均質(zhì)條件對(duì)明膠乳液膜物理性能及控釋性的影響*

尹壽偉 馬雯 徐航 唐傳核 楊曉泉

(華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東廣州510640)

聚乙烯等生物不可降解包裝材料的使用造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題［1］.隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)以及對(duì)食品品質(zhì)要求的提高，生物可降解材料已成為食品包裝領(lǐng)域的發(fā)展方向.利用多糖、蛋白、油脂等天然高分子構(gòu)建的膜材料具有良好的生物相容性和可降解性，可以用來(lái)替代塑料包裝材料［2］，其中，蛋白基可食性膜材料因具有營(yíng)養(yǎng)性和良好的成膜性而備受重視［3］.明膠是一種由動(dòng)物皮膚、韌帶和肌腱中的膠原降解而得的蛋白，其資源豐富，價(jià)格低廉，是一種很有潛力的成膜原料［4］.但是，蛋白基膜材料具有親水性和較差的水汽阻隔性［5］，致使其應(yīng)用受到限制.

在蛋白基質(zhì)中添加疏水性油脂制備乳液膜材料可以明顯改善蛋白膜材料的水汽阻隔性［6］.制備乳液膜材料的傳統(tǒng)方法是采用高速分散處理成膜乳液后澆注成膜.高速分散常用于食品流體攪拌以及高黏度液體的混合，在食品工業(yè)中應(yīng)用廣泛［7］，利用高速分散可以形成微米級(jí)別的粒子［8］.因此，膜材料油滴粒徑較大會(huì)弱化膜材料的微結(jié)構(gòu).

高壓微射流是一種環(huán)境友好的物理加工技術(shù)［9］.樣品處理過(guò)程中，高速流動(dòng)的生物大分子溶液快速通過(guò)具有一定幾何形狀的腔體，物料同時(shí)受到高速剪切、高頻震蕩、空穴效應(yīng)和對(duì)流撞擊等機(jī)械力作用和相應(yīng)的熱效應(yīng)，由此引發(fā)的機(jī)械力化學(xué)效應(yīng)可誘導(dǎo)生物大分子物理、化學(xué)及結(jié)構(gòu)性質(zhì)的變化.文獻(xiàn)［10］中利用動(dòng)態(tài)超高壓微射流技術(shù)制備了亞微米級(jí)的乳狀液;文獻(xiàn)［11］探討了微射流處理對(duì)熱變性乳液的影響.初步研究表明，乳液的穩(wěn)定性在某種程度上與乳液中油滴粒子的粒徑及分布有關(guān)［12］.但是有關(guān)高壓微射流對(duì)乳液膜材料微結(jié)構(gòu)(油滴尺寸及分布)及特性的影響目前尚未見(jiàn)報(bào)道.

本研究采用高速分散和高壓微射流技術(shù)制備明膠－橄欖油乳液膜材料，初步探討了成膜乳液粒徑與膜材料微結(jié)構(gòu)及物理特性之間的構(gòu)效關(guān)系，并研究了微射流技術(shù)制備的乳液膜材料對(duì)溶菌酶的控釋性，以期為制備新型抗菌膜材料奠定理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及主要儀器

主要實(shí)驗(yàn)材料及儀器如下:明膠(美國(guó)Sigma公司)，甘油(美國(guó)Sigma公司)，橄欖油(上海嘉里糧油有限公司)，T25 IKA高速分散機(jī)(德國(guó)IKA公司)，M110-EH納米微射流均質(zhì)機(jī)(美國(guó) MFIC公司)，恒溫恒濕箱(上海一恒科學(xué)儀器有限公司)，MasterSizer 2000激光粒度儀(英國(guó)馬爾文公司)，質(zhì)構(gòu)分析儀(英國(guó)SMS公司)，TCS SP5激光掃描共聚焦顯微鏡(德國(guó)萊卡儀器公司)，原子力顯微鏡(美國(guó)Veeco公司).

