肉桂醛對明膠基腸衣膜的性能影響

包俊青，唐亞麗,2,*，盧立新,2，丘曉琳,2，王 軍,2

（1.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點實驗室，江蘇 無錫 214122）

腸衣在肉制品加工中具有重要地位，由于天然動物腸衣資源有限，聚偏二氯乙烯等塑料腸衣存在不安全性和環(huán)境污染性，歐盟等一些發(fā)達(dá)國家已明文規(guī)定禁止生產(chǎn)使用[1]。因此，人造可食性腸衣數(shù)量持續(xù)增長。人造可食性腸衣主要使用蛋白類如膠原蛋白、小麥面筋蛋白、大豆蛋白以及乳清分離蛋白等可食性材料[2-7]，由于生物可降解性，都存在力學(xué)性能低、阻隔性和耐水性差等缺陷，降低了腸衣的質(zhì)量和安全性[8]。

明膠是膠原在酸堿、酶或光、高溫等作用下，打破氫鍵和共價鍵的變性產(chǎn)物[9-10]，相對分子質(zhì)量分布從幾千到幾萬[11]。明膠膜具有良好的機(jī)械性能和阻隔性能，但其質(zhì)脆，存在的羥基、羧基等親水性基團(tuán)導(dǎo)致其吸水率較高，限制了在包裝中的應(yīng)用[12]。研究表明，明膠成本低廉，是適合生產(chǎn)可生物降解的理想包裝材料[13-14]，目前共混是最為常見的改性方式。Hosseini等[15]利用殼聚糖共混改性明膠以制備復(fù)合膜，研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合膜的拉伸強度和斷裂伸長率均大于純膜，殼聚糖的加入改善了膜的力學(xué)性能。裴瑩等[16]以納米纖維素晶須作為分散相增強明膠膜，結(jié)果表明，納米纖維素晶須的加入使復(fù)合膜的溶脹度比純膜降低了75%，增強了明膠膜在水中的穩(wěn)定性，同時提高了韌性和強度。

殼聚糖又名聚氨基葡萄糖，是由多個氨基葡萄糖單體通過β-1,4-糖苷鍵連接而成的聚合物，也是迄今為止發(fā)現(xiàn)的唯一陽離子動物纖維和堿性多糖[17]。殼聚糖無毒可食、生物可降解，具有較強的機(jī)械特性、疏水性以及較好的抗氧化性和廣譜殺菌性[18-19]。殼聚糖和明膠具有良好的相容性，可通過氫鍵、離子鍵等作用穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，起到增強效果[20-22]。Krkic等[23]把膠原蛋白和殼聚糖復(fù)合成膜應(yīng)用于發(fā)酵香腸腸衣，殼聚糖顯著改善了膜的阻隔性和抗菌性。劉莉莉[24]研究了明膠/殼聚糖膜作為方便面調(diào)料包的應(yīng)用，研究表明殼聚糖的添加提高了膜的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性，基本滿足了應(yīng)用要求。

肉桂醛是由肉桂樹的樹皮經(jīng)過CO2超臨界萃取所獲得香精油的主要成分，其化學(xué)名稱為三苯基丙烯醛，也可被人工合成[25]。肉桂醛是國標(biāo)[26]中規(guī)定允許使用的食品用合成香料，也是美國食品和藥物管理局[27]公認(rèn)的安全物質(zhì)，被食品工業(yè)廣泛用作食品添加劑和調(diào)味劑。肉桂醛可用于交聯(lián)生物聚合物基質(zhì)[28]，是被廣泛用于食品、化妝品、醫(yī)藥領(lǐng)域的防腐劑[29]。Adzaly等[30]將肉桂醛和殼聚糖按照一定比例混合以開發(fā)新型殼聚糖基腸衣，結(jié)果顯示肉桂醛降低了腸衣水溶性，其優(yōu)異的物理機(jī)械性能和紫外光阻隔性可與商業(yè)膠原蛋白腸衣相媲美。張赟彬等[31]制備了殼聚糖-肉桂醛復(fù)合膜用以保鮮醬鹵牛肉，發(fā)現(xiàn)該復(fù)合膜能延緩醬鹵牛肉水分的蒸發(fā)和腐敗變質(zhì)，延長保質(zhì)期。

