鰱魚皮明膠-海藻酸鈉復(fù)合膜的制備與性能

郭開紅，張蕾蕾，吳曉翠，熊善柏，胡筱波,*

鰱魚又叫白鰱，是我國的四大家魚之一，中國漁業(yè)年鑒報道在2015年淡水魚養(yǎng)殖中，鰱魚產(chǎn)量537.68 t，在所有淡水魚養(yǎng)殖中排名第二[1]。魚在加工過程中會產(chǎn)生魚皮、魚骨和魚鱗等大量的“下腳料”，其中魚皮占魚總體質(zhì)量的4%左右，如果不能合理利用魚加工后的魚皮，最后會造成環(huán)境污染[2]。李越等[3]報道鰱魚皮中含有豐富的膠原蛋白，膠原蛋白熱退化后的產(chǎn)物是明膠，明膠具有良好的成膜性、可食性和生物降解性。所以從魚皮中提取明膠應(yīng)用到食品、化妝品和藥品等領(lǐng)域，可以使魚皮變廢為寶。

以往，明膠都是從豬和牛等哺乳動物的皮和骨等組織中獲得的，但近年來由于哺乳動物疫病及對清真食品的需求，使哺乳動物明膠的應(yīng)用受到限制；因此，尋找哺乳動物明膠的替代物就顯得越來越重要。魚皮明膠是一種不受宗教信仰限制、安全、來源豐富的蛋白資源，因此受到了人們的廣泛關(guān)注。近年來，由于塑料包裝的廣泛使用，對環(huán)境造成了嚴重的污染。為了緩解環(huán)境污染的問題，可降解的食品包裝膜受到了人們的關(guān)注。國內(nèi)外有紅鰭笛鯛[4]、比目魚[5]、狹鱈魚[6]等魚皮明膠包裝膜性質(zhì)的研究，結(jié)果表明這些魚皮明膠都能制成透明度高、可降解的膜。但是魚皮明膠膜的機械性能、阻隔性能和抗水性能較差，若作為食品包裝膜將會受到限制。因此需要通過改性來改善魚皮明膠膜的缺點。改善其性能的有效方法有很多種，利用天然高分子與魚皮明膠共混就是其中的一種。目前已有很多學(xué)者用共混法將明膠與普魯蘭多糖[7]、殼聚糖[8]、魔芋膠[9]等多種天然高分子物質(zhì)共混制備復(fù)合膜，并取得了一定的成效。海藻酸鈉是一種無毒、價格低廉和具有良好的成膜性的天然多糖類化合物，可與多種高分子化合物共混來制備復(fù)合膜。

本研究采用海藻酸鈉與鰱魚皮明膠共混制備復(fù)合膜，考察膜的厚度、顏色、阻隔性能、透光率和力學(xué)性能，同時利用膜的傅里葉變換紅外光譜圖和X射線衍射圖研究復(fù)合膜性能發(fā)生變化的原因，以期獲得一種性能良好的復(fù)合食品包裝膜。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鰱魚皮 武漢市白沙洲農(nóng)副市場；大豆油 中糧食品營銷有限公司。海藻酸鈉（化學(xué)純） 上海源葉生物科技有限公司；濃硫酸、溴化鈉、氯化鈣、溴化鉀、氯化鈉、異丙醇、氫氧化鈉、甘油和無水氯化鈣（均為分析純） 國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋 國華電器有限公司；RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠；Beta2-8LD冷凍干燥機 德國Christ公司；TA.XT Plus物性測試儀英國Stable Micro Systems公司；UV-1800紫外-可見分光光度儀 日本島津公司；外徑千分尺 青海量具刀具有限責(zé)任公司；CR400色彩色差計 上海物理光學(xué)儀器廠；D8 ADVNCE X射線單晶衍射儀 英國馬爾文儀器有限公司；NEXUS470傅里葉變換紅外光譜分析儀美國Nicolet公司。

