劉媛媛，徐麗娜，張 韓，張華江,*，遲玉杰,*，張莉力，劉秀頎

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.錦州醫(yī)科大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

近些年來，隨著人們對食品品質(zhì)要求的提高以及環(huán)保意識的增強(qiáng)，可食性抑菌膜[1]越來越受到關(guān)注?？墒承砸志ひ远喾肿泳酆衔铮ㄈ缍嗵恰⒅|(zhì)、蛋白質(zhì)）作為原料，加入適當(dāng)?shù)脑鏊軇⒁志鷦?，?jīng)過多重工藝制備而成[2]。研究發(fā)現(xiàn)，相較于其他抗菌劑與食品結(jié)合的方式，抑菌包裝中的活性物質(zhì)可以通過低濃度的遷移速度從而保證被包裝食品表面保持較高濃度的抑菌活性物質(zhì)，從而抑制食品表面微生物的滋生，使得抑菌劑的抑菌作用得到最大程度的發(fā)揮[3-4]。

大豆分離蛋白（soy protein isolate，SPI）膜是以SPI為主要原料，通過分子之間的相互作用形成的具有多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的薄膜[4]。SPI膜因其透氣性低、機(jī)械性能優(yōu)異等特點(diǎn)成為近年可食性抑菌包裝膜的研究熱點(diǎn)[5]。然而，相較于其他包裝材料，SPI膜因其阻隔性能較差，且易滋生細(xì)菌的特點(diǎn)，其應(yīng)用十分有限[6]。

納米粒子的應(yīng)用不僅可以提高膜的機(jī)械性能和阻隔性能[7]，同時(shí)還可以提高或賦予膜一定的抑菌性能[8]。納米TiO2是新型的光催化抗菌劑[9]，經(jīng)過光激發(fā)后可產(chǎn)生強(qiáng)氧化性活性類物質(zhì)·OH和·OOH[11]，破壞其有機(jī)分子中的不飽和鍵達(dá)到殺滅微生物的目的。而由于納米TiO2粒子極易團(tuán)聚，降低成膜的表面平整度，影響膜的包裝性能，因而必須要對納米TiO2粒子進(jìn)行表面改性處理。經(jīng)由SiO2改性處理的納米TiO2粒子表面能降低，團(tuán)聚現(xiàn)象減少，且由于包覆層納米SiO2表面帶有大量的負(fù)電荷羥基，使得納米TiO2粒子的電子與空穴復(fù)合受阻，光催化活性提高[12]。同時(shí)，還會(huì)形成具有強(qiáng)氧化性的羥基，這些活性羥基可以迅速將有機(jī)物分解[13]，殺死微生物。

近年來，國內(nèi)外的研究主要是針對納米TiO2-SPI抑菌保鮮膜的制備與研究，忽略了納米TiO2粒子本身作為添加物對于SPI膜的機(jī)械性能影響的考慮。由于納米TiO2粒子容易發(fā)生團(tuán)聚的現(xiàn)象，影響膜的包裝性能，因而使得納米TiO2粒子在SPI膜中的應(yīng)用十分有限。改性納米TiO2-SPI抑菌保鮮膜是在SPI成膜液中添加適量的經(jīng)過表面改性的納米TiO2粒子代替未經(jīng)改性的納米TiO2粒子，提高了納米在TiO2粒子水溶液中的分散穩(wěn)定性，使得納米TiO2粒子與SPI之間的結(jié)合更加緊密，膜機(jī)械性能及阻隔性能更佳，且改性納米TiO2粒子的光催化性能提高，殺菌效果增強(qiáng)，因而可以賦予SPI膜更佳的抗菌效果。

本實(shí)驗(yàn)以SPI為主要原料，通過單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)確定改性納米TiO2-SPI復(fù)合膜的最佳工藝條件，通過接觸角、傅里葉變換紅外光譜儀（Fourier transform infrared spectrometer，F(xiàn)TIR）、掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）對膜的疏水性能及結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，通過光催化抑菌測試，研制出能夠有效滅活常見食品污染菌的改性納米TiO2-SPI復(fù)合膜。其優(yōu)越性主要體現(xiàn)在具有較好的機(jī)械性能、優(yōu)良的阻隔性能以及抗菌性，可以達(dá)到提高食品包裝品質(zhì)，延長食品貨架期的目的，是一種新興的食品包裝材料，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

SPI（蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥90%） 哈爾濱高科技（集團(tuán)）股份有限公司；納米TiO2（質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.8%，銳鈦型） 成都艾科達(dá)化學(xué)試劑有限公司；甘油、六偏磷酸鈉、硅酸鈉、稀硫酸 天津市凱通化學(xué)試劑有限公司；所用試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

