殼寡糖對殼聚糖-明膠-殼寡糖三元復合膜的性能影響研究

王亞珍，謝 晶，李 立，薛 斌，邵則淮，孫 濤

（上海海洋大學食品學院，上海201306）

殼寡糖對殼聚糖-明膠-殼寡糖三元復合膜的性能影響研究

王亞珍，謝 晶，李 立，薛 斌，邵則淮，孫 濤*

（上海海洋大學食品學院，上海201306）

以殼聚糖、明膠和殼寡糖進行了復合膜的制備，通過紅外光譜表征了其結構，考察殼寡糖添加量對復合膜物理、機械、抗氧化和抑菌性能的影響。結果表明，殼聚糖、明膠、殼寡糖三者之間發生氫鍵相互作用。適量殼寡糖的加入，可增強復合膜的親水性，改善力學性能及水蒸氣阻隔性能，顯著提高復合膜的抗氧化性能和抑菌活性（p＜0.05）。殼聚糖與明膠的質量比為2∶3，甘油含量為1%（v/v），添加30%的殼寡糖，復合膜的DPPH自由基清除率提高了7.03倍，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌圈直徑分別增大了32%和30%。

殼寡糖，復合膜，機械性能，抗氧化性，抑菌性能

殼聚糖是甲殼素脫乙酰基后的產物，是自然界中唯一的堿性天然多糖。殼聚糖安全無毒、易于生物降解，且具有優良的成膜性、生物相容性和抗菌性［1-3］等，在保鮮包裝方面有著廣闊的應用前景。明膠來源廣泛，價格低廉，成膜性好，也是一種可降解的天然膜材料。單一的殼聚糖膜，力學性能較差，將明膠與殼聚糖共混制膜，可以改善殼聚糖膜的力學性能［4］。但由于殼聚糖幾乎不具有抗氧化活性，且抑菌譜較窄［5］，這些缺點限制了殼聚糖作為食品包裝膜的應用范圍。添加天然的抗氧化劑和抗菌劑，提高殼聚糖復合膜的抗氧化性能以及抑菌性，可以拓寬殼聚糖復合膜在食品包裝方面的應用［6］。

殼寡糖是殼聚糖降解以后的產物，具有良好的水溶性，基本沒有成膜性。由于與殼聚糖具有相同的結構單元，因此二者具有良好的相容性。與殼聚糖相比，殼寡糖具有良好的抗氧化性能及抑菌活性［7-8］。

本文以溶液共混法制備殼聚糖-明膠-殼寡糖復合膜，研究殼寡糖添加量對復合膜的物理性質、機械性能、阻隔性能、抗氧化性能及抑菌性能的影響，以期制備一種綜合性能優良的食品包裝膜。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

殼聚糖 分子量10萬，脫乙酰度90%，浙江金殼藥業有限公司；明膠 食品級，國藥集團化學試劑有限公司；殼寡糖 分子量1000，脫乙酰度90%，浙江金殼藥業有限公司；DPPH（1，1-二苯基-2-苦基肼） 分析純，Sigma公司；冰醋酸、甘油、無水氯化鈣、硝酸鎂 均為分析純，購自國藥集團化學試劑有限公司；金龍魚葵花籽油 市售；胰蛋白胨大豆肉湯 北京路橋技術有限公司；營養瓊脂 北京奧博星生物技術有限責任公司；大腸桿菌（Escherichia coli）、金色葡萄球菌（Staphylococcus aureus） 由上海海洋大學食品學院提供。

FTIR-650傅里葉變換紅外光譜儀 天津港東科技發展股份有限公司；DCP-KZ300型電腦測控抗張實驗機 四川長江造紙儀器有限責任公司；UV-2000型紫外分光光度計 上海龍尼柯儀器有限公司；恒溫磁力攪拌器 上海雷磁新涇儀器有限公司；HHS型電熱恒溫水浴鍋 上海博訊實業有限公司醫療設備廠；YXQ-SG46-280S型手提式壓力蒸汽滅菌鍋 上海博迅實業有限公司；SW-CJ-1F型凈化工作臺 蘇凈集團蘇州安泰空氣技術有限公司；PYX-DHS-40X50BS型隔水式電熱恒溫培養箱 上海躍進醫療器械廠；數顯卡尺 上海量具刃具廠有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 膜的制備 將殼聚糖溶于1%（v/v）的醋酸溶液中，制成2%（w/v）的殼聚糖溶液，與6%的明膠溶液按2∶1的比例混合，即殼聚糖與明膠質量比為2∶3，然后分別加入1%（v/v）甘油及不同質量的殼寡糖，其中殼寡糖的添加量分別為殼聚糖及明膠總質量的10%、20%、30%、40%、50%，磁力攪拌至完全溶解。靜置消泡后，取75m L膜液均勻鋪展于干燥潔凈的有機玻璃板（20cm× 30cm）上，自然干燥后揭膜，保存于相對濕度（RH）為53%（用飽和硝酸鎂溶液保持）的干燥器內備用。

