可食性大豆皮果膠膜的制備及膜性質研究

朱丹實，郭曉飛，劉昊東，畢菀芩，劉 賀,*

(1. 渤海大學生物與食品科學學院，遼寧 錦州 121000；

2. 遼寧省高校食品質量安全與功能性食品研究重點實驗室，遼寧 錦州 121000)

可食性大豆皮果膠膜的制備及膜性質研究

朱丹實1,2，郭曉飛1，劉昊東1，畢菀芩1，劉 賀1,2,*

(1. 渤海大學生物與食品科學學院，遼寧 錦州 121000；

2. 遼寧省高校食品質量安全與功能性食品研究重點實驗室，遼寧 錦州 121000)

研究以大豆皮果膠為基質，添加殼聚糖、聚乙烯醇、甘油后形成的果蔬保鮮復合膜，并分析復合膜的感官性質、膜厚度、透濕性、抑菌性以及紅外光譜。通過均勻試驗設計，結果表明：由質量分數0.2%果膠、0.6%殼聚糖、0.3%聚乙烯醇、0.3%甘油混合制得的涂膜液具有較好的應用前景。

大豆皮；果膠；可食膜

可食性膜是指通過一定的加工工藝使各成膜劑分子之間相互作用而成的具有特定功能的可食用薄膜[1]以抑制果蔬的呼吸作用，阻止果蔬水分散失，產生類似氣調包裝的作用[2]。可食性涂膜保鮮技術的關鍵是涂膜劑的選擇，具有良好涂膜效果的涂膜劑包括果膠、殼聚糖、乳清蛋白等，它們在涂膜保鮮中具有各自的特點，而且應用安全[3-9]。從現有文獻報道[1,5,8]來看，目前國內涂膜保鮮技術還比較單一。研究工作主要根據不同原料的性質，從現有的膜基質中挑選合適的膜原料，然后進行保鮮防腐效果的對照研究，從而選擇最佳的涂膜方法[10]。研究集中在原料涂膜后其代謝過程的變化，而欠缺對膜組成及制備方法對膜本身性質影響的研究，更缺乏系統(tǒng)的膜組成與其性質的相關性的研究。

同時在膜材料研究當中，以果膠作為膜材料并探討其應用效果的較少，而眾所周知，果蔬原料當中對于其質構影響較大的物質就是果膠類多糖[11]。由此可見，果膠為基質的涂膜制劑非常有開發(fā)前景和價值。因此就當前市場上對保鮮防腐技術需求非常大的前提下，非常有必要探索新型的涂膜保鮮技術，并深入研究膜組成對膜性質影響的機理。

果膠通常從檸檬和酸橙類皮渣中提取，但這類原料在我國回收比較困難。隨著我國對果膠需求量的不斷增加，尋找新的果膠原料勢在必行。大豆種皮是大豆深加工過程中產生的量最大的副產物，約占大豆質量的8%，大豆種皮具有價格低廉、貯存容易、果膠含量較高等特點，是較好的生產果膠的替代原料之一，為大豆種皮的綜合利用開辟一條新途徑[12-13]。

理想的被膜材料應具有如下特點：無色、透明；有一定黏度，易于成膜；形成膜均勻、連續(xù)；抗拉伸，具有一定的韌性；具有良好的透濕性和抑菌性；無毒、可食、無異味等[14]。鑒于國內果膠膜在果蔬保鮮領域應用極少，本實驗以大豆皮果膠為基質，添加殼聚糖、聚乙烯醇、甘油等混合制得涂膜保鮮劑，考察不同質量分數配比所得保鮮膜的感官特性和理化性質，并討論較好的復配比例以制得優(yōu)質涂膜液，為延長果蔬貯藏期奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大豆皮 市售；高密度殼聚糖 濟南海得貝海洋生物工程有限公司。

1.2 儀器與設備

高速萬能粉碎機 北京市永光明醫(yī)療儀器廠；WQF-510A型傅里葉變換紅外光譜儀 青島圣中儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 大豆皮果膠的制備

