普魯蘭多糖-明膠可食性膜的特性

高丹丹，徐學玲，江連洲，張 超，馬 越，趙曉燕

（1.東北農業(yè)大學食品學院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.北京市農林科學院蔬菜研究中心，北京 100097）

普魯蘭多糖-明膠可食性膜的特性

高丹丹1，徐學玲2，江連洲1，張 超2，馬 越2，趙曉燕2

（1.東北農業(yè)大學食品學院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.北京市農林科學院蔬菜研究中心，北京 100097）

為了提高可食性膜的透明度和阻隔性，制備一種速溶的普魯蘭多糖-明膠可食性膜。將普魯蘭多糖添加到明膠膜中，普魯蘭多糖和明膠的添加質量比為2∶5（PG2）。在此配比下，普魯蘭多糖-明膠可食性膜的抗拉強度是明膠可食性膜的120%，氧氣透過率是明膠可食性膜的1/13?？墒承阅G2中普魯蘭多糖和明膠分子間具有較強的氫鍵作用，并且此時可食性膜具有較好的相容性，因此使可食性膜PG2抗拉強度增強和氧氣透過率降低。可食性膜PG2具有較低的氧氣透過率（0.15 mL/（m2?d））、較高的抗拉強度（97.21 MPa）和溶水時間（29.5 s），而且具有不透油和低水蒸氣透過率（109.08 g/（m2?d））的性質，因此，可食性膜PG2是適合應用于可食性內包裝的材料。

普魯蘭多糖；明膠；可食性膜；氧氣透過率；抗拉強度

Caroline等[1]制備的明膠可食性膜和Li等[2]制備的魔芋葡甘聚糖-明膠可食性膜研究結果表明：明膠可食性膜機械性能較高、價格低廉，但是其阻隔性能和透明度較差。Tong等[3]制備的普魯蘭多糖-海藻酸鈉-羧甲基纖維素復合膜和Mahamadou等[4]制備的乳清分離蛋白-普魯蘭多糖復合膜研究結果表明，普魯蘭多糖可食性膜透明度高、阻油、阻氧性好，但是單一成分的普魯蘭多糖可食性膜的機械性能較差。為了同時保證可食性膜具有較高的機械性能、阻隔性和水溶性，本實驗在明膠可食性膜中添加普魯蘭多糖，復合之后在不影響可食性膜機械性能和水溶性的同時，提高了可食性膜的透明度和阻隔性，復合之后的可食性膜的綜合性能高于以上各種可食性膜，提高了可食性膜的適用性，為可食性膜的工業(yè)化生產提供實驗數據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

普魯蘭多糖 天津實發(fā)中科百奧工業(yè)生物技術公司；明膠 滄州市金箭明膠有限公司；甘油 北京化工廠；金龍魚大豆油 山東萊陽魯花濃香花生油有限公司。

1.2 儀器與設備

CHY-C2測厚儀 中國Labthink公司；DZKW-4型電子恒溫水浴鍋 中國中興偉業(yè)儀器有限公司；RCT Basic Safety Control磁力攪拌器 德國IKA公司；TA·XT2i型物性測試儀 英國Stable Micro Systems公司；PERMA TRAN-W Model 1/50 G水蒸氣透過率測試儀、OX-TRAN Model 2/21 MD氧氣透過率測試儀 美國Mocon公司； Nicolet 6700型傅里葉變換紅外光譜儀 美國Thermo公司；Incucell型生化培養(yǎng)箱 德國Mmm公司；D8 Advance 型X射線衍射儀 德國Bruker公司；AR1500型流變儀 美國TA公司；Nano Scope IIIa原子力顯微鏡 美國Digital Instrument公司；S-4800型掃描電鏡日本Hitachi公司。

