殼聚糖/氧化石墨烯復(fù)合涂膜食品包裝紙的研究

施昌谷 邵明聰 李文娟 黃建穎 方 嬙

（浙江工商大學(xué)食品與生物工程學(xué)院 浙江省食品安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州310018）

目前，廣泛應(yīng)用于食品包裝和保鮮的材料大多數(shù)為不易降解的塑料制品[1-3]，對(duì)食品質(zhì)量問題構(gòu)成嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。研發(fā)易降解，無污染，有機(jī)和“綠色”的包裝材料具有重要的理論和實(shí)踐意義。氧化石墨稀含有羥基、環(huán)氧樹脂、羧基等官能團(tuán)[4]，可以形成比表面積高的層狀結(jié)構(gòu)，且大層間距結(jié)構(gòu)可以容納陽離子、無機(jī)納米離子、負(fù)載聚合物，容易在水中分散。殼聚糖[5-6]是一種多糖生物高分子材料，具有良好的生物降解能力、抗菌特性和金屬螯合能力，是一種應(yīng)用廣泛的模型聚合物且資源十分豐富，在自然界中分布僅次于纖維素；然而，其機(jī)械性能不強(qiáng)，結(jié)構(gòu)不完整，并且因分子內(nèi)和分子間氫鍵的作用而在水中的溶解性較差。氧化石墨烯作為一種理想的填料，與殼聚糖混勻涂膜可以提高殼聚糖的機(jī)械性能，增加水溶性[7-11]。目前已有關(guān)于殼聚糖與氧化石墨烯復(fù)配材料在吸附以及抑菌作用[12-14]等方面的報(bào)道。例如，能夠有效抑制大腸桿菌生長且顯示最小細(xì)胞毒性的石墨烯衍生物納米材料[15]，新型抗癌藥物載體GO-CMC-FIHA[16]，多抗菌機(jī)制混合納米材料（chit-AgNPs-GO）[17]以及用于葡萄糖氧化酶固定的綠色生物傳感模型[18]等。綜合國內(nèi)外的研究成果，本研究將殼聚糖與氧化石墨稀復(fù)配涂膜制備得到復(fù)合涂膜食品包裝紙，研究此包裝紙的理化性能，并將其應(yīng)用于生鮮豬肉的保鮮貯藏中，為肉制品的保鮮提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試劑與材料

水溶性殼聚糖【Chitosan，脫乙酰度91.0%，黏度45 mPa·s （1%，20 ℃）】、酸溶性殼聚糖【Chitosan，脫乙酰度90.0%，黏度≦150 mPa·s（1%，20℃）】均為食品級(jí)，青島弘海生物技術(shù)有限公司；石墨粉，青島晨陽石墨有限公司；食品包裝紙（普通纖維質(zhì)紙）為食品級(jí)。肉品，中國杭州聯(lián)購超市。

1.2 儀器與設(shè)備

ZNHW 型電子智能控溫儀，浙江杭州市創(chuàng)惠儀器有限公司；LGJ-10B 真空冷凍干燥機(jī)，北京四環(huán)科學(xué)儀器廠有限公司；CR-400 色差儀，杭州柯盛行儀器有限公司；TA-XT2i 質(zhì)構(gòu)儀，英國STABLE MICRO SYSTEM 有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 復(fù)合涂膜食品包裝紙的制備 氧化石墨烯的合成，如圖1所示，以石墨粉為原料，采用Hummers[19-20]強(qiáng)酸氧化法制備氧化石墨烯。稱取3.0 g石墨粉至1 000 mL 圓底燒瓶，緩慢加入69 mL 預(yù)冷后的濃硫酸，再加入1.5 g 硝酸鈉，冰浴攪拌30 min 后緩慢加入9.0 g 高錳酸鉀，繼續(xù)冰浴攪拌5 min 后于35 ℃油浴攪拌2 h。在燒瓶中緩慢加入138 mL 蒸餾水后于100 ℃加熱15 min。再向燒瓶中緩慢加入420 mL H2O2，于100 ℃反應(yīng)5 min。反應(yīng)結(jié)束后，再以800 mL 10%稀鹽酸、蒸餾水依次洗滌，得到的固體沉淀干燥后加入蒸餾水中，攪拌約20 min，再選擇溫和頻率超聲處理30 min，形成均勻的懸浮液后[21]加入到殼聚糖溶液中，在35 ℃恒溫下攪拌2 h，然后混合液超聲處理2 h。將懸浮液均勻地涂至基材-食品包裝紙（普通纖維質(zhì)紙）上，大氣壓下常溫干燥36 h 成膜。此外，以未涂的食品包裝紙（0-1）及涂水處理的食品包裝紙（0-2）作對(duì)照（圖1）。

