結(jié)冷膠-茶多酚復(fù)合膜性能的研究

朱桂蘭，郭娜，馬文藝，寧愿，倪紫惠

(合肥師范學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥，230061)

可食用膜是指食品最初包裝的薄層，一般是由可食用的成分制成的。可食用膜可阻止氧氣、水分和食品成分之間的交換，從而延長食品的保質(zhì)期?？墒秤媚ひ话阌枚嗵?、蛋白質(zhì)、脂類等天然大分子制成[1]。這些可食用膜材料最大的優(yōu)點(diǎn)是在食用過程中可以和食品一起被消化，不需要對其進(jìn)行額外的處理，所以不僅有效地節(jié)約了能源，同時(shí)也避免了環(huán)境污染。近年來，大量的研究工作都集中于兩種或多種成分制成的復(fù)合膜[2-3],這樣可以結(jié)合各種成膜材料的優(yōu)點(diǎn)改善單一材料的性能，進(jìn)而獲得具有多種優(yōu)良性能的可食用性膜，也可以降低成本。

結(jié)冷膠是一種線性的細(xì)胞外多糖，可降解且無毒。結(jié)冷膠在金屬離子的存在下可形成性能優(yōu)良的凝膠，從而被廣泛應(yīng)用于食品行業(yè)中[4-6]。結(jié)冷膠還具有良好的成膜性能，YANG等[7-8]研究了結(jié)冷膠可食用膜，發(fā)現(xiàn)其具有良好的機(jī)械性能和阻水性能，已應(yīng)用于果蔬保鮮中[9]。后來，學(xué)者們又將結(jié)冷膠與魔芋膠[10]、明膠[11]、卡拉膠[12]、普魯蘭[13]等制成了復(fù)合膜，發(fā)現(xiàn)結(jié)冷膠具有良好的復(fù)配性能。

可食用膜可通過攜帶和釋放各種活性物質(zhì)(例如抗氧化劑和抗菌化合物)，來延長食品的保質(zhì)期，降低病原微生物在食品表面生長的風(fēng)險(xiǎn)[14]。天然酚類化合物(例如植物精油和植物提取物)應(yīng)用于可食用膜中，可改善膜的阻隔性能[15]。茶多酚是茶葉中多酚類物質(zhì)及衍生物的總稱，具有很強(qiáng)的抗氧化活性和抑菌性能[16]。同時(shí)，茶多酚含有多羥基，具有和聚合物形成穩(wěn)定氫鍵的能力，從而改變聚合物的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[17]。近年來，茶多酚因其低成本，無毒以及良好的生物相容性，而結(jié)合多糖、蛋白等制成可食用膜已廣泛應(yīng)用于食品保鮮中[18-19]。DOU等研究了茶多酚對明膠-海藻酸鈉可食性薄膜發(fā)現(xiàn)隨著茶多酚濃度的增加，生物活性增加，拉伸強(qiáng)度，接觸角和交聯(lián)度增加[20]。LEI等研究了果膠和魔芋膠結(jié)合茶多酚共混制備食品活性包裝膜，研究發(fā)現(xiàn)添加適量的茶多酚后復(fù)合膜的分子間作用力更強(qiáng)且結(jié)構(gòu)更致密，力學(xué)性能和阻隔性能均有一定提升，同時(shí)具備良好的抗菌和抗氧化等功能活性[21]。

本文以結(jié)冷膠為成膜材料、甘油為增塑劑，添加茶多酚制作可食用復(fù)合膜以增強(qiáng)抑菌作用，研究結(jié)果可為這類食品活性包裝膜的研發(fā)提供重要的參考依據(jù)，也擴(kuò)大了結(jié)冷膠、茶多酚等食品添加物在可食用膜中的應(yīng)用及開發(fā)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

茶多酚(食品級，純度≥98%)：上海興隆食品科技有限公司；結(jié)冷膠(食品級)：河南安銳生物科技有限公司；其他試劑均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

TA-XT plus型物性測試儀，英國Stable Micro System公司；HAAKE旋轉(zhuǎn)流變儀，塞默飛世爾科技有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 復(fù)合膜膜液流變性能測定

將1g的結(jié)冷膠溶于100 mL蒸餾水中，90 ℃完全溶解后，加入0.5 g甘油混勻。再加入0.1、0.2、0.3、 0.4、0.5 g的茶多酚分別制成1、2、3、4、5 g/L的結(jié)冷膠-茶多酚復(fù)合膜液，脫氣后備用。

