趙曉彤，徐麗娜，張 宏，張華江，夏 寧，張英龍，孫 睿，陳曉瑩

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

大豆蛋白膜是一種以大豆分離蛋白（soy protein isolate，SPI）為原料制備的具有可降解性、生物相容性的包裝膜[1]。但其機(jī)械性和疏水性較差，限制了其在實(shí)際中的應(yīng)用[2]。聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）的成膜性、韌性均較好，且無(wú)毒、可生物降解，其機(jī)械性能比部分塑料還要優(yōu)良。Tai Jinglei等[3]研究了PVA、甘油添加量和熱封溫度對(duì)SPI/PVA共混膜熱封性能的影響，結(jié)果表明，PVA添加量為15%、甘油添加量為1%、熱封溫度為200 ℃時(shí)效果最好。

納米纖維素（nanocellulose，NCC）是一種纖維素衍生物，由于其低成本、高剛性、可降解等特點(diǎn)，在聚合物基體中被廣泛應(yīng)用[4]。將NCC應(yīng)用到大豆蛋白薄膜中，可有效改善機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性等，有利于延長(zhǎng)果蔬貨架期[5-6]。Yu Zhilong等[7]將NCC和雪松松針提取物添加到SPI基薄膜中，復(fù)合膜的機(jī)械性能、抗氧化性和水阻隔性都得到改善。

超聲處理作為物理改性的方法之一，可產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱、機(jī)械、超混合和空化效應(yīng)，進(jìn)一步增加膜的機(jī)械性能及阻隔性能，使膜表面更加致密平整[8]。梁棟等[9]利用超聲處理的方法對(duì)殼聚糖/SPI復(fù)合膜的工藝進(jìn)行優(yōu)化，最終確定超聲時(shí)間24 min、超聲溫度59 ℃、超聲功率29 W。此時(shí)薄膜的綜合性能最佳。牛春燕等[10]利用超聲波法將天然多酚與SPI混合制成了可食性保鮮膜，將所制成的可食性膜用于黃瓜保鮮，結(jié)果表明經(jīng)超聲處理的包裝膜可使黃瓜營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的流失維持在相對(duì)較低的水平，具有良好的保鮮效果。

本研究以SPI、PVA、NCC為主要原料，通過(guò)單因素試驗(yàn)來(lái)確定制備SPI/PVA/NCC復(fù)合膜的最佳工藝條件。利用X射線衍射、掃描電子顯微鏡及接觸角對(duì)大豆蛋白納米復(fù)合膜進(jìn)行分析，并探究其在圣女果保鮮中的應(yīng)用效果，為其應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

‘千禧’圣女果、聚乙烯包裝膜均購(gòu)自超市。

SPI 山東省谷神生物技術(shù)有限公司；PVA 天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；NCC 北京納米纖維素技術(shù)研發(fā)中心；氯化鈣、甘油 天津市天大化工實(shí)驗(yàn)廠。

1.2 儀器與設(shè)備

DHG-9240A型電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司；AL204型電子分析天平 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；S-3400N掃描電子顯微鏡、UV-2600紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì) 日本HITACHI公司；X射線衍射分析儀 荷蘭飛利浦有限公司；OCA20型視頻接觸角測(cè)定儀 德國(guó)Dataphysics公司；TA.XT.Plus型質(zhì)構(gòu)儀英國(guó)SMS公司；WYA-2WAJ阿貝折射儀 上海平軒公司。

1.3 方法

1.3.1 膜的制備工藝流程

采用溶劑澆鑄法制備SPI/PVA/CNC復(fù)合膜。首先將PVA在95 ℃水浴下溶解，NCC高壓均質(zhì)（60 MPa，5 次）后備用。稱取一定量的SPI溶于蒸餾水混合，將上述PVA溶液、NCC懸浮液與SPI溶液混合，并加入一定量的甘油，制備SPI復(fù)合膜溶液，用1 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)復(fù)合膜溶液的pH值至9.0。在60 ℃下水浴加熱并攪拌30 min，冷卻至室溫后進(jìn)行超聲處理。過(guò)濾成膜液，靜置30 min。將300 mL溶液澆鑄在硅膠板上，60 ℃干燥6 h，待膜冷卻后將其放置在相對(duì)濕度50%、（24±1）℃下回軟，從硅膠板上剝離后進(jìn)行復(fù)合膜性能的測(cè)定。其中，SPI添加量為2.0%～4.5%（以蒸餾水質(zhì)量計(jì)），PVA與NCC添加總量、甘油添加量分別為SPI添加量的5.0%、50.0%。