TA.XT Plus型質(zhì)構(gòu)儀 英國Stable Micro System公司；S-3400N型SEM、E-1010型離子濺射儀 日本Hitachi公司；DHG-9210A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司；78HW-1型恒溫磁力攪拌器江蘇金壇榮華儀器公司；JJ-1型電子分析天平 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；PHS-3C型酸度計(jì) 上海精密儀器有限公司；D3000型原子力顯微鏡（atomic force microscope，AFM） 美國Veeco公司。

1.3 方法

1.3.1 改性納米TiO2的制備工藝[14]

將納米TiO2粉體配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的懸浮液，加入10 mL質(zhì)量濃度為0.005 g/mL的六偏磷酸鈉作為分散劑，超聲振蕩20 min，然后將分散好的TiO2漿液水浴加熱85 ℃，勻速滴加330 mL濃度為0.5 mol/L的硅酸鈉溶液，同時(shí)滴加體積分?jǐn)?shù)為10%的稀硫酸溶液，及時(shí)調(diào)整稀硫酸溶液的滴加速度使得溶液的pH值保持在9.5左右，反應(yīng)結(jié)束后，繼續(xù)攪拌5 h，得到白色懸浮液，過濾，去離子水洗滌，烘干研磨得到樣品。

1.3.2 SPI膜及復(fù)合膜制備流程

SPI膜制備流程：SPI+甘油+水→調(diào)節(jié)pH值至8.0→磁力攪拌→恒溫水浴加熱→冷卻至室溫→過濾、倒膜→干燥→成膜→回軟→揭膜→室溫放置48 h→膜性能的測定。

納米TiO2-SPI復(fù)合膜制備流程：SPI+甘油+水→調(diào)節(jié)pH值至8.0→磁力攪拌20 min，加入納米TiO2→恒溫水浴加熱30 min→磁力攪拌20 min→冷卻至室溫→過濾、倒膜→干燥→成膜→回軟→揭膜→室溫放置48 h→膜性能的測定。

改性納米TiO2-SPI復(fù)合膜制備流程：SPI+甘油+水→調(diào)節(jié)pH值至8.0→磁力攪拌20 min→恒溫水浴加熱30 min，加入改性納米TiO2→磁力攪拌20 min→冷卻至室溫→過濾、倒膜→干燥→成膜→回軟→揭膜→室溫放置48 h→膜性能的測定。

1.3.3 單因素試驗(yàn)條件對SPI復(fù)合薄膜性能的影響

影響復(fù)合膜性能的主要因素有改性TiO2添加量、SPI添加量及甘油添加量。試驗(yàn)研究每種單因素對復(fù)合薄膜成膜性能的影響及規(guī)律，最終優(yōu)化確定出最佳的復(fù)合膜制備技術(shù)參數(shù)。

1.3.4 正交試驗(yàn)對SPI復(fù)合薄膜性能的優(yōu)化

通過單因素試驗(yàn)表明，改性TiO2添加量、甘油添加量以及SPI添加量對膜的性能影響顯著（P＜0.05），因此選擇SPI添加量（A）、改性TiO2添加量（B）、甘油添加量（C）作為試驗(yàn)因素，干燥溫度70 ℃，烘干時(shí)間6 h，采用L9（33）進(jìn)行正交試驗(yàn)，因素與水平如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)因素與水平Table1 Coded levels of independent variables used for orthogonal array design g/100 mL

1.3.5 指標(biāo)的測定

1.3.5.1 膜機(jī)械性能的測定[15]

采用TA.XT Plus型質(zhì)構(gòu)儀測定膜樣品的抗拉強(qiáng)度（tensile strength，TS）、斷裂伸長率（elongation at break，EAB），拉伸速率為15 mm/min。每個(gè)樣品做3 次平行實(shí)驗(yàn)。根據(jù)公式（1）、（2）計(jì)算樣品TS和EAB：

式中：F為膜斷裂時(shí)承受的最大拉力/N；S為膜的橫截面積/m2。

式中：L0為膜原長/mm；L1為膜斷裂時(shí)的膜長/mm。

1.3.5.2 水蒸氣透過率（water vapor permeability，WVP）[16]

采用擬杯子法測定WVP。稱取3.00 g經(jīng)干燥的無水氯化鈣并裝入50 mL廣口三角瓶中，用石蠟將待測的復(fù)合膜密封于瓶口處，通過杯質(zhì)量的增加量計(jì)算WVP，見公式（3）：