靜態(tài)流變性：探頭P35TiL；溫度30 ℃；剪切速率0.1～100 s-1。

動態(tài)黏彈性：探頭P35TiL；掃描應(yīng)變1%；測試溫度30 ℃，掃描頻率0.1～100 Hz。

在復(fù)合膜液的頻率掃描的線性黏彈區(qū)域，儲能模量和損耗模量隨角頻率的變化選用公式(1)、(2)進(jìn)行擬合：

G′=K′(w)n′

(1)

G″=K″(w)n″

(2)

式中：G′代表儲能模量，G″代表損耗模量，n′和n″分別是其相關(guān)系數(shù)，w代表頻率;K′是每個(gè)正弦剪切變形周期儲存和恢復(fù)的能量;K′的增加顯示出與彈性凝膠結(jié)構(gòu)形成有關(guān)的樣品的彈性;K″是在1 Hz條件下每個(gè)正弦剪切變形周期損耗的以熱量形式散失的能量[16-17]。

1.3.2 結(jié)冷膠-茶多酚可食用膜的制備及性能測定

將制備好的不同比例結(jié)冷膠-茶多酚復(fù)合膜液倒入模具中， 60 ℃干燥18～24 h后結(jié)膜，再放置于(53±5)%(相對濕度)的干燥器中平衡至少48 h后，測定膜的相關(guān)性能。

1.3.2.1 厚度

在待測膜上隨機(jī)取10個(gè)點(diǎn)，用游標(biāo)卡尺測定(精確度0.001 mm)，得其平均值即為膜的厚度。

1.3.2.2 機(jī)械性能

本實(shí)驗(yàn)測得可食用性膜的機(jī)械性能包括機(jī)械強(qiáng)度(tensile strength,TS)和斷裂延伸率(elongation at break,EAB)。根據(jù)ASTM D882-02的方法[18]，將樣品裁剪成20 mm×90 mm大小，用物性儀測試各樣品的TS和EAB。物性儀的參數(shù)設(shè)置為：距離60 mm，速度1 mm/s。

1.3.2.3 水蒸氣透過率

膜樣品的水蒸汽透過速率根據(jù)ASTM E96方法測定[19]。

1.3.2.4 阻氧性

根據(jù)油脂的過氧化值的大小，來評價(jià)待測膜的阻氧性。過氧化值的測定方法參照國標(biāo)GB/T 5538—2005[22]。

1.3.2.5 抑菌性能

采用抑菌圈法檢測復(fù)合膜抗菌性能[20]。將活化的微生物種子培養(yǎng)基涂布于固體平板培養(yǎng)基上，用打孔器將結(jié)冷膠-茶多酚復(fù)合膜制成直徑為10 mm的小圓片，放置于平板中，37 ℃恒溫培養(yǎng)24 h，用游標(biāo)卡尺測量抑菌圈的直徑大小。

1.3.2.6 掃描電鏡

用TM3030掃描電鏡觀察膜樣品的表面和橫截面，放大倍數(shù)為2 000倍，電子束的加速電壓1.0 kV。

2 結(jié)果與分析

2.1 結(jié)冷膠-茶多酚復(fù)合膜膜液的流變性能

在某一程度上，可食用膜溶液性質(zhì)可以為成膜過程提供一定的參考，例如成膜溶液的假塑性、黏彈性能可以為脫氣、干燥的過程提供依據(jù)[21]。

2.1.1 靜態(tài)流變學(xué)性質(zhì)

不同茶多酚濃度的結(jié)冷膠-茶多酚復(fù)合膜液的靜態(tài)流變學(xué)性質(zhì)如圖1所示，所有樣品隨著剪切速率的增加，溶液的黏度不斷減小，均出現(xiàn)了剪切變稀的現(xiàn)象[23]。隨著茶多酚濃度的增加，復(fù)合膜液黏度有一定程度上升，但均不顯著，例如在剪切速率為100 s-1、茶多酚質(zhì)量濃度為0、1、2、3、4、5 g/L時(shí)，復(fù)合膜的黏度分別為1.651、1.749、1.833、1.875、1.878、1.922 Pa·S。這說明在結(jié)冷膠-茶多酚復(fù)合膜液中，結(jié)冷膠是決定復(fù)合體系流變學(xué)特性的關(guān)鍵因素，添加茶多酚可能增加了結(jié)冷膠分子的聚合[15]，進(jìn)而提高了溶液的黏度。

圖1 結(jié)冷膠-茶多酚復(fù)合膜液靜態(tài)流變曲線Fig.1 Flow curves of gellan gum- tea polyphenols blending film-forming solutions

