可食性綠豆淀粉基復合膜的制備及其在青脆李保鮮中的應用

方晨璐，李 超，王 瑩，孟茁越

（1.咸陽職業(yè)技術學院醫(yī)藥化工學院，陜西 西安 712000；2.陜西省產品質量監(jiān)督檢驗研究院，陜西 西安 710048；3.陜西科技大學化學與化工學院，陜西 西安 710021）

隨著大眾環(huán)保意識的不斷提高，用生物可降解資源替代傳統(tǒng)石油基塑料膜的呼聲日益高漲。在眾多替代品中，淀粉因具有天然無毒、價格低廉、可再生、易降解等優(yōu)點，已被認為是最具發(fā)展前景的綠色膜材料的原料之一[1-3]。淀粉成膜是利用其凝沉特性，主要是直鏈淀粉分子的結合，而具有分支結構的支鏈淀粉不僅不易發(fā)生凝沉，而且對直鏈淀粉的凝沉有一定的抑制作用[3]。研究發(fā)現(xiàn)，綠豆淀粉的直鏈淀粉含量通常高于薯類或谷物淀粉，是良好的成膜基材[2,4-5]，但純綠豆淀粉膜具有脆性大、親水性強、力學性能差等缺點，因此需加入其他物質復合來進行改善。Ren 等[6]研究發(fā)現(xiàn)，殼聚糖的加入可以提高淀粉/殼聚糖復合膜的抗拉強度和斷裂伸長率，降低水蒸氣透過系數(shù)。Ghanbarzadeh 等[7]研究發(fā)現(xiàn)，在淀粉膜中添加質量分數(shù)為15%的檸檬酸，溶解度有所增加。

大豆分離蛋白是以大豆粕為原料生產的一種全價粉狀天然食品添加劑，具有成膜能力[8-9]。池慧瑩等[10]對比了水溶性淀粉/大豆分離蛋白復合膜與單一水溶性淀粉膜的性能差異，發(fā)現(xiàn)它們的斷裂伸長率雖無顯著差異，但復合膜具有較好的阻光、阻濕性。Zhang等[11]研究了殼聚糖/大豆分離蛋白共混涂膜對杏果實品質的影響，發(fā)現(xiàn)復合膜可有效降低杏果實的失重率，對可滴定酸和可溶性固形物的保持等發(fā)揮正向作用。但目前關于綠豆淀粉和大豆分離蛋白復合可食性膜材料應用于水果保鮮領域還鮮有報道。青脆李是我國主栽的李子品種之一，果實單果質量在20～40 g 左右。但青脆李屬于呼吸躍變型果實，采摘后易腐爛變質，且不耐貯藏，低溫下更易發(fā)生冷害[12]，因此需要采取適當?shù)姆椒▉硌娱L其貯藏期。

本文以綠豆淀粉和大豆分離蛋白為主要原料，通過性能測定篩選可食性綠豆淀粉基復合膜的最佳復合比例，同時表征該復合膜結構，并考察其對青脆李貯藏品質的影響，以期為可食性綠豆淀粉基復合膜在水果保鮮中的應用提供一定的理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 材料與試劑

青脆李：購自超市。

綠豆淀粉（直鏈淀粉＞29.5%）：西安香再來調味品廠；大豆分離蛋白（粗蛋白質≥90%，食品級）：山東萬得福生物科技有限公司；甘油（食品級）：天津津東天正精細化學試劑廠；無水氯化鈣、草酸、2,6 二氯靛酚等均為分析純，天津市天力化學試劑有限公司。

1.1.2 儀器與設備

bjhbcz-001-X 型螺旋測微儀：佛山市立發(fā)五金工具有限公司；DHG-9140A 型臺式恒溫鼓風干燥箱:上海一恒科學儀器有限公司；FA3103C 型電子天平：上海精科天美科學儀器有限公司；TU-1810 型可見分光光度計：北京普析通用儀器有限公司；TA.XT plus型物性分析儀：英國Stable Micro System 公司；STA449 F3 型傅里葉紅外光譜儀：德國布魯克公司；S-4800 型掃描電鏡：日本日立公司；GY-B 型水果硬度計：濟南倍能儀器有限公司；WYT-J 型手持糖度計：廣州滬瑞明儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 綠豆淀粉基復合膜的制備方法

