二醛基纖維素/羧甲基纖維素復(fù)合薄膜的制備及在雞蛋保鮮中的應(yīng)用

田玥，徐昊洋，康曉鷗，趙敏孜，阮長(zhǎng)晴,2*

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶，400715)2(西南大學(xué)食品貯藏與物流研究中心，重慶，400715)

我國(guó)是世界上最大的雞蛋生產(chǎn)與消費(fèi)的國(guó)家。雞蛋以常溫貯藏為主，但雞蛋在常溫下貨架期短，有研究表明雞蛋在冬季常溫下貨架期為15 d，在夏季常溫下貨架期為10 d，溫度高于32 ℃時(shí)僅能存放7 d[1-2]。利用天然高分子材料制得的可食性涂膜劑在雞蛋表面形成保護(hù)膜，能夠有效減緩水分損失，減少雞蛋內(nèi)外氣體交換，抑制細(xì)菌生長(zhǎng)，在常溫下有效延長(zhǎng)雞蛋的貨架期[3-5]。天然高分子材料來源于自然，對(duì)環(huán)境友好，且具有可持續(xù)獲得性，是包裝生態(tài)化的重要方向[6]。

近年來，纖維素的應(yīng)用越來越受到廣泛關(guān)注。自然界每年能生產(chǎn)數(shù)千億t的纖維素[7]。羧甲基纖維素(carboxymethyl cellulose，CMC)是一種水溶性纖維素衍生物，由纖維素葡萄糖單元中的羥基(—OH)被羧甲基(—CH2COO)取代得到，具有天然可降解性、無毒等優(yōu)勢(shì)。在食品工業(yè)中應(yīng)用廣泛，常作為增稠劑、穩(wěn)定劑、分散劑等，也可與其他材料交聯(lián)聚合，改善膜的性能，制備復(fù)合可食用膜[8-9]。由于CMC是親水性多糖類物質(zhì)，限制了其在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用，將CMC與不同物質(zhì)進(jìn)行交聯(lián)制成復(fù)合膜以改善性能可替代傳統(tǒng)食品內(nèi)包裝的塑料膜，在綠色包裝研究方面具有良好的應(yīng)用前景。

二醛基纖維素(dialdehyde cellulose，DAC)也是纖維素的衍生物，通過高碘酸鈉選擇性氧化纖維素制得。氧化過程中纖維素葡萄糖結(jié)構(gòu)單元中C2—C3鍵斷裂，生成二醛基，新生成的二醛基賦予DAC更高的反應(yīng)活性。DAC本身不溶于水，經(jīng)熱處理后可溶于水[10]，這將有利于DAC在水溶液中的反應(yīng)。商業(yè)化CMC中通常會(huì)有大量的羥基未被羧甲基化，這些羥基可與DAC中的醛基發(fā)生反應(yīng)形成半縮醛，因此DAC有望成為CMC的交聯(lián)增強(qiáng)劑。有報(bào)道證明DAC無細(xì)胞毒性[11]，且具有一定的抗菌特性[12]。本文首次將DAC用作CMC的交聯(lián)劑，探究DAC對(duì)CMC性能的增強(qiáng)效果，以及DAC/CMC復(fù)合涂膜劑對(duì)雞蛋在常溫下的保鮮效果。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

雞蛋，重慶市北碚區(qū)農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)；纖維素粉末，分析純，上海阿拉丁試劑有限公司；高碘酸鈉(分析純)、CMC(分析純)，取代度0.7，上海麥克林生化科技有限公司；實(shí)驗(yàn)過程中所用的水均為去離子水。