式中：Δm為水蒸氣遷移量/g；A為膜的面積/m2；t為測定時(shí)間/d；L為膜厚/mm；ΔP為膜兩側(cè)的水蒸氣壓差/kPa；24為24 h。純水25 ℃時(shí)的飽和水蒸氣壓為3.1671 kPa，KBr飽和溶液的水蒸氣壓為純水的83%。

1.3.5.3 透氧性及透二氧化碳性的測定

參考文獻(xiàn)[17]的方法。在50 mL錐形瓶中裝入1 mL亞油酸，錐形瓶口用復(fù)合膜覆蓋，扎緊后用石蠟密封。稱質(zhì)量后置于空氣中，每天稱質(zhì)量2 次并記錄下稱質(zhì)量時(shí)間，持續(xù)7 d，通過杯質(zhì)量的增加量計(jì)算氧氣透過速率。

稱取5 mL蒸餾水于50 mL錐形瓶中，向錐形瓶中不斷加入氫氧化鉀攪拌溶解直至飽和。錐形瓶口用復(fù)合膜覆蓋，扎緊后用石蠟密封。稱質(zhì)量后置于空氣中，每天稱質(zhì)量2 次并記錄稱質(zhì)量時(shí)間，持續(xù)7 d，通過杯質(zhì)量的增加量計(jì)算二氧化碳的透過率。

對膜樣品透氧性及透二氧化碳性進(jìn)行測定，每個(gè)樣品做3 次平行實(shí)驗(yàn)，取其平均值，計(jì)算公式見公式（4）、（5）：

式中：P（O2）為透氧性（g/（m2·d））；P（CO2）為透二氧化碳性/（g/（m2·d））；Δm為杯質(zhì)量的增加量/g；A為膜面積/m2；t為測量時(shí)間/d。

1.3.5.4 透光性的測定

參照文獻(xiàn)[18]，將膜剪成5 cm×1 cm大小，貼在比色皿的一側(cè)，空白為空比色皿，在500 nm波長處測定其透光率。

1.3.5.5 疏水性能的測定

將膜樣品剪成1 cm×1 cm的矩形，并將其平整貼于載玻片上，在距離膜表面10 mm處向膜表面滴加一滴去離子水滴液，5 s后進(jìn)行拍照，記錄水滴與膜間形成的接觸角，實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次。對照組為普通SPI膜及納米TiO2-SPI復(fù)合膜，實(shí)驗(yàn)組為改性納米TiO2-SPI復(fù)合膜。

1.3.6 結(jié)構(gòu)表征

對普通SPI膜、納米TiO2-SPI復(fù)合膜以及改性納米TiO2-SPI復(fù)合膜進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，進(jìn)一步說明改性納米TiO2-SPI復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)變化，其中對照組為普通SPI膜及納米TiO2-SPI復(fù)合膜，實(shí)驗(yàn)組為改性納米TiO2-SPI復(fù)合膜。

1.3.6.1 FTIR分析

FTIR掃描范圍為4 000～400 cm-1。

1.3.6.2 SEM分析

采用S-3400N型SEM觀察膜的斷面，加速電壓為5 kV，觀察前進(jìn)行鍍金處理。

1.3.6.3 AFM分析

使用D3000型AFM觀察膜表面結(jié)構(gòu)，采用敲擊模式，掃描尺寸為1 μm，掃描速率為1.001 Hz。

1.3.7 物理性能的綜合評價(jià)

對各物理性能進(jìn)行模糊綜合評價(jià)：在本實(shí)驗(yàn)中需要綜合考慮多個(gè)物理性能指標(biāo)對SPI膜的質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)，具體見文獻(xiàn)[16]。采用模糊綜合評價(jià)法，引入隸屬度函數(shù)，X（u）為待分析點(diǎn)的隸屬度函數(shù)值（公式（6）、（7））；Xi為待分析點(diǎn)的數(shù)據(jù)值；Xmax為待分析點(diǎn)所在數(shù)據(jù)列的最大值；Xmin為待分析點(diǎn)所在數(shù)據(jù)列的最小值。

將膜的多個(gè)性能指標(biāo)經(jīng)過模糊變換成綜合評價(jià)的累加加權(quán)隸屬度值∑X（u）·Y。本實(shí)驗(yàn)中需要考慮的物理性能有TS、EAB、WVP、透氧性、透二氧化碳性，所以綜合評價(jià)的權(quán)重子集Y為{0.25，0.25，0.25，0.25}。

1.3.8 改性納米TiO2-SPI膜的抑菌性能測定[19-20]

