玉米磷酸酯淀粉/秸秆纤维素可食膜的制备及物理性能

孙海涛 1,2,邵信儒 2,姜瑞平 2,王 爽 2,张东杰 3,马中苏 1,*

(1.吉林大学食品科学与工程学院,吉林 长春 130062;2.通化师范学院 长白山食用植物资源开发工程中心,吉林 通化 134000;3.黑龙江八一农垦大学食品学院,黑龙江 大庆 163319)

摘 要::以玉米磷酸酯淀粉(corn distarch phosphate,CDP)和玉米秸秆纤维素(corn straw cellulose,CSC)为主要基材制备可食膜。研究CDP与CSC质量比、羧甲基纤维素(carboxymethyl cellulose,CMC)质量浓度、丙三醇(glycerol,Gly)质量浓度对可食膜物理性能抗拉强度(tensile strength,TS)、断裂伸长率(elongation at break,EAB)、水蒸气透过系数(water vapour permeability,WVP)和透光率的影响。在此基础上以可食膜的物理性能综合分为响应值,采用响应面法优化制备工艺参数。结果表明:最佳工艺条件为CDP-CSC质量比8.5∶1.5、CMC质量浓度0.8 g/100 mL、Gly质量浓度1.0 g/100 mL,此条件下可食膜物理性能综合分最高为0.683,对应可食膜的TS为19.75 MPa、EAB为46.89%、WVP为1.167×10 -12g/(cm•s•Pa)、透光率为41.86%,比未添加CSC的CDP膜物理性能综合分提高27.14%。通过扫描电子显微镜、X射线衍射和傅里叶变换红外光谱分析对可食膜进行结构观察和表征,表明CDP/CSC可食膜表面较平整,结构致密,各基质相容性好。

关键词:可食膜;玉米磷酸酯淀粉;玉米秸秆纤维素;物理性能;结构表征

近年来,环境保护越来越受到人们的重视,以天然高分子材料为基材的可食膜因具有绿色环保、无毒害、可降解、良好的包装性能和一定的营养价值引起了人们的广泛关注 [1]

玉米磷酸酯淀粉(corn distarch phosphate,CDP)是羟基与磷酸根基团发生酯化反应,在玉米淀粉中引入带有阴离子性质的磷酸酯基团,具有糊化温度低、热塑性好、黏度和透明度高等特点,是一种极具应用价值的淀粉衍生物 [2-3]。目前,CDP被认为是一种环境友好型、可再生型、成本低廉型的天然生物聚合物,在可食性食品包装和添加剂工业中被广泛使用 [4]。然而,利用CDP制成的可食膜稳定性较差、亲水性高、阻湿性低、机械性能不如合成聚合物,故许多学者通过添加增强剂和交联剂以改善膜的性能 [5-7]

植物纤维是自然界中蕴藏量最丰富、分布最广泛的天然可降解资源,可以从木材、棉花、秸秆等材料中获得 [8-9],其具有较高的比强度、比模量,较大的比表面积和较低的密度,适合作为聚合物基复合膜的增强材料,近年受到科研人员的广泛关注 [10-12]。Oliveira等 [13]研究了纤维素作为增强剂对蛋白质基膜性质的影响,结果表明,一定质量分数的纤维素可增加膜的穿刺力、拉伸强度和弹性模量,但断裂伸长率(elongation at break,EAB)降低;还通过扫描电子显微镜(scanning electron microscopy,SEM)观察证明了纤维素可良好地分散在膜基质中,解释了纤维素对上述机械性能的影响;此外,纤维素的存在增加了膜的表面粗糙度和不透明度,并使膜的表面光泽度降低。Shankar等 [14]利用流延法制备琼脂/纳米纤维素(nanocellulose,NC)复合膜,并对膜的性能进行评价,证明了NC可使聚合物基质间的相互作用增强,进而增加膜的机械性能和水蒸气阻隔性能。Miri等 [15]将纳晶纤维素(cellulose nanocrystals,CNC)添加到羧甲基纤维素(carboxymethyl cellulose,CMC)/淀粉(starch,ST)复合膜中,评价了膜的透光性、拉伸性能和水蒸气透过性。他们认为,由于CNC均匀分散于CMC/ST复合膜中,使其呈现良好的透光性;此外,加入质量分数5.0%的CNC,可使CMC/ST复合膜的弹性模量和拉伸强度分别增加94.77%和65.86%,膜的水蒸气透过性也显著降低。Halal等 [16]研究证明了将大麦壳纤维添加到淀粉膜中,可有效提高膜的抗拉强度(tensile strength,TS),降低膜水蒸气透过系数(water vapour permeability,WVP)。但将玉米秸秆纤维素(corn straw cellulose,CSC)应用到可食膜的研究鲜见报道。玉米秸秆作为玉米产业的副产物,总纤维含量高达60%,以其作为纤维素的来源,既有利于解决秸秆废弃焚烧带来的环境污染问题,也有利于提高玉米秸秆的综合利用价值。

