湿度或温度条件对可食性明胶薄膜机械性能的影响

王春景

[摘 要] 研究了可食性明胶薄膜在不同的湿度或温度条件下机械性能的变化。结果表明，明胶薄膜的机械性能会随着环境中湿度或温度的改变而改变，为了保持良好的机械性能，适宜的湿度范围为50%～70%，温度范围为-10℃～40℃，20℃～30℃最佳。

[关 键 词] 可食性明胶薄膜；湿度；温度；机械性能

[中图分类号] TS206 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2017）35-0210-02

当今世界，塑料包装带来的白色污染问题越来越受重视，许多国家都投入了大量人力和物力重点解决。我国也在“九五”期间制定了“绿色包装工程”计划，逐步发展可再利用的包装材料。目前国内外正在研究聚乙烯醇（PVA）水溶性薄膜，适当添加作为成膜助剂的可食性明胶，作为食品内部的小包装，类似的课题有着极其广阔的研究前景。但PVA主要应用于工农业生产和药用，其“可食性”受到质疑。

为了达到真正可食安全的目的，我们不使用聚乙烯醇，而以明胶为基质，添加琼脂为助剂，并以甘油为增塑剂，制得可食性明胶薄膜。因为明胶来源于动物蛋白质，属于肉制品加工的副产品，由胶原蛋白部分水解得到，是一种可食、可生物降解及可再生的生物聚合物；而琼脂来自红水藻的各种海藻，是一种海藻多糖，可广泛使用在食品工业中；而甘油常与脂肪酸合成三酰基甘油，即脂肪，可看作脂肪的代谢产物，所以食品级的甘油是可食、安全的。本实验分析将这种可食性薄膜放置在不同的湿度和温度条件下，验证其作为食品包装材料的可行性。

通过对文献资料的比较，发现不同的湿度和温度条件，对可食性明胶薄膜机械性能的影响，没见详细的报道。本项研究做了细致的工作，确定了可食性明胶薄膜最适宜的湿度、温度环境。

一、材料和方法

（一）实验材料

明胶、琼脂：均为食品级；甘油，无水乙醇：分析纯。

（二）可食性明胶薄膜的制备

配制膜液→脱气→涂布于光滑玻璃板上→干燥→揭膜→贮存于一定温度和湿度的环境中待测。

综合考虑可食性明胶薄膜的机械性能等因素，确定膜液配制时，甘油添加量为5.0%，琼脂添加量为2.0%，乙醇添加量为3.0%。制得厚度为0.15 mm的可食性明胶薄膜。

（三）薄膜性质的测试

1.抗拉强度（TS）

按GB/T12914-91进行测定，用纸张抗拉力试验仪来测定。将可食性明胶薄膜剪成10 cm×1.5 cm的长条，置于纸张抗拉力试验仪上，读取薄膜断裂时的拉力（N）。按下式计算薄膜的抗拉强度：

TS=F×10-6/S

式中TS为抗拉强度（MP？琢）；

F——拉伸最大应力（N）；

S——薄膜拉伸前横截面积（cm2）；

2.薄膜的断裂伸长率（E（%））

在纸张抗拉力试验仪上拉伸，读取薄膜拉伸前的长度（L0）和将断裂时的长度（L）。按下面公式计算断裂伸长率：

E（%）=■×100%

式中E（%）为断裂伸长率；

L——薄膜将断裂时的长度（mm）；

L0——薄膜拉伸前长度（mm）。

3.含水量（MC（%））

将薄膜剪成2 cm×2 cm的矩形条，称重，放在电热鼓风干燥箱中干燥至恒重，称重后根据干重、湿重之差计算含水量。用下式计算：

MC（%）=■×100%

式中MC（%）为薄膜的含水量；

m0——薄膜的干重（g）；

m3——薄膜的湿重（g）。

二、结果与讨论

（一）环境湿度条件对膜性能的影响

将明胶薄膜放在电热恒温恒湿培养箱中，控制培养箱内的温度为室温25℃，调整湿度大小，在不同湿度下监测薄膜性能的变化（每一湿度条件测试前，明胶薄膜至少要放置2h，以达到均湿平衡）。主要测定抗拉强度、断裂伸长率以及含水量，从而确定明胶薄膜最适宜的湿度条件。结果见图1、2、3。

