海藻酸鈉-魚明膠復(fù)合可食膜的制備及特性研究

董宇豪 陳 浩 吳志宇 喬 鵬 劉子菁

（山東大學(xué)（威海）海洋學(xué)院 山東威海 264200）

目前，以石油基聚合物為原料的塑料保鮮膜，因具有良好的阻隔性能，而被大量生產(chǎn)并廣泛應(yīng)用于食品行業(yè)，然而，其不可降解性也導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境問題相伴而生。隨著石油資源的日益枯竭，以及食品包裝材料引發(fā)的食品安全問題日益頻發(fā)，新型綠色、環(huán)保的食品包裝材料亟待開發(fā)?？墒秤媚な且蕴烊豢墒成锎蠓肿游镔|(zhì)（如蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、糖類等）為原料，經(jīng)混合、涂布、烘干等步驟制得的可食用，可用于食品保鮮，并具有包裝保護(hù)功能的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的薄膜[1-2]?？墒巢牧狭己玫纳锵嗳菪?，亦可作為抗氧化劑、抗菌劑、風(fēng)味劑、益生菌等功能性物質(zhì)的良好載體，不僅能延長食品的保質(zhì)期，而且可以提高其營養(yǎng)價值，具有良好的應(yīng)用前景[3]。

依據(jù)成膜基質(zhì)，可將可食膜分為單網(wǎng)絡(luò)膜和復(fù)合膜兩種。單網(wǎng)絡(luò)可食膜是利用一種成膜基質(zhì)制作而成，成膜工藝簡單。由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)單一，會導(dǎo)致其存在質(zhì)地粗糙，吸潮變質(zhì)嚴(yán)重，機(jī)械性能差等問題。為改善單網(wǎng)絡(luò)可食膜的各項(xiàng)性能，往往將兩種或以上的成膜基質(zhì)復(fù)合使用，制備復(fù)合可食膜。相較于單網(wǎng)絡(luò)膜，復(fù)合可食膜利用不同成膜材料間的協(xié)同增效作用，提高了可食膜的流變學(xué)、力學(xué)及熱穩(wěn)定性等各項(xiàng)性能。例如，湯秋冶等[4]以海藻酸鈉為基材，研究ε-聚賴氨酸的添加量對ε-聚賴氨酸-海藻酸鈉膜的物理特性及抗菌性能的影響，發(fā)現(xiàn)復(fù)合膜熱穩(wěn)定性較單一膜有所提高（融化溫度由195.83℃升至198.71℃），且其抑菌性能隨ε-聚賴氨酸濃度的增大而得到顯著改善。然而，目前作為可食膜制備基質(zhì)的生物大分子材料仍相對匱乏，亟待開發(fā)新型的可食膜成膜體系。

魚明膠是經(jīng)魚皮、魚骨、魚頭等水產(chǎn)品加工副產(chǎn)物中水解，提取獲得的高分子多肽物質(zhì)，具有良好的乳化、凝膠及成膜特性。將其作為可食膜制備原料，可充分利用水產(chǎn)品加工下腳料，減少資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，延長水產(chǎn)品加工產(chǎn)業(yè)鏈條，提高水產(chǎn)加工業(yè)經(jīng)濟(jì)效益[5]。海藻酸鈉是一種天然陰離子多糖，具有可降解性，良好的生物相容性和拉伸性能。研究發(fā)現(xiàn)，海藻酸鈉分子中存在大量的-COONa和-OH活性基團(tuán)，可與細(xì)菌細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)復(fù)合物和脂類發(fā)生反應(yīng)，改變細(xì)菌細(xì)胞膜的通透性，使細(xì)菌不能正常代謝，因而具有一定的抑菌活性。此外，海藻酸鈉膜對氣體的選擇透過性，可以限制膜外氧氣的透過，從而獲得良好的保鮮效果[6]。

鑒于此，本文以魚明膠和海藻酸鈉兩種生物大分子為基質(zhì)，以甘油為增塑劑，經(jīng)流延法加工成膜?？疾觳煌Ｔ逅徕c-魚明膠配比條件下，復(fù)合膜的隔水性、水溶性、含水量、機(jī)械性能、抗菌能力及保鮮效果等，以期獲得較理想的海藻酸鈉-魚明膠復(fù)合可食膜成膜條件，為后續(xù)研究提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

魚明膠（500 g/250 BL-60），嘉吉亞太食品系統(tǒng)（北京）有限公司；金黃色葡萄球菌[CMCC（B）26003]、大腸埃希氏菌[ATCC25922]，上海魯微科技有限公司。

