徐 梅， 徐本賢， 朱于鵬， 李冬生， 汪 超

(1．湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院，湖北武漢 430068;2．襄州區(qū)紅星小學(xué)，湖北襄陽(yáng) 441104)

紅外輻照對(duì)魔芋葡甘聚糖膜力學(xué)性能的影響

徐 梅1， 徐本賢2， 朱于鵬1， 李冬生1， 汪 超1

(1．湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院，湖北武漢 430068;2．襄州區(qū)紅星小學(xué)，湖北襄陽(yáng) 441104)

以魔芋葡甘聚糖(KGM)粉末為研究對(duì)象，分別以分子量、水分含量的內(nèi)在性質(zhì)和紅外輻照溫度、時(shí)間、強(qiáng)度外部條件為參考因子，考察其與KGM溶膠成膜后力學(xué)性能的相關(guān)性，并通過(guò)掃描電鏡分析，觀察膜截面的微觀形貌．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:經(jīng)紅外處理，KGM膜力學(xué)性能的下降百分比與分子量呈明顯線性正相關(guān)，與水分含量呈負(fù)相關(guān);較高輻照溫度、光強(qiáng)度和較長(zhǎng)輻照時(shí)間顯著破壞膜的力學(xué)性能;膜截面的有序完整片層破壞成碎裂小塊和多孔結(jié)構(gòu)．合理選擇高品質(zhì)KGM，控制紅外輻照條件，可改善KGM膜的力學(xué)性能．

魔芋葡甘聚糖;膜;紅外輻照;力學(xué)性能;掃描電鏡分析

魔芋屬天南星科多年生草本植物，其有效成分是魔芋葡甘聚糖(KGM)［1］．KGM 是一種天然高分子化合物，是由D-吡喃葡萄糖和D-吡喃甘露糖以1∶1.6至1∶1.8 通過(guò) β-(1→4)糖苷鍵連接構(gòu)成的多糖［2－3］，主鏈上約 32 個(gè)糖殘基在 D-甘露糖 C3位上連接有3個(gè)β-(1→3)糖苷鍵的三糖支鏈，每19個(gè)糖殘基含有1個(gè)乙?；鶊F(tuán)［4］，具有一定剛性的半柔順性分子［5］及良好的束水、可降解和成膜性［6］等多種性能．KGM膜作為一種可食性和自然降解的膜材料的研究雖見(jiàn)報(bào)道［7－11］，但其缺點(diǎn)是強(qiáng)度低．因此對(duì)如何提高KGM膜的力學(xué)性能是我們力求解決的問(wèn)題．因紅外干燥已成為魔芋粉的加工方式，本研究通過(guò)紅外輻照處理KGM進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，探討其對(duì)KGM膜力學(xué)性能的影響．

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

魔芋粉，特級(jí)粉，購(gòu)于上海北連食品有限公司;其余試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純．

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

WS70－1型遠(yuǎn)紅外干燥器，上海索普儀器有限公司;JJ－2型增力電動(dòng)攪拌器，江蘇省金壇市醫(yī)療儀器廠;HH－4型恒溫水浴鍋，江蘇省金壇市杰瑞爾電器有限公司;CH－1－S型測(cè)厚儀，上海六菱儀器廠;GZX－9140MBE型數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱，上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;TMS－Pro型食品物性分析儀，美國(guó) Food Technology Comporation(FTC)公司;FEI Quanta 200型掃描電鏡，荷蘭FEI公司;Optilab rEX型示差折光檢測(cè)器，美國(guó)懷雅特技術(shù)公司;DAWN/HELEOS型靜態(tài)激光光散射儀，美國(guó)懷雅特技術(shù)公司．

1.3 分子量測(cè)定

參照劉廷國(guó)等［12］的方法制備KGM，參照彭述輝［13］的方法制備不同分子量KGM．將KGM粉末溶于0.2 mol/L磷酸緩沖液中配制1.0×10－3g/mL溶膠，用0.45 μm微孔濾膜過(guò)濾．采用靜態(tài)激光光散射儀分析:Shodex－G805凝膠柱，示差折光檢測(cè)器，波長(zhǎng)658 nm，溫度30℃，流動(dòng)相0.2 mol/L磷酸緩沖鹽溶液，流速1.0 mL/min，進(jìn)樣量20 μL，采用As-tra軟件分析數(shù)據(jù)．

1.4 KGM膜制備及厚度分析

恒溫水浴30℃，將KGM粉末分散于去離子水中溶脹1.5 h，配制1.0×10－2g/mL KGM溶膠定量涂覆于固定面積(15×10 cm2)光潔平板中流延成膜，65℃干燥24 h，即得KGM膜．將KGM膜裁成7 cm×1 cm的長(zhǎng)條，采用測(cè)厚儀測(cè)出5組數(shù)據(jù)，其膜的厚度取平均值即為d．

