微射流均質(zhì)對羧甲基纖維素—精油可食性膜性能的影響

張慧蕓 梁 英 李鑫玲 康懷彬

(河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽 471023)

可食性膜是以天然可食性物質(zhì)為原料制得的具有多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的保護性阻隔膜。羧甲基纖維素(carboxymethyl cellulose，CMC)可食性膜具有阻止水分、油脂遷移、防止氧及二氧化碳逸失、保留食品風味、提高機械強度、保持食品結(jié)構(gòu)等作用[1]，近年來被廣泛用于肉制品、禽蛋、果蔬等涂膜保鮮。可食性膜中可添加多種活性成分，如抗菌劑、抗氧化劑、精油和香辛料等。植物精油富含大量生物活性化合物，具有抗菌和抗氧化活性[2-4]。但強烈風味是限制精油添加到食品中的主要因素，由于達到有效抗菌劑量所需精油的風味可能會超過消費者的感官可接受水平[5]，且精油水溶性低，因此在水基產(chǎn)品中的分散性很差。研究[6]表明，通過減小液滴粒徑可改善乳液穩(wěn)定性，即產(chǎn)生液滴粒徑范圍為20～500 nm的納米乳。近期研究表明，與常規(guī)乳液相比，將精油制備成納米乳，提高了其物理性能[7]，同時具有較高的生物活性[8-10]，進而可制得具有一定物理化學(xué)和功能特性的可食性膜。

微射流均質(zhì)是一種新興的高壓均質(zhì)技術(shù)。與傳統(tǒng)高壓均質(zhì)技術(shù)相比，其均質(zhì)壓力更高，碰撞能量更大，產(chǎn)品顆粒更細。已有人[4,11]研究了采用超聲或高速均質(zhì)制備納米乳可食性膜的方法。但關(guān)于采用微射流均質(zhì)處理多糖—精油成膜液制備納米乳可食性膜的研究報道較少。因此，本試驗擬采用微射流均質(zhì)處理CMC-精油成膜液，研究微射流均質(zhì)處理對成膜乳液物理化學(xué)特性及可食性膜物理和機械性能的影響，探討CMC-精油納米乳物理化學(xué)特性與可食性膜性能之間的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

羧甲基纖維素：食品級，F(xiàn)H6型，安丘雄鷹纖維素廠；

丁香精油(CAS 號：8000-34-8)、肉桂精油(CAS 號：8015-91-6)、牛至精油(CAS 號：8007-11-2)：純度≥95.0%，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；

吐溫-80、甘油：分析純，天津市德恩化學(xué)試劑有限公司；

大腸桿菌E.coli(ATCC 25922)：河南科技大學(xué)微生物實驗室；

營養(yǎng)肉湯和瓊脂培養(yǎng)基：北京陸橋技術(shù)有限責任公司。

1.2 儀器與設(shè)備

電熱恒溫鼓風干燥箱：DHG-9003型，上海精宏實驗設(shè)備有限公司；

超高壓微射流均質(zhì)機：M-700 型，美國Microfluidics 公司；

質(zhì)構(gòu)儀：5544Q6427型，美國英斯特朗公司；

高速攪拌機：ZFS型，上海臻煊機電科技有限公司；

色差計：Color i5型，美國愛色麗Xrite公司；

數(shù)字式粘度計：DV-1 型，上海倫捷機電儀表有限公司；

動態(tài)光散射激光粒度儀：Zeta Sizer-3000HSA型，英國Malvern公司；

Zeta電位測定儀：Zeta Sizer-2000型，英國Malvern公司。

1.3 方法

1.3.1 成膜液的制備 根據(jù)文獻[7]，稍作修改，將2 g/100 mL CMC溶于70 ℃雙蒸水中，向CMC分散液中加入0.5%(體積分數(shù))甘油，0.5%(體積分數(shù))吐溫-80，2%(體積分數(shù))精油， 17 500 r/min攪拌3 min。將上述粗乳化液用泵泵入微射流均質(zhì)機，120 MPa循環(huán)3次。在微射流均質(zhì)機出口處放置浸入冰水浴中的冷凝管，使處理過程中乳液的溫度維持在15 ℃以下。所有樣品制備用水采用超純水。未添加精油的純CMC成膜液作為對照。

1.3.2 微射流均質(zhì)處理對成膜乳液物理特性的影響

(1) 粒徑：采用動態(tài)光散射激光粒度儀測定成膜乳液粒徑和多分散指數(shù)。為避免多重散射作用，成膜乳液采用超純水稀釋到1∶20。多分散指數(shù)(PDI)值表示粒徑分布的不均勻性， PDI值接近0表示粒徑均勻分布， PDI值接近1表示粒徑分布不均勻。