本研究利用CDP和CSC为主要基材制备可食膜,优化制备条件,改善膜的性能。同时利用SEM、X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)和傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FT-IR)分析对可食膜进行微观结构观察和表征,以期为丰富可食膜品种和促进新型食品包装膜的工业化生产提供有益的参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

CDP(食品级) 长春大华淀粉有限公司;CSC(20~300 μm) 实验室自制;柠檬酸(C 6H 8O 7·H 2O,纯度≥99.5%)、CMC(800~1 200 mPa·s)(均为分析纯) 国药集团化学试剂有限公司;丙三醇(glycerol,Gly,C 3H 8O 3,纯度≥99%,分析纯)天津永大化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

CT3型质构仪 美国BrookField公司;IS50型FT-IR仪美国Nicolet公司;UV-2600型紫外-可见光分光光度计日本Shimadzu公司;DX-2700型XRD仪 丹东浩元仪器有限公司;S-3000N型SEM 日本Hitachi公司;LWF-6Bl超微粉碎机 龙微制药设备有限公司;LGJ-50FD型真空冷冻干燥机 河南兄弟设备有限公司;AL104型电子天平 Mettler-Toledo(上海)有限公司;螺旋测微尺深圳市新德亚精密仪器有限公司;FJ200-S型数显高速分散均质机 上海标本模型厂制造;722S可见分光光度计上海棱光技术有限公司;81-2型恒温磁力搅拌器上海闵行虹浦仪器厂;DZX-9140MBE型电热恒温鼓风干燥箱 上海博讯实业有限公司;SPX-250型恒温恒湿培养箱 常州诺基仪器有限公司;有机玻璃成膜器(200 mm×200 mm) 实验室自制。

1.3 方法

1.3.1 CSC和CDP/CSC可食膜的制备工艺

1.3.1.1 CSC的制备工艺

将玉米秸秆清洗,烘干,经超微粉碎后过筛(300 目),备用。将玉米秸秆粉末分散于90 ℃蒸馏水中,处理1 h,过滤。滤渣按料液比1∶15(g/mL)加入质量分数为5%的NaClO溶液,并用质量分数10%的冰醋酸溶液调节pH值为3.0~4.0,置于80 ℃的水浴中浸提3 h,用蒸馏水洗涤至中性,过滤。滤渣按料液比1∶15加入质量分数为6%的NaOH溶液,70 ℃浸提5 h,蒸馏水洗涤至中性,同时用体积分数为75%的乙醇溶液脱水,过滤,滤渣经真空冷冻干燥得到CSC粉末(20~300 μm) [17]

1.3.1.2 CDP/CSC可食膜的制备工艺

取一定量CDP按料液比1∶15(g/mL)溶解于蒸馏水中,68~70 ℃糊化25 min,备用;称取适量CSC分散于质量分数3%的柠檬酸溶液中,15 000 r/min均质30 min,使其充分分散,备用;取一定量CMC并将其缓慢加入到20 mL蒸馏水中,磁力搅拌10 min使其充分溶解;将上述配制好的溶液按比例混合并加入一定量甘油;然后在15 000~20 000 r/min均质10 min,每均质2 min停1 min,膜液充分混匀,然后将混合膜液进行真空脱气(-0.09 MPa,20 min) [5]。取100 mL混合膜液流延于自制的有机玻璃成膜器中,经60 ℃、5 h干燥处理后揭膜,置于温度(25±1) ℃、相对湿度60%的恒温、恒湿培养箱中24 h以上,测试膜的各项指标 [6]