量取750mL蒸餾水于1000mL燒杯中，用鹽酸調節(jié)pH值為1.0，加入30g粉碎過篩后的大豆皮，于95℃水浴加熱1h，并不斷攪拌。混合液趁熱過濾并離心，待濾液冷卻后用氫氧化鈉溶液調節(jié)pH值為3.0。將上述濾液于60℃條件進行旋轉蒸發(fā)。在所得果膠提取液中邊攪拌邊加入95%乙醇，使乙醇質量分數在50%～60%之間，靜置20min，進行沉淀。用濾布過濾，得濕果膠。將濕果膠鋪開置于已干燥至質量恒定的硫酸紙上，70℃恒溫鼓風干燥至果膠質量恒定。將干果膠取下置于研缽中研磨成粉末，裝入密封袋儲存待用[12-13]。

1.3.2 復合果膠涂膜液的制備

先配制各種材料的儲備液待用，然后取果膠、殼聚糖、聚乙烯醇儲備液及甘油分別以一定比例混合，采用均勻試驗設計[15]，制成7種涂膜液，具體配比見表1。

表1 7種復合涂膜液中各種成分的比例Table 1 Seven film-forming solution formulas

1.3.3 復合膜的制備

在室溫(20℃)及環(huán)境濕度(相對濕度65%左右)條件下，將配制好的7種涂膜液脫氣后分別取10mL在有機玻璃板上涂膜，并保證涂膜面積一致，厚度均勻，置于恒溫鼓風干燥箱中在55℃條件干燥2h。取出待冷卻后揭膜，貯存?zhèn)溆谩?/p>

1.4 果膠膜分析評定方法

1.4.1 感官評定

直接觀察法，在室溫(20℃)及環(huán)境濕度(相對濕度65%左右)條件下，由30名專業(yè)人員根據果膠膜的感官品質評價膜的顏色、透明度、易成膜性、韌性、抗拉強度、組織狀態(tài)、均勻程度等指標，進行細致評分，各項滿分14.28分，11.40～14.28為優(yōu)秀，8.55～11.40為良好，5.70～8.55為中等，2.85～5.70為及格，0～2.85為較差。

1.4.2 果膠膜厚度的測定

在室溫(20℃)及環(huán)境濕度(相對濕度65%左右)條件下，用游標卡尺測量上述7種膜的厚度，每種膜隨機選取10個點測其厚度，取平均值。

1.4.3 果膠膜透濕性的測定

根據參考文獻[16]方法，并略作修改。透濕杯選用直徑為26mm的稱量皿，每個杯中加入10mL蒸餾水，然后用制成的果膠膜將杯口緊緊密封，準確稱質量后放入盛有硅膠的干燥器中，并于室溫下每隔2h稱量一次，共8h。實驗重復2次。檢測條件為環(huán)境溫度20℃、相對濕度65%左右。

透濕系數(water vapor permeability rate，WVPR)=kd/A

式中：k為恒定失質量對時間的線性回歸常數；d為試樣的平均厚度/m；A為試樣的有效滲透面積/m2。

1.4.4 果膠涂膜液抑菌性的測定

分別配制牛肉膏蛋白胨的固體和液體培養(yǎng)基。將E.coli和B.subtilis接種于液體培養(yǎng)基中[17]，于37℃培養(yǎng)12h，使菌種活化進入穩(wěn)定的對數生長期。將高溫蒸汽滅菌后的固體培養(yǎng)基加熱融化后冷卻至60℃左右，然后倒入無菌培養(yǎng)皿中重新凝固。用無菌吸管吸取0.2mL上述適當稀釋倍數混合菌液加入到上述平板，用無菌涂布棒涂布均勻。用無菌鑷子將已滅菌的小圓濾紙片(直徑8mm)分別浸入上述7種復合涂膜液浸濕，再將濾紙片貼在平板中心區(qū)域，置于培養(yǎng)箱中37℃恒溫培養(yǎng)24h，測定抑菌圈的大小，與空白對照進行比較，評價不同涂膜液的抑菌性能的相對強弱。