稱取一定質量大豆分離蛋白，加入蒸餾水制成0.04 g/mL 懸浮液，再加入占大豆分離蛋白總質量25%的甘油，室溫下攪拌2 min 混勻后，置于60 ℃水浴中加熱至溶解。用蒸餾水制成0.06 g/mL 綠豆淀粉懸浮液，90 ℃水浴中加熱至溶解。再用上述溶液配制綠豆淀粉與大豆分離蛋白復合比例（質量比）分別為1∶0、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3 的膜液（通過對樣品性能測試，進一步確定最佳比例），以10 000 r/min 均質5 min，冷卻后獲得膜液。用流延成膜法將膜液澆鑄在平板槽內，于40 ℃、相對濕度（RH）50%的條件下干燥，使其溶劑蒸發(fā)后揭取成膜，備用。

1.2.2 膜性能測定

1.2.2.1 厚度

使用螺旋測微儀，在膜上隨機取5 個點測定，結果取平均值。

1.2.2.2 含水率、溶脹指數(shù)和溶解度

將膜裁剪成20 cm×20 cm 大小后稱重并讀取初始質量，然后于75 ℃干燥至恒重后再次讀取質量，接著于室溫下，將膜浸泡在20 mL 蒸餾水中24 h，取出用濾紙將表面的水擦干后讀取第3 次質量，最后于75 ℃條件下再次干燥并讀取最后質量。根據文獻[1]計算含水率、溶脹指數(shù)和溶解度。

1.2.2.3 水蒸氣透過系數(shù)

采用GB/T 1037—2021[13]中的倒杯法測定水蒸氣透過系數(shù)。在室溫條件下，用膜對裝有適量無水氯化鈣的稱量瓶進行封口并稱重，然后將稱量瓶放入底部為去離子水的干燥器里，平衡12 h 后，每隔2 h 稱量1 次。

1.2.2.4 透明度

使用可見分光光度計，于650 nm 下測定膜的透光率，以透光率表示透明度。

1.2.2.5 力學性能

取15 mm×60 mm 大小的膜，用物性分析儀測定膜斷裂時的抗拉強度（TS）和斷裂伸長率。測定條件：夾具初始距離50 mm，拉伸速度5 mm/min。

1.2.3 膜的結構表征

1.2.3.1 傅里葉紅外光譜分析

取適量膜與KBr 混合研磨后壓片，用傅里葉紅外光譜儀（FTIR）進行測定。測定條件：掃描波數(shù)設置為全波長4 000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1，以空氣為空白參比，累計掃描32 次。

1.2.3.2 掃描電鏡（SEM）分析

將少量膜用導電膠固定于載物臺上，真空噴金處理后，置于掃描電鏡下拍攝。

1.2.4 青脆李的品質指標測定

用上述“1.2.1”制得的膜液對青脆李進行涂膜后轉入25℃環(huán)境中貯藏，以未涂膜的青脆李為對照（CK），每5 d 進行1 次指標測定。

1.2.4.1 硬度

隨機選取10 個果實，在果實赤道部位取間隔等距的3 個位置，用水果硬度計進行硬度測定。

1.2.4.2 可溶性固形物（TSS）含量隨機選取10 個果實，去皮、去核后研磨成勻漿，使用手持糖度計進行測定。

1.2.4.3 可滴定酸含量

參考潘旭琳等[14]的方法，采用酸堿滴定法測定。

1.2.4.4 抗壞血酸含量

采用2,6-二氯靛酚滴定法測定。

1.2.4.5 腐爛率

參考張意靜[15]的方法，采用稱量法計算。

1.2.5 數(shù)據處理

每個樣品進行3 次平行測定，所得數(shù)據采用SPSS 19.0 軟件進行統(tǒng)計分析，并通過方差分析（ANOVA）確定數(shù)據之間的差異顯著性，以P＜0.05表示顯著差異。

