桃膠膜的制備、改良及性能分析

張妍，倪榮，韓艷霞，張振，郭雪松

錦州醫(yī)科大學(xué)食品與健康學(xué)院（錦州 121000）

食品包裝是保存食品和延長貨架期的主要方式之一，塑料的耐用性和廉價性被廣泛應(yīng)用于食品包裝中[1]，但與食品直接接觸會釋放一些有害化學(xué)物質(zhì)，且不易分解或在環(huán)境形成微塑料，對環(huán)境、生態(tài)造成污染和影響人類健康，所以研發(fā)高效低廉、可生物降解、可再生的綠色環(huán)保食品包裝材料，有助于解決塑料污染等問題[2]。

桃膠（peach gun，PG）為薔薇科植物桃的樹干受機械傷害或者果實致病后分泌出的膠狀物，桃膠的主要成分是多糖。賈銳等[3]發(fā)現(xiàn)原桃膠的發(fā)酵產(chǎn)物對金黃色葡萄球菌等具有抑菌活性。蔡延渠等[4]研究桃膠多糖的抗氧化性能，如對DPPH·的IC50為6.95 mg/mL，表明桃膠多糖具有良好的體外抗氧化活性?？墒秤帽ｕr膜是指多糖、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等物質(zhì)制備的復(fù)合物，通過浸漬等方法在食品表面形成一層或多層薄膜[5]，因此試驗采用桃膠制備可食用保鮮膜。

已有多種不同類型桃膠涂膜應(yīng)用于食品保鮮中，如桃膠多糖涂膜[6]、竹醋-桃膠復(fù)合涂膜[7]、桃膠-尼泊金酯復(fù)合膜、桃膠-肉桂醛復(fù)合膜[8]都有一定抗氧化、抑菌的保鮮效果。

殼聚糖（chitosan，CH）[9]、植酸（phytic acid，PA）[10]、茶多酚（green tea polyphenols，GTP）[11]作為天然無毒的生物保鮮劑，因其具有較強的抗氧化和抑菌作用，已作為防腐劑、抗氧化劑等應(yīng)用于食品行業(yè)，如在食品保鮮方面，多將其與成膜物質(zhì)復(fù)配，以此延長食品貨架期[12]。

因此以制作桃膠膜為基礎(chǔ)，通過添加殼聚糖、茶多酚和植酸3種保鮮劑改善桃膠膜的成膜性能，從而研制一種成膜性能較好的復(fù)合膜，并對膜的物理性能、結(jié)構(gòu)表征、抑菌和抗氧化性能等進行分析。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

桃膠粉（食品級，河南友言生物科技有限公司）；殼聚糖（脫乙酰度≥95%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；植酸（食品級，河南洪鑫食化有限公司）；茶多酚（食品級，浙江一諾生物科技有限公司）；冰乙酸（天津市鑫鉑特化工有限公司）；丙三醇（國藥集團化學(xué)試劑有限公司）；大腸桿菌、金黃色葡萄球菌（錦州醫(yī)科大學(xué)食品微生物實驗室）。

1.2 儀器與設(shè)備

DHG-9140電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海一恒科技有限公司）；HJ-3數(shù)顯恒溫磁力攪拌器（金壇市科析儀器有限公司）；KQ2200超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）；千分規(guī)薄膜測厚儀（德清盛泰芯電子科技有限公司）；UV-5100B紫外分光光度計（上海元析儀器有限公司）；RS-232C便捷式顏色測量儀（珠海天創(chuàng)儀器有限公司）；FTIR-850傅里葉變換紅外光譜儀（天津港東科技股份有限公司）；Readmax 1900光吸收全波長酶標儀（Flash閃譜）；FTIR-850物性分析儀（諾德科技公司）。

1.3 方法

1.3.1 桃膠膜的制備及改良

1.3.1.1 桃膠膜的制備（PG組）

稱取1 g桃膠，溶于100 mL的40 ℃蒸餾水中，用磁力攪拌器在40 ℃恒溫下攪拌溶解，將1 mL甘油作為乳化劑加入桃膠溶液中，再次重復(fù)攪拌操作，使用超聲波消泡2 h，用4層紗布進行過濾，得到桃膠膜液。將桃膠膜液（45 mL）倒入直徑90 mm的一次性培養(yǎng)皿中，置于40 ℃鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，所成膜保存在干燥器中備用。

1.3.1.2 桃膠膜的改良

殼聚糖膜液的制備：稱取1 g殼聚糖，溶于體積分數(shù)1%的冰乙酸（100 mL）中，用磁力攪拌器在40 ℃恒溫下攪拌溶解，將1 mL甘油作為乳化劑加入到殼聚糖溶液中，再次重復(fù)攪拌操作，使用超聲波消泡1 h，得到殼聚糖膜液。桃膠膜液的制備步驟同上。