圖1 氧化石墨烯的合成示意圖Fig.1 Schematic illustration of GO

1.3.2 復(fù)合涂膜食品包裝紙的性能研究

1.3.2.1 拉伸強(qiáng)度 復(fù)合涂膜食品包裝紙的拉伸強(qiáng)度按照GB/T 1040.3-2006 測定。TA-XT2i 質(zhì)構(gòu)儀的初始夾距設(shè)定為50 mm，拉引速度1 mm/s，將涂膜食品包裝紙裁成100 mm×10 mm 長條，固定于夾具的兩端，拉伸。記錄涂膜食品包裝紙斷裂時(shí)的最大張力Fm 的數(shù)值。每組樣品測定10 次，取平均值。按照公式1 計(jì)算涂膜食品包裝紙的拉伸強(qiáng)度。

式中，F(xiàn)m——試樣斷裂時(shí)的最大張力，N；T——膜的厚度，mm；W——膜的寬度，mm。

1.3.2.2 水蒸氣透過率 采用GB1037-88 透水蒸

氣性試驗(yàn)方法-杯式法測定。將CaCl2粉碎，并于200 ℃條件下干燥2 h，冷卻備用。在50 mL 廣口瓶底均勻地鋪上一層3 g 的無水CaCl2粉末，采用涂膜食品包裝紙密封瓶口，以封口膜封住包裝紙與瓶間空隙。瓶初次稱重，作為原始質(zhì)量。將廣口瓶置于裝有硫酸鉀飽和溶液（RH 為90%）的干燥器內(nèi)，廣口瓶每24 h 稱重1 次，直至質(zhì)量不變。WVP的計(jì)算公式2 如下所示：

式中，Δm——廣口瓶每天增加的質(zhì)量，g；T——膜厚，mm；A——水氣通過的膜面積，即瓶口面積，m2；t——稱重的時(shí)間間隔，h；Δp——膜兩側(cè)的水蒸氣分壓，kPa。

1.3.2.3 油脂透過率 在直徑為4 cm 的管中，加入3 mL 大豆油，采用涂膜食品包裝紙密封，倒置在已知原始質(zhì)量的濾紙上，放置在25 ℃，RH 為40%的環(huán)境中。濾紙每天稱重，連續(xù)測量一周。油脂透過率計(jì)算公式3 如下式：

式中，Δm——濾紙質(zhì)量變化，g；d——膜厚，mm；A——膜面積，m2；t——時(shí)間，d。

1.3.2.4 抗氧化性能測定 移取3 mL 左右的大豆油置于50 mL 瓶中，用制備的涂膜食品包裝紙封口，周邊用封口膜密封。于45 ℃恒溫箱中放置，每天揭膜取油樣，依據(jù)GB/T 5538-2005 測定過氧化值（Peroxide Value，PV），同時(shí)以未涂膜食品包裝紙封口的油樣作為對(duì)照。其中，過氧化值以每千克樣品中活性氧的含量來表示。

式中，V——標(biāo)定樣品的硫代硫酸鈉溶液的體積，mL；V0——標(biāo)定空白的硫代硫酸鈉溶液的體積，mL；C——硫代硫酸鈉溶液的濃度，mol/mL；m——油脂的取樣量，g。