1.3 方法

1.3.1 鰱魚皮明膠的制備

鰱魚皮的預(yù)處理[10]：鰱魚皮用蒸餾水清洗干凈后，剪成1 cm×1 cm的小塊，瀝干后于-18 ℃ 冷凍保藏，備用。解凍的魚皮于4 g/mL的NaCl溶液中按照料液比1∶30的比例浸泡6 h，繼而在料液比為1∶30的體積分數(shù)10%異丙醇溶液中浸泡24 h，然后按料液比1∶15在1 g/L NaOH溶液中浸泡3 h，并用蒸餾水將魚皮清洗至中性，最后按料液比1∶15在體積分數(shù)0.002% H2SO4溶液中浸泡3 h。

鰱魚皮明膠粗提液制備：將浸泡預(yù)處理的魚皮水洗至pH 5.0，于45 ℃熱水中浸提6 h，料液比為1∶20。將鰱魚皮明膠粗提液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮，凍干備用。

1.3.2 復(fù)合膜的制備

首先配制4 g/100 mL的鰱魚皮明膠溶液，40 ℃水合2 h后調(diào)節(jié)pH值至7.0，然后將其與1 g/100 mL海藻酸鈉溶液按照體積比為0∶100、20∶80、40∶60、60∶40、80∶20和100∶0混合均勻，同時添加0.5 g/100 mL的甘油作為增塑劑，并于40 ℃條件下攪拌30 min，繼而將20 mL超聲脫氣的成膜溶液迅速鋪攤在亞克力平板（12 cm×12 cm）上，于30 ℃干燥16～24 h后揭膜，最后將復(fù)合膜置于裝有飽和溴化鈉溶液的干燥器中平衡48 h（相對濕度為58%）[11-12]。

1.3.3 復(fù)合膜厚度的測定

膜的厚度用外徑千分尺測量，每個樣品選取9 個不同的測量點，測定前，先將膜在（25±1）℃下平衡48 h[13]。

1.3.4 復(fù)合膜顏色的測定

用色度計測定膜的L*（亮度）、a*（紅綠度）、b*（黃藍度），每個樣品選取9 個不同的測量點。測定前，先將膜在（25±1）℃下平衡48 h，然后將膜放置在標準白板上（L*＝88.00、a*＝0.32、b*＝0.32）測定[14]。

1.3.5 復(fù)合膜的透光率

將膜剪成1 cm×3 cm大小，貼在比色皿的內(nèi)側(cè)，在紫外-可見分光光度計中200～800 nm全掃描，以空比色皿做空白對照[15]。

1.3.6 復(fù)合膜的水蒸氣透過率

參照呂萌[16]的擬杯式方法，并略作修改。室溫條件下，將烘干至恒質(zhì)量并研磨成粉的無水CaCl2樣品加入到40 mm×25 mm的稱量瓶中，至瓶口5 mm 處。剪取復(fù)合膜光滑平整的部分，測量其厚度后，將復(fù)合膜放置在瓶口上，并用融化的石蠟封好，然后迅速稱質(zhì)量。將已稱質(zhì)量的稱量瓶放入底部為蒸餾水的干燥器內(nèi)，保持25 ℃，即相對濕度100%的條件下，保證膜內(nèi)外的水蒸氣壓差不變。每隔一定時間取出稱量瓶稱質(zhì)量，直到前后兩次的質(zhì)量增加率小于5%時為止，稱取3 次，計算平均值，結(jié)果以Δm表示。水蒸氣透過率根據(jù)式（1）計算。

式中：d為復(fù)合膜的厚度/mm；Δm為穩(wěn)定后的質(zhì)量增加量/g；A為剪取的膜的面積/m2，實驗中復(fù)合膜的實驗面積相同，為1 256 mm2；Δt為每次測量間的時間間隔/h，實驗時的測量間隔為3 h；Δp為復(fù)合膜兩側(cè)固定的水蒸氣壓差/kPa，由于實驗在25 ℃下，相對濕度保持100%，故Δp取3.168 kPa。

1.3.7 復(fù)合膜的水溶性

剪取4 cm2的膜于105 ℃干燥至恒質(zhì)量后加入30 mL蒸餾水，室溫下浸泡24 h，然后將溶液過濾，將回收的不溶性膜干燥至恒質(zhì)量，根據(jù)式（2）計算膜的水溶性。平行測量3 次[17]。

