豬肝蛋白復合膜性能及其在肉品保鮮中的應(yīng)用

楊 樂

劉麗莉1,2,3,4

王浩陽1

陳 卉1

丁 玥1,2,3,4

(1. 河南科技大學食品與生物工程學院,河南 洛陽 471023;2. 食品加工與安全國家級教學示范中心,河南 洛陽 471023;3. 河南省食品加工與質(zhì)量安全控制河南省國際聯(lián)合實驗室,河南 洛陽 471023;4. 食品微生物河南省工程技術(shù)研究中心,河南 洛陽 471023)

可食性涂膜是將天然高分子材料當作成膜基材,均勻涂抹或覆蓋在食品表面,使食物表面形成一層較為薄透的薄膜,用于防止食品腐敗變質(zhì)[1],被廣泛應(yīng)用于肉類加工和保鮮、食品包裝等領(lǐng)域。一般來說,單一蛋白質(zhì)膜的機械性能差,防水性不足,通常需要進行改性。其中,共混改性是近年來的研究熱點[2],可以將蛋白質(zhì)與多糖進行復合,通過優(yōu)勢互補改善膜的性能[3]。陳龍等[4]開發(fā)了一種綠色環(huán)保海藻酸鈉—淀粉—茶末復合膜,當茶多糖質(zhì)量分數(shù)為5.00%時,復合膜具有最佳的力學性能、阻濕性能及抑菌性能。Oliveira等[5]評估了羧甲基纖維素和大豆分離蛋白之間的相互作用,揭示了二者相互作用對薄膜的形成和性能有著顯著的積極影響。李志明等[6]以卡拉膠等為成膜基材,納他霉素、納米MgO為抗菌劑制備了具有廣譜抗菌作用的復合薄膜,能夠延長葡萄的保質(zhì)期。

從飲食的角度來看,動物蛋白相比于植物蛋白含有更多人體必需氨基酸,其構(gòu)成與人體相似,吸收效果更好,被稱作優(yōu)質(zhì)蛋白,但鮮有用于涂膜保鮮。較為常見的可食膜基材主要有蛋清蛋白、膠原蛋白和乳清蛋白。劉喜鑫等[8]向海藻酸鈉、卡拉膠中添加蛋清蛋白以及蘋果多酚進行改性,有效提升了多糖基可食膜的機械性能以及抗氧化性能。公維潔等[9]以馬面魚皮膠原蛋白為成膜基材,制備出可食性膠原蛋白膜,得到了最佳的成膜條件。劉津延[10]有效利用了過剩的藍鯊魚皮資源,從中提取出藍鯊魚皮膠原蛋白,并添加殼聚糖與其復合,提高了膜的抗氧化性能,制成可食性涂膜用于魚肉的保鮮,實現(xiàn)了動物副產(chǎn)物的再利用。汪敏等[11]將乳清分離蛋白、竹葉抗氧化物和酪蛋白酸鈉三者進行結(jié)合,制備出竹葉抗氧化物—酪蛋白酸鈉—乳清分離蛋白可食性膜,具有良好的微生物抑制作用和抗氧化作用。豬肝是優(yōu)質(zhì)的動物蛋白來源,其氨基酸組成與人體接近,營養(yǎng)價值高,但天然豬肝蛋白的功能特性較差。郭晨晨等[12]以琥珀酸酐酰化豬肝蛋白,隨著琥珀酸酐添加量的增加,豬肝蛋白的?；?、乳化活性總體呈上升趨勢,琥珀酸酐通過共價結(jié)合與豬肝蛋白發(fā)生反應(yīng),引起蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變,能顯著改善豬肝蛋白的乳化活性。唐永欣等[13]將物理改性和化學改性方法相結(jié)合,改善豬肝蛋白的功能特性。采取溫和熱輔助pH堿性偏移處理對豬肝蛋白進行改性。在溫度和pH向堿性較大幅度偏移的共同影響下,豬肝蛋白的溶解度和乳化活性大幅度提高?？祲衄幍萚14]利用超聲波法對水溶性豬肝蛋白進行處理,有效改善了蛋白質(zhì)在水溶液中的分散效果和蛋白質(zhì)的分子作用力,處理后的水溶性豬肝蛋白乳化特性更好。Borrajo等[15]從豬肝中提取了不同水解物并用于豬肉餅的保鮮,結(jié)果表明,豬肝水解產(chǎn)物具有良好的抗氧化活性,可作為天然抗氧化劑延長豬肉漢堡的保質(zhì)期。以上文獻為豬肝蛋白可食膜的研究提供了充足的理論基礎(chǔ)。