參照QB/T 2591—2003《抗菌塑料 抗菌性能試驗(yàn)方法和抗菌效果》及《消毒技術(shù)規(guī)范》，使制備的薄膜與一定量的菌懸液作用一段時(shí)間后培養(yǎng)，按GB 4789.2—2016《食品衛(wèi)生微生物學(xué)檢驗(yàn) 菌落總數(shù)測定》菌落計(jì)數(shù)，從而測定復(fù)合膜的抑菌性能。抑菌率按公式（8）計(jì)算：

式中：B為空白對照樣品平均回收菌數(shù)/（CFU/片）；C為膜樣品平均回收菌數(shù)/（CFU/片）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

通過SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件對測得的單因素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，采用t檢驗(yàn)進(jìn)行顯著性分析，顯著性水平為P值小于0.05，采用Origin 8.6軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 改性TiO2添加量對復(fù)合膜性能的影響

為了研究改性TiO2添加量對復(fù)合膜性能的影響，固定SPI添加量5 g/100 mL、甘油添加量2.0 g/100 mL，選擇改性TiO2添加量分別為0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 g/100 mL，烘干溫度為70 ℃，烘干時(shí)間為6 h。

表2 改性TiO2添加量對膜性能的影響Table2 Effect of modif i ed TiO2 on fi lm properties

由表2可以看出，隨著復(fù)合膜中改性TiO2添加量的增加，復(fù)合膜性能發(fā)生顯著性變化。膜的機(jī)械性能是衡量膜性能的一個(gè)重要指標(biāo)[21]。膜的TS逐漸增大，EAB呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢，這可能是由于在改性TiO2添加量較低時(shí)，在復(fù)合膜的內(nèi)部主要是改性TiO2與SPI分子的結(jié)合，改性TiO2添加量增加，二者結(jié)合的程度越大，因而使得復(fù)合膜中分子結(jié)合更加緊密，剛性結(jié)構(gòu)增多，EAB降低，而當(dāng)改性TiO2添加量達(dá)到2.5 g/100 mL，兩分子之間的結(jié)合達(dá)到飽和的狀態(tài)，改性TiO2繼續(xù)添加使得復(fù)合膜中的單分子增多，EAB會(huì)增加。其中，改性TiO2添加量為3.0 g/100 mL時(shí)，復(fù)合膜的TS達(dá)到最大值為9.04 MPa，改性TiO2添加量為2.0 g/100 mL時(shí)，復(fù)合膜的EAB達(dá)到最小值為17.63%。而這可能是由于隨著改性TiO2添加量的增加，與SPI相結(jié)合的分子也就越多，成膜時(shí)的分子相互作用力越大，分子之間的交聯(lián)更加緊密，膜結(jié)構(gòu)也更加的致密，因此復(fù)合膜的TS顯著提高（P＜0.05），而由于改性TiO2本身具有不溶于水的性質(zhì)，因此隨著改性TiO2添加量的繼續(xù)增加，膜表面會(huì)有小顆粒的出現(xiàn)，膜的延展性降低，因此隨著復(fù)合膜中改性TiO2添加量不斷增加，復(fù)合膜的EAB降低。

WVP、透光率、透氧性以及透二氧化碳性主要考察的是復(fù)合膜的阻隔性能。其中WVP、透氧性以及透二氧化碳性指標(biāo)值越低，說明復(fù)合膜的防腐、抗氧化性能更佳，而透光率越低說明復(fù)合膜能夠更好的達(dá)到食品包裝保護(hù)的作用[22]。由表2可以看出，隨著改性TiO2添加量的增加，復(fù)合膜的透光率逐漸的降低，這可能是由于經(jīng)過改性之后的TiO2和未經(jīng)改性的TiO2類似，都能夠起到增白的作用，使得復(fù)合膜的透光率降低。且隨著改性TiO2添加量的增加，復(fù)合膜的WVP總體呈下降的趨勢，這可能是由于納米TiO2粒子與SPI分子形成穩(wěn)定的Si—O—C、Ti—O—C、Si—O—Ti共價(jià)鍵[23-25]，破壞共價(jià)鍵需要提供額外的力，因此復(fù)合膜的機(jī)械性能和阻濕性能提高。而隨著改性TiO2添加量的增加，復(fù)合膜的透氧性呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢，在添加量為2.5 g/100 mL達(dá)到最小值為0.11 g/（m2·d），透二氧化碳性不規(guī)律變化，這可能是由于通過在復(fù)合膜中添加改性TiO2，改性后的TiO2粒子之間的范德華力大大減小，凝聚力降低，因而更易與SPI分子之間發(fā)生共價(jià)交聯(lián)作用，改變復(fù)合膜的物理性能，也可能是由于納米TiO2粒子與SPI分子鏈之間會(huì)形成某種纏結(jié)結(jié)構(gòu)，從而會(huì)對SPI的性能產(chǎn)生影響[26]。而當(dāng)改性TiO2添加量為3.0 g/100 mL時(shí)，WVP、透氧性以及透二氧化碳性規(guī)律出現(xiàn)變化，這可能是由于隨著改性TiO2添加量的不斷增加，SPI分子與改性TiO2的結(jié)合呈現(xiàn)飽和的狀態(tài)，當(dāng)改性TiO2添加量由2.5 g/100 mL增加至3.0 g/100 mL的過程之中，SPI膜中改性TiO2自由粒子及親水基團(tuán)不斷增多，使得復(fù)合膜的WVP、透氧性以及透二氧化碳性增加。因此，綜合考慮到膜必須具有良好的機(jī)械性能以及阻隔性能，選擇1.5～2.5 g/100 mL作為正交試驗(yàn)的水平范圍。