1.3.2 膜相關(guān)指標(biāo)測(cè)定

1.3.2.1 拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率測(cè)定

通過(guò)TA.XT.Plus型質(zhì)構(gòu)儀測(cè)定復(fù)合膜樣品斷裂時(shí)承受的最大張力及被拉伸的長(zhǎng)度。拉伸速率為50 mm/min，最小感應(yīng)力值為5 g[11]。拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率分別按公式（1）、（2）計(jì)算。

式中：F為樣品斷裂時(shí)承受的最大張力/N；S為試樣的截面積/m2。

式中：ΔG為樣品斷裂時(shí)膜被拉伸的長(zhǎng)度/mm；G為樣品的初始長(zhǎng)度/mm。

1.3.2.2 水蒸氣透過(guò)系數(shù)測(cè)定

取4.00 g無(wú)水氯化鈣裝入50 mL廣口三角瓶中，用待測(cè)的復(fù)合膜試樣密封后置于室溫下，通過(guò)三角瓶質(zhì)量的增加量來(lái)計(jì)算水蒸氣透過(guò)系數(shù)，具體按公式（3）計(jì)算[12]。

式中：Δm為水蒸氣遷移量/g；L為膜的厚度/mm；A為膜面積/m2；t為測(cè)定時(shí)間/h；ΔP為膜兩側(cè)的水蒸氣壓差/kPa。

1.3.2.3 透光率測(cè)定

將待測(cè)復(fù)合膜樣品裁成長(zhǎng)50 mm、寬10 mm的長(zhǎng)方形，貼于比色皿的一側(cè)，測(cè)定其650 nm波長(zhǎng)處的吸光度（A），透光率按公式（4）計(jì)算[13]。

1.3.2.4 O2透過(guò)率、CO2透過(guò)率測(cè)定

測(cè)定O2透過(guò)率時(shí)，取1 mL亞油酸于50 mL錐形瓶中，測(cè)定CO2透過(guò)率時(shí)，5 mL飽和氫氧化鉀于50 mL錐形瓶中。用復(fù)合膜覆蓋錐形瓶，扎緊后用石蠟密封，放置7 d，根據(jù)錐形瓶質(zhì)量增加量計(jì)算O2或CO2透過(guò)率/（g/（d·m2）），具體按公式（5）計(jì)算[12]。

式中：Δm表示錐形瓶質(zhì)量增加量/g；A表示膜面積/m2；t表示測(cè)定時(shí)間間隔/d。

1.3.2.5 綜合性能測(cè)定

利用物理性能模糊綜合評(píng)價(jià)方法，對(duì)大豆蛋白納米復(fù)合膜進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[14-15]。將復(fù)合膜試樣的正效應(yīng)、負(fù)效應(yīng)指標(biāo)分別利用公式（6）、（7）進(jìn)行模糊變換，將其轉(zhuǎn)換成綜合評(píng)價(jià)的累加加權(quán)隸屬度值ΣX（u）·Y的形式。本測(cè)試中主要考慮復(fù)合膜拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、水蒸氣透過(guò)率、O2透過(guò)率、CO2透過(guò)率以及透光率，并通過(guò)考慮各個(gè)指標(biāo)的影響程度，將綜合評(píng)分的權(quán)重子集Y設(shè)置為{0.3，0.3，0.1，0.1，0.1，0.1}。

式中：X（u）為待分析點(diǎn)的隸屬度函數(shù)值；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。

1.3.3 膜微觀結(jié)構(gòu)表征

對(duì)純SPI膜、SPI/PVA/NCC復(fù)合膜、在最佳超聲條件下進(jìn)行超聲處理的SPI/PVA/NCC復(fù)合膜應(yīng)用不同手段進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征。

1.3.3.1 X射線衍射測(cè)定

利用X射線衍射分析儀對(duì)復(fù)合膜試樣進(jìn)行廣角X射線衍射分析，衍射角2θ范圍為10°～50°，λ＝0.154 nm，Ni片濾波，采用Cu-K α射線，電壓為40 kV，電流為30 mA，掃描速率為4（°）/min[16]。

1.3.3.2 掃描電子顯微鏡觀察

采用S-3400N掃描電子顯微鏡對(duì)復(fù)合膜的表面以及斷面進(jìn)行觀察，測(cè)試前對(duì)復(fù)合膜進(jìn)行干燥處理，觀察前進(jìn)行噴金處理，測(cè)定條件為：電壓5.0 kV。

