甜菜果膠-魚明膠復合可食膜的制備及特性研究

董宇豪，陳 浩，2，*，劉世永，吳錦燁，吳志宇

(1.山東大學(威海) 海洋學院， 山東 威海 264209；2.北京工商大學 北京食品營養(yǎng)與人類健康高精尖創(chuàng)新中心， 北京 100048；3.威海海洋職業(yè)學院 食品工程系， 山東 威海 264300)

可食膜是以天然可食性物質(zhì)為原料制得的具有多孔網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的可降解性薄膜[1]，常用的制備材料包括海藻酸鈉、大豆分離蛋白(SPI)、羧甲基纖維素鈉(CMC)等。

魚明膠(fish gelatin，F(xiàn)G)是由魚皮、魚骨中膠原經(jīng)部分水解獲得的多肽類物質(zhì)，具有良好的成膜性，但是機械和阻隔性能仍有待提高[2]。為了更加高效的利用魚明膠，需要對其進行改性處理。鄭雅爻等[3]通過添加谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶(TG)增加了明膠膜的韌性和阻隔性；胡熠等[4]和Wu等[5]分別將香豆素和姜黃素加入魚明膠中使其膜的抗氧化能力顯著提高。甜菜果膠(sugar beet pectin，SBP)是從榨糖后的甜菜粕中提取制得的。與一般果膠不同，其含有疏水性的乙酰基，可提高乳化性能；另外，甜菜果膠中含有蛋白質(zhì)成分，是一種多糖-蛋白質(zhì)復合物，其中的蛋白質(zhì)與果膠發(fā)生共價交聯(lián)作用[6]。

蛋白質(zhì)和多糖常用于研究生物大分子之間的復合凝聚作用，二者之間通過氫鍵、靜電作用、范德華力、疏水相互作用等結(jié)合，蛋白和多糖相互作用是一種控制食品結(jié)構(gòu)、質(zhì)構(gòu)特性和穩(wěn)定性的有效手段。目前有很多對于二者凝聚物的研究，但將二者制備成可食膜的研究甚少，因此，研究利用魚明膠較優(yōu)的成膜性及甜菜果膠較強的乳化性，制備雙網(wǎng)絡復合膜，研究不同配比下復合膜的性能，以期為食品包裝行業(yè)提供研究借鑒。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

BL-60 魚明膠，嘉吉亞太食品系統(tǒng)(北京)有限公司；甜菜果膠(摩爾質(zhì)量為7.53×105 g/mol)，Herbstreith & Fox公司；甘油(分析純)，天津市河東區(qū)紅巖試劑廠；溴化鈉(分析純)，天津市博迪化工有限公司；無水氯化鈣(分析純)，天津市巴斯夫化工有限公司。

金黃色葡萄球菌[CMCC(B)26003]、大腸埃希氏菌[ATCC25922]，上海魯微科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

DHG-9140A型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海精宏實驗設(shè)備有限公司；KQ-300B型超聲波清洗器，江蘇省昆山市超聲儀器有限公司；NR110型精密色差儀，深圳市三恩馳科技有限公司；LDZM-60KCS-Ⅱ型立式壓力蒸汽滅菌器，上海申安醫(yī)療器械廠；FLC-3型超凈工作臺，哈爾濱市東聯(lián)公司；GI7-2型恒溫培養(yǎng)箱，美國SHELLAB制造股份有限公司；SHB-ⅢG型臺式循環(huán)水式多用真空泵，鄭州長城科工貿(mào)有限公司；T6型新世紀紫外可見分光光度計，北京普析通用儀器有限責任公司。

1.3 實驗方法

1.3.1復合膜的制備

稱取一定質(zhì)量的SBP與FG溶于去離子水中，磁力攪拌5 h使樣品充分溶解(見表1)。加入甘油，在70 ℃下水浴20 min使二者充分反應。攪拌后用超聲波清洗儀處理20 min后,置于密封的干燥皿中進行真空抽慮泵脫氣30 min。脫氣后取10 g膜液倒入直徑為90 mm的聚乙烯培養(yǎng)皿中，放入烘箱(50 ℃)中干燥6 h。將制備好的可食膜放入盛有飽和KBr溶液的干燥皿(RH 60%，室溫)中保存24 h以上，成膜后揭膜測定各項性能[7]。