式中：m0為膜的初始質(zhì)量/g；m為膜溶解后的質(zhì)量/g。

1.3.8 復(fù)合膜的透油率

在試管內(nèi)裝5 mL大豆油，用膜樣品封住試管口，在試管口放一張預(yù)先穩(wěn)定的濾紙，并稱量濾紙片質(zhì)量m0/mg。室溫下（25 ℃）試管倒置放于相對濕度為58%的干燥器中，24 h后稱量濾紙的質(zhì)量m1/mg，濾紙質(zhì)量的增加量為膜的透油率[18]。計算公式如式（3）所示。

1.3.9 復(fù)合膜的力學(xué)性能

將待測膜剪成長為7 cm，寬為2.5 cm的試樣，使用質(zhì)構(gòu)儀測定膜的抗拉強度和斷裂伸長率，探頭為AT/G，測試部件頂距底50 mm，以1 mm/s的速率拉伸[19-20]?？估瓘姸群蛿嗔焉扉L率分別按式（4）、（5）計算。

式中：Fmax是試樣斷裂時承受的最大拉力/N；L是膜的厚度/mm；W是膜的寬度/mm。

式中：L是試樣在斷裂時所達到的長度/mm；L0是初始長度（50 mm）。

1.3.10 復(fù)合膜的傅里葉變換紅外光譜

測定前將待測膜放在含有硅膠的干燥器中干燥48 h，然后將2 cm×0.5 cm的膜片放入樣品室，分辨率設(shè)置為4 cm-1，波數(shù)精度0.01 cm-1，掃描次數(shù)64 次，環(huán)境溫度25 ℃。用NEXUS470型傅里葉變換紅外光譜分析儀（500～4 000 cm-1）掃描后分析膜的傅里葉變換紅外光譜圖[21]。

1.3.11 復(fù)合膜的X射線衍射

取適量冷凍干燥的膜，室溫下用D8 ADVNCE型X射線單晶衍射儀記錄，X射線源為CuKα，電壓為40 kV，電流為40 mA。掃描角度（2θ）為5°～40°，掃描速率4°/min[16]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用SPSS 21軟件進行Duncan單因素方差分析，采用Origin 8.5軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合膜的厚度和各色澤指標的分析

作為決定膜物理特性的重要因素之一，膜的厚度與成膜液的體積及鋪開面積的比例有著直接的關(guān)系[22]。本研究取20 mL成膜液均勻鋪開在12 cm×12 cm的亞克力板上成膜。鰱魚皮明膠-海藻酸鈉復(fù)合膜厚度和顏色測定結(jié)果如表1所示。

表1 鰱魚皮明膠-海藻酸鈉復(fù)合膜厚度和顏色Table 1 Thickness and color of fish skin gelatin-sodium alginate composite films

由表1可知，復(fù)合膜的厚度隨海藻酸鈉的比例增加而減小，究其原因可能在于100%海藻酸鈉膜的厚度較小，而100%鰱魚皮明膠膜的厚度較大，當(dāng)兩者混合時，隨著海藻酸鈉的比例增大，鰱魚皮明膠的比例減小，膜的厚度也會隨兩者比例的改變而變化。

由表1亦可知，隨著海藻酸鈉溶液體積分數(shù)的增大，復(fù)合膜的L*值和a*值降低，b*值升高，與鰱魚皮明膠膜相比，海藻酸鈉膜的b*值較大、而L*值和a*值較小，這說明鰱魚皮明膠膜的透明度較高，而海藻酸鈉膜的顏色偏黃。造成這種現(xiàn)象的原因一方面是因為海藻酸鈉混入了復(fù)合膜，另一方面是由于海藻酸鈉含有的還原性基團與明膠發(fā)生美拉德反應(yīng)。值得一提的是，復(fù)合膜的L*值都在93.00以上，b*值和a*值都較低，外觀都很透亮。