2.1.2 甘油添加量對復(fù)合膜性能的影響

為了研究甘油添加量對復(fù)合膜性能的影響，固定SPI添加量5 g/100 mL、改性TiO2添加量2.0 g/100 mL，選擇甘油添加量分別為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 g/100 mL，烘干溫度為70 ℃，烘干時(shí)間為6 h。

表3 甘油添加量對膜性能的影響Table3 Effect of glycerin on fi lm properties

由表3可以看出，甘油添加量越大，對復(fù)合膜的性能影響越顯著（P＜0.05）。隨著甘油添加量的增加，復(fù)合膜的TS急速下降，EAB逐漸增大，這可能是甘油小分子可以插入SPI分子鏈之間，并與酰胺基團(tuán)形成氫鍵，減弱了SPI分子之間或者是分子內(nèi)部的相互作用，軟化了膜的剛性結(jié)構(gòu)，增加了鏈的流動(dòng)性，膜的結(jié)構(gòu)也得到了有效的延展和松弛，膜的塑性增加[27-28]，因而，宏觀上就會(huì)表現(xiàn)為膜的TS降低，EAB增大。由表3可以看出，復(fù)合膜中甘油添加量的增加對其透光率的影響并不顯著（P＞0.05），而隨著甘油添加量的增加，復(fù)合膜的WVP、透氧性以及透二氧化碳性都顯著地提高，說明復(fù)合膜的透性增加，阻隔性能降低。這可能是由于增加甘油含量，使得復(fù)合膜中親水基團(tuán)增加，單位體積羥基數(shù)目增多，蛋白質(zhì)分子含量下降，削弱了分子之間的相互作用，增加了分子內(nèi)部空間，復(fù)合膜結(jié)構(gòu)變差，致密性下降，滲透性增加[29-30]。綜合考慮，選擇甘油添加量1.5～2.5 g/100 mL作為正交試驗(yàn)的水平范圍。

2.1.3 SPI添加量對復(fù)合膜性能的影響

為了研究SPI添加量對復(fù)合膜性能的影響，固定甘油添加量2 g/100 mL、改性TiO2添加量2.0 g/100 mL，選擇SPI添加量分別為3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0 g/100 mL，烘干溫度為70 ℃，烘干時(shí)間為6 h。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 SPI添加量對膜性能的影響Table4 Effect of SPI on fi lm properties

從表4可以看出，隨著SPI添加量的增加，蛋白膜的TS增加，EAB急速減小，主要的原因可能是復(fù)合膜中SPI含量較低時(shí)，膜液中水分含量比較高，成膜結(jié)構(gòu)形成不佳[17]，而增加復(fù)合膜中SPI含量，使得水分含量相對減小，膜剛性結(jié)構(gòu)增加，塑性降低。復(fù)合膜的透光率、WVP、透氧性以及透二氧化碳性都顯著地降低（P＜0.05），這可能是由于隨著復(fù)合膜中SPI含量的增加，成膜厚度增加，顏色變深，因而使膜的阻隔性能及透光率降低。

SPI添加量小于3.5 g/100 mL時(shí)，膜比較柔軟，揭膜困難，性能比較差；當(dāng)添加量大于6.0 g/100 mL，雖然TS比較大，但膜比較硬，脆性很強(qiáng)，不適用于包裝。因此，綜合考慮各方面的因素，選取SPI添加量4.5～5.5 g/100 mL作為正交試驗(yàn)的水平范圍。

