李 彤，張 宏，趙曉彤，張英龍，張華江，夏 寧，劉純哲，孫多文

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030）

現(xiàn)如今由石油基聚合物制成的包裝材料是污染生態(tài)環(huán)境的主要因素之一，與之相比，生物基聚合物制成的包裝材料具有可再生、可生物降解的性質(zhì)，因此近年來在世界范圍內(nèi)備受關(guān)注[1]。生物基聚合物包裝可分為兩類：天然基聚合物（如多糖、蛋白質(zhì)）和化學(xué)基聚合物（如聚乳酸、聚己內(nèi)酯）[2]。由于價格昂貴，化學(xué)基聚合物的使用受到了很大的限制。而天然基聚合物中以蛋白質(zhì)為原料的包裝材料得到了迅速發(fā)展，全球?qū)W者已針對多種蛋白質(zhì)基的包裝材料進行了研究，如大豆蛋白、玉米醇溶蛋白和小麥蛋白。

大豆蛋白膜由于其良好的生物相容性和生物降解性而具有很大的應(yīng)用優(yōu)勢，但與傳統(tǒng)食品包裝相比，大豆蛋白膜的穩(wěn)定性、阻隔性能和包裝性能存在一定缺陷[3]。在近年來的相關(guān)研究中，研究者們采用改性大豆蛋白或添加其他天然、改性材料的方法，來提高大豆蛋白膜的相關(guān)性能，以彌補某些性能的缺陷。納米纖維素是一種纖維素衍生物，具有高彈性模量、高抗張強度和高結(jié)晶度，且由于其低成本、低密度、可再生性、生物降解性和生物相容性而被廣泛用作填充材料[4]。陳觀福壽[5]將納米纖維素與大豆分離蛋白（soy protein isolate，SPI）結(jié)合，使復(fù)合膜的透光性、機械強度等性能得到了提升。

阿魏酸是一種存在于植物中具有多種生物活性的酚酸衍生物，可以與蛋白質(zhì)發(fā)生交聯(lián)，因為其具有抗氧化和抗菌性，在日本被列為食品添加劑，美國也允許一些含有阿魏酸的制劑應(yīng)用于食品當中[6]。沈凱青等[7]將阿魏酸添加到米渣蛋白中，使其具有更穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)。包惠燕等[8]利用阿魏酸顯著提高了SPI膜的阻氣性和機械性能。Nuthong等[9]發(fā)現(xiàn)由阿魏酸形成的自由基可以與蛋白質(zhì)中的酪氨酸或半胱氨酸殘基反應(yīng)，并且可以通過形成中間體來交聯(lián)蛋白質(zhì)和多糖。肖乃玉等[10]制備的阿魏酸-膠原蛋白膜具有很強的抑菌性，能有效地延長臘腸的貨架期。

目前鮮有將納米纖維素和阿魏酸結(jié)合來提高大豆蛋白膜性能的相關(guān)研究，本研究將三者結(jié)合，探究納米纖維素和阿魏酸的添加量對膜機械性能、阻隔性、抑菌性（大腸桿菌和金黃色葡萄球菌）的影響，并對其進行微觀表征，以制備出一種性能良好的大豆蛋白復(fù)合膜，為大豆蛋白膜的進一步研究提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

SPI（蛋白質(zhì)量分數(shù)不低于90%） 山東省谷神生物技術(shù)有限公司；阿魏酸 河北省遠成共創(chuàng)技術(shù)有限公司；納米纖維素（水凝膠狀，固體質(zhì)量分數(shù)2.5%）廣東省中山納纖絲新材料有限公司；甘油（食品級）、氫氧化鈉、氯化鈣、氯化鉀、亞油酸 天津市天大化工實驗廠；氯化鋰 天津市巴斯夫化工有限公司；醋酸鉀、碳酸鉀、溴化鈉 天津市天力化學(xué)試劑有限公司；氯化鎂 天津市東麗區(qū)天大化學(xué)試劑廠；碘化鉀 天津市津北精細化工有限公司；氯化鈉 天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

