海藻酸鈉對(duì)魚(yú)皮明膠膜理化特性的影響

劉全嬌，陸劍鋒，呂 順，姜紹通，林 琳*

（合肥工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，安徽省農(nóng)產(chǎn)品精深加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230009）

包裝是保護(hù)食品不受不利的化學(xué)及微生物因素影響的重要而有效的方法[1-2]。隨著普通塑料包裝材料造成的環(huán)境問(wèn)題日趨嚴(yán)重，人們對(duì)食品包裝可食用膜的開(kāi)發(fā)興趣日益增加[3-4]。多糖和蛋白質(zhì)等天然大分子材料因其具有良好的結(jié)構(gòu)和機(jī)械特性，成為制備可食用包裝膜的良好選擇[5]。

明膠是由動(dòng)物結(jié)締組織中的天然膠原質(zhì)在適當(dāng)條件下其三級(jí)、二級(jí)和部分一級(jí)結(jié)構(gòu)被破壞，膠原的三股螺旋結(jié)構(gòu)松開(kāi)，相互纏繞的鏈解開(kāi)以后得來(lái)的產(chǎn)物[6]。明膠具有凝膠特性，成膜性能良好，與其他蛋白膜相比[7]，明膠膜具有機(jī)械性能強(qiáng)、阻隔性能好、透明度高等特點(diǎn)，在可食性包裝膜的應(yīng)用方面有不可替代的優(yōu)越性[8]。海藻酸鈉是白色或淡黃色粉末狀的一種聚陰離子的電解質(zhì)[9]，一定濃度的海藻酸鈉溶液通過(guò)干燥的方法，可以制得水溶、透明、阻氧性和機(jī)械性能較為優(yōu)良的膜。但單純的明膠膜質(zhì)脆，而海藻酸鈉由于親水性使其在濕度較高的環(huán)境中容易吸潮發(fā)黏，形成的膜熱性能較差，機(jī)械性能也有待改善。將明膠與海藻酸鈉共混制膜可以制備出集二者優(yōu)點(diǎn)，具有更加廣泛功能特性的復(fù)合膜。兩種成膜材料依賴分子之間的氫鍵交聯(lián)以及鏈之間的纏繞形成復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，這樣的三維構(gòu)象使得復(fù)合膜的阻隔性好、強(qiáng)度及熱穩(wěn)定性高[6,10]。

羅非魚(yú)（Oreochromis niloticus）是我國(guó)重要的淡水養(yǎng)殖品種，主要用于加工冷凍魚(yú)片。羅非魚(yú)在加工過(guò)程中產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物（約50%以上），其中魚(yú)皮中富含膠原蛋白，從魚(yú)皮中提取膠原蛋白和明膠可大幅提高魚(yú)加工副產(chǎn)物的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，并可減少環(huán)境污染[11]。本實(shí)驗(yàn)利用羅非魚(yú)魚(yú)皮明膠和海藻酸鈉共混制備復(fù)合膜，考察海藻酸鈉的添加比例對(duì)魚(yú)皮明膠膜的力學(xué)性質(zhì)、吸濕性、水溶性和透光性的影響，并通過(guò)流變學(xué)分析和X射線衍射對(duì)魚(yú)皮明膠與海藻酸鈉復(fù)合的成膜機(jī)理進(jìn)行分析。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

羅非魚(yú)皮明膠（純度＞85%）由實(shí)驗(yàn)室自制，參考汲聰玲等[12]的方法稍作修改；海藻酸鈉、甘油、硫酸銨（均為分析純） 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

分析天平 上海民橋精密科學(xué)儀器公司；恒溫恒濕箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司；SP-752紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì) 上海光譜儀器有限公司；DISICOVERY HR-3流變儀 美國(guó)TA公司；DHG-9123J精密恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海三發(fā)科學(xué)儀器有限公司；TA-XT Plus物性測(cè)試儀 英國(guó)Stable Micro System公司；D/MAX2500V型X射線衍射儀 日本理學(xué)儀器株式會(huì)社。

1.3 方法

1.3.1 明膠-海藻酸鈉復(fù)合膜的制備

室溫條件下，在燒杯中以去離子水溶解一定量的經(jīng)研磨的海藻酸鈉粉末，在恒溫水浴下電動(dòng)攪拌使其充分溶解，制備2 g/100 mL的海藻酸鈉溶液。羅非魚(yú)皮明膠實(shí)驗(yàn)室自制，選取明膠熱水提取溫度50 ℃、pH 4.5，其余均參考汲聰玲等[12]的方法。稱取實(shí)驗(yàn)室自制的羅非魚(yú)皮明膠，以蒸餾水為溶劑靜置溶脹30 min，之后在60 ℃水浴中持續(xù)攪拌使之完全溶解，配制成10%的明膠溶液。