本實驗以明膠為膜基質(zhì)，加入殼聚糖和肉桂醛作交聯(lián)劑以求增強腸衣膜物理性能，提高耐蒸煮性，以期為制備新型低成本可食性腸衣提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

殼聚糖（脫乙酰度80.0%～95.0%，生化試劑），肉桂醛（純度95%），吐溫-80、明膠（均為化學(xué)純） 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；甘油、冰醋酸均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

E43.104微機(jī)控制萬能材料試驗機(jī) 美斯特工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司；HGJR-02紅外加熱爐 河南中良科學(xué)儀器有限公司；VAC-V2壓差法氣體滲透儀、W3/060水蒸氣透過率測試系統(tǒng) 濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司；FJ300-SH數(shù)顯高速分散均質(zhì)機(jī) 上海精密科學(xué)儀器有限公司；SHZ-D（III）循環(huán)水式真空泵 上海貝倫儀器設(shè)備有限公司；高溫鼓風(fēng)干燥箱、HWS12型電熱恒溫水浴鍋 上海一恒科學(xué)儀器有限公司；千分臺式薄膜測厚儀 常州三豐儀器科技有限公司；Nicolrtis10紅外光譜儀 德國Bruker公司；TA Q500熱重分析儀 美國TA Instruments公司；HS4恒溫數(shù)顯磁力攪拌器上海思樂儀器有限公司；SU1510掃描電子顯微鏡 日本日立公司；JYD-900智能型超聲波細(xì)胞粉碎機(jī) 上海之信儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 膜的制備

將3 g殼聚糖均勻分散在體積分?jǐn)?shù)2%的150 mL冰醋酸溶液中，50 ℃以600 r/min的速率磁力攪拌12 h，得到質(zhì)量濃度為2 g/100 mL的殼聚糖溶液；將6 g明膠加入150 mL去離子水中溶脹12 h后50 ℃水浴加熱30 min，得到均一的明膠溶液；兩種溶液按體積比1∶1混合均勻，分別添加明膠和殼聚糖總質(zhì)量的0%、13%、13.5%、14%、14.5%和15%肉桂醛，再加入與明膠和殼聚糖總質(zhì)量之比分別為35%和0.75%的甘油和吐溫-80。將配制好的溶液10 000 r/min均質(zhì)10 min后再使用超聲細(xì)胞破碎儀超聲處理，設(shè)置功率360 W，超聲4 s間隔5 s的條件下超聲12 min，得到均一透明的膜液，最后利用真空抽濾循環(huán)泵脫去氣泡，將成膜液均勻流延在玻璃板上，室溫下干燥成膜。揭好的膜置于23 ℃、50%相對濕度條件下平衡處理48 h后再進(jìn)行性能測試。

1.3.2 力學(xué)性能的測試

參照GB/T 1040.3—2006《塑料 拉伸性能的測定第3部分：薄膜和薄片的試驗條件》[32]測試方法，將薄膜裁切成長150 mm，寬15 mm的長條試樣，每個試樣隨機(jī)取5 個點，使用測厚儀測量厚度并取平均值作為試樣厚度，將試樣放在氣動夾具中夾緊，使試樣的長軸線與試驗機(jī)的軸線在同一條直線上，夾具間距100 mm，加載速率50 mm/s試樣拉伸至斷裂停止檢測，每種樣品測試5 個平行樣，測量的平均值為最后的拉伸強度和斷裂伸長率。拉伸強度為試樣在實驗過程中承受的最大拉伸應(yīng)力，斷裂伸長率為原始標(biāo)距單位長度的增量，即拉伸應(yīng)變。

拉伸強度按式（1）計算：

式中：σ為拉伸強度/MPa；F為所測的最大負(fù)荷/N；A為試樣原始橫截面積/mm2。

斷裂伸長率按式（2）計算：

式中：ε為斷裂伸長率/%；L0為試樣的標(biāo)距/mm；ΔL0為試樣標(biāo)記間長度的增量/mm。

1.3.3 耐蒸煮性能的測試

1.3.3.1 吸水率

參照文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[33]方法，取30 mm×20 mm的試樣，在50 ℃條件下烘干24 h后取出，在干燥器中冷卻后稱得質(zhì)量記為m0，置于25 ℃蒸餾水中浸泡2 h后取出，濾紙吸干表面水分，稱得質(zhì)量記為m1。根據(jù)膜前后質(zhì)量的變化計算吸水率。吸水率按式（3）計算：