1.3.3.3 接觸角測(cè)定

在載玻片上平鋪1 cm×1 cm的復(fù)合膜樣品，保持樣品表面平整。操作參數(shù)為：接觸角測(cè)量范圍0°～180°，測(cè)量精度±0.1°，注射針滴水量0.5 μL，其角度算法為拉普拉斯·楊法[18]。

1.3.4 圣女果保鮮實(shí)驗(yàn)

1.3.4.1 原料處理

選擇無(wú)損傷、無(wú)病蟲(chóng)害，大小與果實(shí)成熟度基本一致的圣女果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分5 組，并設(shè)有3 個(gè)平行，每個(gè)平行組包裹6 個(gè)圣女果：A組為不作任何處理的空白對(duì)照；B組用市售聚乙烯包裝膜包裹；C組圣女果用純SPI膜包裹；D組用SPI/PVA/NCC復(fù)合膜包裹；E組用經(jīng)超聲處理的SPI/PVA/NCC復(fù)合膜包裹。將各組圣女果置于20 ℃恒溫箱中存放18 d，各項(xiàng)指標(biāo)每隔3 d測(cè)定一次。

1.3.4.2 質(zhì)量損失率測(cè)定

采用稱質(zhì)量法測(cè)定圣女果質(zhì)量損失率，計(jì)算如式（8）所示[18]。

式中：m0、m1分別表示圣女果貯藏前和貯藏后的質(zhì)量/g。

1.3.4.3 硬度測(cè)定

采用TA.XT.Plus型質(zhì)構(gòu)儀測(cè)定圣女果硬度[19]。質(zhì)構(gòu)儀探頭直徑為5 mm，測(cè)試距離為5 mm，測(cè)試速率為1.0 mm/s。

1.3.4.4 可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定

圣女果研磨成漿，用阿貝折射儀對(duì)圣女果貯藏前后可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)定[19]。

1.3.4.5 VC含量測(cè)定

采用2,6-二氯靛酚滴定法[19]，通過(guò)染料的滴定消耗量計(jì)算圣女果中VC的含量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用SPSS 21.0和Origin 8.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，所有數(shù)據(jù)均為3 個(gè)平行的平均值，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表示，并使用方差分析（analysis of variance，ANOVA）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析，P＜0.05表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 原料添加量對(duì)膜性能的影響

2.1.1 SPI添加量對(duì)膜性能的影響

表1 SPI添加量對(duì)膜性能的影響Table 1 ffect of SPI concentration on film properties

表1 SPI添加量對(duì)膜性能的影響Table 1 ffect of SPI concentration on film properties

注：同列肩標(biāo)小寫(xiě)字母不同表示差異顯著（P＜0.05）。下同。

SPI添加量/%（g/（d·m2）） 透光率/% 綜合性能2.0 22.35±1.11d 27.75±0.12a 4.50±0.50bc 8.25±0.57b 8.28±1.05c 16.82±1.15a 0.45 2.5 32.43±0.41c 23.87±0.31b 3.80±0.42c 6.30±1.09d 6.72±0.66e 14.93±0.48b 0.71 3.0 36.18±0.67b 18.90±0.30c 4.22±0.12bc 6.07±0.20d 6.28±0.46f 13.80±0.42c 0.72 3.5 37.05±0.44b 17.40±1.20d 4.60±0.33b 7.35±0.13c 7.46±0.50d 12.39±0.14d 0.65 4.0 40.00±0.13a 11.13±1.15e 6.62±0.57a 8.88±0.39a 8.60±0.50b 9.52±0.30e 0.54 4.5 41.00±0.67a 8.50±0.20f 7.13±0.28a 9.06±0.48a 9.10±0.48a 9.04±0.56e 0.50拉伸強(qiáng)度/MPa斷裂伸長(zhǎng)率/%水蒸氣透過(guò)系數(shù)/（g·mm/（m2·h·kPa））O2透過(guò)率/（g/（d·m2））CO2透過(guò)率/

