熱處理溫度對明膠-魔芋粉復合膜性質的影響

徐葉瓊，翁武銀,2,*

（1.集美大學食品與生物工程學院，福建 廈門 361021；2.廈門市海洋功能食品重點實驗室，福建 廈門 361021）

由于塑料包裝膜不易降解，會給生態(tài)環(huán)境造成嚴重污染，因此可食性/可降解性包裝膜的開發(fā)已經(jīng)成為研究熱點。可食性包裝膜主要是利用人體能消化的天然高分子物質為原料，成膜高分子通過相互作用形成具有一定機械性能、結構致密的薄膜[1]。蛋白可食膜不僅機械性能好，而且氧氣阻隔性能也比多糖可食膜、脂類可食膜優(yōu)越[2]。其中，魚類明膠蛋白原料資源豐富、生物相容性和安全性高，且成膜性能好，是蛋白可食膜中研究最廣泛的材料之一[3]。然而，魚類明膠蛋白富含親水性氨基酸，利用其制備的明膠膜容易吸濕，耐水性能差[4]，結果導致明膠膜在潮濕環(huán)境下的應用受到限制。因此，有必要提高明膠膜的耐水性能，進而擴大明膠膜的使用范圍。

蛋白可食膜的耐水性能可以通過化學交聯(lián)、酶交聯(lián)、不同材料復合以及物理改性等方法進行改良。通過添加戊二醛或雙醛淀粉可以使明膠蛋白相互之間發(fā)生交聯(lián)，結果使明膠膜的固形物溶解率和蛋白溶解率都降低40%左右，可有效地改善明膠膜的耐水性能[5-6]。然而，添加戊二醛和雙醛淀粉等交聯(lián)劑使明膠膜具有潛在的食品安全風險，明膠可食膜在應用中也將會受到限制。有研究表明，添加谷氨酰胺轉氨酶可以顯著提高明膠膜的耐水性能[7]，但調制明膠成膜溶液時溫度一般都超過60 ℃，容易使酶失活。也有研究報道魔芋粉通過添加明膠可以使魔芋葡甘聚糖分子與明膠分子的極性基團發(fā)生相互作用，減少親水基團，進而降低魔芋粉膜的吸水率[8]。而且，魔芋葡甘聚糖在堿性、高溫條件下會形成熱不可逆凝膠[9]，明膠膜經(jīng)熱處理后還可以促進蛋白分子間的疏水相互作用，進而提高膜的耐水性能[10]。有關研究表明，熱處理不僅可以提高小麥面筋蛋白膜[11]和大豆蛋白膜[12]的阻水性和耐水性，而且熱處理也可以提高大豆分離蛋白-谷朊粉復合膜的耐水性能[13]。然而，有關熱處理對明膠-魔芋粉復合膜性質影響的研究卻鮮見報道。

因此，本研究在明膠膜上涂布魔芋粉成膜液，通過干燥制備明膠-魔芋粉雙層復合膜，探究熱處理溫度對復合膜的耐水性能、表面疏水性、阻水性和熱穩(wěn)定性等性質的影響，以期獲得具有良好耐水性能的可食性包裝膜。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

魚鱗明膠由集美大學食品與生物工程學院水產(chǎn)品加工研究室提供；魔芋粉 湖北強森魔芋科技有限公司；碳酸鈉、三羥甲基氨基甲烷 國藥集團化學試劑有限公司；十二烷基硫酸鈉（sodium dodecyl sulphate，SDS）、丙烯酰胺 美國Bio-Rad公司；標準蛋白美國Thermo Fisher公司。

1.2 儀器與設備

UM113攪拌脫泡機 日本Unix公司；DHG-9070A電熱鼓風干燥箱 上海精宏實驗設備有限公司；UV-2600A紫外-可見分光光度計 上海元析儀器有限公司；WSC-S測色色差儀 上海精密科學儀器有限公司；Q-2000差示掃描量熱儀 美國TA公司；S-4800掃描電子顯微鏡 日本東京日立制造所；SDC-200光學接觸角測量儀 東莞市晟鼎精密儀器有限公司；TA-XT Plus質構儀 英國Stable Micro Systems公司。