1.3.2 CDP/CSC可食膜性能测定

1.3.2.1 厚度测定

在膜中间及四角各取一点,用螺旋测微器分别测量膜不同点厚度,取平均值,单位为mm,其结果用于计算膜的物理性能。

1.3.2.2 机械性能测定

膜的机械性能包括抗EAB。按照GB/T 1040.3—2006《塑料拉伸性能的测定第3部分:薄膜和薄片的试验条件》进行测定,每个样品重复测量3 次取平均值。TS按公式(1)计算,EAB按公式(2)计算 [7-21]

式(1)、(2)中:F为膜发生断裂时所承受的最大张力/N;B为膜的宽度/mm;H为膜的厚度/mm;D为膜断裂时的总长度/mm;L为膜的初始长度/mm。

1.3.2.3 WVP测定

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》进行测试。在25 ℃、相对湿度95%条件下,使膜两侧保持一定的水蒸气压差,测量可食膜在一定时间内的水蒸气透过量,根据公式(3)、(4)计算WVP,重复3 次取平均值 [1]

式中:WVTR为水蒸气透过量;Δm为测试前后透湿杯的质量变化/g;A为测试杯口的面积/cm 2;t为称质量间隔时间/s;H为膜样品的厚度/cm;P 1-P 2为测试杯内外的水蒸气压差/Pa。

1.3.2.4 透光率测定

将可食膜裁成长方形(40 mm×10 mm),紧贴于比色皿的一侧,用空白比色皿做对照,在波长550 nm处测量透光率,重复3 次取平均值。

1.3.2.5 物理性能综合分的计算

采用隶属度综合评分法对膜的物理性能进行评价,根据可食膜各个指标的重要程度,将多指标简化成单指标综合分,优化CDP/CSC可食膜的最佳制备条件,各个指标重要程度的权重采用主成分分析法确定。TS、EAB和透光率3 个指标越大越好,其隶属度根据公式(5)计算,WVP越小越好,其隶属度根据公式(6)计算。

式中:P为指标隶属度;A i为指标值;A min为相同指标最小值;A max为相同指标最大值。

可食膜物理性能综合分(S)按公式(7)计算 [21]

式中:S为可食膜物理性能综合分;a 1、a 2、a 3、a 4分别为TS、EAB、WVP和透光率4 个指标的权重;P 1、P 2、P 3和P 4分别为TS、EAB、WVP和透光率4 个指标的隶属度。

1.3.3 单因素试验设计

按1.3.1节所述方法制备CDP/CSC可食膜,以膜物理性能为指标进行单因素试验,试验设计见表1。固定水平为CDP-CSC质量比8∶2、CMC质量浓度0.6 g/100 mL、Gly质量浓度0.9 g/100 mL,所有试验重复3 次取平均值。

表1 单因素试验因素与水平
Table 1 Factors and levels used in one-factor-at-a-time experiments

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1.3.4 响应面试验设计

综合单因素试验结果,选取CDP-CSC质量比(X 1)、CMC质量浓度(X 2)和Gly质量浓度(X 3)作为试验因素,以TS(Y 1)、EAB(Y 2)、WVP(Y 3)和透光率(Y 4)的物理性能综合分(Y)为响应值,设计三因素三水平的响应面试验,因素与水平见表1。

表2 响应面试验分析因素与水平
Table 2 Factors and levels used in the response surface design

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1.3.5 微观结构观察及结构表征

1.3.5.1 微观结构观察

将CDP/CSC膜裁成5 mm×5 mm和5 mm×1 mm的方形,固定后喷金,采用SEM观察膜表面及横截面形态,加速电压为20 kV。

1.3.5.2 XRD分析

将CDP/CSC膜裁成正方形(20 mm×20 mm),置于X射线衍射仪测试仓内,X光管Cu靶,Kα射线,测量方式:步进测量;管电流40 mA,管压40 kV,扫描范围5~50°,步进角度0.020°,采样时间0.1 s。

1.3.5.3 FT-IR分析

采用衰减全反射光谱测试方法,将CDP/CSC膜置于测试探头下方,FT-IR的扫描范围为4 000~550 cm -1,扫描次数16 次,分辨率4 cm -1,进行FT-IR分析。