PVA與NCC質(zhì)量比為1∶2、SPI添加量為2.0%～4.5%時(shí)，膜的各項(xiàng)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。膜的拉伸強(qiáng)度隨著SPI添加量的增加逐漸增大，斷裂伸長(zhǎng)率隨之減小，這是由于SPI的增加使其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加致密。而膜的氣體透過(guò)率隨著SPI的添加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，當(dāng)SPI添加量為2.0%～2.5%時(shí)，分子間的相互作用對(duì)羥基等親水基團(tuán)進(jìn)行了封端，膜的水蒸氣透過(guò)系數(shù)暫時(shí)下降。而當(dāng)SPI添加量較高時(shí)，蛋白質(zhì)分子上的部分親水性基團(tuán)暴露使膜水蒸氣透過(guò)系數(shù)增大[20]，并且當(dāng)SPI添加量過(guò)多或過(guò)少時(shí)會(huì)引起蛋白質(zhì)分子間相互作用力過(guò)大或不足，導(dǎo)致復(fù)合膜結(jié)構(gòu)疏松多孔，氣體更易通過(guò)[21]。SPI添加量增加導(dǎo)致膜厚度增加，膜的透光率有所下降。綜上，在SPI添加量為3.0%時(shí)，膜的綜合性能得分最高。

2.1.2 PVA添加量與NCC添加比例對(duì)膜性能的影響

表2 PVA添加量與NCC添加比例對(duì)膜性能的影響Table 2 Effect of PVA/NCC ratio on film properties

SPI添加量為3.0%，PVA與NCC添加比例為3∶1～1∶3時(shí)，膜的各項(xiàng)性能指標(biāo)見(jiàn)表2。膜的拉伸強(qiáng)度以及斷裂伸長(zhǎng)率隨著NCC添加比例的增加逐漸升高，m（PVA）∶m（NCC）為1∶2時(shí)機(jī)械性能（拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率）最佳，這主要是因?yàn)镻VA與NCC添加比例為3∶1～1∶2時(shí)，SPI與NCC之間的鍵合作用導(dǎo)致其具有很強(qiáng)的界面相互作用，斷裂伸長(zhǎng)率增加，而其與SPI多肽鏈形成強(qiáng)烈的相互作用導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度增加。同時(shí)PVA具有延展性，使其與SPI、NCC之間形成更為致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)NCC添加量過(guò)高時(shí)，納米尺寸的NCC可能經(jīng)歷微團(tuán)聚[22]，此時(shí)，NCC和PVA的相容性差，難以使NCC均勻分散在膜溶液中，膜的拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率略有下降。而隨著二者中NCC添加比例的增加，氣體透過(guò)率先減小后增加，并在比例為1∶2時(shí)透氣性最好（O2、CO2透過(guò)率最低），這主要是因?yàn)镹CC添加量較少時(shí)，增加NCC添加量不僅可以降低非極性分子在薄膜中的凝聚能力，且其作為增強(qiáng)填料能減少膜內(nèi)部的孔隙率，使氣體分子滲透的路徑更加曲折，從而影響通過(guò)膜的氣體傳遞[23]；但NCC添加量繼續(xù)增加會(huì)形成NCC聚集體，導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)中的空隙變大從而增加透氣性。但是同時(shí)添加量比例為1∶2時(shí)，NCC/SPI/PVA之間具有很好的界面黏合作用，使光在膜界面處發(fā)生散射，NCC添加量的增加使光的折射及反射程度相應(yīng)上升，導(dǎo)致膜的透光率下降[24]。綜上，當(dāng)PVA與NCC添加量比例為1∶2時(shí)，其綜合性能得分最高。

2.2 超聲工藝對(duì)膜性能的影響

2.2.1 超聲功率對(duì)膜性能的影響

表3 超聲功率對(duì)膜性能的影響Table 3 Effect of ultrasonic power on film properties

由表3可知，隨著超聲功率的增加，膜的拉伸強(qiáng)度先增加后減小，斷裂伸長(zhǎng)率先減小后增加。在超聲功率為40 W時(shí)拉伸強(qiáng)度為43.69 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為19.39%，超聲處理可以使溶液中的顆粒在宏觀尺度上均勻分布，其強(qiáng)度遠(yuǎn)大于機(jī)械攪拌，所引起的空化效應(yīng)可使顆粒在微觀上進(jìn)一步均勻[8]。而當(dāng)超聲功率大于40 W時(shí)，由于超聲強(qiáng)度的增加可能會(huì)掩蓋正常條件下其他分子聚集在一起的作用中心，從而阻礙分子間的相互作用，所以膜的拉伸強(qiáng)度減小，斷裂伸長(zhǎng)率增加。隨著超聲功率（10～40 W）的增加，蛋白質(zhì)分子內(nèi)部的疏水基團(tuán)暴露到外側(cè)，使膜的水蒸氣透過(guò)率降低，同時(shí)納米顆粒更加均勻地分布在膜中，使其結(jié)構(gòu)更加致密，O2、CO2透過(guò)率逐漸降低。但功率超過(guò)40 W后，O2、CO2透過(guò)率稍有增加，這可能與分子間結(jié)合達(dá)到飽和狀態(tài)，極性基團(tuán)間產(chǎn)生排斥作用有關(guān)[25]。由于超聲使膜結(jié)構(gòu)更加均勻，表面更加光滑，導(dǎo)致透光率隨著超聲功率的增加而增加[22]。綜上，當(dāng)超聲功率為40 W時(shí)，膜的綜合評(píng)分最高。