桃膠-殼聚糖復(fù)合膜的制作（PG+CH組）：分別量取容積比1︰1的桃膠膜液和殼聚糖膜液，用磁力攪拌器在40 ℃恒溫下攪勻，使用超聲波消泡2 h，得到桃膠-殼聚糖復(fù)合膜液。將桃膠-殼聚糖復(fù)合膜液（45 mL）倒入直徑為90 mm的一次性培養(yǎng)皿中，置于40 ℃鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，所成膜保存在干燥器中備用。

桃膠/殼聚糖/桃膠三明治型復(fù)合膜的制作（PG/CH/PG組）：取15 mL桃膠膜液，倒入直徑90 mm的一次性培養(yǎng)皿中，于40 ℃鼓風(fēng)干燥箱中干燥至微干，得到第1層膜；取15 mL的殼聚糖膜液倒于第1層膜表面，于40 ℃干燥至微干，得到第2層膜；取15 mL的桃膠膜液倒于第2層膜表面，于40 ℃至干燥成膜，成膜量共為45 mL，制得桃膠/殼聚糖/桃膠三明治型復(fù)合膜，所成膜保存在干燥器中備用。

桃膠/殼聚糖/（桃膠+植酸+茶多酚）三明治型復(fù)合膜的制作（PG/CH/PG+PA+GTP組）：取15 mL含有質(zhì)量分數(shù)分別為0.05%的植酸和茶多酚的桃膠膜液代替第3層桃膠膜液，于40 ℃至干燥成膜，成膜量共45 mL，制得桃膠/殼聚糖/（桃膠+植酸+茶多酚）三明治型復(fù)合膜，所成膜保存在干燥器中備用。

1.3.2 膜物理性能的測定

1.3.2.1 膜光學(xué)照片分析

將膜在白色背景下成像，并對膜的表觀差異進行分析。

1.3.2.2 厚度

使用薄膜測厚儀在各組膜上任意取點，記錄厚度并取平均值。

1.3.2.3 不透明度

參照馬曉璐等[15]測定方法，將膜裁剪成比色皿大小，放入其內(nèi)壁，在波長600 nm處進行測定，以PE保鮮膜為對照組。不透明度按式（1）計算。

式中：A600為膜在600 nm處的吸光度；d為膜厚度，mm。

1.3.2.4 色差

以標準白板為背景，將色差儀校正，并垂直于膜上，分別記錄不同膜的L*、a*、b*值（L*表亮暗、a*表紅綠、b*表黃藍）。

1.3.2.5 膜機械強度的測定

將膜裁剪成合適大小，固定在物質(zhì)分析儀上，探頭A/MTG型，拉伸速度50 mm/min。斷裂伸長率按式（2）計算。

式中：L1為拉伸后長度，mm；L0為初始長度，mm。

1.3.3 膜表征的測定

1.3.3.1 結(jié)構(gòu)表征

用紅外光譜儀對膜進行ATR-FTIR分析，掃描范圍4 000～500 cm-1，掃頻4，光譜分辨率4 cm-1。

1.3.3.2 形貌表征

將膜進行干燥處理后噴金，在真空條件下用SEM掃描電子顯微鏡觀察膜表面和斷面的微觀形貌。

1.3.4 膜抑菌性能的測定

在紫外設(shè)備下，將濾紙片（直徑5 mm）浸在不同的膜液中30 min，用移液管分別移取0.3 mL菌懸液（濃度106CFU/mL的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌），涂布于LB養(yǎng)基上，將浸滿膜液的濾紙片放入培養(yǎng)基中，倒置放入37 ℃的培養(yǎng)箱中24 h后取出，測量抑菌圈直徑。

1.3.5 膜抗氧化性能的測定

1.3.5.1 對DPPH自由基清除率測定

參考蔡延渠等[4]的方法，取膜液及濃度0.2 mmol/L的DPPH無水乙醇溶液各1 mL，避光反應(yīng)30 min后，使用酶標儀在517 nm處測定吸光度A1；以等量的膜液和無水乙醇混勻后測定吸光度A2；等量的DPPH溶液和純水混勻后測定吸光度A0。通過式（3）計算清除率。