2 結果與分析

2.1 綠豆淀粉與大豆分離蛋白復合比例對綠豆淀粉基復合膜性能的影響

由圖1A 可知，隨著大豆分離蛋白添加比例的增加，復合膜厚度不斷增大，當綠豆淀粉與大豆分離蛋白復合比例為1∶3 時，復合膜厚度比綠豆淀粉膜（復合比例1∶0）增加了約2 倍，說明大豆分離蛋白是決定膜固形物含量的主要組分。Malherbi 等[16]對添加不同含量明膠的玉米淀粉復合膜進行了厚度測試，也得到了相似的結果。

由圖1A 可知，復合膜含水率也隨大豆分離蛋白添加比例的增加而增大，當綠豆淀粉與大豆分離蛋白復合比例為1∶3 時，含水率較復合比例為1∶0 時提高了約1 倍。這是由于大豆分離蛋白中含大量親水羥基和氨基，其會同淀粉競爭與水分子的結合，并最終成為提高含水率的重要組分[17]。Liu 等[18]也發(fā)現(xiàn)隨著更多大豆分離蛋白的加入，氧化玉米淀粉復合膜的含水率也有所提高。

較高的溶脹指數(shù)在多數(shù)情況下限制了包裝膜在水果保鮮中的應用。由圖1B 可以看出，隨著大豆分離蛋白添加比例的增加，復合膜溶脹指數(shù)也有明顯增大，當綠豆淀粉與大豆分離蛋白復合比例為1∶3 時，溶脹指數(shù)較復合比例1∶0 時提高了約1 倍。這與大豆分離蛋白具有一定的溶脹性有關[19]。研究證明，大豆分離蛋白中強極性基團相比于淀粉更傾向于與水分子形成氫鍵，因此更有助于溶脹指數(shù)的提高[20]。

復合膜溶解度也隨著大豆分離蛋白添加比例的增加而增大（圖1B），在綠豆淀粉與大豆分離蛋白復合比例為1∶3 時，比1∶0 時提高了約3 倍。這主要是由于具有強親水性的大豆分離蛋白很容易與水分子發(fā)生相互作用[17]，從而導致膜溶解度增加。綠豆淀粉與大豆分離蛋白復合比例為1∶0、3∶1、2∶1 時，膜的溶解度增速較慢，溶解度偏低（13%～18%）。在實際應用中，膜的溶解度并非越高越好，對于高水分含量水果而言，其包裝采用低溶解性的膜材料為最佳選擇[13]。

水果包裝膜的主要功能之一是保持水果的品質，延長其保質期，而水蒸氣的透過情況會嚴重影響包裝內水果品質的變化速率[13]。水蒸氣的透過情況通常用水蒸氣透過系數(shù)（Pv）表示，Pv 越低，說明阻濕性越強[10]。由圖1C 可知，隨著大豆分離蛋白添加比例的增加，復合膜Pv 呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，當綠豆淀粉與大豆分離蛋白復合比例為2∶1 時，Pv 最低（1.2×10-5g·mm·cm-2·h-1·Pa-1）。說明當大豆分離蛋白含量較低時，其可均勻地分散在淀粉基體中，并與淀粉間形成強相互作用，從而阻礙水蒸氣通過。而當大豆分離蛋白添加比例過高時，由于其具有的親水性反而利于水蒸氣通過，因此之后Pv 上升較迅速。

透明度是包裝膜的重要指標，消費者更喜歡選擇透明的膜材料應用于水果表面包裝。由圖1C 可知，大豆分離蛋白的增加明顯降低了復合膜的透明度。這可能與大豆分離蛋白與淀粉間的兼容性有關，兼容性越強，透明度越低[21]。李大軍等[22]也報道了過高的玉米醇溶蛋白添加量下測得玉米淀粉復合膜的透明度較低。

圖1 綠豆淀粉與大豆分離蛋白復合比例對綠豆淀粉基復合膜性能的影響Fig.1 Effects of the compound ratios of mungbean starch and soy protein isolate on properties of mungbean starch-based composite film

