明膠/殼聚糖/迷迭香復(fù)合膜的制備與表征

李晨輝,于曉倩,董汝月,劉尊英

(中國海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,青島 266003)

食品包裝材料造成的“白色污染”已成為全球性的環(huán)保難題,因此,研究開發(fā)可降解、多功能的可食性包裝材料已引起人們的廣泛關(guān)注。明膠是膠原的變性產(chǎn)物,因其無毒無害、可以食用、價廉易得和優(yōu)異的生物相容性在保鮮膜中的應(yīng)用日益引起關(guān)注[1]。但單一明膠膜機械強度低,熱穩(wěn)定性差,工業(yè)應(yīng)用受到限制。殼聚糖是自然界中唯一帶正電的堿性多糖,采用殼聚糖與明膠復(fù)合成膜可增加膜的機械性能,提高熱穩(wěn)定性,但其抗氧化性較低[2-3],在食品保鮮過程中的作用效果有限。迷迭香提取物中的活性成分鼠尾草酸、鼠尾草酚和迷迭香酸具有較高的抗氧化活性[4],為進一步改善明膠/殼聚糖復(fù)合膜的抗氧化性能,本研究通過添加迷迭香提取物,制備明膠/殼聚糖/迷迭香復(fù)合膜,以期提高膜的抗氧化性能,為綠色活性包裝材料提供理論依據(jù)與基礎(chǔ)性研究數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

迷迭香提取物(有效成分為80%鼠尾草酸)、殼聚糖、DPPH 購于Sigma公司;明膠 青島東易科技發(fā)展有限公司;溴化鉀(光譜純)、丙三醇、無水氯化鈣、無水乙醇 分析純,國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

TMS-PRO質(zhì)構(gòu)儀 美國Food Technology Corporation公司;差示掃描量熱儀(DSC-200PC) 德國耐池公司;DHG-9070A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海精宏實驗設(shè)備有限公司;Nicolet 200SXV型傅立葉變換紅外光譜儀 美國Nicolet公司;JSM-840型掃描電子顯微鏡 日本東京電子公司。

1.2 明膠/殼聚糖/迷迭香復(fù)合膜的制備

將15 mg迷迭香提取物溶解于50 mL 15 mg/mL的卵磷脂乙醇溶液中,然后將卵磷脂溶液逐滴加入100 mL水中,得到1%的迷迭香提取物溶液。將該溶液在45 kHz下超聲20 min后[5],置于50 ℃的水浴鍋中,并向溶液中加入一定質(zhì)量的明膠,攪拌至明膠完全溶解,使明膠的終濃度達到6%,然后繼續(xù)加入一定量的2%的殼聚糖乙酸溶液與明膠質(zhì)量20%的甘油,最終使迷迭香提取物終濃度達到0.1%,得到明膠/殼聚糖/迷迭香復(fù)合膜成膜液。取20 mL的復(fù)合膜成膜液倒入9 cm的一次性培養(yǎng)皿中,在50 ℃的烘箱中烘干24 h,得到明膠/殼聚糖/迷迭香復(fù)合膜。采取相同的方法,將6%的明膠溶液制成明膠膜,將2%的殼聚糖溶液制成殼聚糖膜,將6%的明膠溶液與2%的殼聚糖溶液以體積比3∶2制備明膠/殼聚糖復(fù)合膜,然后對上述膜進行表征[3,6]。

1.3 色差測定

參照Akhtar等的方法[7],用色差計對膜的色澤進行測定,記錄色差計顯示的L值、a值和b值。其中,L值代表白度,指樣品的透明情況;a值為正代表樣品偏紅,a值為負代表樣品偏綠;b值為正代表樣品偏黃,為負代表樣品偏藍。取膜的不同位置進行測定,每個樣品取7個位置進行測定,計算其平均值。

