殼聚糖食品包裝膜研究進展

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(1.上海海洋大學食品學院,上海 201306;2.上海水產品加工及貯藏工程技術研究中心,上海 201306;3.農業(yè)部冷庫及制冷設備質量監(jiān)督檢驗測試中心(上海),上海 201306)

食品包裝膜是包裹在食品表面,主要用來隔離微生物細菌和外來污染物的進入,防止食品變質的材料。它可以保護食品免受外界環(huán)境的污染,起到一定的保鮮作用。研究表明,由殼聚糖制成的食品包裝薄膜,不僅能保鮮抗菌、防潮和防腐,而且能食用[1],是一種具有發(fā)展?jié)摿εc應用潛力的食品包裝膜。

殼聚糖是自然界中唯一的堿性多糖[2],是由甲殼素經(jīng)過脫乙?；蟮玫降奶烊惶妓衔锕簿畚?。殼聚糖分子間高度纏結,高脫乙酰化的殼聚糖分子中存在更多的晶體結構,分子剛性較強,使得其具有成膜性;殼聚糖能夠在食品表面形成半透膜,具有一定的選擇透過性,能夠控制水分蒸發(fā),具有阻隔性能;殼聚糖還可以通過影響細菌的新陳代謝,抑制細菌的生長[3];此外,殼聚糖還可以通過清除自由基,達到抗氧化的效果。

殼聚糖具有生物相容性、生物可降解性、無毒無污染等諸多優(yōu)點,使其成為制備食品包裝膜的優(yōu)良材料。盡管如此,殼聚糖膜仍存在著機械性能差、阻水性差等問題。目前的研究主要是通過改進殼聚糖包裝膜的配方,提高殼聚糖食品包裝膜性能。本文綜述了近年來國內外研究者對殼聚糖膜的機械性能、阻隔性能、抗菌性能及抗氧化性能的研究進展,以期對未來的研究起到一定的參考作用。

1 機械性能

拉伸強度和斷裂伸長率是評價包裝材料機械性能的重要指標,包裝材料需要較強的拉伸強度以承受流動過程中的壓力[4]。機械性能好的食品包裝膜,能夠延長食品包裝膜的使用時間,保持食品的新鮮度。殼聚糖的脫乙酰度和相對分子量會影響膜的機械性能,脫乙酰度高、分子量大,會使得分子晶形結構多,分子間高度纏結,分子柔順性差,抗拉強度高[5]。但單獨的殼聚糖膜力學性能較差,使其應用有所局限[6]。目前眾多研究,通過加入蛋白、多糖類等成分,來促進殼聚糖分子之間的交聯(lián),降低分子的移動性,從而提高殼聚糖膜的抗拉強度[7]。但是,成膜條件的改變,上述物質的加入也會引起殼聚糖膜機械性能的降低。

1.1 成膜條件對膜機械性能的影響

成膜條件影響殼聚糖膜的機械性能[8]。殼聚糖膜的抗拉強度和斷裂伸長率隨著成膜前殼聚糖溶液的初始濃度和膜干燥溫度的增加而增加。這是由于干燥溫度的提高加劇了成膜過程中大分子鏈段的運動,有利于膜中的分子趨于較為有序、穩(wěn)定的排列結構,從而提高了膜的機械性能[9]。pH和甘油用量影響著魔芋葡甘聚糖-殼聚糖-大豆分離蛋白復合膜的機械性能。成膜液pH為3或4時,膜的機械性能最優(yōu),甘油用量為2%～8%時,隨著甘油用量增加,膜的機械強度增高,表現(xiàn)為脆性降低、韌性增強[10]。殼聚糖-明膠活性膜在甘油質量濃度為0.3 g/mL時具有較好的力學性能,此時斷裂伸長率為44.97%,抗拉強度為20.81 MPa。而增加吐溫-20的含量,膜抗拉強度下降,斷裂伸長率上升,在質量濃度0.1 g/mL時,膜各方面性能較優(yōu)[11]。酪蛋白酸鈉與殼聚糖、甘油復合成膜,甘油的加入破壞了膜中原有的大分子鏈結構,使分子之間相互作用減弱,從而軟化了膜的剛性結構,增加了膜的柔韌性,降低了膜的抗拉強度[12]。制備殼聚糖-乳清蛋白雙層膜時,甘油添加量為0.45 mL、蛋白濃度6.0%、水浴溫度75 ℃、殼聚糖溶液pH4.8為最優(yōu)成膜條件。在此條件下,雙層膜的拉伸強度為(97.39±2.25) MPa[13]。

