海藻酸鈉瓜爾膠植物腸衣的制備與性能研究

陳希玲，趙偉*

1(江蘇省食品安全與質(zhì)量控制協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 無錫，214122)2(江南大學(xué) 食品學(xué)院，江蘇 無錫，214122)

腸衣作為香腸產(chǎn)品的重要包材，其性能直接影響香腸的產(chǎn)品品質(zhì)。腸衣分為由豬、牛、羊的大腸制成的天然腸衣和以膠原蛋白、纖維素等為原料制成的人造腸衣[1]。天然腸衣已無法滿足人們的需求，可批量生產(chǎn)的人造腸衣逐漸成為市場主流。目前香腸腸衣每年的市場份額超過42億，截至2018年，腸衣的年消費(fèi)量高達(dá)600億m[2]。隨著香腸市場需求量的增加以及生產(chǎn)水平的提高，人造腸衣的市場份額還將持續(xù)增長。其中膠原腸衣具有和天然腸衣類似的性質(zhì)，是較為常見的一種可食性腸衣。但膠原腸衣也具有生產(chǎn)工藝繁瑣、價(jià)格較高、蒸煮后易破裂等缺陷，并且其存在致敏可能性，在清真食品的應(yīng)用方面有所限制。成本的不斷上升、消費(fèi)者安全意識的提高以及對清真食品需求的增加等因素驅(qū)使著腸衣制造商開始尋找膠原蛋白腸衣的最佳替代品——植物腸衣。國內(nèi)外已有研究嘗試采用乳清蛋白、殼聚糖、果膠/明膠/海藻酸鈉等原料制備新型腸衣[3-5]，但這些腸衣采用的原輔料并不是嚴(yán)格意義上的來源于植物，仍然具有潛在的致敏性。目前國外已有研究進(jìn)行海藻酸鈉腸衣的研制，但在國內(nèi)卻鮮有報(bào)道[6]。

海藻酸鈉是從天然褐藻中提取的一種無毒無害、價(jià)格低廉的陰離子多糖，其分子結(jié)構(gòu)是由β-D-甘露醛酸(M)和α-L-古羅糖醛酸(G)通過1-4糖苷鍵連接而成的無支鏈線性二元共聚物，能與Ca2+離子發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)形成不溶于水的海藻酸鈣，其具有成膜性好、相容性好等優(yōu)點(diǎn)，因此作為可食性膜材料日益成為研究熱點(diǎn)[7]。此外，2019年全球素食香腸腸衣市場規(guī)模達(dá)到了7.9億元，預(yù)計(jì)2026年將達(dá)到12億元，因此海藻酸鈉腸衣的研制，對可食性植物腸衣的發(fā)展具有重要意義。然而，海藻酸鈉獨(dú)立成膜，質(zhì)脆且韌性差，使其應(yīng)用受到限制，本文復(fù)配瓜爾膠將顯著改善這一缺陷。瓜爾膠是一種天然的半乳甘露多聚糖，具有良好的生物相容性、成膜性且安全無毒、價(jià)格低廉，被用作穩(wěn)定劑、增稠劑、黏結(jié)劑等廣泛應(yīng)用于食品加工、精細(xì)化工、化妝品等領(lǐng)域[8]。本研究擬采用流延法制備海藻酸鈉/瓜爾膠腸衣膜，并用氯化鈣溶液進(jìn)行交聯(lián)，以抗拉強(qiáng)度、斷裂拉伸率、水蒸氣透過系數(shù)等指標(biāo)探討不同因素對腸衣性能的影響，以期獲得一種綜合性能良好的可食性植物腸衣。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

海藻酸鈉(食品級)，青島明月海藻有限公司；瓜爾膠(食品級)，萬利達(dá)生物科技有限公司；甘油(食品級)，陽江市陽東食品香料公司；CaCl2(食品級)，河南萬邦實(shí)業(yè)有限公司；膠原腸衣，梧州神冠蛋白腸衣有限公司。

1.1.2 儀器與設(shè)備

C-MAG HS7型加熱磁力攪拌器，德國IKA公司；TA.XT2i型物性分析儀，英國SMS公司；T25DS25型高速均質(zhì)機(jī)，德國IKA公司；DZF-6210型真空干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；SU8100型冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡，日本日立。