式中：A為吸水率/%；m0為未浸泡前干燥冷卻后的質(zhì)量/g；m1為浸泡后的質(zhì)量/g。

1.3.3.2 耐水性

取150 mm×15 mm的長條試樣于蒸餾水中，于紅外加熱爐上煮沸30 min后取出，擦干表面水分后測試其拉伸強度，加載速率10 mm/s，方法參照1.3.2節(jié)。耐水性按式（4）計算[34]：

式中：R為耐水性/%；σw為蒸煮0.5 h后試樣拉伸強度/MPa；σd為未蒸煮的試樣拉伸強度/N；A為試樣原始橫截面積/mm2。

1.3.4 阻隔性能的測試

1.3.4.1 透氧性

參照GB/T 1038—2000《塑料薄膜和薄片氣體透過性試驗方法 壓差法》[35]進(jìn)行。將經(jīng)過平衡處理的試樣裁切為120 mm×120 mm形狀，使用VAC-V2壓差法氣體滲透儀進(jìn)行透氧測試，得到透氧量和透氧系數(shù)。透氧量和透氧系數(shù)按式（5）、（6）計算：

式中：Qg為材料的透氧量/（cm3/（m2·d·Pa））；pg為材料的透氧系數(shù)/（（cm3·cm）/（cm2·s·Pa））；ΔP/Δt為穩(wěn)定透過時，單位時間內(nèi)低壓室氣體壓力變化算術(shù)平均值/（Pa/h）；V為低壓室體積/cm2；S為試樣的實驗面積/m2；T為實驗溫度/K；p1-p2為試樣兩側(cè)的壓差/Pa；T0、p0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的溫度（273.15 K）和壓力（1.0133×105Pa）；D為試樣厚度/cm。

1.3.4.2 透濕性

參照GB 1037—1988《塑料薄膜透水蒸氣性試驗方法杯式法》[36]中的環(huán)境條件，將試樣用模具裁切成圓形，使用W3/060水蒸氣透過率測試系統(tǒng)在溫度38 ℃，相對濕度90%環(huán)境條件下測試得到透濕量和透濕系數(shù)。透濕量和透濕系數(shù)按式（7）、（8）計算：

式中：WVT為透濕量/（g/（m2·24 h））；Pv為透濕系數(shù)/（（g·cm）/（cm2·s·Pa））；t為質(zhì)量增量穩(wěn)定后的兩次間隔時間/h；A為試樣透水蒸氣的面積/m2；d為試樣厚度/cm；Δp為試樣兩側(cè)的水蒸氣壓差/Pa。

1.3.5 微觀結(jié)構(gòu)分析

利用掃描電鏡對薄膜進(jìn)行微觀形貌的觀察，分析共混物的分布及相容性。選用SU1510型掃描電子顯微鏡，放大倍數(shù)為10 000 倍將試樣裁成5 mm×1 mm，液氮處理后得到脆斷斷面，用導(dǎo)電膠固定好試樣，在5 kV的加速電壓下采用掃描電子顯微鏡觀察試樣的斷面構(gòu)造。

1.3.6 紅外光譜分析

選取肉桂醛、肉桂醛添加量13%（占明膠與殼聚糖總質(zhì)量）的薄膜以及空白薄膜，使用紅外光譜儀進(jìn)行紅外光譜的測定和對比。

1.3.7 熱穩(wěn)定性能的測試

使用TA Q500熱重分析儀檢測肉桂醛質(zhì)量為占明膠和殼聚糖總質(zhì)量13%的薄膜以及空白薄膜的熱穩(wěn)定性，稱取試樣3～10 mg測試，起始溫度30 ℃，以10 ℃/min的速率升溫至600 ℃。

1.4 數(shù)據(jù)及圖像處理方法

計算薄膜各項性能的平均值，并使用Origin 9.1繪制成條形圖或折線圖，以便分析和觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 肉桂醛添加量對腸衣膜機(jī)械性能的影響

