結冷膠-沙蒿膠-藍莓花青素可食性膜的制備及其性能分析

郭娜，朱桂蘭，張方艷，徐德聰，楊俊杰

(合肥師范學院 生命科學學院，安徽 合肥，230061)

食品包裝的質量直接關系到包裝內食品的新鮮度和安全。近年來，隨著人們對食品安全要求的提升，可食用、環(huán)境友好型包裝膜，尤其是具備抗菌和新鮮度指示的生物保鮮可食用膜的研制開發(fā)與應用已經成為食品包裝領域的研究熱點[1-2]。食品貯藏過程中的新鮮度是十分重要的品質指標，目前對于新鮮度的檢測主要通過紅外光譜、電子鼻等技術，限定了新鮮度檢測的便攜性[3-4]。食品如魚類、肉類在貯藏過程中蛋白質變性降解產生的次黃嘌呤、揮發(fā)性胺等物質溶于水后，溶液呈現一定的pH值，可以用來分析其新鮮程度[1,5-6]。

藍莓花青素(blueberry anthocyanin,BA)是一種黃酮類水溶性天然色素，具有抗氧化、延緩衰老等功能，在食品和化妝品等行業(yè)有巨大潛力[7-8]。花青素在不同pH值條件下顏色不同，在酸性條件下為紅色，中性為紫色，堿性為藍色，可以作為天然pH指示劑。利用花青素對pH值的指示作用制備包裝膜，能夠及時準確分析出食品新鮮度，成為現階段研究熱點[1,5-6,9-10]。

結冷膠(gellan gum,GG)是一種新型、安全的陰離子型胞外多糖，具有透明度高、耐高溫、耐酸的特點，作為增稠劑和穩(wěn)定劑在食品(果凍、果醬、飲料等)、生物藥品以及工業(yè)領域中廣泛應用，但其機械強度差，限制了應用，因此常與不同的多糖如魔芋膠、黃原膠等復配可以提高其機械性能[11-15]。沙蒿膠(ArtemisiasphaerocephalaKrasch gum，AS)是從沙蒿種子表面提取出的多糖類膠質，易吸水、且黏度較強，成膜性良好，常作為增稠劑用于面團中，改變面團的硬度和穩(wěn)定性[10,16-17]。通過復配可以改善單一膠體的缺陷，提高其性能和降低生產成本[14]。

本論文以結冷膠、沙蒿膠和藍莓花青素為原料，制備結冷膠/沙蒿膠-藍莓花青素智能指示膜，通過測定膜的色差、機械性能、水溶性、水蒸氣透過率、紅外分析和微觀結構，分析其性能和可行性，以期為新型食品保鮮膜提供基礎理論數據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

藍莓花青素：70%(體積分數)乙醇提取后，50 ℃旋轉蒸發(fā)干燥后冷低溫避光保藏(花青素質量濃度0.98 mg/mL)。結冷膠、沙蒿膠，食品級，美國唐瑞斯食品物料公司，其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

CR-400型色差儀，日本柯尼卡美能達公司；TA-XT plus質構儀，英國Stable Micro Systems公司；UV1800紫外分光光度計，日本島津公司；千分尺，上海量刃工具有限公司；DHG-940電熱恒溫鼓風干燥箱，上海三發(fā)科學儀器有限公司；HH-2數顯恒溫水浴鍋，金壇市瑞爾電器有限公司；Nicolet 67傅里葉紅外光譜儀，美國Thermo Nicolet公司；EVO MA15鎢燈絲掃描電子顯微鏡，德國卡爾·蔡司股份公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 膜的制備