1.3 方法

1.3.1 普魯蘭多糖-明膠可食性膜的制備

普魯蘭多糖溶解在25～30℃的蒸餾水中，明膠溶解在90℃的蒸餾水中，混合并冷卻到25～30℃后添加甘油，甘油的添加量為普魯蘭多糖和明膠質量的20%，磁力攪拌10 min，在0.01～0.09 MPa真空脫氣10 min。成膜溶液傾倒在聚丙乙烯培養(yǎng)皿中，置于通風櫥中8～10 h室溫成膜。制成普魯蘭多糖可食性膜、明膠可食性膜和普魯蘭多糖-明膠可食性膜。普魯蘭多糖和明膠的混合比例見表1，形成的可食性膜命名為PUL、PG1、PG2、PG3、PG4和GEL。揭膜后于40℃、53%相對濕度條件下平衡2 d后，?。?0±3）μm厚度的樣品膜進行可食性膜指標的測定。

表1 普魯蘭多糖-明膠可食性膜的命名Table 1 Edible films with different ratios of pullulan to gelatin

1.3.2 可食性膜性質的測定

1.3.2.1 紅外光譜測定

應用Nicolet 6700傅里葉變換紅外光譜儀采集可食性膜的紅外光譜圖。采用ATR單反（Smart iTR ATR）附件，測定在波數650～4 000 cm-1的吸收光譜，分辨率4 cm-1，波數精度0.01 cm-1，掃描次數32次，環(huán)境溫度25℃。以OMNIC 8.0軟件分析采集的譜圖。

1.3.2.2 X射線衍射測定

應用D8 Advance型X射線衍射儀采集可食性膜的X射線圖。實驗條件為25℃，X射線源為CuKα線，電壓為40 kV，電流為40 mA，掃描角度6.00°～50.00°。

1.3.2.3 流變特性測定

應用AR1500型流變儀測定可食性膜液的表面黏度。實驗條件為25℃，采用平板，剪切速率為0.1～100 s－1，應變?yōu)?%，裂縫為500 μm。

1.3.2.4 掃描電鏡觀察

應用掃描電子顯微鏡觀察可食性膜的橫截面，可食性膜樣品以垂直方向用雙面膠固定在樣品臺上，真空狀態(tài)下鍍金，電子束的加速電壓為1.0 kV，對樣品可食性膜橫截面放大1 000倍進行觀察。

1.3.3 可食性膜的相容性

應用原子力顯微鏡采集可食性膜表面的圖片，考察可食性膜的相容性?？墒承阅さ南嗳菪允莾煞N或兩種以上物質混合時，不產生相斥分離現(xiàn)象的能力。25℃條件下，采集10 μm范圍可食性膜的表面圖形?？墒承阅け砻娴拇植诙炔捎肧PM軟件（v512r2）處理。

1.3.4 可食性膜厚度

根據GB/T 6672—2001《塑料薄膜和薄片厚度測定 機械測量法》[5]，用測厚儀對每張可食性膜測定厚度，均勻取13個點（其中1點為通過可食性膜的中心點），以平均值作為可食性膜的厚度值。可食性膜厚度的測定是為可食性膜指標的測定提供依據。

1.3.5 可食性膜的抗拉強度

根據ASTM D 882—01方法[6]使用物性測試儀測定（TS），兩個探頭的初始間距設定為40 mm，拉引速率設定為1 mm/s，其計算參照公式（1）。

式中：TS為抗拉強度/MPa；F為實驗樣品可食性膜斷裂時的最大拉力/N；S為實驗樣品可食性膜的橫截面積/m2。

1.3.6 可食性膜的氧氣透過率

根據ASTM D 3985—95方法[7]，在23℃條件下應用氧氣透過率測試儀進行測定。測試面積為50 cm2。吹掃氣體和測試氣體分別為高純氮氣（混有體積分數為2%的氫氣）和氧氣。

1.3.7 可食性膜的水蒸氣透過率

根據ASTM F 1249—05方法[8]，在23℃條件下應用水蒸氣透過率測試儀進行測定。測試時使用的載氣為高純氮氣，測試面積為5 cm2?？墒承阅蓚认鄬穸确謩e設定為50%和15%。

