L-阿拉伯糖、增塑劑復合改性魚皮明膠可食用膜制備工藝研究

張強，殷麗君，2，陳復生*

（1.河南工業(yè)大學糧油食品學院，河南 鄭州 450001；2.中國農(nóng)業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院，北京 100083）

隨著現(xiàn)代社會的迅猛發(fā)展，我國每年使用和廢棄塑料的規(guī)模與日俱增，塑料包裝膜憑借其優(yōu)異的包裝性能被廣泛應用于食品包裝，但在所有使用的塑料包裝膜中，僅有9%在使用周期結束時被回收，這些聚合物在環(huán)境中的不斷積聚成為全球關注的焦點[1]。 可食用膜是以人體可消化的生物大分子物質(zhì)及其衍生物（蛋白質(zhì)、多糖和脂類等物質(zhì)）為原料，輔以可食性改良劑（如交聯(lián)劑、增塑劑、生物活性物質(zhì)等），利用分子間氫鍵及靜電相互作用而形成的一種具有屏障和一定選擇透過性的多孔網(wǎng)絡結構薄膜[2]。 因此，開發(fā)環(huán)保且可食用的包裝膜材料成為各國研究的重點。

以魚皮明膠為基質(zhì)生產(chǎn)安全可食用的薄膜材料，不僅可以解決包裝本身帶來的環(huán)境污染等問題，還能提高水產(chǎn)品下腳料的綜合利用價值。 但明膠膜存在的一些顯而易見的缺點已經(jīng)嚴重阻礙了其在實際生產(chǎn)生活中的應用，尤其是力學性能方面，如質(zhì)脆、易破裂等。 根據(jù)楊帥帥等[3]的研究結果，在不添加任何增塑劑的條件下制備的明膠膜往往具有較好的拉伸強度（tensile strength，TS）和較差的斷裂伸長率（elongation at break，EAB）。 Cao 等[4]的研究同樣發(fā)現(xiàn)，依靠改變明膠和大豆分離蛋白兩種成膜基質(zhì)的配比來制備的食用膜TS 有一定改善，但對延展性幾乎沒有什么影響。 因而，針對明膠膜的韌性進行改性研究變得十分必要。

對明膠膜進行改性是使其獲得理想性能最常用的方式，其中包括：增塑劑改性、交聯(lián)劑改性和共混改性等。 同時，國內(nèi)外有關明膠膜的研究多集中在明膠與天然高分子復合等領域，而利用小分子糖、甘油和山梨醇對魚皮明膠復合改性并制備可食用膜的研究還尚未見報道。因此，本文主要研究了L-阿拉伯糖、甘油和山梨醇復合改性魚皮明膠膜的制備工藝，以期獲得斷裂伸長率及拉伸強度俱佳的可食用膜材料，為蛋白基可食用膜的進一步研究提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器

魚皮明膠（fish gelatin，F(xiàn)G）：越南永和股份有限公司；L-阿拉伯糖（L-arabinose，Ara）：山東龍力生物科技有限公司；甘油、山梨醇：天津市科密歐化學試劑有限公司；所有試劑均為分析純。

QUINTIX224 型分析天平：德國Sartorius 公司；DZF-1 型真空干燥箱：北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司；90-2 型恒溫磁力攪拌器：上海精科實業(yè)有限公司；GM-280F型測厚儀：華清儀器儀表（深圳）有限公司；TAXT-plus型物性測定儀：英國SMS 公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 L-阿拉伯糖與魚皮明膠可食用膜的制備

按質(zhì)量比稱取L-阿拉伯糖和魚皮明膠，邊攪拌邊加入去離子水混勻， 緩慢滴加不同比例的增塑劑，繼續(xù)攪拌30 min，隨后在水浴條件下加熱攪拌一定時間，得到不同蛋白濃度且完全溶解的魚皮明膠成膜液。 然后將其置于0.09 MPa 真空干燥箱中脫氣，將脫氣后的成膜液倒入聚碳酸脂培養(yǎng)皿（90 mm）中，烘箱干燥4 h成膜，注意保持盛膜培養(yǎng)皿的水平。 烘干后冷卻揭膜，儲存在盛有飽和Mg（NO3）·6H2O 溶液的干燥器中，相對濕度（50±3）%保存48 h 后待測。

1.2.2 單因素試驗

通過單因素試驗，研究成膜液濃度、L-阿拉伯糖∶魚皮明膠質(zhì)量比、甘油∶山梨醇質(zhì)量比、增塑劑濃度、水浴時間、水浴溫度等因素對可食用膜機械性能的影響變化規(guī)律，單因素設計見表1。