圖2 殼聚糖與不同質(zhì)量濃度氧化石墨烯復(fù)合涂膜食品包裝紙的水蒸氣透過率柱形圖Fig.2 Column charts of water vapor permeability of chitosan/different mass concentration GO coating food papers

1.3.3 復(fù)合涂膜食品包裝紙的初步應(yīng)用 肉樣經(jīng)急速冷卻后無菌切分成方形整塊，用復(fù)合涂膜食品包裝紙包裝肉塊，同時(shí)設(shè)置殼聚糖涂膜對(duì)照組。分別于特定時(shí)間取樣，測定顏色、彈性、球蛋白沉淀、汁液流失率、蒸煮損失率等指標(biāo)。

參照GB2706-2005 進(jìn)行不同復(fù)合涂膜食品包裝紙包裝肉品的感官指標(biāo)-色澤[23-24]、彈性（組織狀態(tài)）的測定[25-26]。

測定球蛋白沉淀方法：從待測肉樣中剪取肌肉組織4 g，破碎后置于錐形瓶內(nèi)加入40 mL 蒸餾水，振蕩、過濾，取濾液、滴加10%CuSO4溶液，觀察管內(nèi)濾液顏色變化[27]。

采用稱重法測量肉樣的汁液流失率、蒸煮損失率[27]。

2 結(jié)果與分析

2.1 氧化石墨烯質(zhì)量濃度的確定

將1 mL 不同質(zhì)量濃度（0.1，0.5，1.0，1.5，2.0 mg/mL） 的氧化石墨烯懸浮液加入到19 mL 酸溶性殼聚糖（10 mg/mL）溶液中，混合均勻。將不同的涂膜液通過流延涂膜至食品包裝紙，并測定其性質(zhì)。

圖3 殼聚糖與不同質(zhì)量濃度氧化石墨烯復(fù)合涂膜食品包裝紙的油脂透過率柱形圖Fig.3 Column chart of permeability coefficient of oil of chitosan/ different mass concentration GO coating food papers

不同質(zhì)量濃度氧化石墨烯與酸溶性殼聚糖復(fù)配制得的涂膜食品包裝紙的水蒸氣及油脂透過率，隨氧化石墨烯質(zhì)量濃度的升高而減弱，如圖2、圖3所示，拉伸強(qiáng)度則隨氧化石墨烯質(zhì)量濃度的升高而升高。如圖4所示，當(dāng)質(zhì)量濃度為2.0 mg/mL 時(shí)，可拉伸強(qiáng)度為1.2 MPa。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同質(zhì)量濃度的氧化石墨烯與殼聚糖復(fù)配制得的涂膜食品包裝紙，封口保藏的油樣氧化程度在前4 d內(nèi)基本無差別，第5 天開始，氧化石墨烯質(zhì)量濃度越低，油脂的氧化程度越高。第7 天增至4.1 mg/kg（圖5所示）。

結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，氧化石墨烯的質(zhì)量濃度越高，復(fù)合涂膜食品包裝紙的拉伸強(qiáng)度越高，水蒸氣及油脂透過率小，油脂氧化程度低。考慮殘留問題，選擇與殼聚糖復(fù)配的氧化石墨烯最優(yōu)質(zhì)量濃度為1.0 mg/mL。

2.2 復(fù)合涂膜食品包裝紙的表征

按照表1制備不同復(fù)合涂膜液，以流延法涂膜至食品包裝紙，并對(duì)不同類型、不同質(zhì)量濃度的殼聚糖與氧化石墨烯復(fù)配涂膜食品包裝紙的各項(xiàng)理化性質(zhì)進(jìn)行測定及對(duì)比。

圖4 殼聚糖與不同質(zhì)量濃度氧化石墨烯復(fù)合涂膜食品包裝紙的拉伸強(qiáng)度柱形圖Fig.4 Column chart of tensile strength of chitosan/different mass concentration GO coating food papers