1.3.8 可食性膜的油脂透過率

根據谷宏等[9]的方法進行測定。于試管內裝5 mL大豆油，用可食性膜樣品封住試管口，再放一張預先稱量的濾紙片，25℃條件下倒置放于相對濕度53%的干燥器中。一周后記錄濾紙片的質量。油脂透過率的計算參照公式（2）。

式中：P0為油脂透過率/（g/（m2·d））；Δm為濾紙片稱量前后的質量變化/g；h為可食性膜厚度/mm；S為試管口面積/m2；t為測試時間/d。

1.3.9 可食性膜的水溶性

取剪裁成2 cm×2 cm規(guī)格的可食性膜樣品，置于盛滿90℃水的燒杯中，能發(fā)現(xiàn)可食性膜先收縮然后呈很多細小的顆粒狀分散于水中，一段時間后陽光下觀察水中顆粒狀消失為本實驗溶水時間的終點，記錄樣品溶解的秒數。

1.4 數據分析與統(tǒng)計

利用DPS v7.05統(tǒng)計軟件對數據進行差異顯著性分析和軟件Origin7.5作圖。

2 結果與分析

2.1 可食性膜的結構特征

2.1.1 紅外光譜分析

圖1 可食性膜的紅外光譜Fig.1 Fourier transform infrared spectra of edible films

紅外光譜反映出可食性膜原料之間分子間的相互作用，普魯蘭多糖和明膠分子之間的相互作用會直接影響可食性膜的性能[10-11]。所有可食性膜在3 303 cm-1和2 925 cm-1處的吸收帶是－OH和甲基中的C－H的伸縮振動[12]。由圖1可知，可食性膜PG2在3 303 cm-1處的吸收峰變寬并且比PUL和GEL峰強度更大，表明普魯蘭多糖和明膠分子間的氫鍵加強了[11]。在1 646 cm-1處的吸收峰是C－O連著的－OH的伸縮振動[13]。PUL和GEL分別出現(xiàn)在1 649 cm-1和1 624 cm-1處的吸收峰沒有出現(xiàn)在復合組分的可食性膜中，但是PG4、PG3、PG2和PG1在1 643、1 637、1 634、1 632 cm-1出現(xiàn)了類似的峰。這個現(xiàn)象表明普魯蘭多糖和明膠之間產生了相互作用。PUL在1 076 cm-1處的吸收峰是C6連著的－OH伸縮振動，GEL在1 030 cm-1處的吸收峰是C－O－C的伸縮振動[14]。與之相比，PG4、PG3、PG2、PG1在1 081 cm-1和1 030 cm-1處的吸收峰降低到了一個較低的波數，表明普魯蘭多糖和明膠之間存在分子間氫鍵的相互作用。氫鍵作用的產生，是可食性膜機械性能和阻隔性能增強的主要原因[10-11]。

2.1.2 X射線衍射分析

圖2 可食性膜的X射線衍射圖Fig.2 X-ray diffraction profiles of edible films

由圖2可知，6種樣品可食性膜在20.5°處有一個衍射峰。GEL在7.6°處有一個顯著的衍射峰，這是因為存在少量棒狀的膠原蛋白三螺旋結構[15]，其他4種可食性膜成膜原料中也含有明膠，故在此處也有衍射峰，PUL中沒有這種現(xiàn)象。PG2在7.6°附近顯示出一個尖銳的衍射峰，這是因為普魯蘭多糖和明膠之間并非簡單的機械混合，它們發(fā)生了分子間的相互作用，可能是激發(fā)了H???O－N、OH???O、C－H???O[16]和C－H???N[17]等氫鍵的形成，才會使PG2在7.6°處形成了半晶域。另外，PG2在7.6°附近的衍射峰比其他復合的可食性膜的峰都尖銳，這可能是因為PG2具有較強的氫鍵作用。

