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        紅外輻照對魔芋葡甘聚糖膜吸水性能及結(jié)構(gòu)的影響

        2013-12-23 05:52:02朱于鵬龔元元李冬生曹約澤
        食品科學(xué) 2013年11期
        關(guān)鍵詞:影響質(zhì)量

        徐 梅,朱于鵬,汪 超,*,龔元元,李冬生,曹約澤

        (1.湖北工業(yè)大學(xué)食品與制藥工程學(xué)院,湖北 武漢 430068;2.湖北省食品發(fā)酵工程技術(shù)研究中心,湖北 武漢 430068)

        魔芋屬天南星科多年生草本塊莖植物,其初加工物魔芋精粉的主成分魔芋葡甘聚糖[1](konjac glucomannan,KGM)是由D-吡喃甘露糖和D-吡喃葡萄糖按物質(zhì)的量比1:1.6以β-1,4糖苷鍵連接而成的高分子雜多糖[2-3],每隔約19個糖殘基連接有一個乙?;鶊F[4-6],其優(yōu)良的束水、膠凝、增稠、黏結(jié)、可降解與成膜性[7-8]等性能被廣泛應(yīng)用于食品、包裝、涂料、生物醫(yī)藥及化妝等領(lǐng)域[9]。KGM膜作為一種可食性包裝材料的研究已有報道[10-15],其吸水性能是評價膜品質(zhì)及應(yīng)用領(lǐng)域的重要指標(biāo)。因紅外干燥已成為魔芋粉的加工方式,本實驗通過紅外輻照處理KGM,探討了其對KGM膜吸水性能的影響,表征其結(jié)構(gòu)變化,為新型生物膜材提供了科學(xué)依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 材料與試劑

        魔芋粉(特級粉),購于上海北連食品有限公司;其余試劑均為國產(chǎn)分析純。

        1.2 儀器與設(shè)備

        WS70-1遠(yuǎn)紅外干燥器 上海索譜儀器有限公司;GZX-9140MBE數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱 上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;Quanta 200電子顯微鏡(SEM) 荷蘭FEI公司;NEXVS傅里葉紅外變換光譜儀 美國Nicolet公司;D8X射線衍射儀 德國Bruker公司;OpticlabrEX示差折光檢測器、DAWN/HELEOS靜態(tài)激光光散射儀 美國懷雅特技術(shù)公司。

        1.3 方法

        1.3.1 KGM分子質(zhì)量的測定

        參照劉廷國等[16]的方法制備KGM,參照彭述輝等[17]的方法制備不同分子質(zhì)量KGM。將制備好的KGM溶于0.1mol/L NaNO3溶液配制1.0×10-3g/mL溶膠,經(jīng)0.45μm微孔濾膜過濾,備用。采用激光光散射儀分析:Shodex-G805凝膠柱,示差檢測器,波長658nm,溫度25℃,流動相0.1mol/L NaNO3溶液,流速1.0mL/min,進(jìn)樣量20μL。采用軟件Astra分析數(shù)據(jù)。

        1.3.2 KGM膜的制備

        恒溫25℃水浴,將KGM粉末分散于去離子水中溶脹1.0h,配制1.0×10-2g/mL KGM溶膠定量涂覆于固定面積(15cm×10cm)光潔平板中流延成膜,65℃干燥12h,即得KGM膜。

        1.3.3 吸水率的測定

        參照國標(biāo)GB/T 4456—2008《包裝用聚乙烯吹塑薄膜》,每組樣品取5塊膜(2cm×2cm),吸水率(W)按式(1)計算。吸水率下降百分比(Dr)按式(2)計算。

