量取100 mL膜液进行超声波微波协同作用。将膜液放入超声波微波协同反应器中，超声波变幅杆放入液体中进行作用，同时放入磁力搅拌，设定超声波功率、微波温度、协同作用时间、搅拌转速等参数，实验结束后，聚乙烯盘内流延成膜，干燥完全后置于干燥器内，48 h后测定膜的性能。

式中：F为膜断裂时的最大张力/N；b为膜的宽度/mm；d为膜的厚度/mm；L 0为膜断裂时被拉伸的长度/mm；L为膜的原始长度/mm。

将样品裁成80 mm×10 mm的矩形，贴于比色皿内壁，根据ASTM ［17］在500 nm波长处测定透光率，对照样为空比色皿，以透光率来间接表示膜的透明度。

根据修正的ASTM ［18］方法进行测定，将复合膜裁成圆片，测出膜厚度，称取10.00 g干燥的变色硅胶放入烧杯中，用样品封口，25 ℃条件下，使干燥器内相对湿度为100%。平衡24 h后称质量。按式（3）计算水蒸气透过率：

式中：Δm/t为膜在单位时间内的质量变化/（g/h）；d为膜的厚度/mm；A为膜的实验面积/m 2；ΔP为试样两侧蒸汽压/kPa。

将待测样干燥后称质量，沸水浴中搅拌5 min取出，滤纸吸干表面水分，干燥至恒质量，记录2 次质量的变化。按式（4）计算溶解率：

将待测膜样放置于60 ℃干燥箱中干燥10 h，保证充分干燥，取2 mm×2 mm正方形进行扫描观察。

将样品在60 ℃条件下干燥至恒质量。红外光谱的扫描频率为4 000～400 cm -1，扫描次数32，分辨率4 cm -1。

选择超声波功率、微波温度、超声波微波协同作用时间、搅拌转速作为考察的4 个因素。超声波功率为120、180、240、300、360 W，微波温度为30、40、50、60、70 ℃，协同作用时间为2、4、6、8、10 min，搅拌转速为200、250、300、350、400 r/min。每个水平重复3次，取平均值。试验过程中不变水平为：复合膜液100 mL、超声波功率240 W、微波温度50 ℃、协同作用时间6 min、搅拌转速300 r/min，超声波微波协同作用后流延成膜。

根据单因素试验结果，选取超声波功率、微波温度、协同作用时间、搅拌转速进行正交试验设计。以拉伸强度为指标，确定最佳工艺参数，设计见表1。

表1 正交试验因素与水平
Table1 Factors and levels used for orthogonal array design

水平D搅拌转速/（r/min）1180404250 2240506300 3300608350因素A超声波功率/W B微波温度/℃C协同作用时间/min

2 结果与分析

图1 超声波功率对复合膜拉伸强度的影响
Fig.1 Effect of ultrasonic power on the tensile strength of composite films

如图1所示，超声波功率逐渐加大，复合膜的拉伸强度增加，可能是分子中的一些化学键在超声波的空化作用、超混合效应下断裂，同时辅以微波作用，使许多反应基团暴露，有利于分子间的相互连接作用［20］。在空穴效应的作用下，巨大的爆发力和冲击力加速了分子间的运动，分子间迅速有序排列，复合膜的拉伸强度增加。当超声功率在240 W时，拉伸强度最大，但超声波功率过大，拉伸强度有所下降。

图2 微波温度对复合膜拉伸强度的影响
Fig.2 Effect of microwave heating temperature on the tensile strength of composite films

如图2所示，微波温度逐渐升高，复合膜的拉伸强度整体呈先增大后减小趋势。可能是因为膜液在短时间内温度迅速升高，分子的运动加速，分子间作用机率增加，所形成的复合膜致密，拉伸强度增大。当微波温度升高到60 ℃时，拉伸强度达最大值19.73 MPa，与温度在50 ℃时的拉伸强度相比较，趋于平稳。当温度为70 ℃时，拉伸强度明显降低，可能是因为温度升高，接近了玉米醇溶蛋白与壳聚糖形成交联物质的热变性温度［21］，蛋白质的氢键被破坏，膜破损致使拉伸强度下降。