2.1.3 可食性膜的微觀結構

可食性膜的微觀結構反映了可食性膜的均一性和致密性，如果可食性膜具有較高的均一性和致密性，就能使可食性膜具有較高的抗拉強度[18]?？墒承阅M截面的掃描電鏡圖見圖3。從可食性膜橫截面的形貌來看，PG3和PG4的橫截面有一些細微的小孔，其他的可食性膜都具有緊密而均一的橫截面形態(tài)，因此PG3和PG4的相容性低于PG2和PG1。另外，橫截面上的橫紋和鱗片狀是人工切割和撕裂可食性膜截面造成的。

圖3 可食性膜橫截面的掃描電鏡圖（×1 0001 000）Fig.3 Cross-sectional morphologies of edible films under scanning electron micrograph (× 1 000)

為了篩選出相容性最佳的可食性膜，故做了可食性膜的原子力顯微鏡的觀察。從原子力顯微鏡析出的結果顯示PUL、GEL、PG1、PG2、PG3、PG4的粗糙度分別為1.727、0.676、4.347、2.160、11.349、13.275 nm。PG2的粗糙度低于PG4、PG3和PG1，因此篩選出可食性膜PG2具有較好的相容性。PG2較高的相容性是導致可食性膜較好的機械性能和阻隔性能的一部分原因。

2.2 可食性膜的特性

2.2.1 流變學特性

表面黏度與材料的內部結構有關。由圖4可知，可食性膜的表面黏度顯示出剪切稀化的行為，故可以認為可食性膜液都為非牛頓流體[19]。剪切速率從0增加到3.594 s－1時，PG1～PG4的表面黏度高于PUL和GEL，這是因為普魯蘭多糖和明膠分子之間發(fā)生了協(xié)同效應，這種協(xié)同作用可能是由于普魯蘭多糖和明膠分子之間形成了氫鍵和其他相互作用力導致的。剪切速率從3.594 s－1增加到100 s－1時，PG2的表面黏度介于PUL和GEL之間，這是因為隨著剪切速率進一步增加，會破壞普魯蘭多糖和明膠分子之間形成的氫鍵和相互作用力。因此，流變學的分析驗證了普魯蘭多糖和明膠分子間氫鍵和相互作用的產生。

圖4 可食性膜的表面黏度隨剪切速率的變化Fig.4 Apparent viscosity versus shear rate plot for edible films

2.2.2 普魯蘭多糖的添加對可食性膜抗拉強度的影響

圖5 普魯蘭多糖添加量對可食性膜抗拉強度的影響Fig.5 Effect of pullulan addition on the tensile strength of edible gelatin films

由圖5可知，PG 1、PG2、PG3、PG4的抗拉強度高于PUL和GEL，其中PG2的抗拉強度最 大，為（97.21±10.39）MPa，是明膠可食性膜的120%，高于普魯蘭多糖-海藻酸鈉-羧甲基纖維素可食性膜（67 MPa）[3]，魔芋葡甘聚糖-殼聚糖-大豆分離蛋白可食性膜（51.07 MPa）[20]，魔芋葡甘聚糖-明膠可食性膜（59.7 MPa）[2]，也高于高分子聚合物膜，如聚氯乙烯膜（3.8 MPa）[21]、聚丙烯膜（30 MPa）[22]和低密度聚乙烯膜（9.4 MPa）[23]。

2.2.3 普魯蘭多糖的添加對可食性膜阻隔性能的影響

普魯蘭多糖添加量對可食性膜氧氣透過率的影響見圖6A，普魯蘭多糖的添加顯著降低了明膠可食性膜的氧氣透過率，PG2的氧氣透過率最低，為0.15 mL/（m2?d），比普魯蘭多糖可食性膜低，是明膠可食性膜的1/13，這可能是因為PG2具有較強的分子間的相互作用和較好的相容性。PG2的氧氣透過率顯著低于使用納米填充材料的醋酸纖維素可食性膜（350 mL/（m2?d））[24]，乳清分離蛋白-普魯蘭多糖（304mL/（m2?d））[25]，低密度聚乙烯（173.3mL/（m2?d））[26]和聚丙烯膜（2000mL/（m2?d））[27]。

