膠原蛋白可食膜的改性方法研究進展

余貞玥，文超婷，徐鑫，劉國艷，張繼賢

揚州大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院（揚州 225127）

根據(jù)國際包裝工業(yè)發(fā)展情況統(tǒng)計，塑料類包裝材料形成的“白色污染”會嚴重破壞生態(tài)環(huán)境，約占環(huán)境垃圾的72%，其中很大一部分都來自于塑料食品包裝廢棄物[1]。另外，隨著消費者對食品安全和環(huán)境保護意識的提高，兼具環(huán)保、綠色、可食用降解的綠色包裝材料的開發(fā)勢在必行。蛋白基可食用性薄膜因其口感好、營養(yǎng)價值高和透氣性好等優(yōu)點逐漸引發(fā)食品包裝領(lǐng)域研究者的廣泛關(guān)注[2]。膠原蛋白是哺乳動物體內(nèi)含量最多的蛋白質(zhì)，主要存在于皮膚中，約占蛋白質(zhì)總量的25%～33%[3-4]，膠原蛋白可食用膜以膠原蛋白為主要原料，加入可食性的增塑劑、交聯(lián)劑等，通過不同分子間相互作用形成具有一定強度和阻隔性的薄膜。膠原蛋白可食用膜以包裹、涂布、微膠囊等形式用于食品表面或內(nèi)部，具有良好的阻水性、選擇透過性、可食性、抗氧化性、安全無毒、方便衛(wèi)生等優(yōu)勢[5]。近年來，關(guān)于膠原蛋白可食用性膜的結(jié)構(gòu)性質(zhì)、功能性質(zhì)和活性等研究不斷深入，就膠原蛋白可食用膜的定義、機制、應(yīng)用和改性方法進行綜述和討論。同時，也對改性方法存在問題進行討論和展望，以期為膠原蛋白基可食用薄膜的進一步研究提供理論基礎(chǔ)。

1 可食用膜的定義和成膜機理

蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和多糖等大分子能夠通過靜電引力和分子氫鍵等作用，形成一種乳狀液，經(jīng)干燥形成具有透氣性和阻隔性的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)膜[6]。應(yīng)用較廣泛的制備方法包括擠壓吹塑法、澆鑄法、流延法和涂布法?？墒秤媚ぐ凑粘赡し绞降牟煌煞譃榱餮臃?、澆鑄法、擠壓吹塑法和涂布法[7]。天然蛋白分子主要以疏水相互作用、離子鍵、氫鍵和二硫鍵等相互作用形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。適當(dāng)?shù)淖冃蕴幚砟軌蚋淖兊鞍變?nèi)部的相互作用，展開蛋白分子的三維結(jié)構(gòu)，暴露出更多的巰基和疏水基團[8]。變性后的蛋白分子會重新形成新的立體網(wǎng)絡(luò)，繼而形成結(jié)構(gòu)均勻、致密的薄膜。

2 可食用膜的應(yīng)用

膠原蛋白可食用膜具有來源廣泛、活性多樣和綠色環(huán)保的優(yōu)勢。膠原蛋白膜能夠作為醫(yī)用皮膚替代物、護膚品、肉制品抑菌劑等。膠原蛋白膜憑借其優(yōu)異的生物塑性、溶脹性和透析性，可作為皮膚替代物，起到粘結(jié)體液和促進損傷創(chuàng)面恢復(fù)的作用[9]。周文常等[10]使用殼聚糖和膠原蛋白制備的可食用膜，具有優(yōu)良的替代真皮、緩釋和生物相容性的優(yōu)點。另外，膠原蛋白膜還能與羧甲基纖維素混合制備護膚產(chǎn)品，具有無刺激、親和力強和皮膚相容性好的優(yōu)勢[11]。肉產(chǎn)品在加工和儲藏過程極易受到環(huán)境微生物的影響，導(dǎo)致肉變色和變質(zhì)。膠原蛋白酶和殼聚糖形成的可食用膜涂布于肉制品表面，能夠抑制肉產(chǎn)品表面的微生物成長，該膜還具有較強的機械韌性和高透明度[12]?；谀z原蛋白膜的應(yīng)用多樣性優(yōu)點，使其具有良好的發(fā)展前景。

3 膠原蛋白可食用膜的改性

相比聚乙烯、聚氯乙烯等材料制備的膜，膠原蛋白食用膜也存在一些不足，包括較低的抗腐蝕能力、較弱的機械性能和保存食品的期限較短等問題。為了改善膠原蛋白可食用膜的性能，近年來，研究者對膜改性方法進行探索。膠原蛋白膜的改性主要有分為3類，即交聯(lián)改性、共混改性和交聯(lián)-共混聯(lián)合改性。還有一些物理改性手段，包括超聲、紫外輻射和γ射線等。