图3 协同作用时间对复合膜拉伸强度的影响
Fig.3 Effect of combined treatment time on the tensile strength of composite films

如图3所示，时间延长，复合膜拉伸强度逐渐增大，当时间为6 min时，拉伸强度达最大值20.67 MPa，继续延长作用时间，拉伸强度开始下降。可能是因为超声波所产生的空化作用使膜液中的部分大分子的化学键断裂，同时微波处理快速改变分子的热运动方向，使分子之间发生交联，形成致密的结构［22］，从而拉伸强度增大。继续延长作用时间，超声波和微波长时间作用使分子链发生断裂，复合膜的致密性降低，拉伸强度下降。

图4 搅拌转速对复合膜拉伸强度的影响
Fig.4 Effect of stirrer speed on the tensile strength of composite films

如图4所示，在200～300 r/min时，复合膜的拉伸强度呈上升趋势，当达到300 r/min时，拉伸强度达到最大，继续提高搅拌转速，拉伸强度开始下降。适当的搅拌使溶液中的分子均匀分散，有助于复合膜的形成。当搅拌转速高于300 r/min时，剪切力变大，复合膜内部稳定结构受到不良影响，降低膜拉伸强度。

表2 正交试验结果与直观分析
Table2 Orthogonal array design with range analysis of four independent variables

试验号A超声波功率/W拉伸强度/MPa 118040425017.28±0.24 218050630019.98±0.34 318060835016.48±0.26 4240 40635018.19±0.38 524050825016.75±0.41 624060430017.49±0.31 730040830016.32±0.33 830050435017.49±0.28 930060625017.03±0.30 k 117.9117.2617.42 17.02 k 217.4817.9218.40 17.93 k 316.9517.0016.52 17.39 R0.960.921.88 0.91 B微波温度/℃C协同作用时间/min D搅拌转速/（r/min）

从表2可得，协同作用时间影响最大，依次是超声波功率、微波温度，搅拌转速影响最小。从表2可得最优组合为A 1B 2C 2D 2，与2号样相符，膜拉伸强度为（19.98±0.34） MPa，超声波功率180 W、微波温度50 ℃、协同作用时间6 min、搅拌转速300 r/min。

采用SPSS 21.0进行无空列正交试验方差分析，结果见表3。考察超声波功率、微波温度、协同作用时间及搅拌转速4 个因素对试验结果均有显著性影响。

表3 正交试验结果方差分析
Table3 Analysis of variance of the effect of four factors on tensile strength of composite films

注：**.差异极显著（P＜0.01）；*.差异显著（P＜0.05）。

变异来源平方和自由度均方F值显著性A超声波功率4.21822.109 20.483** B微波温度5.63222.81627.351** C协同作用时间15.97027.98577.550** D搅拌转速3.77321.88718.323**误差1.853180.103总变异31.44726

表4 超声波微波作用对复合膜其他性能的影响
Table4 Effect of combined ultrasound-microwave treatments on other properties of composite films

组别拉伸强度/MPa断裂伸长率/%水蒸气透过率/（（10 -10g·mm）/（m 2·h·kPa））透光率/%溶解度/%对照组14.48±0.321.83±0.112.51±0.1572.34±0.3928.23±0.35最优组19.98±0.342.03±0.132.06±0.1380.32±0.2724.78±0.41

由表4可知，经超声波微波协同作用后，蛋白膜的拉伸强度有明显提高，对溶解度的影响不大，蛋白膜的透光率有所提高，水蒸气透过率降低。主要原因是超声波微波协同作用时，超声波使膜液中气泡减少，微波使膜液混合均匀，使制备的复合膜表面变得平滑、均匀、透明，所以透光率在一定程度上有所提高。

图5 玉米醇溶蛋白/壳聚糖复合膜扫描电子显微镜图（×4 000）
Fig.5 SEM photographs of zein/CS films （× 4 000）

a.未经处理的复合膜表面；b.经处理后的复合膜表面。

由图5a可以看出，未经处理的复合膜表面均匀性差，有较多小颗粒。由图5b可以看出，经过超声波微波协同作用后，复合膜表面变得光滑、致密，颗粒状明显减少。这是因为在微波的高温、高频作用下，壳聚糖充分溶解，在超声波的空化作用下，分子剧烈振动，与玉米醇溶蛋白接触较多，充分混合，成膜后表面颗粒有所减少。