1.2 成膜成分對膜機械性能的影響

與殼聚糖復合成膜的成分,如蛋白類、多糖類以及酚類等物質,對膜的機械性能產生一定的影響。

1.2.2 多糖類 以綠豆改性淀粉、殼聚糖、甘油為原料制得的可食性復合膜,隨著木薯改性淀粉含量的增加,淀粉分子間作用力增加,膜的抗拉強度增加[17]。黃原膠的加入可以增強膜的抗拉強度,黃原膠-殼聚糖膜機械性能改善可能是強靜電作用的結果。生物聚合物之間的相互作用降低了大分子的流動性,在機械性能上起到強化作用[18]。

1.2.3 酚類 生育酚的加入能夠引起殼聚糖膜結構的不連續(xù),降低膜分子的移動性,使膜的抗拉強度從34.06 MPa減少到16.24 MPa,斷裂伸長率從53.84%減少到23.12%[19]。原花青素中的多酚成分可以與殼聚糖的官能團建立共價鍵和氫鍵,使蛋白質之間的相互作用減弱,從而穩(wěn)定膜的結構網(wǎng)絡。將1.00 mg/mL的原花青素加入魚膠-殼聚糖膜中時,復合膜的拉伸強度下降最高,為18.29%,斷裂伸長率從23.46%增加到33.42%[20]。將木質素加入殼聚糖膜中,能夠引起拉伸強度的巨大變化。400 μg木質素可以使殼聚糖復合膜的拉伸強度下降34%[21]。

1.2.4 其他物質 表沒食子茶素納米顆粒與殼聚糖復合成膜,納米粒子可以增加高分子鏈之間的間距,從而減少鏈間離子和氫鍵的結合,增加膜的抗拉強度[22]。殼聚糖的-NH2與-OH可以與聚乙烯醇形成了分子間氫鍵,顯著增加聚乙烯醇膜的拉伸強度[23]。將百里酚納米乳加入奎奴亞藜蛋白-殼聚糖膜中,膜的抗拉強度明顯降低,斷裂伸長率無明顯變化[24]。菜籽油的加入可以影響殼聚糖分子鏈的相互作用,使膜中的部分氫鍵消失,降低了殼聚糖骨架的內聚力,膜的拉伸強度和斷裂伸長率分別從23.48 MPa、42.52%降低到18.08 MPa和27.55%[25]。

控制成膜條件,可以提升膜的機械性能。蛋白類以及多糖類物質可以提升殼聚糖膜分子間的致密度,增強其分子間作用力,提高復合膜的抗拉強度。但有著良好抗菌性和抗氧化性的酚類物質,會導致殼聚糖膜結構的不連續(xù)性,使膜的抗拉強度降低。在提升殼聚糖膜阻隔性能、抗菌性能和抗氧化性能時,應考慮引入物質對膜機械性能的影響。其中,由于其納米材料自身獨特的特性,使得殼聚糖納米材料復合膜具有廣闊的發(fā)展前景。

2 保鮮性能

從食品的質量要素出發(fā),食品保鮮包含兩方面要求:一是保鮮期內食品品質的衰減處于某一容許范圍,包括其外觀、質構、風味等;二是食品在保鮮期間的營養(yǎng)、衛(wèi)生等指標必須符合有關標準[3]。尋找性能良好的食品包裝膜達到保鮮的目的,可以降低食品貯藏成本,延長食品貨架期。殼聚糖膜的保鮮性能主要體現(xiàn)在其具有阻隔性能、抗菌性能和抗氧化性能。

2.1 阻隔性能

食品的水分含量和水分活度是影響食品感官質量以及儲藏期間穩(wěn)定性的基本因素,食品保藏期間的生化反應如脂質氧化、美拉德反應、酶促褐變等以及食品的組織結構均和體系中水分活度的高低有關[26]。同時,控制食品周圍氧氣等氣體的濃度可以控制新鮮果蔬的呼吸速率。膜對水分和氣體的阻隔都有延長食品貨架期的作用。因此,良好的阻隔能力是食品包裝膜的重要特點。通過增加氣體分子在膜中的擴散途徑以及引入極性或非極性的基團,均可影響膜的阻隔性能。