表1 單因素設計Table 1 Single factor design

1.2.3 可食用膜的性能測定

1.2.3.1 厚度的測定

根據(jù)GB/T 6672—2001《塑料薄膜和薄片厚度測定機械測量法》[5]，用薄膜測厚儀測定厚度，每張膜對稱取9 個點（其中1 點為膜中心點），以平均值作為膜的厚度。

1.2.3.2 機械性能的測定

參照國家標準GB/T 1040.3—2006《塑料拉伸性能的測定第3 部分：薄塑和薄片的試驗條件》[6]，并在此基礎上進行修改：試樣大小為60 mm×10 mm，設定初始夾距30 mm，速度1 mm/s 參數(shù)下的物性儀測定拉伸強度（TS）和斷裂伸長率（EAB），每次做6 個平行樣，取平均值。 其計算公式分別如（1）和（2）。

式中：TS 為抗拉強度，MPa；F 為膜在斷裂時所承受的最大拉力，N；S 為膜的橫斷面積，mm2。

式中：EAB 為膜樣品斷裂伸長率，%；L0為膜樣品的長度，mm；L1為膜斷裂時的長度，mm。

1.2.4 L-阿拉伯糖與魚皮明膠可食用膜制備工藝的優(yōu)化

根據(jù)正交設計原理，在單因素試驗的基礎上，利用L-阿拉伯糖∶魚皮明膠質(zhì)量比（A）、 增塑劑濃度（B）、水浴溫度（C）、水浴時間（D）4 個單因素，確定3個水平進行L9（34）試驗見表2。 采用“綜合平衡法”，選取斷裂伸長率為主要響應指標、 拉伸強度為次要響應指標， 探討L-阿拉伯糖與魚皮明膠可食用膜的最優(yōu)制備工藝。

表2 L9（34）正交因子水平Table 2 L9（34）orthogonal factor level table

1.2.5 L-阿拉伯糖與魚皮明膠可食用膜制膜工藝優(yōu)化的數(shù)據(jù)處理

剔除失敗膜的結果，其中每組試驗至少重復3 次。試驗結果采用軟件SPSS 20 中Duncan′S 多重檢驗進行差異顯著性分析，P<0.05 認為數(shù)值差異顯著， 標注不同字母表示，采用Origin 2017 繪圖報告結果。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 成膜液濃度的選擇

成膜液濃度的大小， 不僅影響著溶液的黏度，還制約著溶液脫氣的容易程度。 當成膜液濃度較高時，薄膜厚度隨之增加，制膜的成本同樣上升；當成膜液濃度較低時，流動性增強，盛膜容器的水平度稍有變化，會造成薄膜厚薄不勻的現(xiàn)象。 因此，需要將成膜液的濃度控制在合適的范圍， 成膜液濃度對Ara-FG 可食用膜成膜性的影響見表3。

表3 成膜液濃度對Ara-FG 可食用膜成膜性的影響Table 3 Effect of film-forming solution concentration on the filmforming properties of Ara-FG edible film

由表3 可知， 所有濃度的明膠混合溶液均能夠完全溶解，且無沉淀產(chǎn)生。 這是由于溫度的升高，明膠大分子和水分子的活動性均有較大提升，此時，明膠分子鏈間的范德華力逐漸削弱，水分子和明膠大分子鏈極性基團間的相互作用有所增強，明膠分子逐漸分散到水中，從而實現(xiàn)完全溶解。

當成膜液濃度≤4%時無法形成薄膜， 這可能是由于蛋白濃度較低，經(jīng)干燥后未能形成支撐薄膜網(wǎng)絡的三維結構；當成膜液濃度達到6%時，單位面積明膠的含量增加，能夠形成薄膜，但部分難以揭下；當成膜液濃度≥8%時，溶液黏稠程度明顯增加，顏色逐漸呈現(xiàn)出明膠所固有的淡黃色，成膜性良好，尤其在濃度8%附近，成膜液均一，膜表面光滑；而隨著成膜液濃度進一步增加，成膜液顏色加深，烘干薄膜所需要的時間隨之延長，且膜表面產(chǎn)生褶皺，影響外觀評價。 經(jīng)反復試驗研究，綜合考慮成本以及薄膜狀態(tài)，本研究選用濃度為8%成膜液開展后續(xù)試驗。