海藻酸鈉，鄭州鴻瑞食品有限公司；甘油，天津市河?xùn)|區(qū)紅巖試劑廠；溴化鈉，天津市博迪化工有限公司；無水氯化鈣，天津市巴斯夫化工有限公司；甘油、溴化鈉、無水氯化鈣均為分析純級。

1.2 儀器與設(shè)備

B-260恒溫水浴鍋，上海亞榮生化儀器廠；RH-KT/C磁力攪拌器，艾卡（廣州）儀器設(shè)備有限公司；EMS-12磁力攪拌器，天津歐諾儀器儀表有限公司；YP601N電子天平，上海精密科學(xué)儀器有限公司；CP224C電子天平，奧豪斯儀器（上海）有限公司；DHG-9140A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；KQ-300B超聲波清洗器，江蘇省昆山市超聲儀器有限公司；NR110精密色差儀，深圳市三恩馳科技有限公司；211-101數(shù)顯千分尺，東莞市景有模具五金有限公司；LDZM-60KCS-Ⅱ立式壓力蒸汽滅菌器，上海申安醫(yī)療器械廠；FLC-3超凈工作臺，哈爾濱市東聯(lián)公司；GI7-2恒溫培養(yǎng)箱，美國SHELLAB制造股份有限公司；SHB-ⅢG臺式循環(huán)水式多用真空泵，鄭州科工貿(mào)有限公司；T6新世紀(jì)型紫外可見分光光度計(jì)，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；60D佳能單反相機(jī)+50mm F1.8定焦鏡頭。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 膜的制備 稱量一定質(zhì)量的海藻酸鈉和魚明膠溶于50mL去離子水中，海藻酸鈉和魚明膠配比如表1所示。磁力攪拌4～6 h至樣品充分溶解后加入甘油（質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%），繼續(xù)攪拌10min。將混合好的樣品置于70℃水浴鍋中加熱40min（期間不斷攪拌），取出后立即放入超聲水浴鍋中脫氣30min。取10 g脫氣后的溶液倒入直徑為90mm的塑料培養(yǎng)皿中，放入烘箱中（50℃）干燥6 h。將制備好的可食膜放入盛有飽和KBr溶液的干燥皿（RH 60%，室溫）中保存，24 h后測定各項(xiàng)膜性能[7-8]。

表1 海藻酸鈉-魚明膠復(fù)合可食膜基質(zhì)添加量Table1 Concentration of sodium alginate and fish gelatin in the composite edible film

1.3.2 復(fù)合膜厚度的測定 將可食膜小心地從培養(yǎng)皿中揭下，取中間部位剪出10mm×10mm的正方形。用千分尺測定4個頂點(diǎn)及中心點(diǎn)的厚度，計(jì)算平均值，計(jì)為該膜的厚度。

1.3.3 復(fù)合膜水蒸氣透過率的測定 在口徑10 mm的玻璃瓶中加入4 g無水氯化鈣，取略大于瓶口無破損的復(fù)合可食膜，附于瓶口，用凡士林粘合。稱重后置于干燥皿中回軟，干燥皿內(nèi)部RH 60%，在20℃環(huán)境下保持平衡，4 d后稱量質(zhì)量，每個試樣做3組平行[9]。計(jì)算水蒸氣透過率的公式：

式中，WVP——水分透過率，gm-1d-1MPa-1；Δm——玻璃瓶質(zhì)量增加量，g；d——膜的厚度，m；A——膜的有效透濕面積，m2；t——透濕時間，d；ΔP——膜兩側(cè)水蒸氣壓力差，MPa。

1.3.4 復(fù)合膜溶解率的測定 稱量1 g左右膜樣品，浸沒于100mL去離子水中溶解24 h，用濾紙過濾后，將濾紙置于玻璃培養(yǎng)皿內(nèi)，在50℃烘箱中干燥6 h至恒重，稱得濾紙質(zhì)量。計(jì)算膜的溶解率Q的公式為：

式中，m0——過濾前濾紙質(zhì)量，g；m1——膜樣品質(zhì)量，g；m2——干燥后濾紙質(zhì)量，g。

1.3.5 復(fù)合膜含水量的測定 稱量1 g左右膜樣，將其放入一干燥至恒重的鋁盒中，稱重后在105℃下干燥至恒重，再稱重。計(jì)算膜含水率H的公式為：

式中，m1——膜樣品質(zhì)量，g；m2——干燥前鋁盒及膜樣品質(zhì)量，g；m3——干燥后鋁盒及膜樣品質(zhì)量，g。

1.3.6 復(fù)合膜外觀及色差分析 將樣品剪成10 mm×10 mm的正方形，放到白色A4紙上觀察其顏色。隨后置于一張印滿字母“A”的A4紙上，拍照比較其透明度。具體數(shù)值用色彩色差計(jì)進(jìn)行測量。色差計(jì)算公式為：