表1 甜菜果膠-魚明膠復合可食膜配方表

1.3.2復合膜感官性能的測定

評價內(nèi)容包括顏色、表面手感及粗糙程度、氣味、拉伸韌性的簡單評價[8]。

1.3.3復合膜含水量的測定

稱量0.3 g左右膜樣品，置于干燥至恒重的鋁盒中，稱量，然后放入105 ℃烘箱干燥至恒重[9]。

按式(1)計算膜含水量(moisture content，MC)：

MC=(m2-m3)/m1×100%。

(1)

式(1)中，m1為膜樣品質(zhì)量，g；m2為干燥前鋁盒及膜樣品質(zhì)量，g；m3為干燥后鋁盒及膜樣品質(zhì)量，g。

1.3.4復合膜水蒸氣透過率的測定

取完好無破損的可食膜覆于裝有9 g無水氯化鈣的玻璃瓶口(直徑為10 mm)，用凡士林黏合，稱重。置于RH 60%干燥皿中平衡，4 d后稱重[10]。

按式(2)計算可食膜的水蒸氣透過率(water vapor permeability，WVP)：

WVP=Δmd/AtΔP。

(2)

式(2)中，WVP為水蒸氣透過率，g·(m·d·MPa)-1；Δm為玻璃瓶質(zhì)量增加量，g；d為膜的厚度，m；A為膜的有效透濕面積，m2；t為透濕時間，d；ΔP為膜兩側(cè)水蒸氣壓力差，MPa。

1.3.5復合膜水溶性的測定

稱量1 g左右膜樣品，浸沒于100 mL去離子水中溶解24 h，用濾紙過濾后，將濾紙置于玻璃培養(yǎng)皿內(nèi)，60 ℃烘箱中干燥6 h至恒重后稱重[11]。

膜溶解率Q的計算見式(3)。

Q=1-(m2-m0)/m1×100%。

(3)

式(3)中，m0為過濾前濾紙質(zhì)量，g；m1為膜樣品質(zhì)量，g；m2為干燥后濾紙質(zhì)量，g。

1.3.6復合膜吸光度的測定

將膜樣品剪裁成50 mm×10 mm大小，貼于比色皿器壁上。在300～800 nm波長下以空白比色皿為對照進行全波長掃描，測量吸光度數(shù)值。

1.3.7復合膜外觀及色差值的測定

將樣品剪成10 mm×10 mm的正方形，置于一張印滿字母“A”的A4紙上，拍照比較其外觀。白板校準后，采用色差計測量其色差值。

1.3.8復合膜機械性能的測定

采用Universal TA型質(zhì)構(gòu)儀，使用的測試探頭為p/STG。將待測膜樣品切割成40 mm×10 mm。測試速度為0.50 mm/s，設(shè)定為拉斷模式[12]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

每個樣品設(shè)置3組平行，實驗數(shù)據(jù)用Excel 2010處理，采用SPSS 22.0進行單因素方差分析，顯著性水平為P<0.05，使用Origin 9.0繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 FG添加量對復合膜感官性能的影響

隨著FG添加量的增加，復合膜厚度隨基質(zhì)濃度的增加而增加，且表面粗糙度及質(zhì)地由柔軟光滑逐漸變得硬且粗糙，見表2。原因可能是當?shù)唾|(zhì)量濃度FG加入時，兩基質(zhì)之間發(fā)生交聯(lián)作用，此時相容性較好，后隨著FG的過量添加，二者空間結(jié)構(gòu)被破壞，表現(xiàn)出粗糙的質(zhì)地。

表2 甜菜果膠-魚明膠復合可食膜感官性能評價

厚度等級和顏色等級均用阿拉伯數(shù)字表示，數(shù)字越大，表示其厚度越大或顏色越深。

2.2 FG添加量對復合膜含水量的影響

含水量是可食膜一項重要特征，可在一定程度上反映膜內(nèi)部FG和SBP的相互作用。隨著FG添加量進一步升高，復合膜MC大體呈先下降后上升的趨勢，見圖1。當FG添加量為0.01 g/mL時，MC最大為28.20%，當FG添加量為0.03 g/mL時，MC降至最低值19.75%。復合膜含水量整體較高，這是由于水分子與基質(zhì)官能團之間具有較強的氫鍵作用。