將結冷膠和沙蒿膠按不同復配比例混合，在60 ℃水浴鍋中混合攪拌均勻至完全溶解，冷卻至室溫后，配制成60 mL質量濃度為10 g/L的復配體系，然后加入0.3 mL甘油和藍莓花青素，混合均勻，靜置除去氣泡。利用流延法將溶液均勻鋪在塑料模具(180 mm×110 mm)上，在50 ℃下干燥36 h，然后在干燥器內(飽和MgNO3溶液，相對濕度為45%左右)平衡48 h后揭膜，測定膜的性能。分別制成結冷膠-藍莓花青素膜(gellan gum-blueberry anthocyanin,GG-BA)，沙蒿膠-藍莓花青素膜(ArtemisiasphaerocephalaKrasch gum-blueberry anthocyanin,AS-BA)和結冷膠/沙蒿膠-藍莓花青素膜(gellan gum/ArtemisiasphaerocephalaKrasch gum-blueberry anthocyanin,GG/AS-BA)。

1.3.2 抗拉伸強度(tensile strength,TS)與斷裂延伸率(elongation at break,EAB)

采用千分尺研究膜的厚度，在待測膜上隨機取5個點，用千分尺測量厚度(單位精確到0.01 mm)，取其平均值。

將膜裁成2.0 cm×9.0 cm的長條，采用質構儀測定膜的機械性能，拉伸載荷20 g，上下夾片距離為50 mm，拉伸速率0.2 mm/s。

抗拉伸強度：膜在軸向拉伸力作用下，破裂前承受的最大拉伸載荷同膜寬度與厚度乘積的比值，計算如公式(1)所示：

(1)

式中：TS，抗拉伸強度，MPa；F，軸向拉伸力，N；L，膜的寬度，mm；S，膜的厚度，mm。

斷裂延伸率：膜拉斷時長度的變化率，計算如公式(2)所示：

(2)

式中：EAB，斷裂延伸率，%；L1，樣品拉伸前的長度，mm；L，樣品拉伸后的長度，mm。

1.3.3 水蒸氣透過率(water vapor permeability,WVP)與水溶性

水蒸氣透過率參照杯式法進行測定，將無水CaCl2在200 ℃的烘箱中充分烘干冷卻，稱取5 g放在錐形瓶中，測量膜的厚度并用膜將錐形瓶口封好，稱取錐形瓶的重量后，將其放在相對濕度為75%(飽和NaCl溶液)的干燥器內，以保持膜內外的蒸氣壓差。每天稱取其質量，待質量不變時，得出錐形瓶的質量變化。計算如公式(3)：

(3)

式中：WVP，水蒸氣透過率，g·m/(d·Pa·m2)；q，杯子增加的質量平均值，g；t,時間，d;d，膜厚度，m；s，膜的試驗面積，m2；Δp，膜兩側的蒸汽壓差，Pa。

采用溶解時間衡量膜的水溶性。將制得的膜剪成1 cm×1 cm大小，放入盛有30 mL蒸餾水的燒杯中，然后將燒杯放入60 ℃恒溫水浴鍋中，開始計時，記錄膜溶解需要的時間。

1.3.4 花青素與膜對pH的響應

將制備的花青素置于pH為2～12的緩沖液內，靜置5 min后，觀察顏色的變化。將花青素溶液進行可見光譜掃描，波長范圍400～750 nm。

將制得的膜剪成3 cm×3 cm大小，分別放入盛有pH為2～12的緩沖液內，靜置5 min后，觀察膜顏色的變化。

1.3.5 掃描電子顯微鏡分析(scanning electron microscopy,SEM)

樣品經噴金后采用鎢燈絲電子掃描電鏡觀察。

1.3.6 傅里葉紅外光譜掃描分析(fourier infrared spectroscopy scanning,FTIR)

干燥后的樣品，采用傅里葉紅外光譜儀進行掃描檢測，掃描范圍4 000～400 cm-1，分辨率4 cm-1。

1.4 數據統(tǒng)計及分析

采用SPSS 24.0軟件分析數據，數據采用5個獨立樣品的平均值±標準差表示，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)進行顯著性差異分析[18-19]，顯著水平α=0.05，采用Origin 9軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 藍莓花青素的顏色變化與可見光譜吸收

如圖1所示，pH為2～6時，藍莓花青素溶液為紅色，且顏色逐漸變淺；pH在7～8時，溶液顏色為紫紅色；pH為9～11時，為藍綠色，并逐漸變深；pH為12時，為褐色。這是由于藍莓花青素含有2-苯基苯并吡喃陽離子,隨著pH的變化而產生不同顏色變化，也就是說藍莓花青素在pH 2～12時會呈現不同的顏色。因此藍莓花青素可以作為判斷pH值變化的響應指標。