2.1.2 動態(tài)頻率掃描

結(jié)冷膠-茶多酚復(fù)合膜液的儲能模量G′和損耗模量G″隨角頻率的變化如圖2所示，G′和G″隨頻率的增加逐漸增大，復(fù)合體系的G″均大于G′，說明所研究的復(fù)配體系都顯示了高的黏彈性。隨著茶多酚質(zhì)量濃度的增加，復(fù)合體系的G′和G″增加，這可能是由于茶多酚使復(fù)合膜液結(jié)構(gòu)內(nèi)部的分子鏈間的纏節(jié)點(diǎn)增多，膜液內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)[24]。通過公式(1)、(2)對結(jié)冷膠-茶多酚復(fù)合膜液的線性黏彈區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，計(jì)算得到的參數(shù)如表1所示。由表1可知，n′和n″為正值，且K″>K′，說明結(jié)冷膠-茶多酚復(fù)合膜液呈現(xiàn)弱凝膠現(xiàn)象。茶多酚濃度對n′值影響不大，說明結(jié)冷膠-茶多酚復(fù)合膜液的動態(tài)流變學(xué)性能主要是由結(jié)冷膠的黏彈性決定的，在溶液中結(jié)冷膠形成了三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。隨著茶多酚比例的增大，結(jié)冷膠-茶多酚復(fù)配體系的K′值增大，這也許歸結(jié)于茶多酚的加入增加了結(jié)冷膠-茶多酚復(fù)合膜液連續(xù)相的黏彈性。隨著茶多酚含量的增加，復(fù)配體系的彈性增加[17]。

A-儲能模量G′;B-損耗模量G″圖2 結(jié)冷膠-茶多酚復(fù)合膜液動態(tài)模量的變化Fig.2 Dynamic modulus of gellan gum-tea polyphenols blending film-forming solutions

表1 結(jié)冷膠-茶多酚復(fù)合體系的公式(1)和公式(2)的參數(shù)Table 1 The parameters as determined from Eqs (1) and Eqs (2) of gellan gum-tea polyphenols blending film-forming solutions

茶多酚/(g·L-1)G′G″n′K′R2n″K″R200.772.370.980.577.710.9810.802.300.9880.578.430.9820.822.030.9980.597.500.9930.802.170.990.577.770.9840.802.700.980.579.380.9950.812.770.990.589.780.99

結(jié)冷膠-茶多酚復(fù)合膜液的流變學(xué)結(jié)果說明，在復(fù)合體系中，結(jié)冷膠對復(fù)合膜液的流變性起主導(dǎo)作用，在所研究的范圍內(nèi)，茶多酚的加入不會影響復(fù)合體系從液態(tài)(成膜溶液)到固態(tài)(可食用膜)的變化，復(fù)合體系具有成膜性。

2.2 結(jié)冷膠-茶多酚復(fù)合膜的性能

2.2.1 機(jī)械性能

結(jié)冷膠-茶多酚復(fù)合膜的抗拉強(qiáng)度和斷裂延伸率如圖3所示。由圖3可知，隨著茶多酚比例增大，可食用膜的抗拉強(qiáng)度先增大后減小，在茶多酚質(zhì)量濃度為4 g/L時(shí)，達(dá)到最大值，為14.08 MPa。抗拉強(qiáng)度增大原因可能是因?yàn)椴瓒喾邮且环N多羥基的化合物，與結(jié)冷膠大分子之間通過一系列氫鍵的相互作用構(gòu)成致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。當(dāng)茶多酚的質(zhì)量濃度為4 g/L以內(nèi)時(shí)，斷裂延伸率變化緩慢，而茶多酚質(zhì)量濃度進(jìn)一步增加時(shí)斷裂延伸率下降很快，可能是因?yàn)椴瓒喾淤|(zhì)量濃度升高，使得復(fù)合膜的不同分子間的遷移率下降，使得膜的脆性增加，較易斷裂，即斷裂延伸率下降[25]。

A-抗拉強(qiáng)度；B-斷裂延伸率圖3 結(jié)冷膠-茶多酚復(fù)合膜的機(jī)械性能Fig.3 Mechanical properties of the gellan gum- tea polyphenols blend film

2.2.2 水蒸氣透過率

由圖4可知，隨著茶多酚比例的增大，可食用膜的水蒸氣透過率先減小后增大。

圖4 結(jié)冷膠-茶多酚復(fù)合膜的水蒸氣透過率Fig.4 Watervapor permeability of the gellan gum- tea polyphenols blend film

相比于未添加茶多酚的對照組，結(jié)冷膠-茶多酚可食用膜的水蒸氣透過率明顯減小，當(dāng)茶多酚的質(zhì)量濃度為4 g/L時(shí)達(dá)到最小值8.01 (g·m)/(d·Pa·m2)，可能的原因是茶多酚和其他分子形成氫鍵，通過各種相互作用使得大分子間的間隙減小，形成致密、穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)，從而使得水蒸汽透過率減小[26]，即膜的阻水性增強(qiáng)。