图6 玉米醇溶蛋白/壳聚糖复合膜的红外光谱图
Fig.6 FI-TR spectra of zein/CS films

由图6b可知，超声波微波协同处理制备的复合膜，在3 301 cm -1处形成了宽峰，是由—NH、—OH伸缩振动引起，说明经超声波微波协同作用后存在氢键；在2 924 cm -1和2 869 cm -1两处有—CH 3、—CH 2、C—H的伸缩振动峰和饱和的伸缩振动峰；在1 654 cm -1处出现—C=O伸缩振动峰，是复合膜中酰胺成分形成β-转角；在1 543 cm -1处出现的吸收峰是N—H变角振动和有C—N伸缩振动（酰胺Ⅱ）；在1 281 cm -1（酰胺Ⅲ）、1 096 cm -1两处有C—O伸缩振动［23］。在939 cm -1处有特征吸收峰，为β-型糖苷键［24］。与图6a相比，复合膜的主要特征吸收峰变化较小，且峰强度有减弱趋势，但蛋白在二级结构上没有被完全破坏，仍具有蛋白质的典型特征。

3 结论

在制备玉米醇溶蛋白-壳聚糖复合膜的过程中，引入了超声波微波协同技术，改善了复合膜的机械性能，通过正交试验，得到最佳工艺参数为超声波功率180 W、微波温度50 ℃、协同作用时间6 min、搅拌转速300 r/min，此条件下复合膜拉伸强度为（19.98±0.34） MPa，机械性能最好。

复合膜微观结构观察结果表明未经超声波微波协同作用制备的复合膜表面颗粒状明显，超声波微波协同作用制备的复合膜颗粒状减少，膜表面平滑、均匀。红外光谱结果显示，膜蛋白质没有被完全破坏，仍具有蛋白质典型特征。提示超声波微波协同作用可作为一种有效手段用于制备高性能蛋白复合膜。

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Optimization of Preparation of Zein/Chitosan Composite Films by Combined Microwave and Ultrasonic Treatments

LIU Tingting, ZHANG Ying, LI Na, WANG Dawei*
（College of Food Science and Engineering, Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China）

Abstract：Combined microwave and ultrasonic treatments was used to prepare zein/chitosan composite films. The optimization of process parameters was carried out using one-factor-at-a-time and orthogonal array. The independent variables were ultrasonic power, microwave heating temperature and combined treatment,time, and stirrer speed, and the response was film tensile strength. The optimum process parameters were determined as follows： ultrasonic power, 180 W； microwave heating temperature, 50 ℃； combined treatment time, 6 min； and stirrer speed, 300 r/min. Under these conditions, the tensile strength of composite films was （19.98 ± 0.34） MPa. Scanning electron microscopy （SEM） showed that the combined microwave-ultrasonic treatments could obviously improve the microstructure of composite films apart from smooth surface with less roughness. Infrared spectral analysis indicate that the original molecular structure was not significantly damaged.

Key words：combined microwave and ultrasonic treatment； composite films； optimal conditions； morphological analysis

刘婷婷, 张颖, 李娜, 等. 超声波微波协同制备玉米醇溶蛋白/壳聚糖复合膜工艺优化［J］. 食品科学, 2016, 37（20）： 1-5.

LIU Tingting, ZHANG Ying, LI Na, et al. Optimization of preparation of zein/chitosan composite films by combined microwave and ultrasonic treatments［J］. Food Science, 2016, 37（20）： 1-5. （in Chinese with English abstract） DOI：10.7506/ spkx1002-6630-201620001. http：//www.spkx.net.cn

基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2011AA100805）；长春市科技计划项目（14NK004）

作者简介：刘婷婷（1984—），女，副教授，博士，研究方向为粮食、油脂与植物蛋白工程。E-mail：ltt1984@163.com

*通信作者：王大为（1960—），男，教授，博士，研究方向为粮食、油脂与植物蛋白工程。E-mail：xcpyfzx@163.com

超声波微波协同制备玉米醇溶蛋白/壳聚糖复合膜工艺优化

1 材料与方法

2 结果与分析

3 结 论

3 结论