微射流均質(zhì)對(duì)羧甲基纖維素—精油可食性膜性能的影響

張慧蕓 梁 英 李鑫玲 康懷彬

(河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023)

可食性膜是以天然可食性物質(zhì)為原料制得的具有多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的保護(hù)性阻隔膜。羧甲基纖維素(carboxymethyl cellulose，CMC)可食性膜具有阻止水分、油脂遷移、防止氧及二氧化碳逸失、保留食品風(fēng)味、提高機(jī)械強(qiáng)度、保持食品結(jié)構(gòu)等作用[1]，近年來(lái)被廣泛用于肉制品、禽蛋、果蔬等涂膜保鮮?？墒承阅ぶ锌商砑佣喾N活性成分，如抗菌劑、抗氧化劑、精油和香辛料等。植物精油富含大量生物活性化合物，具有抗菌和抗氧化活性[2-4]。但強(qiáng)烈風(fēng)味是限制精油添加到食品中的主要因素，由于達(dá)到有效抗菌劑量所需精油的風(fēng)味可能會(huì)超過(guò)消費(fèi)者的感官可接受水平[5]，且精油水溶性低，因此在水基產(chǎn)品中的分散性很差。研究[6]表明，通過(guò)減小液滴粒徑可改善乳液穩(wěn)定性，即產(chǎn)生液滴粒徑范圍為20～500 nm的納米乳。近期研究表明，與常規(guī)乳液相比，將精油制備成納米乳，提高了其物理性能[7]，同時(shí)具有較高的生物活性[8-10]，進(jìn)而可制得具有一定物理化學(xué)和功能特性的可食性膜。

微射流均質(zhì)是一種新興的高壓均質(zhì)技術(shù)。與傳統(tǒng)高壓均質(zhì)技術(shù)相比，其均質(zhì)壓力更高，碰撞能量更大，產(chǎn)品顆粒更細(xì)。已有人[4,11]研究了采用超聲或高速均質(zhì)制備納米乳可食性膜的方法。但關(guān)于采用微射流均質(zhì)處理多糖—精油成膜液制備納米乳可食性膜的研究報(bào)道較少。因此，本試驗(yàn)擬采用微射流均質(zhì)處理CMC-精油成膜液，研究微射流均質(zhì)處理對(duì)成膜乳液物理化學(xué)特性及可食性膜物理和機(jī)械性能的影響，探討CMC-精油納米乳物理化學(xué)特性與可食性膜性能之間的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

羧甲基纖維素：食品級(jí)，F(xiàn)H6型，安丘雄鷹纖維素廠；

丁香精油(CAS 號(hào)：8000-34-8)、肉桂精油(CAS 號(hào)：8015-91-6)、牛至精油(CAS 號(hào)：8007-11-2)：純度≥95.0%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

吐溫-80、甘油：分析純，天津市德恩化學(xué)試劑有限公司；

大腸桿菌E.coli(ATCC 25922)：河南科技大學(xué)微生物實(shí)驗(yàn)室；

營(yíng)養(yǎng)肉湯和瓊脂培養(yǎng)基：北京陸橋技術(shù)有限責(zé)任公司。

1.2 儀器與設(shè)備

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：DHG-9003型，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；

超高壓微射流均質(zhì)機(jī)：M-700 型，美國(guó)Microfluidics 公司；

質(zhì)構(gòu)儀：5544Q6427型，美國(guó)英斯特朗公司；

高速攪拌機(jī)：ZFS型，上海臻煊機(jī)電科技有限公司；

色差計(jì)：Color i5型，美國(guó)愛(ài)色麗Xrite公司；

數(shù)字式粘度計(jì)：DV-1 型，上海倫捷機(jī)電儀表有限公司；

動(dòng)態(tài)光散射激光粒度儀：Zeta Sizer-3000HSA型，英國(guó)Malvern公司；

Zeta電位測(cè)定儀：Zeta Sizer-2000型，英國(guó)Malvern公司。

1.3 方法

1.3.1 成膜液的制備 根據(jù)文獻(xiàn)[7]，稍作修改，將2 g/100 mL CMC溶于70 ℃雙蒸水中，向CMC分散液中加入0.5%(體積分?jǐn)?shù))甘油，0.5%(體積分?jǐn)?shù))吐溫-80，2%(體積分?jǐn)?shù))精油， 17 500 r/min攪拌3 min。將上述粗乳化液用泵泵入微射流均質(zhì)機(jī)，120 MPa循環(huán)3次。在微射流均質(zhì)機(jī)出口處放置浸入冰水浴中的冷凝管，使處理過(guò)程中乳液的溫度維持在15 ℃以下。所有樣品制備用水采用超純水。未添加精油的純CMC成膜液作為對(duì)照。