2.2 復(fù)合膜的透光率分析

由圖1可知，在200～280 nm時，海藻酸鈉膜的透光率較高，而添加鰱魚皮明膠后復(fù)合膜的透光率均明顯下降，這說明海藻酸鈉膜對紫外線的阻隔性較差，而添加了鰱魚皮明膠的復(fù)合膜在紫外區(qū)具有良好的阻隔性。究其原因可能是鰱魚皮明膠含有大量的芳香族氨基酸，可吸收紫外線，因此添加了鰱魚皮明膠的復(fù)合膜對紫外線有阻隔作用。在可見光區(qū)400～800 nm時，隨著波長的增大，所有膜的透光率均增大，在600 nm以后透光率趨于穩(wěn)定。由圖1亦可知，鰱魚皮明膠膜的透光率在600 nm波長處約為90%，海藻酸鈉膜的透光率在600 nm波長處約為80%，兩者共混制備的復(fù)合膜的透光率在600 nm波長處較單一膜略有減小。單組分膜透光率較高是由于其結(jié)構(gòu)緊密，表面光滑且無裂痕存在；而在兩相高聚物共混制備復(fù)合膜的過程中，由于兩者的粒子大小和沉降速率的差異，制備的復(fù)合膜的密度降低，粒子粒度變大且不均勻，導(dǎo)致復(fù)合膜的透光率略有下降[23]。雖然復(fù)合膜的透光率減小，但也都在75%以上，透明度仍然很好。

圖1 鰱魚皮明膠-海藻酸鈉復(fù)合膜透光率Fig. 1 Transmittance of fish skin gelatin-sodium alginate composite films

2.3 復(fù)合膜的水溶性和水蒸氣透過率分析

鰱魚皮明膠膜和海藻酸鈉膜的水溶性較高，尤其是海藻酸鈉膜的水溶性可以達到100%，此特性限制了它們在含水量較高的食品包裝方面的應(yīng)用。本研究對鰱魚皮明膠-海藻酸鈉復(fù)合膜水溶性和水蒸氣透過率進行了分析，其結(jié)果如表2所示。

表2 鰱魚皮明膠-海藻酸鈉復(fù)合膜水溶性和水蒸氣透過率Table 2 Water solubility and water vapor permeability of fish skin gelatin-sodium alginate composite films

由表2可知，鰱魚皮明膠和海藻酸鈉共混形成的復(fù)合膜水溶性顯著降低（P＜0.05），尤其是當(dāng)海藻酸鈉溶液的體積分數(shù)為20%時，復(fù)合膜的水溶性降至最低，顯著低于兩種單一膜的水溶性（P＜0.05）。陳麗[24]和陳善飛[25]等用多糖類物質(zhì)與魚皮明膠共混制備的復(fù)合膜的水溶性相較于魚皮明膠膜顯著減小，這與本研究的結(jié)論相同。導(dǎo)致復(fù)合膜的水溶性比單一膜的水溶性低的原因可能在于兩種大分子物質(zhì)共混以后發(fā)生強烈的相互作用，生成了一種新的水溶性較低的復(fù)合膜[24]。

由表2亦可知，鰱魚皮明膠與海藻酸鈉共混制備的復(fù)合膜的水蒸氣透過率相較于兩種單一膜減小，其中當(dāng)復(fù)合膜中海藻酸鈉溶液的體積分數(shù)為20%時，復(fù)合膜的水蒸氣透過率降至最低。王麗媛等[26]使用殼聚糖、海藻酸鈉與明膠制備了兩種不同的復(fù)合膜，其研究結(jié)果與本研究一致，即復(fù)合膜的水蒸氣透過率比單一膜要低，究其原因可能在于明膠與多糖共混后發(fā)生反應(yīng)，使兩分子鏈間形成了許多氫鍵，使得有效的親水基團數(shù)下降，膜的水蒸氣透過率也隨之下降[27]。

2.4 復(fù)合膜的透油率分析

本研究對鰱魚皮明膠膜、海藻酸鈉膜及其復(fù)合膜均進行了透油率分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在25 ℃、相對濕度為58%的條件下，24 h內(nèi)所有膜的透油率均為零。究其原因可能是鰱魚皮明膠和海藻酸鈉是親水性的物質(zhì)，制備的單一膜和復(fù)合膜也具有親水性，而大豆油是疏水性的物質(zhì)，由于兩者不相溶，所以所有的膜透油率都為零。王春景[28]研究可食性明膠包裝膜透油率的結(jié)果與本研究的結(jié)果相一致，其指出明膠膜對油脂有很好的阻隔性，可用于高油脂含量食品的包裝。由此可見，鰱魚皮明膠和海藻酸鈉制備的復(fù)合膜亦具有較好的阻隔油脂的性能，可嘗試應(yīng)用于油脂含量高的食品的包裝。