不同小寫字母代表差異顯著。圖1 FG添加量與復合膜含水量的關(guān)系Fig.1 Effect of FG concentration on moisture content of composite films

分析原因可能是：SBP含有親水基團，可與水作用形成氫鍵，提高自身持水性能；另外，F(xiàn)G為親水性物質(zhì)，加入后必然增大系統(tǒng)親水能力。但當FG質(zhì)量濃度升高時，可能影響SBP分子舒展，導致其持水能力下降[13]。此外，不同F(xiàn)G添加量的混合膜液pH值有差異，實驗中沒有對pH值進行控制，因此，不同的pH值可能會對復合膜性能產(chǎn)生影響[14]。

2.3 FG添加量對復合膜水蒸氣透過率的影響

WVP對食品包裝的質(zhì)量具有重要意義，是阻隔特性的重要指標之一。膜的WVP越低，代表其保鮮效果越好。當FG添加量為0.04 g/mL時，復合膜WVP最低為9.40 g·(cm·d·MPa)-1，說明此時膜對水的阻隔性能最強；FG添加量為0.05 g/mL的復合膜WVP最高為14.50 g·(cm·d·MPa)-1(見圖2)。

分析原因可能是：1)適量FG的添加填充了果膠分子間的間隙，使復合膜結(jié)構(gòu)更加緊密，增加了水分子的擴散路徑，使水分子更難通過復合膜基質(zhì)[15]。2)過量FG的加入，使SBP分子不能充分舒展，形成的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)不夠致密，WVP升高，阻隔性能降低[16]。由此推斷當m(SBP)/m(FG)為2.5∶4時，復合膜阻隔性能最佳。

小寫字母不同代表差異顯著。圖2 FG添加量與復合膜水蒸氣透過率的關(guān)系Fig.2 Effect of FG concentration on water vapor permeability of composite films

2.4 FG添加量對復合膜水溶性的影響

在實際可食性膜應用中，復合膜溶解率越低，其總體保鮮效果越好。復合膜溶解率隨FG添加量的增加而降低(66.20%～95.43%)，其中FG添加量為0.05 g/mL時溶解率最低為66.20%(見圖3)。

小寫字母不同代表差異顯著。圖3 FG添加量與復合膜溶解率的關(guān)系Fig.3 Effect of FG concentration on solubility of composite films

分析原因可能是：1)加入FG后，兩基質(zhì)之間形成的靜電復合物增加，分子鏈伸展，暴露出更多的親水基團，水溶性增加。2)當FG濃度進一步升高，分子間作用力越大，越難溶于水。

2.5 FG添加量對復合膜透光率的影響

吸光度反映光被吸收程度，吸光度越高，透光性能越差。對樣品進行全波長掃描，結(jié)果如圖4。200～400 nm處為紫外光區(qū)，吸光度越高，抗紫外線能力越強，此后為可見光區(qū)，吸光度越低，說明其透光性越好。由圖4可見，復合膜樣品在紫外光區(qū)有較高的吸光度，隨著波長的增大，吸光度降低，后趨于穩(wěn)定并處于較低數(shù)值。其中，F(xiàn)G添加量為0.05 g/mL的復合膜吸光度相對較低，說明其透明度較好。

圖4 FG添加量與復合膜吸光度的關(guān)系Fig.4 Effect of FG concentration on absorbance of composite films

總體上，所有復合膜樣品在可見光區(qū)的吸光值均在0.5以下，說明其透光性較好，即透明度高；而在紫外光區(qū)的吸光度均較高，說明復合膜樣品均具有良好的阻隔紫外線的能力，可以起到對食品原料的保護作用。這與Fakhreddin等[17]的研究結(jié)果一致，原因可能是魚明膠含有大量的芳香族氨基酸，能夠吸收紫外線[2]。隨著FG含量的增加，復合膜的吸光度逐漸降低，這可能是因為FG分子表面能夠散射光線，減少紫外線和可見光通過薄膜的傳輸。此外，透射比是衡量復合膜相容性的有效指標[18]，復合膜基質(zhì)間相容性越好，透光率越高。

2.6 FG添加量對復合膜外觀及色差的影響

利用相機在自然光照條件下對5組復合膜樣品進行對比拍照，以SBP單一膜為對照，結(jié)果如圖5。通過肉眼觀察發(fā)現(xiàn)制得的復合膜表面光滑，且呈現(xiàn)良好的均一性?？傮w來看，透過各個樣品觀察到背景字母都比較清晰，透明度都比較良好。但隨FG添加量的增加，顏色逐漸加深，且所有膜樣品透明度均較高，與2.5吸光度結(jié)果一致。