(2)ξ-電勢：采用Zeta電位測定儀測定成膜乳液ξ-電勢。

(3) 白度指數(shù)：根據(jù)文獻[12]，稍作修改，采用色差儀測定成膜乳液的顏色，將成膜液樣品置于水平透明容器中測量，標準板的色度值為：L=94，a=0.313，b=0.319。測得L*、a*、b*值，根據(jù)公式(1)計算成膜液的白度指數(shù)。

(1)

式中：

WI——白度指數(shù)；

L*、a*、b*——待測膜的色度值。

(4) 黏度：采用數(shù)字式黏度計測定。

1.3.3 可食性膜的制備 分別取4 g CMC-精油納米乳液和純CMC成膜液倒入有機玻璃板上，60 ℃干燥3 h成膜后放入干燥器中平衡48 h，待測。

1.3.4 微射流均質(zhì)處理對可食性膜性能的影響

(1) 顏色值的測定：采用色差儀，參考文獻[13]，稍作修改，參照CIELAB系統(tǒng)測定膜的顏色。將膜樣品置于標準校正板上測量，標準板的色度值為：L=94，a=0.313，b=0.319。每個膜樣品均勻選擇 5 個點進行測量，取平均值。按式(2)計算色差值ΔE。

(2)

式中：

ΔE——色差值；

L*、a*、b*——待測膜的色度值；

L、a、b——標準板的色度值。

(2) 透明度測定：參考Shiku 等[14]的方法稍作修改，將待測樣品裁成矩形(10 mm×50 mm)貼于比色皿內(nèi)側(cè)，測定600 nm下的透光率，按式(3)計算透明度。

(3)

式中：

T——透明度，%；

T600——膜在600 nm處的透過率，%；

X——膜的厚度，mm。

透明度值越大，說明膜越不透明。

(3) 厚度測定：采用螺旋測微儀測量，將膜裁剪成大小相同的3個膜片，在膜上均勻選取9個點測量，取平均值。

(4) 水蒸氣透過性測定：根據(jù)文獻[15]，采用擬杯子法，并稍作修改。將膜密封在裝有5 g 無水氯化鈣的小錐形瓶瓶口，將錐形瓶放入相對濕度80%、25 ℃恒溫恒濕箱中，每隔1 d測定1次錐形瓶的增重量，直至平衡不變。按式(4)計算水蒸氣透過系數(shù)。

(4)

式中：

WVP——水蒸氣透過系數(shù)，g·mm/(m2·d·kPa);

A——透過水分的膜面積，m2；

M——錐形瓶的增重量，g；

t——水分透過時間，d；

X——膜厚度，mm；

ΔP——膜兩側(cè)水蒸氣壓差，kPa。

(5) 機械強度測定：參考Yin等[16]的方法稍作改進，測定可食性膜的拉伸強度和斷裂伸長率，將膜裁剪成10 mm×50 mm矩形，設(shè)定拉伸速度1 mm/s，初始夾距30 mm。按式(5)、(6)計算拉伸強度和斷裂伸長率。

(5)

式中：

TS——拉伸強度，MPa；

Ft——最大拉力，N；

L——膜樣品的厚度，mm；

D——膜樣品的寬度，mm。

(6)

式中：

E——膜的斷裂伸長率，%；

L1——膜斷裂后的長度，mm；

L0——膜斷裂前的長度，mm。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所得數(shù)據(jù)取3次平行試驗的平均值，采用Statistix 8進行數(shù)據(jù)分析(顯著水平P<0.05)，用Origin pro 9.0作圖。

2 結(jié)果和討論

2.1 CMC-精油納米乳成膜液理化特性

2.1.1 粒徑大小和粒徑分布 動態(tài)光散射是通過分析散射光強度的波動測得粒徑，其中大粒子的光散射比小粒子更強。CMC與不同精油(丁香、肉桂、牛至)復(fù)合粗乳液的平均粒徑分別為：(277.43±18.50)，(460.05±22.52)，(329.38±21.83) nm。如表1所示，CMC-丁香、CMC-肉桂、CMC-牛至精油納米乳的平均粒徑范圍為(53.32±4.02)～(89.01±4.26) nm，多分散性指數(shù)范圍為0.547～0.333。表明CMC-精油納米乳的平均粒徑在100 nm 以下，說明微射流均質(zhì)使得納米乳中的多數(shù)精油粒子具有納米范圍直徑。另外，精油的類型顯著影響CMC-精油納米乳的平均粒徑(P<0.05)。CMC-丁香精油納米乳粒徑較大，表明精油與CMC相及非離子表面活性劑之間的親和度不同，可能與精油的化學(xué)組成不同有關(guān)。精油組分中的表面活性物質(zhì)可提高其水溶性，含有表面活性成分的精油在油/水表面聚集，降低乳液的表面張力，使液滴在均質(zhì)過程中容易被破壞。Edris等[17]研究表明，精油的其他重要特性如極性和黏度可影響所形成液滴的粒徑。

表1CMC-精油納米乳成膜液的粒徑和多分散指數(shù)?