2.5 復(fù)合膜的力學(xué)性質(zhì)分析

抗拉強度和斷裂伸長率可以反映復(fù)合膜的力學(xué)性能，食品包裝膜通常需要具有較高的抗拉強度和斷裂伸長率，以承受其應(yīng)用、運輸和食物處理時所遇到的正常應(yīng)力。機械性能差的包裝膜會產(chǎn)生裂紋或破洞，從而降低其阻隔性能。為了提高鰱魚皮明膠膜的力學(xué)性能，將海藻酸鈉與鰱魚皮明膠共混制備力學(xué)性能較好的復(fù)合膜，其力學(xué)性能結(jié)果如圖2所示。

圖2 鰱魚皮明膠-海藻酸鈉復(fù)合膜斷裂伸長率（A）和抗拉強度（B）Fig. 2 Elongation at break (A) and tensile strength (B) of fish skin gelatin-sodium alginate copos fs

由圖2可知，鰱魚皮明膠膜的抗拉強度為39.62 MPa，斷裂伸長率為2.77%。值得一提的是，鰱魚皮明膠和海藻酸鈉共混制備的復(fù)合膜的抗拉強度和斷裂伸長率都隨著海藻酸鈉比例的增加總體呈先增大后減小的趨勢，其中，當(dāng)海藻酸鈉溶液體積分數(shù)為20%時，抗拉強度達到最大，同時海藻酸鈉溶液體積分數(shù)為40%時，斷裂伸長率達到最大。

由圖2亦可知，海藻酸鈉和鰱魚皮明膠共混制備的20%海藻酸鈉復(fù)合膜的力學(xué)性能相較于鰱魚皮明膠膜和海藻酸鈉膜有了較大的提高。樊李紅等[29]用哺乳動物明膠與海藻酸鈉共混制備的復(fù)合膜的力學(xué)性能相較于單一膜有了較大的提高，其研究結(jié)果與本研究一致。究其原因在于鰱魚皮明膠溶液制膜后形成了均勻的明膠膜，海藻酸鈉的加入，使其原有的有序結(jié)構(gòu)被破壞，兩種物質(zhì)通過各種化學(xué)鍵的結(jié)合，形成了高度致密的明膠-海藻酸鈉網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而在宏觀上表現(xiàn)出復(fù)合膜的抗拉強度和斷裂伸長率的提高[24]。這有效克服了鰱魚皮明膠膜本身硬脆、易斷的特點，因而更適合用作可降解的食品包裝膜。

2.6 復(fù)合膜的X射線衍射結(jié)果分析

本研究對鰱魚皮明膠膜、海藻酸鈉膜及其整體性能最優(yōu)的20%海藻酸鈉復(fù)合膜進行X射線衍射分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 鰱魚皮明膠-海藻酸鈉復(fù)合膜的X射線衍射圖Fig. 3 X-RD patterns of fish skin gelatin-sodium alginate composite films

由圖3可知，鰱魚皮明膠膜在衍射角為7.6°和18°處有兩個明顯的衍射峰，表明了鰱魚皮明膠為晶態(tài)結(jié)構(gòu)。海藻酸鈉膜在衍射角為14°和21°處出現(xiàn)了兩個較寬的衍射峰，這表明海藻酸鈉為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。這與樊李紅[29]和陳麗[24]等的研究結(jié)果一致。

