姜黃素-明膠-酪蛋白鈣復(fù)合膜理化特性研究

張樂(lè)，馬玲，劉安軍，*，韓悅，滕安國(guó)

（1.天津科技大學(xué)食品工程與生物技術(shù)學(xué)院，天津300457；2.天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300350）

姜黃素-明膠-酪蛋白鈣復(fù)合膜理化特性研究

張樂(lè)1，2，馬玲1，劉安軍1，*，韓悅1，滕安國(guó)1

（1.天津科技大學(xué)食品工程與生物技術(shù)學(xué)院，天津300457；2.天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300350）

本研究將不同濃度的姜黃素添加到明膠-酪蛋白鈣中，開(kāi)發(fā)出一系列姜黃素-明膠-酪蛋白鈣抗氧化復(fù)合膜，并對(duì)其力學(xué)特性、光學(xué)特性、表面形貌、抗氧化活性和保鮮效果進(jìn)行分析。結(jié)果表明：加入姜黃素后，姜黃素中的成分物質(zhì)與明膠相互作用，導(dǎo)致復(fù)合膜的厚度和斷裂伸長(zhǎng)率逐漸增大，外觀顏色變深，抗拉強(qiáng)度、水溶性和水蒸氣透過(guò)系數(shù)逐漸降低，對(duì)食物中脂類(lèi)的氧化有明顯抑制作用且逐漸增強(qiáng)，原子力顯微鏡觀測(cè)其表面粗糙程度逐漸增大，對(duì)冷藏肉的抗氧化效果越來(lái)越好。因此，姜黃素-明膠-酪蛋白鈣復(fù)合膜的開(kāi)發(fā)在食品包裝和保鮮等方面表現(xiàn)出潛在的應(yīng)用價(jià)值。

姜黃素；明膠；酪蛋白鈣；復(fù)合膜；抗氧化

可生物降解和生物相容性高的可再生資源已成為國(guó)際關(guān)注和研究的熱點(diǎn)［1］。多糖［2］、蛋白質(zhì)［3］和脂類(lèi)［4］等高分子聚合物正被用于開(kāi)發(fā)可食用的復(fù)合膜材料，在一定程度上，減少了非可再生資源的消耗和溫室氣體的排放。明膠是由動(dòng)物皮膚、骨、肌膜等結(jié)締組織中的膠原部分降解而成為白色或淡黃色、半透明、微帶光澤的薄片或粉粒，具有良好的成膜性，可與殼聚糖［5］、乳清蛋白［6］、大豆蛋白［6］、納米材料［7］等物質(zhì)結(jié)合形成有功能的可食用復(fù)合膜［8］，已廣泛應(yīng)用于食品、化妝品和制藥工業(yè)［9］。

鈣是是組成人體骨骼、牙齒等組織的重要成分［10］，在人體中執(zhí)行重要功能［11］。酪蛋白鈣是源自牛奶，具有補(bǔ)鈣和蛋白營(yíng)養(yǎng)功能的新型化合物，其在人體中的吸收率高達(dá)92%，且吸收過(guò)程不需任何輔助物質(zhì)，已被添加到可食復(fù)合膜中，進(jìn)行復(fù)合膜功能的改良［12］。

姜黃素是從姜科、天南星科等植物的根莖中提取的一種多酚類(lèi)物質(zhì)，屬極為稀少的二酮類(lèi)天然化合物［13］。姜黃素結(jié)構(gòu)中的酚羥基和二酮基，可以提供質(zhì)子，從而阻斷自由基反應(yīng)，具有顯著的抗氧化功能［14］。醫(yī)學(xué)研究表明，姜黃素還具有降血脂、抗腫瘤、抗炎、利膽等作用，已被廣泛用于食物的著色和多種食物的防腐、調(diào)味添加劑［14］。

