纖維素粒徑對膠原纖維膜性能的影響

田海龍 高穎 邢振雷 徐利 劉坤 劉飛 陳茂深

摘要：因天然腸衣存在來源有限、加工繁瑣以及質量不穩定等問題，機械化程度高、質量穩定的膠原腸衣已被廣泛應用于腸衣加工等肉制品工業中。但國內膠原腸衣生產起步較晚，腸衣還存在強度不夠、應用品質較差等問題，本研究以期通過纖維素共混的方式來改善膠原腸衣的特性，探索纖維素粒徑對膠原腸衣的影響規律及機制。測定膠原纖維膜的物化特性和應用掃描電子顯微鏡（SEM）等手段，觀測添加不同尺寸和添加量的纖維素共混膠原纖維膜中纖維素以及膠原纖維的排列結構;運用傅里葉紅外光譜（FTIR）分析、X射線衍射儀（XRD）、差示掃描量熱儀（DSC）等手段分析測定膠原纖維膜的結構特點和熱穩定性;結合膠原膜宏觀理化特性和微觀結構的特點，分析不同粒徑纖維素對膜性能影響規律及其原因。結果表明，添加200 PF纖維素的膜樣品具有最致密、光滑的微觀結構，且表現出了最好的性能，其中濕態和水煮拉伸強度分別提高260%、50%，而熱變性溫度升高了約10 ℃。本研究以期將其應用于膠原纖維腸衣的實際生產中，為其品質的提高提供技術指導。

關鍵詞：膠原纖維膜;纖維素;熱收縮率;熱溶脹率;力學性能;微觀結構

中圖分類號： TS206.4文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）18-0198-07

收稿日期：2020-05-22

基金項目：國家自然科學基金（編號：31801589）;江蘇省自然科學基金（編號：BK20180615）。

作者簡介：田海龍（1985—），男，山東青島人，碩士，主要從事再造煙葉工藝技術研究、質量管理。E-mail：thl2003@126.com。

通信作者：劉?飛，博士，副研究員，主要從事可食用膜研究。E-mail：feiliu@jiangnan.edu.cn。

膠原蛋白是一種豐富的動物源蛋白，主要存在于動物皮、骨和結締組織中，由于具有獨特的天然螺旋結構、弱抗原性、良好的生物相容性以及來源豐富等一系列優良性能，使得膠原蛋白具有廣泛的用途[1-2]。近年來，由于合成塑料包裝膜材料引起的環境問題日益嚴峻，開發可再生、可降解的環境友好型天然生物大分子可食用膜材料替代合成塑料包裝、減少白色污染已成為當今食品包裝領域的一種新趨勢[3]。膠原蛋白作為一種天然的生物材料，越來越多地被研究用于包裝行業，如可食用包裝膜、人造膠原蛋白腸衣等[4-5]。

牛皮來源的膠原纖維具有良好的成膜性和食用價值，因而工業中采用牛皮膠原作為原料制備人造腸衣，能夠通過纖維之間的排列和側鏈基團間的相互作用形成更為緊密的空間網絡結構[6]。膠原蛋白分子具備獨特的三螺旋結構，可以構成抗拉強度很大的纖維束，因而纖維膜具有一定的機械性能[7]。

但在實際應用過程中，由于香腸生產操作強度高，純的膠原蛋白制備的腸衣不足以滿足機械強度需求，有研究指出，纖維素可作為增強劑，與膠原蛋白復合制得的可食用膜的性能會有很大的提高[8-9]。因而工業生產膠原蛋白腸衣時，多將纖維素用作改良劑，通過它們之間的協同作用能夠有效提高復合膜的機械性能和阻隔性能[10-11]。然而，工業中的纖維素種類繁多，粒徑不同，其性質差異也較大[12]。但不同粒徑的纖維素對腸衣性質的影響尚不清晰。

本研究擬通過制備添加不同粒度纖維素的膠原纖維膜樣品，測定不同樣品的熱收縮率、熱溶脹率、干濕煮3種狀態下的抗拉強度和斷裂延伸率，同時對不同樣品的微觀結構、膠原纖維堆積密度、熱穩定性和分子間的相互作用強度進行分析，研究纖維素的粒度對膠原纖維腸衣膜宏觀性質和微觀結構的影響，以及纖維素與膠原纖維之間的相互作用。以期深入了解和闡述膠原纖維膜的組織、結構以及二者之間的關系，另一方面希望能夠為改善膠原纖維腸衣的特性、推動膠原纖維腸衣產業的進步提供技術思路。

1?材料與方法

試驗于2019年9—11月在江南大學膠華實驗室進行。

1.1?材料與試劑

牛二層皮原料，由北京秋實農業股份有限公司提供。甘油、濃鹽酸、氨水及其他試劑，均購自國藥集團化學試劑有限公司。不同粒徑的纖維素（軟木纖維、200植物纖維（PF）纖維素、300PF纖維素、500PF纖維素）購自美國FMC公司，具體參數見表1。