2.1.1 擴散途徑的改變對膜阻隔性能的影響 通過增加分子在膜中的擴散途徑可以提高膜的阻隔性能。明膠可以使得殼聚糖復合膜的平均厚度增加,膜的表面密度增大,增強復合膜的阻水性,有效防止食品潮濕氧化[27]。除此之外,他拉膠對殼聚糖膜也有著相似的作用,加入他拉膠后,復合膜的水蒸氣透過率為22.7%[28]。疏水性的油脂,通常被用來改善高聚物材料的阻水性。茶籽油的加入,使親水性物質的含量下降,同時,由于油滴均勻地嵌在殼聚糖膜中,增加了水分子在膜中擴散的路程,明顯降低了復合膜的水蒸氣透過率。當茶籽油添加量為16%時,其水蒸氣透過率降低了19.7%[25]。殼聚糖能夠使蛋殼膜明膠復合膜的水蒸氣透過率顯著降低,這可能是由于殼聚糖與明膠進行靜電力和氫鍵的交聯(lián),降低聚合物基體網(wǎng)絡的自由體積和致密化程度,從而降低了水分子通過薄膜的擴散速率[29]。蘋果多酚可以使殼聚糖膜的水蒸氣透過率明顯下降。當蘋果多酚的濃度從0增加到1.0%時,薄膜的水蒸氣透過率從10.68×10-11gm-1·s-1·Pa-1下降到7.50×10-11gm-1·s-1·Pa-1。這可能是由于蘋果多酚增加了殼聚糖膜厚度和密度,水分子需要較長的時間滲入薄膜中,進而達到阻隔的效果[30]。茶多酚的加入使殼聚糖-聚乙烯醇復合膜的氧氣透過率明顯下降。茶多酚質量分數(shù)為2%時氧氣透過率最小,為6.33 cm3/(m2·d)。這可能是由于茶多酚的引入,復合膜中不同分子間的作用力增強,使膜的網(wǎng)絡結構更加緊密,增加氧氣透過時間從而改善了阻隔性能[31]。吐溫20的加入降低了殼聚糖-甲氧基果膠復合膜的氧氣透過率,這是因為吐溫20通過分子間的強作用力,增強與殼聚糖-甲氧基果膠的交聯(lián)作用,使膜更加致密[32]。

2.1.2 基團引入對膜阻隔性能的影響 通過在膜中引入極性基團,可以提高對氧氣等非極性分子的阻隔能力,而引入的非極性基團則可阻隔一定的水蒸氣。超聲波的協(xié)同作用可以使大分子降解為小分子,小分子熱運動方向不斷變化,產生摩擦,使?jié)饪s乳清蛋白分子內部的疏水基團-OH、-SH逐漸暴露,降低水蒸氣透過率[33]。聚乙烯醇和殼聚糖復合膜對氧氣有著良好的阻隔效果[34]。將金銀花提取物加入到殼聚糖膜中,隨著金銀花提取物含量的增加,膜的水蒸氣透過率顯著降低。這是由于金銀花提取物與殼聚糖的相互作用,導致親水基團減少;同時金銀花提取物的增加,使得膜的水溶性增強,水分與極性基質相互作用,延長了水蒸氣透過膜的時間,水蒸氣透過率下降,達到阻水的目的[35]。羥基苯甲酸接枝共聚物可以降低殼聚糖膜的水蒸氣透過率[36]。

殼聚糖膜中的酚類、多糖等物質,對非極性分子起到阻隔的作用,但同時對極性物質的阻隔性能會變差。他拉膠、菜籽油等物質增加平均薄膜厚度與密度,同時延緩水和氧氣的透過時間。在優(yōu)化膜的阻隔性能時,最好選擇明膠、他拉膠等能夠增加膜致密度的物質,達到同時對極性與非極性物質的阻隔效果。

2.2 抗菌性能

許多食品包裝膜通過在膜表面涂抹防腐劑或在包裝袋中加入揮發(fā)性的防腐劑來達到延長貨架期的目的,但此方法不夠綠色環(huán)保。殼聚糖具有抗菌活性,它含帶正電荷的質子化氨基[37],可以吸附在微生物的表面,形成一層高分子膜阻止營養(yǎng)物質的運輸,也可以進入細胞,與帶負電的粒子結合,破壞細胞壁的生理功能。此外,殼聚糖作為一種螯合劑,可以螯合對微生物生長起關鍵作用的金屬離子[3],以此起到抑制微生物的增長、抗菌殺菌的作用。改善和提高殼聚糖膜的抗菌性能,延長食品的貨架期,可以避免加入防腐劑帶來的食品安全問題。