1.2 明膠乳液膜的制備

稱(chēng)取5 g明膠溶于100 mL蒸餾水中，制成0.05g/mL的成膜溶液，50℃下水合2h，然后加入2g甘油作為塑化劑，再加入1 g橄欖油制備乳液.膜材料中可溶性固形物及其含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別是:明膠62.5%，甘油25%，橄欖油12.5%.用1 mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)成膜液pH值至8.0，磁力攪拌器攪拌均勻，用不同均質(zhì)條件(A為明膠對(duì)照膜，未添加橄欖油;B為10000 r/min下高速均質(zhì)4 min;C為高速均質(zhì)4min，加微射流69MPa下進(jìn)行3次循環(huán))處理，不添加橄欖油的明膠溶液作為空白成膜液.乳液均質(zhì)后立即放置于真空箱中脫氣3min，量取一定體積的成膜液倒入有機(jī)玻璃盒中，于25℃、40%相對(duì)濕度的恒溫恒濕箱中干燥24h后揭膜，將膜裁成一定規(guī)格尺寸，以進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)前，所有的膜材料在相對(duì)濕度為58%的環(huán)境中平衡48h.

1.3 成膜液粒徑的測(cè)定

將成膜溶液用蒸餾水稀釋至折光比為10%的溶液，用MasterSizer 2000激光粒度儀測(cè)定成膜溶液的粒徑分布［13］.樣品溶液的體積平均直徑 D3，2、表面積平均直徑D4，3用以下公式計(jì)算:

式中，ni為一定粒徑范圍的粒子數(shù)目;di為粒子直徑.

1.4 膜厚度的測(cè)定

用千分尺(精確到0.001mm)在膜上隨機(jī)取6個(gè)點(diǎn)，測(cè)量其厚度，結(jié)果取平均值.

1.5 膜機(jī)械性能的測(cè)定

膜的抗拉強(qiáng)度(TS)和斷裂伸長(zhǎng)率(EB)采用TA-XT2i質(zhì)構(gòu)分析儀測(cè)定，每種膜選定9個(gè)樣品，膜表面不能有氣孔或瑕疵，膜尺寸為2.5cm×8 cm，安裝在測(cè)試爪盤(pán)上，頂部和底部的爪盤(pán)初始距離為50mm，測(cè)試速率為2 mm/s，爪盤(pán)拉伸樣品直至斷裂.抗拉強(qiáng)度用膜在拉伸測(cè)試中所承受的最大應(yīng)力與其橫截面積之比表示，斷裂伸長(zhǎng)率用膜斷裂時(shí)兩爪盤(pán)間距與初始間距的比值表示［14］，每種膜測(cè)定9個(gè)樣，取平均值.

TS和EB的計(jì)算如下:

式中:F為膜在斷裂時(shí)所能承受的最大應(yīng)力，N;S為膜的斷面面積，m2;E為膜在斷裂時(shí)所達(dá)到的長(zhǎng)度，mm;E0為膜的初始長(zhǎng)度，mm.

1.6 膜的水汽透過(guò)性測(cè)定

采用ASTM E96—95［15］的標(biāo)準(zhǔn)，稍作修改后測(cè)量膜的水汽透過(guò)系數(shù).測(cè)試用杯的杯口直徑為50 mm，深30 mm.在杯中放置蒸餾水，水面至杯口高度為8mm.將膜剪裁成直徑為80 mm的圓形，遮住杯口，膜與杯口連接處用石蠟密封后放置于裝有五氧化二磷的干燥器內(nèi)，于25℃下每隔3h將測(cè)試杯取出，精確稱(chēng)量其質(zhì)量變化，通過(guò)公式計(jì)算水汽透過(guò)系數(shù)(WVP):

式中:W為量杯水分增加量，g;t為時(shí)間，s;S'為膜覆蓋杯杯口面積，m2;L為膜厚度，m;Δp為水蒸氣壓差，Pa.

1.7 激光共聚焦顯微鏡(CLSM)分析

乳液膜的微觀(guān)結(jié)構(gòu)利用裝有20HCPL APO/0.70NA物鏡的萊卡 DMRE-7(SDK)倒置顯微鏡(TCS SPS)進(jìn)行觀(guān)察［16］.將樣品膜裁成 20 mm ×20mm的尺寸，放置于載玻片中央，用1%的 Nile Blue和0.1%的Nile Red混合染料染色.小心地用蓋玻片將膜固定，以防止產(chǎn)生氣泡，在蓋玻片邊緣涂上硅油以防止水分蒸發(fā).將載玻片倒置于載物臺(tái)上，用100倍的物鏡觀(guān)察，激光器發(fā)射波長(zhǎng)為514和633nm.