1.3 方法

1.3.1 明膠-魔芋粉復合膜的制備與熱處理

參考翁武銀等[4]報道的方法稍作修改。首先，明膠經(jīng)過常溫溶脹、60 ℃溶解后，將其調配成質量分數(shù)2%，添加明膠質量20%的甘油，通過脫泡后，將調制好的明膠成膜液（4 g）均勻地涂在5 cmh5 cm的有機硅樹脂框內，放在25 ℃、相對濕度為50%的恒溫恒濕箱中干燥24 h，制備成明膠膜。接著，再將魔芋粉通過70 ℃溶脹，利用碳酸鈉溶液將魔芋粉溶液的pH值調至10，添加魔芋粉質量20%的甘油，將魔芋粉成膜液的最終質量分數(shù)調配為1%，將調配、脫泡好的魔芋粉成膜溶液（4 g）均勻地涂在5 cmh5 cm明膠膜上，再放入恒溫恒濕箱中干燥24 h，制備成明膠-魔芋粉復合膜。最后，為了考察熱處理溫度對明膠-魔芋粉復合膜的影響，將獲得的復合膜分別在70、80、90 ℃和100 ℃下加熱處理1 h。以上獲得的各種復合膜再放入恒溫恒濕箱（溫度（25f1）℃、相對濕度（50f5）%）中平衡48 h，作為實驗測試樣品。

1.3.2 膜溶解率和蛋白溶解率的測定

精確稱取一定質量的復合膜置于含有10 mL蒸餾水的錐形瓶中，分別在30 ℃溫水條件下保溫振蕩24 h和90 ℃熱水條件下保溫振蕩0.5 h后，取出未溶解的復合膜放在105 ℃下干燥至恒質量。復合膜的膜溶解率（film solubility，F(xiàn)S）即為溶解的復合膜干質量占初始復合膜干質量的百分比，而復合膜的蛋白溶解率（protein solubility，PS）為溶解在水中的蛋白質量占復合膜初始蛋白質量的百分比。其中，溶解在水中的蛋白組分利用SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳（polyacrylamide gel electrophoresis，PAGE）進行分析。

1.3.3 機械性能的測定

膜的抗拉伸強度（tensile strength，TS）和斷裂伸長率（elongation at break，EAB）參照翁武銀等[4]報道的方法進行測定和計算。復合膜切成寬20 mm、長45 mm，用厚度儀測定厚度后，利用質構儀進行拉伸實驗，其中初始間隔為30 mm，拉伸速率1 mm/s。

1.3.4 SDS-PAGE測定

SDS-PAGE根據(jù)Laemmli[14]的方法進行測定，采用質量分數(shù)4%的濃縮膠和質量分數(shù)6%的分離膠，經(jīng)10 mA電流電泳后，先用考馬斯亮藍R-250染色液染色，再用脫色液脫色至背景完全透明為止。其中，復合膜先利用蛋白變性可溶性液（8 mol/L尿素-2% SDS-20 mmol/L Tris-HCl，pH 8.8）溶解，再將溶出的蛋白配成蛋白質量濃度為1 mg/mL的電泳樣品。

1.3.5 接觸角的測定

參照Manrich等[15]報道的方法，用注射器將2 μL的蒸餾水垂直滴在水平放置的膜表面上，用接觸角測量儀測定水在復合膜明膠側和魔芋粉側的接觸角。

1.3.6 色澤和透明度的測定

膜的色澤利用WSC-S測色色差儀進行測定，表征的參數(shù)有L*值（黑-白）、a*值（綠-紅）及b*值（藍-黃）。其中白板的參數(shù)為L*＝91.86、a*＝－0.88、b*＝1.42。

膜的透明度（T）根據(jù)Hoque等[16]的方法利用紫外-可見分光光度計進行測定，按公式（1）進行計算。透明度越低表示膜越透明。

式中：T600nm為膜在600 nm波長處的透光率；x為膜的厚度/mm。

1.3.7 水蒸氣透過率的測定

復合膜的水蒸氣透過率（water vapor permeability，WVP）根據(jù)Limpisophon等[17]報道的方法進行測定。取一定量的干燥硅膠裝在瓶口內直徑為2.2 cm的聚對苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）瓶中，并用5 cmh5 cm的復合膜密封PET瓶口，然后將PET瓶置于底部裝有蒸餾水、溫度為30 ℃的玻璃干燥器中，每間隔1 h測定PET瓶的質量。復合膜的WVP按公式（2）進行計算。

式中：t為測定時間/s；Δm為t時間內PET瓶質量變化量/g；δ為膜的厚度/m；A為PET瓶口表面積/m2；P2－P1為瓶內外的水蒸氣壓差/Pa。

1.3.8 橫斷面微觀結構分析

根據(jù)參考文獻[18]報道的方法稍作修改。取適量表面平整且潔凈的復合膜，用液氮冷脆斷裂處理后，裁取合適大小的膜樣品在真空干燥箱中充分干燥，將干燥的復合膜樣品的橫斷面鍍金后利用掃描電子顯微鏡對復合膜橫斷面的微觀結構進行觀察，電子束的加速電壓為5 kV。