若鰱魚皮明膠與海藻酸鈉分子間沒有相互作用或者相互作用很弱，則其復(fù)合膜中會出現(xiàn)各自的衍射峰，衍射圖就會表現(xiàn)為明膠與海藻酸鈉衍射峰按比例簡單的疊加[24]。由圖3亦可知，本研究制備的復(fù)合膜的X衍射圖中沒有出現(xiàn)屬于鰱魚皮明膠膜的衍射峰（7.6°和18°）和海藻酸鈉膜的衍射峰（14°和21°），而是在此基礎(chǔ)上發(fā)生了偏移，在衍射角為7.4°和22.6°處出現(xiàn)了兩個新的衍射峰，并且復(fù)合膜的衍射峰強度低于鰱魚皮明膠膜而高于海藻酸鈉膜的衍射峰強度。上述現(xiàn)象表明，鰱魚皮明膠與海藻酸鈉分子間存在強烈的相互作用，這一結(jié)論也在膜的傅里葉變換紅外光譜分析結(jié)果中得到證實。

2.7 復(fù)合膜的傅里葉變換紅外光譜分析

圖4 鰱魚皮明膠-海藻酸鈉復(fù)合膜的紅外光譜Fig. 4 FTIR spectra of fish skin gelatin-sodium alginate composite films

由圖4可知，鰱魚皮明膠膜的傅里葉變換紅外光譜圖中1 657 cm-1是酰胺Ⅰ帶（C＝O伸縮振動），1 545 cm-1和1 238 cm-1分別為酰胺Ⅱ帶和酰胺Ⅲ帶（主要是N—H彎曲振動和C—N伸縮振動）；3 330 cm-1處是酰胺A的吸收峰，當(dāng)存在與氫鍵形成締合的N—H肽段時，酰胺A的吸收峰向低波數(shù)移動。海藻酸鈉膜的傅里葉變換紅外光譜圖中特征吸收峰1 616 cm-1和1 418 cm-1分別屬于—COO-的不對稱和對稱伸縮振動[29]。

由圖4亦可知，復(fù)合膜的紅外光譜圖與兩種單一膜相比，發(fā)生了很大變化，原海藻酸鈉膜中1 616 cm-1和1 418 cm-1處的吸收峰向高波數(shù)1 653 cm-1和1 452 cm-1發(fā)生了移動，造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于在酸性條件下海藻酸鈉膜中的—COO-與明膠的—NH3+之間產(chǎn)生了靜電吸引力[29]。值得一提的是，鰱魚皮明膠膜和體積分數(shù)20%海藻酸鈉溶液共混鰱魚皮明膠膜的酰胺A（N—H伸縮振動）分別出現(xiàn)在波數(shù)3 330 cm-1和3 318 cm-1處，當(dāng)一種多肽的N—H基團參與氫鍵的形成，吸收峰會向低波數(shù)移動[30]，由此可得出鰱魚皮明膠的N—H和海藻酸鈉的—OH形成氫鍵。此外，復(fù)合膜的傅里葉變換紅外光譜圖與鰱魚皮明膠和海藻酸鈉的都不同，亦不是兩者的簡單疊加，這亦說明鰱魚皮明膠與海藻酸鈉兩分子間存在強的相互作用。這可能是復(fù)合膜性能發(fā)生變化的主要原因。

3 結(jié) 論

本研究將海藻酸鈉與鰱魚皮明膠共混，來改善鰱魚皮明膠膜的性能。向鰱魚皮明膠膜中加入海藻酸鈉后，隨著海藻酸鈉體積分數(shù)的逐漸增大，復(fù)合膜的厚度逐漸減小，水蒸氣透過率和水溶性先減小后增大，抗拉強度和斷裂伸長率先增大后減小，透油率在24 h內(nèi)為零，對紫外線有較好的阻隔作用。當(dāng)海藻酸鈉溶液體積分數(shù)為20%時，抗拉強度達到最大值為64.62 MPa；水蒸氣透過率和水溶性達到最小，分別為0.423 g·mm/（m2·h·kPa）和27.70%。由此可見，共混制備的20%海藻酸鈉復(fù)合膜的各項性能都優(yōu)于單一膜，即得到了一種各項性能較好的外觀透亮的復(fù)合膜。通過分析膜的傅里葉變換紅外光譜圖和X射線衍射圖，表明兩種物質(zhì)存在較強的相互作用?；趶?fù)合膜特殊的性能，其有望成為一種潛在的食品內(nèi)包裝膜。

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