        式中:W為吸水率/%;m1為干膜質(zhì)量/g;m2為吸水后膜質(zhì)量/g。

        式中:W處理為經(jīng)紅外處理的KGM膜吸水率;W空白為未經(jīng)紅外處理的KGM膜吸水率。

        1.3.4 紅外輻照單因素試驗

        利用遠(yuǎn)紅外干燥器對KGM粉末照射處理,考察KGM溶膠成膜后的吸水性能變化,即經(jīng)紅外輻照處理后其溶膠成膜表示為I-KGM。未經(jīng)輻照處理的KGM膜吸水率為20.72%。

        1.3.4.1 KGM分子質(zhì)量對吸水率的影響

        固定電壓220V、輻照溫度73℃和照射時間24h,分別處理分子質(zhì)量3.52×105、6.91×105、8.56×105、1.06×106、1.34×106D的KGM粉末,觀測不同KGM分子質(zhì)量與膜吸水率的變化。膜I-KGM是用分子質(zhì)量為1.34×106D的KGM粉末進(jìn)行輻照處理。

        1.3.4.2 輻照電壓對吸水率的影響

        將KGM(分子質(zhì)量1.34×106D)粉末平鋪于紅外光下持續(xù)照射24h,改變KGM樣品位置來恒定設(shè)定的紅外輻照溫度(49、73℃)。分別選取140、160、180、200、220V電壓處理KGM,觀測膜吸水率的變化。

        1.3.4.3 輻照溫度對吸水率的影響

        取KGM(分子質(zhì)量1.34×106D)粉末持續(xù)照射24h,固定電壓220V,分別選取溫度49、55、61、67、73℃處理KGM,觀測膜吸水率的變化。

        1.3.4.4 輻照時間對吸水率的影響

        固定電壓220V和輻照溫度(49、73℃),取KGM(分子質(zhì)量1.34×106D)粉末分別照射12、24、36、48、60、72h,觀測膜吸水率的變化。

        1.3.5 掃描電子顯微鏡分析將KGM膜固定于銅臺,噴金后放入電子顯微鏡室內(nèi)觀察其截面微觀形態(tài),加速電壓20kV。

        1.3.6 紅外分析[18-19]

        取計量KGM膜,按KGM-KBr質(zhì)量比1:100混合碾磨制片,分析波數(shù)范圍400~4000cm-1,儀器分辨率0.5cm-1。

        1.4 X射線衍射分析

        膜衍射分析條件:管流30mA,管壓35kV,2θ從5°~55°,掃描速率5°/min,溫度20℃,相對濕度70%。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 KGM分子質(zhì)量及其分布

        圖 1 KGM的GPC-LS譜圖Fig.1 GPC-LS spectrum of KGM

        分子質(zhì)量是高分子物質(zhì)成膜性能的重要指標(biāo)之一[20]。圖1顯示KGM分子質(zhì)量分布近似正態(tài)分布,重均分子質(zhì)量Mw=1.34×106D,多分散系數(shù)Mw/Mn=1.03??梢奒GM分子質(zhì)量大小分布相對集中,為相對均一多糖。

        2.2 紅外輻照單因素試驗結(jié)果

        2.2.1 KGM分子質(zhì)量對膜吸水率的影響

        圖2 KGM分子質(zhì)量對吸水率的影響Fig.2 Influence of KGM molecular weight on percent decrease in water-absorbing rate as a result of infrared radiation

        紅外輻照對不同分子質(zhì)量KGM影響較大,KGM成膜后膜吸水性能變化明顯,如圖2所示。膜Dr變化顯示分子質(zhì)量越大,Dr越小,且分子質(zhì)量與Dr呈明顯線性負(fù)相關(guān)。結(jié)果表明分子質(zhì)量越大,膜吸水率下降百分比越小,吸水性能逐漸降低。

        2.2.2 輻照電壓對膜吸水率的影響

        圖 3 輻照電壓對吸水率的影響Fig.3 Influence of exposure voltage on water-absorbing rate

        由圖3可知,隨輻照電壓增大,膜吸水率先減少后增大。當(dāng)U<160V時,隨輻照電壓升高,吸水率快速降低;當(dāng)U>160V時,隨輻照電壓升高,吸水率緩慢上升,此時膜部分溶于水中,已喪失膜的完整形態(tài)。結(jié)果表明,強度對KGM膜的吸水率影響較明顯,且輻照73℃的影響顯著強于49℃。

