CN111004415B - 钝顶螺旋藻藻蛋白-壳聚糖复合膜、制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种钝顶螺旋藻藻蛋白‑壳聚糖复合膜、制备方法及应用。目的是为了解决现有的食品包装采用塑料制品，污染环境、危害人体健康的技术问题。技术方案是：一种钝顶螺旋藻藻蛋白‑壳聚糖复合膜，所述复合膜由钝顶螺旋藻藻蛋白和壳聚糖溶液组成，其中钝顶螺旋藻藻蛋白的质量体积百分浓度为0.5％‑1.0％。上述复合膜的制备方法，包括：提取钝顶螺旋藻藻蛋白；制备壳聚糖膜溶液；取钝顶螺旋藻藻蛋白溶于壳聚糖膜溶液中，配制成质量体积百分浓度为0.5％‑1.0％的溶液，经均质、真空脱气后浇注成膜，干燥揭膜，即制得钝顶螺旋藻藻蛋白‑壳聚糖复合膜。本发明制得的复合膜性能良好，可用于制备性能优良的可食用复合膜，成本低、无毒、无污染，具有可降解性和生物相容性。

Description

钝顶螺旋藻藻蛋白-壳聚糖复合膜、制备方法及应用
技术领域
本发明属于环保材料技术领域，具体涉及一种钝顶螺旋藻藻蛋白-壳聚糖复合膜、制备方法及应用。
背景技术
包装在食品贮存和销售过程中起着非常重要的作用，当前市面上主要采用塑料制品作为食品包装。它具有质量轻、价格低、强度高、耐腐蚀等优良特性，在食品包装领域具有广泛的应用。但塑料制品不易降解，塑料包装的大量使用给环境带来了严峻的“白色污染”，使土壤环境恶化，危害着人类的健康。由于人们的食品安全意识和环保意识的不断提高，新型天然活性包装材料越来越受到消费者的青睐。研究者们用动物、植物和微生物中提取的天然活性物质(如淀粉、纤维素及其衍生物、多糖、脂质、壳聚糖和蛋白质等)复合制备成的包装材料，具有可食性、成本低、无毒、无污染、可降解性和生物相容性等优点，因此利用天然材料研发出新品种的可食用膜材料已成为国内外食品包装行业发展的一个重要趋势，也是解决目前食品安全问题的关键。
壳聚糖又称壳多糖，它是多糖类生物大分子，有多种活性基团，具有较好的成膜性、降解性、可再生性和安全无毒性，同时对某些病菌生长有直接的抑制作用[3]。壳聚糖作为一种优质的基膜材料，已经引起了人们的高度重视，并被普遍的应用在食品保鲜保健、化妆品工业、医药、环保等领域。
钝顶螺旋藻(Spirulina platensis)又称钝顶节旋藻，是一种原核丝状蓝藻，属单细胞生物，颜色呈蓝绿色，其繁殖方式是二分裂繁殖，被人类认为是最理想的食物，其中的蛋白质、多糖、矿物质、维生素等的含量较为丰富，其蛋白质属于植物蛋白，含量高达70％，是人们公认的最佳蛋白质来源之一。钝顶螺旋藻藻蛋白中的氨基酸的种类很多，尤其是人类所必需的苏氨酸、色氨酸、赖氨酸等。钝顶螺旋藻中的藻蛋白因其具有水溶性好、易吸收、种类全的特点，所以钝顶螺旋藻藻蛋白作为天然活性剂掺入壳聚糖具有很高的应用价值。
以钝顶螺旋藻藻蛋白与壳聚糖制备的钝顶螺旋藻藻蛋白-壳聚糖复合膜未见报道。
发明内容
本发明的目的为了解决现有的食品包装采用塑料制品，污染环境、危害人体健康的技术问题，提供一种钝顶螺旋藻藻蛋白-壳聚糖复合膜、制备方法及应用，该复合膜可用于制备具有优良性能的可食用复合膜，作为食品包装材料，健康环保。
本发明所采用的技术方案是：
一种钝顶螺旋藻藻蛋白-壳聚糖复合膜，所述复合膜由钝顶螺旋藻藻蛋白和壳聚糖溶液组成，其中钝顶螺旋藻藻蛋白的质量体积百分浓度为0.5％-1.0％。
进一步地，所述复合膜的厚度为0.039-0.044cm。