1.3.7 復(fù)合膜抗拉強(qiáng)度測試 將樣品剪裁成40 mm×10mm大小，用質(zhì)構(gòu)儀測定樣品抗拉強(qiáng)度，設(shè)置拉伸速度為5mm/s，模式為拉斷模式。

1.3.8 復(fù)合膜抗菌性比較 選擇大腸桿菌（ATCC25922）和金黃色葡萄球菌[CMCC（B）26003]為代表，將菌種在LB培養(yǎng)基上均勻涂布，將直徑為5mm的圓形膜樣品置于培養(yǎng)基上，在37°C環(huán)境下培養(yǎng)大腸桿菌12 h，培養(yǎng)金黃色葡萄球菌18 h。觀察抑菌情況。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)膜樣品直接接觸培養(yǎng)基時會吸水皺縮，影響試驗(yàn)結(jié)果。為此，倒膜時在模具中放置一張濾紙，與膜液一起干燥。

1.3.9 復(fù)合膜實(shí)際保鮮效果測定 取蘋果中間部位果肉將其切成20mm×20mm×15mm的立方體，稱重后用膜樣品完全包被，選無膜包被及塑料保鮮膜包被的蘋果作為對照，置于敞口培養(yǎng)皿中，室溫下放置8 h后稱重，用失重率表示膜的保鮮效果。失重率計(jì)算公式為：

式中，R——失重率，%；m1——蘋果的初始重量，g；m2——貯存一定時間后的質(zhì)量，g。

1.4 數(shù)據(jù)處理

若無特殊說明，試驗(yàn)中每個樣品設(shè)置3組平行，每個指標(biāo)平行測定3次，數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2010處理，使用Origin 9.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 海藻酸鈉-魚明膠配比對復(fù)合膜水蒸氣透過率的影響

水蒸氣透過率是衡量可食膜阻水性的一個重要指標(biāo)。其數(shù)值越小，說明水蒸氣越不易透過，復(fù)合膜阻隔水的性能越好，防潮防腐效果亦越好，越有利于延長食品的貨架期[10]。

不同復(fù)合膜基質(zhì)配比的水蒸氣透過性如圖1所示，除樣品4外，復(fù)合膜的水蒸氣透過率相較于單一的海藻酸鈉膜和魚明膠膜均有所減小，且隨著海藻酸鈉濃度的增加，隔水性不斷增強(qiáng)，復(fù)合膜中樣品4的WVP最高，為7.35 gm-1d-1MPa-1，當(dāng)海藻酸鈉-魚明膠的質(zhì)量比例為1∶1時，水蒸氣透過率最小，為2.80 gm-1d-1MPa-1。

復(fù)合膜的WVP隨著海藻酸鈉的增加大致呈下降趨勢。分析其原因可能是：（1）海藻酸鈉是一種酸性陰離子多糖，在水溶液中呈電負(fù)性，而魚明膠在水溶液中帶正電性，隨著海藻酸鈉濃度的增加，海藻酸鈉與魚明膠分子形成靜電復(fù)合物，使膜分子間緊密排列，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加致密，改善了薄膜對水蒸氣的阻隔性[11]。（2）相較復(fù)合膜來說，單一膜的分子間隔較大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)單一，水分子則較容易透過。單一海藻酸鈉膜的隔水性最差，推測原因可能是由于海藻酸鈉本身含有大量親水基團(tuán)，容易吸水導(dǎo)致[12-13]。

2.2 海藻酸鈉-魚明膠配比對復(fù)合膜溶解性的影響

如圖2所示為不同可食膜的溶解率，可以看出海藻酸鈉單一膜在水中的溶解率最大為93.59%，而魚明膠單一膜的溶解率最小為45.24%。復(fù)合膜的溶解率在60%～70%之間，且其溶解性隨海藻酸鈉配比增加而增大，其中樣品6的溶解率最大為73.92%。

呈現(xiàn)這一趨勢的原因有兩方面：（1）海藻酸鈉中含大量-COOH（Na）和-OH，可與水形成氫鍵，在海藻酸鈉分子表面形成一層水化膜，是良好的親水膠體；（2）隨著海藻酸鈉濃度的增加，與魚明膠之間形成的靜電復(fù)合物增加，海藻酸鈉分子鏈伸展，暴露出更多親水基團(tuán)。因此隨著海藻酸鈉比例的增加，復(fù)合膜溶解性隨之增加。