AL204型電子分析天平 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；BS22025電子天平 德國Sartorius公司；測厚規(guī)（精度0.001 mm） 臺州市艾測儀器有限公司；HP-50數(shù)顯推拉力計測試機 樂清市艾德堡儀器有限公司；HH-4數(shù)顯式電熱恒溫水浴鍋、JJ-1精密增力電動攪拌器 常州國華電器有限公司；PHS-3C酸度計 上?？祪x儀器有限公司；DHG-9240A型電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司；UV-2600紫外分光光度計、X射線衍射（X-ray diffraction，XRD）分析儀、S-3400N掃描電子顯微鏡（scanning electron microscopy，SEM） 日本日立公司；OCA20型視頻接觸角測定儀 德國Dataphysics公司；Magna-4R 560傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR）儀 美國Nicolet公司。

1.3 方法

1.3.1 復(fù)合膜的制備

精確稱量10.0 g SPI、5.0 g甘油與300 mL蒸餾水混合于60 ℃水浴加熱并攪拌1 h，以制成純SPI膜成膜溶液，用濃度為1 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)純SPI膜成膜溶液的pH值至9.0。將納米纖維素用磁力攪拌器攪拌30 min后備用，將不同量的納米纖維素和阿魏酸加入到純SPI膜成膜溶液中，在60 ℃下水浴加熱并攪拌1 h，以制備不同組分的大豆蛋白復(fù)合膜成膜溶液（表1）。將成膜溶液倒置在硅膠板（長300 mm、寬240 mm、高12 mm）上，置于60 ℃的鼓風(fēng)干燥箱中7 h，待冷卻至室溫后，將膜放置在相對濕度50%、（24±1）℃下回軟后從硅橡膠板上剝離，本實驗以純SPI膜為空白組。

表 1 不同組分的大豆蛋白復(fù)合膜Table 1 SPI composite films with different compositions

通過預(yù)實驗探究甘油對膜增塑效果的影響，向純SPI膜成膜溶液中分別添加2.0、3.0、4.0、5.0、6.0 g的甘油，結(jié)果表明添加5.0 g甘油對膜的增塑效果最佳，故本實驗采用5.0 g甘油為增塑劑。

1.3.2 復(fù)合膜厚度的測定

參照王薈凌等[11]的方法，使用測厚規(guī)測量膜的厚度，在膜上隨機選取10 個位置進行測量，取其平均值。

1.3.3 復(fù)合膜拉伸強度、斷裂伸長率的測定

根據(jù)支雅雯等[12]的方法，使用數(shù)顯推拉力計測試機在相對濕度50%、（24±1）℃條件下測量膜的拉伸強度。在測試前將膜裁成100 mm×15 mm的長條狀，將其夾在兩個探頭之間，初始夾持間距為50 mm左右，十字頭速率為15 mm/min，記錄膜斷裂時的最大作用力和拉伸前兩探頭之間膜的初始長度、膜斷裂時的長度，按式（1）、（2）分別計算膜的拉伸強度和斷裂伸長率。

式中：TS為膜的拉伸強度/MPa；F為膜斷裂時的最大作用力/N；S為膜的橫截面面積/mm2；EB為膜的斷裂伸長率/%；L為膜斷裂時的長度/mm；L0為膜的初始長度/mm。

1.3.4 復(fù)合膜透光率的測定

參照Han Yingying等[13]的方法，使用分光光度計測定膜的透光率。把膜裁成10 mm×100 mm的長條狀，將其置于比色皿的一側(cè)，測定600 nm波長處膜的吸光度（A），按式（3）計算膜的透光率。

1.3.5 復(fù)合膜水蒸氣透過率的測定

根據(jù)支雅雯等[12]的方法，采用擬杯子法測定膜的水蒸氣透過率，記錄裝有5.00 g無水氯化鈣的錐形瓶質(zhì)量，將裁成適當大小的膜覆蓋在錐形瓶口，并用石蠟密封。將錐形瓶放置在含有飽和KCl溶液的真空干燥器中，直至錐形瓶的質(zhì)量達到平衡后去除瓶口的膜后再次稱質(zhì)量，按式（4）計算膜的水蒸氣透過率。