1.4 水溶解性與水蒸氣透過性測定

水溶解性的測定需將樣品在105 ℃烘箱中放置12 h,待溫度降至室溫后稱重記為M0,之后將樣品在水中浸泡12 h,浸泡后再在105 ℃烘箱中烘12 h,得到的樣品稱重記為M1,實驗結(jié)果以樣品在水中浸泡前后溶解的質(zhì)量所占的百分比來表示[8]。水溶解性(WS)的計算如下:

WS(%)=(M0-M1)×100/M0

式(1)

水蒸氣透過性(WVP)測定:參照文獻[3]的方法進行測定。

1.5 差式量熱掃描

采用差示量熱掃描儀進行測定:稱取約15 mg的樣品裝入坩堝中并加蓋密封,以空白坩堝作對照,設(shè)置樣品室的氮氣流速為20～30 mL/min,保護氣速度為60～70 mL/min,測定溫度在20～250 ℃之間,設(shè)置升溫速度為10 ℃/min[3]。

1.6 傅里葉紅外光譜圖

將一定量干燥的KBr和樣品膜置于瑪瑙研缽中,研磨均勻,成粉末狀,裝樣,壓片后,取出樣品小心放入樣品室。采用Nicolet-200SXV傅立葉紅外光譜儀對樣品在4000～400 cm-1掃描,分辨率為2 cm-1,數(shù)據(jù)點間隔0.5 cm-1。

1.7 膜的微觀結(jié)構(gòu)測定

膜的微觀結(jié)構(gòu)采用Hitachi S4800型掃描電子顯微鏡觀察,膜的橫截面和表面噴金,加速電壓為10 kV。取0.5 cm×0.5 cm的表面平整均勻的膜用于掃描電鏡的觀察,取相同放大倍數(shù)的樣品照片進行比較。

1.8 膜的抗拉強度與斷裂伸長率

對膜的力學(xué)性質(zhì)測定指標包括拉伸強度和斷裂伸長率。食品質(zhì)構(gòu)儀用于測定膜的這兩個指標。質(zhì)構(gòu)儀的初始夾距設(shè)定為40 mm,拉伸速率設(shè)定為60 mm/min。每組膜做7個平行,結(jié)果取平均值。拉伸強度(TS)值用最大拉力除以橫截面積來表示:TS(MPa)=Fmax/(d×W),式中,TS為抗拉強度(MPa);Fmax為膜斷裂時承受的最大張力(N);d為膜的厚度(mm);W為膜的寬度(mm)。斷裂伸長率(EB)按下式來計算:

EB(%)=[(L1-L0)/L0]×100

式(2)

式中,L0為膜的原始長度(mm);L1為膜斷裂時的長度(mm)。

1.9 迷迭香提取物從膜中的釋放

為模擬膜中迷迭香提取物向環(huán)境中的釋放情況,選取50%乙醇溶液模擬一般水溶性食品體系,取無水乙醇模擬脂溶性食品體系[6]。根據(jù)迷迭香提取物乙醇溶液的全波長掃描結(jié)果可知,迷迭香提取物在283 nm處有一明顯吸收峰,因此通過測定溶液在283 nm處的吸光值,根據(jù)迷迭香提取物乙醇溶液的標準曲線(y=8.8789x-0.0286,R2=0.9970),計算溶液中迷迭香提取物的含量以及釋放到溶液中的釋放率。為防止明膠、殼聚糖的干擾,同時以明膠-殼聚糖膜作為空白對照。

將一定質(zhì)量的膜剪成1 cm×1 cm的正方形,浸沒在30 mL的無水乙醇或50%乙醇溶液中,放入搖床中在常溫下不斷搖晃,定時測定A283。結(jié)果以每個樣品去掉空白對照后的三個平行的算術(shù)平均值表示。根據(jù)下式計算迷迭香提取物的釋放率(Y)。

Y(%)=[(A283樣品-A283對照)×8.8789-0.0286]×100

式(3)