1.3.2 微射流均質(zhì)處理對(duì)成膜乳液物理特性的影響

(1) 粒徑：采用動(dòng)態(tài)光散射激光粒度儀測(cè)定成膜乳液粒徑和多分散指數(shù)。為避免多重散射作用，成膜乳液采用超純水稀釋到1∶20。多分散指數(shù)(PDI)值表示粒徑分布的不均勻性， PDI值接近0表示粒徑均勻分布， PDI值接近1表示粒徑分布不均勻。

(2)ξ-電勢(shì)：采用Zeta電位測(cè)定儀測(cè)定成膜乳液ξ-電勢(shì)。

(3) 白度指數(shù)：根據(jù)文獻(xiàn)[12]，稍作修改，采用色差儀測(cè)定成膜乳液的顏色，將成膜液樣品置于水平透明容器中測(cè)量，標(biāo)準(zhǔn)板的色度值為：L=94，a=0.313，b=0.319。測(cè)得L*、a*、b*值，根據(jù)公式(1)計(jì)算成膜液的白度指數(shù)。

(1)

式中：

WI——白度指數(shù)；

L*、a*、b*——待測(cè)膜的色度值。

(4) 黏度：采用數(shù)字式黏度計(jì)測(cè)定。

1.3.3 可食性膜的制備 分別取4 g CMC-精油納米乳液和純CMC成膜液倒入有機(jī)玻璃板上，60 ℃干燥3 h成膜后放入干燥器中平衡48 h，待測(cè)。

1.3.4 微射流均質(zhì)處理對(duì)可食性膜性能的影響

(1) 顏色值的測(cè)定：采用色差儀，參考文獻(xiàn)[13]，稍作修改，參照CIELAB系統(tǒng)測(cè)定膜的顏色。將膜樣品置于標(biāo)準(zhǔn)校正板上測(cè)量，標(biāo)準(zhǔn)板的色度值為：L=94，a=0.313，b=0.319。每個(gè)膜樣品均勻選擇 5 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，取平均值。按式(2)計(jì)算色差值ΔE。

(2)

式中：

ΔE——色差值；

L*、a*、b*——待測(cè)膜的色度值；

L、a、b——標(biāo)準(zhǔn)板的色度值。

(2) 透明度測(cè)定：參考Shiku 等[14]的方法稍作修改，將待測(cè)樣品裁成矩形(10 mm×50 mm)貼于比色皿內(nèi)側(cè)，測(cè)定600 nm下的透光率，按式(3)計(jì)算透明度。

(3)

式中：

T——透明度，%；

T600——膜在600 nm處的透過(guò)率，%；

X——膜的厚度，mm。

透明度值越大，說(shuō)明膜越不透明。

(3) 厚度測(cè)定：采用螺旋測(cè)微儀測(cè)量，將膜裁剪成大小相同的3個(gè)膜片，在膜上均勻選取9個(gè)點(diǎn)測(cè)量，取平均值。

(4) 水蒸氣透過(guò)性測(cè)定：根據(jù)文獻(xiàn)[15]，采用擬杯子法，并稍作修改。將膜密封在裝有5 g 無(wú)水氯化鈣的小錐形瓶瓶口，將錐形瓶放入相對(duì)濕度80%、25 ℃恒溫恒濕箱中，每隔1 d測(cè)定1次錐形瓶的增重量，直至平衡不變。按式(4)計(jì)算水蒸氣透過(guò)系數(shù)。

(4)

式中：

WVP——水蒸氣透過(guò)系數(shù)，g·mm/(m2·d·kPa);