研究擬以水溶性豬肝蛋白(WSLP)和鹽溶性豬肝蛋白(SSLP)為成膜基材,并添加殼聚糖,分別共混制備水溶性豬肝蛋白—殼聚糖可食膜(WLSP-CS)和鹽溶性豬肝蛋白—殼聚糖可食膜(SSLP-CS),考察膜材料比例對膜各項性能的影響,并將其應(yīng)用于豬肉保鮮,為高效安全的新型可食膜的生產(chǎn)及實際應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮豬肝、豬背最長肌:市售;

殼聚糖:分析純,西安康諾化工有限公司;

十二烷基磺酸鈉(SDS):分析純,無錫市亞泰聯(lián)合化工有限公司;

四甲基乙二胺(TEMED):分析純,上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

pH計:PH-3E型,浙江譜析儀器有限公司;

冷凍離心機:H1-16TR型,杭州旌斐儀器科技有限公司;

真空冷凍干燥機:FD1200型,北京菲爾普科技有限公司;

熒光分光光度計:Cary eclipse型,美國Aglient公司;

紫外—可見光光度計:UV2600型,日本Shimadzu公司;

傅立葉中遠紅外光譜儀:ALPHA型,德國布魯克公司;

掃描電鏡:EM-30Plus型,韓國COXEM公司;

電子天平:AR214型,美國Mettler Toledo公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 復合膜制備 參照Steen等[16]的方法并改進。稱取一定質(zhì)量的新鮮豬肝,去血水、筋膜,加入4倍體積的磷酸鹽緩沖溶液(0.05 mol/L,pH 7.4),10 000 r/min勻漿,4 ℃、10 000 r/min離心30 min,取上清液,透析脫鹽,冷凍干燥即為水溶性豬肝蛋白(WSLP)。收集上述沉淀并加入0.4 mol/L的NaCl溶液,混勻,調(diào)整pH至8,4 ℃靜置15 h,初濾,離心,得到上層溶液即為SSLP溶液,透析脫鹽,冷凍干燥即為鹽溶性豬肝蛋白(SSLP)。

用蒸餾水將提取的豬肝蛋白稀釋至2%,10 000 r/min離心10 min,收集上清液。將豬肝蛋白溶液與殼聚糖溶液按一定比例共混,m豬肝蛋白∶m殼聚糖分別為0∶100,20∶80,40∶60,60∶40,80∶20,并添加6%的甘油增塑,50 ℃攪拌30 min。超聲脫氣10 min,得到成膜液。將40 mL成膜液倒入成膜器中,50 ℃干燥,流延成型。

1.3.2 復合膜機械性能測定

(1) 膜厚:參照殷獻華等[17]的方法。

(2) 拉伸強度和斷裂延伸率:參照殷獻華等[17]的方法稍作修改。選擇厚度均勻、無破損的膜片,將待測薄膜試樣剪成10 mm×50 mm的3段,使用質(zhì)構(gòu)儀分別測定拉伸強度和斷裂延伸率,結(jié)果取三者的平均值。

1.3.3 傅里葉紅外光譜(FT-IR)分析 參照成曉祎等[18]的方法稍作修改。將干燥處理后的膜置于傅里葉紅外光譜儀中,掃描范圍為400～4 000 cm-1,分辨率為4 cm-1。

1.3.4 微觀結(jié)構(gòu)分析 參照Machida等[19]的方法稍作修改。采用掃描電鏡觀察膜的微觀結(jié)構(gòu),加速電壓為10 kV,取1 cm×1 cm表面平整均勻的薄膜用于掃描電鏡觀察。

1.3.5 豬背最長肌冷藏過程中理化指標測定

(1) pH值:參照Taakma等[20]的方法。

(2) 菌落總數(shù):按GB 4789.2—2016執(zhí)行。

(3) TVB-N含量:按GB 5009.228—2016執(zhí)行。

(4) TBARS含量:參照藍蔚青等[21]的方法。

1.3.6 數(shù)據(jù)處理 所有試驗重復3次,采用Origin 2018軟件作圖,SPSS軟件進行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 豬肝蛋白添加量對復合膜機械性能的影響

