红外辐照对魔芋葡甘聚糖膜吸水性能的影响

华羽中¹  徐  梅^2,3  汪  超^2,3  曹约泽^2,3  朱于鹏^2,3  黄诗登¹  郑建设¹

（1 华中师范大学第一附属中学  湖北武汉  430223；

2 湖北工业大学生物工程学院  湖北武汉  430068；

3 湖北省校企共建中心  湖北十堰  442300）

摘  要：采用红外辐照处理魔芋葡甘聚糖（KGM）粉末，设置单因素试验考察KGM相对分子质量大小、辐照温度、时间和辐照电压对KGM膜吸水率的影响，并采用扫描电镜表征KGM 的结构。结果表明，红外辐照对KGM 膜的吸水性能有较大影响，KGM的相对分子质量越大，其耐受红外辐照的能力越强，KGM膜的吸水率随辐照温度的升高而降低。随辐照电压的增强或辐照时间的延长呈先降低后升高的变化趋势，辐照作用导致膜部分溶于水，丧失完整形态。

关键词：魔芋葡甘聚糖膜；红外辐照；吸水性能；结构表征

中图分类号：0636.1   文献标识码：A   文章编号：0439-8114（2012）19-4352-03

魔芋（Amorphophallus spp．）为天南星科魔芋属多年生草本块茎植物，其初加工物魔芋精粉的主成分为魔芋葡甘聚糖（Konjac glucomannan，KGM），是由D-吡喃甘露糖和D-吡喃葡萄糖按1∶1.6的摩尔比以β-1,4糖苷键连接而成的高分子杂多糖^[1-2]，每隔约19个糖残基连接有一个乙酰基团．其具有优良的束水、胶凝、增稠、粘结、可降解与成膜性等性能^[3]，被广泛应用于食品、包装、涂料、生物医药及化妆等领域。KGM膜作为一种可食性包装材料的研究已有报道^[4-6]，其吸水性能是评价膜品质及应用领域的重要指标。目前红外干燥是魔芋粉的主要加工方式之一。本研究采用红外辐照处理KGM，探讨了红外辐照对KGM膜吸水性能的影响，表征其结构变化，为实际生产应用提供理论依据。

1  材料与方法

1.1  试剂与仪器

魔芋粉（特级），购于上海北连食品有限公司；其余试剂均为国产分析纯。

WS70-1远红外干燥器，上海索谱仪器有限公司；GZX-9140MBE数显鼓风干燥箱。上海博迅实业有限公司医疗设备厂；Quanta 200SEM，荷兰FEI；Opticlab rEX示差折光检测器。DAWN／HELEOS静态激光光散射仪，美国怀雅特技术公司。

1.2  实验方法

1.2.1 KGM相对分子质量的测定

参照刘廷国等^[7]的方法制备KGM。将KGM溶于0.1 mol／L NaNO₃溶液，配制1.0L溶胶，经0.45m微孔滤膜过滤，备用。分析条件：Shodex-G805凝胶柱、示差检测器、波长658nm、温度25℃、流动相为0.1mol／L NaNO₃溶液、流速1.0mL／min，进样量20L。

1.2.2  KGM膜的制备

将KGM粉末分散于去离子水中，30℃恒温水浴下溶胀1.0h，配制10g／L KGM溶胶，定量涂覆于固定面积的光洁平板中流延成膜，50℃干燥24h，即得KGM膜。

1.2.3  单因素实验

采用红外线辐照处理KGM粉末，以未经红外线处理的KGM粉末所成的膜为空白对照，设置单因素试验，考察KGM相对分子质量、辐照电压、辐照温度、辐照时间对KGM膜吸水性能的影响。①KGM相对分子质量。固定电压220V、辐照温度49℃和照射时间24h，分别采用相对分子质量3.52×10⁵、6.91×10⁵、8.56×10⁵、1.06×10⁶、1.34×10⁶的KGM 粉末制成的膜。其中辐照处理1.34×10⁶的KGM粉末后，其溶胶所成的膜表示为I-KGM，用于结构表征。②辐照电压。将相对分子质量1.34×10⁶的KGM粉末平铺于红外光下持续照射24h，辐照温度49℃，辐照电压分别为140、160、180、200、220V。③辐照温度。取相对分子质量1.34×10⁶的KGM粉末持续照射24h，固定电压220V，辐照温度分别为49、55、61、67、73℃。④辐照时间。固定电压220V、辐照温度49℃，取相对分子质量1.34×10⁶的KGM 粉末分别照射12、24、36、48、60、72h。