由圖2也可以看出，pH為2～6時，藍莓花青素溶液的最大吸收波長在526 nm處，且隨著pH值升高，最大吸收波長增加，同時也可以看到其吸光度明顯下降。當pH為8～12時，最大吸收波長在589 nm附近。A640/A540的比值表示紅色強度與綠色強度比值，能夠反映顏色的變化[2,5]?？梢钥闯鲈趐H 2～12時，隨著pH值增大，比值越大，說明溶液顏色由紅色變?yōu)榫G色，且不斷加深，指數方程y=0.056 8x+0.157 1,R2=0.968 5。這一結果與ZHAI等[6]結果一致，表明藍莓花青素可以作為一種很好的天然指色劑[5]。

2.2 紅外光譜分析

2.3 電鏡掃描分析

由圖4可以看出，3種膜都表現出致密、均勻的截面，其表面微結構上沒有檢測到孔或氣泡，這表明薄膜是均勻的，說明沙蒿膠、結冷膠和藍莓花青素具有良好的相容性。這一結果也與沙蒿膠/羧甲基纖維素鈉-紅甘藍花青素膜的結果一致[10]。

2.4 膜的機械性能

從表1可以看出，添加沙蒿膠后，復配比4∶6(質量比)的膜厚度達到0.079 mm，復配比8∶2(質量比)的花青素膜的斷裂延伸率最大為47.36%，抗拉強度22.08 MPa?；ㄇ嗨啬ず穸仍黾?，可能是沙蒿膠與結冷膠之間產生了弱的相互作用，并降低了結冷膠分子間的相互作用，使分子間距離增大，從而使復合膜的厚度增加。復合膜的抗拉伸強度降低，可能是加入的沙蒿膠降低了結冷膠分子間的致密結構，使得復合膜的抗拉伸強度降低。斷裂延伸率呈現增大趨勢可能是由高濃度的沙蒿膠所形成的松散膜結構所致。

注：同列肩標不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

2.5 水蒸氣透過率和水溶性

如圖5所示,添加沙蒿膠后，結冷膠/沙蒿膠-藍莓花青素膜的水蒸氣透過率增大，且復配比例為8∶2(質量比)時最大，WVP為7.643×10-6g·m/(d·Pa·m2)，這可能是沙蒿膠與結冷膠的相互作用，降低了結冷膠的致密結構，因此水蒸氣透過率增大，這一結果與也復合膜厚度增加一致。同時可以看出添加沙蒿膠后，膜在蒸餾水中的溶解時間增加，可能是沙蒿膠的溶解速度低于結冷膠，因而沙蒿膠含量越大，復合膜的溶解時間越長，水溶性越差。

2.6 膜的pH指示作用

如圖6所示，在pH 2～7時，該膜為紅色，并逐漸變淺；pH 8～11，為藍紫色，并逐漸變深；pH 12時，為綠色。由此可知制備的花青素膜對不同pH響應顏色差異明顯。因此結冷膠/沙蒿膠-藍莓花青素膜的顏色變化可以作為判斷食物新鮮度的指標[20-21]。

3 結論

紅外掃描和電鏡分析表明沙蒿膠與結冷膠及藍莓花青素之間具有良好的相容性。添加沙蒿膠的結冷膠/沙蒿膠-藍莓花青素膜的厚度、膜的斷裂延伸率、水蒸氣透過率增大，而抗拉伸強度、水溶性降低；在pH 2～7時，復合膜顏色為紅色，且顏色逐漸變淺；pH 8～12時，為藍紫色，且顏色逐漸加深。復合膜對pH的指示作用顯著，在酸性條件下，膜為紅色，且隨pH增大顏色逐漸變淺，pH 8～12時，為藍紫色。制備的結冷膠/沙蒿膠-藍莓花青素膜對pH值有明顯指示作用，可以作為食品新鮮度的一種智能指示膜。