A——透過(guò)水分的膜面積，m2；

M——錐形瓶的增重量，g；

t——水分透過(guò)時(shí)間，d；

X——膜厚度，mm；

ΔP——膜兩側(cè)水蒸氣壓差，kPa。

(5) 機(jī)械強(qiáng)度測(cè)定：參考Yin等[16]的方法稍作改進(jìn)，測(cè)定可食性膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率，將膜裁剪成10 mm×50 mm矩形，設(shè)定拉伸速度1 mm/s，初始夾距30 mm。按式(5)、(6)計(jì)算拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。

(5)

式中：

TS——拉伸強(qiáng)度，MPa；

Ft——最大拉力，N；

L——膜樣品的厚度，mm；

D——膜樣品的寬度，mm。

(6)

式中：

E——膜的斷裂伸長(zhǎng)率，%；

L1——膜斷裂后的長(zhǎng)度，mm；

L0——膜斷裂前的長(zhǎng)度，mm。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所得數(shù)據(jù)取3次平行試驗(yàn)的平均值，采用Statistix 8進(jìn)行數(shù)據(jù)分析(顯著水平P<0.05)，用Origin pro 9.0作圖。

2 結(jié)果和討論

2.1 CMC-精油納米乳成膜液理化特性

2.1.1 粒徑大小和粒徑分布 動(dòng)態(tài)光散射是通過(guò)分析散射光強(qiáng)度的波動(dòng)測(cè)得粒徑，其中大粒子的光散射比小粒子更強(qiáng)。CMC與不同精油(丁香、肉桂、牛至)復(fù)合粗乳液的平均粒徑分別為：(277.43±18.50)，(460.05±22.52)，(329.38±21.83) nm。如表1所示，CMC-丁香、CMC-肉桂、CMC-牛至精油納米乳的平均粒徑范圍為(53.32±4.02)～(89.01±4.26) nm，多分散性指數(shù)范圍為0.547～0.333。表明CMC-精油納米乳的平均粒徑在100 nm 以下，說(shuō)明微射流均質(zhì)使得納米乳中的多數(shù)精油粒子具有納米范圍直徑。另外，精油的類型顯著影響CMC-精油納米乳的平均粒徑(P<0.05)。CMC-丁香精油納米乳粒徑較大，表明精油與CMC相及非離子表面活性劑之間的親和度不同，可能與精油的化學(xué)組成不同有關(guān)。精油組分中的表面活性物質(zhì)可提高其水溶性，含有表面活性成分的精油在油/水表面聚集，降低乳液的表面張力，使液滴在均質(zhì)過(guò)程中容易被破壞。Edris等[17]研究表明，精油的其他重要特性如極性和黏度可影響所形成液滴的粒徑。

表1CMC-精油納米乳成膜液的粒徑和多分散指數(shù)?

Table1Dropletdiametersandpolydispersityindex(PDI)valuesofnanoemulsionsloadedwithdifferentEOs

納米乳平均粒徑/nm多分散指數(shù)CMC-丁香精油89.01±4.26a0.333±0.021cCMC-肉桂精油53.32±4.02c0.437±0.032bCMC-牛至精油63.53±3.27b0.547±0.031a

? 同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

2.1.2ξ-電勢(shì) 由表2可知，ξ-電勢(shì)值變化范圍為-37.63～-59.67 mV。通常液滴的電荷取決于液滴周圍吸附的表面活性劑的電荷，表面活性劑可能是陰離子、陽(yáng)離子或非離子型。本研究采用的吐溫-80為非離子型表面活性劑，電荷的期望值應(yīng)接近0，但研究結(jié)果表明納米乳中油滴具有高負(fù)電性ξ-電勢(shì)。Dickinson[18]研究表明，在乳液連續(xù)相中添加離子型生物大分子可改變油滴的ξ-電勢(shì)，多數(shù)生物大分子通常作為增稠劑而不是表面活性劑添加到乳液中，但其可以通過(guò)特定條件下不同類型的相互作用被部分吸附到油滴中。因此，添加非離子型表面活性劑的精油納米乳之所以帶負(fù)電荷是由于分散在連續(xù)相中帶負(fù)電荷的CMC分子的吸附作用。

表2CMC-精油納米乳成膜液的ξ-電勢(shì)、白度和黏度?

