高奇奇，郝艷玲，程 龍，宋小雙，王世慧

（蘭州交通大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院，蘭州 730070）

0 前言

淀粉來源廣泛、價格低廉，有良好的再生性和生物相容性，成膜性能優(yōu)異，一直被視為最有發(fā)展?jié)摿Φ拈_發(fā)生物降解薄膜的天然聚合物[1-2]。然而，作為食品包裝材料，淀粉薄膜的力學(xué)性能、耐水性和防潮能力不理想，缺乏功能性，不能滿足當(dāng)今食品包裝的需求[3]。一些納米粒子比表面積大、表面能高，填入到一些生物聚合物中能通過良好的界面作用形成生物納米復(fù)合材料，從而使生物薄膜的性能得到改善[4]。TiO2納米粒子環(huán)境友好，化學(xué)性能穩(wěn)定，具有生物相容性等多種功能[5]，可作為食品包裝材料的添加劑用來改善食品的質(zhì)地、外觀及保質(zhì)期[6]，近年來有研究者對通過將TiO2納米粒子引入纖維素、殼聚糖、果膠、淀粉等多糖基的薄膜材料基質(zhì)，以改進(jìn)生物納米復(fù)合材料性能工作進(jìn)行了探索，發(fā)現(xiàn)納米復(fù)合材料的力學(xué)性能、熱性能、阻隔性能等物理化學(xué)性能均有改善，同時增加了材料的抗菌性、抗氧化性及阻隔紫外線等多種功能[7-9]。本研究采用來源最廣泛的玉米淀粉為原料，以TiO2納米粒子為增強(qiáng)劑，制備了用于食品包裝的淀粉/TiO2生物納米復(fù)合薄膜材料，考察了TiO2的量對薄膜力學(xué)性能、阻隔性能和抗菌性能的影響，以期為開發(fā)綜合性能優(yōu)異、對食品包裝具有實(shí)用價值的生物納米復(fù)合材料提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

玉米淀粉，食品級，山東樂暢調(diào)味品有限公司；

甘油，分析純，天津市福晨化學(xué)試劑廠；

納米TiO2，銳鈦礦型，南京優(yōu)普化工有限公司；

六偏磷酸鈉，分析純，天津市巴斯夫化工有限公司；

1，1-二苯基-2-三硝基本肼（DPPH），純度96 %，四川樂美天醫(yī)藥公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

增力電動攪拌器，DJIC，江蘇金壇大地自動化儀器公司；

電子萬能試驗(yàn)機(jī)，AGS-500 N，日本島津公司；

螺旋測微儀，0-25，河北精威實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；

FTIR，NEXUSB870，美國Thermo-Fisher公司；

XRD，D8 DISCOVER，德國BRUKER公司；

SEM，ULTRA plus，德國Carl Zeiss公司；

紫外-可見分光光度計(jì)，UNICO UV-2100，上海恰森儀器有限公司。

1.3 樣品制備

將5 g玉米淀粉加入到一定量的去離子水中，攪拌加熱至90 ℃糊化30 min，得淀粉糊化液；取一定量TiO2加入20 mL濃度0.2 %的六偏磷酸鈉溶液中，常溫下超聲分散20 min，將TiO2懸浮液加入淀粉糊化液中，滴入甘油1.2 mL，90 ℃恒溫反應(yīng)30 min后，將反應(yīng)液冷卻消泡，流延于水平玻璃板上，自然風(fēng)干后揭膜，常溫下置密閉容器中避光保存；每個配方制備3個薄膜樣品。

1.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

微觀形貌分析：由SEM 觀察樣品表面形態(tài)，加速電壓為25 kV；

紅外分析：使用FTIR對樣品進(jìn)行掃描，波數(shù)范圍4 000～400 cm-1，掃描次數(shù)為32次，分辨率為4 cm-1；

X射線衍射分析：室溫下進(jìn)行測試，采用Cu 靶，電流30 mA，電壓40 kV，掃描范圍為10 °～80 °，掃描速率2°/min；

拉伸性能測試：按 GB/T 1040.3—2006[10]在室溫下測試，樣品尺寸為1 cm×10 cm，拉伸速率為50 mm/min，每個樣品重復(fù)測試3次，取平均值；

薄膜厚度測試：采用螺旋測微儀測試，每個樣品至少在5個隨機(jī)位置上測量，結(jié)果取平均值；

吸濕性能測試：約2 cm ×2 cm的樣品小片室溫下于干燥器中恒重后，置于相對濕度100 %的密閉容器中48 h稱重，由其質(zhì)量增加的百分?jǐn)?shù)表示吸濕率，每個試樣測定3次，取平均值；