隨著茶多酚比例進(jìn)一步的增加，容易在膜表面形成結(jié)晶，膜的緊密程度下降，從而使得水蒸汽容易透過膜，水蒸汽透過率增大[27]。

2.2.3 阻氧性能

由圖5可知，隨著茶多酚含量的增加，油脂的過氧化值逐漸減小，即可食用膜的阻氧性逐漸增強(qiáng)。茶多酚中存在大量的酚羥基也可以阻止油脂氧化中的鏈傳遞，使得油脂氧化程度下降，即膜的阻氧性增強(qiáng)[28]。

圖5 結(jié)冷膠-茶多酚復(fù)合膜的阻氧性Fig.5 Oxygen barrier property of the gellan gum- tea polyphenols blend film

2.2.4 抑菌性能

結(jié)冷膠-茶多酚復(fù)合膜對枯草芽孢桿菌、產(chǎn)黃青霉、大腸桿菌和釀酒酵母的抑菌性能如表2所示。

表2 結(jié)冷膠-茶多酚可食用膜的抑菌性能Table 2 Antimicrobial properties of the gellan gum- tea polyphenols blend film

未添加茶多酚的可食用膜對所測試的微生物沒有抑制作用，其抑菌圈為零。復(fù)合膜中添加茶多酚對所研究的微生物均有比較高的抑菌性能。抑菌效果與茶多酚的含量和微生物的種類相關(guān)[29]。添加5 g/L茶多酚的復(fù)合膜抑菌性能最強(qiáng)，說明茶多酚質(zhì)量濃度越高，抑菌性能越好。

另外，對于每種微生物，隨著茶多酚在復(fù)合膜中的質(zhì)量濃度降低，抑菌性能下降，例如當(dāng)茶多酚質(zhì)量濃度從5 g/L降到1 g/L時(shí)，枯草桿菌的抑菌圈直徑從(15.33±0.62)mm 降到(2.33±0.16)mm。

綜合表明，茶多酚對微生物的抑菌效果大小為枯草芽孢桿菌>產(chǎn)黃青霉>大腸桿菌>釀酒酵母。結(jié)果表明，茶多酚對革蘭氏陽性菌的抑制效果最明顯，對霉菌抑制效果次之，對酵母菌和革蘭氏陰性菌抑制效果不明顯。

2.2.5 掃描電鏡

膜的掃描電鏡圖可用于揭示與成膜基體微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)的一些信息，從而更好地解釋可食用膜宏觀性能變化的原因。結(jié)冷膠-茶多酚復(fù)合膜的掃描電鏡圖如圖6所示，從圖6-a和圖6-c中可以看出，純結(jié)冷膠膜和結(jié)冷膠-茶多酚復(fù)合膜的表面微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)均一體系，不存在任何的裂隙和小孔，說明兩多糖間無相分離現(xiàn)象。比較添加2 g/L的茶多酚膜(圖6-d)和純結(jié)冷膠膜(圖6-b)的橫截面圖發(fā)現(xiàn)茶多酚能很好地分布在膜基質(zhì)中，具有一定的相互作用。

a-純結(jié)冷膠膜的表面圖; b-純結(jié)冷膠膜的橫截面圖；c-結(jié)冷膠-茶多酚復(fù)合膜的表面圖; d-結(jié)冷膠-茶多酚復(fù)合膜的橫截面圖圖6 膜樣品的掃描電鏡圖Fig.6 Scanning electron microscopy pictures of the film samples

3 結(jié)論

結(jié)冷膠-茶多酚復(fù)合膜液具有剪切變稀的現(xiàn)象，表觀黏度隨著茶多酚質(zhì)量濃度的增加而增加。隨著茶多酚含量的增加，儲能模量G′和損耗模量G″增加。結(jié)冷膠-茶多酚復(fù)合膜液的流變學(xué)結(jié)果說明，在復(fù)合體系中，結(jié)冷膠對復(fù)合膜液的流變性起主導(dǎo)作用，在所研究的范圍內(nèi)，茶多酚的加入不會影響復(fù)合體系從液態(tài)(成膜溶液)到固態(tài)(可食用膜)的變化，復(fù)合體系具有成膜性[30-36]。

在結(jié)冷膠膜中加入茶多酚可提高復(fù)合膜拉伸強(qiáng)度和阻氧性，降低了復(fù)合膜的斷裂伸長率，同時(shí)也提高了復(fù)合膜的阻水性能。與未加茶多酚的結(jié)冷膠膜相比，復(fù)合膜具有抑制枯草芽孢桿菌、大腸桿菌、產(chǎn)黃青霉和釀酒酵母的性能。