2.1.4 正交試驗(yàn)結(jié)果

綜合考慮多個(gè)物理性能指標(biāo)對改性納米TiO2-SPI復(fù)合膜的性能進(jìn)行評價(jià)，因此采用模糊綜合評價(jià)法，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表5。

表5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table5 Orthogonal array design with response variable

表6 方差分析Table6 Analysis of variance

由表6可以看出，各個(gè)因素對于SPI膜綜合性能影響都不顯著，不必在進(jìn)行各因素水平間的多重比較，因而可以從正交試驗(yàn)結(jié)果（表5）中篩選出改性納米TiO2-SPI復(fù)合膜制備條件為A1B2C1，即SPI添加量4.5 g/100 mL、改性TiO2添加量2.0 g/100 mL、甘油添加量1.5 g/100 mL。同時(shí)將優(yōu)化出的最佳制備條件A1B2C1與正交表中綜合評價(jià)累加加權(quán)隸屬度值最高的方案2（A1B2C2）和最低的方案4（A2B1C3）做2 次平行實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對照，結(jié)果見表7。

表7 二次平行實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table7 Validation of optimized combination

由表7可以看出，通過方案A1B2C1制備的蛋白膜的各項(xiàng)物理指標(biāo)均優(yōu)于方案A1B2C2和方案A2B1C3，進(jìn)一步驗(yàn)證了正交試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性與可信度。因而本試驗(yàn)確定改性納米TiO2-SPI復(fù)合膜的最佳制備配方條件為A1B2C1，即SPI添加量4.5 g/100 mL、改性TiO2添加量2 g/100 mL、甘油添加量1.5 g/100 mL。

2.2 改性納米TiO2-SPI復(fù)合膜的接觸角結(jié)果

將優(yōu)化后的改性納米TiO2-SPI復(fù)合膜與普通SPI膜、TiO2-SPI復(fù)合膜進(jìn)行疏水性的比較分析。其中3 種膜的制備條件分別為改性納米TiO2-SPI復(fù)合膜中SPI添加量4.5 g/100 mL、改性TiO2添加量2.0 g/100 mL、甘油添加量1.5 g/100 mL，而納米TiO2-SPI復(fù)合膜中SPI添加量4.5 g/100 mL、改性TiO2添加量2.0 g/100 mL、甘油添加量1.5 g/100 mL，普通SPI膜中SPI添加量4.5 g/100 mL、甘油添加量1.5 g/100 mL，烘干溫度為70 ℃，烘干時(shí)間為6 h。

疏水相互作用是維持蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)的主要作用力，對于SPI膜的性能具有重要的作用。接觸角是判定膜材料表面疏水性的重要考察指標(biāo)[31-33]。一般來說，膜接觸角角度越大說明其表面疏水性越好[34]。

由圖1可以看出，3 種復(fù)合膜的接觸角大小呈現(xiàn)不斷遞增的趨勢：普通SPI膜的接觸角為86.7°，納米TiO2-SPI復(fù)合膜為103.4°（較普通SPI膜提高了19.3%），改性納米TiO2-SPI復(fù)合膜為115.3°（較普通SPI膜提高了33.0%，較納米TiO2-SPI復(fù)合膜提高了11.5%）。所以，就SPI膜的疏水性能來講，改性納米TiO2-SPI復(fù)合膜＞納米TiO2-SPI復(fù)合膜＞普通SPI膜。這可能是由于納米TiO2粒子之間與SPI的氫鍵作用形成物理性的纏結(jié)結(jié)構(gòu)，使得復(fù)合膜的性能發(fā)生變化，降低了復(fù)合膜的親水性[26]，也有可能是由于添加納米TiO2之后，SPI的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)被打亂，表面的親水基團(tuán)遭到破壞[35]，提高其表面疏水性能。而納米TiO2分子經(jīng)過改性處理之后，硅烷偶聯(lián)劑與二氧化鈦發(fā)生反應(yīng)，使其表面包覆一層有機(jī)偶聯(lián)劑分子，變?yōu)榉菢O性、親油疏水的有機(jī)表面，因而就會(huì)呈現(xiàn)出來較強(qiáng)的非浸潤性[36]，因而經(jīng)過改性的TiO2在SPI復(fù)合膜的制備中使得膜表面具有較強(qiáng)的疏水性及較低的浸潤性，也可能是由于改性后的納米TiO2粒子與SPI分子上的羥基發(fā)生脫水反應(yīng)，形成化學(xué)性的交聯(lián)纏結(jié)結(jié)構(gòu)，使得膜結(jié)構(gòu)更加致密，疏水性能增強(qiáng)。