1.2.2 復合膜的結構表征 用FTIR-650傅里葉變換紅外光譜儀對復合膜的結構進行表征。測試條件如下：測試范圍為4000～500cm-1，掃描次數為8次，分辨率為2cm-1。

1.2.3 復合膜的性能測試

1.2.3.1 機械性能 膜的機械性能參照GB13022-91《塑料、薄膜拉伸性能實驗方法》，采用電腦測控抗張實驗機測定。測試前將待測膜裁成長150mm寬15mm的長條形試樣，作出標距50mm，然后在（23±1）℃、53%RH條件下平衡兩天，備用。實驗條件：拉伸速度為150mm/m in，夾具間距50mm，測試環境溫度為（23±1）℃，濕度為50%。每組膜測定6次。

按下式計算抗張強度（Tensile strength，TS）：

TS=F/bd

式中：TS—抗張強度（MPa）；F—最大載荷（N）；b—試樣寬度（mm）；d—試樣厚度（mm）。

按下式計算斷裂伸長率（Elongation at break，E）：

E（%）=（G-G0）/G0×100

式中：E—斷裂伸長率（%）；G0—試樣原始標線間的距離（mm）；G—試樣斷裂時標線間的距離（mm）。

1.2.3.2 透濕性 根據GB-1037-70，采用擬杯子法，在25mm×40mm的稱量瓶中放入粉碎干燥過的無水CaCl2。把制備好的完整薄膜蓋在瓶口，密封，將其置于底部有一定量蒸餾水的干燥器中，使試樣兩側保持一定的蒸汽壓差，每隔24h測量稱量瓶重量的變化，計算水蒸氣透過系數（Water vapor permeability，WVP）［9］。每種膜做3組平行實驗，到前后兩次質量的增加量相差不超過5%時，方可結束實驗。

按下式計算水蒸氣透過系數（WVP）：

WVP=q/t·d·s·△p

式中：WVP—水蒸氣透過系數（g·mm/m2·h· kPa）；q/t—單位時間內透濕杯增加重量的算術平均值（g/h）；d—試樣厚度（mm），本實驗采用同一張膜上5個以上不同部位測量值的平均值；s—試樣的實驗面積（m2）；△p—試樣兩側的蒸汽壓差（kPa）。

1.2.3.3 溶脹度 將膜剪成2cm×2cm稱重（m1），室溫下浸入30m L蒸餾水中，30m in后取出，用濾紙迅速吸干表面的水，稱重（m2），根據膜質量變化計算溶脹度（Swelling degree，SR）［10］。

按下式計算溶脹度（SR）：

SR（%）=［（m2-m1）/m1］×100

1.2.3.4 水溶性 將膜切成40mm×40mm的正方形，在干燥器中干燥至恒重后稱重（m1），然后放入300m L蒸餾水中，于室溫25℃下溶解12h，再將膜在60℃的條件下干燥至恒重，稱重（m2），根據膜質量變化計算水溶性［11］。

按下式計算水溶性：

水溶性（%）=［（m1-m2）/m1］×100

1.2.3.5 抗氧化性能 復合膜抗氧化性能的測定參照文獻［6］并稍作調整。將0.5g膜樣品放入裝有30m L蒸餾水的燒杯中，浸泡24h后，得到復合膜浸泡液。將1m L濃度為0.001mol/L的DPPH無水乙醇溶液與3m L殼聚糖復合膜浸泡液混合。將混合液放入暗室反應30min，然后測定混合液在517nm處的吸光度值。每個樣品做6次平行實驗，結果取平均值。

按下式計算DPPH自由基清除率：

DPPH自由基清除率（%）=［1-（AS-A0）/ADPPH］×100

式中，ADPPH—DPPH無水乙醇溶液在517nm處的吸光度；AS—復合膜浸泡液和DPPH無水乙醇溶液混合液在517nm處的吸光度；A0—復合膜浸泡液和無水乙醇混合液在517nm處的吸光度。