1.4 数据统计与分析

计算平均值和标准偏差,结果以 ±s形式表示,采用SPSS 19.0软件处理数据,显著性水平P<0.05。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 CDP与CSC比例对可食膜物理性能的影响

由图1可知,随着CSC质量的增加,TS先增大而后减小,当CDP-CSC质量比7∶3时达到最大值16.68 MPa,而EAB随着CSC质量的增加逐渐降低。这是由于CSC小分子使CDP和填料之间形成了较强的分子间氢键,膜结构更加致密,故TS增加,柔韧性降低;当继续增加CSC的质量比例时,大量的CSC在膜基质中产生团聚现象,导致膜结构松散,甚至出现龟裂,TS和EAB均显著降低。随着CSC质量在成膜基质中比例的增加,WVP先减小而后增加,当CDP-CSC质量比7∶3时达到最小值1.14×10 -12g/(cm•s•Pa),这是因为适量CSC的存在,增强了基质间相互作用,填塞了空隙,形成相对稳定有序的结构。此外,CSC在膜共混物基质中充分分散,形成了水蒸气透过的曲折路径,增加了有效扩散路径长度,WVP降低 [22]。与此同时,透光率随着CSC质量的增加逐渐降低,这主要是因为CSC微粒阻止了光的透过 [23]。综上,选择CDP-CSC质量比8∶2作为响应面试验的中心水平。

图1 CDP-CSC质量比对可食膜物理性能的影响
Fig. 1 Effects of CDP to CSC ratio on physical properties of edible films

2.1.2 CMC质量浓度对可食膜物理性能的影响

图2 CMC质量浓度对可食膜物理性能的影响
Fig. 2 Effects of CMC concentration on physical properties of edible films

由图2可知,随着CMC质量浓度的增加,膜的TS逐渐增大而EAB逐渐降低。这是由于CMC具有良好的黏结、增稠、赋形等作用,使膜基质中大分子的聚合度增加,压缩了膜结构中分子的自由空间,使分子间相互作用增强,膜结晶度增加,故膜的TS增大;同时由于CMC吸水膨胀,使其分子内部的羟基与其他填料结合形成链间氢键,增强了膜基质间的交联作用,膜的塑性降低,EAB减小 [14]。膜的WVP随着CMC质量浓度的增加而逐渐降低,这是由于CMC渗入到膜空隙中,使膜的结构更加致密,降低了水分子在膜中的传递速率,阻碍了水蒸气透过。同理,膜透光率在CMC质量浓度0.4 g/100 mL时达到最大值43.26%,当继续增大CMC的质量浓度时,透光率降低。综上,选择CMC质量浓度0.8 g/100 mL作为响应面试验的中心水平。

2.1.3 Gly质量浓度对可食膜物理性能的影响

图3 Gly质量浓度对可食膜物理性能的影响
Fig. 3 Effects of Gly concentration on physical properties of edible films

由图3a可知,膜的TS随着Gly质量浓度的增加而降低,这是由于Gly小分子可较容易地插入到CDP和CSC分子链间,破坏了膜的致密结构,大大削弱了CDP和CSC分子间或分子内的相互作用,TS降低 [24]。与此相反,随着Gly质量浓度的增加,膜的EAB提高,这是因为Gly使CSC形成的膜刚性结构得到软化,链的流动性增大,膜的结构得到有效的松弛和延展,膜的柔韧性提高,透光率增大。同时由图3b可知,膜的WVP先降低后升高,在Gly质量浓度为0.9 g/100 mL时达到最小值1.22×10 -12g/(cm•s•Pa),合适的Gly质量浓度使膜分子结构中形成大量氢键,使成膜基质间结合紧密,阻碍了水蒸气透过;当Gly质量浓度继续增大时,膜的WVP急剧升高,这是由于过量的Gly存在使膜基质分子间氢键合力与分子内的氢键合力发生变化,膜分子结构中空隙增多,膜结构疏松,膜的亲水性增加 [17]。综上,选择Gly质量浓度0.9 g/100 mL作为响应面试验的中心水平。

