一種復(fù)合可食膜的制備及在烤羊肉中的應(yīng)用

江愛蓮，李建民，張鳴明，李素岳，張寶勻，何海寧，廣忠勇，胡先望

（1.甘肅省商業(yè)科技研究所有限公司，蘭州 730010；2.嘉峪關(guān)市食品藥品和醫(yī)療器械檢驗檢測中心，甘肅嘉峪關(guān) 735100）

0 引言

近年來，以天然綠色生物降解高分子原料為基質(zhì)進行包裝材料制備的探索層出不窮［1］，在食品保鮮領(lǐng)域也正逐步發(fā)展，以減少環(huán)境污染［2］。多糖特異的結(jié)構(gòu)使其具備良好的阻氧、阻氣性，可一定程度保持食物光澤，阻抑微生物生長，使蛋白質(zhì)變性和脂肪酸敗速率降低，從而延長貨架期［3］。常見的多糖可食膜基質(zhì)為海藻酸鈉（SA）、果膠、殼聚糖（CS）等單一或混合物，通過分子內(nèi)與分子間的極性基團增強靜電引力等相互作用，并添加增塑劑等來改變多糖膜性能［4］，從而顯著延緩肉和肉制品由于氧氣和微生物導(dǎo)致的不良變化［5］。

多糖中的CS因擁有優(yōu)良的抑菌性、生物相容性、可降解性和成膜性等優(yōu)勢［6］，且成本低廉，逐漸被應(yīng)用于肉類食品保鮮領(lǐng)域［7］。羧甲基纖維素鈉（CMC）具有高黏度性、透明性、可降解性，較好阻隔O2，CO2和脂質(zhì)的功能，在食用膜中已被廣泛應(yīng)用［8］，但缺點是親水性導(dǎo)致水蒸氣阻隔性較差［9］。SA擁有良好的可降解性、機械強度和生物相容性，同時具有凝膠特性，作為肉制品的可食性膜原料有優(yōu)勢［10］，但由于SA本身屬于親水性物質(zhì)，故單獨制膜，效果欠佳［11］。牛至精油（OEO）具有安全、多功能性，且抗氧化、抗菌性能高效，能取代一些合成防腐劑的應(yīng)用［12］，在肉制品的貯藏保鮮中已被廣泛使用［13］。復(fù)合膜可將單一膜的優(yōu)點相結(jié)合，優(yōu)化膜的特性，根據(jù)原料類別與比例差異，膜的阻隔性、透明度和機械性能等相差較大，因此能滿足不同類型食品包裝需要［14］。

羊肉富含多種維生素、礦物質(zhì)及人體必需的不飽和脂肪酸［15］?？狙蛉饩哂懈叩鞍?、低脂肪和含磷脂多等優(yōu)點，肉質(zhì)細嫩、容易消化，較人們常食用的豬肉、牛肉的脂肪和膽固醇含量低［16］。其在儲運過程中容易受到O2、微生物和酶等眾多要素的影響變質(zhì)，價值貶低，增大食源性疾病的風(fēng)險和縮短貨架期。本文通過研究開發(fā)一種復(fù)合基質(zhì)可食膜，將其應(yīng)用于烤羊肉中，可以有效阻隔水分遷移、阻抑脂肪氧化和營養(yǎng)物質(zhì)的耗損等來延長貨架期，提高烤肉的品質(zhì)，為羊肉及羊肉制品的貯藏保鮮提供基礎(chǔ)研究參考。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

儀器：pHS-3C型酸度計（成都世紀(jì)方舟科技有限公司）；AL204型分析天平（梅特勒-托利多儀器上海有限公司）；DK-S12型水浴鍋（上海森信實驗儀器有限公司）；FSH-2型勻漿器（金壇市億通電子有限公司）；TU-1800PC型紫外可見分光光度計（北京普析通用儀器有限責(zé)任公司）；211-101型千分尺（東莞三量量具有限公司）；數(shù)顯SF-100N型數(shù)字式推拉力計（東莞三量量具有限公司）；KEG-W261A型電燒烤爐（康佳電器科技有限公司）。

試劑：CS，OEO（甘肅科析儀器化玻有限公司）；CMC（上海申光食品化學(xué)品有限公司）；SA（上海鑫泰食品配料商城）；丙三醇（國藥集團化學(xué)試劑有限公司）；冰乙酸（天津市大茂化學(xué)試劑廠）；無水氯化鈣（山東?；煞萦邢薰荆?；蒸餾水（實驗室自制）。

