甜菜果膠-魚明膠復合可食膜的制備及特性研究

董宇豪，陳 浩，2，*，劉世永，吳錦燁，吳志宇

(1.山東大學(威海) 海洋學院， 山東 威海 264209；2.北京工商大學 北京食品營養與人類健康高精尖創新中心， 北京 100048；3.威海海洋職業學院 食品工程系， 山東 威海 264300)

可食膜是以天然可食性物質為原料制得的具有多孔網絡結構的可降解性薄膜[1]，常用的制備材料包括海藻酸鈉、大豆分離蛋白(SPI)、羧甲基纖維素鈉(CMC)等。

魚明膠(fish gelatin，FG)是由魚皮、魚骨中膠原經部分水解獲得的多肽類物質，具有良好的成膜性，但是機械和阻隔性能仍有待提高[2]。為了更加高效的利用魚明膠，需要對其進行改性處理。鄭雅爻等[3]通過添加谷氨酰胺轉氨酶(TG)增加了明膠膜的韌性和阻隔性；胡熠等[4]和Wu等[5]分別將香豆素和姜黃素加入魚明膠中使其膜的抗氧化能力顯著提高。甜菜果膠(sugar beet pectin，SBP)是從榨糖后的甜菜粕中提取制得的。與一般果膠不同，其含有疏水性的乙酰基，可提高乳化性能；另外，甜菜果膠中含有蛋白質成分，是一種多糖-蛋白質復合物，其中的蛋白質與果膠發生共價交聯作用[6]。

蛋白質和多糖常用于研究生物大分子之間的復合凝聚作用，二者之間通過氫鍵、靜電作用、范德華力、疏水相互作用等結合，蛋白和多糖相互作用是一種控制食品結構、質構特性和穩定性的有效手段。目前有很多對于二者凝聚物的研究，但將二者制備成可食膜的研究甚少，因此，研究利用魚明膠較優的成膜性及甜菜果膠較強的乳化性，制備雙網絡復合膜，研究不同配比下復合膜的性能，以期為食品包裝行業提供研究借鑒。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

BL-60 魚明膠，嘉吉亞太食品系統(北京)有限公司；甜菜果膠(摩爾質量為7.53×105 g/mol)，Herbstreith & Fox公司；甘油(分析純)，天津市河東區紅巖試劑廠；溴化鈉(分析純)，天津市博迪化工有限公司；無水氯化鈣(分析純)，天津市巴斯夫化工有限公司。

金黃色葡萄球菌[CMCC(B)26003]、大腸埃希氏菌[ATCC25922]，上海魯微科技有限公司。

1.2 儀器與設備

DHG-9140A型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海精宏實驗設備有限公司；KQ-300B型超聲波清洗器，江蘇省昆山市超聲儀器有限公司；NR110型精密色差儀，深圳市三恩馳科技有限公司；LDZM-60KCS-Ⅱ型立式壓力蒸汽滅菌器，上海申安醫療器械廠；FLC-3型超凈工作臺，哈爾濱市東聯公司；GI7-2型恒溫培養箱，美國SHELLAB制造股份有限公司；SHB-ⅢG型臺式循環水式多用真空泵，鄭州長城科工貿有限公司；T6型新世紀紫外可見分光光度計，北京普析通用儀器有限責任公司。

1.3 實驗方法

1.3.1復合膜的制備

稱取一定質量的SBP與FG溶于去離子水中，磁力攪拌5 h使樣品充分溶解(見表1)。加入甘油，在70 ℃下水浴20 min使二者充分反應。攪拌后用超聲波清洗儀處理20 min后,置于密封的干燥皿中進行真空抽慮泵脫氣30 min。脫氣后取10 g膜液倒入直徑為90 mm的聚乙烯培養皿中，放入烘箱(50 ℃)中干燥6 h。將制備好的可食膜放入盛有飽和KBr溶液的干燥皿(RH 60%，室溫)中保存24 h以上，成膜后揭膜測定各項性能[7]。