2.1.2 L-阿拉伯糖與魚皮明膠質(zhì)量比對可食用膜機械性能的影響規(guī)律研究

拉伸強度和斷裂伸長率是衡量包裝材料力學性能主要的參考因素，良好的食品包裝膜應具有一定的強度和韌性，從而起到在流通過程中對食物的保護作用[7]。 在成膜過程中，明膠線性高分子基團相互纏繞盤結，分子鏈在范德華力的作用下產(chǎn)生交聯(lián)，分子流動性下降，形成支撐骨架的三維結構網(wǎng)絡。 同時，分子量較小的阿拉伯糖穿插到明膠網(wǎng)絡結構內(nèi)部，在還原糖與蛋白同時存在的情況下，羰氨反應的發(fā)生同樣增強了復合膜的機械性能。

L-阿拉伯糖與魚皮明膠質(zhì)量比對可食用膜機械性能的影響見圖1。

圖1 L-阿拉伯糖∶魚皮明膠質(zhì)量比對Ara-FG 可食用膜機械性能的影響Fig.1 Effect of L-arabinose-fish gelatin mass ratio on mechanical properties of Ara-FG edible film

由圖1 可以看出，Ara ∶FG 質(zhì)量比（0 ∶10）的TS 為（13.11±0.86）MPa，這與CAO 等[4]研究的結果一致。 隨著Ara ∶FG 中L-阿拉伯糖占比的增加，TS 呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。這可能是由于L-阿拉伯糖與魚皮明膠間存在著一定的作用位點，L-阿拉伯糖加入后在氫鍵、共價鍵等作用下迅速發(fā)生交聯(lián)反應，使得膜結構更加緊密， 并且在質(zhì)量比為1 ∶9 時，TS 達到最大值（23.53±2.71）MPa。 但隨著L-阿拉伯糖進一步增加，魚皮明膠膜的TS 反而降低， 推測可能是兩者間僅存在有限的作用位點， 當L-阿拉伯糖超過一定限度后，過量的L-阿拉伯糖分子從明膠結構網(wǎng)絡中游離出來，從而導致TS 的下降。 添加L-阿拉伯糖后， 可食用膜EAB 在L-阿拉伯糖∶魚皮明膠質(zhì)量比在1 ∶9 時達到最小值，這同樣歸因于致密的網(wǎng)絡結構降低了明膠膜的延展性能，而繼續(xù)升高L-阿拉伯糖比例后，可食用膜的EAB 值并沒有維持在較低水平， 反而顯著升高（P<0.05），這可能是由于分子量較小的阿拉伯糖，能夠競爭性地與明膠分子結合， 削弱明膠的剛性結構，從而增加了可食用膜的柔韌性。

在本試驗中，較高比例L-阿拉伯糖制備的可食用膜不僅難以揭下，而且容易發(fā)生粘連，不利于性能測試和后期儲藏。 綜上，本研究的預期是改善Ara-FG 可食用膜作為包裝材料的機械性能， 同時兼顧成本，最終選定Ara-FG 質(zhì)量比為0 ∶10、1 ∶9、2 ∶8 進行正交設計試驗。

2.1.3 甘油與山梨醇質(zhì)量比對可食用膜機械性能的影響規(guī)律研究

增塑劑是一類小分子量物質(zhì)， 將其添加到蛋白、多糖等薄膜基質(zhì)中，可以迅速到達物質(zhì)內(nèi)部，削弱大分子分子內(nèi)或分子間的作用力，增大了體系的自由體積和分子鏈的流動性，從而改善薄膜的柔韌性。 支雅雯等[8]研究表明，混合增塑劑的增塑效果要明顯優(yōu)于單一增塑劑。 甘油與山梨醇質(zhì)量比對Ara-FG 可食用膜機械性能的影響見圖2。

圖2 甘油與山梨醇質(zhì)量比對Ara-FG 可食用膜機械性能的影響Fig.2 The effect of plasticizer mass ratio on the mechanical properties of Ara-FG edible film

由圖2 可以得出，Ara-FG 可食用膜的TS 隨山梨醇比例的升高而逐漸增大，EAB 隨著山梨醇濃度的增加而降低。 增塑劑對可食用膜的影響之所以表現(xiàn)出較大的不同，這可能是因為增塑劑中的極性羥基基團與成膜基質(zhì)之間形成了新的氫鍵，從而部分取代膜中大分子物質(zhì)之間的相互作用。 此外，增塑劑分子的大小、結構、羥基的數(shù)量及其與成膜基質(zhì)的相容性同樣能影響增塑劑與原料分子之間的相互作用。 相同質(zhì)量下，甘油擁有比山梨醇更多的羥基，而山梨醇的相對分子質(zhì)量更大，可以很好地起到填充網(wǎng)絡結構的作用[9]。 將甘油與山梨糖醇以一定比例搭配，既可以獲得拉伸強度較好的薄膜，又能達到提升其延展性的目的，制備出性能更符合實際需求的膜材料。