上述复合膜的制备方法，包括以下步骤：
1)钝顶螺旋藻藻蛋白的提取
取钝顶螺旋藻粉，按料液比1:20g/mL加入10mmol/L磷酸盐缓冲液，经3000rpm搅拌0.5h后，然后分别在-18℃和38℃的温度条件下静置24h，并反复冻融三次；采用高速冷冻离心机在4℃、7000rpm下冷冻离心0.5h，取上清液，加入饱和度为50％的硫酸铵，在4℃放置24h盐析蛋白；将得到的蛋白沉淀再次用10mmol/L磷酸盐缓冲液溶解，置于截留分子量为12kD的透析袋中透析24h除去铵离子，即制得钝顶螺旋藻藻蛋白；
2)壳聚糖膜溶液的制备
取2g壳聚糖，用100mL 1％的乙酸溶液溶解，并加入1g甘油，在60℃水浴中磁力搅拌30min，制得壳聚糖膜溶液；
3)钝顶螺旋藻藻蛋白-壳聚糖复合膜的制备
取步骤1)制得的钝顶螺旋藻藻蛋白溶于步骤2)制得的壳聚糖膜溶液中，配制成质量体积百分浓度为0.5％-1.0％的溶液，经均质、真空脱气后，在成膜器上浇注成膜，经干燥24h后揭膜，即制得钝顶螺旋藻藻蛋白-壳聚糖复合膜，在温度25℃、相对湿度50％的干燥器中贮存。
进一步地，所述步骤1)中磷酸盐缓冲液的PH值为7.0。
进一步地，所述步骤2)中磁力搅拌的转速为100rpm。
上述钝顶螺旋藻藻蛋白-壳聚糖复合膜在食品包装材料中的应用。
本发明的有益效果是：
本发明以钝顶螺旋藻藻粉为原材料，用磷酸盐缓冲液循环冻融法提取藻蛋白，用不同浓度配比的藻蛋白和壳聚糖为原料制备复合膜，藻蛋白作为天然活性物质可以溶入壳聚糖，形成较为紧密的结构。制得的复合膜的物理性能(厚度、密度、溶解度、溶胀度、透明度和透光率)和机械性能(抗拉强度和断裂伸长率)良好，可用于制备性能优良的可食用复合膜，成本低、无毒、无污染，具有可降解性和生物相容性等优点。
附图说明
图1为本发明实施例1制得的钝顶螺旋藻藻蛋白-壳聚糖复合膜；
图2为本发明实施例2制得的钝顶螺旋藻藻蛋白-壳聚糖复合膜；
图3为本发明实施例3制得的钝顶螺旋藻藻蛋白-壳聚糖复合膜；
图4为对比例制得的不含钝顶螺旋藻藻蛋白的壳聚糖膜；
图5为复合膜的红外光谱图；
图6是复合膜的扫面电镜图(平面和截面)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
实施例1：制备钝顶螺旋藻藻蛋白-壳聚糖复合膜
1)钝顶螺旋藻藻蛋白的提取
取钝顶螺旋藻粉，按料液比1:20g/mL加入10mmol/L的PH值为7.0的磷酸盐缓冲液，经3000rpm搅拌0.5h后，然后分别在-18℃和38℃的温度条件下静置24h，并反复冻融三次；采用高速冷冻离心机在4℃、7000rpm下冷冻离心0.5h，取上清液，加入饱和度为50％的硫酸铵，在4℃放置24h盐析蛋白；将得到的蛋白沉淀再次用10mmol/L磷酸盐缓冲液溶解，置于截留分子量为12kD的透析袋中透析24h除去铵离子，即制得钝顶螺旋藻藻蛋白；
2)壳聚糖膜溶液的制备
取2g壳聚糖，用100mL 1％的乙酸溶液溶解，并加入1g甘油，在60℃水浴中磁力搅拌30min，搅拌转速为100rpm，即制得壳聚糖膜溶液；
3)钝顶螺旋藻藻蛋白-壳聚糖复合膜的制备
取步骤1)制得的钝顶螺旋藻藻蛋白溶于步骤2)制得的壳聚糖膜溶液中，配制成质量体积百分浓度为0.5％的溶液(100ml溶液中0.5g溶质)，经均质、真空脱气后，在成膜器上浇注成膜，经干燥24h后揭膜，即制得钝顶螺旋藻藻蛋白-壳聚糖复合膜，在温度25℃、相对湿度50％的干燥器中贮存。如图1所示，制得的复合膜为淡蓝色。