力學性能是決定包裝膜能否被廣泛應用的重要因素。常見的測試指標主要包括抗拉強度和斷裂伸長率，分別與膜材料的剛性和韌性有關。由圖1D 可以看出，隨著大豆分離蛋白添加比例的增加，復合膜的TS 整體表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，當綠豆淀粉與大豆分離蛋白復合比例為2∶1 時，復合膜的TS 最大（35 MPa），說明此時膜的剛性最強。當綠豆淀粉與大豆分離蛋白復合比例為1∶0、3∶1、2∶1 時，抗拉強度明顯增加，這可能和大豆分離蛋白與淀粉之間的界面相互作用有關，這種相互作用主要是基于二者間的化學相似性。之后隨著大豆分離蛋白添加比例的提高，抗拉強度逐漸降低，說明高含量的大豆分離蛋白會導致其與淀粉之間發(fā)生相分離。而斷裂伸長率整體呈現(xiàn)上升趨勢，說明膜的韌性不斷增強，當綠豆淀粉與大豆分離蛋白復合比例≥2∶1 時，其斷裂伸長率變化不顯著。綜合以上性能發(fā)現(xiàn)，綠豆淀粉與大豆分離蛋白復合比例2∶1 時的綠豆淀粉基復合膜具備溶解性低、阻濕性強、力學性能優(yōu)等特點，可進一步應用于水果保鮮。

2.2 綠豆淀粉基復合膜的結構表征

為進一步了解綠豆淀粉與大豆分離蛋白的結構及相互作用，對綠豆淀粉基復合膜（綠豆淀粉與大豆分離蛋白復合比例2∶1）進行了傅里葉紅外光譜測試，同時以綠豆淀粉膜（綠豆淀粉與大豆分離蛋白復合比例1∶0）為空白對照，結果如圖2 所示。與綠豆淀粉膜相比，復合膜吸收峰位置基本未改變，只是整體向高波數(shù)略有移動，說明在復合膜內存在強烈的分子間氫鍵相互作用，這些相互作用會使得其組分間形成較好的相容性[5]。

圖2 綠豆淀粉基復合膜（綠豆淀粉與大豆分離蛋白復合比例2∶1）和綠豆淀粉膜（綠豆淀粉與大豆分離蛋白復合比例1∶0）的傅里葉紅外光譜圖Fig.2 FTIR spectra of mungbean starch-based composite film(compound ratio 2∶1)and mungbean starch film(compound ratio 1∶0)

綠豆淀粉膜在3 200～3 600 cm-1、2 940 cm-1、1 630 cm-1和1 420 cm-1附近出現(xiàn)了吸收峰，分別對應羥基、C-H 鍵、葡萄糖環(huán)和O-H 鍵的伸縮振動。這與Van Soest 等[23]關于原淀粉吸收峰的報道一致。而復合膜在3 200～3 600 cm-1附近的吸收峰則是由淀粉和蛋白質的羥基以及蛋白質N-H 鍵的共同伸縮振動產生的。2 940 cm-1附近的峰則是與淀粉和蛋白質C-H 鍵的振動有關。在1 630 cm-1、1 420 cm-1附近的峰除對應淀粉和蛋白質O-H 鍵以及蛋白質C=O 鍵的振動外，還與蛋白質的酰胺Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)（代表C-O鍵、C-N 鍵、N-H 鍵）和Ⅲ區(qū)振動有關[5]。

綠豆淀粉基復合膜（綠豆淀粉與大豆分離蛋白復合比例2∶1）的掃描電鏡結果如圖3 所示。由圖3可以看出：綠豆淀粉膜表面均勻、無孔，但稍粗糙（圖3A）；綠豆淀粉基復合膜與綠豆淀粉膜相比表面更加平滑均勻，且相分離不明顯（圖3B）。這說明綠豆淀粉和大豆分離蛋白復合后的兼容性更好，主要是由于大豆分離蛋白的加入提高了整個體系的膠黏性，這與上述FTIR 的結果一致。

圖3 綠豆淀粉膜（綠豆淀粉與大豆分離蛋白復合比例1∶0）（A）和綠豆淀粉基復合膜（綠豆淀粉與大豆分離蛋白復合比例2∶1）（B）的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.3 SEM images of mungbean starch film(compound ratio 1∶0)(A)and mungbean starch-based composite film(compound ratio 2∶1)(B)

