殼寡糖對殼聚糖-明膠-殼寡糖三元復(fù)合膜的性能影響研究

王亞珍，謝 晶，李 立，薛 斌，邵則淮，孫 濤

（上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海201306）

殼寡糖對殼聚糖-明膠-殼寡糖三元復(fù)合膜的性能影響研究

王亞珍，謝 晶，李 立，薛 斌，邵則淮，孫 濤*

（上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海201306）

以殼聚糖、明膠和殼寡糖進(jìn)行了復(fù)合膜的制備，通過紅外光譜表征了其結(jié)構(gòu)，考察殼寡糖添加量對復(fù)合膜物理、機(jī)械、抗氧化和抑菌性能的影響。結(jié)果表明，殼聚糖、明膠、殼寡糖三者之間發(fā)生氫鍵相互作用。適量殼寡糖的加入，可增強(qiáng)復(fù)合膜的親水性，改善力學(xué)性能及水蒸氣阻隔性能，顯著提高復(fù)合膜的抗氧化性能和抑菌活性（p＜0.05）。殼聚糖與明膠的質(zhì)量比為2∶3，甘油含量為1%（v/v），添加30%的殼寡糖，復(fù)合膜的DPPH自由基清除率提高了7.03倍，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌圈直徑分別增大了32%和30%。

殼寡糖，復(fù)合膜，機(jī)械性能，抗氧化性，抑菌性能

殼聚糖是甲殼素脫乙?；蟮漠a(chǎn)物，是自然界中唯一的堿性天然多糖。殼聚糖安全無毒、易于生物降解，且具有優(yōu)良的成膜性、生物相容性和抗菌性［1-3］等，在保鮮包裝方面有著廣闊的應(yīng)用前景。明膠來源廣泛，價(jià)格低廉，成膜性好，也是一種可降解的天然膜材料。單一的殼聚糖膜，力學(xué)性能較差，將明膠與殼聚糖共混制膜，可以改善殼聚糖膜的力學(xué)性能［4］。但由于殼聚糖幾乎不具有抗氧化活性，且抑菌譜較窄［5］，這些缺點(diǎn)限制了殼聚糖作為食品包裝膜的應(yīng)用范圍。添加天然的抗氧化劑和抗菌劑，提高殼聚糖復(fù)合膜的抗氧化性能以及抑菌性，可以拓寬殼聚糖復(fù)合膜在食品包裝方面的應(yīng)用［6］。

殼寡糖是殼聚糖降解以后的產(chǎn)物，具有良好的水溶性，基本沒有成膜性。由于與殼聚糖具有相同的結(jié)構(gòu)單元，因此二者具有良好的相容性。與殼聚糖相比，殼寡糖具有良好的抗氧化性能及抑菌活性［7-8］。

本文以溶液共混法制備殼聚糖-明膠-殼寡糖復(fù)合膜，研究殼寡糖添加量對復(fù)合膜的物理性質(zhì)、機(jī)械性能、阻隔性能、抗氧化性能及抑菌性能的影響，以期制備一種綜合性能優(yōu)良的食品包裝膜。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

殼聚糖 分子量10萬，脫乙酰度90%，浙江金殼藥業(yè)有限公司；明膠 食品級，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；殼寡糖 分子量1000，脫乙酰度90%，浙江金殼藥業(yè)有限公司；DPPH（1，1-二苯基-2-苦基肼） 分析純，Sigma公司；冰醋酸、甘油、無水氯化鈣、硝酸鎂 均為分析純，購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；金龍魚葵花籽油 市售；胰蛋白胨大豆肉湯 北京路橋技術(shù)有限公司；營養(yǎng)瓊脂 北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司；大腸桿菌（Escherichia coli）、金色葡萄球菌（Staphylococcus aureus） 由上海海洋大學(xué)食品學(xué)院提供。