2.2 CDP/CSC可食膜物理性能的综合评价

2.2.1 主成分分析

以膜的各物理性能指标(TS、EAB、WVP、透光率)作为分析对象,运用SPSS 19.0软件对从单因素试验中随机抽取的9 组数据(表3)进行主成分分析,相关成分的特征值及贡献率见表4。分析可知,第1主成分(Z 1)和第2主成分(Z 2)的特征值均大于1,分别为2.060和1.269,第1主成分(Z 1)的方差贡献率为51.505%;第2主成分(Z 2)的方差贡献率为31.726%,二者累计方差贡献率达到83.231%,根据主成分分析法的一般原理及累计贡献率大于80%的原则,说明前2 个主成分包含了样品中的绝大多数信息,能够反映CDP/CSC可食膜的物理性能指标的整体信息,可以代替原来的4 个指标(TS、EAB、WVP、透光率)。

表3 主成分分析实验数据
Table 3 Experimental data of physical properties for principal component analysis

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表4 相关成分的特征值及贡献率
Table 4 Eigenvalues and cumulative variance contribution rates of the related components

注:仅提取特征值超过1的主成分因子。

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因子载荷量能反映各指标对主成分贡献率的大小,2 个主成分因子载荷如表5所示。决定第1主成分大小主要是EAB和透光率,其中透光率在Z 1上的载荷最大;决定第2主成分大小的主要是TS和EAB,其中TS在Z 2上的载荷最大。同时根据主成分的因子载荷,可以构建主成分与CDP/CSC可食膜物理性能各指标之间的线性关系式:Z 1=-0.406X 1+0.898X 2+0.412X 3+0.958X 4;Z 2=0.748X 1+0.413X 2-0.697X 3+0.230X 4

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

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2.2.2 CDP/CSC可食膜的物理性能综合分

结合各主成分的特征值、方差贡献率以及因子载荷矩阵系数,求得评价CDP/CSC可食膜物理性能的4 个指标(TS、EAB、WVP、透光率)经归一化后的权重分别为0.068、0.457、0.051、0.425。结合公式(5)~(7)得到膜性能评价综合分的数学模型为:Y=0.068P 1+0.457P 2+0.051P 3+0.425P 4

2.3 响应面试验结果

2.3.1 响应面试验设计及结果

在单因素试验基础上,以CDP-CSC质量比(X 1)、CMC质量浓度(X 2)和Gly质量浓度(X 3)作为试验因素,综合分(Y)为响应值,进行三因素三水平响应面试验,结果见表6。利用Design-Expert 8.0.6软件将表6数据进行二次多元回归拟合,得到回归方程如下:

Y=0.68+0.06X 1+0.063X 2-0.021X 3+7.173× 10 -3X 1X 2-9.462×10 -3X 1X 3+0.013X 2X 3-0.043X 12-0.054X 2

2-0.038X 3 2

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

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方差分析结果见表7,可知回归方程模型的P<0.000 1,表明模型差异极显著;失拟项不显著(P=0.664 8>0.05);模型的决定系数R 2=0.995 3,表明模型的预测值与实际值拟合度高,说明试验所构建的二次回归方程模型能够在一定范围内分析和预测响应值综合分Y。模型一次项、二次项影响均达到极显著水平(P<0.01),交互项X 1X 3、X 2X 3影响达到显著水平(P<0.05),X 1X 2影响不显著;同时分析可知各因素对CDP/CSC可食膜性能评价综合分(Y)影响的主次顺序为CMC质量浓度、CDP-CSC质量比、Gly质量浓度,即X 2>X 1>X 3

表7 回归模型方差分析
Table 7 Analysis of variance for each term of the fitted regression mooddeell

注:**.P<0.01,影响极显著;*.P<0.05,影响显著。

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2.3.2 CDP/CSC可食膜的制备工艺优化与验证

结合回归模型的数学分析并由Design-Expert 8.0.6 Trial分析出CDP/CSC可食膜的最佳制备工艺参数为:CDP-CSC质量比8.4∶1.6、CMC质量浓度0.81 g/100 mL、Gly质量浓度1.02 g/100 mL,预测得到CDP/CSC可食膜物理性能综合分为0.691,对应可食膜TS、EAB、WVP和透光率分别为19.96 MPa、46.87%、1.173×10 -12g/(cm•s•Pa)和42.45%。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CDP-CSC质量比8.5∶1.5,CMC质量浓度0.8 g/100 mL、Gly质量浓度1.0 g/100 mL,在此条件下进行3 次平行实验,得到CDP/CSC可食膜物理性能综合分为0.683,达到预测值的98.84%,验证实验结果与拟合值无显著性差异,对应可食膜TS、EAB、WVP和透光率分别为19.75 MPa、46.89%、1.167×10 -12g/(cm•s•Pa)和41.86%。