3.1 交聯(lián)改性

交聯(lián)改性是指交聯(lián)劑與膠原蛋白分子之間以共價鍵相連形成的網(wǎng)狀或體型高分子的方法。該方法能夠顯著延緩膠原蛋白膜的分解速度，提高膜的穩(wěn)定性和機械強度，具有成本低、操作簡單、交聯(lián)劑用量少等優(yōu)勢。多酚是使用最普遍的交聯(lián)劑，多酚分子和膠原蛋白之間能夠以氫鍵發(fā)生交聯(lián)，形成的膜具有良好的機械性能、無毒、生物活性多樣性等優(yōu)點而受到廣泛關(guān)注。

胡可欣等[13]利用沒食子酸對膠原蛋白膜進行交聯(lián)改性，結(jié)果表明，相比未改性的膠原蛋白膜，抗張強度和斷裂伸長率提高，這主要是因為改性后沒食子酸的羥基和羧基與膠原分子的氨基和羧基發(fā)生多點氫鍵結(jié)合，使膠原膜的形成更加致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而使改性后膠原膜的抗張強度明顯提高。鄧依等[14]利用單寧酸對膠原蛋白膜進行交聯(lián)改性，結(jié)果表明，經(jīng)過改性后，單寧酸與膠原分子之間發(fā)生多點氫鍵結(jié)合及其他相應(yīng)的作用力，從而使得膠原膜內(nèi)部的聯(lián)結(jié)更為緊密，結(jié)構(gòu)變得更為致密，并且單寧酸為多酚類物質(zhì)具有鞣性，因此也有一定填充作用，使得膠原膜的緊實度得到提升，從而使經(jīng)過改性后膠原膜拉伸強度明顯提高。另外，原花青素對膠原蛋白膜進行改性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氫鍵相互作用是原花青素穩(wěn)定膠原蛋白的主要原因。與純膠原蛋白相比，膠原蛋白/原花青素膜的水蒸氣滲透性，隨著原花青素的增加而降低，這是由原花青素和膠原的交聯(lián)導(dǎo)致的[15]。因此，多酚的添加能夠增加膠原蛋白分子間的交聯(lián)，減小分子間的距離，使成膜物質(zhì)之間形成更加緊密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

3.2 共混改性

共混改性是指一種或多種共混物質(zhì)與膠原蛋白混合，能夠改善提高膜的穩(wěn)定性和機械強度。該方法具有操作簡單、環(huán)保和成本低等優(yōu)勢。混合物之間的相容性和結(jié)構(gòu)形態(tài)能夠顯著影響共混膜的性能。共混改性只要包括二元共混和三元共混改性。

3.2.1 二元共混改性

盧黃華等[16]利用殼聚糖與膠原蛋白混合，結(jié)果表明，隨著殼聚糖添加比例的增加，抗張強度逐漸增加，但斷裂伸長率先上升后下降。這主要是因為殼聚糖與膠原在分子水平上具有較好的共混性，兩者之間會產(chǎn)生靜電吸引作用和較強的氫鍵交聯(lián)作用[17]。徐萌等[18]利用殼聚糖與鮰魚皮明膠混合改性，結(jié)果表明，隨著膠原蛋白中加入殼聚糖的量增加，膜的抗張強度逐漸提高，膠原蛋白與殼聚糖質(zhì)量比6∶4時抗張強度達到最大，這時殼聚糖與膠原蛋白分子間發(fā)生強烈的相互作用，形成共價鍵及氫鍵，使得抗張強度增大。Wang等[19]利用玉米淀粉與膠原蛋白混合，結(jié)果表明，膠原蛋白中淀粉的存在增加了所得復(fù)合膜的厚度和不透明度，這是由于膠原的三螺旋結(jié)構(gòu)，其允許光更深地穿透到膜中。由此可見，在二元共混改性中，相比其他共混劑，殼聚糖的使用頻率更高，這主要是因為殼聚糖可以增強膠原蛋白的交聯(lián)，降低聚合物基質(zhì)的自由體積，減緩水分子通過膜的擴散速率，使得膜的機械性能更強。