本研究通過(guò)將抗氧化效果良好的不同濃度的姜黃素添加到明膠-酪蛋白鈣可食膜中，以提高明膠-酪蛋白鈣新型復(fù)合膜的抗氧化活性，并對(duì)可食膜的厚度、機(jī)械性能、水溶性、水蒸氣透過(guò)系數(shù)、色澤、透光率、透明度、抗氧化活性和表面粗糙度等方面進(jìn)行宏觀特性和微觀特性的評(píng)價(jià)和分析，開(kāi)發(fā)出了具有一定應(yīng)用價(jià)值的可食、生物降解包裝材料。

1材料方法

1.1試驗(yàn)材料

明膠：阿拉丁試劑公司；酪蛋白鈣：鄭州瑞普生物工程有限公司；甘油：天津大學(xué)科威公司；姜黃素：成都義浩化工產(chǎn)品有限公司。

枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）、金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureas）、沙門(mén)氏菌（Salmonella）、大腸桿菌（Escherichia coli）：天津科技大學(xué)為生物菌種保藏管理中心。

1.2試驗(yàn)設(shè)備

XW-80A微型漩渦混合儀：海門(mén)市其林貝爾儀器公司；TA-XT 2i質(zhì)構(gòu)儀：英國(guó)Stable Meiro System公司；DC-p3全自動(dòng)測(cè)色色差計(jì)：北京市興光測(cè)色儀器公司；752紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)：天津市普瑞斯儀器有限公司；JSPM-5200原子力顯微鏡：日本電子株式會(huì)社；0-10-30型測(cè)厚儀：上海川陸量具有限公司。

1.3方法

1.3.1膜的制備

采用流延法，將成膜組分明膠和甘油溶于少量蒸餾水，于45℃水浴中靜置溶脹，酪蛋白鈣溶于蒸餾水后與明膠和甘油混合均勻。同時(shí)，配制不同濃度的姜黃素，與明膠-甘油-酪蛋白鈣溶液分別混合均勻。成膜液的終濃度：明膠為5%，甘油為2%，酪蛋白鈣為0.5%，姜黃素的終濃度分別為0.5%、1.0%、2.0%和4.0%。漩渦混合均勻的成膜液經(jīng)超聲脫氣后，迅速鋪于玻璃平板上，25℃鼓風(fēng)干燥箱中干燥處理10 h，揭膜。測(cè)定前，將干燥后的復(fù)合膜置于相對(duì)濕度為50%的盛有飽和Mg（NO3）2溶液的干燥器中處理48 h。同樣方法制備不含姜黃素的對(duì)照膜。

1.3.2復(fù)合膜膜厚度測(cè)定

用測(cè)厚儀（精確到0.001 mm）在裁切好的膜上均勻選取10個(gè)點(diǎn)，測(cè)其厚度，計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

1.3.3復(fù)合膜機(jī)械性能測(cè)定

測(cè)試方法根據(jù)GB/T 1040.3-2006《塑料拉伸性能的測(cè)定第3部分：薄塑和薄片的試驗(yàn)條件》［15］，測(cè)量并計(jì)算膜的拉伸強(qiáng)度，斷裂伸長(zhǎng)率。

1.3.4水溶性測(cè)定

將膜切成20mm×40mm的正方形，干燥并稱(chēng)重后放入300 mL去離子水中，于室溫（25℃）下溶解24 h。再將膜在60℃的條件下干燥至恒重，稱(chēng)重，計(jì)算水溶性：

式中：m1為溶解前膜的質(zhì)量，g；m2為溶解后膜的質(zhì)量，g。

1.3.5水蒸氣透過(guò)系數(shù)測(cè)定

根據(jù)GB 1037-1988《塑料薄膜和片材透水蒸氣性試驗(yàn)方法》［16］，計(jì)算水蒸氣透過(guò)系數(shù)。

1.3.6抗氧化膜色澤測(cè)定

利用全自動(dòng)測(cè)色色差計(jì)測(cè)定復(fù)合膜的色澤，總色差ΔE用公式：

其中，白板標(biāo)準(zhǔn)L*=87.58、a*=-0.84、b*=-8.71。

1.3.7透明性和透光率測(cè)定

利用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定200 nm～800 nm范圍內(nèi)復(fù)合膜對(duì)紫外光和可見(jiàn)光的阻隔性能。利用一下方程計(jì)算復(fù)合膜的透光值：