含苯氧基的酚類和一些天然提取物與殼聚糖復合成膜能夠顯著提高膜的抗菌性能,此外一些不含苯氧基的物質也可以起到增強膜抗菌性能的作用。

2.2.1 含苯氧基的物質對膜抗菌性能的影響 一些新鮮的水果蔬菜,易受到真菌等微生物的污染而腐爛變質,在殼聚糖膜中加入與殼聚糖抗菌性有協(xié)同作用的含苯氧基的物質,可以使膜的抗菌性增強,達到良好的保鮮效果。

將墨西哥牛至精油加入殼聚糖膜中,可以通過抑制霉菌的生長來提高食品的質量[38]。當殼聚糖膜內含有1.5 g/100 g的沒食子酸時,抗菌活性最強[39]。在奎奴亞藜蛋白-殼聚糖食品包裝膜中添加具有抗真菌活性的百里酚納米乳液,在食品保鮮的第7 d仍表現(xiàn)出抑制真菌生長的能力[24]。海南蒲桃葉提取物摻雜聚乙烯醇、殼聚糖混合成膜,對蠟樣芽胞桿菌、大腸桿菌、銅綠假單胞菌有顯著的抑制作用[40]。木質素和殼聚糖具有協(xié)同抗菌效果,這主要是由于在酸性條件下疏水性、親脂性和一些疏水化合物可以與微生物蛋白質結合[21]。實驗表明,橙皮精油能夠提高殼聚糖膜的抗菌性能,含有2%橙皮精油的殼聚糖膜對白念珠菌的抑制活性最高[41]。在殼聚糖膜中加入蘋果多酚,蘋果多酚-殼聚糖膜對細菌和霉菌有抗菌活性,但對酵母沒有抗菌效果[23]。加入金銀花提取物可以提高殼聚糖膜對大腸桿菌的抑菌活性,以金銀花提取物濃度為30%時呈現(xiàn)最佳抑菌效果。這是由于金銀花提取物中的綠原酸能夠抑制細菌的生長[35]。

2.2.2 不含苯氧基的物質對膜抗菌性能的影響 具有廣譜殺菌功能的大蒜素與殼聚糖復合成膜可以發(fā)揮它們之間的協(xié)同誘導效應,達到保鮮的目的[42]。在殼聚糖膜中加入ε-賴氨酸可提高其對大腸桿菌和金黃葡萄球菌的抑制能力[43]。與純聚乙烯醇薄膜相比,聚乙烯醇-殼聚糖薄膜具有明顯的抗菌活性。當聚乙烯醇與殼聚糖質量比為2.5時,對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑制效率最高[23]。菜籽蛋白與殼聚糖復合成膜,提高了殼聚糖膜的抗菌活性,這可能是由于菜籽蛋白水解后產生了有抗菌活性的肽[15]。

添加含有苯氧基的物質,發(fā)揮協(xié)同作用能顯著提高殼聚糖復合膜的抗菌性能。此外,一些不含苯氧基的物質也能表現(xiàn)出良好的抗菌性能。在優(yōu)化膜的抗菌性能時,可選擇本身就具備抗菌活性的物質,如天然多酚等;或增加殼聚糖上的正電荷,如將帶正電的堿性氨基酸接枝到殼聚糖上,從而加強與帶負電荷細菌表面的相互作用[44],起到更高效抑制微生物生長的作用。利用酚類物質提高膜的抗菌性能已成為研究的熱點。

2.3 抗氧化性

近來研究表明,多糖抗氧化的作用機制中很重要的方式之一為清除自由基。一旦產生大量的自由基沒有被及時清除,一些重要酶的功能就會被自由基破壞,引起過氧化反應[45]。如脂質過氧化使蛋白質發(fā)生交聯(lián),產生褐變,造成必需氨基酸的損失,降低了食品的品質。殼聚糖分子鏈上的活性-NH2和-OH,可以清除自由基,達到抗氧化的目的[46]。含有苯氧基的物質的加入會顯著影響殼聚糖包裝膜的抗氧化性能。