1.8 原子力顯微鏡(AFM)分析

原子力顯微鏡用于觀(guān)察膜表面的微觀(guān)形貌，將膜剪裁成4mm×4mm大小，用雙面膠粘在載物臺(tái)上進(jìn)行掃描，選用輕敲模式(Tapping Mode)［17］，圖像的掃描范圍為20 μm×20 μm，觀(guān)察膜表面的形貌，并計(jì)算膜材料的表面粗糙度.

1.9 乳液膜對(duì)溶菌酶控釋性的測(cè)定

膜材料(5cm×5cm)浸泡于50mL 66mmol/L的磷酸緩沖液(pH=7.0)中，于20℃、150 r/min條件下振蕩，每隔一段時(shí)間(10、30、60、120、180、240、480、960、1440min)取樣200μL，加入5mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.015%的溶壁微球菌懸浮液，搖勻，450 nm波長(zhǎng)下測(cè)定10min內(nèi)吸光度的變化量，以0.001個(gè)吸光度的下降值為1個(gè)酶活單位.

2 結(jié)果與分析

2.1 成膜液的粒徑

圖1為不同均質(zhì)條件處理得到的成膜液的粒徑分布.高速分散機(jī)處理的成膜液粒徑呈雙峰狀(1和20μm)分布，油滴粒徑分散在1.0和50.0μm之間，而微射流處理后乳液粒徑分布呈單峰狀，集中分布于0.1～1.0μm之間.經(jīng)過(guò)微射流二次處理，成膜乳液 D3，2、D4，3分別從 3.094 和 13.990 μm 降至 0.396和0.931μm.這與成膜乳液粒徑分布圖的變化是一致的.高速分散機(jī)末端高速運(yùn)轉(zhuǎn)的探頭將成膜乳液吸入并分散成微米尺度的油滴;高壓微射流處理過(guò)程中，高速流動(dòng)的成膜乳液通過(guò)高壓微射流納米均質(zhì)機(jī)的Z型腔體時(shí)，物料同時(shí)受到高速剪切、高頻震蕩、空穴效應(yīng)和對(duì)流撞擊等機(jī)械力作用和相應(yīng)的熱效應(yīng)，由此引發(fā)的機(jī)械力化學(xué)效應(yīng)促使形成納米尺度且均勻分布的成膜乳液.

圖1 不同均質(zhì)條件處理的成膜液的粒徑分布Fig.1 Particle size distributions of emulsions under different homogenization conditions

2.2 乳液膜的機(jī)械性能

表1示出了不同均質(zhì)條件處理的膜材料的機(jī)械性能.從表1可以看出:明膠膜中添加油脂可增加膜的柔韌度，膜在斷裂處的伸長(zhǎng)度較大;單獨(dú)使用高速分散機(jī)處理的乳液膜抗拉強(qiáng)度反而弱于對(duì)照膜;而經(jīng)過(guò)微射流處理后的乳液膜抗拉強(qiáng)度明顯提高，斷裂伸長(zhǎng)率是對(duì)照膜的2.5倍.原因可以結(jié)合乳液膜的微觀(guān)結(jié)構(gòu)來(lái)分析:高速分散處理后成膜液粒徑較大且乳化穩(wěn)定性差，成膜過(guò)程中油相遷移，富集在膜表面，膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻，蛋白相和油相未能形成較強(qiáng)的相互作用，由于較大油滴破壞了膜材料網(wǎng)絡(luò)的完整性，導(dǎo)致膜材料的機(jī)械強(qiáng)度比對(duì)照膜差;而經(jīng)過(guò)微射流處理后，乳液粒徑小、分布均勻且穩(wěn)定性較好，形成柔韌的乳液膜，抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率明顯提高.