Table1Dropletdiametersandpolydispersityindex(PDI)valuesofnanoemulsionsloadedwithdifferentEOs

納米乳平均粒徑/nm多分散指數(shù)CMC-丁香精油89.01±4.26a0.333±0.021cCMC-肉桂精油53.32±4.02c0.437±0.032bCMC-牛至精油63.53±3.27b0.547±0.031a

? 同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

2.1.2ξ-電勢 由表2可知，ξ-電勢值變化范圍為-37.63～-59.67 mV。通常液滴的電荷取決于液滴周圍吸附的表面活性劑的電荷，表面活性劑可能是陰離子、陽離子或非離子型。本研究采用的吐溫-80為非離子型表面活性劑，電荷的期望值應(yīng)接近0，但研究結(jié)果表明納米乳中油滴具有高負電性ξ-電勢。Dickinson[18]研究表明，在乳液連續(xù)相中添加離子型生物大分子可改變油滴的ξ-電勢，多數(shù)生物大分子通常作為增稠劑而不是表面活性劑添加到乳液中，但其可以通過特定條件下不同類型的相互作用被部分吸附到油滴中。因此，添加非離子型表面活性劑的精油納米乳之所以帶負電荷是由于分散在連續(xù)相中帶負電荷的CMC分子的吸附作用。

表2CMC-精油納米乳成膜液的ξ-電勢、白度和黏度?

Table2ξ-potential,whitenessindexandviscosityvaluesofnanoemulsionsloadedwithdifferentEOs

納米乳ξ-電勢/mV白度黏度/(mPa·s)CMC-丁香精油-37.63±2.52c32.73±1.70a479.67±16.29cCMC-肉桂精油-44.00±2.00b24.41±0.89c604.00±25.53bCMC-牛至精油-59.67±2.08a27.36±0.94b752.33±45.72a

? 同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

液滴的電荷對納米乳的穩(wěn)定性起重要作用。當電荷足夠大時產(chǎn)生的靜電斥力會阻止液滴的聚集[18]。根據(jù)靜電機制，納米乳體系中液滴所帶電荷高于+30 mV或低于-30 mV時是穩(wěn)定的。因此，本研究所制得的納米乳是穩(wěn)定的。且精油種類顯著影響所形成油滴的電荷(P<0.05)。CMC-牛至精油納米乳ξ-電勢最大，可能是精油中存在可電離組分，導(dǎo)致體系界面的油、表面活性劑和生物聚合鏈之間發(fā)生不同靜電相互作用。Bonilla等[19]研究也發(fā)現(xiàn)殼聚糖—羅勒精油乳液和聚糖—百里香精油乳液的ξ-電勢不同。

2.1.3 白度 由表2可知，不同CMC-精油納米乳的白度差異顯著(P<0.05)。乳液中油滴的粒徑、濃度和折射率直接影響乳液的光學(xué)性質(zhì)[20]。納米乳為輕微渾濁體系，由于小液滴散射光弱，當液滴粒徑增加，光散射增強，乳液趨于不透明。精油納米乳的白度值隨液滴粒徑減小而降低，表明納米乳的光學(xué)特性取決于納米乳的粒徑大小。

2.1.4 黏度 由表2可知，CMC成膜液的黏度為867 mPa·s，CMC-精油納米乳黏度顯著降低。由于微射流均質(zhì)產(chǎn)生的高剪切力可引起生物大分子鏈構(gòu)象發(fā)生變化或降解，改變分子質(zhì)量，從而對生物大分子黏度產(chǎn)生影響。本研究與Bonilla等[19]的研究結(jié)果一致。且精油種類顯著影響納米乳的黏度(P<0.05)，其中CMC-牛至精油納米乳黏度最高。精油是由不同組分組成的復(fù)雜混合物，可能導(dǎo)致CMC分子和油滴之間產(chǎn)生不同吸附動力學(xué)，改變連續(xù)相中生物大分子的最初濃度，從而改變?nèi)橐吼ざ萚19]。

2.2 CMC-精油納米乳可食性膜性能研究

表3為CMC-精油可食性膜厚度、顏色值和透明度。

表3 CMC-精油納米乳可食性膜厚度、顏色值和透明度?