1.3.5.2 對ABTS自由基清除率測定

參考蔡延渠等[4]的方法，將濃度7.4 mmol/L的ABTS與濃度2.6 mmol/L的過硫酸鉀等量混合均勻，避光反應(yīng)12 h，得到ABTS溶液，用無水乙醇稀釋至734 nm處的吸光度A0為0.70±0.02，吸取0.5 mL膜液和1 mL ABTS稀釋液，渦旋30 s，室溫避光反應(yīng)7 min，使用酶標儀在734 nm處測定吸光度A1。通過式（4）計算清除率。

1.3.6 數(shù)據(jù)分析

試驗結(jié)果均平行測定3次，以“平均值±標準偏差”表示測定結(jié)果。采用的畫圖軟件為Origin Pro 2021，利用SPSS 25.0軟件對數(shù)據(jù)進行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 膜光學(xué)照片的分析

結(jié)果顯示：PG組（圖1a）顏色為無色半透明狀，無味；隨著CH溶液的增加，PG+CH、PG/CH/PG組（圖1 b、c），顏色較PG組偏黃，為淺黃色透明狀，表面光滑度提高，聞起來有少量冰乙酸的酸味；PG/CH/（PG+PA+GTP）組（圖1 d），由于CH、PA和GTP的添加，膜顏色為黃色透明狀，表面光滑度下降。

圖1 各組膜的光學(xué)照片

2.2 膜物理性能的分析

由于CH溶液的添加，復(fù)合膜PG+CH、PG/CH/PG、PG/CH/（PG+PA+GTP）組的厚度、不透明度與PG組相比顯著增加，厚度最高可達0.21 mm，不透明度最高可至51.70%，并且由于三明治型結(jié)構(gòu)的因素復(fù)合膜PG/CH/PG、PG/CH/（PG+PA+GTP）組的厚度和斷裂伸長率與PG組、PG+CH組有顯著差異，復(fù)合膜的斷裂伸長率和亮度降低，顏色偏黃綠色，這可能是因為GTP溶液的顏色偏深，使復(fù)合膜的色差與PG組相比有顯著差異，并且保鮮劑的添加打亂分子鏈之間的排列，影響復(fù)合膜的斷裂伸長率，使PG/CH/（PG+PA+GTP）組復(fù)合膜與其他3組膜相比有明顯差異。

表1 膜的物理性能

2.3 膜表征結(jié)構(gòu)的分析

2.3.1 膜的結(jié)構(gòu)表征分析

如圖2所示：3 400 cm-1為PG組醇和酚的—OH伸縮振動峰，1 460 cm-1為N＝N—O的反對稱伸縮振動峰；3 420 cm-1為PG+CH組醇和酚的—OH伸縮振動峰，1 480 cm-1為N＝N—O的反對稱伸縮振動峰；3 410 cm-1為PG/CH/PG組醇和酚的—OH伸縮振動峰，1 350 cm-1為N＝N—O的對稱伸縮振動峰；3 400 cm-1為PG/CH/PG+PA+GTP組醇和酚的—OH伸縮振動峰，1 350 cm-1為N＝N—O的對稱伸縮振動峰。與PG組相比，復(fù)合膜中醇和酚的—OH伸縮振動峰向高波數(shù)移動，可能是因為CH、PA、GTP的加入與PG分子之間存在氫鍵作用力，由此表明保鮮劑與桃膠的相容性良好，這與陳婷[8]制作的商品桃膠/肉桂醛復(fù)合膜結(jié)果相吻合。當復(fù)合膜同時加入PA和GTP后，復(fù)合膜的紅外光譜無顯著變化，可能是由于PA和GTP的特征峰重疊，這與王雅妮[13]制作KGM/SA/KGM復(fù)合涂膜結(jié)果相吻合。

2.3.2 膜的形貌表征分析

SEM掃描電子顯微鏡觀察的膜表面微觀形貌圖如圖3所示。由圖3（a）可見，PG組表面有較明顯的凸起和凹陷，這可能是因為少許PG出現(xiàn)堆積現(xiàn)象，但加入CH溶液后，復(fù)合膜的表面較單PG膜表面更加平整，可見PG組的表面明顯不如其他3組膜的均勻。但PG/CH/PG、PG/CH/（PG+PA+GTP）（圖3 c、d）組與PG+CH（圖3 b）組相比有明顯的褶皺，這可能與復(fù)合膜的3層結(jié)構(gòu)相關(guān)，PG層和CH層在干燥時的收縮不均勻，會引起層次性表面皺紋[14]。并且PG/CH/（PG+PA+GTP）組表面出現(xiàn)裂紋，說明抗菌劑的添加會使復(fù)合膜的表面變得粗糙，陳婷[8]制備商品桃膠/肉桂醛復(fù)合膜時發(fā)現(xiàn)，肉桂醛會使膜的表面更加粗糙，這與此次研究的結(jié)果相吻合。