1.2.3.6 抑菌活性 通過抑菌圈法判定復合膜的抑菌作用強弱［12］。挑取受試菌種（大腸桿菌和金黃色葡萄球菌）的單菌落接種于100m L液體培養基內，在37℃和轉速100r/m in的搖床內培養18h。將活化好的菌用無菌生理鹽水稀釋十倍，作為初始菌液。將已滅菌并冷卻至50℃的營養瓊脂固體培養基倒入無菌平皿中，水平放置待凝固。吸取0.1m L初始菌液（106～107CFU/m L的菌懸液）加入到上述平皿中，用無菌三角棒涂布均勻。復合膜及濾紙分別用6mm的打孔器打孔，紫外殺菌30m in后，用無菌鑷子將其貼于含有菌懸液的培養皿表面。將貼好待測膜片的含菌平皿倒置，放于37℃培養箱中，24h后取出，用游標卡尺測量抑菌圈的直徑。無菌濾紙片為空白對照。實驗采用三個平行樣品，結果取平均值。

1.3 數據處理

實驗最少重復3次，所有數據用SPSS17.0軟件處理，得到的結果表示為平均值±標準誤差；用Duncan's法進行方差分析。使用Origin 8.5軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 復合膜的紅外光譜分析

FT-IR是表征聚合物分子間相互作用的有效技術之一［13］。圖1為純殼聚糖膜、殼聚糖-明膠膜及殼聚糖-明膠-殼寡糖復合膜的FT-IR譜圖。在純殼聚糖膜的紅外光譜圖上，有1158cm-1及896cm-1的多糖結構吸收峰，這與文獻［14］相符。在波數3260cm-1處較寬的吸收峰歸屬為-OH伸縮振動吸收峰和-NH伸縮振動吸收峰。在殼聚糖-明膠復合膜（殼寡糖添加量為0%）紅外光譜上，1647cm-1處酰胺Ⅰ帶的吸收峰向低波數移動，且吸收峰變寬，說明殼聚糖與明膠分子間形成了較強的氫鍵。添加殼寡糖后，隨著含量的增大，復合膜的紅外光譜圖發生了一些變化。在1041cm-1附近的峰移向高波數，且變得越來越弱，說明部分C-O-C鍵的鍵能減弱，這可能導致復合膜機械性能的降低［15］。

圖1 殼聚糖-明膠-殼寡糖三元復合膜的紅外光譜圖Fig.1 FTIR spectra of chitosan-gelatin-chitosan oligosaccharide ternary composite films

2.2 殼寡糖對復合膜的影響

2.2.1 抗張強度與斷裂伸長率 殼寡糖添加量對復合膜機械性能的影響見表1。由表1可見，隨著殼寡糖添加量的增加，復合膜的抗張強度表現出先增大后減小的趨勢，當殼寡糖的添加量為10%時，抗張強度較殼聚糖-明膠膜顯著提高（p＜0.05）；而當殼寡糖的含量增加至30%時，復合膜的抗張強度下降了34.8%；殼寡糖含量繼續增加，復合膜的抗張強度顯著下降（p＜0.05）。復合膜的斷裂伸長率則出現先降后升的情況，其中添加20%殼寡糖的復合膜相對于殼聚糖-明膠膜降低了54.5%，差異顯著（p＜0.05）。殼聚糖和明膠具有良好的成膜性，而不易成膜的殼寡糖會導致復合膜變脆，使膜的斷裂伸長率下降。

表1 殼寡糖含量對復合膜機械性能的影響Table 1 Effects of COS content on mechanical properties of composite films

2.2.2 透濕性 殼寡糖含量對復合膜水蒸氣透過系數的影響見圖2。從圖2可以看出，隨著殼寡糖含量的增加，復合膜的水蒸氣透過系數呈現出先下降后上升的趨勢。殼寡糖添加量為10%時，復合膜的水蒸氣透過率最小。

圖2 殼寡糖含量對復合膜水蒸氣透過率的影響Fig.2 Effects of COS content on water vapor permeability of composite films

圖3 殼寡糖含量對復合膜溶脹度的影響Fig.3 Effects of COS content on swelling degree of composite films