实施例2：制备钝顶螺旋藻藻蛋白-壳聚糖复合膜
取实施例1中步骤1)制得的钝顶螺旋藻藻蛋白溶于实施例1中步骤2)制得的壳聚糖膜溶液中，配制成质量体积百分浓度为0.75％(100ml溶液中0.75g溶质)的溶液，经均质、真空脱气后，在成膜器上浇注成膜，经干燥24h后揭膜，即制得钝顶螺旋藻藻蛋白-壳聚糖复合膜，在温度25℃、相对湿度50％的干燥器中贮存，如图2所示，制得的复合膜的颜色比实施例1中的略深。
实施例3：制备钝顶螺旋藻藻蛋白-壳聚糖复合膜
取实施例1中步骤1)制得的钝顶螺旋藻藻蛋白溶于实施例1中步骤2)制得的壳聚糖膜溶液中，配制成质量体积百分浓度为1.0％(100ml溶液中1.0g溶质)的溶液，经均质、真空脱气后，在成膜器上浇注成膜，经干燥24h后揭膜，即制得钝顶螺旋藻藻蛋白-壳聚糖复合膜，在温度25℃、相对湿度50％的干燥器中贮存，如图3所示，制得的复合膜的颜色比实施例2中的略深。
对比例1制备不含钝顶螺旋藻藻蛋白的壳聚糖膜
取实施例1中步骤2)制得的壳聚糖膜溶液适量，经均质、真空脱气后，在成膜器上浇注成膜，经干燥24h后揭膜，即制得不含钝顶螺旋藻藻蛋白的壳聚糖膜，在温度25℃、相对湿度50％的干燥器中贮存，如图4所示，制得的膜无色透明。
由图1-图4可以看出，随着钝顶螺旋藻藻蛋白浓度的增加，复合膜的颜色由浅到深，从膜的光滑程度看，随着钝顶螺旋藻藻蛋白浓度的增加，复合膜的光滑程度下降。
对实施例1-3及对比例1制备的膜进行物理性能测定。
1、厚度的测定
膜的厚度参照GB/T 6672—2011进行测定，结果如表1所示。
2、密度的测定
将膜切割成30mm×10mm，用电子分析天平称量得到膜的质量，并计算出其面积，用公式(1)计算膜的密度：
Figure BDA0002320448500000061
式(1)中，ρ-密度，m-样品质量，s-样品面积，d-样品厚度
结果如表1所示。
表1不同浓度钝顶螺旋藻藻蛋白对复合膜厚度和密度的影响
Figure BDA0002320448500000062
Mean±SD，n＝5；均值后上标的不同小写字母a-d表示同一列数据值的显著性差异(p<0.05)
由表1可知，添加螺旋藻蛋白对复合膜的厚度无显著性影响，但能够显著增加复合膜的密度(p<0.05)。当添加1.0％钝顶螺旋藻藻蛋白时，复合膜的密度较对比例1增加了85.6％。这说明藻蛋白分子与壳聚糖大分子交联，形成更紧密的结构，使单位体积上的质量增加，密度增大。
3、溶胀度的测定
将膜样品切割成30mm×30mm的正方形，用电子分析天平称重，然后将其放入盛有50mL的培养皿中浸泡24h，用滤纸擦去表面的水分，然后称重，用公式(2)计算膜的溶胀度：
Figure BDA0002320448500000071
式(2)中，w1-溶胀前的质量，w2-溶胀后的质量，结果见表2。
表2不同浓度钝顶螺旋藻藻蛋白对复合膜溶解度、溶胀度的影响
Figure BDA0002320448500000072
Mean±SD，n＝5；均值后上标的不同小写字母a、b表示同一列数据值的显著性差异(p<0.05)
由表2可知，与对比例1相比，复合膜有较低的溶胀度，随着钝顶螺旋藻藻蛋白浓度的增加，溶胀度不断降低，但不显著(p<5)。复合膜溶胀度的下降与其形成的紧密结构有关，致密交联结构在定程度上限制了复合膜吸收水分子的能力，进而降低复合膜溶胀度。
4、不透明度的测定
取样品膜在UV计600nm波长处测定OD值，每个样品重复测定5次，结果用公式(3)计算：