        2.2.3 輻照溫度對膜吸水率的影響

        圖 4 溫度對吸水率的影響Fig.4 Influence of temperature on water-absorbing rate

        由圖4可知,隨輻照溫度升高,膜吸水率呈逐漸降低趨勢,說明輻照溫度對KGM膜吸水率影響較明顯,這可能是過高的輻照溫度可使KGM降解斷鏈,導(dǎo)致膜吸水率下降。

        2.2.4 輻照時間對膜吸水率的影響

        圖 5 輻照時間對吸水率的影響Fig.5 Influence of radiation time on water-absorbing rate

        由圖5可知,隨輻照時間延長,膜吸水率先36h逐漸減少,48h后又緩慢增大,此時膜部分溶于水中,已喪失膜的完整形態(tài)。結(jié)果同樣表明輻照時間對KGM膜的吸水率影響較明顯,且相對于輻照49℃,輻照73℃時,時間對KGM吸水率的影響緩慢增加。

        2.3 SEM觀測結(jié)果

        圖 6 KGM的掃描電子顯微鏡圖(×1000)Fig.6 SEM images of KGM(×1000)

        圖6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)說明了膜的低吸水性能,能保持相對完整形態(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分子解聚、斷鏈所致。

        2.4 FTIR檢測結(jié)果

        圖 7 KGM的紅外光譜圖Fig.7 Infrared spectrum of KGM

        由圖7可知,在3448~3415cm-1為多糖羥基伸縮振動吸收峰,I-KGM相對KGM吸收峰變寬,表明分子間氫鍵數(shù)量顯著增多;I-KGM 1739cm-1處的乙?;卣魑辗遢^KGM強度增大,說明乙?;诜肿又斜淮罅勘┞?。I-KGM 1643cm-1處的羰基吸收峰強于KGM,羰基含量增多表明紅外輻照對KGM分子起有效氧化作用,實驗結(jié)果證實了上述推論。KGM與I-KGM在895cm-1和807cm-1處的β-D-糖苷鍵構(gòu)型和吡喃環(huán)吸收振動峰的一致反映顯示KGM主鏈結(jié)構(gòu)未改變。

        2.5 X射線檢測結(jié)果

        圖8顯示KGM和I-KGM均為彌散峰型,但較高衍射峰強度說明長程無序的主體結(jié)構(gòu)中存在大量的微晶體。另外,KGM的結(jié)晶度明顯高于I-KGM,微晶率計算結(jié)果顯示KGM>I-KGM49℃>I-KGM61℃>I-KGM67℃>I-KGM73℃。且隨溫度升高,衍射強度逐漸下降,結(jié)晶度也隨之減小。表明紅外輻照能破壞相對有序KGM分子結(jié)構(gòu),分子降解作用產(chǎn)生,分子排列的無序性增強,進(jìn)一步佐證了上述結(jié)論。

        圖 8 KGM的X射線衍射圖Fig.8 X-ray diffraction of KGM

        3 結(jié) 論

        3.1 紅外輻照對不同分子質(zhì)量的KGM溶膠成膜的影響顯著,KGM分子質(zhì)量與膜吸水率下降百分比呈明顯線性負(fù)相關(guān)性。

        3.2 紅外輻照溫度與KGM膜吸水率存在負(fù)相關(guān)性;較高光強度和較長輻照時間顯著影響膜吸水性能,導(dǎo)致膜部分溶于水,喪失完整形態(tài)。

        3.3 結(jié)構(gòu)表征顯示紅外輻照致使KGM分子發(fā)生了氧化降解反應(yīng)。

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