表1 不同均質(zhì)條件處理的膜材料的機(jī)械性能和水汽透過(guò)系數(shù)1)Table 1 Mechanical properties and water vapor permeability of the films under different homogenization conditions

2.3 乳液膜的水汽透過(guò)系數(shù)

實(shí)驗(yàn)中制備的乳液膜無(wú)論是高速分散還是微射流均質(zhì)處理，都可以顯著降低膜材料的水汽透過(guò)系數(shù)，且兩者的WVP值之間沒(méi)有顯著差異(見(jiàn)表1).盡管兩者均具有良好的水汽阻隔性，但相關(guān)機(jī)制是不同的:高速分散處理制備的膜材料形成類(lèi)似雙層膜的結(jié)構(gòu)，即膜表面油相富集形成脂肪層，油脂的疏水性質(zhì)阻擋水分子通過(guò);微射流處理制備的膜材料內(nèi)部形成致密均勻的蛋白相和油相交織的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).均勻分布的疏水性油滴增加了水分子的擴(kuò)散路徑，因而降低了水分子的滲透速率，故橄欖油的添加顯著提高了膜材料的水汽阻隔性.

2.4 不同均質(zhì)條件乳液膜的CLSM結(jié)果

圖2是對(duì)照膜和乳液膜的CLSM圖.蛋白相為紅色，油相為綠色.從圖2(b)可以明顯看到高速分散處理制備的乳液膜中油滴粒徑大小不均勻，大至25μm，小至1 μm，油相離散分布于連續(xù)的蛋白相間;而經(jīng)過(guò)微射流處理后油滴大小相對(duì)均一，且粒徑都在5μm以下，油相均勻鑲嵌在蛋白基質(zhì)當(dāng)中，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)緊密的乳液膜.

圖2 激光共聚焦顯微鏡下乳液膜的微觀(guān)圖像Fig.2 Microscope images of emulsion films under CLSM

2.5 乳液膜的AFM結(jié)果

圖3 乳液膜的原子力顯微鏡照片F(xiàn)ig.3 Images of emulsion films under AFM

AFM可以從微觀(guān)角度提供膜表面粗糙度的相關(guān)信息，進(jìn)而分析成膜液的組成和穩(wěn)定性對(duì)膜表面結(jié)構(gòu)的影響.圖3為不同均質(zhì)條件處理后的乳液膜和對(duì)照膜的表面直觀(guān)微結(jié)構(gòu).由表2所示的乳液膜表面粗糙度發(fā)現(xiàn)，對(duì)照膜材料表面非常平整，表面粗糙度值僅有13.7nm.經(jīng)過(guò)高速分散處理，乳液膜表面粗糙度升高到220.7 nm，而微射流處理制備的乳液膜表面比高速分散處理的膜材料平整很多，表面粗糙度下降為117.5 nm.這說(shuō)明高壓微射流能獲得納米尺度的成膜乳液，成膜后表面平整.

表2 不同均質(zhì)條件處理的膜材料的表面粗糙度1)Table 2 Surface roughness of films under different homogenization conditions

2.6 乳液膜對(duì)溶菌酶的控釋性

防止食品表面微生物污染的傳統(tǒng)方法是在食品表面噴涂抗菌劑，該方法具有局限性，因?yàn)榭咕鷦┠芸焖傧蚴称分黧w中擴(kuò)散.蛋白基抗菌膜材料為食品表面微生物污染提供了新的解決途徑，但蛋白膜材料的強(qiáng)吸濕性易造成膜結(jié)構(gòu)松弛，抗菌劑快速釋放.利用微射流技術(shù)制備的乳液膜材料對(duì)溶菌酶具有良好的控釋性(見(jiàn)圖4)，這主要是因?yàn)榫鶆蚍稚⒌挠偷窝泳徚怂蚰げ牧蟽?nèi)部滲透，避免了膜結(jié)構(gòu)的快速松弛，同時(shí)增加了溶菌酶在膜材料中的擴(kuò)散路徑.

圖4 微射流技術(shù)制備的乳液膜對(duì)溶菌酶的控釋性Fig.4 Controlled release property to lysozyme from emulsion films prepared through microfluidization technique

3 結(jié)論

(1)采用微射流處理可制備得到納米尺度的成膜乳液，以此制備的膜材料具有良好的機(jī)械性能、水汽阻隔性和對(duì)溶菌酶的控釋性.