1.2 儀器與設(shè)備

08F106-42電子分析天平，艾德姆衡器有限公司；85-2A測(cè)速數(shù)顯恒溫磁力攪拌器，常州朗越儀器制造有限公司；TG16.5臺(tái)式高速離心機(jī)，上海盧湘儀離心機(jī)儀器有限公司；HWS-28電熱恒溫水浴鍋，上海齊欣科學(xué)儀器有限公司；DZF-6021真空干燥箱，紹興市索域儀器設(shè)備有限公司；FE28 pH計(jì)，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；DHG-9123A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；LRHS-300-Ⅲ恒溫恒濕培養(yǎng)箱，上海躍進(jìn)醫(yī)療器械有限公司；Spectrum100傅立葉變換紅外光譜儀，珀金埃爾默公司；SCW-500電子拉力機(jī)、W3/060水蒸氣透過率測(cè)試系統(tǒng)、C230H氧氣透過率測(cè)試系統(tǒng)，濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司；Theta-Flex水接觸角測(cè)定儀，上海大昌華嘉科學(xué)有限公司。

1.3 DAC/CMC膜的制備

1.3.1 DAC水溶液的制備

稱取20 g纖維素粉放置于棕瓶，在避光條件下取31.68 g高碘酸鈉(高碘酸鈉與纖維素葡萄糖單元摩爾比為1.2∶1)溶解于300 mL去離子水，磁力攪拌均勻后倒入裝有纖維素粉的棕瓶中，遮光反應(yīng)72 h。將所得產(chǎn)物用去離子水離心洗滌至少4次。將上述反應(yīng)得到的DAC懸浮液在100 ℃下進(jìn)行水浴加熱至溶液變得透明，得到DAC水溶液。

1.3.2 DAC/CMC膜的制備

(1)不同pH復(fù)合膜制備：將上述DAC水溶液加入到質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的CMC溶液中(DAC占CMC的質(zhì)量10%)，調(diào)節(jié)pH，分為3組，分別為pH自然(pH 7)、pH 5、pH 2，在室溫下磁力攪拌進(jìn)行1 h交聯(lián)反應(yīng)，得到DAC/CMC混合液。使用流延法成膜，將DAC/CMC混合液倒入12 cm×12 cm方形塑料培養(yǎng)皿中，放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，在40 ℃下烘干分別得到DAC/CMC-pH 7、DAC/CMC-pH 5、DAC/CMC-pH 2復(fù)合膜。

測(cè)試不同pH條件下DAC/CMC復(fù)合膜的力學(xué)性能及溶解性能，選取性能最優(yōu)的pH進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

(2)最優(yōu)pH條件下制備不同DAC含量的復(fù)合膜：向CMC分散液中加入一定量的DAC水溶液，使得DAC的添加量為0%、8%、12%、20%(占CMC干重的比例)。將混合溶液調(diào)節(jié)最優(yōu)pH，室溫磁力攪拌1 h后得到不同配比的DAC/CMC混合液。使用流延法成膜，40 ℃烘干分別得到相應(yīng)復(fù)合膜。

1.4 DAC/CMC膜的表征

1.4.1 力學(xué)性能

參照GB/T 1040.1—2018 《塑料 拉伸性能的測(cè)定》，用電子拉力機(jī)測(cè)量薄膜的拉伸強(qiáng)度(tensile strength，TS)和斷裂伸長(zhǎng)率(elongation at break，EAB)。

1.4.2 溶脹度

裁取10 mm×10 mm膜樣品，稱定質(zhì)量，然后浸入去離子水中1 h使其充分溶脹，用濾紙快速吸去樣品表面水分，再次稱定膜的質(zhì)量，溶脹度按公式(1)計(jì)算：

(1)

式中：md，膜樣品干質(zhì)量，g；mw，膜樣品濕質(zhì)量，g。

1.4.3 傅里葉紅外光譜(Fourier transform infrared spectrometer，F(xiàn)TIR)分析

參照GB/T 6040—2019 《紅外光譜分析方法通則》，采用FTIR儀的衰減全反射模式在室溫下測(cè)定，掃描4 000～600 cm-1，以空氣為背景。

1.4.4 水蒸氣透過系數(shù)(water vapor permeability，WVP)

參照GB 1037—2021《塑料薄膜與薄片水蒸氣透過性能測(cè)定 杯式增重與減重法》，使用水蒸氣透過率測(cè)試系統(tǒng)(W3/060，濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司)進(jìn)行薄膜水蒸氣透過測(cè)試。