1.10 膜的抗氧化性能測定

將膜剪成1 cm×1 cm的正方形放入無水乙醇及50%乙醇溶液中,放入搖床中不斷搖晃,每天取上清液測定其DPPH自由基清除率。其中,將DPPH用無水乙醇溶解配制成濃度為0.25 mmol/L的溶液,取100 μL樣品與300 μL DPPH溶液充分混合,在室溫下反應(yīng)30 min后測定517 nm處的吸光值,對照組(A對照)用無水乙醇代替DPPH溶液,空白組(A空白)用無水乙醇及乙醇溶液代替樣品,各組平行測定五次取平均值,按照下式計算DPPH自由基清除率[9-10]:

DPPH自由基清除率(%)=[1-(A實驗-A對照)/A空白]×100

式(4)

1.11 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19軟件用于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析,采用Origin Pro 8.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 明膠/殼聚糖/迷迭香復(fù)合膜的物理性質(zhì)

由表1色差結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),明膠膜、殼聚糖膜及明膠/殼聚糖復(fù)合膜L值(白度)都在87～89之間,且a值、b值的相對數(shù)值較小,表明膜的亮度較高,色澤偏淺。而明膠/殼聚糖/迷迭香復(fù)合膜的L值顯著低于其他組(p<0.05),a值顯著高于其余組(p<0.05),b值絕對值顯著低于其余組(p<0.05),說明明膠/殼聚糖/迷迭香復(fù)合膜的亮度不如其余幾種膜,顏色偏暗,但同樣表現(xiàn)出稍偏紅藍色。其中,顏色偏暗、亮度下降是由脂溶性迷迭香提取物的添加,導(dǎo)致迷迭香提取物顆粒聚集所致,這與Etxabide等的研究結(jié)果相一致[9]。

表1 明膠/殼聚糖/迷迭香復(fù)合膜的物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of chitosan-gelatin films incorporated with rosemary extract

膜的水溶解性結(jié)果顯示(表1),明膠膜可以完全溶于水,殼聚糖膜在水中的溶解度達到52.95%,而二者混合制備的明膠/殼聚糖復(fù)合膜在水中溶解性介于兩者之間,這可能是由于明膠與殼聚糖之間的交聯(lián)作用導(dǎo)致。但是當加入了迷迭香提取物后,膜的溶解性會顯著降低(p<0.05),原因可能是本研究所選用的迷迭香提取物主要成分為脂溶性的鼠尾草酸,迷迭香提取物的添加,使得其與明膠、殼聚糖進一步結(jié)合、交聯(lián),導(dǎo)致其水溶解性降低[10]。

水蒸氣透過性結(jié)果顯示,明膠膜與殼聚糖膜沒有顯著差異(p>0.05),但都顯著低于明膠/殼聚糖復(fù)合膜和明膠/殼聚糖/迷迭香復(fù)合膜(p<0.05)。這可能由于明膠與殼聚糖之間的交聯(lián)作用使得分子間空隙變大導(dǎo)致水分子更容易通過[5,11]。迷迭香提取物膜水蒸氣透過性的提高,還可能由于迷迭香提取物顆粒聚集體的存在,促進了水分子在膜中的傳輸。

由表1可以看出,明膠膜的熱變性溫度為91.05 ℃,殼聚糖膜在131.21 ℃時發(fā)生變性,由明膠、殼聚糖兩種大分子復(fù)合成膜得到的明膠/殼聚糖復(fù)合膜在130.97 ℃發(fā)生熱分解,說明兩種分子間發(fā)生了交聯(lián),改變了分子間結(jié)構(gòu);在添加迷迭香提取物后,明膠/殼聚糖/迷迭香復(fù)合膜的熱變性溫度提高到167.52 ℃,說明迷迭香提取物的添加使膜的熱穩(wěn)定性得到進一步提高,這可能與迷迭香提取物使得大分子之間的交聯(lián)更加緊密,從而大分子不容易分解變性所致。