(2)高速分散處理制備的成膜乳液油滴粒為微米尺度，且均勻性差，成膜過(guò)程中部分油相富集在乳液膜表面，形成類(lèi)似雙層膜的結(jié)構(gòu)，該材料具有良好的水汽阻隔性，但抗拉強(qiáng)度低.

(3)利用高速分散和微射流兩種處理方法制備的成膜乳液在干燥過(guò)程中出現(xiàn)不同程度的團(tuán)聚現(xiàn)象.乳液膜的機(jī)械性能和阻隔性與膜材料中的油滴大小及分布具有很大的關(guān)聯(lián).

［1］Debeaufort F，Quezada-Gallo J A，Voilley A.Edible films and coatings:tomorrow’s packagings:a review［J］.Critical Reviews in Food Science，1998，38(4):299-313.

［2］Keste J J，F(xiàn)ennema O.Edible films and coatings:a review［J］.Food Technology，1986，40(12):47-59.

［3］Ou S Y，Kwok K C，Kng Y J.Changes in vitro digestibility and available lysine of soy protein isolate after formation of film ［J］.Journal of Food Engineering，2004，64(3):301-305.

［4］Bialopiotrowicz T，Jańczuk B.Surface properties of gelatin films［J］.Langmuir，2002，18(24):9462-9468.

［5］Kristo E，Biliaderis C G，Zamprake A.Water vapour barrier and tensile properties of composite caseinate-pullulan films:biopolymer composition effects and impact of beeswax lamination［J］.Food Chemistry，2007，101(2):753-764.

［6］Perez-Mateos M，Montero P，Gomez-Guillen M C.Formulation and stability of biodegradable films made from cod gelatin and sunflower oil blends［J］.Food Hydrocolloids，2009，23(1):53-61.

［7］Urban K，Wagner G，Schaffner D，et al.Rotor-stator and disc systems for emulsification processes［J］.Chemical Engineering and Technology，2006，29(1):24-31.

［8］Pinnamaneni S，Das N G，Das D K.Comparison of oil-inwater emulsions manufactured by microfludization and homogenization ［J］.Pharmazie，2003，58(8):54-58.

［9］尹壽偉，唐傳核，溫其標(biāo)，等.微射流處理對(duì)蕓豆分離蛋白構(gòu)象和功能特性的影響［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，37(10):112-116.Yin Shou-wei，Tang Chuan-he，Wen Qi-biao，et al.Effect of micro-fluidization treatment on conformational and functional properties of kidney bean(Phaseolus vulgaris L)protein isolates［J］.Journal of South China University of Technology:Natural Science Edition，2009，37(10):112-116.

［10］Jafari S M，He Y，Bhandari B.Production of sub microne emulsions by ultrasound and microfluidization techniques［J］.Journal of Food Engineering，2007，82(4):478-488.

［11］Iordache M，Jelen P.High pressure micro-fluidization treatment of heat denatured whey proteins for improved functionality［J］.Innovative Food Science and Emerging Technologies，2003，4(4):367-376.

［12］Debeaufort F，Martin-Polo M，Volley A.Polarity，homogeneity and structure affect water vapour permeability of model edible films［J］.Journal of Food Science，1993，58(2):426-429，434.

［13］Perez-Gago M B，Krochta J M.Lipid particle size effect on water vapour permeability and mechanical properties of whey protein/beeswax emulsion films［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，2001，49(2):996-1002.

［14］ASTM.D882-97，Standard test method for tensile properties of thin plastic sheeting［S］.

［15］McHugh T H，Avena-Bustillos R，Krochta J M.Hydrophilic edible films:modified procedure for water vapour permeability and explanation of thickness effects［J］.Journal of Food Science，1993，58(4):899-903.

［16］Wang L Z，Auty M A E，Rau A，et al.Effect of pH and addition of corn oil on the properties of gelatin-basedbiopolymer films ［J］.Journal of Food Engineering，2009，90(1):11-19.

［17］Fabra M J，Pérez-Masiá R，Talens P，et al.Influence of the homogenization conditions and lipid self-association on properties of sodium caseinate based films containing oleic and stearic acids［J］.Food Hydrocolloids，2011，25(5):1112-1121.