將已制備的2 g/100 mL海藻酸鈉溶液與10 g/100 mL溶液按一定比例混合，混合后使明膠溶液和海藻酸鈉溶液的質(zhì)量比分別為0∶100（單一海藻酸鈉膜）、20∶80、40∶60、60∶40、80∶20、100∶0（單一明膠膜），將膜編號(hào)為Gel∶Alg 0∶100、Gel∶Alg 20∶80、Gel∶Alg 40∶60、Gel∶Alg 60∶40、Gel∶Alg 100∶0，然后加入4%甘油增塑，將混合溶液于40 ℃攪拌均勻，靜置脫除氣泡后，在塑料平皿中流延成膜，置于恒溫恒濕箱（條件控制為溫度20 ℃、相對(duì)濕度60%）中干燥48 h，揭膜備用。

1.3.2 明膠-海藻酸鈉復(fù)合膜的理化性質(zhì)測(cè)定

1.3.2.1 力學(xué)性能測(cè)定

膜的力學(xué)性能的測(cè)定參考王京[13]的方法。用物性測(cè)試儀測(cè)定共混膜的力學(xué)性能，選取質(zhì)地均勻光滑的薄膜，將其切成長(zhǎng)條形狀（1 cm×8 cm），設(shè)定儀器的起始間距為40 mm，拉引速率為 60 mm/min。每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定5 次。分別按照公式（1）和（2）計(jì)算復(fù)合膜的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率：

式中：TS為抗拉強(qiáng)度/MPa；Fm為試樣斷裂時(shí)承受的最大張力/N；L為膜的厚度/mm；W為膜的寬度/mm。

式中：E為斷裂伸長(zhǎng)率/%；L0為膜的原始長(zhǎng)度/mm；ΔL為膜斷裂時(shí)被拉伸的長(zhǎng)度/mm；L1為膜斷裂時(shí)達(dá)到的最大長(zhǎng)度/mm。

1.3.2.2 水溶性的測(cè)定

參考Sahraee等[14]的方法。稱取0.5 g膜，在恒溫干燥箱（105 ℃）中干燥至質(zhì)量恒定，稱量后將其于室溫完全浸于50 mL的蒸餾水中，靜置24 h，之后將混合液在9 000 r/min離心10 min，倒掉液體部分，將剩余的固體再次干燥至質(zhì)量恒定，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)量3 次，按公式（3）計(jì)算膜的溶解度：

式中：WS為溶解度/%；M0為膜的初始質(zhì)量/g；M為膜溶解后膜的質(zhì)量/g。

1.3.2.3 吸濕性測(cè)定

參考李東華[15]的方法。稱量0.5 g膜于規(guī)格（直徑×高）為50 mm×30 mm的稱量瓶中，于105 ℃條件下烘干至質(zhì)量恒定，然后將其移至于底部盛有飽和硫酸銨溶液（相對(duì)濕度81%）的干燥器中敞口放置，密封干燥器，室溫放置。每間隔 6 h稱量樣品放置前后的質(zhì)量，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)量3 次，根據(jù)公式（4）計(jì)算吸濕率：

式中：M0為放置前樣品的質(zhì)量/g；Mn為放置后樣品的質(zhì)量/g。

1.3.2.4 透光率的測(cè)定

透光率是用來(lái)衡量復(fù)合膜相容性的有效方法之一[16]。如果兩種成膜基質(zhì)不能很好地融和，那么在兩相界面上光的散射或反射會(huì)使共混膜的透光率降低[17]。參考Etxabide等[18]的方法。選擇均勻、光滑的膜樣品，將其切成條形（50 mm×10 mm）貼在石英比色皿一邊，以空皿為空白參比，用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定其透光率，波長(zhǎng)的掃描范圍為200～800 nm。

1.3.2.5 復(fù)合膜液的靜態(tài)流變學(xué)特性測(cè)定

參考王利強(qiáng)等[19]的方法。將不同配比的明膠-海藻酸鈉復(fù)合膜液冷卻至室溫，加一定量膜液到25 ℃流變儀錐板臺(tái)上進(jìn)行靜態(tài)流變性測(cè)定，擦去平板外多余樣品，使用直徑為40 mm的2°錐形測(cè)量板，設(shè)定板間距為1 000 μm。設(shè)定剪切速率變化范圍為0～700 s－1。復(fù)合膜的靜態(tài)流變行為采用Ostwald-de-Waele模型進(jìn)行擬合，公式如下：