圖1 對照組及改性納米TiO2-SPI復(fù)合膜的接觸角變化Fig.1 Contact angle of control group and modi fi ed TiO2-SPI fi lm

2.3 改性納米TiO2-SPI復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)分析

2.3.1 FTIR分析

由圖2可以看出，實(shí)驗(yàn)組（改性納米TiO2-SPI復(fù)合膜）與對照組（納米TiO2-SPI復(fù)合膜、普通SPI膜）在4 000～600 cm-1波數(shù)范圍內(nèi)呈現(xiàn)出相似的紅外光譜。其中，在波數(shù)為1 630、1 538、1 240 cm-1處的峰分別對應(yīng)的是SPI中的酰胺I鍵（C＝O伸縮振動(dòng)）、酰胺II鍵（N—H彎曲振動(dòng)）及酰胺III鍵（C＝O伸縮振動(dòng)和N—H彎曲振動(dòng)）[37-39]。由圖2可以看出，相比于普通SPI膜，納米TiO2-SPI復(fù)合膜以及改性納米TiO2-SPI復(fù)合膜，酰胺I鍵發(fā)生了紅移，這說明納米TiO2以及改性納米TiO2的加入均改變了SPI的結(jié)構(gòu)，使其結(jié)構(gòu)變得舒展[40]。同時(shí)相比于普通SPI膜及納米TiO2-SPI復(fù)合膜，改性納米TiO2-SPI復(fù)合膜酰胺III鍵也發(fā)生了紅移，表示相比于未改性的TiO2，在SPI膜成膜液中加入改性TiO2可以使得SPI的結(jié)構(gòu)更加的舒展，從而使SPI分子之間可以形成大量氫鍵，分子鏈結(jié)合更加緊密，改變其性能。

圖2 對照組及改性納米TiO2-SPI復(fù)合膜的FTIR圖Fig.2 FTIR spectra of control group and modi fi ed TiO2-SPI fi lm

2.3.2 SEM分析

圖3 對照組及改性納米TiO2-SPI復(fù)合膜的SEM圖Fig.3 SEM micrographs of control group and modi fi ed TiO2-SPI fi lms

由圖3可以看出，改性納米TiO2-SPI復(fù)合膜與普通SPI膜、納米TiO2-SPI復(fù)合膜相比，表面更加致密平整，沒有明顯裂痕和空洞出現(xiàn)，表面性能：改性納米TiO2-SPI復(fù)合膜＞納米TiO2-SPI復(fù)合膜＞普通SPI膜，其主要原因可能是納米TiO2-SPI復(fù)合膜中SPI分子更加舒展，相互之間形成大量的氫鍵，分子鏈向聚合態(tài)運(yùn)動(dòng)，使其結(jié)合更加緊密，原來處于分子內(nèi)部的疏水基團(tuán)大量暴露在分子表面，而親水基團(tuán)在表面的分布則相對減少，當(dāng)TiO2改性后，在TiO2表面形成Ti—O—Si鍵[41]，也存在著端羥基，和TiO2表面性質(zhì)相似，但是表面包覆SiO2的TiO2粒子表面變得光滑并成類球狀，有助于水的吸附形成較厚溶劑化層，顆粒之間的斥力也將增大，有利于其在水中的分散穩(wěn)定性提高[42]。

2.3.3 AFM分析

圖4 對照組及改性納米TiO2-SPI復(fù)合膜的AFM圖Fig.4 AFM micrographs of control group and modi fi ed TiO2-SPI fi lms

由圖4可以看出，普通SPI膜表面不光滑，凹凸起伏較大，膜表面的平均粗糙度為632.2 nm；納米TiO2-SPI復(fù)合膜表面的平均粗糙度為478.6 nm，膜表面平整度較普通SPI膜有所改善；而改性納米TiO2-SPI復(fù)合膜無明顯的相分離，表面平均粗糙度僅為267.4 nm，無明顯的凸起和凹坑，膜表面均勻光滑，結(jié)果與SEM圖相符。

2.4 改性納米TiO2-SPI復(fù)合膜抑菌性分析

圖5 改性TiO2添加量對復(fù)合膜抑菌性能的影響Fig.5 Bacteriostatic effects of composite fi lms containing different amounts of modif i ed TiO2