由表1可知,WSLP-CS、SSLP-CS復合膜機械性能隨豬肝蛋白添加量的增加呈先上升后下降趨勢。當WSLP、SSLP添加量為40%時,兩種膜的厚度達到最大值(0.267,0.264 mm),與CS基礎(chǔ)膜差異顯著(P<0.05)。這可能是由于復合膜中存在的豬肝蛋白與CS形成交聯(lián)或者聚集的穩(wěn)定結(jié)構(gòu),減少了膜材料中的孔隙和縫隙,使膜厚度增加。但過量豬肝蛋白的加入可能破壞這種穩(wěn)定結(jié)構(gòu),使得整個復合膜表面伴有顆粒、凹凸不平等現(xiàn)象,進而導致膜厚度減小。WSLP-CS與SSLP-CS復合膜的拉伸強度與斷裂延伸率隨WSLP添加量的增加呈先增加后減小趨勢。當WSLP添加量為40%時,拉伸強度與斷裂延伸率最大,分別為9.62 MPa和58.37%(P<0.05);當SSLP添加量為40%時,拉伸強度與斷裂延伸率最大,分別為4.43 MPa和28.23%(P<0.05),機械性能得到提升。這可能是適量蛋白的不斷加入(添加量≤40%)使得整個體系的穩(wěn)定性逐漸增強,復合膜的拉伸強度和斷裂延伸率增大,而蛋白質(zhì)的不斷加入直至過量(添加量>40%),其穩(wěn)定結(jié)構(gòu)被破壞,豬肝蛋白與CS不斷堆積,復合膜的結(jié)構(gòu)變得更加緊密和剛性,進而限制了復合膜的延展性和彎曲性,導致復合膜的拉伸強度和斷裂延伸率下降[22]。

表1 豬肝蛋白添加量對復合膜機械性能的影響?

2.2 FT-IR分析

圖1 豬肝蛋白添加量對復合膜FT-IR的影響

2.3 微觀結(jié)構(gòu)分析

微觀結(jié)構(gòu)對于反映薄膜表面結(jié)構(gòu)和內(nèi)部特性具有重要意義[27]。由圖2可知,純CS膜存在孔洞等不穩(wěn)定結(jié)構(gòu),從而導致其在機械和阻隔性能方面劣于復合膜。通過向CS中添加40%的WSLP,復合膜表面變得更加光滑和連續(xù),致密性也更高,同時未出現(xiàn)相分離現(xiàn)象,其機械性能最佳,表明WSLP與CS具有良好的相容性,其官能團中的羥基能夠相互作用形成氫鍵,分子間通過氫鍵交聯(lián)形成了致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),這是復合膜拉伸強度逐漸增加的微觀原因[28]。當豬肝蛋白過量添加時,未結(jié)合的蛋白質(zhì)發(fā)生了堆疊,膜的致密結(jié)構(gòu)被破壞,故掃描電鏡中又出現(xiàn)了顆粒與斑點。

圖2 WSLP添加量對復合膜表面微觀結(jié)構(gòu)的影響

由圖3可知,隨著SSLP添加量的增加,復合膜的表面變得更加光滑致密。當添加量為40%時,效果最佳。此時,SSLP與CS的相容性良好,SSLP起到“交聯(lián)劑”作用,形成了新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),流延成型的復合膜表面表現(xiàn)出更加光滑均一的結(jié)構(gòu)。當SSLP添加量為60%時,復合膜出現(xiàn)SSLP與CS相的分離;當添加量為80%時,表面出現(xiàn)大量孔洞與褶皺,與WSLP的掃描電鏡結(jié)果相似。適量添加SSLP可以提高復合膜的表面質(zhì)量,但超過一定比例則可能影響薄膜性能。

圖3 SSLP添加量對復合膜表面微觀結(jié)構(gòu)的影響

由圖4、圖5可知,隨著WSLP、SSLP添加量的增加,復合膜的斷面出現(xiàn)變化。純CS膜存在孔洞等不穩(wěn)定結(jié)構(gòu),與表面微觀結(jié)構(gòu)相一致。隨著豬肝蛋白添加量的增大,膜的斷面先逐漸變得光滑、致密。當添加量為40%時,斷面的微觀結(jié)構(gòu)最佳。當添加量為60%時,蛋白與CS相開始分離,交聯(lián)度變差,膜的斷面出現(xiàn)褶皺及堆積的未交聯(lián)物質(zhì);當添加量為80%時,斷面開始出現(xiàn)大量孔洞與褶皺,與表面掃描電鏡結(jié)果相似。因此,斷面微觀結(jié)構(gòu)總體結(jié)果符合表面微觀結(jié)構(gòu)所得出的結(jié)論。