式中：WVP表示水蒸氣透過率/（g·mm/（m2·d·kPa））；Δm表示水蒸氣遷移量/g；L表示薄膜的厚度/mm；A表示薄膜的面積/m2；t表示測試時間/d；ΔP表示膜兩側(cè)的水蒸氣壓差/kPa。

1.3.6 復(fù)合膜氧氣透過率的測定

參照郭寬等[14]的方法測量膜的氧氣透過率，將膜置于含有1 mL亞油酸的錐形瓶口，并用石蠟密封。將錐形瓶置于（24±1）℃下，直至錐形瓶的質(zhì)量達到平衡后去除瓶口的膜后再次稱質(zhì)量，按式（5）計算膜的氧氣透過率。

1.3.7 復(fù)合膜吸濕曲線的測定

參照蘇峻峰[15]的方法測定不同水分活度下膜的吸濕率。將膜裁成20 mm×20 mm的正方形，置于干燥器中48 h后稱質(zhì)量，將稱質(zhì)量后的膜置于含有不同飽和溶液的干燥器內(nèi)（不同飽和溶液在25 ℃下的水分活度如表2所示），直至膜的質(zhì)量達到平衡后再次稱質(zhì)量，按式（6）計算膜的吸濕率。

式中：MC為膜的吸濕率/%；m1為膜吸濕前的質(zhì)量/g；m2為膜吸濕后的質(zhì)量/g。

表 2 不同飽和溶液在25 ℃下的水分活度Table 2 Water activity of saturated solutions at 25 ℃

1.3.8 復(fù)合膜接觸角的測定

參考支雅雯等[12]的方法，采用液滴法使用接觸角測定儀測定膜的接觸角，將膜裁成1 cm×2 cm大小置于測定儀上，測量范圍0～180°，滴水量為0.5 μL。

1.3.9 復(fù)合膜抑菌效果的測定

參照Liu Yuanyuan等[16]的方法使用抑菌圈法測定膜的抑菌性能，把膜裁剪為直徑為20.0 mm的圓狀，將0.01 mL的大腸桿菌培養(yǎng)液（105～106CFU/mL）和0.01 mL的金黃色葡萄球菌培養(yǎng)液（105～106CFU/mL）分別均勻涂布在不同的培養(yǎng)皿中，將裁剪好的膜放置在干燥后的培養(yǎng)皿中，置于37 ℃的培養(yǎng)箱中24 h后，用尺測量抑菌圈的直徑。

1.3.10 SEM觀察復(fù)合膜的微觀結(jié)構(gòu)

《五子登科》寄托的是人們希望自家的孩子都能像竇禹鈞的五個孩子一樣，長大能獲得科考成功，有美好前景的愿望?！拔遄拥强啤痹从诿耖g故事，說得是五代后周時期，燕山府有個叫竇禹鈞的人，他的五個兒子都品學(xué)兼優(yōu)，先后登科及第，故稱“五子登科”?！度纸?jīng)》也以“竇燕山，有義方，教五子，名俱揚”的句子稱頌竇禹鈞教育子女有方。

參照Mandal等[17]的方法，將干燥后的膜進行噴金處理后置于SEM下，觀察其表面和橫截面（表面放大倍數(shù)為3 000，橫截面放大倍數(shù)為1 000）。

1.3.11 復(fù)合膜FTIR分析

使用FTIR儀在4 000～400 cm-1的波數(shù)范圍內(nèi)對干燥處理后的膜進行掃描，以4 cm-1的分辨率獲得32 次掃描的平均值[17]。

1.3.12 復(fù)合膜XRD分析

將干燥后的膜置于XRD分析儀上進行分析，2θ的范圍為5°～40°，放射源為Cu-Kα射線（λ＝0.154 nm），電壓為40 kV，電流為150 mA，掃描速率為3（°）/min[17]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用SPSS 21.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，使用方差分析對數(shù)據(jù)進行差異顯著性分析，使用Origin 8.0軟件作圖。所有數(shù)據(jù)均為3 次平行實驗結(jié)果的平均值，結(jié)果以平均值±標準差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同組分對大豆蛋白復(fù)合膜拉伸強度和斷裂伸長率的影響