1.4.5 果膠膜紅外光譜的測定

將上述7種膜裁為1.5cm的正方形，用傅里葉變換紅外光譜儀進行掃描，分析膜的紅外光譜圖。

2 結果與分析

2.1 膜的感官分析

表2 不同配比的涂膜液所得膜感官評分Table 2 Sensory evaluation scores of seven films

表3 膜感官評分方差分析結果Table 3 Analysis of variance of sensory score

表4 膜感官評分參數估計表Table 4 Parameter estimates and significance test

不同配比的涂膜液所得膜感官評分結果見表2。通過對均勻試驗設計所得結果進行回歸分析，分別得到膜整體感官、膜韌性、膜抗拉強度等的回歸方程及相應的方差分析結果。下面進行分別探討。從膜總體感官評分方面，應用SAS軟件進行分析，由表3可知，回歸方程整體顯著，相關參數估計如表4所示。通過F值及其大于臨界值概率來看，因素x3、x2x4對感官影響顯著，影響極顯著并由此得到膜感官分析的回歸方程。

膜感官評分回歸方程：Y=66.919－1096.46x3＋10210x4＋687440x2x4－1754745(R2=0.9999)，方程模型顯著。由各因素與感官評分的相關性來看，聚乙烯醇對感官有負面影響，甘油以及甘油與殼聚糖的交互作用對膜感官有正面影響。

由于膜韌性和膜抗拉強度兩項指標對膜質構至關重要，所以對二者進行獨立分析。

應用SAS軟件，通過膜韌性方面進行回歸分析，得到膜韌性的回歸方程：Y=12.129－277052x1x3＋421132x1x4(R2=0.9303)，方程模型顯著(P≤0.05)。由各因素與膜韌性的相關性來看，果膠(x1)與聚乙烯醇(x3)的交互作用對韌性有負面影響，果膠(x1)與甘油(x4)的交互作用對韌性有正面影響。

同樣，對膜強度進行回歸分析，得到膜強度回歸方程：Y=7.761－159945x1x4＋315458x2x3(R2=0.9439)，方程模型顯著的(P≤0.05)。從各因素與膜強度的相關性來看，果膠與甘油的交互作用對膜強度具有負面影響，殼聚糖與聚乙烯醇對膜強度有正面影響。

2.2 膜厚度

表5 不同保鮮膜厚度的測定結果Table 5 Thickness of seven films

表6 膜厚度方差分析Table 6 Analysis of variance of thickness

表7 膜厚度參數估計表Table 7 Parameter estimates and significance test

對膜厚度的測定結果見表5。應用SAS軟件進行回歸分析，由表6可知，回歸方程整體顯著，相關參數估計表如表7所示。通過F值及其大于臨界值概率來看，因素及x2x4對厚度影響顯著，并由此得到膜厚度的回歸方程為：Y=0.125－26.613x2－1903.958x1x4＋5558.906＋1244.908x2x4(R2=0.9891)。

以各因素與膜厚度的相關性來看，果膠與甘油的交互作用對厚度有負面影響，殼聚糖與甘油的交互作用對膜厚度有正面影響，而殼聚糖對膜厚度的影響從回歸方程來看比較復雜，暫不做深入討論。

2.3 膜透濕性實驗

由于透濕系數與透濕性呈負相關，由圖1可知，膜7的透濕系數最大即透濕性最差，而膜4的透濕系數最小即透濕性最好。分析各膜成分可知，盡管膜4的殼聚糖含量為0，但并沒有影響其透濕性，而當膜7中殼聚糖含量最大時，其透濕性反而最差，這說明殼聚糖對保鮮膜的透濕性有阻礙作用。對于透濕性較差的膜1和膜3，它們的果膠和聚乙烯醇的含量均較小，說明果膠和聚乙烯醇可能對膜的透濕性有一定的促進作用。

圖1 膜透濕性實驗結果Fig.1 Moisture permeability coefficient of seven films

2.4 膜抑菌性的研究

圖2 膜抑菌性實驗結果Fig.2 Inhibitory zone diameters of seven films against E. coli and B. subtilis

對復合膜進行抑菌性實驗，結果見圖2。從圖2可以看出對復合膜抑菌性影響的主導因素是殼聚糖，抑菌圈的大小隨殼聚糖的含量的多少而改變，聚乙烯醇和殼聚糖的交互作用對抑菌性影響也有一定的影響。