1.2 方法

1.2.1 制膜工藝流程

(1)原料溶解：15 g/L海藻酸鈉恒溫50 ℃溶解、15 g/L 瓜爾膠常溫溶解；(2)均質(zhì)：用均質(zhì)機(jī)10 000 r/min分散10 min；(3)脫氣：將膜液置于真空干燥箱中，常溫、真空度0.08 MPa條件下抽真空2 h；(4)成膜：量取25 mL膜液傾倒于10 cm×10 cm的聚四氟乙烯板；(5)干燥：在鼓風(fēng)干燥箱中50 ℃烘干4 h；(6)氯化鈣交聯(lián)：將干燥成型的腸衣膜浸泡在CaCl2溶液中，取出用清水洗凈；(7)平衡：將自然干燥的腸衣膜放入恒溫恒濕箱(25 ℃，50% 相對濕度)中平衡48 h待測。

1.2.2 單因素實(shí)驗(yàn)

(1)復(fù)配比對腸衣膜性能的影響：改變海藻酸鈉/瓜爾膠的復(fù)配比例(質(zhì)量比)為10∶0、9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、5∶5、4∶6，研究海藻酸鈉/瓜爾膠復(fù)配比例對腸衣膜性能的影響。其他條件為：甘油添加量20%(占成膜基質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù))、CaCl2質(zhì)量濃度150 g/L、交聯(lián)20 min；(2)甘油添加量對腸衣膜性能的影響：改變甘油添加量為0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、80%、100%，研究甘油添加量對腸衣膜性能的影響。其他條件為：海藻酸鈉/瓜爾膠復(fù)配比為7∶3、CaCl2質(zhì)量濃度150 g/L、交聯(lián)20 min；(3)CaCl2質(zhì)量濃度對腸衣膜性能的影響：改變CaCl2質(zhì)量濃度為0、20、50、100、150、200、250、300 g/L，研究CaCl2質(zhì)量濃度對腸衣膜性能的影響。其他條件為：海藻酸鈉/瓜爾膠復(fù)配比為7∶3、甘油添加量20%、交聯(lián)20 min；(4)交聯(lián)時(shí)間對腸衣膜性能的影響：改變交聯(lián)時(shí)間為0、0.5、2、5、10、20、30、40、50、60 min，研究交聯(lián)時(shí)間對腸衣膜性能的影響。其他條件為：海藻酸鈉/瓜爾膠復(fù)配比為7∶3、甘油添加量20%、CaCl2質(zhì)量濃度為100 g/L。

1.2.3 正交試驗(yàn)

本試驗(yàn)需綜合考慮多個(gè)指標(biāo)來對腸衣膜的性能進(jìn)行評價(jià)，故利用主成分分析和隸屬度函數(shù)綜合評價(jià)方法[9]，優(yōu)化出最佳工藝指標(biāo)。其中，主成分分析用于各指標(biāo)權(quán)重的確定，隸屬度則根據(jù)公式(1)、公式(2)計(jì)算[10]：

(1)

(2)

式中：X(u)，隸屬度；Xi，指標(biāo)值；Xmax，指標(biāo)所在列的最大值；Xmin，指標(biāo)所在列的最小值。

腸衣膜的綜合得分按公式(3)計(jì)算

S=0.068X1+0.221X2+0.005X3+0.236X4+0.132X5+0.161X6+0.177X7

(3)

式中：S，腸衣膜的綜合得分；X1，干態(tài)抗拉強(qiáng)度隸屬度；X2，干態(tài)斷裂拉伸率隸屬度；X3，濕態(tài)抗拉強(qiáng)度隸屬度；X4，濕態(tài)斷裂拉伸率隸屬度；X5，吸水率隸屬度；X6，熱溶率隸屬度；X7，水蒸氣透過系數(shù)(water vapor permeability，WVP),隸屬度。

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步采用L9(34)正交試驗(yàn)方案進(jìn)行優(yōu)化。以綜合得分為指標(biāo)，確定最佳工藝條件。