從圖1可以看出，肉桂醛的添加顯著提高了腸衣膜的拉伸強度，隨肉桂醛添加量的增加，拉伸強度先增大后減小，斷裂伸長率先下降后上升。當(dāng)肉桂醛含量占明膠和殼聚糖兩者總質(zhì)量的13%時，拉伸強度達(dá)到40.2 MPa，比空白提高了195%。因為肉桂醛可以與明膠和殼聚糖的氨基發(fā)生一定的交聯(lián)作用，有效增加分子鏈間的聯(lián)系，小分子的填入使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加致密，同時降低了明膠基質(zhì)的流動性[37]。當(dāng)添加量達(dá)到飽和狀態(tài)后，過量的肉桂醛會使聚合物基質(zhì)的內(nèi)聚力降低，導(dǎo)致強度降低，流動性增加。

圖1 肉桂醛添加量對腸衣膜機(jī)械性能的影響Fig. 1 Mechanical properties of casings with different contents of cinnamaldehyde

2.2 肉桂醛添加量對耐蒸煮性能的影響

圖2 肉桂醛添加量對腸衣膜耐蒸煮性能的影響Fig. 2 Cooking stability of casings with differentcontents of cinnamaldehyde

從圖2可以看出，未添加肉桂醛的薄膜在蒸煮過程中完全溶解，不具有耐水性，這是由于明膠具有較強的親水性，高溫條件下親水性側(cè)鏈殘基充分暴露，破壞了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致膜解體。隨肉桂醛添加量的增加，腸衣膜吸水率降低，耐水性能逐漸提高。交聯(lián)效應(yīng)引起明膠和殼聚糖鏈中的氨基和肉桂醛的羰基之間形成席夫堿，另外肉桂醛中的芳香族化合物具有較強的疏水性以及產(chǎn)生的非共價相互作用共同降低了固體物的損失，提高了疏水性和耐水性[38]。

2.3 肉桂醛添加量阻隔性能的影響

從圖3和圖4可以看出，肉桂醛添加量的增加逐漸提高了薄膜的阻隔性，當(dāng)肉桂醛添加量較多時，透氧性有所變差，透濕性基本保持穩(wěn)定。當(dāng)肉桂醛達(dá)到明膠和殼聚糖兩者總質(zhì)量的13%時，透氧性和透濕性分別提高了約17%和10%。由于明膠和殼聚糖兩種大分子可以充分與肉桂醛相互作用，提高了分子作用力和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的緊密度，從而會使水蒸氣和氧氣分子的擴(kuò)散途徑變得更加曲折，擴(kuò)散時間延長，使得復(fù)合膜的阻隔性能增加[39]。當(dāng)肉桂醛添加量與基質(zhì)反應(yīng)完全后，阻隔性保持穩(wěn)定。過多的肉桂醛會減弱分子間作用力，則可能導(dǎo)致阻隔性降低。

圖3 肉桂醛添加量對腸衣膜透氧性能的影響Fig. 3 Oxygen permeability of casings with different contents of cinnamaldehyde

圖4 肉桂醛添加量對腸衣膜透濕性能的影響Fig. 4 Moisture permeability of casings with different contents of cinnamaldehyde

2.4 掃描電鏡分析

圖5 明膠/殼聚糖（A）和明膠/殼聚糖/肉桂醛（B）掃描電鏡圖Fig. 5 SEM of photographs of GA/CH (A) and GA/CH/CA (B)

如圖5所示，在放大10 000 倍的狀態(tài)下觀察膜的微觀結(jié)構(gòu)，添加肉桂醛后結(jié)構(gòu)差異較為明顯。明膠-殼聚糖膜結(jié)構(gòu)粗糙，說明兩者之間發(fā)生了分子交聯(lián)和纏繞，形成了致密復(fù)雜的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。添加肉桂醛后，膜結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，致密均勻，排列有序。膜未出現(xiàn)孔洞現(xiàn)象，也未發(fā)生宏觀的相分離，說明各組分相容性良好。