2.3.3 对比结果

CDP/CSC可食膜与未添加CSC的CDP可食膜相比,TS提高45.53%,WVP降低了19.68%,EAB和透光率分别下降10.79%和5.37%,膜物理性能综合分提高27.14%。

2.4 SEM分析

图4为最优条件下制得的CDP/CSC和CDP可食膜表面(a 1、b 1)和截面(a 2、b 2)的SEM图,可清晰地观察到可食膜体系内各相的分散状态及相界面之间的结合情况。通过观察可知,CDP/CSC膜表面比较平整,大部分区域成膜均匀,有小部分区域有团聚物,为CSC团聚所造成;CDP膜表面更加平整光滑,无明显的颗粒和孔洞;两张图中膜表面的白色亮点与样品表面杂质有关。CDP/CSC和CDP膜截面均较致密,无明显的分层和相分离现象,说明CDP和CSC有较好的相容性,从而提高了膜的综合物理性能 [25]

图4 CDP/CSC和CDP可食膜的SEEMM图
Fig. 4 SEM images of CDP/CSC and CDP edible films

2.5 XRD分析

图5 CSC粉末(a)和CDP/CSC、CDP可食膜(b)的XRRDD图
Fig. 5 XRD spectra of CSC powder, CDP/CSC and CDP edible films

由图5a可知,CSC粉末在2θ为22.5°出现明显的衍射峰,在2θ为14.8°、16.5°、34.7°附近出现相对较弱的衍射峰,属于纤维素Ⅰ型的特征峰,表明CSC粉末具有较强的结晶度,这与天然纤维素的特征峰基本一致 [26]。由图5b可知,CDP膜在2θ为17.1°、19.5°出现弱的衍射峰,可食膜基本处于无定型状态;CDP/CSC膜在2θ为22.7°出现新的较强的衍射峰,且结晶强度明显高于CDP膜,说明其具有一定的晶体结构。若CDP与CSC分子间的相互作用很弱或者没有相互作用,则共混膜会出现各自的结晶区,XRD图谱则会表现为CDP与CSC的XRD图按比例的简单叠加。因此,通过图谱的对比分析表明CDP/CSC可食膜各组分分子间存在较强的相互作用,扰乱了CDP与CSC各自的结晶情况,进而提高膜的性能 [27]

2.6 FT-IR分析

图6 CDP/CSC(a)和CDP(b)可食膜的FT-IIRR图
Fig. 6 FT-IR spectra of CDP/CSC and CDP edible films

图6a和6b分别为CDP/CSC和CDP膜在波数550~4 000 cm -1的红外光谱图。在3 286 cm -1和3 278 cm -1处出现的吸收峰为O-H和N-H键伸缩振动产生;2 923 cm -1和2 927 cm -1处出现的吸收峰为饱和C-H伸缩振动产生;由图6a可以观察到,在1 714 cm -1处出现一新的C=O伸缩振动吸收峰,为CSC的特征峰;在1 589 cm -1和1 334 cm -1附近产生的吸收峰为C-N伸缩振动和N-H弯曲振动产生。1 154 cm -1处的吸收峰为C-C骨架的伸缩振动产生,1 073 cm -1和994 cm -1为C-O的伸缩振动峰。通过对比可知,CDP/CSC膜的多数吸收峰整体蓝移,说明CSC的加入使得CDP/CSC膜各成分基质间的作用力加强,提高了膜的TS和WVP,透光率降低。同时,通过对比发现插入CSC并没有破坏CDP膜的基本二级结构。