表1 正交因素水平Table 1 Factors and levels of the orthogonal test

1.3 指標(biāo)測定

1.3.1 膜厚

用游標(biāo)卡尺在被測膜上隨機(jī)選擇5點(diǎn)進(jìn)行測定，取平均值。

1.3.2 含水量

參考GB 5009.3—2016進(jìn)行測定。

1.3.3 干態(tài)、濕態(tài)機(jī)械性能

參考CHEN等[11]的方法，將腸衣樣品裁剪成10 mm×50 mm的矩形，分別在干態(tài)、濕態(tài)(常溫浸泡2 min)條件下采用物性分析儀測定其拉伸性能，分別按照公式(4)、公式(5)計(jì)算不同狀態(tài)下的拉伸強(qiáng)度(tensile strength，TS)和斷裂伸長率(elongation break，EB)。參數(shù)設(shè)定如下：夾具A-MTG，測前速率0.5 mm/s，測中速度0.5 mm/s，返回速率0.5 mm/s，觸發(fā)力Auto-10 g，拉伸距離20 mm，每組樣品重復(fù)測定5次。

(4)

(5)

式中：F，樣品斷裂時(shí)的最大拉力，N；A，樣品的橫截面積，m2；L0，樣品的初始長度，mm；L，樣品拉伸斷裂時(shí)的長度，mm。

1.3.4 熱溶率

參考WU等[12]的方法，將腸衣樣品剪成1 cm ×5 cm的矩形，稱取其質(zhì)量(m1)，在沸水中煮2 min 后取出，用濾紙輕輕吸去表面殘留水分再次稱重記為m2。計(jì)算過程如公式(6)所示：

(6)

1.3.5 吸水率

將腸衣樣品剪成1 cm×5 cm 的長條狀，稱取其質(zhì)量(m1)，在常溫水中浸泡24 h取出，用濾紙輕輕吸去表面殘留水分再次稱重記為m2。計(jì)算過程如公式(7)所示：

(7)

1.3.6 WVP

參考吳佳[13]的方法略作修改，稱取5 g無水CaCl2裝入40 mm×70 mm稱量瓶中，用封口膜將腸衣膜密封于瓶口處，將整體稱重后的稱量瓶放入底部為水溶液(相對濕度100%、23 ℃)的干燥器中，使膜內(nèi)外兩側(cè)保持一定的蒸汽壓差，24 h內(nèi)每隔2 h稱重1次，作稱量瓶增重-時(shí)間關(guān)系曲線，曲線的斜率為水蒸氣通透速率，WVP按公式(8)計(jì)算：

(8)

式中：C，水蒸氣透過速率，g/h；d，膜厚，mm；A，膜覆蓋的有效面積，m2；Δp，膜內(nèi)外兩側(cè)的蒸汽壓差，kPa。

1.3.7 阻氧性

參考叢旭等[14]的方法略作修改，在40 mm×70 mm稱量瓶中裝入10 mL新鮮色拉油，用膜樣品覆蓋瓶口并密封，同時(shí)空白對照組不封膜，放入60 ℃的烘箱中加速氧化7 d，采用硫代硫酸鈉滴定法測定大豆油的過氧化值(peroxide value，POV)。根據(jù)油脂POV的大小來評價(jià)可食用膜樣品的阻氧性。

1.3.8 微觀結(jié)構(gòu)

將腸衣膜噴金后置于冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡下觀察表面和橫斷面的微觀形態(tài)，樣品掃描的加速電壓為3 000 V。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 復(fù)配比例對腸衣膜性能的影響

(1)不同復(fù)配比例腸衣膜的物理特性

由表2可知，復(fù)配比例對腸衣膜厚度影響不大，僅在質(zhì)量比為8∶2、7∶3時(shí)厚度略有增加。當(dāng)瓜爾膠添加比例超過7∶3時(shí)，水分含量出現(xiàn)下降，可能是因?yàn)楹Ｔ逅徕c含量減少，與Ca2+的交聯(lián)程度降低，被網(wǎng)合的水減少導(dǎo)致含水量下降。隨著瓜爾膠添加量的增加，吸水率整體呈現(xiàn)上升趨勢，熱溶脹率不斷增大，這是由于瓜爾膠的結(jié)構(gòu)多羥基，添加瓜爾膠引入了較多的羥基，親水性增強(qiáng)，溶脹過程吸收的水分也隨之增加。

表2 不同復(fù)配比例腸衣膜的物理特性Table 2 Physical properties of casings with different composite proportion