圖 1 不同組分大豆蛋白復(fù)合膜的拉伸強度和斷裂伸長率Fig. 1 Tensile strength and elongation at break of SPI composite films with different compositions

不同組分大豆蛋白復(fù)合膜的拉伸強度和斷裂伸長率如圖1所示，與空白組相比，A組和B組復(fù)合膜的拉伸強度顯著增加，斷裂伸長率顯著降低（P＜0.05），納米纖維素與蛋白質(zhì)之間發(fā)生了鍵合和交聯(lián)作用[18]，這種相互作用提高了復(fù)合膜的力學(xué)性能。與空白組相比，C組和D組復(fù)合膜的拉伸強度和斷裂伸長率均顯著下降（P＜0.05），實驗表明添加0.2、0.4 g阿魏酸的復(fù)合膜成膜性較添加其他組分復(fù)合膜差。Steffensen等[19]提出，添加適量的阿魏酸能與蛋白質(zhì)發(fā)生交聯(lián)形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但阿魏酸的含量過高，復(fù)合膜中則會出現(xiàn)游離的阿魏酸，從而導(dǎo)致復(fù)合膜的拉伸強度下降。而添加了阿魏酸和納米纖維素的E組復(fù)合膜拉伸強度與空白組相比提高了116.19%，這不僅要歸因于晶須的幾何形狀和剛性，還要歸因于通過氫鍵連接的纖維素納米粒子連續(xù)網(wǎng)絡(luò)的形成[20]。而E組復(fù)合膜中添加的阿魏酸一部分與蛋白質(zhì)發(fā)生交聯(lián)，另一部分加強了納米纖維素與蛋白質(zhì)在復(fù)合膜中結(jié)合的相互作用，與此同時，這些相互作用的發(fā)生使分子間的距離縮小，形成了相對穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使復(fù)合膜的柔韌性下降，從而降低了斷裂伸長率[7]（與空白組相比下降了59.76%）。

2.2 不同組分對大豆蛋白復(fù)合膜水蒸氣透過率和氧氣透過率的影響

圖 2 不同組分大豆蛋白復(fù)合膜的水蒸氣透過率和氧氣透過率Fig. 2 Water vapor permeability and oxygen permeability of SPI composite films with different compositions

不同組分大豆蛋白復(fù)合膜的水蒸氣透過率和氧氣透過率的變化情況如圖2所示?？瞻捉M因其親水性而具有較高的水蒸氣透過率[21]，與之相比，添加納米纖維素的A組和B組復(fù)合膜水蒸氣透過率分別下降了10.36%和18.34%，這是由于納米纖維素在蛋白質(zhì)基質(zhì)中分散，使水蒸氣的擴散受到阻礙，氧氣透過率的下降則是由于納米纖維素與蛋白質(zhì)之間形成了致密的薄膜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[13]。添加阿魏酸的C組和D組復(fù)合膜的水蒸氣透過率與空白組相比下降了49.55%和65.22%，這是由于阿魏酸與蛋白質(zhì)之間發(fā)生了交聯(lián)，結(jié)構(gòu)更加致密，有效地阻礙了水蒸氣在復(fù)合膜中的擴散。E組復(fù)合膜的水蒸氣透過率下降幅度更加顯著（P＜0.05），與空白組相比下降了90.91%，這是由于氫鍵和自由基之間的交聯(lián)增加[22]，提高了復(fù)合膜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)致密性。而復(fù)合膜的氧氣透過率變化規(guī)律與水蒸氣透過率相同，E組復(fù)合膜的氧氣透過率與空白組相比下降了77.55%，這同樣也是分子間結(jié)構(gòu)變化所導(dǎo)致的結(jié)果。