3 结 论

CDP与CSC比例、CMC质量浓度和Gly质量浓度对可食膜物理性能(TS、EAB、WVP、透光率)具有不同程度的影响,增加CSC比例和CMC质量浓度可显著提高膜的TS,降低膜的WVP,增加Gly的质量浓度可提高膜的EAB。采用主成分分析法确定了2 个主成分的累计方差贡献率达到83.231%,可以反映CDP/CSC可食膜的物理性能指标的整体信息,并代替原来的4 个指标(TS、EAB、WVP、透光率);同时确定了评价CDP/CSC可食膜物理性能的4 个指标(TS、EAB、WVP、透光率)经归一化后的权重分别为0.068、0.457、0.051、0.425。通过响应面试验分析优化了CDP/CSC共混强化可食膜制备的最佳工艺参数为CDP-CSC质量比8.5∶1.5、CMC质量浓度0.8 g/100 mL、Gly质量浓度1.0 g/100 mL时,可食膜综合物理性能最佳,综合分为0.683,对应可食膜的TS、EAB、WVP和透光率分别为19.75 MPa、46.89%、1.167×10 -12g/(cm•s•Pa)和41.86%,比未添加CSC的CDP膜的物理性能综合分提高27.14%。同时分析了各因素对CDP/CSC可食膜物理性能综合分(Y)影响的主次顺序为CMC质量浓度、CDP-CSC质量比、Gly质量浓度。SEM分析表明CDP/CSC膜表面较平整,截面较致密,无明显的分层和相分离现象,各基质相容性好。利用FT-IR和XRD对可食膜的进行结构表征,证明了CSC的加入使得CDP/CSC膜各成分基质间的作用力加强,结晶度提高。

参考文献:

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Preparation and Physical Properties of Corn Distarch Phosphate/Corn Straw Cellulose Edible Film

SUN Haitao 1,2, SHAO Xinru 2, JIANG Ruiping 2, WANG Shuang 2, ZHANG Dongjie 3, MA Zhongsu 1,*
(1. College of Food Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130062, China; 2. Changbai Mountain Edible Plant Resources Development Engineering Center, Tonghua Normal University, Tonghua 134000, China; 3. College of Food Science, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China)

Abstract:Edible composite films were prepared using corn starch phosphate (CDP) and corn straw cellulose (CSC) as the main ingredients. The effects of CDP to CSC ratio, carboxymethyl cellulose (CMC) concentration, and glycerol (Gly) concentration on the physical properties such as tensile strength (TS), elongation at break (EAB), water vapor permeability (WVP) and transmittance (T) of the edible films were studied. Further, using the comprehensive score for the physical properties as response value, the optimum process conditions were obtained by response surface analysis as follows: CDP and CSC ratio, 8.5:1.5; CMC concentration, 0.8 g/100 mL; and Gly concentration, 1.0 g/100 mL. Under these conditions, the physical properties of edible fi lms were the best overall with a score as high as 0.683, which was increased by 27.14% compared with that of the edible films with no added CSC, and the TS, EAB, WVP and T were 19.75 MPa, 46.89%, 1.167×10 -12g/(cm·s·Pa) and 41.86%, respectively. As observed and characterized by scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) and Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), the surface of the CDP/CSC edible fi lms was smooth, showing a dense structure and good compatibility of the ingredients.

Key words:edible films; corn distarch phosphate (CDP); corn straw cellulose (CSC); physical properties; structure characterization

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201624004

中图分类号:TS206.1

文献标志码:A

文章编号:1002-6630(2016)24-0021-08

收稿日期:2016-06-08

基金项目:“十二五”国家科技支撑计划项目(2015BAD16B05);吉林省教育厅“十三五”科学技术研究规划项目

作者简介:孙海涛(1981—),男,讲师,博士研究生,研究方向为食品保藏与物流。E-mail:sunhaitaoth@126.com

*通信作者:马中苏(1952—),男,教授,博士,研究方向为食品保藏与物流。E-mail:zsma@jlu.edu.cn

引文格式:

孙海涛, 邵信儒, 姜瑞平, 等. 玉米磷酸酯淀粉/秸秆纤维素可食膜的制备及物理性能[J]. 食品科学, 2016, 37(24): 21-28.

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201624004. http://www.spkx.net.cn

SUN Haitao, SHAO Xinru, JIANG Ruiping, et al. Preparation and physical properties of corn distarch phosphate/corn straw cellulose edible film[J]. Food Science, 2016, 37(24): 21-28. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201624004. http://www.spkx.net.cn