圖6 普魯蘭多糖添加量對可食性膜阻隔性能的影響Fig.6 Effect of pullulan addition on the barrier properties of edible gelatin films

普魯蘭多糖添加量對明膠可食性膜水蒸氣透過率的影響見圖6B，普魯蘭多糖的添加使可食性膜PG2的水蒸氣透過率降低，這可能是因為普魯蘭多糖的添加使可食性膜的相互作用力增強，因而結構更加致密，使其阻水性較好。PG2的水蒸氣透過率為109.08 g/（m2?d），低于使用納米填充材料的醋酸纖維素可食性膜（920 g/（m2?d））[24]、添加蜂蠟的大豆蛋白可食性膜（180 g/（m2?d））[28]和玻璃紙（717.12 g/（m2?d））[29]。

普魯蘭多糖可食性膜、明膠可食性膜和復合組分的可食性膜的油脂透過率未檢出，這可能是由于普魯蘭多糖和明膠聚合物分子間具有強烈的相互作用和親水性導致的。

2.2.4 可食 性膜的水溶性

圖7 普魯蘭多糖添加量對可食性膜水溶性的影響Fig.7 Effect of pullulan addition on the water solubility of edible gelatin films

由圖7可知，所有可食性膜都在65 s以內溶于90℃水中，一方面是由于成膜原料都為親水性物質，另一方面甘油也親水，使可食性膜樣品更易擴散到水中。普魯蘭多糖的添加使明膠可食性膜的溶水時間增長，這可能是因為普魯蘭多糖的添加，使可食性膜的結構更加致密導致的。其中PG2的溶水時間為29.5 s，溶水時間越低越易溶解于水中，這個數值低于魔芋葡甘聚糖-明膠可食性膜（35 s）[2]和普魯蘭多糖-海藻酸鈉-羧甲基纖維素可食性膜（111 s）[30]。

3 結 論

將普魯蘭多糖和明膠復合成膜，可食性膜PG2的抗拉強度是明膠可食性膜的120%，氧氣透過率是明膠可食性膜的1/13。這是由于PG2具有較強的氫鍵作用，并且具有較好的相容性導致的。PG2還具有速溶和不透油的特性，是一種適合應用在速溶咖啡、方便面、奶粉、豆?jié){等食品的內包裝材料。

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Properties of Pullulan-Gelatin Composite Films

GAO Dan-dan1, XU Xue-ling2, JIANG Lian-zhou1, ZHANG Chao2, MA Yue2, ZHAO Xiao-yan2
(1. College of Food Science, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China; 2. Vegetable Research Center, Beijing Academy of Agricultural and Forestry Sciences, Beijing 100097, China)

A quick dissolvable edible film was prepared with blends of pullulan and gelatin (GEL) showing improved transparency and barrier properties. Pullulan was added into gelatin film with a ratio of pullulan:GEL of 2:5 (m/m), forming a composite film named as PG2. The tensile strength of PG2 was 120% of GEL, and PG2 had an oxygen permeability one thirteenth as high as GEL. There was the strongest interaction of hydrogen bonds and the best compatibility between the molecules of pullulan and GEL in PG2, which could explain the improved tensile strength and the reduced oxygen permeability of PG2. PG2 provided low oxygen permeability (0.15 mL/(m2?d)), high tensile strength (97.21 MPa) and short dissolution time (29.5 s). Moreover, it was instant, oiltight and of low water-vapor permeability (109.08 g/(m2?d)). Thus, the prepared edible film of PG2 is suitable for application in edible inner packaging.

pullulan; gelatin; edible film; oxygen permeability; tensile strength

TS206

A

1002-6630(2014)01-0069-05

10.7506/spkx1002-6630-201401013

2012-09-12

北京市優(yōu)秀人才培養(yǎng)資助項目（2010D002020000012）

高丹丹（1986—），女，碩士研究生，研究方向為糧食、油脂與植物蛋白工程。E-mail：Diana198691@126.com