2.2.2 超聲時(shí)間對(duì)膜性能的影響

由表4可知，膜的拉伸強(qiáng)度隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，斷裂伸長(zhǎng)率則減小，這是因?yàn)槌曌饔糜欣贜CC分子的分散，促進(jìn)了SPI/PVA/NCC之間相互作用。而且較長(zhǎng)時(shí)間的超聲處理導(dǎo)致更多反應(yīng)中心的形成和暴露，增加化學(xué)反應(yīng)的速率，使大分子彼此重新結(jié)合，從而使膜拉伸強(qiáng)度增加，同時(shí)膜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)結(jié)合得更加緊密，因此斷裂伸長(zhǎng)率降低。隨著超聲處理時(shí)間的延長(zhǎng)，超聲波的熱效應(yīng)增強(qiáng)了分子間的運(yùn)動(dòng)，重新暴露了PVA分子的親水性基團(tuán)，并在一定程度上提高了溶脹能力，膜的水蒸氣透過(guò)率逐漸降低[8]，同時(shí)O2、CO2透過(guò)率也逐漸降低，這可能是超聲作用減小了生物聚合物聚集體顆粒的尺寸并改善了它們?cè)谀せ|(zhì)中分布的均勻性的原因[26]。由于超聲處理的超混合效應(yīng)NCC在膜中分布更加均勻，減少了膜溶液中氣泡的存在，這種效應(yīng)將提高膜的透光率。綜上，當(dāng)超聲時(shí)間為20 min時(shí)，其綜合評(píng)分最高。

表4 超聲時(shí)間對(duì)膜性能的影響Table 4 ffect of ultrasonic time on film properties

表4 超聲時(shí)間對(duì)膜性能的影響Table 4 ffect of ultrasonic time on film properties

（g/（d·m2）） 透光率/% 綜合性能未超聲處理24.56±0.84c 26.39±0.87ab 12.85±0.97a 11.5±0.56a 10.16±0.65a 11.56±0.94f 0.44 5 20.96±0.73d 27.03±0.90a 10.31±1.04b 10.43±0.58b 8.30±0.72b 15.98±0.68e 0.46 10 24.92±0.69c 25.40±1.04b 9.09±0.67c 9.15±0.24c 6.20±0.71d 18.97±1.08d 0.56 15 34.94±1.05b 21.47±0.94c 8.60±1.05c 8.37±0.35d 6.05±0.82e 21.02±0.71c 0.64 20 39.95±1.19a 14.27±0.73d 6.78±0.92d 6.24±0.33e 5.32±0.42f 22.97±0.66b 0.65 25 40.93±0.72a 11.15±0.60e 5.77±0.55d 5.39±0.45f 6.35±0.44c 28.00±0.86a 0.58超聲時(shí)間/min拉伸強(qiáng)度/MPa斷裂伸長(zhǎng)率/%水蒸氣透過(guò)率/（g·mm/（m2·h·kPa））O2透過(guò)率/（g/（d·m2））CO2透過(guò)率/