FTIR-650傅里葉變換紅外光譜儀 天津港東科技發(fā)展股份有限公司；DCP-KZ300型電腦測控抗張實(shí)驗(yàn)機(jī) 四川長江造紙儀器有限責(zé)任公司；UV-2000型紫外分光光度計(jì) 上海龍尼柯儀器有限公司；恒溫磁力攪拌器 上海雷磁新涇儀器有限公司；HHS型電熱恒溫水浴鍋 上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；YXQ-SG46-280S型手提式壓力蒸汽滅菌鍋 上海博迅實(shí)業(yè)有限公司；SW-CJ-1F型凈化工作臺 蘇凈集團(tuán)蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司；PYX-DHS-40X50BS型隔水式電熱恒溫培養(yǎng)箱 上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠；數(shù)顯卡尺 上海量具刃具廠有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 膜的制備 將殼聚糖溶于1%（v/v）的醋酸溶液中，制成2%（w/v）的殼聚糖溶液，與6%的明膠溶液按2∶1的比例混合，即殼聚糖與明膠質(zhì)量比為2∶3，然后分別加入1%（v/v）甘油及不同質(zhì)量的殼寡糖，其中殼寡糖的添加量分別為殼聚糖及明膠總質(zhì)量的10%、20%、30%、40%、50%，磁力攪拌至完全溶解。靜置消泡后，取75m L膜液均勻鋪展于干燥潔凈的有機(jī)玻璃板（20cm× 30cm）上，自然干燥后揭膜，保存于相對濕度（RH）為53%（用飽和硝酸鎂溶液保持）的干燥器內(nèi)備用。

1.2.2 復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)表征 用FTIR-650傅里葉變換紅外光譜儀對復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。測試條件如下：測試范圍為4000～500cm-1，掃描次數(shù)為8次，分辨率為2cm-1。

1.2.3 復(fù)合膜的性能測試

1.2.3.1 機(jī)械性能 膜的機(jī)械性能參照GB13022-91《塑料、薄膜拉伸性能實(shí)驗(yàn)方法》，采用電腦測控抗張實(shí)驗(yàn)機(jī)測定。測試前將待測膜裁成長150mm寬15mm的長條形試樣，作出標(biāo)距50mm，然后在（23±1）℃、53%RH條件下平衡兩天，備用。實(shí)驗(yàn)條件：拉伸速度為150mm/m in，夾具間距50mm，測試環(huán)境溫度為（23±1）℃，濕度為50%。每組膜測定6次。

按下式計(jì)算抗張強(qiáng)度（Tensile strength，TS）：

TS=F/bd

式中：TS—抗張強(qiáng)度（MPa）；F—最大載荷（N）；b—試樣寬度（mm）；d—試樣厚度（mm）。

按下式計(jì)算斷裂伸長率（Elongation at break，E）：

E（%）=（G-G0）/G0×100

式中：E—斷裂伸長率（%）；G0—試樣原始標(biāo)線間的距離（mm）；G—試樣斷裂時(shí)標(biāo)線間的距離（mm）。

1.2.3.2 透濕性 根據(jù)GB-1037-70，采用擬杯子法，在25mm×40mm的稱量瓶中放入粉碎干燥過的無水CaCl2。把制備好的完整薄膜蓋在瓶口，密封，將其置于底部有一定量蒸餾水的干燥器中，使試樣兩側(cè)保持一定的蒸汽壓差，每隔24h測量稱量瓶重量的變化，計(jì)算水蒸氣透過系數(shù)（Water vapor permeability，WVP）［9］。每種膜做3組平行實(shí)驗(yàn)，到前后兩次質(zhì)量的增加量相差不超過5%時(shí)，方可結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

按下式計(jì)算水蒸氣透過系數(shù)（WVP）：

WVP=q/t·d·s·△p

式中：WVP—水蒸氣透過系數(shù)（g·mm/m2·h· kPa）；q/t—單位時(shí)間內(nèi)透濕杯增加重量的算術(shù)平均值（g/h）；d—試樣厚度（mm），本實(shí)驗(yàn)采用同一張膜上5個(gè)以上不同部位測量值的平均值；s—試樣的實(shí)驗(yàn)面積（m2）；△p—試樣兩側(cè)的蒸汽壓差（kPa）。