(2)不同復(fù)配比例對腸衣膜的各狀態(tài)下機(jī)械性能的影響

如圖1所示，添加瓜爾膠后，腸衣膜的干態(tài)抗拉強(qiáng)度無顯著變化，繼續(xù)添加至60%時(shí)，抗拉強(qiáng)度較未添加時(shí)出現(xiàn)顯著性下降，可能由于此時(shí)作為主要成膜基質(zhì)的瓜爾膠阻礙了海藻酸鈉和鈣的共價(jià)鍵的形成以及分子間的相互作用，使得初始結(jié)合緊密的膜基質(zhì)變疏松，進(jìn)而導(dǎo)致腸衣膜干態(tài)強(qiáng)度的下降。

a-干態(tài)；b-濕態(tài)圖1 不同復(fù)配比例的腸衣膜的各狀態(tài)下的機(jī)械性能Fig.1 Mechanical properties of casings with different composite proportions at different conditions注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)(下同)

濕態(tài)的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于對應(yīng)添加量的干態(tài)腸衣，這是由于水分的浸入破壞了維持其結(jié)構(gòu)的大量氫鍵[11]。值得注意的是，灌腸過程中通常使用的是潤濕狀態(tài)的腸衣，此時(shí)腸衣必須具有較大的柔韌性，才能保證在快速填充肉料時(shí)腸衣不發(fā)生破裂且與餡料保持良好的相容性，因此腸衣的濕態(tài)拉伸率是衡量腸衣質(zhì)量的重要指標(biāo)[15]。隨著瓜爾膠比例的增加，腸衣膜的抗拉強(qiáng)度逐漸下降，斷裂拉伸率則呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，可能因?yàn)楣蠣柲z的添加引入了較多羥基，水分子的潤滑作用使得分子間的位移變得更為容易，因此斷裂延伸率顯著提高，強(qiáng)度相應(yīng)地有所下降，但仍然滿足灌腸的要求且改善了純海藻酸鈉膜質(zhì)脆、韌性差的缺陷。

(3)不同復(fù)配比例對腸衣膜阻濕性、阻氧性的影響

如圖2所示，相較于純海藻酸鈉膜，添加瓜爾膠的復(fù)合腸衣膜的阻氧型未發(fā)生顯著性變化，而WVP則顯著下降，復(fù)配比為7∶3時(shí)，WVP達(dá)最小值0.39 g·mm/(h·m2·kPa)，這可能說明瓜爾膠與海藻酸鈉膜之間能夠形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，阻礙水分子的進(jìn)入，賦予腸衣膜具有較好的阻濕性能。

a-WVP；b-POV圖2 不同復(fù)配比例的腸衣膜的WVP、POVFig.2 WVP and POV of different proportions of casings

綜合分析，過量添加瓜爾膠會導(dǎo)致機(jī)械性能、耐水性能變差。海藻酸鈉與瓜爾膠的比例為7∶3時(shí)，腸衣膜的抗拉強(qiáng)度為5.89 MPa，斷裂拉伸率32%，優(yōu)于文獻(xiàn)[3]報(bào)道的一種拉伸強(qiáng)度為5.4 MPa，斷裂拉伸率為12.4%的乳清蛋白腸衣，該比例下的腸衣膜還具有最佳的阻濕性能和耐水性能，因此初步確定海藻酸鈉與瓜爾膠的比例為7∶3。

2.1.2 甘油添加量對腸衣膜性能的影響

(1)不同甘油添加量的腸衣膜的物理特性

由表3可知，甘油添加量對腸衣膜的厚度和水分影響均無顯著影響。當(dāng)添加少量甘油(<50%)時(shí)，腸衣膜的吸水率無顯著變化；添加量大于50%時(shí)，甘油中的親水基團(tuán)與水分子的結(jié)合能力變強(qiáng)，吸水率顯著提高[16]。隨著甘油添加量的增加，熱溶脹率不斷下降，可能是因?yàn)楦视妥鳛樵鏊軇┠軌虿迦敕肿渔滈g與羥基反應(yīng)，破壞了海藻酸鈉與瓜爾膠之間的部分氫鍵作用，加上高溫破壞了膜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，空隙變大，從而宏觀上表現(xiàn)為熱溶脹率的下降。當(dāng)甘油添加過量至100%時(shí)，大量水分子吸附在薄膜表面，溶脹率提高[17]。