2.2.3 超聲溫度對(duì)膜性能的影響

表5 超聲溫度對(duì)膜性能的影響Table 5 Effect of ultrasonic temperature on film properties

由表5可知，隨超聲溫度的升高，膜的拉伸強(qiáng)度而先增大后減小，在60 ℃時(shí)達(dá)到最大值45.69 MPa；斷裂伸長(zhǎng)率則先降低后升高，在50 ℃時(shí)達(dá)到最小值16.65%；水蒸氣透過(guò)率逐漸降低，透光率逐漸升高。在超聲溫度較低時(shí)，NCC分子運(yùn)動(dòng)緩慢，當(dāng)溫度升高時(shí)，NCC分子運(yùn)動(dòng)加劇，NCC分子均勻地分散在膜中，促進(jìn)成膜物質(zhì)間的相互作用使拉伸強(qiáng)度增加，由于結(jié)合作用的增強(qiáng)使斷裂伸長(zhǎng)率降低；但當(dāng)超聲溫度過(guò)高時(shí)，NCC分子強(qiáng)烈碰撞造成團(tuán)聚，而且高溫導(dǎo)致蛋白質(zhì)發(fā)生變性，從而氫鍵發(fā)生斷裂，導(dǎo)致形成的剛性網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出較大的孔洞，機(jī)械性能下降[27]。且隨著超聲溫度的升高，透氣性呈下降趨勢(shì)，這主要是因?yàn)闇囟壬呤钩赡の镔|(zhì)之間充分接觸，使得膜致密性越來(lái)越好，有效阻礙了氣體分子的通過(guò)。綜上，超聲溫度為60 ℃時(shí)，復(fù)合膜的綜合性能評(píng)分最佳。

2.3 膜的微觀結(jié)構(gòu)表征結(jié)果

2.3.1 膜的X射線衍射分析

圖1 3 種膜結(jié)構(gòu)的X射線衍射分析Fig. 1 XRD profiles of three kinds of films

利用X 射線衍射進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)分析，評(píng)估S P I/PVA/NCC分子間的兼容性。由圖1可知，純SPI膜在2θ＝22°處出現(xiàn)一個(gè)結(jié)晶特征峰，SPI/PVA/NCC復(fù)合膜在10°～50°之間存在特征峰且強(qiáng)度低于純SPI膜，而SPI/PVA/NCC復(fù)合膜經(jīng)超聲處理后該特征峰明顯減弱，相關(guān)研究證實(shí)這與復(fù)合膜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和晶體排列改變有關(guān)[28]。為驗(yàn)證這一結(jié)果，應(yīng)用MDI Jade軟件計(jì)算得到純SPI膜、SPI/PVA/NCC復(fù)合膜、在最佳超聲條件（SPI添加量3.0%，m（PVA）∶m（NCC）為1∶2、超聲功率40 W、超聲時(shí)間20 min、超聲溫度60 ℃）下進(jìn)行超聲處理的SPI/PVA/NCC復(fù)合膜的結(jié)晶度分別為21.83%、35.35%、36.78%，可以發(fā)現(xiàn)在大豆蛋白膜中添加PVA及NCC可以使結(jié)晶度得到提升，而這種現(xiàn)象可以歸因于作為聚合物結(jié)晶成核劑的纖維素填料的錨定效應(yīng)[29]，也說(shuō)明了共混物內(nèi)各組成分之間具有一定的相容性。同時(shí)可以看出，經(jīng)超聲處理的復(fù)合膜結(jié)晶度最大，這可能是因?yàn)槌曁幚懋a(chǎn)生的超混合效應(yīng)使分子重新排列，形成更均勻致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分子間空隙減小，結(jié)晶區(qū)分子鏈排列緊密，膜的結(jié)晶度相應(yīng)提高[30]。本實(shí)驗(yàn)3 種膜的X射線衍射特征峰強(qiáng)度排序與尹國(guó)平[31]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果類似。

2.3.2 膜的掃描電子顯微鏡觀察結(jié)果

圖2 3 種膜的微觀結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 SEM micrographs of three kinds of films

由圖2A1、B1可知，純SPI膜表面有小空隙出現(xiàn)，光滑度相對(duì)較差，成膜物質(zhì)之間結(jié)合不夠緊密，橫截面的結(jié)構(gòu)較為疏松。而圖2A2、B2中的SPI/PVA/NCC復(fù)合膜的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)表面更加舒展平整，呈現(xiàn)出更均勻和更致密的橫截面，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更強(qiáng)，這是因?yàn)镹CC有很強(qiáng)的填充作用[6]。且從圖2A3、B3可以看出，經(jīng)超聲處理后的SPI/PVA/NCC復(fù)合膜表面形貌均勻光滑，內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，無(wú)明顯的孔洞、裂紋，這可能是因?yàn)槌曁幚磉M(jìn)一步提高了材料的溶解度，使成膜物質(zhì)相互之間混合得更加均勻[31]，從而使薄膜內(nèi)部形成更緊密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這種作用導(dǎo)致更多反應(yīng)中心的形成和暴露，能加速化學(xué)反應(yīng)的速率，使大分子彼此重新結(jié)合，形成各種非極性鍵。韋小英等[25]的研究結(jié)果表示經(jīng)超聲處理后的大豆蛋白膜相較于未經(jīng)超聲處理的大豆蛋白膜表面未見(jiàn)空隙及細(xì)紋，結(jié)構(gòu)致密，與本研究結(jié)果一致。