Figure BDA0002320448500000073
式(3)中：A600为膜在波长为600nm处的OD值；d为膜厚度/mm。结果见表3。
表3不同浓度藻蛋白对复合膜不透明度、透光率的影响
Figure BDA0002320448500000081
Mean±SD，n＝5；均值后上标的不同小写字母a-d表示同一列数据值的显著性差异(p<0.05)
由表3可知，对比例1的不透明度为1.1235Abs600·mm -1，添加藻蛋白复合膜的不透明度分别为2.765Abs600·mm -1、3.3822Abs600·mm -1及3.3822Abs600·mm -1，随着螺旋藻蛋白添加量的增大，复合膜的透明度在不断降低。由于钝顶螺旋藻蛋白是藻蓝蛋白，本身具有一定的颜色，与壳聚糖分子复合时，致使复合膜透明度降低；此外，藻蛋白分子与壳聚糖大分子能够形成的致密结构(见SEM结果)，同时也降低复合膜的透明度。
对实施例1-3及对比例1制备的膜进机械行性能测定。
采用GB/T 1040.3—2006《塑料拉伸性能的测定》方法，用CMT4202微机控制电子万能拉力机测定膜的抗拉强度和断裂伸长率。将膜裁成150mm×15mm的矩形，用螺旋测微器测膜的中心及四角的厚度(取平均值)，设定原始标距为100mm，拉伸速率为50mm/min，记录膜断裂时的最大长度与最大拉力。膜样品测定重复5次。计算公式见(4)和(5)：
Figure BDA0002320448500000082
Figure BDA0002320448500000083
式中：Fmax为膜样品断裂时的最大拉力/N；l为膜样品宽度/mm；d为膜样品厚度/mm；L1为膜样品断裂时的最大长度/mm；L0为膜样品的初始长度/mm。结果如表4所示。
表4不同浓度藻蛋白对复合膜抗拉强度和断裂伸长率的影
Figure BDA0002320448500000091
Mean±SD，n＝5；均值后上标的不同小写字母a-c表示同一列数据值的显著性差异(p<0.05)
膜的机械性能是复合膜最重要的性能指标之一。由表4可知，添加螺旋藻蛋白可增强壳聚糖复合膜的抗拉强度和断裂伸长率。螺旋藻蛋白的添加量在0.5％时，对复合膜的机械性能影响不显著；当添加量在0.75％以上，可显著改善复合的抗拉强度和断裂伸长率。螺旋藻蛋白改善壳聚糖膜机械性能的作用与复合膜的结构有关，从SEM分析中可显明观察到添加藻蛋白的复合膜结构更严整、致密，藻蛋白分子可与壳聚糖分子很好相溶，形成无一、致密结构，改善壳聚糖的抗拉强度和断裂伸长率。
对实施例1-3及对比例1制备的膜进行结构分析。
1、红外光谱分析
采用美国Nicolet 670傅立叶红外光谱仪进行分析，以透射模式进行扫描，扫描范围为4000-500cm-1，扫描次数为32次，分辨率为4cm-1。结果如图5所示。对比例1中不含钝顶螺旋藻藻蛋白的单一聚糖膜在3240cm-1强吸收，主要由是-NH和-OH的伸缩振动引起；2930cm-1吸收峰是-CH2-基团吸收峰，在2880cm-1吸收峰是-CH3的特征吸收，1630-1340cm-1吸收主要是酰胺吸收带，分别在1630cm-1为C＝O伸缩振动产生酰胺Ⅰ带、1550cm-1为N-H伸弯曲振动产生酰胺Ⅱ带及1340cm-1为C-N伸缩振动产生酰胺Ⅲ带，在1414cm-1吸收峰可能与羧酸酯基团有关，1150cm-1处为桥氧键-O-伸缩振动峰，1020cm-1为C-O-C键的吸收峰，这与之前文献报道一致，是壳聚糖膜典型的光谱特征。实施例1-3中添加螺旋藻蛋白后的复合膜处理组的光谱特征除在处有3240cm-1的吸收峰向高波方向有明显移动外，其它吸收峰基本相似。这表明添加螺旋藻蛋白能很好地溶入壳聚糖膜中，形成均一体系。