水蒸氣透過性能測試：用薄膜樣品密封住裝有蒸餾水的100 mL錐形瓶的瓶口，稱重后置于裝有無水CaCl2的干燥器中，干燥器在（25±1）℃的恒溫箱中放置72 h后對錐形瓶稱重，樣品的水蒸氣透過系數(shù)[W，g/（mm·d）]由式（1）計(jì)算：

式中 Δm——錐形瓶的減重，g

δ——樣品厚度，mm

As——密封瓶口膜面積，mm2

t——放置時間，d

紫外-可見光吸收光譜測定：使用紫外-可見分光光度計(jì)測定；

抗菌性能測試：用瓊脂擴(kuò)散法[11]分析薄膜樣品對食源性病原體的抗菌能力，將活化的大腸桿菌（E.coli）和金黃色葡萄球菌（S.aureus）分別接種至無菌培養(yǎng)基中，在37 ℃、200 r/min的搖床中培養(yǎng)，置初始菌懸濁液于培養(yǎng)皿中，將薄膜樣品制成直徑1.5 cm的圓形試樣放入培養(yǎng)皿中培養(yǎng)基上層，培養(yǎng)皿在37 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中孵育24 h，觀測樣品周圍抑菌環(huán)大小，判斷薄膜的抗菌性；

抗氧化性能測定：采用DPPH自由基清除活性和鐵離子還原能力2種方法測定；DPPH自由基清除活性測定參考Bongekile等[12]的方法，取100 mg的薄膜樣品放入含有10 mL甲醇的錐形瓶中，密封瓶口在30 ℃的搖床上振蕩3 h得樣品液；取0.5 mL的樣品液與0.2 mM的DPPH乙醇溶液2 mL混合，不含樣品液的甲醇與DPPH乙醇溶液作為空白對照，在黑暗環(huán)境中孵化30 min后，測定反應(yīng)液在517 nm處的吸光度，每個試樣平行測定3次；由式（2）計(jì)算樣品的DPPH自由基清除率（D，%）：

式中A1——空白組在0 min時的吸光度

A2——反應(yīng)液在30 min后的吸光度

鐵離子還原能力（FRAP）測定：參考Jridi等[13]的方法取薄膜樣品50 mg，與0.2 M的磷酸緩沖溶液（pH=6.6）2.5 mL， 與 1 %的鐵氰化鉀溶液 1 mL 混合，在50 ℃恒溫水浴鍋中反應(yīng)30 min；冷卻后加入10 %的三氯乙酸2.5 mL，離心分離后取上清液2.5 mL于比色管中，加入 2.5 mL 蒸餾水和 0.1 %的 FeCl3溶液 0.5 mL混合均勻，穩(wěn)定15 min后在波長700 nm處測定其吸光度。根據(jù)標(biāo)定的維生素C標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算，結(jié)果表示為每克薄膜相當(dāng)于維生素C的毫克數(shù)；每個試樣測量3次，取平均值。

2 結(jié)果分析和討論

2.1 微觀形貌分析

淀粉薄膜及淀粉/TiO2納米復(fù)合膜表面的SEM照片如圖1所示，淀粉膜的表面粗糙、不均勻，有明顯的突起和凹陷，這可能與淀粉塑化不完全有關(guān)。隨著納米TiO2含量的增加，淀粉/TiO2納米復(fù)合膜表面的均勻程度有明顯提升，TiO2含量為0.8 %的復(fù)合膜表面較完整光滑，TiO2納米粒子能較好地分散在淀粉基體中，兩者之間有較好的相容性，沒有明顯的粒子團(tuán)聚和相分離現(xiàn)象。當(dāng)TiO2含量增加到1.0 %時，復(fù)合膜表面呈現(xiàn)出凹凸不平的粗糙狀態(tài)，薄膜表面的整體均勻性變差，過量的納米粒子破壞了復(fù)合膜結(jié)構(gòu)的完整性。這與Zolfi等[14]的研究結(jié)果相似。

圖1 不同TiO2含量薄膜表面的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM images of the surfaces of films with different TiO2 content