2.3.3 膜的接觸角分析結(jié)果

圖3 3 種膜的接觸角Fig. 3 Contact angles of three kinds of films

從圖3中可以看出，純SPI膜、SPI/PVA/NCC復(fù)合膜、超聲處理SPI/PVA/NCC復(fù)合膜接觸角分別為96.1°、106.3°、130.2°，由此可知3 組復(fù)合膜的疏水性能由高到低排列為：超聲處理SPI/PVA/NCC復(fù)合膜＞SPI/PVA/NCC復(fù)合膜＞純SPI膜，這可能是由于加入PVA與NCC分子使復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，蛋白質(zhì)表面親水基團(tuán)被破壞。同時(shí)由于超聲處理使NCC分子均勻地穿插到SPI與PVA分子中，NCC與其他分子之間的黏合程度較高，復(fù)合膜緊密性增強(qiáng)，裸露在外的親水基團(tuán)也逐漸減少，疏水性能提高，進(jìn)而使復(fù)合膜的接觸角增大[32]。

綜上，經(jīng)超聲處理的SPI/PVA/NCC復(fù)合膜包裝性能最佳，具有較高的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率，保證其作為包裝膜的基礎(chǔ)機(jī)械性能，對(duì)果蔬產(chǎn)生保護(hù)作用；具有較高透光率，可以透過(guò)膜觀察貯藏期間果蔬的感官質(zhì)量；具有一定的阻濕性、阻氣性，減少果蔬內(nèi)部水分散失，可抑制氧氣向果蔬內(nèi)擴(kuò)散，同時(shí)抑制二氧化碳的溢出，使果蔬處于一個(gè)適合貯藏的氣調(diào)環(huán)境中，影響其呼吸代謝活動(dòng)，阻礙其蒸騰作用。因此符合果蔬包裝對(duì)薄膜材料的要求。

2.4 不同膜對(duì)圣女果的保鮮效果

圣女果內(nèi)含糖、有機(jī)酸和多種維生素等營(yíng)養(yǎng)成分，但在貯藏、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)中容易出現(xiàn)失水、營(yíng)養(yǎng)損失，造成外形褶皺和口感欠佳，為延緩營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗，延長(zhǎng)貨架期，將不同種類包裝膜對(duì)圣女果進(jìn)行包裝并進(jìn)行保鮮實(shí)驗(yàn)。其中質(zhì)量損失率、硬度、可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)、VC含量等參數(shù)很大程度上反映了果蔬的新鮮程度和品質(zhì)。

2.4.1 質(zhì)量損失率的變化

圖4 圣女果在貯藏過(guò)程中的質(zhì)量損失率變化Fig. 4 Changes in mass loss rate in cherry tomatoes during storage

從圖4可知，圣女果的質(zhì)量損失率隨貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，主要是因?yàn)槭ヅ械乃滞ㄟ^(guò)蒸騰作用逐漸變成氣體，也會(huì)通過(guò)呼吸作用消耗積累的有機(jī)物，為自身的生理活動(dòng)提供所需能量，而復(fù)合膜包裝可有效抑制圣女果所處環(huán)境的含水量，達(dá)到保鮮的效果[33]。E組膜包裝的圣女果質(zhì)量損失率最低，是由于在純SPI膜中添加PVA和NCC能夠有效地加強(qiáng)分子間作用力，提高復(fù)合膜的致密性。同時(shí)超聲處理的SPI/PVA/NCC復(fù)合膜有很強(qiáng)的水分屏障作用，減慢了圣女果與外界水分交換，創(chuàng)造了一個(gè)相對(duì)高濕度環(huán)境，從而能減少水分流失，防止圣女果褶皺、萎蔫。

2.4.2 硬度的變化

圖5 圣女果在貯藏過(guò)程中的硬度變化Fig. 5 Changes in hardness of cherry tomatoes during storage