透光值=-logT600/x

式中：T600為600 nm處復(fù)合膜的透光率；x為膜的厚度，mm。

1.3.8抗氧化活性測(cè)定

復(fù)合膜的抗氧化性采用清除DPPH自由基的能力進(jìn)行測(cè)定，計(jì)算公式如下：

式中：ADPPH為DPPH甲醇溶液的吸光度；As為成膜液與DPPH混合液的吸光度。

1.3.9微觀結(jié)構(gòu)測(cè)定

使用原子力顯微鏡接觸式掃描復(fù)合膜，觀察復(fù)合膜表面的微觀結(jié)構(gòu)。

1.3.10復(fù)合膜對(duì)冷鮮肉抗氧化效果

將從超市中購(gòu)買(mǎi)新鮮豬肉分別用對(duì)照膜和不同濃度的明膠-酪蛋白改復(fù)合膜包裝，用0.002 mol/L硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液滴定，至淡黃色，繼續(xù)滴定至藍(lán)色消失為終點(diǎn)，同時(shí)做試劑空白試驗(yàn)，分別記錄消耗的硫代硫酸鈉體積為V1、V0。

式中：X為樣品的POV（過(guò)氧化值）值，meq/kg；V1為樣品消耗硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液體積，mL；V0為試劑空白消耗硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液體積，mL；C為硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液濃度，mol/L；m為肉脂樣品的質(zhì)量，g。

2結(jié)果與分析

2.1復(fù)合膜力學(xué)性能分析

添加了不同濃度梯度的姜黃素對(duì)明膠-酪蛋白鈣復(fù)合膜性能參數(shù)的影響見(jiàn)表1。

表1　不同濃度姜黃素對(duì)明膠-酪蛋白鈣復(fù)合膜力學(xué)性能參數(shù)的影響Table 1Effect of different concentration of curcumin on mechanical properties of gelatin-calcium caseinate complex film

由表1可得出，姜黃素稀釋液的添加對(duì)復(fù)合膜的厚度、抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、水溶性和水蒸氣透過(guò)系數(shù)均有不同程度的影響。

2.1.1厚度

隨著復(fù)合膜中姜黃素濃度的增加，復(fù)合膜的厚度由0.073 mm增加至0.103 mm，但經(jīng)方差分析結(jié)果顯示其厚度增加并不顯著（P＞0.05），其原因是由于姜黃素在明膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中存留造成的，同時(shí)這些干物質(zhì)與明膠的相互作用可導(dǎo)致復(fù)合膜中的有序結(jié)構(gòu)降低［17］。

2.1.2機(jī)械性能

隨著復(fù)合膜中姜黃素濃度的增加，復(fù)合膜的抗拉強(qiáng)度逐漸降低，而斷裂伸長(zhǎng)率不斷增大。其原因是由于姜黃素造成復(fù)合膜中非勻相基質(zhì)增加，增加了明膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，并且這些成分物質(zhì)的附著也會(huì)阻礙明膠肽鏈間的相互作用，導(dǎo)致其抗拉強(qiáng)度降低，而斷裂伸長(zhǎng)率增加［18］。

2.1.3水溶性和水蒸氣透過(guò)系數(shù)

隨著復(fù)合膜中姜黃素濃度的增加，復(fù)合膜的水溶性和水蒸氣透過(guò)系數(shù)均有所降低。其中水溶性由38.61降低到33.91，水蒸氣透過(guò)系數(shù)由5.37×10-9降低到3.50×10-9，但影響均不顯著。其原因時(shí)由于姜黃素結(jié)構(gòu)中含有部分疏水基團(tuán)［13］，導(dǎo)致復(fù)合膜的親水性降低，使其水溶性和水蒸氣透過(guò)系數(shù)均降低。

2.2復(fù)合膜光學(xué)性能分析

添加了不同濃度梯度的姜黃素對(duì)明膠-酪蛋白鈣復(fù)合膜光學(xué)參數(shù)的影響見(jiàn)表2。

表2　不同濃度姜黃素對(duì)明膠-酪蛋白鈣復(fù)合膜光學(xué)參數(shù)的影響Table 2Effect of different concentration of curcumin on optical parameters of gelatin-calcium caseinate complex film