1.2?儀器設備

電熱恒溫鼓風干燥箱，購自上海森信實驗儀器有限公司;電子分析天平，購自梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司;Panda Plus高壓均質機，購自德國GEA公司;Fisco-1S真空攪拌脫氣機，購自德國Fluko公司;Discovery DHR-3旋轉流變儀，購自美國TA公司;物性分析儀，購自英國SMS公司;X射線衍射儀，購自德國布魯克AXS有限公司;傅立葉紅外光譜儀（Nicolet IS50 FT-IR），購自美國賽默飛世爾科技公司;差式掃描量熱儀，購自德國耐馳儀器制造有限公司;TA.XTPlus物性分析儀，購自源順國際有限公司;亞克力干燥箱，購自飛世爾實驗器材（上海）有限公司。

1.3?試驗方法

1.3.1?膠原纖維膜的制備

將洗凈牛皮剪成 1 cm×1 cm小塊，將切塊后的牛皮與2.5倍碎冰放入高速粉碎機中粉碎得皮漿。將9.3 g鹽酸、25 g甘油加入1 000 mL容量瓶配制pH值為2的酸液并定容。將皮漿分別與等質量的含0.5%（質量分數）軟木纖維、200PF纖維素、300PF纖維素、500PF纖維素的酸液混合，并用懸臂攪拌器攪拌約5 min使其混合均勻。在4 ℃條件下，酸化膨脹18～24 h。在膠團中加入9倍質量的去離子水，使用懸臂攪拌器攪拌至均勻狀態，經30 MPa高壓均質機均質1次后使用高速冷凍離心機在4 000 r/min條件下脫氣 5 min。準確稱量40 g脫氣后膠原稀溶液于平板中，置于30 ℃烘箱干燥36 h，成膜后將其置于恒溫恒濕箱內平衡72 h。以不添加纖維素的膠原纖維膜作為對照。

2.3?不同纖維素對膠原纖維膜干、濕、煮狀態機械特性的影響

由于在實際生產中，膠原纖維腸衣須要經受灌腸等內容物對腸衣壁的機械擠壓作用，因此要具備一定的抗拉強度和耐拉伸性[14]。但抗拉強度和斷裂伸長率與膠原纖維腸衣的性能并不是完全呈正相關關系。強度不足時，容易出現腸衣破裂，而過高的抗拉強度則會降低食用品質，過大的斷裂伸長率可能會出現咬不斷的現象[15]。使用物性分析儀對所制備的膜樣品不同狀態的抗拉強度和斷裂延伸率進行測定，從圖3可以看出，添加4種纖維素后，膜樣品在干狀態下的抗拉強度都有了不同程度的下降，說明不同粒徑纖維素均會破壞膠原纖維膜的結構，且軟木纖維的影響最大。但在濕狀態或煮1、10 min狀態下，添加纖維素的抗拉強度大多大于對照組，說明在濕熱處理時，纖維素的添加可緩解膠原纖維膜樣品機械強度的下降。這可能是由于纖維素可以緩解膠原纖維結構的破壞。對于斷裂延伸率而言，在干狀態下，200PF和500PF的纖維素對膠原膜的斷裂延伸率略有提升。添加軟木纖維的膜樣品在濕狀態下展現出很大的斷裂延伸率，可能是因為軟木纖維與膠原纖維的相容性較好，形成了較好的融合[8]。添加纖維素后的膜樣品隨著水煮時間的延長，斷裂延伸率均明顯降低，其中500PF纖維素的膜樣品下降的程度最大，這可能是纖維素的加入使得膜樣品中的膠原纖維更容易在水煮時被破壞，而粒徑越大（500PF）破壞程度越大?？傮w而言，添加200PF纖維素對膜樣品的積極影響最大，特別是在煮較長時間下，表現出較好的力學性能。

2.4?不同纖維素對膠原纖維膜微觀形貌的影響

各膠原纖維膜樣品掃描電鏡圖像見圖4，由上至下依次為對照組、軟木纖維、200PF纖維素、300PF纖維素、500PF纖維素處理?？瞻捉M表面較為平整，無明顯氣孔及裂紋等缺陷，也存在部分膠原纖維聚集形成的小凸起。試驗組在放大倍數為100倍情況下可以看到膜樣品表面的纖維素凸起;在1 000倍狀態下可以更為清晰地看出幾種纖維素的形態，添加軟木纖維素的膜樣品較為粗糙，可能是由于其粒徑較小，更容易發生聚集。200PF纖維素和300PF纖維素的加入使膜樣品變得較為致密。在10 000倍下可以觀察到添加200PF纖維素的膜樣品，膠原纖維聚集情況有所改善。而500PF纖維素可能由于粒徑過大，使得膜表面隆起，從而使得膜表面變得粗糙。