綜合以上討論，從膜感官、透濕性、抑菌性等各指標進行綜合分析，選擇較佳的涂膜液各成分質量分數的配比為果膠0.2%、殼聚糖0.6%、聚乙烯醇0.3%、甘油0.3%。

2.5 膜的紅外光譜分析

從圖3可知，3200～3600cm-1處的寬峰是—OH的伸縮振動峰，表明膜體系組成分子中有很多的—OH，由于膜的各組成成分中均含有羥基(表1)，因此符合實際情況。C—H伸縮振動峰在2900cm-1左右，各膜均存在此吸收峰。標準果膠一般在3400cm-1附近吸收是果膠分子的—OH伸縮振動，在2900cm-1處是其—CH2—的C—H伸縮振動。1740cm-1主要是其甲基酯的伸縮振動，1610cm-1處為羧基中的伸縮振動，1000～1300cm-1處為C—O—C的伸縮振動。殼聚糖的特征吸收峰一般出現在3360、1650cm-1和1590cm-1處。一般來說，3360cm-1左右是—OH的伸縮振動吸收峰與—NH的伸縮振動吸收峰重疊而增寬的多重吸收峰。由于殼聚糖分子中存在著大量的鏈內、鏈間氫鍵，因氫鍵的長短和強弱不等，使其伸縮振動吸收峰出現在一較寬的頻率范圍內。1590cm-1處的吸收峰為—NH2的彎曲振動吸收峰；1650cm-1處的吸收峰歸屬于酰胺鍵中C＝O的伸縮振動(酰胺Ⅰ帶)。聚乙烯醇的C＝C雙鍵吸收峰為852cm-1。除膜1不含果膠組分外，各膜在1740cm-1左右均有不同程度的吸收，表征了果膠甲基酯的伸縮振動。除4號膜不含殼聚糖導致1650cm-1處沒有吸收外，其他各膜在此波數均有不同強度吸收，但峰形均有強度上的變化及遷移，原因可能是殼聚糖中的胺基與果膠的羥基或聚乙烯醇羥基形成了氫鍵，此反應有利于增強膜的強度。將膜1與其他膜對照發(fā)現，996cm-1處的羧羥基的面外彎曲振動吸收峰消失，表明殼聚糖中—NH2和果膠中的—COOH發(fā)生了交聯(lián)反應。

圖3 膜的紅外光譜分析Fig.3 Infrared spectra of seven films

3 結 論

以果膠為基質的復合涂膜液各成分中，甘油增加了膜的韌性，聚乙烯醇增加了膜的強度，當殼聚糖的濃度增加到一定程度時，其與果膠形成了復合物，同樣增強了膜的強度。通過均勻試驗設計，從膜的強度、韌性及透濕性、抑菌性等各指標進行綜合考慮，最終選擇較好的涂膜液各成分質量分數的配比為果膠0.2%、殼聚糖0.6%、聚乙烯醇0.3%、甘油0.3%。為進一步研究以果膠為基質復合膜的應用奠定了基礎。

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Preparation and Physiochemical Prosperities of Soy Hull Pectin-based Edible Film

ZHU Dan-shi1,2，GUO Xiao-fei1，LIU Hao-dong1，BI Wan-qin1，LIU He1,2,*
(1. School of Biology and Food Science, Bohai University, Jinzhou 121000, China；2. Liaoning Provincial Key Laboratory of Food Quality Safety and Functional Food, Jinzhou 121000, China)

The objective of the present study was the development of a compound film-coating fresh-keeping agent for fruits and vegetables using soy hull pectin as base material with added chitosan, polyvinyl alcohol and glycerin. The formulation of the four components was optimized by uniform design based on sensory evaluation, film thickness, moisture permeability, antimicrobial activity and infrared spectral analysis. The results showed that the optimal film formula consisted of 0.2% pectin, 0.6%chitosan, 0.3% polyvinyl alcohol and 0.3% glycerin.

soy hull；pectin；edible film

TS205.9

A

1002-6630(2011)08-0116-05

2010-06-20

遼寧省教育廳高校重點實驗室項目(2009S001)；遼寧省教育廳高校一般項目(L2010008)

朱丹實(1978—)，女，講師，碩士，研究方向為農產品加工貯藏及食品生物技術。E-mail：tjzds@sina.com*通信作者：劉賀(1979—)，男，副教授，博士，研究方向為多糖的結構與功能及其修飾。E-mail：cranelau2049@yahoo.com.cn