圖5 殼聚糖與不同質(zhì)量濃度氧化石墨烯復(fù)合涂膜食品包裝紙的抗氧化性折線圖Fig.5 Line chart of antioxidative activity of chitosan/different mass concentration GO coating food papers

表1 不同復(fù)合涂膜液試劑的加入量Table 1 Addition amount of different reagents for different composite coating food papers

2.2.1 拉伸強(qiáng)度 在食品加工處理以及運(yùn)輸過程中，為有效保護(hù)食品可以承受各種沖擊，涂膜食品包裝紙需要具有一定的拉伸強(qiáng)度。不同復(fù)合涂膜食品包裝紙的拉伸強(qiáng)度值如圖6所示，涂膜后食品包裝紙的拉伸強(qiáng)度均高于對(duì)照0-2 組（0.43 MPa）。相同殼聚糖質(zhì)量濃度及類型條件下，殼聚糖/氧化石墨烯復(fù)合涂膜食品包裝紙的拉伸強(qiáng)度高于純殼聚糖，水溶性殼聚糖/氧化石墨烯復(fù)合涂膜食品包裝紙高于酸溶性殼聚糖/氧化石墨烯復(fù)合涂膜食品包裝紙。結(jié)果表明，氧化石墨烯的加入，能有效增強(qiáng)復(fù)合涂膜食品包裝紙條的拉伸強(qiáng)度。

2.2.2 水蒸氣、油脂透過率 從圖7可以看出，殼聚糖、氧化石墨烯的加入有助于減弱復(fù)合涂膜食品包裝紙的水蒸氣、油脂透過率。這可能是因?yàn)榧儦ぞ厶峭磕ず竽軌蚋采w食品包裝紙本身的空隙，氧化石墨烯與殼聚糖復(fù)配后形成了強(qiáng)烈的氫鍵相互作用，氧化劑BHT 的加入對(duì)涂膜食品包裝紙的水蒸氣、油脂透過率影響不大。

圖6 不同復(fù)合涂膜食品包裝紙的拉伸強(qiáng)度柱形圖Fig.6 Column chart of tensile strength of different composite coating food papers

圖7 不同復(fù)合涂膜食品包裝紙的水蒸氣透過率、油脂透過率柱形圖Fig.7 Column chart of water vapor and oil permeability of different composite coating food papers

2.2.3 抗氧化性能 不飽和脂肪酸容易與空氣中的氧氣反應(yīng)，生成過氧化物，通過測定油脂的過氧化值（PV），可以推斷出不同復(fù)合涂膜食品包裝紙的抗氧化性，間接反映各復(fù)合涂膜食品包裝紙的氧氣透過率，為測定各食品包裝紙的抗氧化性能，將包裝紙用于大豆油的貯藏，所得抗氧化性質(zhì)結(jié)果如圖8所示，油脂的氧化程度隨時(shí)間的延長而增加。貯藏7 d 后，未封口處理的大豆油氧化最嚴(yán)重，為28.9 meq/kg。以食品包裝紙或者復(fù)合涂膜食品包裝紙封口的植物油氧化結(jié)果均有不同程度的減弱，而殼聚糖/氧化石墨烯復(fù)合涂膜食品包裝紙封口包裝組（如2-3 組9.01 meq/kg） 以及殼聚糖/GO/BHT 復(fù)合涂膜食品包裝紙 （如2-4 組5.13 meq/kg）過氧化值相對(duì)很低。結(jié)果表明，殼聚糖、氧化石墨烯以及抗氧化劑均能減弱油脂的氧化進(jìn)而增強(qiáng)食品包裝紙的抗氧化性質(zhì)。

