纤维素纳米晶体增强草莓胶保存的阿拉伯树胶基纳米复合薄膜的开发外文翻译资料

 2022-08-07 15:08:28

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纤维素纳米晶体增强草莓胶保存的阿拉伯树胶基纳米复合薄膜的开发

康树芳，肖亚清，郭新宇，黄爱云，徐怀德

西北农林科技大学食品科学与工程学院，陕西杨凌712100

摘要：本研究旨在开发一种基于纤维素纳米晶体（CNC）增强的阿拉伯树胶（GA）的新型生物纳米复合膜。CNC已经成功制备，并对其微观结构进行了表征。随后，系统地评估了CNC对GA基薄膜的流变，理化和功能特性的影响。结果表明，与GA膜（1.08 MPa和42.50％）相比，4％（w / w）CNC的膜的拉伸强度（2.21 MPa）和断裂伸长率（62.79％）得到有效提高。此外，4％的CNC使水蒸气和氧气的渗透率分别降低了10.61％和25.30％，同时提高了薄膜的紫外线阻隔性和热稳定性。纳米填料的良好分散和填充效果有助于形成致密且均匀的薄膜结构。此外，与对照组相比，含有4％CNC的薄膜将草莓的重量减少了23.80％，从而延迟了草莓在贮藏过程中品质的下降。

关键字： 可生物降解的包装；阿拉伯树胶；纤维素纳米晶体；纳米复合膜；理化性质

1.简介

如今，人们对食品安全和环境保护的意识日益增强，基于生物的食品包装薄膜由于其安全性和可生物降解性而受到了广泛的关注。迄今为止，多糖，蛋白质，脂质等已被广泛用作天然食品包装的主要材料（Liu，Chang，Chen，Xu，Ma和Zhong，2020年）。其中，对壳聚糖，果胶，淀粉和魔芋葡甘露聚糖等多糖在食品包装薄膜中的应用进行了很多研究（Chaichi，Hashemi，Badii和Mohammadi，2017年; Lei et al，2019年; Nguyen，Nguyen;2020;Yan et al，2020）。然而，由于纯多糖膜具有亲水性，因此存在一些缺点，如机械强度弱，阻隔性能差和与水的亲和力高（Sun，Jiang，Wu，Tong，Pang和Wu，2020 ）。因此，通常将天然聚合物与其他增强填料共混以产生具有更高拉伸强度和疏水性的复合膜。

阿拉伯树胶（GA）是一种天然阿拉伯半乳聚糖蛋白型多糖，得自相思树种的茎和枝。它是一种安全，中性或可食用成分的酸性盐，产量高且价格低（Tahsiri，Mirzaei，Hosseini和Khalesi，2019年）。由于具有两亲性和良好的成膜性，GA长期以来广泛用作乳化和微胶囊壁材料的食品添加剂。但是，GA在食品涂层和包装膜中的应用很少。实际上，纯GA膜的机械强度弱，阻隔性能差，浇铸和干燥后的亲水性高，这是由于其高支化度导致的，与分子状聚合（Aphibanthammakit，Nigen ，Gaucel，Sanchez和Chalier，2018年）。因此，增强GA膜的性能对于拓宽其应用空间具有重要意义。

近年来，由于其来源广泛，成本低，相容性和生物可降解性高，表面活性和结晶度高，机械和热性能优越，CNC已被广泛用作纳米增强剂（Lee，You，Jin，＆Kwak，2020）。CNC是直径为1–50nm，长度为几百纳米的针状或棒状纤维素颗粒，大多数是通过酸水解制备的（Lee等人，2020年）。它的纳米级尺寸导致高的长径比和比其微米级对应物更多的表面原子暴露出来，因此，纳米纤维素和亲水性聚合物之间的相互作用由于其强大的界面结合能力而变得更强。大量研究证明，添加适量的CNC可以增强生物聚合物材料（基于蛋白质和基于多糖的薄膜）的疏水性，机械强度和阻隔性能，并且还可以延长食品的货架期（Dehnad， Mirzaei，Emam-Djomeh，Jafari和Dadashi，2014年； Ma，Hu和Wang，2016年； Wang，Shankar和Rhim，2017年； Xiao，Liu，Kang，Wang和Xu，2020年）。

在食品工业中，GA已被广泛用作食品添加剂，但是很少有研究以GA为主要原料的包装膜。据我们所知，尚无关于使用CNC增强基于GA的薄膜的报道。基于GA的包装材料的开发及其在食品领域的应用将非常有趣和有意义。在这里，我们假设加入CNC可以改善GA基质的成膜性。当前工作的目的是评估不同含量的CNC对GA基膜的基本性能的影响，GA和CNC在聚合物基质中，包括流变，机械，水蒸气和氧气的阻隔性，光学和微观形态，以及分析可能的相互作用机理。