式中：σ為剪切壓力/Pa；Κ為稠度系數(shù)/（Pa?s）；γ為剪切速率/s－1；n為冪律指數(shù)（流動(dòng)行為指數(shù)）。

1.3.2.6 X射線衍射分析

參考Chetouani等[20]的方法。采用X射線衍射儀測(cè)定膜的結(jié)晶性能，掃描范圍為5°～70°，用分峰法計(jì)算復(fù)合膜樣品的結(jié)晶度。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合膜的力學(xué)性能分析

從圖1可以看出，復(fù)合膜中海藻酸鈉添加比例低于40%時(shí)，隨著復(fù)合膜中海藻酸鈉添加比例的提高，復(fù)合膜的抗拉強(qiáng)度逐漸增加，斷裂伸長(zhǎng)率也較單一的明膠膜有明顯增加，說(shuō)明加入海藻酸鈉有利于改善明膠膜的力學(xué)性質(zhì)，純明膠膜的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別為5.5 MPa和64%，純海藻酸鈉膜抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別為4.6 MPa和88%，當(dāng)復(fù)合膜中Gel∶Alg 60∶40時(shí)，復(fù)合膜的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均達(dá)到最大值，分別為6.6 MPa和120%，抗拉強(qiáng)度相對(duì)于純明膠膜和純海藻酸鈉膜分別增加了20%和43%，斷裂伸長(zhǎng)率分別增加了87.5%和26.7%。

圖1 海藻酸鈉對(duì)復(fù)合膜力學(xué)性能的影響Fig. 1 Effect of sodium alginate on mechanical properties of composite films

海藻酸鈉加入明膠膜后使復(fù)合膜的抗拉強(qiáng)度增大，是由于海藻酸鈉的正電荷與明膠帶的負(fù)電荷之間能形成聚兩性電解質(zhì)，使兩種成膜材料之間產(chǎn)生較強(qiáng)的分子間作用力[21-22]，從而提高了其抗拉強(qiáng)度，但繼續(xù)提高復(fù)合膜中海藻酸鈉的比例（＞40%），膜的拉伸強(qiáng)度有一定程度降低，表明過(guò)多的海藻酸鈉用量不利于提高共混膜樣品的拉伸強(qiáng)度，這可能是因?yàn)楹Ｔ逅徕c含量過(guò)多，不能完全充分地與明膠分子間生成離子鍵以及氫鍵。另一方面，純明膠膜的斷裂伸長(zhǎng)率最小，低于純海藻酸鈉膜，說(shuō)明其韌性較差。海藻酸鈉含量較低時(shí)，復(fù)合膜的性質(zhì)與純明膠膜的性質(zhì)相似，膜較脆，斷裂伸長(zhǎng)率低。海藻酸鈉的加入可提高復(fù)合膜的韌性，復(fù)合膜的斷裂伸長(zhǎng)率均高于單一明膠膜。這是由于海藻酸鈉分子中含有較多的極性基團(tuán)（—OH），在同等濕度的條件下，海藻酸鈉含量高的復(fù)合膜吸濕率較大，水分子在膜中有增塑的作用，使得共混膜的自由體積增加，改善了分子鏈段的運(yùn)動(dòng)性[23]，從而提高其斷裂伸長(zhǎng)率。

2.2 復(fù)合膜的水溶性分析

圖2 海藻酸鈉對(duì)復(fù)合膜水溶性的影響Fig. 2 Effect of sodium alginate on water solubility of composite films

不同比例海藻酸鈉溶液與明膠溶液共混后制得的復(fù)合膜的水溶性如圖2所示。常溫下，單一海藻酸鈉膜在24 h內(nèi)的水溶性接近100%，即幾乎完全溶解，這是海藻酸鈉膜在可食性食品包裝膜上應(yīng)用受到限制的主要原因，而單一明膠膜的水溶性最小。海藻酸鈉與明膠共混后形成的復(fù)合膜水溶性顯著降低，達(dá)到55%以下，主要是因?yàn)? 種成膜物質(zhì)之間發(fā)生較強(qiáng)烈的分子之間離子鍵和氫鍵鍵合作用，形成新的復(fù)合物，導(dǎo)致復(fù)合膜的水溶性低于單一海藻酸鈉膜。

2.3 復(fù)合膜的吸濕性分析

圖3 海藻酸鈉對(duì)復(fù)合膜吸濕性的影響Fig. 3 Effect of sodium alginate on hygroscopicity of composite films