2.2 明膠/殼聚糖/迷迭香復(fù)合膜的傅里葉紅外光譜圖

從圖1中明膠的紅外光譜中可以發(fā)現(xiàn),3285 cm-1的吸收峰是由N-H或O-H伸縮振動引起的,主要涉及到氫鍵的形成。1664 cm-1是酰胺Ⅰ帶的特征吸收峰,是由蛋白質(zhì)多肽鏈的C=O的伸縮振動產(chǎn)生;1549 cm-1是酰胺Ⅱ帶的特征吸收峰,1238 cm-1是酰胺Ⅲ帶的吸收峰[3];從殼聚糖的紅外譜圖中可以發(fā)現(xiàn),3370 cm-1左右的吸收峰是由N-H及O-H伸縮振動引起的;C-H的伸縮振動在2880 cm-1處形成一個吸收峰;1660 cm-1處的吸收峰由C=O的伸縮振動形成,1590 cm-1是NH2產(chǎn)生的特征吸收峰,1380 cm-1是C-N的特征吸收峰[12];明膠/殼聚糖/迷迭香復(fù)合膜的紅外譜圖上在3530 cm-1為羥基特征吸收峰,2960 cm-1為C-H所特有的吸收峰,1650 cm-1處為C=O與C=C特征吸收峰。1420、1270、913 cm-1為苯環(huán)的特征吸收峰;明膠/殼聚糖復(fù)合膜在2936、1655、1041 cm-1處有三個特征峰[13],分別由C-H的伸縮振動、C=O的伸縮振動以及C-O-C基團產(chǎn)生,而明膠/殼聚糖/迷迭香復(fù)合膜在2936 cm-1附近處的2930 cm-1處,在1655 cm-1附近的1671 cm-1處以及在1041 cm-1附近的1036 cm-1處都有吸收峰,但相對于明膠/殼聚糖復(fù)合膜的吸收峰相比,峰的位置分別發(fā)生藍移以及紅移。表明迷迭香提取物的添加對明膠/殼聚糖復(fù)合膜的分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了影響,這與膜的熱變性結(jié)果相一致。

圖1 明膠/殼聚糖/迷迭香復(fù)合膜的紅外光譜圖Fig.1 FT-IR spectra of chitosan-gelatin films incorporated with rosemary extract

2.3 明膠/殼聚糖/迷迭香復(fù)合膜的掃描電鏡圖

由圖2可知,明膠膜、殼聚糖膜以及明膠/殼聚糖復(fù)合膜的表面均光滑平整,添加了迷迭香提取物之后,復(fù)合膜表面變得粗糙、不夠光滑,但迷迭香提取物在明膠/殼聚糖/迷迭香復(fù)合膜表面均勻分布,沒有明顯的相分離,表現(xiàn)了良好的生物相容性。在明膠/殼聚糖/迷迭香復(fù)合膜的表面,有一些分布均勻的顆粒,這些顆粒的形成可能與膜中水分蒸發(fā),導(dǎo)致迷迭香提取物溶解體系不平衡致使溶質(zhì)析出有關(guān),從而使膜表面呈現(xiàn)出粗糙不平整的結(jié)構(gòu)[8]。

圖2 明膠/殼聚糖/迷迭香復(fù)合膜的表面掃描電鏡圖Fig.2 SEM surface images of chitosan-gelatin films incorporated with rosemary extract

2.4 明膠/殼聚糖/迷迭香復(fù)合膜的抗拉強度與斷裂伸長率

膜的抗拉強度表明膜抵抗拉力的大小,數(shù)值越大表明膜的強度越大;斷裂伸長率表示膜破斷時的伸長情況,數(shù)值越大表示膜斷裂時膜伸長越多[14]。如圖3A所示,雖然殼聚糖膜、明膠/殼聚糖/復(fù)合膜及明膠/殼聚糖/迷迭香復(fù)合膜的抗拉強度顯著高于明膠膜的抗拉強度(p<0.05),但明膠/殼聚糖/迷迭香復(fù)合膜的抗拉強度與明膠/殼聚糖復(fù)合膜相比并無顯著差異(p<0.05)。另外，明膠/殼聚糖/迷迭香復(fù)合膜的斷裂伸長度與明膠/殼聚糖復(fù)合膜相比，也無顯著性差異(p<0.05)(圖3B)。表明,迷迭香提取物的添加對明膠/殼聚糖復(fù)合膜的力學(xué)性質(zhì)并無顯著影響。