1.2.3.3 溶脹度 將膜剪成2cm×2cm稱重（m1），室溫下浸入30m L蒸餾水中，30m in后取出，用濾紙迅速吸干表面的水，稱重（m2），根據(jù)膜質(zhì)量變化計(jì)算溶脹度（Swelling degree，SR）［10］。

按下式計(jì)算溶脹度（SR）：

SR（%）=［（m2-m1）/m1］×100

1.2.3.4 水溶性 將膜切成40mm×40mm的正方形，在干燥器中干燥至恒重后稱重（m1），然后放入300m L蒸餾水中，于室溫25℃下溶解12h，再將膜在60℃的條件下干燥至恒重，稱重（m2），根據(jù)膜質(zhì)量變化計(jì)算水溶性［11］。

按下式計(jì)算水溶性：

水溶性（%）=［（m1-m2）/m1］×100

1.2.3.5 抗氧化性能 復(fù)合膜抗氧化性能的測定參照文獻(xiàn)［6］并稍作調(diào)整。將0.5g膜樣品放入裝有30m L蒸餾水的燒杯中，浸泡24h后，得到復(fù)合膜浸泡液。將1m L濃度為0.001mol/L的DPPH無水乙醇溶液與3m L殼聚糖復(fù)合膜浸泡液混合。將混合液放入暗室反應(yīng)30min，然后測定混合液在517nm處的吸光度值。每個(gè)樣品做6次平行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果取平均值。

按下式計(jì)算DPPH自由基清除率：

DPPH自由基清除率（%）=［1-（AS-A0）/ADPPH］×100

式中，ADPPH—DPPH無水乙醇溶液在517nm處的吸光度；AS—復(fù)合膜浸泡液和DPPH無水乙醇溶液混合液在517nm處的吸光度；A0—復(fù)合膜浸泡液和無水乙醇混合液在517nm處的吸光度。

1.2.3.6 抑菌活性 通過抑菌圈法判定復(fù)合膜的抑菌作用強(qiáng)弱［12］。挑取受試菌種（大腸桿菌和金黃色葡萄球菌）的單菌落接種于100m L液體培養(yǎng)基內(nèi)，在37℃和轉(zhuǎn)速100r/m in的搖床內(nèi)培養(yǎng)18h。將活化好的菌用無菌生理鹽水稀釋十倍，作為初始菌液。將已滅菌并冷卻至50℃的營養(yǎng)瓊脂固體培養(yǎng)基倒入無菌平皿中，水平放置待凝固。吸取0.1m L初始菌液（106～107CFU/m L的菌懸液）加入到上述平皿中，用無菌三角棒涂布均勻。復(fù)合膜及濾紙分別用6mm的打孔器打孔，紫外殺菌30m in后，用無菌鑷子將其貼于含有菌懸液的培養(yǎng)皿表面。將貼好待測膜片的含菌平皿倒置，放于37℃培養(yǎng)箱中，24h后取出，用游標(biāo)卡尺測量抑菌圈的直徑。無菌濾紙片為空白對照。實(shí)驗(yàn)采用三個(gè)平行樣品，結(jié)果取平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)最少重復(fù)3次，所有數(shù)據(jù)用SPSS17.0軟件處理，得到的結(jié)果表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差；用Duncan's法進(jìn)行方差分析。使用Origin 8.5軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合膜的紅外光譜分析