由圖3可見(jiàn)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，膜的吸濕率逐漸增大，在前20 h各樣品膜的吸濕速率升高很快，40 h以后已基本到達(dá)平衡的狀態(tài)。單一海藻酸鈉膜吸濕率最高，平衡后達(dá)50%，單一明膠膜平衡后吸濕率最低。復(fù)合膜的吸濕率介于兩種單一膜之間，在25%～40%之間，且吸濕程度隨著復(fù)合膜中海藻酸鈉含量的增加而增大，這是由于2 種膜材料混合后，海藻酸鈉的親水基團(tuán)與明膠分子間產(chǎn)生氫鍵作用，使明膠所形成的膠原纖維漸漸分散開(kāi)，大部分親水基團(tuán)被暴露在外，使膜的吸濕性有一定程度的提高[24]。

2.4 復(fù)合膜的透光率分析

圖4 海藻酸鈉對(duì)復(fù)合膜透光率的影響Fig. 4 Effect of sodium alginate on transmittance of composite films

從膜的外觀可知，不同配比的混合膜外觀均呈現(xiàn)透明狀。由圖4可以看出，當(dāng)海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于80%時(shí)，復(fù)合膜的透光率皆在80%以上，呈現(xiàn)較好的透光性。當(dāng)復(fù)合膜中海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于80%時(shí)，復(fù)合膜的透光率降低至70%左右，這可能是因?yàn)楹Ｔ逅徕c本身是乳白色，隨復(fù)合膜中海藻酸鈉含量的升高，其自身的顏色對(duì)共混膜的顏色產(chǎn)生的影響逐漸增大。

2.5 復(fù)合膜液的流變學(xué)特性分析

圖5 不同剪切速率下復(fù)合膜液黏度（a）和剪切應(yīng)力（b）的變化Fig. 5 Change in viscosity (a) and shear stress (b) of composite films at different shear rates

由圖5a可知，除單一明膠溶液黏度不隨剪切速率改變外，其他樣品（包括單一海藻酸鈉溶液）的黏度均隨著剪切速率的增加而降低，特別是當(dāng)剪切速率在0.1～400 s－1范圍內(nèi)時(shí)，復(fù)合膜液和海藻酸鈉溶液的黏度迅速降低，表明復(fù)合膜液和單一海藻酸鈉溶液皆為剪切稀化體系。在同一剪切速率下，復(fù)合膜液中海藻酸鈉溶液比例的提高使溶液的黏度增大。當(dāng)剪切速率高于400 s－1時(shí)各膜液的黏度均趨于平穩(wěn)，但各溶液的黏度依然存在明顯的差異，說(shuō)明海藻酸鈉對(duì)復(fù)合膜液的黏度影響較大。復(fù)合膜液會(huì)剪切稀化是由于海藻酸鈉與明膠分子鏈端相互纏結(jié)，大分子之間產(chǎn)生的鏈間作用結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，分子的自由流動(dòng)受到阻礙造成的[25]；當(dāng)外加剪切力作用時(shí)，分子間穩(wěn)定結(jié)構(gòu)被破壞，分子便能自由流動(dòng)，黏度急劇下降[26]；當(dāng)剪切速率達(dá)到一定限度，分子結(jié)構(gòu)再次變得平穩(wěn)，此時(shí)分子鏈已充分取向，就不會(huì)有太大的黏度變化[27]。

由圖5b可知，各混合膜液的剪切應(yīng)力隨剪切速率的增加而變大，除單一明膠溶液外，其他曲線皆過(guò)原點(diǎn)并向上凸出，以此可判斷所有除單一明膠溶液外，復(fù)合膜液（包括單一海藻酸鈉溶液）均屬于非牛頓流體[28]，在剪切速率相同的條件下，單一海藻酸鈉溶液的剪切應(yīng)力最大，提高復(fù)合膜液中海藻酸鈉的比例越高，其剪切應(yīng)力越大。

根據(jù)剪切速率-剪切應(yīng)力變化曲線，使用Ostwaldde-Waele模型進(jìn)行靜態(tài)流變曲線的擬合，計(jì)算出不同膜液體系的稠度系數(shù)（K值）、流動(dòng)指數(shù)（n）值以及相關(guān)系數(shù)（R2），結(jié)果見(jiàn)表1，其中K值用以表征混合膜液的表觀黏度，流體的增稠能力隨K值的增大而提高；n表示流體的非牛頓性程度，對(duì)于牛頓流體而言，n等于或接近1；對(duì)假塑性流體而言，n值小于1，且n值越是偏離1而減小，膜液的非牛頓特性更加明顯[19]。