2.5 紅外光譜分析

從圖6可以看出，添加肉桂醛的薄膜與對照組具有極大的相似性，說明相容性良好。酰胺A帶峰出現(xiàn)在3 300 cm-1左右，為明膠中O—H鍵和N—H鍵的伸縮振動，添加肉桂醛后，該譜帶向低波移動，說明形成了較強的氫鍵[40]，且峰值強度增大，歸因于芳環(huán)上C—H伸縮振動。1 729.36 cm-1是肉桂醛C＝C伸縮振動和C＝N的伸縮振動造成的，這也證明了肉桂醛的羰基和明膠、殼聚糖的氨基形成了席夫堿。1 651.73、1 545.69 cm-1和1 409.07 cm-1分別歸因于明膠和殼聚糖酰胺I（C＝O伸縮振動）、酰胺II（N—H彎曲振動）和酰胺III（C—N伸縮振動）。明膠/殼聚糖/肉桂醛膜在1 145.06 cm-1處出現(xiàn)肩峰1107.34 cm-1，說明殼聚糖和甘油之間氫鍵數(shù)量減少，更多的殼聚糖與肉桂醛反應(yīng)形成了席夫堿[40]。指紋區(qū)顯示了C—O鍵的伸縮振動。圖7中1 125.62、750.42 cm-1和689.24 cm-1為苯環(huán)單取代時C—H外彎曲振動。肉桂醛在1 678.24 cm-1處醛基的伸縮振動峰在復(fù)合膜中顯著減小，進(jìn)一步證明了肉桂醛與明膠和殼聚糖的反應(yīng)。

圖6 明膠/殼聚糖/肉桂醛膜和明膠/殼聚糖膜紅外光譜圖Fig. 6 Infrared spectra of GA/CH/CA and GA/CH films

圖7 明膠/殼聚糖/肉桂醛膜和肉桂醛紅外光譜圖Fig. 7 Infrared spectra of GA/CH/CA films and cinnamaldehyde

2.6 熱穩(wěn)定性分析

熱重分析曲線如圖8a所示，在30～240 ℃為質(zhì)量損失第1階段，曲線較為平緩，樣品質(zhì)量損失為25%，該溫度下主要是薄膜中作用力較弱的化學(xué)鍵斷裂，結(jié)合水以及揮發(fā)性物質(zhì)的蒸發(fā)所造成的。質(zhì)量損失第2階段是240～500 ℃，該階段質(zhì)量損失臺階顯著，質(zhì)量變化速率明顯，從75%降到了20%，說明明膠、殼聚糖、甘油、肉桂醛的主要官能團(tuán)發(fā)生了熱分解，殼聚糖結(jié)晶度降低[41]，主要是固態(tài)的轉(zhuǎn)變和小分子量碎片的損失。添加肉桂醛后的薄膜熱分解曲線較純膜發(fā)生了右移，說明肉桂醛的加入提高了薄膜熱分解溫度，增強了熱穩(wěn)定性。500～600 ℃為質(zhì)量損失第3階段，質(zhì)量變化平緩，變化率降低。

圖8 熱重分析（a）和微商熱重分析（b）曲線圖Fig. 8 Thermal gravity analysis (a) and differential thermal gravity curves (b)

微商熱重分析曲線如圖8b所示，薄膜分解速率隨溫度的增加先升高后下降，最大值對應(yīng)質(zhì)量損失第2階段。肉桂醛的加入對薄膜的最大分解速率影響不大，但提高了薄膜最大分解速率的溫度，相同的分解速率所對應(yīng)的溫度比純膜高，其原因是肉桂醛與明膠和殼聚糖之間形成緊密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，強作用力延遲了鏈的斷裂。

3 結(jié) 論

本實驗以明膠和殼聚糖作為成膜基質(zhì)制作可食性腸衣，為提高薄膜機(jī)械性能和耐蒸煮性，加入肉桂醛發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，制備了一種新型腸衣膜，極大地拓展了明膠的應(yīng)用范圍，同時降低了腸衣的原料成本。通過對薄膜樣品的理化測試與分析可得出以下結(jié)論，肉桂醛的添加對薄膜產(chǎn)生了較大的影響，當(dāng)肉桂醛添加量為明膠和殼聚糖總質(zhì)量的13%時，薄膜的力學(xué)性能和耐水性顯著增強，阻隔性和熱穩(wěn)定性得到提高，微觀結(jié)構(gòu)致密均一，相容性良好，提高了腸衣的質(zhì)量和安全性。由于膠原蛋白提取工藝復(fù)雜，膠原蛋白腸衣膜成本較高，明膠腸衣膜則彌補了這一缺陷，且性能滿足食品要求，具有很大的市場前景和應(yīng)用價值。