圖4 WSLP添加量對復合膜斷面微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖5 SSLP添加量對復合膜斷面微觀結(jié)構(gòu)的影響

2.4 成膜液處理對豬背最長肌冷藏過程中理化指標的影響

由圖6可知,經(jīng)WSLP-CS、SSLP-CS(蛋白質(zhì)量分數(shù)40%)處理的樣品,其各項理化指標相比于空白組(CK)和CS處理組均有不同程度的下降。CK組的pH增長速度最快,到第10天已屬于變質(zhì)肉,而經(jīng)WSLP-CS、SSLP-CS處理的豬背最長肌在第12天仍處于次鮮肉范圍;WSLP-CS、SSLP-CS組在第12天仍保持較低的菌落總數(shù);貯藏第10天,CK組的TVB-N含量達到23.21 mg/100 g,已腐敗變質(zhì),而CS組的TVB-N含量為18.22 mg/100 g,處于次新鮮肉范圍,WSLP-CS、SSLP-CS組的TVB-N含量僅為14.05,12.59 mg/100 g,仍處于新鮮肉范圍;貯藏期間,CK組的TBARS從0.21 mg/kg升高至1.72 mg/kg,CS組TBARS值從0.21 mg/kg升高至1.09 mg/kg,WSLP-CS組TBARS值從 0.21 mg/kg升高至0.52 mg/kg,SSLP-CS組TBARS值從0.21 mg/kg升高至0.51 mg/kg,SSLP-CS組的效果最佳。綜上,WSLP、SSLP具有一定的抑菌性和抗氧化性,能夠抑制微生物生長,抑制酶的活性,延緩肉的腐敗變質(zhì),且SSLP的抑菌性及抗氧化性最強,該結(jié)論與王德寶的研究結(jié)果一致[29]。

圖6 成膜液處理對豬背最長肌冷藏過程中理化指標的影響

由圖7可知,體系中CS與WSLP、SSLP的總質(zhì)量固定,隨著WSLP添加量的增加,WSLP-CS復合膜的ABTS自由基清除率從8.96%增加到63.08%,DPPH自由基清除率從27.27%增加到61.61%,二者均在WSLP添加量為80%的復合膜中最高。隨著SSLP添加量的增加,SSLP-CS復合膜的ABTS自由基清除率從8.96%增加到36.44%,DPPH自由基清除率從27.27%增加到51.17%,二者均在SSLP添加量為80%的復合膜中最高。

圖7 豬肝蛋白添加量對復合膜抗氧化性的影響

在復合膜中加入WSLP、SSLP后,抗氧化活性得到了顯著提高,且高于純CS膜,說明豬肝蛋白具有更強的抗氧化、抑菌作用。這些蛋白質(zhì)具有強大的抗氧化性能,使其能夠清除自由基,保護復合膜免受氧化損傷。此外,蛋白質(zhì)與殼聚糖之間的相互作用也會改變復合膜的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),從而影響復合膜中的抗氧化物質(zhì)的釋放和活性。

3 結(jié)論

研究探討了水溶性豬肝蛋白(WSLP)和鹽溶性豬肝蛋白(SSLP)對WSLP-殼聚糖與SSLP-殼聚糖可食性復合膜性能及結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明,隨著WSLP、SSLP添加量的增大,復合膜的機械性能先上升后下降,當添加量為40%時,膜的厚度、拉伸強度和斷裂延伸率最大(P<0.05),機械性能最佳,最符合可食膜的要求。豬肝蛋白具有一定的抑菌性及抗氧化性,貯藏12 d后,復合膜處理組的pH、菌落總數(shù)、揮發(fā)性鹽基氮含量和硫代巴比妥酸值等各項理化指標均優(yōu)于未處理組和純殼聚糖處理組,且SSLP的效果最佳,能夠有效延緩肉品的腐敗變質(zhì)。綜上,應(yīng)選擇添加了40%鹽溶性豬肝蛋白的復合膜用于食品包裝。此外,豬肝蛋白復合膜的透氣性還有待進一步研究,后續(xù)可以針對膜對氧氣的隔絕性進行深入探討。