從圖5可知，圣女果的硬度隨貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。導(dǎo)致硬度下降的主要原因是果實(shí)細(xì)胞內(nèi)淀粉的降解，引起細(xì)胞膨脹壓的降低，以及構(gòu)成細(xì)胞壁的主要成分——果膠質(zhì)的轉(zhuǎn)化[34]。在貯藏過(guò)程中硬度變化最小的是市售聚乙烯包裝組和經(jīng)超聲處理的SPI/PVA/NCC復(fù)合膜包裝組，這可能與這兩種膜具有良好的阻氣性、阻濕性有關(guān)，它能夠降低圣女果失水速率，阻礙其與外界氣體交換，創(chuàng)造出一個(gè)低O2、高CO2適合圣女果貯藏的氣體環(huán)境，根據(jù)宋賢良等[35]的研究結(jié)果可知，膜內(nèi)低O2、高CO2環(huán)境可有效抑制圣女果的呼吸作用，使淀粉類多糖的代謝和果膠物質(zhì)的轉(zhuǎn)化速率減慢，從而有效延緩組織軟化，保持圣女果的硬度。

2.4.3 可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

圖6 圣女果貯藏過(guò)程中的可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化Fig. 6 Changes in soluble solids content of cherry tomatoes during storage

從圖6可知，圣女果中的可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)而稍有下降，但可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)在果蔬的成熟過(guò)程中逐漸增加，在衰老的過(guò)程中可能出現(xiàn)下降[36]，說(shuō)明各組圣女果均處于衰老過(guò)程。因?yàn)槭ヅ谫A藏時(shí)淀粉轉(zhuǎn)化的糖原不足以補(bǔ)充呼吸消耗的可溶性糖類物質(zhì)[37]，因此可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，整個(gè)貯藏期間，經(jīng)包裝膜處理的可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于空白對(duì)照組，其中市售聚乙烯包裝組和經(jīng)超聲處理的SPI/PVA/NCC復(fù)合膜包裝組圣女果的可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)更高，可能由于這兩組膜的阻隔效果較好，降低了圣女果代謝活性，更好地保持了可溶性固形物的含量[38]。

2.4.4 VC含量的變化

圖7 圣女果貯藏過(guò)程中的VC含量變化Fig. 7 Changes in vitamin C content of cherry tomatoes during storage

從圖7可知，圣女果的VC含量隨貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)呈先升高后降低的趨勢(shì)，第3天VC含量達(dá)到峰值后迅速下降，到第6天后下降緩慢。貯藏前期VC含量升高歸因于圣女果在收獲后的后熟效應(yīng)，VC含量隨其成熟而增加[39]；此后，由于高呼吸速率，VC因被氧化其含量逐漸下降[39]。盡管市售包裝膜包裝的圣女果在貯藏過(guò)程中VC含量都高于其他4 組，但超聲處理的SPI/PVA/NCC復(fù)合膜也能較好地保持VC含量，原因是添加適當(dāng)比例的NCC和PVA可以使復(fù)合膜具有良好的阻氧能力，抑制了番茄與外界環(huán)境之間的氧交換，有效地阻止了VC的氧化，導(dǎo)致圣女果中留存了更多的VC。

3 結(jié) 論

本研究確定了SPI/PVA/NCC復(fù)合膜的最佳成膜工藝條件：SPI添加量3.0%、m（PVA）∶m（NCC）1∶2、超聲功率40 W、超聲時(shí)間20 min、超聲溫度60 ℃。通過(guò)X射線衍射、掃描電子顯微鏡對(duì)復(fù)合膜進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果表明PVA和NCC的添加使復(fù)合膜的表面平整光滑，內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，構(gòu)成穩(wěn)定的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而超聲處理可以改變復(fù)合膜的晶體結(jié)構(gòu)，使各物質(zhì)的分子之間具有較好的相容性，而且能顯著提高復(fù)合膜的機(jī)械性能及阻隔性能。同時(shí)通過(guò)對(duì)其進(jìn)行接觸角分析，證明了超聲處理可破壞復(fù)合膜表面親水基團(tuán)，有效提高其疏水性能。由圣女果的貯藏實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，經(jīng)超聲處理的SPI/PVA/NCC復(fù)合膜能有效保持圣女果的品質(zhì)，減緩其生理變化，延長(zhǎng)其貨架期，但與市售保鮮膜相比，超聲處理的SPI/PVA/NCC復(fù)合膜仍存在一些差距，其制備工藝有待進(jìn)一步完善，以期適宜應(yīng)用于大豆蛋白膜的工業(yè)生產(chǎn)，為大豆蛋白膜的進(jìn)一步研究提供技術(shù)參考。