2.3 綠豆淀粉基復合膜對青脆李貯藏品質的影響

綠豆淀粉基復合膜（綠豆淀粉與大豆分離蛋白復合比例2∶1）對常溫貯藏期間青脆李品質的影響結果如表1 所示。硬度是直觀反映果實品質的重要指標之一[24]。由表1 可見，在貯藏期間，CK 組與涂膜組青脆李的果實硬度均呈現(xiàn)下降趨勢。從貯藏第5 天開始，CK 組青脆李的果實硬度已逐漸低于涂膜組，且在貯藏第25 天時，CK 組與涂膜組的硬度差距最大，說明綠豆淀粉基復合膜能夠有效保持青脆李的硬度。

表1 綠豆淀粉基復合膜（綠豆淀粉與大豆分離蛋白復合比例2∶1）對常溫貯藏期間青脆李品質的影響Table 1 Effects of mungbean starch-based composite film(composite ratio 2∶1)on the qualities of green crisp plum during normal temperature storage

可溶性固形物是評價果蔬風味的一項重要指標。試驗發(fā)現(xiàn)：在貯藏過程中，CK 組青脆李的TSS 含量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，并在貯藏第20 天時果實的TSS 含量達到最高，為22.6%。在貯藏前期，青脆李中淀粉、果膠、粗纖維等成分會因其成熟度的增加而被不斷分解成葡萄糖，表現(xiàn)為TSS 含量升高[25]；貯藏后期，TSS 作為呼吸作用主要消耗物質而下降[24]。涂膜組青脆李的TSS 含量在貯藏期間呈逐漸上升趨勢，第25 天時達到21.7%，比CK 組的最高峰低。因此，綠豆淀粉基復合膜能更有效地減緩青脆李中TSS含量的上升，有利于果實風味的保持。

有機酸和抗壞血酸（又稱VC）是評價水果新鮮度的關鍵因素。由表1 可見，在貯藏期間，CK 組和涂膜組的青脆李可滴定酸和抗壞血酸含量均呈現(xiàn)降低趨勢，但涂膜組青脆李的可滴定酸和抗壞血酸含量均高于CK 組。貯藏至25 d 時，CK 組和涂膜組青脆李的可滴定酸含量分別為0.3%和0.5%，抗環(huán)血酸含量分別為3.2 mg/g 和5.8 mg/g，表明綠豆淀粉基復合膜可以有效延緩青脆李中有機酸和抗壞血酸的降解。

水果腐敗會直接影響其可食性，誤食這種水果會發(fā)生嘔吐腹瀉等癥狀。由表1 可以看出，CK 組和涂膜組青脆李分別在貯藏第10 天和第15 天時開始出現(xiàn)腐敗現(xiàn)象，之后腐爛率逐漸上升，至貯藏第25 天時，腐爛率分別為13.8%和2.4%。如圖4 所示，在整個常溫貯藏期間，與CK 組相比，涂膜組青脆李的品質較好，未發(fā)生明顯軟化和腐爛現(xiàn)象。

圖4 常溫貯藏期間青脆李品質變化照片F(xiàn)ig.4 Images of plum quality changes during storage at room temperature

3 結論

通過研究綠豆淀粉與大豆分離蛋白不同復合比例對綠豆淀粉基復合膜性能的影響，獲得了可食性綠豆淀粉基復合膜最佳復合比例。結果顯示：在綠豆淀粉與大豆分離蛋白復合比例2∶1 的條件下，可以獲得溶解度低、阻濕性強、力學性能優(yōu)的綠豆淀粉基復合膜。將該復合膜進一步應用于青脆李貯藏保鮮中，發(fā)現(xiàn)綠豆淀粉基復合膜能較好地維持青脆李的硬度、可溶性固形物含量和可滴定酸含量等品質指標，有效延長了其在常溫下的貨架期。該研究將為可食性淀粉基膜在水果保鮮中的應用提供一定的理論指導。