表3 不同甘油添加量的腸衣膜的物理特性Table 3 Physical properties of casings with different glycerol levels

(2)不同甘油添加量對腸衣膜的各狀態(tài)下機(jī)械性能的影響

如圖3所示，甘油的添加量對腸衣膜的干態(tài)抗拉強(qiáng)度和斷裂拉伸率幾乎無顯著影響，可能因?yàn)榇藭r(shí)糖醛酸羧基與鈣的配位作用起到主要的支撐作用，甘油的增塑效果較弱。隨著甘油添加量的增加，腸衣膜的濕態(tài)抗拉強(qiáng)度逐漸下降，而斷裂拉伸率呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，這可能是由于水分子進(jìn)入薄膜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，激活了甘油分子及膜中的部分極性基團(tuán)，甘油插入分子鏈間與復(fù)合膜內(nèi)的其他大分子結(jié)合，有力地破壞分子鏈間的氫鍵作用及位阻作用，軟化剛性結(jié)構(gòu)，從而改善了膜的力學(xué)性質(zhì)[18]。

a-干態(tài)；b-濕態(tài)圖3 不同甘油添加量的腸衣膜的各狀態(tài)下的機(jī)械性能Fig.3 The mechanical properties of casings with different glycerol additions at different conditions

(3)不同甘油添加量對腸衣膜阻濕性、阻氧性的影響

如圖4所示，腸衣膜的WVP值隨著甘油添加量的增加逐漸升高，阻濕能力有所下降。這可能是因?yàn)楦视椭泻械挠H水性基團(tuán)使得膜與水分子的結(jié)合能力變強(qiáng)，增加了自由體積和鏈段運(yùn)動(dòng)，同時(shí)水蒸氣在膜中的擴(kuò)散能力變大，從而增大了膜的WVP[19]。TURHAN等[16]的研究也發(fā)現(xiàn)將聚乙二醇-400作為增塑劑摻入聚合物基質(zhì)會導(dǎo)致WVP的增加。甘油添加量為0%～40%時(shí)，腸衣膜的透氧性變化不顯著；繼續(xù)添加甘油，增塑劑與膜內(nèi)大分子結(jié)合，增大了大分子間的距離，削弱了分子間作用力，破壞了膜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，空隙變大，透過的氧氣更多，阻氧性能有所下降。

a-WVP；b-POV圖4 不同甘油添加量的腸衣膜的WVP、POVFig.4 WVP and POV of casings with different glycerol contents

綜合分析，甘油添加量大于50%時(shí)會顯著提高膜的韌性，但也會造成阻濕性能、耐水性能大幅下降，不適于腸衣膜綜合性能的提高。當(dāng)添加量為20%～30%時(shí)，腸衣膜的韌性得到顯著提高，且阻氧性、耐水性能依然良好，結(jié)合生產(chǎn)成本的因素確定甘油添加量為基質(zhì)的20%。