通過上述分析，在甘油-山梨醇質(zhì)量比為2 ∶1 的條件下，Ara-FG 可食用膜的拉伸強度為（17.58±1.44）MPa，斷裂伸長率為（101.08±12.74）%，薄膜機械性能較為理想，選定作為后續(xù)試驗甘油與山梨醇的質(zhì)量比。

2.1.4 增塑劑濃度對可食用膜機械性能的影響規(guī)律研究

未經(jīng)增塑劑改性的多糖膜或蛋白膜韌性往往較差，易破裂，添加一定量的增塑劑是改善薄膜性能最常用的方法。 一般來說，增加增塑劑的濃度往往會導致TS 的降低和EAB 的升高[10]。 圖3 表示增塑劑濃度對Ara-FG 可食用膜機械性能的影響。

圖3 增塑劑濃度對Ara-FG 可食用膜機械性能的影響Fig.3 The effect of plasticizer concentration on the mechanical properties of Ara-FG edible film

當增塑劑添加量為10%時， 可食用膜TS 最大值為（14.68±0.51）MPa， 隨著增塑劑濃度繼續(xù)上升至50%時，可食用膜的TS 降至（6.95±0.30）MPa，比僅添加10%時下降了47.34%。 這是由于甘油、山梨醇的加入，改變了原有大分子鏈的排列和堆積結構，降低了大分子聚合物的力量，增大了膜結構中分子的自由空間，結晶度下降，分子的有序性也受到影響，分子之間的相互作用減弱，從而使得薄膜宏觀抗拉強度下降[11]。相反，EAB 隨著增塑劑濃度的增加而迅速升高， 并且在增塑劑濃度為50%時， 斷裂延伸率達到最大值（146.60±12.80）%，比僅添加10%時提高了約2.3倍。 這是由于當加入的增塑劑的量比較少時，與明膠大分子形成的氫鍵也比較少，只能改變明膠骨架中的一部分分子剛性， 對Ara-FG 可食用膜整體剛性的改善貢獻較小；隨著增塑劑濃度的增加，明膠剛性骨架被改善的程度也逐漸變大，因而膜質(zhì)地也變得越來越軟。

當增塑劑的濃度超過一定范圍后， 由于甘油、山梨醇小分子增塑劑具有強烈的吸濕性，會從空氣中吸收部分水蒸氣，導致薄膜變黏，不便于保存和使用。 因此，只有適度添加增塑劑，控制對水分子的親和力才能在成膜過程中起到了很好的增塑效果，并使膜的機械性能維持在一個較為理想的水平。 最終，選定增塑劑添加量為10%、20%、30%進行正交設計試驗。

2.1.5 水浴溫度對可食用膜機械性能的影響規(guī)律研究

水浴溫度對Ara-FG 可食用膜機械性能的影響規(guī)律如圖4 所示。

圖4 水浴溫度對Ara-FG 可食用膜機械性能的影響Fig.4 Effect of water bath temperature on mechanical properties of Ara-FG edible film

由圖4 可知，隨著水浴溫度的升高，可食用膜TS呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當成膜液的熱處理溫度從40 ℃加熱至70 ℃，TS 從（11.38±0.76）MPa 逐漸增加至（17.58±1.44）MPa。 這是由于明膠中含有大量的氨基、羧基等極性基團，它們對水的親和力大于自身的親和力[12]，在較低的水浴溫度下，明膠分子運動不活躍，分子鏈上仍舊吸附大量水分子， 內(nèi)部基團未被充分打開；當環(huán)境溫度逐漸升高后，明膠與阿拉伯糖相互作用加劇，同時蛋白質(zhì)二、三級結構發(fā)生變化，還可能伴隨有二硫鍵的位移，最終導致形成的膜結構更加致密，干燥后薄膜TS 增加；但是，繼續(xù)升高溫度后，TS 下降到（13.13±0.92）MPa，這可能是由于加熱溫度超過了明膠與阿拉伯糖交聯(lián)產(chǎn)物的熱變形溫度所導致的[13]。 可食用膜的EAB 的變化趨勢與TS 類似， 在熱處理溫度為60 ℃時，膜的EAB 可以達到最大值（101.08±12.7）%；隨著熱處理溫度繼續(xù)增加，EAB 值有所減小， 推測這可能是由于交聯(lián)作用， 增大了Ara-FG 可食用膜的致密程度，導致EAB 值的下降；當溫度上升至80 ℃時，EAB 值下降到（61.53±0.76）%，同樣是由于加熱溫度過高導致交聯(lián)物質(zhì)變性。