圖3 不同膜的表、斷面微觀形貌圖

圖3（e）為SEM掃描電子顯微鏡觀察的膜斷面微觀形貌圖。PG組斷面結(jié)構(gòu)粗糙，存在少量不規(guī)則凸起，加入CH溶液后，復(fù)合膜PG+CH組斷面（圖3 f）結(jié)構(gòu)更為有序致密。如圖3（g和h）所示，當涂膜中間層加入CH后，PG/CH/PG、PG/CH/（PG+PA+GTP）組復(fù)合膜具有較明顯的三層結(jié)構(gòu)，斷面褶皺凸起聚集，相比PG、PG+CH組的斷面更加粗糙，這可能是因為在干燥過程中CH層膜收縮引起的平面壓縮應(yīng)變。如圖3（h）所示，當膜中間層同時加入PA和GTP后，復(fù)合膜出現(xiàn)少量裂紋，可能因為保鮮劑的相互作用，影響復(fù)合膜的脫水過程，導(dǎo)致復(fù)合膜在脫水過程中出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，這與王雅妮[13]制備的三明治型KGM/SA/KGM復(fù)合涂膜結(jié)果相吻合。

2.4 膜抑菌性能的分析

PG組未在圖4中表現(xiàn)，這是由于桃膠為無抗菌性多糖，涂膜溶解后為細菌提供營養(yǎng)組分，促進菌落的增長，因此沒有抑菌圈。在涂膜液中添加CH、PA和GTP 3種保鮮劑，涂膜組的抑菌性能有著不同程度的提升，其中PG/CH/（PG+PA+GTP）組的抑菌圈直徑較大于其他2組，分別為1.58和1.90 cm，表現(xiàn)出良好的抑菌性，這可能是因為復(fù)合膜的三明治型結(jié)構(gòu)使保鮮劑緩慢釋放，從而延長抑菌條件，并且CH中的正電荷與細菌中的負電荷相互作用，破壞細菌的完整性，造成細菌內(nèi)蛋白等成分外滲，從而擾亂細菌的正常代謝[9]，并且PA和GTP起到協(xié)同作用，在細菌生長過程中保持較好的抑菌效果。

圖4 不同膜的抑菌圈直徑

2.5 膜抗氧化性能的分析

由圖5可知，PG組的DPPH清除率為52.73%，可能是因為PG破壞DPPH自由基的穩(wěn)定性，從而起到清除效果，加入CH、PA、GTP后，各復(fù)合膜對DPPH的清除率有不同程度升高，最高可至92.25%，說明CH、PA、GTP為優(yōu)質(zhì)的抗氧化原料，與PG復(fù)配后產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，改善PG組對DPPH自由基的抗氧化性能，使復(fù)合膜的清除率增高，這與馬曉璐等[15]制備的殼聚糖-植酸復(fù)合膜研究結(jié)果相似。4種膜在ABTS的清除率上并無明顯差異，PG組的清除率為36.92%，這可能是因為PG能破壞p-π共軛體系，從而達到清除效果，添加CH、PA、GTP后復(fù)合膜的清除率最高，為43.75%，說明保鮮劑的添加可提高PG組的抗氧化性能。

圖5 膜的抗氧化性能

3 結(jié)論

以制作桃膠膜為基礎(chǔ)，通過添加殼聚糖、茶多酚和植酸等保鮮劑改善桃膠膜的成膜性能，從而研制出一種成膜性能較好的復(fù)合膜，并對膜的物理、抑菌、抗氧化性能和結(jié)構(gòu)表征進行測定。結(jié)果表明：保鮮劑的添加會使復(fù)合膜與單桃膠膜相比厚度和不透明度升高，其中厚度最高可達0.21 mm，不透明度最高可至51.70%，并且斷裂伸長率最低降至16.40%；亮度降低、顏色變黃。但通過SEM掃描電子顯微鏡的結(jié)果表示，保鮮劑的添加可降低桃膠膜表、斷面的粗糙度，紅外光譜顯示保鮮劑與桃膠的相容性良好，并且由于三明治型結(jié)構(gòu)，復(fù)合膜的抑菌性能得到顯著提高，其中對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌圈直徑分別為1.58和1.90 cm。復(fù)合膜的抗氧化性能也顯著升高，其中對DPPH和ABTS自由基清除率分別可至92.25%和43.75%。由此可見，保鮮劑的復(fù)配可彌補桃膠膜性能上的不足，但仍需進一步提高復(fù)合膜的不透明度和斷裂伸長率等性能。桃膠具有成為食品保鮮膜的潛力，但也仍面臨諸多挑戰(zhàn)。