由表2可得出，姜黃素稀釋液的添加對(duì)復(fù)合膜的色澤和透明度均有不同程度的影響。

2.2.1色澤

視覺(jué)觀察隨著復(fù)合膜中姜黃素濃度的提高，復(fù)合膜的顏色逐漸加深，測(cè)得的色澤參數(shù)L*、a*、b*和ΔE*與對(duì)照膜相比，均有顯著性差異（P＜0.05），其中L*顯著性降低，而a*，b*，ΔE*均有顯著性提高。由此可見(jiàn)，姜黃素可影響復(fù)合膜的色澤，且濃度越高，影響越大。其原因?yàn)榻S素中的有色物質(zhì)附著在明膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成的。

2.2.2透光率和透明度

隨著復(fù)合膜中姜黃素濃度的提高，復(fù)合膜的透明度與對(duì)照膜相比，均有顯著性提高（P＜0.05）。結(jié)果表明，不同濃度姜黃素的加入能夠降低其透光率。復(fù)合膜透光率的降低，可以減少光線對(duì)其所包裝食物的影響，形成良好的阻隔作用。其原因?yàn)榻S素中的著色成分的加入影響復(fù)合膜內(nèi)成分對(duì)光的散射作用［17］。

2.3復(fù)合膜抗氧化性能分析

不同濃度姜黃素的添加對(duì)復(fù)合膜的抗氧化能力影響如圖1所示。

圖1　姜黃素對(duì)明膠-酪蛋白鈣復(fù)合膜抗氧化性的影響Fig.1Effect of curcumin on antioxidant activity of gelatin-calcium caseinate composite film

隨著膜成分中姜黃素的增加，其DPPH自由基清除率顯著提高（P＜0.05）。姜黃素含量為4.0%的復(fù)合膜相對(duì)于不含姜黃素的對(duì)照膜1，其DPPH自由基清除率提高了70.02%，表明姜黃素可顯著改善復(fù)合膜的抗氧化性。其原因?yàn)?，姜黃素結(jié)構(gòu)中的酚羥基和二酮基，可以提供質(zhì)子，從而阻斷自由基反應(yīng)，進(jìn)而清除自由基，因此可以抑制脂肪的氧化過(guò)程［14］。

2.4復(fù)合膜微觀性能分析

添加了不同濃度梯度的姜黃素對(duì)明膠-酪蛋白鈣復(fù)合膜表面形貌的影響見(jiàn)表3。

對(duì)照膜的表面較為光滑，其平均粗糙度Ra為20.34 nm，而隨著姜黃素濃度的提高，復(fù)合膜的表面粗糙程度逐漸增大，最終其平均粗糙度增至78.28 nm，且不同濃度梯度的姜黃素對(duì)復(fù)合膜的粗糙程度均表現(xiàn)為顯著性影響（P＜0.05）。其原因可能是因?yàn)?，隨著姜黃素中成分物質(zhì)的增加，使成膜液中不溶性物質(zhì)的量增加，并且部分影響了明膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而造成的。同時(shí)這種表面形貌的結(jié)果規(guī)律，可能也與復(fù)合膜的水蒸氣透過(guò)率，和通過(guò)改變光粒子的散射作用而影響復(fù)合膜的透光性和透明度。

表3　不同濃度姜黃素對(duì)明膠-酪蛋白鈣復(fù)合膜表面形貌的影響Table 3Effect of different concentration of curcumin on surface topography of gelatin-calcium caseinate complex film

2.5復(fù)合膜對(duì)冷鮮肉抗氧化性能分析

未包裝，對(duì)照膜，含0.5%、1.0%、2.0%和4.0%的明膠-酪蛋白鈣復(fù)合膜所包裝的冷鮮肉在貯藏過(guò)程中的過(guò)氧化值（POV）變化如圖2所示。