圖4 殼寡糖含量對復合膜水溶性的影響Fig.4 Effects of COS content on solubility of composite films

2.2.3 溶脹度及水溶性 溶脹度及溶解性是評價膜性能的重要指標，可以反映復合膜的親水性能。親水基團越多，基團親水性越好，則復合膜的溶脹度及水溶性越高。由圖3和圖4可以看出，膜的溶脹度隨殼寡糖含量的增加而升高，水溶性顯著（p＜0.05）增強，當殼寡糖含量大于30%，水溶性變化差異不顯著。這可能是由于殼寡糖本身易溶于水，因此導致復合膜溶脹性及水溶性的增大。

2.2.4 抗氧化性 DPPH自由基清除能力被認為是評價物質抗氧化能力的標準方法之一［16-17］。圖5顯示了復合膜清除DPPH自由基的能力。從圖5中可以看到，未加殼寡糖的膜，其DPPH清除能力非常弱，隨著殼寡糖添加量的增加，復合膜的DPPH自由基清除能力顯著提高（p＜0.05）。殼寡糖的添加量為30%時，復合膜的DPPH自由基清除率提高了7.03倍。當其添加量為50%時，復合膜的清除率最高，是未添加殼寡糖膜的10.83倍。

圖5 殼寡糖含量對復合膜DPPH清除率的影響Fig.5 Effects of COS content on DPPH radical scavenging activity of composite films

2.2.5 抑菌性 表2顯示了殼寡糖含量的變化對復合膜抑菌活性的影響。從表2中可以看出，殼聚糖-明膠膜及添加不同含量的殼寡糖復合膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌都有一定的抑菌活性。且隨著殼寡糖含量的增加，兩種受試菌的抑菌圈直徑顯著（p＜0.05）增大。當殼寡糖含量為30%時，復合膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌圈直徑分別為9.38mm和9.21mm，相比未添加殼寡糖的殼聚糖-明膠膜分別增大了32%和30%，且復合膜對大腸桿菌的抑制效果優于金黃色葡萄球菌。

表2 殼寡糖含量對復合膜抑菌性能的影響Table 2 Effects of COS content on antibacterial activity of composite films

3 結論

以溶液共混法制備的殼聚糖-明膠-殼寡糖三元復合膜，相較于殼聚糖-明膠膜而言，適量殼寡糖的添加，增強了其親水性，改善了其力學性能和水蒸氣阻隔性能，顯著提高了其抗氧化性能和抑菌活性（p＜0.05）。當殼聚糖與明膠的質量比為2∶3，甘油含量為1%（v/v），殼寡糖添加量為10%時，復合膜的水蒸氣透過率最小，抗張強度最大達53.35MPa；添加量為30%時，復合膜的DPPH自由基清除率提高了7.03倍，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌圈直徑分別增大了32%和30%。

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Effect of chitosan oligosaccharide on properties ofchitosan-gelatin-chitosan oligosaccharide ternary composite films

WANG Ya-zhen，XIE Jing，LILi，XUE Bin，SHAO Ze-huai，SUN Tao*
（College of Food Science&Technology，Shanghai Ocean University，Shanghai201306，China）

Composite film s of chitosan，gelatin and chitosan oligosaccharide（COS）were prepared.The films' structures were characterized by FT-IR.The effects of COS on physical，mechanical，antioxidant and antibacterial properties of the composite film were evaluated.The results showed that there were hydrogen bonding interactions among chitosan，gelatin and COS.The addition of proper content of COS increased the hyd rophilicity of composite films，moreover，the tensile strength，water vapor barrier properties were im p roved，and the antioxidant and antibacterial properties were significantly imp roved（p＜0.05）.Com posite film consisting of chitosan and gelatin with a weight ratio of 2∶3，1%g lycerin，30%COS showed some good properties.The DPPH radical scavenging activity was enhanced by 7.03 times，moreover，the diameters of inhibition zone against Escherichia coli and Staphylococcus aureus were enlarged by 32%and 30%respectively.

chitosan oligosaccharide；composite film；mechanical property；antioxidant property；antibacterial property

TS206.4

A

1002-0306（2015）08-0134-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.08.018

2014－05－09

王亞珍（1989-），女，在讀碩士研究生，研究方向：多糖的改性及應用。

*通訊作者：孫濤（1970-），女，博士，副教授，研究方向：多糖的改性及生物功能的開發。

“十二五”國家支撐計劃項目（2012BAD38B04）。