2.3 復(fù)合涂膜食品包裝紙?jiān)谏r肉品中的應(yīng)用

綜上所述，當(dāng)采用18 mL 酸溶性殼聚糖（10 mg/mL）與1 mL 氧化石墨烯（1 mg/mL）混合，再加入1 mL 氧化劑（1 mg/mL）制備得到的涂膜液，復(fù)合涂膜食品包裝紙具有良好的保鮮功能。所以將該復(fù)合涂膜食品包裝紙應(yīng)用于生鮮肉品的貯藏中，并與僅用殼聚糖處理的食品包裝紙的保鮮功能進(jìn)行比較。

圖8 不同復(fù)合涂膜食品包裝紙的抗氧化性折線圖Fig.8 Line chart of antioxidative activity of different composite coating food papers

2.3.1 生鮮肉品的表面顏色 鮮肉的顏色不僅取決于肌紅蛋白的類型、數(shù)量，而且還與其化學(xué)性質(zhì)有關(guān)[26]，是肉品的內(nèi)部生理學(xué)、生物化學(xué)以及微生物學(xué)變化的外部體現(xiàn)。如豬肉中的肌紅蛋白本身是紫紅色，與氧結(jié)合后可生成鮮紅色的氧合肌紅蛋白（新鮮肉），肌紅蛋白和氧合肌紅蛋白被氧化后會(huì)生成褐色的高鐵肌紅蛋白，肉的色澤變暗；肉品腐敗后，有硫化物存在時(shí)，肌紅蛋白還可被氧化生成綠色的硫化肌紅蛋白[22]。因此，肉色可以作為生鮮肉的感觀評(píng)定指標(biāo)之一。表面顏色的感官結(jié)果和色差儀測定結(jié)果如表2所示。

相較于對(duì)照0-2 組，經(jīng)殼聚糖/氧化石墨烯復(fù)合涂膜食品包裝紙包裝的肉品顏色變化較緩慢。貯藏5 d，肉品顏色和紅度值的差異不顯著，而與對(duì)照組的肉品紅度值存在顯著差異。殼聚糖/氧化石墨烯復(fù)合涂膜食品包裝紙?jiān)谏r豬肉保鮮應(yīng)用中表現(xiàn)出良好的護(hù)色效果。

表2 貯藏期間肉品顏色、紅度值a*的變化情況Table 2 Variation of meat color，a*during storage

2.3.2 生鮮肉品的彈性 生鮮肉品中含有較多蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)與其水化層構(gòu)成了十分重要的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能夠抵抗一定的外力，這種抵抗力的外在表現(xiàn)即為肉品的彈性。彈性的大小與加工和貯藏中生鮮肉品蛋白質(zhì)理化性質(zhì)改變有關(guān)，即肉品的新鮮程度有關(guān)。在肉品成熟后期，蛋白質(zhì)會(huì)逐漸被水解成一些小分子物質(zhì)，導(dǎo)致網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)遭到破壞，彈性喪失。因此生鮮肉品彈性的測定能夠直接判斷品質(zhì)以及新鮮程度。生鮮肉品彈性的感官結(jié)果和質(zhì)構(gòu)儀測定結(jié)果如表3所示。

表3 貯藏期間肉品彈性的變化Table 3 Variation of meat springiness during storage

由表3可知，相比于對(duì)照組，殼聚糖/氧化石墨烯復(fù)合涂膜食品包裝紙的試驗(yàn)組對(duì)生鮮肉品彈性的保護(hù)效果較好。貯藏至第15 天時(shí)，0-2 組肉樣降至0.6 N，而2-8 組保留為1.3 N，殼聚糖/氧化石墨烯復(fù)合涂膜食品包裝紙能有效保持生鮮豬肉的彈性。

2.3.3 生鮮肉品的其它性質(zhì) 進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)殼聚糖/氧化石墨烯復(fù)合涂膜食品包裝紙包裝的新鮮豬肉與對(duì)照組相比，在貯藏過程中球蛋白沉淀慢，汁液流失率小，蒸煮損失率變化不明顯。說明殼聚糖/氧化石墨烯涂膜對(duì)肉品的蛋白質(zhì)以及蛋白膠體結(jié)構(gòu)等具有一定的保護(hù)作用。