1.2 試驗方法

1.2.1 復(fù)合可食膜的制備

稱取CS溶解于100 mL體積比1%醋酸水溶液中。同時取適量CMC，SA，OEO，丙三醇和CaCl2加入蒸餾水中。待溶解完全后，兩溶液于75 ℃在恒溫水浴攪拌共混30 min，磁力攪拌15 min，超聲脫氣20 min，混合均勻。將混合膜液流延至PP板，放入溫度36 ℃、濕度50%恒溫恒濕培養(yǎng)箱中18 h。待干燥后將膜取出，即制成多糖精油復(fù)合膜。

1.2.2 單因素試驗設(shè)計

通過預(yù)篩選CS，CMC，SA，OEO添加量作為復(fù)合膜配方的主要影響因素，其他輔料的添加量分別為丙三醇添加量2%，CaCl2添加量0.3%。

固定其中3個因素不變，對另外1個變量進行單因素試驗，其中CS添加量分別為0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 g/（100 g）；CMC添加量分別為0.2，0.3，0.4，0.5，0.6 g/（100 g）；SA添加量分別為0.3，0.4，0.5，0.6，0.7 g/（100 g）；OEO添加量分別為0，0.5，1，1.5，2.0 g/（100 g），制備成膜。

1.2.3 響應(yīng)面試驗

通過單因素試驗選取合適的3個水平，根據(jù)Box-Behnken試驗方法，運用Design-Expert軟件，設(shè)計響應(yīng)面優(yōu)化試驗方案。將復(fù)合膜的堅固性作為響應(yīng)值，優(yōu)化制備工藝。

1.2.4 性能測試

1.2.4.1 堅固性

將復(fù)合膜固定于抽濾瓶上（內(nèi)外徑分別為4，5.6 cm），密封后進行負壓真空試驗，記錄膜破裂時的真空壓力，單位：kPa。

1.2.4.2 其他相關(guān)性能

膜厚度按照GB/T 6672-2001《塑料薄膜與薄片厚度的測定 機械測量法》測定；抗拉強度（TS）與斷裂生長率（E）按照GB/T 1040.1-2018《塑料拉伸性能的測定》測定；水蒸氣透過率（WVP）按照GB 1037-1988《塑料薄膜和片材透水蒸氣性試驗方法 杯式法》測定；透光率按照GB/T 2410-2008《透明塑料透光率和霧度的測定》測定。

1.2.5 復(fù)合膜在烤羊肉中的應(yīng)用

羊肉串在冷藏室解凍12 h，置于電燒烤爐烤15 min，烤熟待用。將烤肉放入制備好的復(fù)合膜中央，將膜四周疊起包裹嚴(yán)實放入自封袋中，分別放入室溫和4 ℃冷藏室觀察待測。

1.2.5.1 烤肉pH值的測定

根據(jù)GB/T 9695.5-2008《肉與肉制品 pH測定》進行。

1.2.5.2 烤羊肉硫代巴比妥酸值的測定

硫代巴比妥酸（TBA）的測定參考WANG等［17］的方法，稱取肉樣品5 g，加入20%（W/V）的三氯乙酸溶液10 mL，4 000 r/min 轉(zhuǎn)速下離心作用10 min，過濾。取5 mL上清液，加入5 mL 0.02 mol/L的TBA溶液，將上述混合液在90 ℃水浴中孵育30 min，取出冷卻至常溫，測定反應(yīng)產(chǎn)物（TBARS）在532 nm波長處的吸光值（A532），計算如下式：

1.3 統(tǒng)計分析

利用Design-Expert 8.0.6和Origin 8.5軟件進行多元線性回歸分析和圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

如圖1所示，隨著CS添加量升高，膜厚度呈上升趨勢，堅固性先上升后下降。當(dāng)CS添加量超過0.8 g/（100 g）時，膜液太黏稠，制得膜較脆，膜厚薄不勻，平滑度不好，機械性能和感官性能均下降，且透光率有所下降。當(dāng)CS添加量在較低范圍內(nèi)時，其與SA分子間的氫鍵、靜電作用力較強，分子鏈排列緊密，堅固性較好；當(dāng)CS濃度過大，分子中伯氨基之間相互排斥力不斷增強，使分子排列困難和氫鍵部分?jǐn)嗔?，膜的致密性下降，堅固性則降低。

圖1 殼聚糖、羧甲基纖維素鈉添加量對膜的影響Fig.1 Effects of chitosan and sodium carboxymethyl cellulose on the film

隨著CMC添加量升高，膜厚度變化不明顯，堅固性先增加后降低，原因為隨著CMC量增加，單位體積內(nèi)的分子數(shù)量增加，高分子聚集使膜纖維素網(wǎng)絡(luò)密度增加，承受的最大拉力顯著增加，堅固性升高。在超過0.6 g/（100 g）添加量時，均質(zhì)時間增長，黏性太高，膜液流動性降低，揭膜難度相對較高，膜透光率較低，堅固性下降，導(dǎo)致膜綜合性能評分降低。