2.2 紅外分析

由圖2所示的淀粉薄膜和淀粉/TiO2納米復(fù)合膜的FTIR譜圖。對于淀粉膜，3 415 cm-1處出現(xiàn)寬而強(qiáng)的吸收帶是淀粉中羥基的伸縮振動形成的，2 928 cm-1和2 861 cm-1處的吸收峰歸因于—CH2基團(tuán)中C—H鍵伸縮振動，1 628 cm--1處的吸收峰可能是淀粉無定形區(qū)中的—OH與水或甘油分子形成的分子間氫鍵的彎曲振動引起的，1 156～800 cm-1處，是由C—C鍵、C—O鍵的伸縮振動和C—H鍵彎曲振動形成的典型的淀粉譜帶區(qū)域。淀粉/TiO2復(fù)合膜的特征峰出現(xiàn)的位置與淀粉膜幾乎相同，表明納米TiO2的加入沒有明顯改變聚合物的結(jié)構(gòu)。1 649 cm-1處的峰相比于淀粉膜移向了較高波數(shù)，這是因?yàn)榈矸蹮o定形區(qū)的羥基與納米TiO2相互作用，減少了能與水或甘油分子形成氫鍵的羥基數(shù)目，另外淀粉中的羥基與納米TiO2分子通過締合作用形成了分子內(nèi)和分子間氫鍵，導(dǎo)致其吸收帶移動至3 410 cm-1。

圖2 薄膜的FTIR譜圖Fig.2 FTIR spectra of the films

2.3 X射線衍射分析

通過XRD測試結(jié)果可分析材料的晶型結(jié)構(gòu)。如圖3所示，淀粉膜和淀粉/TiO2復(fù)合膜在2θ為17.8 °和20.5 °出現(xiàn)較集中的衍射峰，這是由淀粉薄膜中的直鏈淀粉結(jié)晶以及薄膜存儲過程中支鏈淀粉的重結(jié)晶所致。淀粉/TiO2復(fù)合膜在17.8°和20°的衍射峰明顯減弱，這表明TiO2與淀粉之間形成了分子間氫鍵，從而降低了淀粉的結(jié)晶度，這與紅外光譜分析結(jié)果一致；復(fù)合膜在48.52°出現(xiàn)較明顯的衍射峰，這是典型的銳鈦礦TiO2衍射峰。

圖3 薄膜的XRD譜圖Fig.3 XRD patterns of the films

2.4 拉伸性能

薄膜的拉伸性能如圖4所示，與淀粉膜相比，淀粉/TiO2復(fù)合膜的強(qiáng)度和韌性均有所提高，隨著TiO2含量的增加復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率逐漸增大，當(dāng)TiO2含量達(dá)到0.8 %時，復(fù)合膜拉伸強(qiáng)度達(dá)（7.54±0.14）MPa，斷裂伸長率為（71.02±1.96）%，較淀粉膜分別提高了53.9 %和171.7 %。但當(dāng)TiO2含量增加到1.0 %時，復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率明顯降低。一定量的納米TiO2能均勻地分散在淀粉薄膜基質(zhì)中，與淀粉分子之間通過形成氫鍵或共價鍵，有效地加強(qiáng)了復(fù)合膜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的界面相互作用，使復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度得到提高[15]。斷裂伸長率提高可能是由于均勻分布在復(fù)合膜中的納米粒子削弱了基體的交聯(lián)作用，像滾珠軸承一樣在聚合物分子鏈之間形成潤滑表面，使復(fù)合物中的分子鏈更易流動[16]。

圖4 薄膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率Fig.4 Tensile strength and elongation at break of the films

納米粒子通常有較大的團(tuán)聚傾向，復(fù)合膜中較多的納米TiO2粒子容易聚集，不能均勻分散在基質(zhì)中，導(dǎo)致進(jìn)入基體分子間的納米粒子數(shù)目及其與淀粉分子間形成的化學(xué)鍵數(shù)目減少，對膜的拉伸強(qiáng)度和柔韌性均會產(chǎn)生負(fù)面影響[15]。

2.5 吸濕性和水蒸氣阻隔性能

薄膜的吸濕率和水蒸氣透過系數(shù)分別如圖5和圖6所示，淀粉膜有較強(qiáng)的吸濕性，隨納米TiO2加入量的增加復(fù)合膜的吸濕率降低，當(dāng)TiO2含量超過0.8 %后吸濕率增大。淀粉分子中存在親水性羥基是其易吸濕的主要原因，復(fù)合膜中納米TiO2與淀粉的羥基間形成氫鍵作用，減少了親水的羥基基團(tuán)的數(shù)目，由此降低了復(fù)合膜的吸濕率。但過多的納米TiO2會發(fā)生團(tuán)聚，不利于它與淀粉基體間的氫鍵作用，阻礙了吸濕率的降低。