吸水率W=（m_湿膜－m_干膜）／m_干膜×100％

吸水率下降率Dr=（W_空白一W_处理）／W_空白×l00％

式中，W_处理 为经红外处理后的KGM膜吸水率；W_空白为未经红外处理的KGM膜吸水率。

l.2.4  扫描电镜分析

取少许KGM膜样品置于样品铜台上，喷金后放入SEM样品观察台中，加速电压20kV，观察其截面结构，拍照。

2 结果与分析

2.1  KGM 相对分子质量及其分布

根据分子体积大小与散射光强的对应关系分析KGM 粉末的相对分子质量及分布。图1可见KGM相对分子质量呈近似正态分布，峰宽较窄，重均相对分子质量为1.34×10⁶，多分散对均一多糖。

2.2  单因素试验结果

2.2.1  相对分子质量对KGM 膜吸水率的影响

不同相对分子质量的KGM膜经红外线辐照后其吸水率的变化结果见图2。由图2可以看出．相对分子质量对KGM膜吸水率的影响较大，KGM成膜后膜吸水性能变化明显。红外照射后KGM膜的吸水率随其相对分子质量的升高下降幅度降低，即相对分子质量与吸水率下降率呈线性负相关，可见KGM 的相对分子质量越大，其耐受红外辐照的能力越强。

2.2.2  辐照电压对KGM膜吸水率的影响

KGM膜吸水率随红外线辐照电压的变化而变化的结果见图3。可以看出，随辐照电压增大，KGM膜的吸水率呈先降低后上升的趋势。电压低于180V时，KGM膜的吸水率随辐照电压的升高而快速降低；但当电压高于180V时，辐照电压升高，吸水率又缓慢上升。此时KGM膜部分溶于水中，已丧失膜的完整形态。可见辐照电压对KGM膜的吸水率有较大的影响。

2.2.3  辐照温度对KGM膜吸水率的影响

图4显示随辐照温度的升高，KGM膜的吸水率呈逐渐降低的趋势，说明温度对KGM膜吸水率的影响较明显，这可能是过高的辐照能使KGM断链降解，导致膜的吸水率下降。

2.2.4  辐照时间对KGM膜吸水率的影响

图5反映出随辐照时间的延长，KGM膜的吸水率先逐渐降低，在36h时最低，随后又缓慢升高，此时膜部分溶于水中，已丧失膜的完整形态，可见辐照时间对KGM膜的吸水率也有较大影响。

2.3  扫描电镜观察结果

图6为KGM的扫描电镜结果，微观形貌显示未经红外辐照的KGM膜截面结构紧密，是排列有序的层状结构（图6左），这种自组装成膜结构显示膜的吸水性能较低，能保持相对完整的形态。而红外辐照后的KGM膜截面松散，孔洞和断裂较多，层状结构破坏较明显（图6右），这可能是红外光照射使KCM分子解聚、断链所致。

3  结论

不同相对分子质量的KGM溶胶经红外辐照后成膜，其吸水率有明显的差异，KGM 的相对分子质量越大，其耐受红外辐照的能力越强；红外辐照温度越高，KGM膜的吸水率越低：而KGM膜的吸水率随辐照电压的增强或辐照时间的延长呈先降低后升高的变化趋势，可见红外辐照显著影响膜吸水性能，导致膜部分溶于水，丧失完整形态。结构表征显示红外辐照致使KGM分子发生了氧化降解反应。

参考文献：

[1] HARRINGTON J C，MORRIS E R．An unusual manifestation of phase separation in mixtures of disordered gelatin with konjac glucomannan [J]．Food Hydrocolloids，2009，23（2）：460-467

[2] XIONG G Q，CHENG W，YE L x，et a1．Effects of konjac glucomannan on physicochemical properties of myofibrillar protein and surimi gels from grass carp（Ctenopharyngodon idella）[J]．Food Chemistry，2009，116 （2）：413-418

[3] ZHANG F Y，ZHOU Y M，CAO Y，et a1．Preparation and characterization of KGM／CdS nanocomposite film with low infrared emissivity[J]．Materials Letters，2007，61（26）：4811-4814

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[7] 刘廷国，王洋，夏俊，等．纯化方法对魔芋葡甘聚糖结构及性能影响[J]．林产化学与工业，2005，25（3）：71-75

摘自：湖北农业科学2012年10月第51卷第19期