表1 甜菜果膠-魚明膠復合可食膜配方表

1.3.2復合膜感官性能的測定

評價內容包括顏色、表面手感及粗糙程度、氣味、拉伸韌性的簡單評價[8]。

1.3.3復合膜含水量的測定

稱量0.3 g左右膜樣品，置于干燥至恒重的鋁盒中，稱量，然后放入105 ℃烘箱干燥至恒重[9]。

按式(1)計算膜含水量(moisture content，MC)：

MC=(m2-m3)/m1×100%。

(1)

式(1)中，m1為膜樣品質量，g；m2為干燥前鋁盒及膜樣品質量，g；m3為干燥后鋁盒及膜樣品質量，g。

1.3.4復合膜水蒸氣透過率的測定

取完好無破損的可食膜覆于裝有9 g無水氯化鈣的玻璃瓶口(直徑為10 mm)，用凡士林黏合，稱重。置于RH 60%干燥皿中平衡，4 d后稱重[10]。

按式(2)計算可食膜的水蒸氣透過率(water vapor permeability，WVP)：

WVP=Δmd/AtΔP。

(2)

式(2)中，WVP為水蒸氣透過率，g·(m·d·MPa)-1；Δm為玻璃瓶質量增加量，g；d為膜的厚度，m；A為膜的有效透濕面積，m2；t為透濕時間，d；ΔP為膜兩側水蒸氣壓力差，MPa。

1.3.5復合膜水溶性的測定

稱量1 g左右膜樣品，浸沒于100 mL去離子水中溶解24 h，用濾紙過濾后，將濾紙置于玻璃培養皿內，60 ℃烘箱中干燥6 h至恒重后稱重[11]。

膜溶解率Q的計算見式(3)。

Q=1-(m2-m0)/m1×100%。

(3)

式(3)中，m0為過濾前濾紙質量，g；m1為膜樣品質量，g；m2為干燥后濾紙質量，g。

1.3.6復合膜吸光度的測定

將膜樣品剪裁成50 mm×10 mm大小，貼于比色皿器壁上。在300～800 nm波長下以空白比色皿為對照進行全波長掃描，測量吸光度數值。

1.3.7復合膜外觀及色差值的測定

將樣品剪成10 mm×10 mm的正方形，置于一張印滿字母“A”的A4紙上，拍照比較其外觀。白板校準后，采用色差計測量其色差值。

1.3.8復合膜機械性能的測定

采用Universal TA型質構儀，使用的測試探頭為p/STG。將待測膜樣品切割成40 mm×10 mm。測試速度為0.50 mm/s，設定為拉斷模式[12]。

1.4 數據處理

每個樣品設置3組平行，實驗數據用Excel 2010處理，采用SPSS 22.0進行單因素方差分析，顯著性水平為P<0.05，使用Origin 9.0繪圖。

2 結果與分析

2.1 FG添加量對復合膜感官性能的影響

隨著FG添加量的增加，復合膜厚度隨基質濃度的增加而增加，且表面粗糙度及質地由柔軟光滑逐漸變得硬且粗糙，見表2。原因可能是當低質量濃度FG加入時，兩基質之間發生交聯作用，此時相容性較好，后隨著FG的過量添加，二者空間結構被破壞，表現出粗糙的質地。

表2 甜菜果膠-魚明膠復合可食膜感官性能評價

厚度等級和顏色等級均用阿拉伯數字表示，數字越大，表示其厚度越大或顏色越深。

2.2 FG添加量對復合膜含水量的影響

含水量是可食膜一項重要特征，可在一定程度上反映膜內部FG和SBP的相互作用。隨著FG添加量進一步升高，復合膜MC大體呈先下降后上升的趨勢，見圖1。當FG添加量為0.01 g/mL時，MC最大為28.20%，當FG添加量為0.03 g/mL時，MC降至最低值19.75%。復合膜含水量整體較高，這是由于水分子與基質官能團之間具有較強的氫鍵作用。