FT-IR是表征聚合物分子間相互作用的有效技術(shù)之一［13］。圖1為純殼聚糖膜、殼聚糖-明膠膜及殼聚糖-明膠-殼寡糖復(fù)合膜的FT-IR譜圖。在純殼聚糖膜的紅外光譜圖上，有1158cm-1及896cm-1的多糖結(jié)構(gòu)吸收峰，這與文獻(xiàn)［14］相符。在波數(shù)3260cm-1處較寬的吸收峰歸屬為-OH伸縮振動吸收峰和-NH伸縮振動吸收峰。在殼聚糖-明膠復(fù)合膜（殼寡糖添加量為0%）紅外光譜上，1647cm-1處酰胺Ⅰ帶的吸收峰向低波數(shù)移動，且吸收峰變寬，說明殼聚糖與明膠分子間形成了較強(qiáng)的氫鍵。添加殼寡糖后，隨著含量的增大，復(fù)合膜的紅外光譜圖發(fā)生了一些變化。在1041cm-1附近的峰移向高波數(shù)，且變得越來越弱，說明部分C-O-C鍵的鍵能減弱，這可能導(dǎo)致復(fù)合膜機(jī)械性能的降低［15］。

圖1 殼聚糖-明膠-殼寡糖三元復(fù)合膜的紅外光譜圖Fig.1 FTIR spectra of chitosan-gelatin-chitosan oligosaccharide ternary composite films

2.2 殼寡糖對復(fù)合膜的影響

2.2.1 抗張強(qiáng)度與斷裂伸長率 殼寡糖添加量對復(fù)合膜機(jī)械性能的影響見表1。由表1可見，隨著殼寡糖添加量的增加，復(fù)合膜的抗張強(qiáng)度表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，當(dāng)殼寡糖的添加量為10%時(shí)，抗張強(qiáng)度較殼聚糖-明膠膜顯著提高（p＜0.05）；而當(dāng)殼寡糖的含量增加至30%時(shí)，復(fù)合膜的抗張強(qiáng)度下降了34.8%；殼寡糖含量繼續(xù)增加，復(fù)合膜的抗張強(qiáng)度顯著下降（p＜0.05）。復(fù)合膜的斷裂伸長率則出現(xiàn)先降后升的情況，其中添加20%殼寡糖的復(fù)合膜相對于殼聚糖-明膠膜降低了54.5%，差異顯著（p＜0.05）。殼聚糖和明膠具有良好的成膜性，而不易成膜的殼寡糖會導(dǎo)致復(fù)合膜變脆，使膜的斷裂伸長率下降。

表1 殼寡糖含量對復(fù)合膜機(jī)械性能的影響Table 1 Effects of COS content on mechanical properties of composite films

2.2.2 透濕性 殼寡糖含量對復(fù)合膜水蒸氣透過系數(shù)的影響見圖2。從圖2可以看出，隨著殼寡糖含量的增加，復(fù)合膜的水蒸氣透過系數(shù)呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢。殼寡糖添加量為10%時(shí)，復(fù)合膜的水蒸氣透過率最小。

圖2 殼寡糖含量對復(fù)合膜水蒸氣透過率的影響Fig.2 Effects of COS content on water vapor permeability of composite films

圖3 殼寡糖含量對復(fù)合膜溶脹度的影響Fig.3 Effects of COS content on swelling degree of composite films

圖4 殼寡糖含量對復(fù)合膜水溶性的影響Fig.4 Effects of COS content on solubility of composite films

2.2.3 溶脹度及水溶性 溶脹度及溶解性是評價(jià)膜性能的重要指標(biāo)，可以反映復(fù)合膜的親水性能。親水基團(tuán)越多，基團(tuán)親水性越好，則復(fù)合膜的溶脹度及水溶性越高。由圖3和圖4可以看出，膜的溶脹度隨殼寡糖含量的增加而升高，水溶性顯著（p＜0.05）增強(qiáng)，當(dāng)殼寡糖含量大于30%，水溶性變化差異不顯著。這可能是由于殼寡糖本身易溶于水，因此導(dǎo)致復(fù)合膜溶脹性及水溶性的增大。