綜上，當水浴溫度過高或過低時，制備的薄膜不僅TS 低，而且EAB 差，最終選定成膜液水浴處理溫度為50、60、70 ℃進行正交設計試驗。

2.1.6 水浴時間對可食用膜成膜性能的影響規(guī)律研究

水浴時間對可食用膜機械性能的影響如圖5 所示。

圖5 水浴時間對Ara-FG 可食用膜機械性能的影響Fig.5 The effect of water bath time on the mechanical properties of Ara-FG edible film

由圖5 可以看出，Ara-FG 可食用膜的TS 隨著成膜液水浴時間的增加先顯著增加后逐漸減小，并在水浴時間為40 min 時達到最大值，這可能是由于阿拉伯糖與明膠在適宜的溫度下短時間攪拌可以暴露出更多的作用位點，分子間的交聯(lián)使得TS 增加；當時間高于40 min 后，膜的TS 變化不大，說明明膠已經(jīng)與阿拉伯糖充分結合；更長時間攪拌打斷了部分已形成的交聯(lián)結構是導致TS 降低的原因。 而EAB 整體保持在一個較高水平，隨攪拌時間的延長總體趨勢變化不大。

最終，當成膜液水浴處理時間為40、60、80 min 時進行正交試驗設計， 可以使可食用膜的TS 和EAB 能夠得到同時兼顧。

2.2 正交試驗結果

正交試驗結果見表4。

由表4 可知，以TS 為響應指標，得到最優(yōu)組合為A2B1C1D1，因素影響的主次為：B＞D＞A＞C；以EAB 為響應指標， 得到最優(yōu)組合為A3B3C1D1， 因素影響的主次為：A＞B＞C＞D。 為了進一步驗證直觀分析結果的可信度， 對Ara-FG 可食用膜的TS 和EAB 正交結果進行方差分析見表5。

表4 L9（34）正交試驗結果Table 4 L9（34）orthogonal test results

表5 方差分析表Table 5 ANOVA table

F 值結果分析，得到影響因素的主次順序與直觀分析基本一致，影響因素A、B、C、D 均達到極顯著水平。

考慮到薄膜的綜合性能，以斷裂伸長率為主要指標，同時兼顧拉伸強度，采用“綜合平衡法”，計算公式如下。

式中：設第i 組樣品抗拉強度為Xi，斷裂伸長率為Yi，m 組試驗中抗拉強度最大值為Xm， 斷裂伸長率最大值為Ym，則第i 組試驗綜合評分結果Ci。 根據(jù)公式得出本試驗的最優(yōu)工藝條件和最優(yōu)配方為A3B2C2D1，即L-阿拉伯糖與魚皮明膠質(zhì)量比為2 ∶8，增塑劑濃度為20%，水浴溫度60 ℃，水浴時間40 min。

由于最佳工藝參數(shù)的選取沒有在正交試驗中出現(xiàn)過，因此設計了驗證性試驗來確定最佳工藝參數(shù)的選取，以TS 為響應指標，最優(yōu)組合為A2B1C1D1的EAB僅為（4.15±0.95）%，以EAB 為響應指標，最優(yōu)組合為A3B3C1D1的TS 僅為（12.46±1.84）MPa。 驗證性試驗結果表明，在選取的最佳工藝條件下，拉伸強度和斷裂伸長率的平均值分別為（17.46±2.59）MPa，（116.95±13.05）%。 明顯優(yōu)于單一評價指標的結果，因而具有一定研究價值。

3 結論

L-阿拉伯糖與魚皮明膠質(zhì)量比、 增塑劑濃度、水浴溫度、水浴時間對可食用膜拉伸強度和斷裂伸長率均有顯著性影響。 對可食用膜拉伸強度影響程度依次為增塑劑濃度＞水浴時間＞L-阿拉伯糖與魚皮明膠質(zhì)量比＞水浴時間。 對可食用膜斷裂伸長率的影響程度依次為L-阿拉伯糖與魚皮明膠質(zhì)量比＞增塑劑濃度＞水浴溫度＞水浴時間。

該可食用膜的最佳制備工藝為：成膜液濃度8%，L-阿拉伯糖與魚皮明膠質(zhì)量比2 ∶8，增塑劑（甘油∶山梨醇）質(zhì)量比2 ∶1，增塑劑濃度20%，水浴處理溫度60 ℃，水浴處理時間40 min，在此條件下通過驗證性試驗， 得到Ara-FG 可食用膜的拉伸強度和斷裂伸長率分別可達到（17.46±2.59）MPa，（116.95±13.05）%。 該條件下制備的可食用膜的機械性能能夠滿足食品內(nèi)包裝的強度要求。