2.3.1 含苯氧基的物質對膜抗氧化性的影響 王寶剛等[47]探究了殼聚糖復合乙氧基喹啉處理對早紅考密絲梨貯藏期間抗氧化性和品質的影響。在貯藏120 d時,處理果的超氧陰離子自由基和抑制羥自由基能力均有提高,即殼聚糖復合乙氧基喹啉處理提高了果實的抗氧化能力,延緩了果實的衰老。加入花青素的殼聚糖明膠膜,其抗氧化能力顯著提高[4],這是因為花青素中的酚類物質是由一個或多個芳香環(huán)連接羥基組成,可通過形成苯氧基來消除自由基[48]。對含有不同濃度的橙皮精油殼聚糖薄膜進行實驗,根據(jù)自由基清除活性的測定,發(fā)現(xiàn)含有2%橙皮精油的膜有較高的抗氧化活性。此外,使用殼聚糖與橙皮精油組合,有助于防止蝦黑變,延長貨架期[41]。加入1.0%蘋果多酚后,殼聚糖膜對自由基的清除活性增加近三倍[30]。接枝羥基苯甲酸后,殼聚糖膜的自由基清除活性大大提高[36]。在殼聚糖膜中加入金銀花提取物,提取物中的綠原酸可以顯著提高膜的自由基清除活性。當金銀花提取物含量為30%時,清除活性最大[35]。原兒茶酸接枝殼聚糖膜后,其抗氧化性明顯提高,這是由于原兒茶酸提高了膜的DPPH自由基清除活性[49]。孢子花粉素的加入可以增強膜的抗氧化性能,這主要是由于孢子花粉素具有如香豆酸和阿魏酸等高抗氧化活性的酚類化合物,當孢子花粉素的加入量為20 mg時,抗氧化性能最優(yōu)[50]。隨著殼聚糖膜中橄欖粉末濃度的增加,復合膜表現(xiàn)出更強的抗氧化效果。這是由于橄欖粉末中含有大量抗氧化的酚類化合物,能夠提高自由基清除效率。當橄欖粉末含量為30%時,表現(xiàn)出最佳的抗氧化效果[51]。

2.3.2 不含苯氧基的物質對膜抗氧化性的影響 檸檬酸鈉的加入可以提高殼聚糖-大豆分離蛋白膜的DPPH自由基清除率,當檸檬酸鈉添加量為0.03%時,自由基清除率最大[7]。硬葉燕麥淀粉-殼聚糖膜的自由基清除率達88.45%,這可能與自由基與硬葉燕麥淀粉的羥基相互作用形成銨基有關[16]。

帶苯氧基的酚類以及含有酚類的混合物等具有還原性的物質,可以提高殼聚糖復合膜的抗氧化性,這種效果往往與還原性物質的濃度有關。但酚類物質的加入常引起膜機械性能的損失,因此在未來的研究中尋找兩者的平衡點十分重要。而不含苯氧基的物質也可以與殼聚糖分子相互作用,通過增加氨基等方式提高膜的抗氧化性能。

3 結論與展望

隨著環(huán)保意識的增強,人們越來越迫切地需要一種綠色環(huán)保、保鮮性能好的包裝材料,這使得殼聚糖膜在環(huán)保方面越來越受到更多研究者的重視。從目前的研究來看,殼聚糖本身所具有的成膜性、抗菌性和抗氧化性是其作為食品包裝膜的優(yōu)勢,而通過配方改進、超聲波處理、抗菌劑以及抗氧化劑的添加,殼聚糖復合膜的機械性能、阻隔性能、抗菌性能和抗氧化性能可以有不同程度的改變。綜合考慮各項指標的變化,得到預期性能的殼聚糖復合膜,是今后的研究趨勢。殼聚糖食品包裝膜的生產成本較高,且其機械性能、阻隔性能等仍然不能滿足要求,因此尋找一個低成本增強膜的機械性能、增大膜的致密度、增強抗菌性能和抗氧化性能的方法顯得十分重要。在未來的研究中,引入納米粒子增強殼聚糖復合膜的機械性能、添加協(xié)同抗菌抗氧化的物質提升抗菌抗氧化性能,尋找價格低廉的成膜工藝,可能成為殼聚糖食品包裝膜的一個研究熱點。