2.5?不同纖維素對膠原纖維膜傅里葉紅外光譜的影響

從圖5可以看出，膜樣品在4 000～2 500 cm-1 的區域（氫鍵區）有3個膠原蛋白的特征峰，包括酰胺A譜帶（3 310～3 290 cm-1）、酰胺B譜帶（3 070～3 060 cm-1）和—CH2不對稱伸縮振動峰（2 930～2 920 cm-1）。N—H和O—H等2種共價鍵的伸縮會引起酰胺A譜帶變化，而酰胺A對膠原蛋白的三股螺旋結構比較敏感[16]，在膜樣品添加不同種類纖維素后，酰胺A譜帶幾乎無變化，表明所制備的膠原纖維膜中加入其他纖維素并沒有生成新的官能團，膠原纖維的三股螺旋構型特征沒有改變[11]。

在1 700～1 200 cm-1的區域有酰胺Ⅰ譜帶（1 650～1 640 cm-1）、酰胺Ⅱ譜帶（1 550～1 540 cm-1）以及酰胺Ⅲ譜帶（1 250～1 240 cm-1）的出現，它們都是膠原蛋白的特征峰。其中酰胺Ⅰ譜帶為CO以及CN的伸縮振動峰，對膠原蛋白的三股螺旋結構變化較為敏感[17]，加入幾種纖維素后，酰胺Ⅰ譜帶均變得更加尖銳，說明引起了CO鍵的伸縮振動;酰胺Ⅱ譜帶與三股螺旋結構相關性較小，在纖維素加入后也變得更加尖銳，說明幾種纖維素與膠原纖維之間均有氫鍵作用，影響最大的是500 PF纖維素;酰胺Ⅲ譜帶中C—N的拉伸振動，以及膠原蛋白的甘氨酸主鏈中—CH2基團都會引起酰胺Ⅲ譜帶的變化，由FTIR圖可以看出，纖維素的添加在一定程度上影響了膠原蛋白分子間的相互作用[10]，其中最顯著的為軟木纖維，這與膜樣品干態的力學性能具有一致性。

2.6?不同纖維素對膠原纖維膜的X射線衍射圖譜的影響

采用X射線衍射分析可以確定不同膠原纖維分子的結構，也能顯示出膠原中三股螺旋的含量[18]。從圖6可以看出，膠原纖維膜樣品均具有2個明顯的特征峰，分別為2θ=8.32°的尖銳的峰和2θ=17.26° 時的寬峰。 與對照組相比， 添加纖維素的膜樣品在2θ=22.84°處有較為尖銳的特征峰，此處顯示的為4種纖維素的結晶度，最為明顯的是300PF纖維素，可以看出在纖維素與膠原纖維形成的聚合物結晶度會發生變化。2θ=8.32°附近的峰與三股螺旋結構有關，其峰強度與膜樣品中三股螺旋結構的含量呈正相關。在加入軟木纖維后對該特征峰無明顯影響，表明纖維素的添加對膠原纖維的三股螺旋結構影響較小，主要為物理填充和網絡結構增強作用[11]，此結果與FTIR圖譜所顯示的結果一致。

2.7?不同纖維素對膠原纖維膜熱穩定性的影響

采用差示掃描量熱儀對該組膜樣品的熱性能進行測定，從圖7可以看出，所有膜樣品都有1個吸收峰，為膠原纖維的三股螺旋結構轉化為雜亂無序的單鏈結構的轉化峰，峰值溫度的變化與膠原纖維分子的降解過程密切相關[18-19]，此溫度均為90 ℃左右，說明膠原蛋白發生了熱變性，這與相關報道中膠原纖維的變性溫度[18]基本一致。

繼續升高溫度，膜樣品也不再出現突變峰，形成一條較為平滑的線，表明纖維素也是在90 ℃左右發生了熱變性。纖維素的加入對膜樣品的熱穩定性起到了積極作用，其中最有效的是500PF纖維素，它使得峰值溫度由81.95 ℃升高到93.49 ℃（表2）。這可能是因為纖維素的熱穩定性高，復合后能夠增強整體的熱穩定性，且粒徑越大越穩定[8]。

3?討論與結論

本研究通過對添加不同種類纖維素的膜樣品的微觀結構進行觀測和物性進行測定，綜合分析可知，不同粒徑纖維素的添加可通過物理填充而降低膠原纖維膜的熱收縮率，但纖維素與膠原纖維之間排列形成的縫隙便于水分的滲入，從而增大了其熱溶脹率，且隨著纖維素粒徑的增大而更加明顯。無論哪種粒徑的纖維素，總體上均未改變膠原的三股螺旋結構，但提高了膠原纖維膜的濕、煮機械特性和熱穩定性，其中添加500PF的纖維素時，水煮 10 min 時機械特性下降明顯，而熱變性溫度提升最明顯，約為12 ℃。研究結果表明，200PF纖維素為最合適的種類，它對膜樣品的表面結構影響較小，同時跟膠原纖維形成較為緊密的結構，對膜的其他性質均有一定改善。

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