2.材料和方法

2.1材料

GA（药品级）由Klamar-Reagent Co.，Ltd.（中国上海）提供。增塑剂甘油（分析级）购自科龙化工有限公司（中国四川成都）。其他所有试剂均为此工作中使用的分析纯。

2.2 CNC的生产与表征

根据方法（Xiao，Liu，Wang，Li，Lei，＆Xu，2019）由麦麸通过硫酸水解制备CNC。首先，原料小麦麸用蒸馏水洗涤，以除去水溶性物质，在一个在60烘箱中干燥◦下进行24小时，并研磨成粉末，以通过40目筛子。之后，所得材料依次通过乙醇洗涤和酶水解除去脂溶性杂质和淀粉，然后用NaOH（5％，w/v）处理和NaClO2。为了在酸水解之前分离纤维素组分，进行了（1.5％，w/v）漂白。随后，将样品用去离子水洗涤以达到约7.0的pH值，并冷冻干燥以获得纤维素。此后，麦麸纤维素分散在64％（w/w的）H2SO4溶液在45℃在恒定搅拌下于60℃保持60分钟。通过用10倍的冷去离子水稀释悬浮液并以12000rpm离心10分钟来终止反应，然后用去离子水连续渗析直至获得中性pH。最后，将CNC悬浮液超声处理20分钟并冻干以进一步表征。使用透射电子显微镜（TEM，JEM-1230，JEOL，日本）在80kV下观察CNC的微观形态。CNC的尺寸是使用Nano Measurer软件通过100个随机选择的颗粒来计算的。

2.3 制备GA基薄膜

基于GA的薄膜是使用已报道的方法（Liu等人，2020年）制备的，并进行了一些修改。6％（w/v）的GA溶液包含50％（w/w，以GA为基础）甘油和不同含量的CNC（0％，2％，4％，6％和8％，w/w，GA的基础上）与转子定子模型（IKA混合reg;T18数字，ULTRA-TURRAXreg;，德国）在10000rpm下使其均匀5分钟，然后在80℃搅拌2小时。在冷却至室温后（25℃），将获得的膜形成溶液（15毫升）的混合物在50铸造成一个9厘米直径的培养皿上，然后干燥48小时。

2.4成膜溶液的流变学测量

使用发现HR-1流变仪（TA仪器，USA），在25配备有锥板系统（直径为40毫米，1毫米的间隙）中进行膜形成溶液的粘弹性特性的动态测量。寄存在0.1％的固定应变下以0.1至100rad/s的角频率记录弹性模量，损耗或粘性模量和复数粘度。

2.5基于GA的薄膜的表征

2.5.1机械性能

使用质地分析仪（TA.XT.plus，英国）评估薄膜样品（18times;60mm）的拉伸强度（TS）和断裂伸长率（EAB）。膜样品以20mm的初始抓地力间距和3.0 mm/s的十字头速度拉伸。TS（MPa）和EAB（％）分别通过公式（1）和（2）计算：

TS = F/A

（1）其中F（N）表示施加到薄膜样品的最大力

A（m2）代表膜带的初始横截面积

EAB =Delta;L/Ltimes;100

（2）其中，Delta;L（m）是断裂距离的增加，L（m）是胶卷夹之间的原始长度

使用数字千分尺（Meinaite Tools，Shanghai，China）在薄膜样品的10个随机点上以0.001mm的精度确定薄膜厚度（Tahsiri等，2019）。

2.5.2水分含量和水接触角（WCA）

将称重的薄膜片在105℃下干燥恒重，并再次称重。水分含量（％）用重量损失除以干燥前的重量表示（Reddy ＆Rhim，2014）。

将膜切成小块（20times;20mm），放在WCA测试仪（JY-PHb，金河仪器，承德，中国）的水平可移动板上。10mu;每去离子水滴L的沉积的膜表面上，并在所述薄膜表面的不同区域五次测量收集角度。

2.5.3屏障性能

根据先前报道的研究（Reddy ＆Rhim，2014），通过杯法评估了水蒸气透过率（WVP），并做了一些小改动。将膜直接密封在装有18 mL去离子水的玻璃杯（直径20mm，深度75mm）中。将杯子称重，然后将其放在25℃和50％相对湿度的受控培养箱中。每隔6小时测量一次杯子的重量损失，持续时间为48小时。WVP（g Pa-1s-1m-1）通过以下等式