1.3.9 玻璃化轉變溫度的測定

利用差示掃描量熱儀測定復合膜樣品的玻璃化轉變溫度（glass transition temperature，Tg），使用金屬銦對儀器進行校準。復合膜在室溫下真空干燥一周后，準確稱取5～10 mg干燥的樣品置于坩堝中并密封，以空坩堝作為參比，以10 ℃/min的升溫速率在－20～200 ℃范圍內掃描后，快速降溫至－20 ℃后再以相同的升溫程序進行第二次掃描。復合膜的Tg根據(jù)第二次掃描曲線的拐點進行確定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

數(shù)據(jù)采用SPSS Statistics 17.0軟件進行單因素方差分析，顯著性檢測方法為Duncan多重檢驗，P＜0.05表示差異顯著。

2 結果與分析

2.1 熱處理溫度對復合膜耐水性能的影響

表1 熱處理溫度對明膠-魔芋粉復合膜FS和PS的影響Table1 Effect of thermal treatment temperature on FS and PS of gelatin-konjac fl our composite fi lms

膜的溶解性可以作為衡量可食膜耐水性能程度的重要指標之一[10]，因此對復合膜的FS和PS進行測定，結果如表1所示。未經(jīng)熱處理的復合膜在30 ℃下的FS和PS分別為45.62%和28.83%，明顯低于報道的羅非魚皮明膠膜（FS＝73.95%、PS＝87.07%）[6]。另一方面，有報道表明魔芋葡甘聚糖膜在常溫下的FS已經(jīng)超過70%[19]。這些結果表明了明膠與魔芋粉組成的復合膜可以改良膜的耐水性能。由表1還可以發(fā)現(xiàn)，復合膜在30 ℃下的FS和PS伴隨熱處理溫度的升高而逐漸降低。有研究報道熱處理可以增強明膠蛋白疏水相互作用，從而提高膜的耐水性能[10]，且在堿性加熱條件下魔芋粉中葡甘聚糖會發(fā)生脫乙酰反應，形成熱不可逆凝膠[9]。因此，熱處理可以提高明膠與魔芋粉復合膜的耐水性能。類似的變化趨勢也在復合膜90 ℃下的耐水性能中觀察到，而膜在90 ℃下的FS和PS均比30 ℃高，表明復合膜內部形成的網(wǎng)絡結構在熱水中容易遭到破壞，這與Kato等[20]的研究結果一致。值得的注意的是，復合膜在30 ℃下浸泡24 h后，任一溫度下熱處理的復合膜其FS都比PS高，而在90 ℃下浸泡0.5 h后膜的FS都與PS接近。這可能是長時間的水浸泡促使包裹在明膠蛋白分子與魔芋葡甘聚糖分子形成的空間網(wǎng)絡結構中的小分子逐漸釋放出來，表明明膠-魔芋粉復合膜在常溫下可以作為一種緩釋材料進行應用[21]。

2.2 熱處理溫度對復合膜機械性能的影響

表2 熱處理溫度對明膠-魔芋粉復合膜機械性能的影響Table2 Effect of thermal treatment temperature on mechanical properties of gelatin-konjac fl our composite fi lms

表2顯示了熱處理溫度對復合膜TS和EAB的影響。未經(jīng)熱處理的復合膜其TS高達52.88 MPa，高于報道的羅非魚魚鱗明膠膜（TS＝44.97 MPa）[10]，表明明膠膜與魔芋粉膜復合后可以提高抗拉伸性能。然而，復合膜的TS經(jīng)熱處理后出現(xiàn)下降，而且隨著熱處理溫度的升高逐漸下降。另一方面，未經(jīng)熱處理的復合膜其EAB與報道的魚鱗明膠膜（EAB＝38.71%）[10]接近，表明明膠膜與魔芋粉膜復合后不會影響延伸性能。熱處理對復合膜EAB的影響類似于TS。

2.3 SDS-PAGE分析

圖1 不同溶解條件下溶出蛋白的SDS-PAGE圖譜Fig.1 SDS-PAGE patterns of dissolved proteins under different conditions