圖1 海藻酸鈉-魚明膠配比對復(fù)合膜水蒸氣透過率的影響Fig.1 Effect of sodium alginate-fish gelatin ratio on WVP of composite films

圖2 海藻酸鈉-魚明膠配比對復(fù)合膜溶解性的影響Fig.2 Effect of sodium alginate-fish gelatin ratio on the solubility of composite films

2.3 海藻酸鈉-魚明膠配比對復(fù)合膜含水率的影響

含水量可以反映可食膜樣品保持水分的能力。由圖3可以看出海藻酸鈉單一膜的含水率最高，為25.80%，魚明膠單一膜的含水率最低，為14.75%。而魚明膠-海藻酸鈉復(fù)合膜的含水率隨配比改變的變化不顯著，含水率在15%～19%之間。一般在常溫下保存干燥食品時，較低的含水量對食品長期保存比較有利[14]。從這個角度來看，樣品5和樣品6是最好的食品包裝材料。而對于水果、水產(chǎn)品、肉類等水分含量較高的鮮食食品，則需要保持一定的水分含量。

圖3 海藻酸鈉-魚明膠配比對復(fù)合膜含水率的影響Fig.3 Effect of sodium alginate-fish gelatin ratio on the moisture content of composite films

2.4 海藻酸鈉-魚明膠配比對復(fù)合膜外觀及色差值的影響

據(jù)肉眼觀察，魚明膠單一膜呈無色透明狀，表面較光滑；海藻酸鈉單一膜呈淡黃色透明狀，表面略微有顆粒狀突起，并有極細(xì)小氣泡混雜在膜中，可能由于其溶液黏度較大所致。隨海藻酸鈉配比增加，復(fù)合膜的顏色由無色透明逐漸變?yōu)闇\淡鵝黃色。

由于復(fù)合膜膜液的黏度隨海藻酸鈉配比增加而不斷提高，攪拌過程產(chǎn)生的氣泡隨之增多。脫氣后仍有一些極細(xì)小的氣泡，成膜后混雜在膜中，使膜表面變得粗糙?？傮w來看，透過各個樣品觀察背景字母都比較清晰，透明度均較良好（圖4）。

表2所示為不同樣品的色差值。以樣品1為對照計(jì)算色差值ΔE*ab，可見ΔE*ab隨著復(fù)合膜中海藻酸鈉比例的增加呈上升趨勢，表明復(fù)合膜樣品的顏色隨海藻酸鈉比例的增加逐漸加深，樣品6的ΔE*ab最高為6.53，即與樣品1呈現(xiàn)出肉眼可見的差別。這可能是因?yàn)樵诩訜釘嚢柽^程中，魚明膠與海藻酸鈉發(fā)生了緩慢的美拉德反應(yīng)，而在該比例（1∶1）下，反應(yīng)發(fā)生的速率最快，生成的褐色物質(zhì)最多，因而可食膜的顏色最深。另外，海藻酸鈉單一膜的L*值最高，復(fù)合膜樣品中隨著海藻酸鈉比例的增加，a*和b*均呈增加趨勢，因此出現(xiàn)圖4中膜逐漸偏黃色的變化。

表2 海藻酸鈉-魚明膠配比對復(fù)合膜色差值的影響Table2 Effect of sodium alginate-fish gelatin ratio on the chromatism of composite films

圖4 海藻酸鈉-魚明膠配比復(fù)合膜外觀的影響Fig.4 Effect of sodium alginate-fish gelatin ratioon the appearance of composite films