2.3 不同組分對大豆蛋白復(fù)合膜吸濕率的影響

不同組分大豆蛋白復(fù)合膜在不同水分活度下的等溫吸濕曲線如圖3所示，隨著水分活度的增加，各組復(fù)合膜的吸濕率均呈現(xiàn)上升趨勢。在相同的水分活度條件下，添加了10、20 g納米纖維素的復(fù)合膜（A組和B組）與空白組相比，吸濕率略微降低，這是由于納米纖維素分子間以及納米纖維素分子與蛋白質(zhì)分子之間的氫鍵相互作用以及納米顆粒在該水平上的良好分散[20]。添加了0.2 g阿魏酸的復(fù)合膜（C組）增長幅度與B組相近，當水分活度大于0.6時，才呈現(xiàn)出明顯差異。

圖 3 不同組分大豆蛋白復(fù)合膜的吸濕曲線Fig. 3 Moisture absorption curves of SPI composite films with different compositions

添加了納米纖維素和阿魏酸的復(fù)合膜（E組）吸濕率最低，阿魏酸與蛋白質(zhì)分子發(fā)生交聯(lián)，使親水基團暴露減少，納米纖維素分子與蛋白質(zhì)分子之間相互作用也得到增強，分子間距離減小，故而吸濕率較其他組復(fù)合膜相比有所降低。根據(jù)Cassini等[23]的研究結(jié)果，GAB模型可以較好地模擬天然生物材料的吸濕規(guī)律（水分活度小于0.9時），GAB模型如式（7）[15]所示。

式中：EMC為復(fù)合膜的平衡水分吸收率/%；Wm為單層水分子的飽和吸收率/%；C為Guggenheim常數(shù)；k為與多分子層吸附性能相關(guān)的因子；aw為水分活度。

表 3 不同組分大豆蛋白復(fù)合膜的GAB擬合參數(shù)及均方根誤差Table 3 GAB model constants and root mean square errors of SPI composite films with different compositions

表3為不同組分大豆蛋白復(fù)合膜GAB模型的擬合參數(shù)（Wm、C、k）和決定系數(shù)（R2），決定系數(shù)反映了吸濕數(shù)據(jù)與GAB模型的擬合程度。由表3可知，復(fù)合膜吸濕曲線的擬合程度均大于99.00%，證實各組復(fù)合膜的吸濕數(shù)據(jù)與GAB模型具有良好的擬合程度。由單層水分子的飽和吸收率（Wm）可知，納米纖維素和阿魏酸共同添加到復(fù)合膜中時，由于分子間的相互作用，蛋白質(zhì)的親水基團分別與納米纖維素分子、阿魏酸結(jié)合，減少了水分子與親水基團結(jié)合的位點，從而導(dǎo)致了復(fù)合膜的單分子吸附能力大大降低。

2.4 不同組分對大豆蛋白復(fù)合膜透光率和接觸角的影響

透光率是評估復(fù)合膜包裝性的重要指標。由表4中A組和B組復(fù)合膜結(jié)果可知，隨著納米纖維素含量的增加，復(fù)合膜的透光率顯著增加（P＜0.05），說明了納米纖維素對透光率具有顯著影響，納米纖維素和SPI具有很好的相容性[13]。而由C組和D組復(fù)合膜結(jié)果可知，阿魏酸的添加會導(dǎo)致復(fù)合膜透光率顯著降低（P＜0.05），這與阿魏酸與蛋白質(zhì)發(fā)生的交聯(lián)作用有關(guān)[24]。E組復(fù)合膜的透光率低于空白組，但高于C組和D組，這與阿魏酸對納米纖維素與蛋白質(zhì)之間結(jié)合有加強作用相關(guān)。

表 4 不同組分大豆蛋白復(fù)合膜的透光率及接觸角Table 4 Transmittance and contact angle of SPI composite films with different compositions

接觸角是評估復(fù)合膜水敏感性的重要指標，當接觸角小于90°時，表明復(fù)合膜表面親水，當接觸角大于90°時，表明復(fù)合膜表面疏水[25]，即接觸角越大，復(fù)合膜的疏水性越強。由表4可知，納米纖維素的添加對復(fù)合膜的疏水性能影響很小，而阿魏酸對復(fù)合膜的疏水性能有明顯的增強作用，C組和D組復(fù)合膜的接觸角較空白組相比分別增長了93.58%和99.34%，阿魏酸與蛋白質(zhì)分子交聯(lián)，使蛋白質(zhì)分子親水基團的暴露減少，從而增強了疏水性。E組復(fù)合膜的接觸角較空白組增長了127.21%，其原因與吸濕率降低的原因相同。