如圖2所示，隨著SA添加量升高，膜的厚度呈逐步上升趨勢。當(dāng)添加量超過0.6～0.7 g/（100 g）后，延展性降低，膜厚度和脆性增加。膜的堅固性隨著SA含量的增加呈上升的趨勢，這是由于CS中被質(zhì)子化的氨基帶有大量正電荷，與SA中的負電荷基團發(fā)生靜電結(jié)合，交聯(lián)的結(jié)構(gòu)使得薄膜內(nèi)分子間結(jié)合緊密，因此堅固性升高。

圖2 海藻酸鈉、牛至精油添加量對膜的影響Fig.2 Effect of sodium alginate and oregano essential oil on membrane

隨著OEO添加量的升高，膜厚度提高。添加過多時，出現(xiàn)機械性能降低，堅固性降低，膜表面孔狀形態(tài)不平整且分散不勻稱，制得膜表層的顏色逐漸暗沉，此歸因于OEO中的酚類物質(zhì)吸收了短波長的光而導(dǎo)致［18］，韌性沒有顯著的影響。

選取對膜性能影響顯著的CS（A），CMC（B），SA（C），OEO（D）添加量4個因素，選擇適宜的水平，進行單因素試驗，表1為試驗因素水平表。

表1 響應(yīng)面試驗因素水平表Tab.1 Table of factors and levels for response surface test g/（100 g）

2.2 響應(yīng)面分析方案及結(jié)果

利用Box-Behnken試驗設(shè)計，確定4因素3水平，共29個試驗，堅固性為響應(yīng)值進行正交試驗。如表2所示，模型P<0.000 1，失擬項P=0.860 1>0.05，說明模型顯著，擬合程度好。CS，SA的一次項達到極顯著水平（P<0.05）。CS，CMC，SA，OEO含量二次項均不顯著（P>0.01）。由Box-Behnken回歸分析，得到如下多元二次響應(yīng)面回歸模型：堅固性（Y）=-465.201 4+460.747 4A+586.268 3B+982.141 6C+31.184 33D-354.852AB-740.283 3B2-966.908 3CB-15.991 33DB，其決定系數(shù)R2=0.987 5，表明回歸方程擬合度好，98%的堅固性與各因素變量之間關(guān)系可以用模型解釋，且調(diào)整決定系數(shù)=0.975 0，與R2接近，表明實測值和模型預(yù)測值具有較好相關(guān)性。預(yù)測決定系數(shù)=0.952 7，表明模型可以預(yù)測95%的堅固性與各因素變量之間關(guān)系。根據(jù)二次回歸方程預(yù)測，當(dāng)CS添加量為0.664 g/（100 g），CMC添加量為0.398 g/（100 g），SA添加量為0.510 g/（100 g），OEO添加量為0.941 g/（100 g）時，堅固性達到最大值，為69.576 kPa。根據(jù)回歸模型方差分析表中顯著性檢測結(jié)果顯示，該模型中一次項A，C，二次項A2，B2，C2，D2對復(fù)合可食膜堅固性的影響極顯著（P＜0.01）。由各因素F值得知，影響復(fù)合膜堅固性的4個因素的主次順序為CS（A）＞SA（C）＞OEO（D）＞CMC（B）。

表2 堅固性回歸模型方差分析表Tab.2 Table of variance analysis of robust regression model

CS，CMC，SA，OEO添加量之間交互作用見圖3。所選定的不同因素之間的交互作用對復(fù)合膜堅固性有影響，其變化走向均為隨著各因素添加量的增大，對膜堅固性都顯現(xiàn)先增加后降低的趨向，其中CS添加量和OEO添加量、CMC添加量和OEO添加量的交互作用對復(fù)合膜堅固性的影響較大。

圖3 各因素相互作用對復(fù)合膜堅固性的影響Fig.3 The effect of the interaction of various factors on the firmness of the composite film

2.3 試驗結(jié)果驗證

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，結(jié)合實際生產(chǎn)情況，膜配方的參數(shù)調(diào)整為CS添加量0.7 g/（100 g），CMC添加量0.4 g/（100 g），SA添加量0.5 g/（100 g），OEO添加量0.9 g/（100 g）。以此工藝參數(shù)進行驗證試驗，堅固性為67.979 kPa，相對于模型預(yù)測誤差為2.29%。結(jié)果表明，模型可以有效預(yù)測配方添加量對膜堅固性的影響，得到的最優(yōu)條件準(zhǔn)確可靠，具有一定的參考價值。