表4 貯藏期間肉品的球蛋白沉淀（G）、汁液流失率（R1，%）、蒸煮損失率（R2，%）的變化情況Table 4 Variation of globulin precipitation （G），juice leakage rate （R1，%），cooking lose rate （R2，%） of meat

3 討論

氧化石墨烯的高比表面積以及大量含氧官能團(tuán)可以將陽離子嵌入層間，為負(fù)載聚合物和無機(jī)納米離子提供良好的條件。殼聚糖具有無毒，無抗原性，可生物降解等獨(dú)特的性質(zhì)和生理功能，在食品與營養(yǎng)、農(nóng)業(yè)與環(huán)境保護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用[28-30]。目前已有關(guān)于殼聚糖與氧化石墨烯復(fù)配材料，在材料的吸附[12-13]以及抑菌作用[14-15]等方面的報(bào)道。如，新型抗癌藥物載體GO-CMC-FI-HA[16]，多抗菌機(jī)制混合納米材料（chit-AgNPs-GO）[17]，綠色生物傳感模型[18]等。利用氧化石墨烯低質(zhì)量，熱穩(wěn)定性，易于在水中分散等物理性質(zhì)，以彌補(bǔ)殼聚糖自身機(jī)械性能不強(qiáng)，結(jié)構(gòu)不完整，溶解性較差等缺陷將殼聚糖與氧化石墨烯通過流延法涂膜至食品包裝紙的研究未見報(bào)道。本研究通過測定不同質(zhì)量濃度氧化石墨烯與殼聚糖復(fù)配涂膜食品包裝紙的拉伸強(qiáng)度、水蒸氣及油脂透過率、抗氧化性等指標(biāo)，綜合考慮氧化石墨烯在水中的分散情況、殘留、成本以及自身的顏色，發(fā)現(xiàn)采用18 mL 酸溶性殼聚糖（10 mg/mL）與1 mL 氧化石墨烯（1 mg/mL）再加入1 mL 氧化劑（1 mg/mL）制備得到的涂膜液復(fù)合涂膜食品包裝紙具有良好的保鮮功能，該復(fù)合涂膜食品包裝紙比未經(jīng)復(fù)配的殼聚糖涂膜食品包裝紙的拉伸強(qiáng)度高，水蒸氣及油脂透過率小，油脂氧化程度低，同時(shí)復(fù)配后涂膜能顯著增強(qiáng)食品包裝紙的機(jī)械強(qiáng)度以及抗氧化性。研究進(jìn)一步將得到的新型復(fù)合涂膜包裝紙應(yīng)用于新鮮豬肉貯藏中，通過豬肉在貯藏期間肉品顏色、彈性以及蛋白沉淀、汁液流失率、蒸煮損失率的測定，與僅用殼聚糖涂膜包裝紙保鮮組對(duì)照發(fā)現(xiàn)，新型食品包裝紙可以有效延緩肉品變質(zhì)。這可能是因?yàn)闅ぞ厶呛脱趸?fù)配涂膜后，食品包裝紙本身的水蒸氣、油脂以及氧氣透過性降低，肉品中微生物的生長繁殖受到抑制進(jìn)而起到保鮮的作用[29-30]。

4 結(jié)論

綜上所述，研究設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新型殼聚糖/氧化石墨烯涂膜食品包裝紙。該包裝紙拉伸強(qiáng)度高，水蒸氣、油脂透過率小并且具有優(yōu)異的機(jī)械性能、抗氧化性能。并初步探索了所得包裝紙?jiān)谏r豬肉保鮮貯藏中的應(yīng)用。后續(xù)研究要進(jìn)一步將該包裝紙應(yīng)用于其它食品保鮮貯藏中，進(jìn)一步發(fā)揮該新型包裝紙潛在的應(yīng)用價(jià)值和意義。