2.1.3 CaCl2質(zhì)量濃度對腸衣膜性能的影響

(1)不同CaCl2質(zhì)量濃度交聯(lián)的腸衣膜的物理特性

PAVLATH等[20]提出將膜浸入CaCl2溶液中時(shí)會發(fā)生2種競爭反應(yīng)：藻酸鹽在溶液中的溶解和膜表面的Ca2+與羧基交聯(lián)而使膜不溶解的2種情況。當(dāng)Ca2+的濃度過低，則第一個(gè)過程(即藻酸鹽的溶解)將占主導(dǎo)地位，薄膜厚度減?。幌喾吹谻a2+濃度的增加將通過交聯(lián)作用抵消溶解。由表4可知，經(jīng)CaCl2交聯(lián)的腸衣膜的厚度先減小后增大，這可能因?yàn)镃aCl2質(zhì)量濃度低于200 g/L時(shí)，一方面海藻酸鈉分子與Ca2+形成鈣橋，海藻酸鈉分子間的結(jié)合力度增強(qiáng)，復(fù)合膜分子間的斥力減小，另一方面腸衣膜的溶解速度占主導(dǎo)地位，因此厚度有所下降，這與卞紫秀等[21]制備的海藻酸鈉-卡拉膠復(fù)合膜交聯(lián)后厚度減小的結(jié)果一致。當(dāng)CaCl2質(zhì)量濃度達(dá)到200 g/L以上時(shí)，Ca2+的交聯(lián)速度遠(yuǎn)大于海藻酸的溶出速度，且Ca2+濃度越高，交聯(lián)的速度越快，在膜表面迅速形成致密的交聯(lián)膜，抑制了海藻酸的溶出，進(jìn)而導(dǎo)致了膜厚度的增加。這與已報(bào)道的研究結(jié)果相一致，郭錦棠等[22]制備抗菌性海藻酸鈉膜時(shí)發(fā)現(xiàn)CaCl2質(zhì)量濃度超過100 g/L時(shí)，薄膜的厚度較未交聯(lián)時(shí)有所增加。此外交聯(lián)的腸衣膜的水分較未交聯(lián)膜有顯著提高，這是因?yàn)榻宦?lián)過程膜吸水溶脹且交聯(lián)形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)阻礙了水分的遷出，從而導(dǎo)致含水量有所增加。

表4 不同CaCl2質(zhì)量濃度的腸衣膜的物理特性Table 4 General physical properties of casings with different concentrations of CaCl2

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)未交聯(lián)膜水溶性為100%，即無耐水性。隨著CaCl2質(zhì)量濃度的增加，腸衣膜不溶于水且吸水率和溶脹率都呈現(xiàn)不斷下降的趨勢，說明CaCl2與海藻酸鈉交聯(lián)形成了致密的“蛋盒”結(jié)構(gòu)，提高了腸衣膜的耐水能力以適應(yīng)生產(chǎn)加工的要求。

(2)不同CaCl2質(zhì)量濃度對腸衣膜的各狀態(tài)下機(jī)械性能的影響

如圖5所示，CaCl2的交聯(lián)對腸衣膜的干態(tài)斷裂拉伸率幾乎無影響，但顯著提高了腸衣膜的拉伸強(qiáng)度，當(dāng)CaCl2質(zhì)量濃度為100 g/L時(shí)，腸衣膜的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值為117.4 MPa，遠(yuǎn)高于未交聯(lián)膜(70.3 MPa)。RHIM[23]報(bào)道的海藻酸鈉膜經(jīng)交聯(lián)后的拉伸強(qiáng)度由33.6 MPa上升至85.9 MPa，與本文的結(jié)果類似，說明Ca2+的交聯(lián)顯著改善了腸衣膜的力學(xué)性質(zhì)且本文制備的腸衣膜力學(xué)性能更好。當(dāng)CaCl2質(zhì)量濃度為20～100 g/L，腸衣膜的濕態(tài)斷裂拉伸率高達(dá)45%左右；CaCl2質(zhì)量濃度高于150 g/L時(shí)，斷裂拉伸率顯著降低至35%以下，可能因?yàn)镃aCl2質(zhì)量濃度較大時(shí)，在膜的表面迅速形成的交聯(lián)膜阻礙了Ca2+向膜內(nèi)滲透，膜內(nèi)部的交聯(lián)度不均勻，從而影響其力學(xué)性能。另一方面致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)阻礙了水的進(jìn)入，缺少增塑劑的作用，膜的柔韌性也有所下降[22,24]。

a-干態(tài)；b-濕態(tài)圖5 不同CaCl2質(zhì)量濃度交聯(lián)的腸衣膜各狀態(tài)下的機(jī)械性能Fig.5 Mechanical properties of casings with different concentrations of CaCl2at different conditions

(3)不同CaCl2質(zhì)量濃度對腸衣膜阻濕性、阻氧性的影響

如圖6所示，隨著CaCl2質(zhì)量濃度的增加，腸衣膜的透氧量顯著降低，WVP則先減小后增大。交聯(lián)濃度為50、100 g/L時(shí)，WVP最小為0.18 g·mm/(h·m2·kPa)左右，說明在該交聯(lián)濃度下，腸衣膜形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)最為致密均勻，阻氧阻濕性能較好。

a-WVP；b-POV圖6 不同CaCl2質(zhì)量濃度交聯(lián)的腸衣膜的WVP、POVFig.6 WVP and POV of casings crosslinked with different CaCl2 concentrations