2.4.1 改性TiO2添加量對復(fù)合膜抑菌性能的影響由圖5可以看出，隨著改性TiO2的不斷添加，復(fù)合膜的抑菌率顯著增大，表明復(fù)合膜的抑菌性增強(qiáng)，當(dāng)改性TiO2添加量達(dá)到2.0 g/100 mL時(shí)，復(fù)合膜對于李斯特菌和大腸桿菌的抑菌性能最強(qiáng)，抑菌率分別達(dá)到92.81%和85.41%。與文獻(xiàn)[19]中的TiO2-SPI復(fù)合膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌性能相比，改性納米TiO2-SPI復(fù)合膜的抑菌性能顯著增強(qiáng)。這可能是由于TiO2是光催化抗菌劑，其抑菌主要是依靠光激發(fā)產(chǎn)生的強(qiáng)氧化性的活性類物質(zhì)·OH和·OOH作用于微生物[11]，破壞其有機(jī)分子中的不飽和鍵殺滅微生物。而經(jīng)SiO2改性后的TiO2催化活性提高[42]，在光照條件下改性TiO2粒子在光催化下產(chǎn)生更多具有高活性自由基，因此經(jīng)改性后的納米TiO2粒子抑菌性能增強(qiáng)。隨著改性TiO2添加量的繼續(xù)增加，復(fù)合膜的抑菌性能無顯著性的增加且物理性能還會(huì)有所降低，因而，綜合考慮，選取2.0 g/100 mL的改性TiO2添加量，與前述工藝條件一致。

2.4.2 照射時(shí)間對復(fù)合膜抑菌性能的影響

圖6 照射時(shí)間對復(fù)合膜抑菌性能的影響Fig.6 Bacteriostatic effects of composite fi lms after UV radiation treatment for different times

如圖6所示，隨著照射時(shí)間的延長，復(fù)合膜的抑菌性能增強(qiáng)。當(dāng)照射時(shí)間為6 h時(shí)，復(fù)合膜對大腸桿菌和李斯特菌的抑菌性能最強(qiáng)，抑菌率分別達(dá)到91.14%和92.42%。而隨著照射時(shí)間的繼續(xù)延長，復(fù)合膜的抑菌性能變化不顯著。這可能是由于改性TiO2光催化抗菌劑必須在光的激發(fā)下才能夠產(chǎn)生活性自由基，殺死微生物，隨著光照射時(shí)間的延長，改性TiO2抗菌劑活性不斷激發(fā)，活性自由基的產(chǎn)生量增多，因而復(fù)合膜的抑菌性能不斷增加。達(dá)到一定照射時(shí)間之后，由于復(fù)合膜中改性TiO2含量有限或是菌液抵抗力增強(qiáng)，其抑菌性能趨于平穩(wěn)或呈現(xiàn)下降的趨勢[19]。

2.4.3 波長對復(fù)合膜抑菌性能的影響

圖7 不同波長對復(fù)合膜抑菌性能的影響Fig.7 Bacteriostatic effects of composite fi lmsafter UV radiation treatment at different wavelengths

從圖7可以看出，復(fù)合膜在波長為365 nm的紫外燈照射處理下對大腸桿菌和李斯特菌的抑制率可以分別達(dá)到82.53%和82.03%，相比于在波長為280 nm的紫外燈照射處理下抑菌率顯著提高，表明復(fù)合膜在波長為280 nm的紫外燈照射處理下對大腸桿菌和李斯特菌的抑菌性能均顯著低于波長為365 nm的紫外照射處理。這可能是由于365 nm波長紫外光對改性TiO2粒子的光催化活性要遠(yuǎn)低于280 nm波長紫外光，因此365 nm波長紫外光照射處理使得改性TiO2粒子得以更強(qiáng)的激發(fā)，產(chǎn)生更多的活性自由基，破壞其有機(jī)分子中的不飽和鍵，達(dá)到殺滅微生物的目的。

3 結(jié) 論

改性納米TiO2-SPI復(fù)合膜的最佳成膜工藝條件為SPI添加量4.5 g/100 mL、改性TiO2添加量2.0 g/100 mL、甘油添加量1.5 g/100 mL。其TS為13.22 MPa，EAB為10.18%，WVP為3.543 3（g·mm）/（m2·d·kPa），透氧性為0.35 g/（m2·d），透二氧化碳性為1.51 g/（m2·d），接觸角為115.3°，疏水性能優(yōu)良。添加改性TiO2的SPI膜的紅外光譜酰胺I、III區(qū)均發(fā)生了變化，對其性能產(chǎn)生影響，且改性納米TiO2-SPI復(fù)合膜的表面更為致密平整，無顆粒狀結(jié)合物。當(dāng)改性TiO2的添加量為2 g/100 mL、365 nm波長紫外燈照射6 h時(shí)，復(fù)合膜對大腸桿菌和李斯特菌的抑菌性能最強(qiáng)，最高抑菌率分別達(dá)到91.14%和92.81%。