2.2.4 抗氧化性 DPPH自由基清除能力被認(rèn)為是評價(jià)物質(zhì)抗氧化能力的標(biāo)準(zhǔn)方法之一［16-17］。圖5顯示了復(fù)合膜清除DPPH自由基的能力。從圖5中可以看到，未加殼寡糖的膜，其DPPH清除能力非常弱，隨著殼寡糖添加量的增加，復(fù)合膜的DPPH自由基清除能力顯著提高（p＜0.05）。殼寡糖的添加量為30%時(shí)，復(fù)合膜的DPPH自由基清除率提高了7.03倍。當(dāng)其添加量為50%時(shí)，復(fù)合膜的清除率最高，是未添加殼寡糖膜的10.83倍。

圖5 殼寡糖含量對復(fù)合膜DPPH清除率的影響Fig.5 Effects of COS content on DPPH radical scavenging activity of composite films

2.2.5 抑菌性 表2顯示了殼寡糖含量的變化對復(fù)合膜抑菌活性的影響。從表2中可以看出，殼聚糖-明膠膜及添加不同含量的殼寡糖復(fù)合膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌都有一定的抑菌活性。且隨著殼寡糖含量的增加，兩種受試菌的抑菌圈直徑顯著（p＜0.05）增大。當(dāng)殼寡糖含量為30%時(shí)，復(fù)合膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌圈直徑分別為9.38mm和9.21mm，相比未添加殼寡糖的殼聚糖-明膠膜分別增大了32%和30%，且復(fù)合膜對大腸桿菌的抑制效果優(yōu)于金黃色葡萄球菌。

表2 殼寡糖含量對復(fù)合膜抑菌性能的影響Table 2 Effects of COS content on antibacterial activity of composite films

3 結(jié)論

以溶液共混法制備的殼聚糖-明膠-殼寡糖三元復(fù)合膜，相較于殼聚糖-明膠膜而言，適量殼寡糖的添加，增強(qiáng)了其親水性，改善了其力學(xué)性能和水蒸氣阻隔性能，顯著提高了其抗氧化性能和抑菌活性（p＜0.05）。當(dāng)殼聚糖與明膠的質(zhì)量比為2∶3，甘油含量為1%（v/v），殼寡糖添加量為10%時(shí)，復(fù)合膜的水蒸氣透過率最小，抗張強(qiáng)度最大達(dá)53.35MPa；添加量為30%時(shí)，復(fù)合膜的DPPH自由基清除率提高了7.03倍，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌圈直徑分別增大了32%和30%。

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Effect of chitosan oligosaccharide on properties ofchitosan-gelatin-chitosan oligosaccharide ternary composite films

WANG Ya-zhen，XIE Jing，LILi，XUE Bin，SHAO Ze-huai，SUN Tao*
（College of Food Science&Technology，Shanghai Ocean University，Shanghai201306，China）

Composite film s of chitosan，gelatin and chitosan oligosaccharide（COS）were prepared.The films' structures were characterized by FT-IR.The effects of COS on physical，mechanical，antioxidant and antibacterial properties of the composite film were evaluated.The results showed that there were hydrogen bonding interactions among chitosan，gelatin and COS.The addition of proper content of COS increased the hyd rophilicity of composite films，moreover，the tensile strength，water vapor barrier properties were im p roved，and the antioxidant and antibacterial properties were significantly imp roved（p＜0.05）.Com posite film consisting of chitosan and gelatin with a weight ratio of 2∶3，1%g lycerin，30%COS showed some good properties.The DPPH radical scavenging activity was enhanced by 7.03 times，moreover，the diameters of inhibition zone against Escherichia coli and Staphylococcus aureus were enlarged by 32%and 30%respectively.

chitosan oligosaccharide；composite film；mechanical property；antioxidant property；antibacterial property

TS206.4

A

1002-0306（2015）08-0134-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.08.018

2014－05－09

王亞珍（1989-），女，在讀碩士研究生，研究方向：多糖的改性及應(yīng)用。

*通訊作者：孫濤（1970-），女，博士，副教授，研究方向：多糖的改性及生物功能的開發(fā)。

“十二五”國家支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAD38B04）。