2.5 不同組分對大豆蛋白復(fù)合膜抑菌效果的影響

圖 4 不同組分大豆蛋白復(fù)合膜的抑菌圈直徑Fig. 4 Inhibitory zone diameters of SPI composite films with different compositions

圖4為6 組不同大豆蛋白復(fù)合膜對大腸桿菌（G-）和金黃色葡萄球菌（G+）的抑菌效果，用抑菌圈直徑（復(fù)合膜直徑為20.0 mm）反映?？瞻捉M、A組和B組復(fù)合膜對兩種菌株的抑菌圈直徑均為20.0 mm，說明SPI和納米纖維素對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌沒有抑制作用，而添加了阿魏酸的C組、D組復(fù)合膜對大腸桿菌的抑菌圈直徑平均值分別為25.4 mm和33.5 mm，對金黃色葡萄球菌的抑菌圈直徑平均值分別為28.3 mm和38.1 mm，說明隨著阿魏酸含量的增加，復(fù)合膜對兩種菌株的抑菌圈直徑均顯著增加（P＜0.05），這不僅證實了阿魏酸的抑菌作用，同時也說明了阿魏酸的添加量對復(fù)合膜的抑菌性有顯著影響，此結(jié)果與肖乃玉等[10]的研究結(jié)果一致。阿魏酸對兩種菌株的抑制效果存在顯著差異（P＜0.05），添加阿魏酸后的復(fù)合膜在金黃色葡萄球菌中的抑菌圈直徑顯著大于在大腸桿菌中的抑菌圈直徑（P＜0.05），說明阿魏酸對金黃色葡萄球菌的抑制作用大于對大腸桿菌的抑制作用，此結(jié)論與李次力[26]的研究結(jié)果一致。阿魏酸對菌株的抑制作用與其親脂的特性相關(guān)，因此對不同菌株的抑制程度有所不同[27]。E組與D組復(fù)合膜對兩種菌株的抑制作用差異不顯著（P＞0.05），也證實了納米纖維素對兩種菌株沒有抑制作用。

2.6 不同組分大豆蛋白復(fù)合膜的SEM觀察結(jié)果

圖 5 不同組分大豆蛋白復(fù)合膜的表面和橫截面SEM圖Fig. 5 Surface and cross-sectional SEM images of SPI composite films with different compositions

由圖5可知，空白組的橫截面存在許多不均勻的孔隙，而A組和B組復(fù)合膜的孔隙則在添加納米纖維素之后有所減少，這種現(xiàn)象是由于納米尺寸的納米纖維素較好地分散在SPI分子中，并且SPI和納米纖維素之間具有良好的相容性[20]。當添加阿魏酸時（C組和D組），復(fù)合膜表面出現(xiàn)不同程度的褶皺，橫截面沒有出現(xiàn)孔隙，這與阿魏酸的含量有關(guān)，阿魏酸含量偏高不僅會使復(fù)合膜內(nèi)存在游離的阿魏酸，還會使蛋白質(zhì)發(fā)生自聚集，這與Kang Haijiao等[28]的研究結(jié)果相似。E組的表面較光滑，無聚集現(xiàn)象的產(chǎn)生，橫截面無孔隙，較為平整，這印證了E組復(fù)合膜的機械性能最優(yōu)的原因。

2.7 不同組分大豆蛋白復(fù)合膜的FTIR分析結(jié)果

圖 6 不同組分大豆蛋白復(fù)合膜的FTIR圖Fig. 6 FTIR spectra of SPI composite films with different compositions