1.4.5 氧氣透過系數(shù)(oxygen permeability，OP)

根據(jù)GB/T 19789—2021《包裝材料 塑料薄膜和薄片氧氣透過性試驗(yàn) 庫(kù)侖計(jì)檢測(cè)法》，使用氧氣透過率測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)定。

1.4.6 水溶性

裁取15 mm×15 mm的方形樣品，40 ℃真空干燥至恒重，將薄膜樣品置于密封管中，加入足量去離子水使其浸沒，24 h后取出，再次放入40 ℃真空干燥箱中充分干燥后稱取其質(zhì)量。水溶性按公式(2)計(jì)算：

水溶性/%=(m1-m2)/m1×100

(2)

式中：m1，第1次干燥后的質(zhì)量，g；m2，第2次干燥后的質(zhì)量，g。

1.4.7 水接觸角

采用水靜態(tài)接觸角測(cè)量法。使用光學(xué)水接觸角測(cè)量?jī)x對(duì)薄膜進(jìn)行水接觸角測(cè)試，測(cè)量水滴與樣品表面形成的夾角。薄膜樣品尺寸為1 cm×5 cm，測(cè)試時(shí)水滴體積為1 μL。

1.5 雞蛋保鮮效果測(cè)定

1.5.1 雞蛋涂膜處理

涂膜液制備：采用1.3的方法制備1%CMC溶液和DAC溶液，分別混合配制不調(diào)節(jié)pH的CMC、DAC/CMC復(fù)合涂膜液和最優(yōu)pH的DAC/CMC復(fù)合涂膜液。DAC/CMC復(fù)合涂膜液中DAC的比例及最優(yōu)pH均根據(jù)1.4的性能表征結(jié)果確定。對(duì)照組為蒸餾水。

挑選大小適中的雞蛋，剔除有裂紋、有血斑的瑕疵雞蛋，清除表面污物，用蒸餾水清洗干凈并晾干后的雞蛋分為4組，在室溫下浸泡在上述3組涂膜液及對(duì)照組蒸餾水中，浸泡時(shí)間為1 min，撈出并風(fēng)干，置于25 ℃下貯藏，每隔15 d測(cè)定雞蛋的感官品質(zhì)，每隔5 d測(cè)定雞蛋的失重率、哈氏單位(Huff unit，HU)、蛋黃系數(shù)(yolk index，YI)、蛋白pH各項(xiàng)指標(biāo)，總貯藏期為60 d，因到后期雞蛋品質(zhì)變化不顯著，最后1批隔10 d測(cè)試。

1.5.2 感官品質(zhì)

隨機(jī)選取5枚雞蛋測(cè)定感官品質(zhì)，參照SB/T 10638—2011《鮮雞蛋、鮮鴨蛋分級(jí)》，從蛋白、蛋黃和細(xì)帶的外觀對(duì)雞蛋內(nèi)容物進(jìn)行感官評(píng)定(表1)。

表1 感官評(píng)定指標(biāo)及各等級(jí)相應(yīng)表示符號(hào)[3]Table 1 Grades of sensory index and their symbols[3]

1.5.3 失重率、HU、YI及蛋清pH

每組隨機(jī)選取10枚雞蛋，做好標(biāo)記，每5 d檢測(cè)失重率，按公式(3)計(jì)算：

(3)

式中：m0，貯前質(zhì)量，g；mt，貯后質(zhì)量，g。

每隔5 d，每組隨機(jī)選取5枚雞蛋，稱取其質(zhì)量后將雞蛋打開置于平板上，用游標(biāo)卡尺測(cè)量濃厚蛋白高度(距蛋黃邊緣1 cm，避開卵黃系帶)、蛋黃直徑(橫徑和縱徑的平均值)及蛋黃的高度。再將蛋黃和蛋清分離，將蛋清充分?jǐn)嚢杈鶆颍胮H計(jì)測(cè)量其值，精確到0.01。HU和YI計(jì)算如公式(4)(5)所示：

HU=100×lg(H-1.7×m0.37+7.6)

(4)