Table2ξ-potential,whitenessindexandviscosityvaluesofnanoemulsionsloadedwithdifferentEOs

納米乳ξ-電勢(shì)/mV白度黏度/(mPa·s)CMC-丁香精油-37.63±2.52c32.73±1.70a479.67±16.29cCMC-肉桂精油-44.00±2.00b24.41±0.89c604.00±25.53bCMC-牛至精油-59.67±2.08a27.36±0.94b752.33±45.72a

? 同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

液滴的電荷對(duì)納米乳的穩(wěn)定性起重要作用。當(dāng)電荷足夠大時(shí)產(chǎn)生的靜電斥力會(huì)阻止液滴的聚集[18]。根據(jù)靜電機(jī)制，納米乳體系中液滴所帶電荷高于+30 mV或低于-30 mV時(shí)是穩(wěn)定的。因此，本研究所制得的納米乳是穩(wěn)定的。且精油種類顯著影響所形成油滴的電荷(P<0.05)。CMC-牛至精油納米乳ξ-電勢(shì)最大，可能是精油中存在可電離組分，導(dǎo)致體系界面的油、表面活性劑和生物聚合鏈之間發(fā)生不同靜電相互作用。Bonilla等[19]研究也發(fā)現(xiàn)殼聚糖—羅勒精油乳液和聚糖—百里香精油乳液的ξ-電勢(shì)不同。

2.1.3 白度 由表2可知，不同CMC-精油納米乳的白度差異顯著(P<0.05)。乳液中油滴的粒徑、濃度和折射率直接影響乳液的光學(xué)性質(zhì)[20]。納米乳為輕微渾濁體系，由于小液滴散射光弱，當(dāng)液滴粒徑增加，光散射增強(qiáng)，乳液趨于不透明。精油納米乳的白度值隨液滴粒徑減小而降低，表明納米乳的光學(xué)特性取決于納米乳的粒徑大小。

2.1.4 黏度 由表2可知，CMC成膜液的黏度為867 mPa·s，CMC-精油納米乳黏度顯著降低。由于微射流均質(zhì)產(chǎn)生的高剪切力可引起生物大分子鏈構(gòu)象發(fā)生變化或降解，改變分子質(zhì)量，從而對(duì)生物大分子黏度產(chǎn)生影響。本研究與Bonilla等[19]的研究結(jié)果一致。且精油種類顯著影響納米乳的黏度(P<0.05)，其中CMC-牛至精油納米乳黏度最高。精油是由不同組分組成的復(fù)雜混合物，可能導(dǎo)致CMC分子和油滴之間產(chǎn)生不同吸附動(dòng)力學(xué)，改變連續(xù)相中生物大分子的最初濃度，從而改變?nèi)橐吼ざ萚19]。

2.2 CMC-精油納米乳可食性膜性能研究

表3為CMC-精油可食性膜厚度、顏色值和透明度。

表3 CMC-精油納米乳可食性膜厚度、顏色值和透明度?

? 同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

2.2.1 厚度、顏色值和透明度 由表3可知，與CMC可食性膜相比，CMC-肉桂精油和CMC-牛至精油納米乳可食性膜厚度顯著降低(P<0.05)，與納米乳的粒徑有關(guān)。另外，Bonilla等[19]研究發(fā)現(xiàn)，由于干燥成膜過(guò)程中乳液中油相的損失，降低了膜基質(zhì)中固形物濃度，使可食性膜厚度減小。

可食性膜的光學(xué)特性可改變食品的總體外觀，影響消費(fèi)者的可接受性。由表3可知，精油種類顯著影響可食性膜的L*、a*、b*值和色差值(P<0.05)。CMC膜和CMC-牛至精油納米乳膜亮度值較高，而CMC-丁香精油和CMC-肉桂精油納米乳膜亮度值較低。a*為負(fù)值表示偏綠色，其中CMC-牛至精油納米乳膜的a*值最低，與其他膜相比差異顯著(P<0.05)。b*值為正值表示偏黃色，CMC-丁香精油和CMC-牛至精油納米乳膜的b值較高，表明該膜具有類似的輕微綠—黃色調(diào)[21]。同理，CMC-丁香精油和CMC-牛至精油納米乳可食性膜色差值均較高。