2.4 烤羊肉貯藏期間pH值的變化情況

pH值是檢測羊肉品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)之一，和肉的色澤、口感和保水性有緊密關(guān)聯(lián)［19］。國標(biāo)規(guī)定新鮮羊肉的pH值為5.8～6.2，次鮮的pH值為6.3～6.6，變質(zhì)的pH值在6.7以上?？救赓A藏期間pH值變化見圖4，隨著貯藏時間延長，肉營養(yǎng)物質(zhì)降解產(chǎn)生堿性物質(zhì)，使pH值上升，pH值變化速率先快后慢。常溫不包膜pH值在第4 d就超過6.7。4 ℃包膜組pH值在第12 d超過6.7，且常溫不包膜、常溫包膜、4 ℃不包膜 pH值分別是4 ℃包膜組的 1.12，1.02，1.03倍。常溫不包膜 pH值顯著低于常溫包膜（P<0.05），4 ℃不包膜的 pH值極顯著低于4 ℃包膜組（P<0.01），且4 ℃包膜組均顯著低于其他3組（P<0.05），包膜后均延緩 pH值上升。原因為CS，OEO本身具有抑菌作用，使蛋白質(zhì)分解速度減緩，抑制pH值上升。綜合來看，烤肉的pH值隨時間延長整體呈增高趨勢，冷藏或包膜處理的烤肉pH值增高速率相對較慢。盡管4 ℃包膜肉樣在貯藏至12 d內(nèi)，pH值均在次鮮肉的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)，但在貯藏末期，通過感官指標(biāo)發(fā)現(xiàn)烤肉已不具備商品價值。

圖4 不同包膜條件對烤羊肉 pH 值的影響Fig.4 Effects of different coating conditions on the pH value of roasted mutton

2.5 烤羊肉貯藏期間TBARS值的變化情況

TBARS被用來評價肉及肉制品的氧化水平強弱，值越高，脂肪氧化越快［20］。TBARS值范圍在0.66 mg/kg以下為鮮肉［21］，人能感知到的最低酸敗值為1.0 mg/kg［22］。

如圖5所示，烤肉TBARS值隨著貯藏時間延長呈現(xiàn)上升趨勢，且在整個貯藏期間，復(fù)合膜處理烤肉TBARS值始終顯著低于常溫不包膜組（P＜0.05），4 ℃包膜顯著低于其余3組（P＜0.05）。在0～3 d，其值排序為4 ℃包膜＜4 ℃不包膜＜常溫包膜＜常溫不包膜。由此表明，包膜處理通過阻抑烤羊肉脂肪的氧化速率，繼而一定程度上保持羊肉的穩(wěn)定性和品質(zhì)，對烤羊肉起到優(yōu)良的保鮮成效。說明CS，CMC，SA，OEO相互協(xié)同對許多食品腐敗菌和致病菌具有抗菌效果，以及較好阻隔O2，CO2和脂質(zhì)的功能，可有效抑制烤肉貯藏期間脂肪氧化、脂質(zhì)氧化速率，改善肉品理化性質(zhì)和感官特性。在4 ℃冷藏可有效降低脂質(zhì)氧化速率，源于低溫環(huán)境阻抑了羊肉中酶的活性、微生物的生長繁殖速率以及TBARS值的快速升高。

圖5 不同包膜條件對烤羊肉 TBARS值的影響Fig.5 The effects of different coating conditions on the TBARS value of roasted mutton

3 結(jié)語

選擇CS，CMC，SA，OEO為成膜原料，丙三醇為增塑劑，CaCl2作為交聯(lián)劑制備可食性膜，考察CS，CMC，SA，OEO含量對薄膜性能的影響。通過單因素和響應(yīng)面試驗確定可食薄膜的基本配方為CS含量0.664 g/（100 g），CMC含量0.398 g/（100 g），SA含量0.510 g/（100 g），OEO含量0.941 g/（100 g）。此配方條件下制膜，其膜厚度為（0.060±0.001 4）mm，水蒸氣透過率為（0.337±0.025）g·mm/（m2·d·kPa），拉伸強度為（25.67±1.5） MPa，斷裂伸長率為（22.51%±1.47%），透光率為75.29%。

將可食膜應(yīng)用于烤羊肉中，有較好的抗菌性、阻油性，能保持烤肉光澤，防止烤肉香氣揮發(fā)，而且有效抑制微生物生長繁殖和O2對肉品質(zhì)的不利影響，阻抑烤肉脂質(zhì)氧化速率，從而延長貨架期3～4 d。當(dāng)前可食性薄膜與市面上售賣的塑料膜相比，存在韌性不足、熱封性差、耐水以及抑菌能力不佳，阻止脂質(zhì)氧化和蛋白質(zhì)變質(zhì)效果較差等局限性，阻礙其快速發(fā)展，且缺乏對每種組分的互補優(yōu)勢使其缺陷最小化的探索，絕對替代傳統(tǒng)塑料保鮮膜的應(yīng)用尚不成熟。因此投產(chǎn)入市場還為時尚早，仍需要加大與材料學(xué)聯(lián)合研發(fā)力度。