圖6 顯示了不同組分大豆蛋白復(fù)合膜在4 000～400 cm-1范圍內(nèi)的FTIR圖?？瞻捉M分別在1 629、1 536 cm-1和1 235 cm-1處顯示其酰胺I帶（C＝O伸縮振動）、酰胺II帶（N-H彎曲振動）以及酰胺III帶（N-H和C-N伸展彎曲）[13]。而位于3 274 cm-1處的峰歸因于O-H和N-H的彎曲振動，2 925cm-1處的峰歸因于-CH2的伸縮振動[29]。隨著納米纖維素的加入，空白組光譜中3 274 cm-1處的吸收峰移動到B、C組復(fù)合膜的3 270 cm-1處，這表明SPI的氨基和納米纖維素的羥基之間發(fā)生了少量的分子鍵合[30]。添加阿魏酸后的C組和D組復(fù)合膜分別在1 523 cm-1和1 522 cm-1處出現(xiàn)新的肩峰，表明復(fù)合膜中的氫鍵數(shù)量增加，這同時證實了阿魏酸與蛋白質(zhì)的交聯(lián)作用[31]。添加了納米纖維素和阿魏酸的E組復(fù)合膜在1 521 cm-1處出現(xiàn)新肩峰，且峰高比C組和D組出現(xiàn)的肩峰高，表明氫鍵數(shù)量的大幅度增加，證實了阿魏酸對納米纖維素與蛋白質(zhì)之間的作用力有增強作用，該結(jié)果也解釋了D組復(fù)合膜阻隔性能較好的原因。

2.8 不同組分大豆蛋白復(fù)合膜的XRD分析結(jié)果

圖 7 不同組分大豆蛋白復(fù)合膜的XRD圖Fig. 7 X-ray diffraction analysis of SPI composite films with different compositions

通過對XRD圖（圖7）分析可以觀察到不同組分大豆蛋白復(fù)合膜的晶體結(jié)構(gòu)和相容性，復(fù)合膜在2θ＝10.2°、19.5°處的兩個寬衍峰分別對應(yīng)復(fù)合膜的二級結(jié)構(gòu)α-螺旋和β-折疊[18]。由于7S和11S無定形球蛋白，空白組在19.5°處出現(xiàn)一個無定型峰，A、B、C和D組復(fù)合膜在19.5°處的峰值強度明顯低于空白組，這說明納米纖維素和阿魏酸分別添加到復(fù)合膜中后，均使復(fù)合膜的結(jié)晶度降低。A組和B組復(fù)合膜結(jié)晶度的降低是由于納米纖維素增加了分子結(jié)構(gòu)的無序性，而C組和D組復(fù)合膜結(jié)晶度的降低是由于阿魏酸的交聯(lián)破壞了蛋白質(zhì)分子的規(guī)則排列，從而改變了其結(jié)晶結(jié)構(gòu)[32]。E組復(fù)合膜在19.5°處的峰值強度高于空白組，這說明納米纖維素和阿魏酸同時添加到復(fù)合膜中，可使復(fù)合膜的結(jié)晶度升高，這意味著分子鏈的排列變得緊密，其原因是阿魏酸與納米纖維素、蛋白質(zhì)發(fā)生了共價交聯(lián)，使得分子間距離減小，導(dǎo)致大豆蛋白復(fù)合膜二級結(jié)構(gòu)的變化[7]，這同時也是復(fù)合膜機械性能、阻隔性能變化的原因。

3 結(jié) 論

本實驗制備了不同組分的大豆蛋白復(fù)合膜，研究了納米纖維素和阿魏酸的添加對其機械性、阻隔性和抑菌性的影響，并通過SEM、FTIR和XRD圖對其進行微觀結(jié)構(gòu)表征，探究其性能變化的原因。結(jié)果表明：與純SPI膜相比，添加納米纖維素20.0 g、阿魏酸0.4 g后的復(fù)合膜，其拉伸強度、接觸角均顯著提高，吸濕性也得到提高，而斷裂伸長率、水蒸氣透過率、氧氣透過率和透光率均顯著下降。阿魏酸的添加使復(fù)合膜分子結(jié)構(gòu)中的氫鍵數(shù)量增加，這是由于阿魏酸與納米纖維素和蛋白質(zhì)之間發(fā)生了共價交聯(lián)，減少了蛋白質(zhì)的親水基團暴露，使之形成了相對穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這樣制備的大豆蛋白復(fù)合膜的機械性、阻隔性大大提升，且表面光滑、截面平整，并對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有一定的抑菌性。