式中：H，蛋白高度，mm；m，雞蛋質(zhì)量，g。

(5)

式中：H，蛋黃高度，mm；D，蛋黃直徑，mm。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 18軟件處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并通過Duncan多重檢驗(yàn)法檢驗(yàn)顯著性，顯著性水平為0.05。數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差表示，采用Origin 2019軟件制圖，圖中豎線代表標(biāo)準(zhǔn)誤差，不同字母表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 DAC/CMC膜的表征

2.1.1 pH對(duì)DAC/CMC膜的影響

2.1.1.1 力學(xué)性能分析

由圖1-a可見，DAC/CMC-pH 7、DAC/CMC-pH 5、DAC/CMC-pH 2復(fù)合膜的TS分別為62.07、52.59和48.84 MPa，EAB分別為14.64%、11.55%和12.05%。可見調(diào)節(jié)pH后，TS隨pH值降低而降低(P<0.05)，EAB無顯著性差異(P>0.05)。這可能是由于低pH影響了DAC在CMC膜中的分散性，發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象[13]，減少了氫鍵的鍵合，削弱了分子間作用。

a-力學(xué)性能；b-溶脹度圖1 pH對(duì)DAC/CMC膜的力學(xué)性能和溶脹度的影響Fig.1 Effect of pH on the mechanical properties and swelling degree of DAC/CMC films注：不同小寫字母表示不同組間拉伸強(qiáng)度具有顯著差異；不同 大寫字母表示不同組間斷裂伸長(zhǎng)率具有顯著差異(P<0.05)

2.1.1.2 溶脹度分析

如圖1-b可知，隨著pH的降低，各組DAC/CMC復(fù)合膜的溶脹度也降低，pH為2和5制備的復(fù)合膜溶脹度差異不顯著(P>0.05)，中性條件下制備的復(fù)合膜溶脹度顯著大于低pH值的溶脹度(35倍脹大)，這可能是低pH下CMC的解離度降低，導(dǎo)致其溶脹度降低，此時(shí)復(fù)合膜在水中的穩(wěn)定性增強(qiáng)。

綜合力學(xué)性能和溶脹度分析，后續(xù)探究DAC含量對(duì)DAC/CMC膜的影響均在pH 5的條件下進(jìn)行。

2.1.2 DAC含量對(duì)DAC/CMC膜的影響

在最優(yōu)pH條件下DAC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、8%、12%、20%制得的膜分別記為：CMC、8%DAC/CMC-pH 5、12%DAC/CMC-pH 5及20%DAC/CMC-pH 5。

2.1.2.1 FTIR分析

圖2 DAC膜、CMC膜及不同DAC含量下的 DAC/CMC膜的紅外光圖譜Fig.2 FTIR spectrum of DAC, CMC and DAC/CMC films with different DAC content

2.1.2.2 力學(xué)性能分析

如圖3所示，隨著DAC含量的增加，DAC/CMC復(fù)合膜的TS較CMC膜分別提高為5.77%、88.08%和110.93%(P<0.05)。而隨著DAC含量的增加，EAB較純CMC膜分別降低11.18%、38.03%和90.99%(P<0.05)。復(fù)合薄膜力學(xué)性能的變化與以下因素有關(guān)[15,17-18]：(1)DAC中的醛基與CMC中的羥基直接形成半縮醛；(2)DAC的添加使得復(fù)合膜中產(chǎn)生了更多的氫鍵，半縮醛及更多的氫鍵使得復(fù)合膜

圖3 不同DAC含量對(duì)DAC/CMC膜的力學(xué)性能的影響Fig.3 Effect of DAC content on the mechanical properties of DAC/CMC films

的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更密集，需要更大的外力破壞這個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使其TS提高，并且高分子鏈段的滑移也變得更困難，即EAB降低。