透明度數(shù)值越大說(shuō)明膜的透明程度越低。由表3可知，添加精油顯著降低了膜的透明度，且精油種類顯著影響膜的透明度(P<0.05)，其中CMC-丁香精油納米乳可食性膜具有最高的透明度值，CMC-肉桂精油和CMC-牛至精油納米乳可食性膜透明度值較低。精油中的彩色成分和有序膜蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的破壞是導(dǎo)致膜透明度降低的最主要原因[22]。

2.2.2 水蒸氣透過(guò)性 為防止或減少食品的脫水，作為包裝或涂層的可食性膜必須控制水分從食品向周圍環(huán)境的轉(zhuǎn)移，因此，可食性膜的水蒸氣透過(guò)性應(yīng)盡可能低[23]。水蒸氣的轉(zhuǎn)移通過(guò)膜的親水部分進(jìn)行，滲透性取決于膜的親水—親脂比。因此，膜結(jié)構(gòu)中存在脂質(zhì)化合物可提高膜的阻水性，阻止水蒸氣通過(guò)膜。研究[24]表明，當(dāng)油相比例提高或油滴粒徑減少時(shí)膜的阻水性提高。由于精油具有疏水性故可降低多糖基可食性膜的水蒸氣透過(guò)性。由圖1可知，與CMC可食性膜相比，CMC-精油納米乳可食性膜的水蒸氣透過(guò)性顯著降低(P<0.05)。不同精油納米乳可食性膜水蒸氣透過(guò)性的差異不顯著(P>0.05)，可能是由于納米乳的粒徑小使油相在膜結(jié)構(gòu)中得到更好的分布。

2.2.3 機(jī)械特性 CMC可食性膜的機(jī)械特性如圖2所示，由圖2可知，CMC-精油納米乳膜與CMC膜的拉伸強(qiáng)度值差異不顯著(P>0.05)。Aguirrea等[25]研究表明，向成膜液中添加精油會(huì)降低膜內(nèi)凝聚力，從而降低拉伸強(qiáng)度。本研究所得CMC-精油納米乳可食性膜具有較強(qiáng)的拉伸強(qiáng)度，可能是精油添加量較低和CMC-精油納米乳粒徑小的緣故。

字母不同表示差異顯著(P<0.05)

Figure 1 Water vapor permeability (WVP) of CMC films and films made from EOs nanoemulsions

字母不同表示差異顯著(P<0.05)

Figure 2 Tensile strength (TS) and elongation at break (EAB) of CMC films and films made from EOs nanoemulsions

由圖2可知，CMC-牛至精油納米乳可食性膜的斷裂伸長(zhǎng)率最大為(53.90±1.60)%。CMC-丁香精油和CMC-肉桂精油納米乳可食性膜的斷裂伸長(zhǎng)率分別為(41.36±2.89)%，(43.99±3.76)%，且與CMC可食性膜差異不顯著(P>0.05)。膜柔韌性的變化在一定程度上與膜結(jié)構(gòu)中納米乳的電荷有關(guān)。膜結(jié)構(gòu)中帶相同電荷分子之間的排斥力可增大聚合物分子之間的距離，起到增塑作用[25]。本研究中不同精油納米乳所帶電荷明顯不同(見(jiàn)表2)，因此形成具有不同柔韌性的可食性膜。另一方面，精油液滴粒徑大小也可以影響膜的柔韌性，由于納米乳可食性膜結(jié)構(gòu)中油滴的表面積增大，生物聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)異質(zhì)性增加，因此降低了鏈間相互作用，提高了增塑效果。

3 結(jié)論

微射流均質(zhì)處理可改善CMC-精油可食性膜的物理和機(jī)械性能，影響CMC-精油可食性膜性能的主要因素為成膜液液滴粒徑和液滴所帶電荷，納米乳液滴粒徑和ξ-電勢(shì)的降低導(dǎo)致所成膜的阻隔性、顏色和機(jī)械特性發(fā)生相應(yīng)變化。本研究可為運(yùn)用微射流均質(zhì)技術(shù)開(kāi)發(fā)新型精油納米乳可食性膜提供理論基礎(chǔ)，但將所制備精油納米乳可食性膜應(yīng)用于食品保鮮中，研究其對(duì)食品貯藏期間品質(zhì)的影響仍需進(jìn)一步探討。