圖5 FG添加量與復合膜外觀的關(guān)系Fig.5 Effect of FG concentration on appearance of composite films

利用色差儀測量膜樣品的L值(明暗/亮度)、a*值(紅綠色差)、b*值(黃藍色差)，結(jié)果見圖6。隨著FG添加量的升高，復合膜的L值下降，即膜的亮度降低，其中FG添加量為0.01 g/mL時的L值最高為92.36。由a*值及b*值結(jié)果可見，復合膜樣品整體顏色偏黃綠色，且隨著FG 添加量的增加，膜樣品黃色加深，分析原因可能是加熱過程中SBP和FG分子間發(fā)生羰基化反應生成褐色物質(zhì)[19]。

不同小寫字母代表差異顯著。圖6 FG添加量與復合膜色差值的關(guān)系Fig.6 Effect of FG concentration on chromatism of composite films

2.7 FG添加量對復合膜機械性能的影響

抗拉強度(TS)是描述膜機械性能的參數(shù)，代表外力拉扯下膜斷裂的難易程度[20]。實際應用中，TS越高，復合膜抵抗外力的能力越強，越有利于保持其完整性。所有復合膜樣品的TS均大于SBP單一膜，見圖7。原因可能是相較于單網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)膜，復合膜兩基質(zhì)之間形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)越緊密，其所能承受的形變程度越高，即抗拉強度會隨之提高[21]。復合膜樣品中，F(xiàn)G添加量為0.01、0.02 g/mL的膜樣品其TS均在2.94 N以上，可用作干果或調(diào)味品等食品的內(nèi)包裝[22]。而FG添加量為0.03 g/mL的膜樣品TS最低為1.29 N，此后隨著FG含量的增加，TS逐漸升高。

樣品編號6表示SBP單一膜樣品的機械性能測定結(jié)果；不同小寫字母代表差異顯著。圖7 FG添加量與復合膜抗拉強度的關(guān)系Fig.7 Effect of FG concentration on tensile strength of composite films

分析其原因可能是：1)SBP分子中含有蛋白質(zhì)成分，當加入少量魚明膠分子后，兩基質(zhì)之間發(fā)生交聯(lián)作用，形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，抗拉強度較高。2)當FG添加量為0.03 g/mL時，過量蛋白質(zhì)導致致密網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)被破壞，抗拉強度降低。3)FG添加量繼續(xù)升高，蛋白之間相互作用較強，從而使復合膜的機械性能得到提高[23]。雙網(wǎng)絡復合膜的機械強度顯著增加的結(jié)果表明，甜菜果膠和魚明膠交聯(lián)后結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，對可食膜抗拉強度的增強有重要作用。與2.2節(jié)對含水量測試的結(jié)果一致。

3 結(jié) 論

1)SBP-FG復合膜的含水量、水蒸氣透過率、溶解性、透光性、外觀特征及機械性能與兩基質(zhì)的質(zhì)量濃度密切相關(guān)。

2)復合膜含水量及抗拉強度隨FG添加量的升高呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢，表現(xiàn)出低質(zhì)量濃度FG的復合膜兩基質(zhì)間具有良好的相容性，空間網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)緊密。

3)隨著FG添加量的增加，膜的溶解性和吸光度降低，說明高FG添加量的復合膜表現(xiàn)出較好的抗水性能及透光能力。

4)從持水能力、阻隔及機械性能來看， FG添加量為0.02 g/mL的復合膜性能最優(yōu)，從透光性來看，各個配比的復合膜相差不大，均具有良好的阻隔紫外光的能力及可見光透光性，其中以FG添加量為0.05 g/mL的復合膜較優(yōu)。綜合比較，m(SBP)∶m(FG)=2.5∶2為優(yōu)化的復合膜配比，其含水量為24.52%，水蒸氣透過率為10.41 g·(cm·d·MPa)-1，抗拉強度為3.09 N，較適合干燥食品的保存。

探討了甜菜果膠-魚明膠復合膜各項生物學特性，基質(zhì)間具體作用機理有待進一步研究。