尿素和SDS可以切斷蛋白分子間的氫鍵、破壞疏水相互作用[22]。溶解在可溶性溶液（8 mol/L尿素和質量分數(shù)2% SDS）中復合膜的SDS-PAGE結果如圖1所示，復合膜中蛋白主要由α1（120 kDa）、α2（110 kDa）、β（230 kDa）肽鏈以及無法進入分離膠的高分子等具有明膠特征的蛋白組分組成。根據(jù)30 ℃溫水溶出蛋白的SDS-PAGE結果，發(fā)現(xiàn)伴隨著膜熱處理溫度的提高，β、α1和α2條帶濃度出現(xiàn)明顯下降，而80 kDa和50 kDa附近的條帶濃度逐漸增加。這表明提高熱處理溫度可以促進復合膜β、α1和α2肽鏈參與交聯(lián)，結果使交聯(lián)的肽鏈在30 ℃溫水中不容易溶出。另一方面，90 ℃熱水溶出的蛋白組分與可溶性液溶解的蛋白組分基本一致，說明復合膜內部交聯(lián)形成的大分子在90 ℃熱水下也容易溶出，結果導致膜的耐水性能下降（表1）。

2.4 熱處理溫度對復合膜接觸角的影響

表3 熱處理溫度對明膠-魔芋粉復合膜接觸角的影響Table3 Effect of thermal treatment temperature on contact angle of gelatin-konjac fl our composite fi lms

通常，接觸角大于90°為疏水性材料，接觸角小于90°為親水性材料[23]。由表3可以看出，在未經(jīng)熱處理的復合膜中，明膠側的接觸角大于90°，而魔芋粉側的接觸角卻小于90°。這可能是膜液在干燥過程中親水物質隨著水分子的蒸發(fā)向上層移動，結果導致魔芋粉側的接觸角小于明膠側[18]。然而，不管在復合膜的哪一側，膜的接觸角經(jīng)熱處理后都出現(xiàn)上升的趨勢，表明熱處理提高了復合膜的表面疏水性。這主要是因為在熱處理過程中，內部疏水基團伴隨復合膜表面水分迅速蒸發(fā)逐漸暴露出來[24]，而且也促進了蛋白分子之間、多糖分子之間親水基團的相互作用，結果導致膜表面的疏水性（表3）和膜的耐水性能（表1）均得到增強。因此，耐水性能改良的復合膜可適用于較高濕度的環(huán)境中，可以擴大明膠可食膜的應用范圍。

2.5 熱處理溫度對復合膜色澤和透明度的影響

表4 熱處理溫度對明膠-魔芋粉復合膜色澤和透明度的影響Table4 Effect of thermal treatment temperature on color and transparency of gelatin-konjac fl our composite fi lms

包裝膜的色澤和透明度在一定程度上會影響消費者對包裝食品的購買欲[25]。與白板（L*＝91.86、a*＝－0.88、b*＝1.42）比較，復合膜的L*值與a*值均較低，而b*值明顯較高（表4），制備的復合膜在外觀上呈現(xiàn)微黃色。復合膜經(jīng)熱處理后，隨著熱處理溫度的升高，膜的L*值與a*值都略有下降，而b*值明顯上升，表明膜的

色澤逐漸變黃。魔芋葡甘聚糖是由葡萄糖和甘露糖按質量比1∶1.7～1∶1.5通過β-1,4糖苷鍵聚合而成的，具有一定的還原性[26]。明膠蛋白分子中的氨基與魔芋葡甘聚糖分子中的羰基在加熱的條件下會發(fā)生美拉德反應[27]，結果導致復合膜在熱處理中色澤逐漸變黃。另一方面，復合膜的透明度為3.26，但隨著熱處理溫度的升高略有增加（表4）。有研究報道，明膠膜添加了殼聚糖后其透明度出現(xiàn)一定程度的增加，可能是明膠與殼聚糖之間生成了陰離子/陽離子多聚物的緣故[28]。因此，在接觸面中明膠蛋白分子與魔芋多糖分子之間的相互作用隨著熱處理溫度升高而增強，形成更多的陰離子/陽離子多聚物，使膜的透明度增加。

2.6 熱處理溫度對復合膜WVP的影響

圖2 熱處理溫度對復合膜WVP的影響Fig.2 Effect of thermal treatment temperature on water vapor permeability of gelatin-konjac fl our composite fi lms