2.1.2.3 阻濕性和阻氧性分析

復(fù)合膜的透濕系數(shù)隨著DAC添加量的增加先升高后降低再升高，復(fù)合膜的透氧系數(shù)隨著DAC含量的增加先減小，后又略微上升(表2)。當(dāng)DAC含量適中時(shí)，DAC在復(fù)合膜中分散較均勻，形成了分子間氫鍵，此時(shí)復(fù)合膜的孔隙率降低，阻礙了氧氣和水蒸氣的溶解和擴(kuò)散[19]。但當(dāng)DAC含量較低時(shí)無法形成均勻的網(wǎng)絡(luò)，較高時(shí)CMC內(nèi)部發(fā)生團(tuán)聚，影響復(fù)合膜的有序排列，使得內(nèi)部空隙大，水蒸氣和氧氣更易透過[13,20]。當(dāng)DAC含量為12%時(shí)，復(fù)合膜的WVP和OP達(dá)到最低值，分別為1.99×10-12g·cm/(cm2·s·Pa)、8.56×10-15cm3·cm/(cm2·s·cmHg)，此時(shí)WVP比純CMC膜降低了4%，OP下降了4個(gè)數(shù)量級(jí)。

表2 DAC含量對(duì)DAC/CMC膜的WVP和OP的影響Table 2 Effect of DAC content on WVP and OP of DAC/CMC films

2.1.2.4 親水性分析

水溶性可以一定程度反映復(fù)合膜在水中的穩(wěn)定性，而水接觸角則可以反映復(fù)合膜的親水性[21]。由圖4-a可見，隨著DAC添加量的增加，DAC/CMC復(fù)合膜水溶性降低(P<0.05)，復(fù)合膜內(nèi)部分子間相互作用力增強(qiáng)，形成致密穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，薄膜的耐水性增強(qiáng)[22]，12%DAC/CMC-pH 5膜相比純CMC膜水溶性降低了46.24%。由圖4-b可知，由于DAC中的半縮醛結(jié)構(gòu)具有抗水滲透性[18]，雖然CMC中存在大量的羥基和羧基，屬于高親水性基團(tuán)，但加入DAC后復(fù)合膜的疏水性提升，復(fù)合膜的水接觸角增大(P<0.05)，20%DAC/CMC-pH 5復(fù)合膜的水接觸角>90°，已從親水性薄膜轉(zhuǎn)變成憎水性薄膜。

a-水溶性；b-水接觸角圖4 不同DAC含量對(duì)DAC/CMC膜的水溶性和 水接觸角的影響Fig.4 Effect of DAC content on the water solubility and water contact angle of DAC/CMC films注：b圖中柱狀圖上方為測(cè)試水接觸角圖片

2.2 復(fù)合涂膜劑對(duì)雞蛋的保鮮效果

根據(jù)2.1的結(jié)果，選取12%DAC/CMC-pH 5的涂膜液進(jìn)行雞蛋涂膜保鮮實(shí)驗(yàn)，其他實(shí)驗(yàn)組為對(duì)照。

2.2.1 雞蛋的感官品質(zhì)

從表3可知，各組蛋白、蛋黃和系帶的感官品質(zhì)均在貯藏一定時(shí)間后下降，涂膜組與CK組差異明顯。在15 d時(shí)CK濃蛋白開始稀釋，蛋黃彈性降低，系帶開始脫落，涂膜組雖然蛋黃品質(zhì)下降，但此時(shí)濃蛋白較多、尚未散流。到45 d時(shí)12%DAC/CMC和12%DAC/CMC-pH 5組的濃蛋白才開始散流，到60 d時(shí)各組蛋黃彈性降低至幾乎沒有，球形扁平，除12%DAC/CMC-pH 5組外其他組系帶都已脫落。

表3 雞蛋感官評(píng)定等級(jí)表Table 3 The sensory rating scale of egg

2.2.2 雞蛋保鮮期間理化特性的變化

雞蛋的失重率、HU、YI和蛋清pH是反映雞蛋新鮮程度的重要指標(biāo)。失重率與雞蛋內(nèi)部的水分含量有關(guān)，HU主要度量雞蛋白的穩(wěn)固性與濃厚蛋白高度及質(zhì)量有關(guān)[23]，YI與蛋黃體積、蛋黃膜的強(qiáng)度及雞蛋內(nèi)部水分的遷移有關(guān)[24-25]。