圖3 明膠/殼聚糖/迷迭香復(fù)合膜的抗拉強度(A)及斷裂伸長率(B)Fig.3 Tensile strength(A)and elogation at break(B)of the chitosan-gelatin films incorporated with rosemary extract注:不同字母表示處理間的差異顯著性(p<0.05)。

2.5 迷迭香提取物從膜中的釋放

由圖4可知,迷迭香提取物隨著時間的增加從膜中逐漸釋放到體系中,可以發(fā)現(xiàn)在50%乙醇體系中迷迭香提取物更容易從膜中釋放出去并且能夠快速并幾乎全部轉(zhuǎn)移到體系中,而在無水乙醇中的體系中釋放率較低。這是由于50%乙醇中,首先水分子進入膜中,會導(dǎo)致膜的溶脹,使得膜的結(jié)構(gòu)松散,從而使乙醇分子進入膜內(nèi)部,將迷迭香提取物溶解到體系中,而無水乙醇體系不能使膜溶脹、結(jié)構(gòu)松散[15],因此膜內(nèi)部的迷迭香提取物不能被乙醇接觸并溶解到體系中。這說明迷迭香提取物在一般食品體系中能快速大量地從膜中轉(zhuǎn)移到食品中,防止食品的氧化;而在全脂或脂質(zhì)含量高的食品中同樣能逐漸釋放出來但不能完全釋放到體系中,推測迷迭香提取物對脂溶性食品體系的抗氧化作用會減弱,這與Jin[16],Peng[17]等人的研究結(jié)果相一致。

圖4 迷迭香提取物從膜中向水溶性和脂溶性食品體系中的釋放率Fig.4 Releasing rates of rosemary extract from films to aqueous and fatty food simulants

2.6 明膠/殼聚糖/迷迭香復(fù)合膜的DPPH自由基清除率

單純明膠/殼聚糖膜的DPPH自由基清除率在15%以下,明膠/殼聚糖/迷迭香復(fù)合膜在50%乙醇溶液中時,對DPPH自由基的清除率約為60%～70%,并且在5 d內(nèi)始終保持較高的自由基清除活性(圖5)。但在乙醇體系中明膠/殼聚糖/迷失香復(fù)合膜的DPPH自由基清除率僅為20%左右,這與迷迭香提取物在50%乙醇體系及無水乙醇體系中的釋放結(jié)果相一致。在50%乙醇體系中,迷迭香提取物更容易從膜中釋放出來,從而增加其抗氧化性;而在無水乙醇中,迷迭香提取物釋放率不高,因此抗氧化性不強,但其自由基清除率仍顯著高于明膠/殼聚糖復(fù)合膜(p<0.05)。

圖5 明膠/殼聚糖/迷迭香復(fù)合膜的DPPH自由基清除率Fig.5 DPPH scavenging rate of the chitosan-gelatin films incorporated with rosemary extract

3 結(jié)論

本研究成功制備了明膠/殼聚糖/迷迭香復(fù)合膜,迷迭香提取物的加入使明膠/殼聚糖復(fù)合膜的抗氧化活性顯著提高,對DPPH自由基的清除能力從不足15%提高到了60%以上,并且在5 d內(nèi)始終保持高活性。雖然迷迭香提取物改變了膜的外觀顏色,明亮度降低,但對膜的力學(xué)性能與超微結(jié)構(gòu)并無影響,另外，迷迭香提取物還顯著提高了明膠/殼聚糖復(fù)合膜的熱穩(wěn)定性能,0.1%的迷迭香提取物使明膠/殼聚糖復(fù)合膜的熱變性溫度從130.97 ℃升至167.52 ℃。

總之,迷迭香提取物是活性包裝的理想原料,迷迭香提取物與殼聚糖、明膠復(fù)合更有利于開發(fā)水溶性低、熱穩(wěn)定性好和抗氧化活性高的包裝材料,具有良好的應(yīng)用潛力。