由图1、2可知，（1）随环境湿度增大，明胶薄膜抗拉强度减小、断裂伸长率增大。当湿度>70%时，这种变化加剧。（2）当湿度<70%时，明胶薄膜的抗拉强度非常稳定，而断裂伸长率变化显著；当湿度<40%时，断裂伸长率<10%，说明薄膜非常脆，易折断，因而明胶薄膜适用的湿度范围为50%～70%。

由图3可知，随环境湿度增大，明胶薄膜的含水量增加，这是决定明胶薄膜机械性能的关键因素。含水量增加，断裂伸长率也增加，呈正相关关系；含水量增加，抗拉强度减小，呈负相关关系。最重要的是，断裂伸长率的变化意味着明胶薄膜表现为脆性或柔软性，决定了是否能用于包装。综合看来，湿度范围为50%～70%时，各项性能适中，明胶薄膜能保持良好的包装性能。

这是因為水对明胶薄膜来说，作用非常复杂，一方面，水是最普遍存在的增塑剂，水分子与极性高分子的羟基通过氢键结合在一起，使聚合物的矩阵结构增塑，从而改变其机械性能。明胶薄膜含有适量水，增强聚合链的灵活性，感觉柔软。而且，水会促进明胶结构中胶原蛋白三股螺旋结构的复原。另一方面，湿度较高时，明胶薄膜会溶胀，失去尺寸稳定性，降低机械和阻隔特性，从而会限制明胶薄膜与高含水量食物的直接接触。

这也说明可食性明胶薄膜与环境之间能保持一定的平衡关系，环境湿度大时，明胶薄膜吸水，含水量增加；环境湿度小时，明胶薄膜失水，含水量减小。而且这一变化是可逆的。

（二）环境温度条件对明胶薄膜性能的影响

把明胶薄膜放在电热恒温恒湿培养箱内，控制湿度条件恒定为65%，使温度分别设定为-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃，测定明胶薄膜的抗拉强度和断裂伸长率，测定时要保持这一温度，否则温度变化明胶薄膜会迅速恢复到原来的状态。结果见图4和5。

由图4可知，随环境温度的变化，明胶薄膜的抗拉强度增大，最后趋于不变。虽然明胶薄膜的抗拉强度随温度增加有所增加，但增加不明显，为9.98MP？琢～10.02MP？琢。这可能是因为温度升高，明胶薄膜失水，使明胶分子致密度提高，从而抗拉强度有所增大。

由图5可知，随环境温度的变化，明胶薄膜的断裂伸长率先增大后减小，环境温度较低，明胶薄膜的断裂伸长率较小，膜质脆；温度升高，断裂伸长率增大，膜变得柔软；温度处于室温附近，断裂伸长率最大，为20.87%，温度继续升高，断裂伸长率反而下降。这可能是因为温度升高，明胶薄膜失去网络中的水分子，致密度增强了，但分子链的灵活性减小了。

环境温度变化，明胶薄膜断裂伸长率比抗拉强度变化明显，这是因为温度与湿度的作用机理不同，湿度变化时，水作为增塑剂进入明胶网络，改变明胶蛋白质分子链间的相互作用，而温度只增强蛋白质分子的活动性，没有从根本上改变明胶的网络结构。

如果继续升高温度超过60℃，膜会慢慢变为熔化状态。因此，明胶薄膜适宜的温度范围为-10℃～40℃，最适20℃～30℃。

总之，环境的湿度和温度都会使可食性明胶薄膜的机械性能发生变化。随着湿度增加，因为膜的含水量增加，所以断裂伸长率增加，抗拉强度减小，当湿度范围为50%～70%时，各项性能适中，明胶薄膜能保持良好的包装性能。温度对明胶薄膜的抗拉强度影响较小，而断裂伸长率比抗拉强度变化明显，明胶薄膜适用的温度范围为-10℃～40℃，最适20℃～30℃。

参考文献：

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