如圖5所示，隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，各組雞蛋的失重率逐漸增大，HU和YI逐漸減小。如圖5-a所示，貯藏60 d，CMC組與CK組無顯著性差異(P>0.05)，而復(fù)合涂膜組與CK組差異顯著(P<0.05)?？梢娞砑覦AC后的復(fù)合涂膜，可一定程度減緩雞蛋貯藏過程中的失重。如圖5-b和圖5-c所示，隨著貯藏時(shí)間的增加，蛋白穩(wěn)定性下降，蛋白發(fā)生水樣化，水分向蛋黃內(nèi)部擴(kuò)散，因此HU和YI下降。貯藏到第60天時(shí)，CK組因蛋黃散黃無法繼續(xù)測(cè)定，添加DAC兩組之間的HU和YI沒有明顯差異(P>0.05)，但這2組與CMC組存在顯著差異(P<0.05)。12%DAC/CMC-pH 5組對(duì)失重率、HU、YI的下降減緩效果最佳，可見，DAC的添加提高了涂膜劑阻水性和阻氧性，減少了雞蛋內(nèi)外的氣體交換，抑制了雞蛋的呼吸作用，因此減緩了濃厚蛋白水樣化速率，抑制了蛋黃對(duì)水的吸收，有效維持了蛋白和蛋黃的品質(zhì)。

如圖5-d所示，各組的pH變化趨勢(shì)基本一致，貯藏初期，隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，雞蛋內(nèi)部CO2通過氣孔不斷向外逸散，導(dǎo)致蛋清pH升高；貯藏后期，由于蛋清中的蛋白質(zhì)在酶和細(xì)菌的作用下逐漸分解為膘和胨等物質(zhì)，因此蛋清pH下降[26-27]。貯藏35 d內(nèi)，涂膜各組pH顯著低于CK(P<0.05)。涂膜各組pH的上升速率減緩，說明涂膜有效阻礙了CO2的逸出。12%DAC/CMC與12%DAC/CMC-pH 5組的上升速率低于其他組，到50 d后涂膜組之間差異不顯著(P>0.05)。因此，加入DAC的涂膜劑能夠維持蛋清pH的穩(wěn)定，防止蛋白質(zhì)分解。

a-失重率；b-HU；c-YI；d-蛋清pH圖5 雞蛋的失重率、HU、YI、蛋清pH隨貯藏時(shí)間的變化Fig.5 The variation of WL, HU, YI and pH of egg white during storage

3 結(jié)論

本研究通過高碘酸鈉選擇性氧化得到DAC作為交聯(lián)劑，制備得到不同pH下進(jìn)行交聯(lián)的DAC/CMC復(fù)合膜及不同DAC含量的DAC/CMC復(fù)合膜，并對(duì)其進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)添加DAC后，低pH條件下復(fù)合膜的力學(xué)性能和溶脹度較好，復(fù)合膜的TS提高，對(duì)水蒸氣和氧氣的阻隔性增強(qiáng)，抗水性和耐水性皆有所提高。將DAC/CMC復(fù)合涂膜劑應(yīng)用到雞蛋保鮮，結(jié)果表明，涂膜處理使得雞蛋的生理生化指標(biāo)有明顯改善。相較于CMC涂膜劑，添加DAC后復(fù)合涂膜劑對(duì)雞蛋的感官品質(zhì)、失重率、HU、YI、蛋清pH的保持作用更為顯著，復(fù)合涂膜劑有效減少雞蛋水分散失，維持蛋清pH值的穩(wěn)定，減緩濃厚蛋白水樣化的速率，降低雞蛋新陳代謝速率，從而抑制蛋黃對(duì)水的吸收，維持了蛋黃的品質(zhì)，使得雞蛋貯藏期延長(zhǎng)。DAC/CMC是一種天然、綠色、安全的可食用涂膜劑，未來可作為新型可食用涂膜保護(hù)劑的發(fā)展方向，在食品保鮮方面具有廣闊的應(yīng)用前景。