  1. 计算：WVP =（Delta;mtimes;L）/（Delta;ttimes;Atimes;Delta;p）

其中，Delta;m（g）代表测试杯的重量损失，L（m）代表平均膜厚，Delta;t（s）代表涂膜的持续时间。试样杯中的重量损失，A（m2）代表膜样品的渗透面积，Delta;p（Pa）代表分蒸气压。

薄膜的氧气阻隔能力是根据Yu等人（2005年）报道的方法间接测定的。（2017）。简单地说，该膜覆盖在含有新鲜玉米油（25毫升）中并在70℃的烧杯中进行7天。接下来，通过中国国家标准（GB/T 5538-2005 ）检查了玉米油样品的过氧化值（POV）。

2.5.4光学性质

通过比色计（Minolta，CM-5，日本）以及Hunter L*a*b*色彩空间评估了GA基膜的表面颜色变化。评估颜色参数L*（亮度），a*（绿色/红色）和b*（蓝色/黄色）以表征胶片的颜色。总色差（Delta;E）由公式（4）计算：

Delta;E＝[（（Delta;L*）2 （Delta;a*）2 （Delta;b*）2 ]0.5

（4）在紫外可见分光光度计（UV-2550，日本岛津，日本）上记录了基于GA的薄膜的透光率，其波长范围为200–800nm。600nm处的透射率百分比用于评估膜样品的不透明度。

2.5.5热性能

使用氮气环境下的热重分析仪（TGA 5500，TA公司，USA）通过加热从30到800，确定基于GA-膜的热稳定性◦C和10的速率℃/分钟（曼德尔 ＆恰克拉巴提，2015年）。

2.5.6 X射线衍射（XRD）

的X射线衍射装置（理学电机的Ultima IV，日本）中的溶液用Cu K操作alpha;辐射在40kV和40mA。XRD分析在5minus;90◦（2theta;）范围内以10◦/ min的间隔进行（Xiao et al，2020）。

2.5.7衰减全反射-傅立叶变换红外光谱（ATR-FTIR）

使用配备了衰减全反射（ATR）附件的光谱仪（iS50，美国赛默飞世尔）来识别GA基薄膜成分之间的相互作用。许多32次扫描，在4cm -1的光谱分辨率进行- 1，并收集每个光谱在波数范围从4000-550厘米- 1（Xiao等人，2020）。

2.5.8形态测定

使用S-3400 N扫描电子显微镜（SEM，日本东京，日立）在5.0 kV加速电压和1000times;放大倍数下观察GA基薄膜的表面和横截面显微结构。使用液氮将样品冷冻（Tahsiri et al，2019 ），并在观察前涂铂金涂层。

通过原子力显微镜（AFM，Nanoscope V，布鲁克，美国）研究了基于GA的薄膜的表面形貌。样品的AFM图像是在攻丝模式下使用氮化硅针尖获得的。通过NanoScope软件分析表面粗糙度参数。

2.6应用测试

使用一批新鲜草莓进行包装实验。将大约2公斤大小相似，成熟度相似，没有任何损坏或腐烂的水果分为六组。五组草莓样品包装有GA薄膜，其中包含不同浓度的CNC，其余的草莓样本用作对照组，无包装。将所有样品储存在4℃下用50％的相对湿度9天，定期测量的果实品质。

2.6.1减肥

水果重量的损失是指初始重量与第0、1、3、6和9天测试的重量之间的变化。重量损失表示为基于0天保存时间记录的原始重量的百分比损失（Jiang等，2019）。

2.6.2 肤色

使用比色计（Minolta，CM-5，日本）评估草莓皮肤的颜色，以获得L*（亮度），a*（红色）和b*（黄色）值，分别记录在每个皮肤上一式三份草莓和0天的草莓作为标准样品（Velickova，Winkelhausen，Kuzmanova，Alves和Moldao-Martins，2013年）。使用等式（4）计算总色差Delta;E 。

2.6.3 牢固度

根据报道的条件（Nguyen等，2020 ），使用稳定的微型系统（TA.XT.plus，英国）检查了草莓的硬度。选择了直径为2mm的P/2探针。测试速度为2mm/s，按压距离为10mm。

2.6.4 总可溶性固形物

TSS的分析通过袖珍折光仪（日本PAL-1）进行分析。使用研钵在不同的采样日期将每组的三个草莓均质化以进行测试（Jiang等，2020 ）。

2.7 统计分析

数据使用Statistix 8.0软件（美国分析软件）通过单向方差分析（ANOVA）进行分析，并表示为平均值plusmn;标准差。通过Tukey检验分析平均值的显着性差异，显着性plt;0.05。

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