2.5 海藻酸鈉-魚明膠配比對復(fù)合膜機(jī)械性能的影響

抗拉強(qiáng)度（TS）是描述膜機(jī)械性能的參數(shù)，代表外力拉扯下膜斷裂的難易程度，高TS的膜更有利于保持其在實(shí)際應(yīng)用過程中的完整性[15]。單一膜樣品1和樣品7比較，樣品1的抗拉強(qiáng)度大于樣品7，分析其原因可能是：（1）樣品7的基質(zhì)濃度低于樣品1的基質(zhì)濃度；（2）海藻酸鈉成膜的韌性較魚明膠差，所以樣品7的抗拉強(qiáng)度最小，為173.50 g·f。隨海藻酸鈉配比的增加，抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢，樣品2的抗拉強(qiáng)度最大，為458.00 g·f?？赡苡捎跇悠?中魚明膠含量較高，蛋白之間相互作用較強(qiáng)，從而使復(fù)合膜的機(jī)械性能得到提高[16]。當(dāng)海藻酸鈉配比繼續(xù)增加時，樣品6的抗拉強(qiáng)度增大至397.00 g·f。海藻酸鈉是線性多糖，其分子與魚明膠分子發(fā)生作用，隨著海藻酸鈉比例的提高，復(fù)合膜兩基質(zhì)之間形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越緊密，其所能承受的形變程度越高，即抗拉強(qiáng)度會隨之提高[17]。此外，樣品2的抗拉強(qiáng)度較魚明膠單一膜增加了14.5%，且所有復(fù)合膜樣品的強(qiáng)度都在300 g·f以上，均可用作干果或調(diào)味品等食品的內(nèi)包裝[7]。

2.6 海藻酸鈉-魚明膠配比對復(fù)合膜抗菌性的影響

金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和大腸桿菌（Escherichia coli）是兩種常見的微生物。人體食用受這兩種細(xì)菌污染的食物后，會產(chǎn)生食物中毒現(xiàn)象。我國各種食品安全標(biāo)準(zhǔn)都嚴(yán)格限制這兩種微生物在食品中的數(shù)量。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)所有樣品在布滿大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的培養(yǎng)基上都沒有出現(xiàn)抑菌圈，而樣品膜覆蓋下的培養(yǎng)基也沒有出現(xiàn)菌落?？梢婔~明膠和海藻酸鈉的單一與復(fù)合膜均具有抑菌效果，與之前研究一致[10]。

2.7 海藻酸鈉-魚明膠配比對復(fù)合膜保鮮效果的影響

實(shí)際保鮮效果是衡量復(fù)合可食膜應(yīng)用性的重要指標(biāo)之一，蘋果作為日常食用的水果之一，可作為判斷復(fù)合膜的保鮮效果的樣品。為方便對照，另外設(shè)置空白和保鮮膜覆蓋兩組試驗(yàn)。

由圖6可以發(fā)現(xiàn)，蘋果樣品的失重率與海藻酸鈉的配比之間并無明顯規(guī)律。由于蘋果表面水分較多，而膜樣品吸水后，膜的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。膜吸水后分子之間的空隙變大，使膜出現(xiàn)褶皺，并使其隔水、隔氧能力下降，因此蘋果的失重情況比較嚴(yán)重，然而均優(yōu)于空白對照組，且褐變情況改善明顯。此外，可食膜對蘋果的水分散失抑制情況尚遠(yuǎn)不如保鮮膜。

3 結(jié)論

本文對海藻酸鈉-魚明膠復(fù)合可食膜的特性進(jìn)行研究，結(jié)果表明：

1）海藻酸鈉-魚明膠復(fù)合可食膜的水氣透過率、溶解性、含水量、抗拉強(qiáng)度和外觀特征與魚明膠和海藻酸鈉的濃度比例密切相關(guān)。

圖5 海藻酸鈉-魚明膠配比對抗拉強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of sodium alginate-fish gelatin ratio on the tensile strength of composite films

圖6 海藻酸鈉-魚明膠配比對失重率的影響Fig.6 Effect of sodium alginate-fish gelatin ratio on the weight-loss ratio of composite films

2）隨著海藻酸鈉濃度的增加，膜的隔水性、溶解性增強(qiáng)，含水量減小，隨著魚明膠濃度的增加，拉伸強(qiáng)度顯著增加，不同比例的復(fù)合膜均有抗菌能力。在對蘋果的保鮮試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，復(fù)合膜對表面潮濕的食品保藏效果不理想。

3）與單一膜相比，通過復(fù)合，可食膜的各項(xiàng)性質(zhì)較單一膜均有優(yōu)化。

4）從持水能力、抗拉強(qiáng)度及外觀構(gòu)象來看，質(zhì)量濃度為5 g/L海藻酸鈉+45 g/L魚明膠的復(fù)合膜性能最優(yōu)；從隔水性來看，各個配比的復(fù)合膜相差不大，均具有較強(qiáng)的隔水性，其中以質(zhì)量濃度為25 g/L海藻酸鈉+25 g/L魚明膠的復(fù)合膜最優(yōu)。綜合比較，質(zhì)量濃度5 g/L海藻酸鈉+45 g/L魚明膠是最佳的復(fù)合膜配比，其抗拉強(qiáng)度為397.00 g·f，水蒸氣透過率為2.80 gm-1d-1MPa-1，含水率為16.00%，溶解率為73.92%，比較適宜干燥食品的保存。