表1 不同配比的復(fù)合膜液的冪律方程擬合參數(shù)Table 1 Power-law equation parameters for film forming solutions with different ratios between gelatin and sodium alginate

由表1可知，各方程的相關(guān)系數(shù)R2都高于0.99，可見(jiàn)模型有較好的擬合水平。各參數(shù)的計(jì)算結(jié)果顯示單一明膠膜的n值接近1，其他復(fù)合膜液n值均小于1，且隨著海藻酸鈉在復(fù)合膜中的比例的增加，n值逐漸降低，單一海藻酸鈉溶液的n值最小，結(jié)合圖5，可以認(rèn)為單一明膠溶液為牛頓流體，而明膠-海藻酸鈉混合溶液以及單一海藻酸鈉溶液皆為非牛頓流體。此外，單一明膠溶液的K值最小，增稠能力最弱，隨混合膜液中海藻酸鈉比例的提高K值逐漸增大，說(shuō)明當(dāng)明膠溶液與海藻酸鈉溶液混合后會(huì)使溶液的增稠能力增大，成膜液增稠能力越大越不利于成膜液流延均勻且更容易產(chǎn)生氣泡，這一定程度影響了膜的均勻性和致密性[19]。

2.6 復(fù)合膜的X射線衍射分析

圖6 復(fù)合膜的X射線衍射譜圖Fig. 6 X-ray spectra of composite films

由圖6可知，單一的海藻酸鈉膜沒(méi)有結(jié)晶峰，單一的明膠膜的衍射峰位為7.5°和20.1°，這與Sahraee等[14]的研究結(jié)果一致，復(fù)合膜的結(jié)晶峰位與單一明膠膜一致。明膠膜在7.5°處的衍射強(qiáng)度很高，說(shuō)明有一部分棒狀的膠原蛋白三螺旋結(jié)構(gòu)存在[29]。

從表2可以看出，Gel∶Alg 80∶20的復(fù)合膜結(jié)晶度最高，且高于單一明膠膜的結(jié)晶度，可見(jiàn)海藻酸鈉與明膠分子間并不是簡(jiǎn)單的機(jī)械混合，兩者間存在一定的化學(xué)上的相互作用。隨著復(fù)合膜中海藻酸鈉比例的增加，復(fù)合膜的結(jié)晶度降低，說(shuō)明海藻酸鈉的增加使明膠與海藻酸鈉之間形成了強(qiáng)烈的氫鍵結(jié)合，削減了明膠分子中羥基、氨基與羧基間的氫鍵結(jié)合，使得明膠的規(guī)整結(jié)構(gòu)遭到破壞，導(dǎo)致復(fù)合膜的無(wú)定形區(qū)的含量變大，結(jié)晶度下降[30]。

表2 復(fù)合膜的結(jié)晶度Table 2 Crystallinity of composite films

3 結(jié) 論

本研究利用海藻酸鈉與羅非魚(yú)皮明膠共混制備食品包裝復(fù)合膜，考察海藻酸鈉在復(fù)合膜中的添加比例對(duì)復(fù)合膜理化性質(zhì)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明明膠-海藻酸鈉復(fù)合膜結(jié)構(gòu)致密、均勻，透光性良好。海藻酸鈉的加入使膜的機(jī)械性能和延展性得以改善，海藻酸鈉添加量在40%時(shí)，抗拉強(qiáng)度達(dá)最大值6.6 MPa，相對(duì)于純明膠膜和純海藻酸鈉膜分別增加了20%和43%，斷裂伸長(zhǎng)率也在此時(shí)達(dá)到最大值120%，相應(yīng)的分別增加了87.5%和26.7%。經(jīng)共混后復(fù)合膜的水溶性在55%以下，吸濕率介于25%～40%之間，較單純的海藻酸鈉膜完全水溶和高吸濕性有較大改善；流變學(xué)分析可知明膠與海藻酸鈉形成的復(fù)合膜液為非牛頓流體，其黏度和增稠能力較單一明膠膜高；X射線衍射結(jié)果顯示在復(fù)合膜中不同的海藻酸鈉添加比例會(huì)影響膜的結(jié)晶度，表明海藻酸鈉和明膠在成膜過(guò)程中存在氫鍵交聯(lián)作用。本研究結(jié)果可進(jìn)一步拓展魚(yú)皮明膠的應(yīng)用領(lǐng)域，并為羅非魚(yú)皮的高值化的應(yīng)用提供參考。