1.5 力學(xué)性能

按照 IS06239—1986(E)［14］標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率．拉伸強(qiáng)度計(jì)算公式為

斷裂伸長(zhǎng)率的計(jì)算公式為

式(1)、(2)中:σ 為拉伸強(qiáng)度，MPa;

P為最大載荷，N;

b為試樣寬度，10 mm;

d為試樣厚度，mm;

ε為斷裂伸長(zhǎng)率，%;

G為夾距，mm;

ΔG為拉伸的長(zhǎng)度，mm．

拉伸強(qiáng)度下降百分比:

斷裂伸長(zhǎng)率下降百分比:

1.6 紅外輻照實(shí)驗(yàn)

利用遠(yuǎn)紅外干燥器對(duì)KGM粉末進(jìn)行照射處理，分別分析KGM的內(nèi)在性質(zhì)(KGM含水量、不同分子量的KGM)和外部條件(KGM溫度、光強(qiáng)度和時(shí)間)對(duì)KGM溶膠成膜后的力學(xué)性能變化的影響．經(jīng)紅外輻照處理后的膜表示為I-KGM．

1.7 掃描電鏡分析

將KGM膜固定于銅臺(tái)，噴金后放入電鏡室內(nèi)觀察其截面微觀形態(tài)，加速電壓20 kV．

2 結(jié)果與分析

2.1 KGM分子量測(cè)定結(jié)果

分子量是KGM高分子成膜性能的重要指標(biāo)之一［15］，決定了原料的品質(zhì)．采用靜態(tài)激光光散射儀分析測(cè)得的KGM分子量分布如圖1．圖1顯示KGM相對(duì)分子質(zhì)量分布近似正態(tài)分布，重均分子量Mw=1.34×106，多分散系數(shù)Mw/Mn=1.03．可見(jiàn)KGM分子大小分布相對(duì)集中，為相對(duì)均一多糖．

圖1 KGM的凝膠滲透色譜－光散射淋洗圖Fig．1 GPC－LS spectrum of KGM

2.2 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 分子量對(duì)KGM膜拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的影響

固定電壓220 V、輻照溫度73℃和照射時(shí)間24 h，分別處理不同分子量 3.32 ×105，6.45 ×105，9.76×105，1.34×106Da的 KGM(w(含水量)9.3%)粉末，測(cè)試膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率，結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3．

圖2 相對(duì)分子量對(duì)KGM膜拉伸強(qiáng)度的影響Fig．2 Influence of molecular weight on tensile strength of KGM

圖2、圖3表明紅外輻照后的KGM膜的力學(xué)性能有顯著變化．即KGM膜的Dr%與Fr%隨分子量的增加而增加，且分子量分別與Dr%、Fr%呈明顯線性正相關(guān)，表明分子量高的KGM粉末能制備出力學(xué)性能較好的KGM膜．

2.2.2 含水量對(duì)KGM膜拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率的影響

利用康氏皿將KGM粉末與不同的飽和鹽溶液恒溫(30℃)作用獲取不同含水量的KGM粉末．參照國(guó)標(biāo) GB5009.3—85測(cè)定含水量．固定電壓220 V、輻照溫度(49，73℃)和照射時(shí)間24 h，分別處理含水量9.3%，10.8%，20.7%，31.3%，42.1%及54.3%的KGM(分子量1.34×106Da)粉末，見(jiàn)圖4．

圖3 相對(duì)分子量對(duì)KGM膜斷裂伸長(zhǎng)率的影響Fig．3 Influence of molecular weight on extension rate of KGM

圖4 含水量對(duì)KGM膜拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的影響Fig．4 Influence of water content on extension rate and tensile strength of KGM

由圖4可見(jiàn)，49℃/73℃時(shí)，水分含量增大時(shí)，KGM膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率逐漸降低，且水分含量與其力學(xué)性能呈負(fù)相關(guān)．KGM含水量過(guò)高時(shí)，導(dǎo)致膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率下降．

2.2.3 輻照溫度對(duì)膜拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的影響

取KGM(分子量1.34×106Da、含水量 w為9.3%)粉末持續(xù)照射24 h，固定電壓220 V，分別選取溫度 49，55，61，67，73 ℃進(jìn)行處理，結(jié)果見(jiàn)圖5．

由圖5可知，隨著溫度的升高，拉伸強(qiáng)度逐漸下降，斷裂伸長(zhǎng)率緩慢上升．原因可能是溫度升高導(dǎo)致分子的運(yùn)動(dòng)加劇，逐漸掙脫KGM分子之間的氫鍵束縛，致使KGM膜力學(xué)性能下降．

圖5 溫度對(duì)KGM膜拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的影響Fig．5 Effect of temperature on extension rate and tensile strength of KGM

2.2.4 時(shí)間對(duì)KGM膜拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率的影響