不同小寫字母代表差異顯著。圖1 FG添加量與復合膜含水量的關系Fig.1 Effect of FG concentration on moisture content of composite films

分析原因可能是：SBP含有親水基團，可與水作用形成氫鍵，提高自身持水性能；另外，FG為親水性物質，加入后必然增大系統親水能力。但當FG質量濃度升高時，可能影響SBP分子舒展，導致其持水能力下降[13]。此外，不同FG添加量的混合膜液pH值有差異，實驗中沒有對pH值進行控制，因此，不同的pH值可能會對復合膜性能產生影響[14]。

2.3 FG添加量對復合膜水蒸氣透過率的影響

WVP對食品包裝的質量具有重要意義，是阻隔特性的重要指標之一。膜的WVP越低，代表其保鮮效果越好。當FG添加量為0.04 g/mL時，復合膜WVP最低為9.40 g·(cm·d·MPa)-1，說明此時膜對水的阻隔性能最強；FG添加量為0.05 g/mL的復合膜WVP最高為14.50 g·(cm·d·MPa)-1(見圖2)。

分析原因可能是：1)適量FG的添加填充了果膠分子間的間隙，使復合膜結構更加緊密，增加了水分子的擴散路徑，使水分子更難通過復合膜基質[15]。2)過量FG的加入，使SBP分子不能充分舒展，形成的網絡結構不夠致密，WVP升高，阻隔性能降低[16]。由此推斷當m(SBP)/m(FG)為2.5∶4時，復合膜阻隔性能最佳。

小寫字母不同代表差異顯著。圖2 FG添加量與復合膜水蒸氣透過率的關系Fig.2 Effect of FG concentration on water vapor permeability of composite films

2.4 FG添加量對復合膜水溶性的影響

在實際可食性膜應用中，復合膜溶解率越低，其總體保鮮效果越好。復合膜溶解率隨FG添加量的增加而降低(66.20%～95.43%)，其中FG添加量為0.05 g/mL時溶解率最低為66.20%(見圖3)。

小寫字母不同代表差異顯著。圖3 FG添加量與復合膜溶解率的關系Fig.3 Effect of FG concentration on solubility of composite films

分析原因可能是：1)加入FG后，兩基質之間形成的靜電復合物增加，分子鏈伸展，暴露出更多的親水基團，水溶性增加。2)當FG濃度進一步升高，分子間作用力越大，越難溶于水。

2.5 FG添加量對復合膜透光率的影響

吸光度反映光被吸收程度，吸光度越高，透光性能越差。對樣品進行全波長掃描，結果如圖4。200～400 nm處為紫外光區，吸光度越高，抗紫外線能力越強，此后為可見光區，吸光度越低，說明其透光性越好。由圖4可見，復合膜樣品在紫外光區有較高的吸光度，隨著波長的增大，吸光度降低，后趨于穩定并處于較低數值。其中，FG添加量為0.05 g/mL的復合膜吸光度相對較低，說明其透明度較好。

圖4 FG添加量與復合膜吸光度的關系Fig.4 Effect of FG concentration on absorbance of composite films

總體上，所有復合膜樣品在可見光區的吸光值均在0.5以下，說明其透光性較好，即透明度高；而在紫外光區的吸光度均較高，說明復合膜樣品均具有良好的阻隔紫外線的能力，可以起到對食品原料的保護作用。這與Fakhreddin等[17]的研究結果一致，原因可能是魚明膠含有大量的芳香族氨基酸，能夠吸收紫外線[2]。隨著FG含量的增加，復合膜的吸光度逐漸降低，這可能是因為FG分子表面能夠散射光線，減少紫外線和可見光通過薄膜的傳輸。此外，透射比是衡量復合膜相容性的有效指標[18]，復合膜基質間相容性越好，透光率越高。