綜合分析，CaCl2質(zhì)量濃度過低時(shí)，腸衣膜的耐水性能較差；濃度過高時(shí)，腸衣膜結(jié)構(gòu)被破壞機(jī)械性能減弱，最終確定CaCl2質(zhì)量濃度為100 g/L，該條件下的腸衣膜綜合性能最好。

2.1.4 交聯(lián)時(shí)間對腸衣膜性能的影響

(1)不同交聯(lián)時(shí)間的腸衣膜的物理特性

由表5可知，不同交聯(lián)時(shí)間的腸衣膜的含水量較未交聯(lián)膜有所升高，但對膜厚無明顯影響。交聯(lián)時(shí)間由30 s～40 min，腸衣膜的吸水率由91.17%不斷下降至60.55%，繼續(xù)延長浸泡時(shí)間，吸水率反而上升，這是因?yàn)榻宦?lián)形成的初期，藻酸鹽鏈中存在的所有結(jié)合位點(diǎn)都是可接近的，因此Ca2+可以迅速與聚合物結(jié)合并將聚合物鏈連接在一起，剩余的Ca2+需通過已形成的部分網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)擴(kuò)散，這將導(dǎo)致一定的擴(kuò)散阻力[24]，因此40 min時(shí)交聯(lián)才接近完全且交聯(lián)時(shí)間越長，海藻酸鈉與鈣的交聯(lián)程度越高，游離的親水基團(tuán)越少，吸水率越低；但交聯(lián)時(shí)間過久，增塑劑等組分有可能溶出，原本穩(wěn)定的膜結(jié)構(gòu)紊亂，耐水性能有所減弱。熱溶率也呈現(xiàn)出類似先下降后上升的趨勢，在交聯(lián)10～20 min左右時(shí)降至30%左右，說明此時(shí)的膜結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定，耐熱耐水性能較好。

表5 不同交聯(lián)時(shí)間的腸衣膜的物理特性Table 5 Physical properties of casings with different cross-linking time

(2)不同交聯(lián)時(shí)間對腸衣膜各狀態(tài)下機(jī)械性能的影響

如圖7所示，交聯(lián)時(shí)間為0.5～20 min時(shí)，干態(tài)抗拉強(qiáng)度均大于140 MPa，此時(shí)高聚物分子鏈結(jié)合牢固，形成的膜剛性較大；交聯(lián)超過40 min時(shí)，部分組分溶出結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，膜的強(qiáng)度下降，斷裂拉伸率略有上升。腸衣膜濕態(tài)條件下的抗拉強(qiáng)度和斷裂拉伸率隨交聯(lián)時(shí)間的變化不顯著，可能由于交聯(lián)是快速發(fā)生的，其時(shí)間長短對腸衣膜濕態(tài)的機(jī)械特性影響不大。

a-干態(tài)；b-濕態(tài)圖7 不同交聯(lián)時(shí)間的腸衣膜各狀態(tài)下的機(jī)械性能Fig.7 Mechanical properties of casing films with different crosslinking time at different conditions

(3)不同交聯(lián)時(shí)間對腸衣膜阻濕性、阻氧性的影響

如圖8所示，腸衣膜的阻氧性能較未交聯(lián)膜顯著下降，但受時(shí)間的影響不大，而腸衣膜的WVP則先減小后增大并最終趨于穩(wěn)定。交聯(lián)時(shí)間較短時(shí)，腸衣膜形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有較好的阻濕阻氧性；交聯(lián)時(shí)間過長可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)紊亂，分子間空隙變大，阻氧阻濕性能有所下降。

綜合分析，交聯(lián)10 min的腸衣膜具有最低的熱溶率，此時(shí)膜結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定，耐熱耐水性能較好，因而確定交聯(lián)時(shí)間為10 min。

a-WVP；b-POV圖8 不同交聯(lián)時(shí)間的腸衣膜的WVP、POVFig.8 WVP and POV of casings with different crosslinking time