固定電壓220 V和輻照溫度(49，73℃)，取KGM(分子量1.34×106Da、含水量w為9.3%)粉末分別照射 12，24，36，48，60，72 h，如圖 6．

圖6 時(shí)間對(duì)KGM膜拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的影響Fig．6 Effect of time on the extension rate and tensile strength of KGM

圖6顯示，輻照溫度49℃/73℃時(shí)，隨著時(shí)間的增加，KGM膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率都呈下降趨勢(shì)．這可能是由于較長(zhǎng)時(shí)間對(duì)KGM進(jìn)行紅外照射會(huì)導(dǎo)致膜性能下降．

2.2.5 光強(qiáng)度對(duì)KGM膜拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率的影響

將KGM(分子量1.34×106Da、含水量 w為9.3%)粉末平鋪于紅外光下持續(xù)照射24 h，改變KGM樣品位置來(lái)恒定設(shè)定的紅外輻照溫度(49，73 ℃)．分別選取 140，160，180，200，220 V 電壓處理KGM，結(jié)果如圖7．

圖7反映出，輻照溫度49℃，隨著強(qiáng)度的升高，膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率先升高后保持不變;73℃時(shí)，隨著強(qiáng)度的升高，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率呈先上升后下降的趨勢(shì)．這可能是因?yàn)殡S著強(qiáng)度的不斷增加，紅外燈照射所產(chǎn)生的熱量使KGM表面受到的溫度大大升高，KGM分子易氧化，導(dǎo)致膜的性能不穩(wěn)定，致使斷裂伸長(zhǎng)率下降和拉伸強(qiáng)度上升．

圖7 光強(qiáng)度對(duì)KGM膜拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的影響Fig．7 Influence of light intensity on extension rate and tensile strength of KGM

2.3 掃描電鏡結(jié)果

KGM和I-KGM的電鏡掃描分析如圖8．圖8微觀形貌顯示KGM膜截面結(jié)構(gòu)緊密，是排列有序的層狀結(jié)構(gòu)，這種自組裝成膜結(jié)構(gòu)說(shuō)明了膜的強(qiáng)力學(xué)性能，能保持相對(duì)完整形態(tài)．I-KGM膜截面松散，孔洞和斷裂較多，層狀結(jié)構(gòu)破壞較明顯，這可能是紅外光照射使KGM分子斷鏈所致．

圖8 KGM的電鏡掃描結(jié)果Fig．8 SEM diagram of KGM

3 結(jié)論

1)經(jīng)紅外處理，KGM膜力學(xué)性能的下降百分比與分子量呈明顯線性正相關(guān)，與水分含量呈負(fù)相關(guān);較高輻照溫度、光強(qiáng)度和較長(zhǎng)輻照時(shí)間顯著破壞膜的力學(xué)性能．

2)掃描電鏡分析顯示，膜截面的有序完整片層破壞成碎裂小塊和多孔結(jié)構(gòu)．

3)分子量及水分含量是KGM高分子成膜性能的重要指標(biāo)，決定了原料的品質(zhì)．合理選擇高品質(zhì)KGM，控制紅外輻照條件，可改善KGM膜的力學(xué)性能．即選擇分子量1.34×106Da、含水量9.3%的KGM，控制輻照溫度(49℃)、時(shí)間(24 h)及光強(qiáng)度(160 W)可較好地改善KGM膜的力學(xué)性能．

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(責(zé)任編輯:葉紅波)

Effect of Infrared Radiation on Mechanical Properties of Konjac Glucomannan Films

XU Mei1， XU Ben-xian2， ZHU Yu-peng1， LI Dong-sheng1， WANG Chao1
(1．College of Biological Engineering，Hubei University of Technology，Wuhan 430068，China;2．Red Star Primary School of Xiangzhou District，Xiangyang 441104，China)

Using konjac glucomannan powder as object，the correlation of molecular weight ，moisture content，irradiation temperature，time，and strength with mechanical properties of KGM films was studied．The cross-section morphology of KGM films was observed using scanning electron microscopy．The results showed that after infrared treatment，percentage decline in mechanical properties of films showed a linear positive correlation with molecular weight of KGM，and a linear negative correlation with water content．High infrared irradiation temperature，strength，and time could damage the mechanical properties of films，and the complete of lamellar fragmentation on films cross-section destructed into small pieces and porous structure．Using high quality KGM can improve the mechanical properties of KGM films under controlled infrared irradiation conditions．

konjac glucomannan;films;infrared radiation;mechanical properties;scanning electron microscopy analysis

TS201

A

1671-1513(2012)05-0062-05

2011-10-22

湖北省教育廳一般項(xiàng)目(20063036);武漢市科技局晨光計(jì)劃項(xiàng)目(20065004116-520)．

徐 梅，女，本科生，研究方向?yàn)樘烊划a(chǎn)物化學(xué);

汪 超，男，副教授，博士，主要從事天然產(chǎn)物化學(xué)方面的研究．通訊作者．