? 同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

2.2.1 厚度、顏色值和透明度 由表3可知，與CMC可食性膜相比，CMC-肉桂精油和CMC-牛至精油納米乳可食性膜厚度顯著降低(P<0.05)，與納米乳的粒徑有關(guān)。另外，Bonilla等[19]研究發(fā)現(xiàn)，由于干燥成膜過程中乳液中油相的損失，降低了膜基質(zhì)中固形物濃度，使可食性膜厚度減小。

可食性膜的光學(xué)特性可改變食品的總體外觀，影響消費者的可接受性。由表3可知，精油種類顯著影響可食性膜的L*、a*、b*值和色差值(P<0.05)。CMC膜和CMC-牛至精油納米乳膜亮度值較高，而CMC-丁香精油和CMC-肉桂精油納米乳膜亮度值較低。a*為負值表示偏綠色，其中CMC-牛至精油納米乳膜的a*值最低，與其他膜相比差異顯著(P<0.05)。b*值為正值表示偏黃色，CMC-丁香精油和CMC-牛至精油納米乳膜的b值較高，表明該膜具有類似的輕微綠—黃色調(diào)[21]。同理，CMC-丁香精油和CMC-牛至精油納米乳可食性膜色差值均較高。

透明度數(shù)值越大說明膜的透明程度越低。由表3可知，添加精油顯著降低了膜的透明度，且精油種類顯著影響膜的透明度(P<0.05)，其中CMC-丁香精油納米乳可食性膜具有最高的透明度值，CMC-肉桂精油和CMC-牛至精油納米乳可食性膜透明度值較低。精油中的彩色成分和有序膜蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的破壞是導(dǎo)致膜透明度降低的最主要原因[22]。

2.2.2 水蒸氣透過性 為防止或減少食品的脫水，作為包裝或涂層的可食性膜必須控制水分從食品向周圍環(huán)境的轉(zhuǎn)移，因此，可食性膜的水蒸氣透過性應(yīng)盡可能低[23]。水蒸氣的轉(zhuǎn)移通過膜的親水部分進行，滲透性取決于膜的親水—親脂比。因此，膜結(jié)構(gòu)中存在脂質(zhì)化合物可提高膜的阻水性，阻止水蒸氣通過膜。研究[24]表明，當油相比例提高或油滴粒徑減少時膜的阻水性提高。由于精油具有疏水性故可降低多糖基可食性膜的水蒸氣透過性。由圖1可知，與CMC可食性膜相比，CMC-精油納米乳可食性膜的水蒸氣透過性顯著降低(P<0.05)。不同精油納米乳可食性膜水蒸氣透過性的差異不顯著(P>0.05)，可能是由于納米乳的粒徑小使油相在膜結(jié)構(gòu)中得到更好的分布。

2.2.3 機械特性 CMC可食性膜的機械特性如圖2所示，由圖2可知，CMC-精油納米乳膜與CMC膜的拉伸強度值差異不顯著(P>0.05)。Aguirrea等[25]研究表明，向成膜液中添加精油會降低膜內(nèi)凝聚力，從而降低拉伸強度。本研究所得CMC-精油納米乳可食性膜具有較強的拉伸強度，可能是精油添加量較低和CMC-精油納米乳粒徑小的緣故。

字母不同表示差異顯著(P<0.05)

Figure 1 Water vapor permeability (WVP) of CMC films and films made from EOs nanoemulsions

字母不同表示差異顯著(P<0.05)

Figure 2 Tensile strength (TS) and elongation at break (EAB) of CMC films and films made from EOs nanoemulsions

由圖2可知，CMC-牛至精油納米乳可食性膜的斷裂伸長率最大為(53.90±1.60)%。CMC-丁香精油和CMC-肉桂精油納米乳可食性膜的斷裂伸長率分別為(41.36±2.89)%，(43.99±3.76)%，且與CMC可食性膜差異不顯著(P>0.05)。膜柔韌性的變化在一定程度上與膜結(jié)構(gòu)中納米乳的電荷有關(guān)。膜結(jié)構(gòu)中帶相同電荷分子之間的排斥力可增大聚合物分子之間的距離，起到增塑作用[25]。本研究中不同精油納米乳所帶電荷明顯不同(見表2)，因此形成具有不同柔韌性的可食性膜。另一方面，精油液滴粒徑大小也可以影響膜的柔韌性，由于納米乳可食性膜結(jié)構(gòu)中油滴的表面積增大，生物聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)異質(zhì)性增加，因此降低了鏈間相互作用，提高了增塑效果。

3 結(jié)論

微射流均質(zhì)處理可改善CMC-精油可食性膜的物理和機械性能，影響CMC-精油可食性膜性能的主要因素為成膜液液滴粒徑和液滴所帶電荷，納米乳液滴粒徑和ξ-電勢的降低導(dǎo)致所成膜的阻隔性、顏色和機械特性發(fā)生相應(yīng)變化。本研究可為運用微射流均質(zhì)技術(shù)開發(fā)新型精油納米乳可食性膜提供理論基礎(chǔ)，但將所制備精油納米乳可食性膜應(yīng)用于食品保鮮中，研究其對食品貯藏期間品質(zhì)的影響仍需進一步探討。