2.6 FG添加量對復合膜外觀及色差的影響

利用相機在自然光照條件下對5組復合膜樣品進行對比拍照，以SBP單一膜為對照，結果如圖5。通過肉眼觀察發現制得的復合膜表面光滑，且呈現良好的均一性。總體來看，透過各個樣品觀察到背景字母都比較清晰，透明度都比較良好。但隨FG添加量的增加，顏色逐漸加深，且所有膜樣品透明度均較高，與2.5吸光度結果一致。

圖5 FG添加量與復合膜外觀的關系Fig.5 Effect of FG concentration on appearance of composite films

利用色差儀測量膜樣品的L值(明暗/亮度)、a*值(紅綠色差)、b*值(黃藍色差)，結果見圖6。隨著FG添加量的升高，復合膜的L值下降，即膜的亮度降低，其中FG添加量為0.01 g/mL時的L值最高為92.36。由a*值及b*值結果可見，復合膜樣品整體顏色偏黃綠色，且隨著FG 添加量的增加，膜樣品黃色加深，分析原因可能是加熱過程中SBP和FG分子間發生羰基化反應生成褐色物質[19]。

不同小寫字母代表差異顯著。圖6 FG添加量與復合膜色差值的關系Fig.6 Effect of FG concentration on chromatism of composite films

2.7 FG添加量對復合膜機械性能的影響

抗拉強度(TS)是描述膜機械性能的參數，代表外力拉扯下膜斷裂的難易程度[20]。實際應用中，TS越高，復合膜抵抗外力的能力越強，越有利于保持其完整性。所有復合膜樣品的TS均大于SBP單一膜，見圖7。原因可能是相較于單網絡結構膜，復合膜兩基質之間形成穩定的網絡結構，網絡結構越緊密，其所能承受的形變程度越高，即抗拉強度會隨之提高[21]。復合膜樣品中，FG添加量為0.01、0.02 g/mL的膜樣品其TS均在2.94 N以上，可用作干果或調味品等食品的內包裝[22]。而FG添加量為0.03 g/mL的膜樣品TS最低為1.29 N，此后隨著FG含量的增加，TS逐漸升高。

樣品編號6表示SBP單一膜樣品的機械性能測定結果；不同小寫字母代表差異顯著。圖7 FG添加量與復合膜抗拉強度的關系Fig.7 Effect of FG concentration on tensile strength of composite films

分析其原因可能是：1)SBP分子中含有蛋白質成分，當加入少量魚明膠分子后，兩基質之間發生交聯作用，形成穩定的網絡結構，抗拉強度較高。2)當FG添加量為0.03 g/mL時，過量蛋白質導致致密網絡結構被破壞，抗拉強度降低。3)FG添加量繼續升高，蛋白之間相互作用較強，從而使復合膜的機械性能得到提高[23]。雙網絡復合膜的機械強度顯著增加的結果表明，甜菜果膠和魚明膠交聯后結構更加穩定，對可食膜抗拉強度的增強有重要作用。與2.2節對含水量測試的結果一致。

3 結 論

1)SBP-FG復合膜的含水量、水蒸氣透過率、溶解性、透光性、外觀特征及機械性能與兩基質的質量濃度密切相關。

2)復合膜含水量及抗拉強度隨FG添加量的升高呈現先下降后升高的趨勢，表現出低質量濃度FG的復合膜兩基質間具有良好的相容性，空間網絡結構緊密。

3)隨著FG添加量的增加，膜的溶解性和吸光度降低，說明高FG添加量的復合膜表現出較好的抗水性能及透光能力。

4)從持水能力、阻隔及機械性能來看， FG添加量為0.02 g/mL的復合膜性能最優，從透光性來看，各個配比的復合膜相差不大，均具有良好的阻隔紫外光的能力及可見光透光性，其中以FG添加量為0.05 g/mL的復合膜較優。綜合比較，m(SBP)∶m(FG)=2.5∶2為優化的復合膜配比，其含水量為24.52%，水蒸氣透過率為10.41 g·(cm·d·MPa)-1，抗拉強度為3.09 N，較適合干燥食品的保存。

探討了甜菜果膠-魚明膠復合膜各項生物學特性，基質間具體作用機理有待進一步研究。