2、微观结构分析
将膜样品裁成5mm×5mm方块，用导电胶固定在铜台上，真空喷金后，用蔡司MERLINCompact扫描电子显微镜在5kv加速电压下，对膜样品的表面和横截面结构进行扫描观察，平面和截面的放大倍数分别为1000和5000。结果如图6所示。图6分别为复合膜的扫面电镜图(其中图A和图a为分别为对比例1制得的膜的平面图和截面图；图B和图b为分别为实施例1制得的膜的平面图和截面图；图C和图c为分别为实施例2制得的膜的平面图和截面图；图D和图d为分别为实施例3制得的膜的平面图和截面图)由图6可知，对比例1中不含钝顶螺旋藻藻蛋白的单一壳聚糖膜结构具有明显纹理，表面有一定的粗糙度，而实施例1-3中添加藻蛋白后的复合膜较光滑平整，结构更致密；当藻蛋白添加量达到0.75％以上时，表面更为平整，截面结构更致密。说明藻蛋白与壳聚糖膜复合具有很好的相容性，能够形成致密结构，这也很好地解释了复合膜良好的机械性能和阻隔性能。
通过对本发明制得的复合膜的一系列性能检测，可以得出，所制的复合膜物理性能(厚度、密度、溶解度、溶胀度、透明度和透光率)和机械性能(抗拉强度和断裂伸长率)良好，可用于制备性能优良的可食用复合膜，成本低、无毒、无污染，具有可降解性和生物相容性等优点。

Claims (4)

1.一种钝顶螺旋藻藻蛋白-壳聚糖复合膜的制备方法，其特征在于：所述复合膜由钝顶螺旋藻藻蛋白和壳聚糖溶液组成，其中钝顶螺旋藻藻蛋白的质量体积百分浓度为0.5％-1.0％，具体制备方法包括以下步骤：
(1)钝顶螺旋藻藻蛋白的提取
取钝顶螺旋藻粉，按料液比1:20g/mL加入10mmol/L磷酸盐缓冲液，经3000rpm搅拌0.5h后，然后分别在-18℃和38℃的温度条件下静置24h，并反复冻融三次；采用高速冷冻离心机在4℃、7000rpm下冷冻离心0.5h，取上清液，加入饱和度为50％的硫酸铵，在4℃放置24h盐析蛋白；将得到的蛋白沉淀再次用10mmol/L磷酸盐缓冲液溶解，置于截留分子量为12kD的透析袋中透析24h除去铵离子，即制得钝顶螺旋藻藻蛋白；
(2)壳聚糖膜溶液的制备
取2g壳聚糖，用100mL 1％的乙酸溶液溶解，并加入1g甘油，在60℃水浴中磁力搅拌30min，制得壳聚糖膜溶液；
(3)钝顶螺旋藻藻蛋白-壳聚糖复合膜的制备
取步骤(1)制得的钝顶螺旋藻藻蛋白溶于步骤(2)制得的壳聚糖膜溶液中，配制成质量体积百分浓度为0.5％-1.0％的溶液，经均质、真空脱气后，在成膜器上浇注成膜，经干燥24h后揭膜，即制得钝顶螺旋藻藻蛋白-壳聚糖复合膜，在温度25℃、相对湿度50％的干燥器中贮存。
2.根据权利要求1所述的一种钝顶螺旋藻藻蛋白-壳聚糖复合膜的制备方法，其特征在于：所述复合膜的厚度为0.039-0.046cm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中磷酸盐缓冲液的pH值为7.0。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中磁力搅拌的转速为100rpm。
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