2.2 正交試驗(yàn)與驗(yàn)證

基于單因素試驗(yàn)，進(jìn)行正交試驗(yàn)，結(jié)果如表6所示。極差分析表明影響對腸衣膜的性能程度的影響次序?yàn)閺?fù)配比>甘油添加量>交聯(lián)時(shí)間>CaCl2質(zhì)量濃度，最佳組合為A1B2D1C2。利用上述最佳工藝進(jìn)行腸衣的制作，各項(xiàng)性能綜合得分為0.66，同時(shí)與市售的膠原腸衣性能進(jìn)行比較。結(jié)果如表7所示，植物腸衣膜的濕態(tài)斷裂拉伸率達(dá)到26.43%，顯著改善了純海藻酸鈉膜質(zhì)脆、韌性差的缺陷，優(yōu)于文獻(xiàn)[2]報(bào)道的殼聚糖腸衣(16.4%)，和市售膠原蛋白腸衣(23.83%)，說明其具有灌腸的應(yīng)用可能性。該植物腸衣的溶脹性、WVP均低于膠原蛋白腸衣，說明其耐水性能、阻濕性能更好，在后續(xù)加工和貯存過程中具有保護(hù)香腸免受水分和質(zhì)量損失的潛力。此外植物腸衣在600 nm波長下透光率為75%，高于膠原蛋白腸衣(34%)，說明其透明度更高，這在肉類加工方面將是一大優(yōu)勢。因此本文制備的植物腸衣具有替代膠原蛋白腸衣的可能性且因成膜基質(zhì)均是植物來源、無致敏性，故應(yīng)用前景更廣。

表6 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 6 The results of orthogonal test

表7 植物腸衣與市售膠原腸衣的性能對比Table 7 Comparison of properties between vegetarian casings and commercial collagen casings

由圖9可以看出，單一的海藻酸鈉膜表面平整、有略微的結(jié)晶現(xiàn)象，與瓜爾膠共混后的腸衣膜表面光滑平整，不存在裂隙或小孔，而交聯(lián)后的腸衣膜有細(xì)微的褶皺，具有良好的致密性。截面圖顯示，純海藻酸鈉膜的截面光滑平整，添加瓜爾膠的腸衣膜影響了原本均一的體系，斷面有些粗糙，但不存在明顯的相分離現(xiàn)象，說明海藻酸鈉與瓜爾膠具有良好的相容性。加入CaCl2后，其與海藻酸鈉上的糖醛酸羧基形成蛋盒結(jié)構(gòu)，造成膜的褶曲，此外膜交聯(lián)點(diǎn)分布較均勻，內(nèi)部趨于形成更加穩(wěn)定的致密結(jié)構(gòu)，這與前文中CaCl2交聯(lián)有助于提高腸衣膜的機(jī)械性能、耐水性能等理論存在一致性，由此進(jìn)一步證明最佳工藝下制備的腸衣膜具備良好的性能。

a-海藻酸鈉膜表面；b-未交聯(lián)腸衣膜表面；c-交聯(lián)腸衣膜表面；d-海藻酸鈉膜截面；e-未交聯(lián)腸衣膜截面；f-交聯(lián)腸衣膜截面圖9 海藻酸鈉膜、海藻酸鈉-瓜爾膠腸衣膜的掃描電鏡圖Fig.9 Scanning electron micrographs of sodium alginate film and sodium alginate-guar gum casings

3 結(jié)論

先利用單因素試驗(yàn)測試植物腸衣膜的機(jī)械、阻隔、耐水等性能，確定復(fù)配比、甘油添加量、CaCl2質(zhì)量濃度、交聯(lián)時(shí)間，再通過4因素3水平正交試驗(yàn)對工藝進(jìn)行最終優(yōu)化驗(yàn)證，得到最佳制備工藝為：海藻酸鈉與瓜爾膠復(fù)配比(質(zhì)量比)8∶2，甘油添加量為20%，CaCl2溶液質(zhì)量濃度為100 g/L，交聯(lián)時(shí)間為5 min，該條件下所得腸衣膜的濕態(tài)韌性顯著提高，具有灌腸的應(yīng)用可能性，此外植物腸衣較膠原蛋白腸衣具有更好的阻濕阻氧性，更有利于保持香腸品質(zhì)。本研究提出了一種替代膠原蛋白腸衣的方案，為合理使用海藻酸鈉、瓜爾膠制備植物腸衣提供理論和應(yīng)用指導(dǎo)。