圖5 薄膜的吸濕率Fig.5 Moisture absorption of the films

圖6 薄膜的水蒸氣透過系數(shù)Fig.6 Water vapor transmission coefficient of the films

水蒸氣透過薄膜時，先在濕度較高的一面吸收水蒸氣，然后水分子在膜基體組織中擴(kuò)散傳遞到另一面揮發(fā)出去。納米TiO2和淀粉的作用一方面削弱了復(fù)合膜吸收水蒸氣的能力，另一方面加強(qiáng)了復(fù)合膜結(jié)構(gòu)的完整致密程度，同時不溶于水的TiO2阻礙了水蒸氣分子在薄膜中的擴(kuò)散，延長了水蒸氣移動的途徑[17]，這些均不利于水蒸氣透過薄膜，因此適量的納米TiO2可有效降低復(fù)合膜的水蒸氣透過系數(shù)，TiO2過量會破壞復(fù)合膜的水蒸氣阻隔性能。

2.6 紫外線隔離性能

圖7是薄膜的紫外-可見吸收光譜，在紫外和可見光區(qū)域，淀粉/TiO2復(fù)合膜的吸光度明顯高于淀粉膜，由于淀粉結(jié)構(gòu)中缺少吸收紫外和可見光的基團(tuán)，不能有效地吸收紫外光和可見光，使淀粉膜隔離紫外和可見光的能力較差。TiO2具有較強(qiáng)的紫外光屏蔽效應(yīng)，而且其納米顆粒比表面積大、折射率高[18]，大大加強(qiáng)了復(fù)合膜對紫外光和可見光的隔離性能，這可以抑制紫外線下自由基的形成，從而避免由于抗氧化劑和營養(yǎng)物質(zhì)遭到破壞、脂質(zhì)氧化等導(dǎo)致的食品變色變質(zhì)。

圖7 薄膜的紫外-可見吸收光譜Fig.7 Ultraviolet-visible absorption spectra of the films

2.7 抗菌性和抗氧化性

由圖8的抑菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果，淀粉膜對E.coli和S.aureus幾乎沒有抗菌性，淀粉/TiO2復(fù)合膜對2種菌的抗菌性能均隨納米TiO2含量的增加而加強(qiáng)，但過多的TiO2發(fā)生聚集不利于復(fù)合膜的抗菌性能，從抑菌環(huán)看，復(fù)合膜對2種細(xì)菌的抗菌性能沒有明顯的差別。TiO2具有光催化性，在紫外光照射下表面會產(chǎn)生羥基自由基和過氧離子，當(dāng)它接觸到細(xì)胞時，細(xì)胞膜受到羥基自由基和過氧離子的攻擊，膜脂質(zhì)由過氧化受到損傷，發(fā)生細(xì)胞膜滲漏，從而破壞細(xì)菌的生長[15]。

圖8 薄膜的抑菌環(huán)Fig.8 Inhibition zone of the films

薄膜抗氧化活性通過DPPH自由基清除活性和鐵離子還原能力測定結(jié)果見表1，淀粉分子結(jié)構(gòu)中缺少具有抗氧化性的活性基團(tuán)，因此淀粉膜的DPPH自由基清除能力及鐵離子還原能力很弱，由于TiO2納米粒子有弱抗氧化性[19]，淀粉/TiO2復(fù)合膜的抗氧化活性有所提高。抗氧化作用可以通過清除食品在氧化過程中產(chǎn)生的自由基來阻止食品氧化腐敗，納米TiO2的抗氧化性與其在光催化激活時產(chǎn)生的活性氧有關(guān)，活性氧會破壞系統(tǒng)氧化防御之間的平衡和氧化應(yīng)激反應(yīng)穩(wěn)定性[20]。

表1 薄膜的抗氧化性Tab.1 Antioxidant activities of the films

3 結(jié)論

（1）玉米淀粉復(fù)合納米TiO2制備的淀粉/TiO2納米復(fù)合薄膜的力學(xué)性能、防潮性能及紫外線隔離性能較淀粉膜均有提升，含0.8 % TiO2的納米復(fù)合膜拉伸強(qiáng)度為 7.54 MPa，比淀粉膜提高了 53.9 %，水蒸氣透過系數(shù)為 5.50×10-5g/（mm·d），較淀粉膜降低了23.5%；

（2）淀粉/TiO2納米復(fù)合膜的抗菌性能與TiO2的含量有關(guān)，含0.8 % TiO2的納米復(fù)合膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有明顯的抑菌效果：

（3）淀粉/TiO2納米復(fù)合膜中TiO2與淀粉分子間存在締合作用，含0.8 % TiO2的復(fù)合膜組分間有良好的相容性，膜的表面結(jié)構(gòu)較均勻完整。