圖2　貯藏過(guò)程中肉過(guò)氧化值的變化Fig.2The variations of the meat on peroxide value during the storing

在貯藏過(guò)程中，所有樣品的POV均增加，其中未包裝肉樣的POV增加最顯著，對(duì)照膜包裝肉樣POV增加也較為明顯，但含姜黃素的明膠-酪蛋白鈣復(fù)合膜包裝肉樣的POV變化相對(duì)較小，且隨著膜組分中姜黃素含量的增加，肉樣POV的變化逐漸減小。該結(jié)果表明，明膠-酪蛋白鈣復(fù)合膜中的姜黃素成分具有抑制肉樣中脂類(lèi)氧化的作用，含有姜黃素的明膠-酪蛋白鈣復(fù)合膜的抗氧化功能可以延長(zhǎng)冷鮮肉的貨架期。

3結(jié)論

通過(guò)對(duì)添加不同濃度姜黃素的明膠-酪蛋白鈣復(fù)合膜的宏觀和微光特性測(cè)定和分析發(fā)現(xiàn)：隨著復(fù)合膜中姜黃素濃度的提高，復(fù)合膜的厚度逐漸增大；機(jī)械強(qiáng)度上，抗拉強(qiáng)度逐漸降低，而斷裂伸長(zhǎng)率逐漸增大；水溶性和水蒸氣透過(guò)系數(shù)逐漸降低；光學(xué)性能上，外觀顏色越來(lái)越深，對(duì)光的阻隔性能逐漸增強(qiáng)；抗氧化效果上，對(duì)DPPH自由基的清除率逐漸增強(qiáng)；表面形貌上，粗糙度逐漸增大；保鮮效果上，冷鮮肉在貯藏過(guò)程中的過(guò)氧化值（POV）增速減緩。以上結(jié)果表明，通過(guò)添加姜黃素而開(kāi)發(fā)出的姜黃素-明膠-酪蛋白鈣復(fù)合膜，不僅具有較好的力學(xué)和阻隔光照的特性，而且能夠有效地抑制食品中脂類(lèi)物質(zhì)的氧化作用，從而增強(qiáng)對(duì)食物的保鮮效果，具有一定的應(yīng)用價(jià)值，并為新型包裝材料的研發(fā)和減輕環(huán)境壓力，提供了理論基礎(chǔ)。

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Research of Physico-Chemical Properties on Curcumin-Gelatin-Calcium Caseinate Composite Films

ZHANG Le1，2，MA Ling1，LIU An-jun1，*，HAN Yue1，TENG An-guo1
（1.College of Food Science and Biotechnology，Tianjin University of Science and Technology，Tianjin 300457，China；2.Tianjin Modern Vocational Technology College，Tianjin 300350，China）

In order to develop gelatin-calcium caseinate composite films with antioxidant activity，different concentration of curcumin was added to it.In addition，the mechanical properties，optical properties，surface topography，antioxidant activity and preservation effect of curcumin-gelatin-calcium caseinate were also investigated and analyzed.The results indicated that the incorporation of curcumin caused interactions between gelatin and ingredients in curcumin，and the films showed increased thickness and elongation.After the addition of curcumin，the films showed darker appearance，and decreased tensile strength，water solubility and water vapor permeability.Meanwhile，the inhibition to food spoilage microorganisms and preservation effect on chilled fresh pork enhanced，and the surfaces became rougher by AFM with the increase of concentration of curcumin. In summary，gelatin-calcium caseinate composite films incorporated with curcumin presented application capacity in food packing and preservation.

curcumin；gelatin；calciumcaseinate；compositefilm；antioxidant

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.19.047

2015-09-20

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）（2013AA102204）；天津市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（14ZCZDNC00015）；國(guó)家自然基金面上項(xiàng)目（31271975）

張樂(lè)（1985—），女（漢），博士研究生，研究方向：功能性食品的研究與開(kāi)發(fā)。

劉安軍（1963—），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事水產(chǎn)品、畜產(chǎn)（副產(chǎn)）品高附加值的開(kāi)發(fā)利用及功能性食品研究。