WVP是衡量食品包裝材料品質的一項重要指標[29]。如圖2所示，未經(jīng)熱處理的復合膜的W V P為0.95h10－10g/（mgsgPa），略低于魚鱗明膠膜[30]和魚皮明膠膜[4]。據(jù)報道，在魔芋多糖-殼聚糖-大豆分離蛋白共混膜中添加大豆蛋白后，可以降低多糖分子間的氫鍵作用，進而降低膜的WVP[31]。因此，在本研究中復合膜在接觸部分明膠蛋白分子與魔芋多糖分子之間也可能通過降低氫鍵作用，進而提高明膠膜的阻水性；而且熱處理可能會促進明膠蛋白分子與魔芋多糖分子之間的交聯(lián)，進而提高膜的致密性和阻水性能。而且，由于熱處理提高了膜的表面疏水性，結果使水分子不易被膜吸附，進而降低了復合膜的WVP。然而，熱處理溫度對膜的WVP卻沒有發(fā)現(xiàn)顯著的影響。

2.7 熱處理溫度對復合膜微觀結構的影響

圖3 熱處理溫度對復合膜橫斷面微觀結構的影響Fig.3 Effect of thermal treatment temperature on cross-sectional microstructure of gelatin-konjac fl our composite fi lms

為進一步探究明膠魔芋粉復合膜的內部結構，利用掃描電子顯微鏡對復合膜樣品橫斷面的微觀結構進行觀察，結果如圖3所示。在未經(jīng)熱處理的復合膜橫斷面上，可清晰地觀察到魔芋粉層與明膠層的分界線。然而，伴隨著熱處理溫度的升高，兩種組分之間的分界線逐漸模糊甚至消失，表明熱處理可以促進魔芋粉與明膠在接觸部分互相滲透。這些融合的魔芋多糖和蛋白隨著熱處理溫度的升高通過相互作用逐漸聚集，從而提高復合膜的耐水性能（表1）。然而，復合膜中的均勻網(wǎng)狀結構可能在熱處理過程中遭到破壞，結果導致膜的TS和EAB均出現(xiàn)不同程度的下降（表2）。

2.8 熱處理溫度對復合膜熱穩(wěn)定性的影響

圖4 熱處理溫度對復合膜玻璃化轉變溫度的影響Fig.4 Effect of thermal treatment temperature on glass transition temperature of gelatin-konjac fl our composite fi lms

Tg通常可以用來表征膜的熱穩(wěn)定性[32]，其值越大說明膜的熱穩(wěn)定性越好。復合膜的Tg結果如圖4所示，未經(jīng)熱處理的復合膜其Tg為81.21 ℃，經(jīng)熱處理后，復合膜的Tg出現(xiàn)明顯上升，而且伴隨熱處理溫度升高，膜的Tg出現(xiàn)進一步增加的趨勢。魔芋葡甘聚糖分子鏈上的乙酰基團隨著熱處理溫度的升高逐漸脫除，形成熱不可逆凝膠[9]；而明膠蛋白在熱處理過中逐漸變性，有利于促進明膠蛋白分子間共價和非共價的相互作用，進而提高膜的穩(wěn)定性[10]。而且，脫乙酰魔芋葡甘聚糖的羥基、葡萄糖殘基和甘露糖殘基與蛋白殘基容易發(fā)生交聯(lián)[33]。因此，提高熱處理溫度不僅可以增強復合膜的耐水性能（表1），還可以提高復合膜的熱穩(wěn)定性。

有研究表明，pH 10的魔芋葡甘聚糖溶液在干燥成膜中，魔芋葡甘聚糖分子將脫去乙?；鶊F，通過氫鍵形成有序、致密的三維網(wǎng)狀結構，降低膜的溶解性[34]。Li Bei等[35]利用魔芋葡甘聚糖和明膠通過共混制備可食膜，然而由于未調整成膜溶液的pH值，雖然共混后可以提高膜的機械性能，但膜的耐水性能反而下降。本研究通過制備復合雙層膜，再利用加熱方式使魔芋粉與明膠互相滲透融合，這樣不僅使膜的最終pH值下降，還可以增強耐水性能（表1），然而機械性能卻下降（表2）。

3 結 論

利用明膠和魔芋粉成功制備明膠-魔芋粉雙層復合膜。復合膜的耐水性能隨著熱處理溫度的升高逐漸增強，膜的表面疏水性和水蒸氣透過性經(jīng)過熱處理后均出現(xiàn)下降。經(jīng)過熱處理，復合膜的色澤逐漸變黃且透明度略微降低。而且，復合膜的明膠層與魔芋粉層的分界線隨著熱處理溫度的升高逐漸模糊并消失，表明明膠蛋白與魔芋多糖相互滲透融合，復合膜的熱穩(wěn)定性逐漸得到提高。研究結果表明，明膠-魔芋粉復合膜通過改變熱處理溫度可以改變膜的耐水性、水蒸氣阻隔性能和熱穩(wěn)定性，使復合膜可以在不同食品包裝領域中得到應用。