3.2.2 三元共混改性

王碧[20]使用葡甘聚糖和軟骨素改性膠原蛋白膜，結(jié)果表明三元共混膜具有良好的相容性，3種分子間存在靜電引力、氫鍵等貫穿網(wǎng)絡(luò)的相互作用，使膜表面具有均勻單一的形態(tài)結(jié)構(gòu)，并且具有較高的透光率、更優(yōu)良的力學(xué)性能。殼聚糖和聚乙烯醇對膠原蛋白膜進行共混改性，結(jié)果表明，聚乙烯醇、膠原、殼聚糖共混比例1∶5∶4時，各項物理性能都能得到較好的結(jié)果，說明此比例為最佳配比[21]。姚行行[22]利用涼薯淀粉和紅毛丹多酚對鯛魚皮膠原蛋白進行改性，結(jié)果表明，抗水性、水蒸氣透過率、不透明度、機械強度等性能有一定提升，但提升幅度不明顯。膠原蛋白-涼薯淀粉-紅毛丹多酚三元復(fù)合膜質(zhì)地與改性前相比具有很大相似性，保留了膠原蛋白-涼薯淀粉共混膜表面光滑平整、分布均勻、連續(xù)性好的優(yōu)點，說明多酚的添加不會引起復(fù)合膜品質(zhì)的下降[22]。三元混合分子間存在較強的相互作用力，形成的膠原蛋白膜具有更加緊密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、機械強度和水蒸氣透過率。

3.2.3 交聯(lián)-共混聯(lián)合改性

陳達佳等[23]利用茶多酚和殼聚糖改性膠原蛋白，結(jié)果表明，復(fù)合膜的水蒸氣透過率隨著茶多酚添加量的增加而先減小后顯著增加。茶多酚能夠增加膠原蛋白分子內(nèi)和膠原蛋白-殼聚糖分子間的交聯(lián)，減小分子間的距離，使成膜物質(zhì)之間形成更加緊密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。阿魏酸-殼聚糖-膠原蛋白通過交聯(lián)作用形成可食用膜，該膜的結(jié)構(gòu)更加致密[25]。Du等[15]將膠原蛋白與天然交聯(lián)劑殼聚糖混合，加入海藻酸二醛交聯(lián)，結(jié)果表明，膠原蛋白和殼聚糖的共混物中添加海藻酸二醛是無毒的，并且沒有破壞膠原蛋白的三螺旋結(jié)構(gòu)，改善膠原蛋白海綿的纖維形成能力、吸水能力和熱穩(wěn)定性。

3.3 其他改性

常用到的物理改性手段包括γ射線照射、超聲和酶法改性。林曉艷等[26]利用60Co輻照交聯(lián)改性牛皮膠原膜和牛跟腱膠原膜，結(jié)果表明，輻照后牛皮膠原膜和牛跟腱膠原膜的溶脹度均比輻照前低，隨著輻照劑量的增加，溶脹度減少。這是由于低溫下，一定輻射劑量輻照后，膠原膜的交聯(lián)度隨輻照劑量的增加而增加，膠原結(jié)構(gòu)更加有序化。超聲制備沒食子酸-膠原蛋白-殼聚糖復(fù)合膜，具有優(yōu)異的機械性能、阻濕性和抗氧化性能，這主要因為隨著三元添加物比例的增加，整個聚合物結(jié)合力變強，使得各項性能提高，超聲處理使復(fù)合膜表觀結(jié)構(gòu)變得更加致密[24]。Chen等[27]利用谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶改性膠原蛋白，結(jié)果表明，在pH 3和4的低pH條件下，使用酶交聯(lián)的基質(zhì)顯示出比在高pH下更高的拉伸強度。與未處理的基質(zhì)相比，相應(yīng)基質(zhì)的變性溫度向更高的溫度移動。這些酶催化的交聯(lián)基質(zhì)通過MTT試驗證明無細胞毒性。

4 結(jié)語與展望

國內(nèi)外對膠原蛋白可食用膜進行大量研究，并取得一定進展，但也存在一些問題：改性手段主要停留于實驗室階段，從實驗室過渡到工業(yè)生產(chǎn)仍有一段距離；改性技術(shù)在滿足可食用膜的性能的前體下，需要考慮生產(chǎn)成本的問題；針對單一品種膠原蛋白的改性手段較多，對于不同來源、產(chǎn)地和原料的膠原蛋白的改性手段，研究較少；關(guān)于改性手段機理層面的研究還不夠深入。

綜上所述，膠原蛋白可食用膜在改性方面還存在一些問題，制約其在各領(lǐng)域的應(yīng)用。可食用膜的開發(fā)關(guān)乎未來包裝行業(yè)的發(fā)展，探索多種改性方法的聯(lián)合使用，有利于減少化學(xué)試劑、耗能和提高經(jīng)濟效益。優(yōu)化改性手段是加快膠原蛋白可食用膜工業(yè)化進程的有效手段。針對不同產(chǎn)地、來源和品種膠原蛋白，開發(fā)新型的改性技術(shù)也是未來研究的方向。