透明質酸-明膠復合膜的制備及理化性質研究

(綏化學院食品與制藥工程學院,黑龍江綏化 15206)

近年來,生物基可食用包裝材料因其具有生物可降解性、生物相容性、抗氧化、抑菌、除氧和除水等多種功效,廣泛用于食品包裝及食品表面涂膜,提高了食品的感官性狀及貯藏期限,成為研究熱點[1-3]。

生物基可食用包裝材料的主要成分包括多糖、蛋白質、脂類等,明膠因其具有良好的生物相容性,具有防止食品腐敗變質、氧化的作用,是常用的生物基食品包裝膜材料之一[4-5]。為提高包裝材料的耐水性、機械和阻隔等性能,通常可通過兩種或兩種以上成分利用共價鍵或非共價鍵形成交聯網絡結構,利用轉谷氨酰胺酶催化交聯明膠-殼聚糖復合膜,對新鮮葡萄具有良好的保鮮效果[6];劉莉莉[7]將明膠與殼聚糖以9∶1比例復配制得復合膜,其阻氧性能較佳,可作為方便面調料包的包裝材料。由于殼聚糖存在溶解性差、對pH的依賴性強和機械性能不佳等缺點,因此,開發新型明膠基高分子膜材料具有重要的研究價值。

透明質酸(Hyaluronic acid,HA)是動物細胞基質的主要成分,具有保水性、抗菌性、清除自由基、成膜性、促進傷口愈合、生物相容性等重要生理功能[8-9]。2008年中國衛生部公布了HA作為新資源食品后,HA廣泛應用于果汁、豆奶、果凍等食品中[10],但將HA作為天然涂膜材料應用于食品貯藏的研究還鮮有報道,相關研究已將HA涂膜于鯽魚、鯉魚肉表面進行保鮮,獲得了較好的貯藏效果[11-12]。

明膠和HA是來自于機體的天然物質,作為生物基可食用材料突出的優勢是安全、具有多種功能特性,將二者復合創新制備成復合膜,將具有廣闊的應用前景,本文進一步研究不同分子量HA對復合膜性質的影響,可為豐富和發展生物基可食性生物活性膜材料提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

HA(分子量0.3～1、1～10、10～13、20～40、80～100、130～15、180～220×104Da) 山東福瑞達生物醫藥有限公司;明膠 天津市光復精細化工研究所;溴化鉀 光譜純,常州市海拓實驗儀器有限公司;其它試劑 均為分析純。

752紫外可見分光光度計 上海析譜儀器有限公司;SHB-Ⅲ循環水式多用真空泵 鄭州長城科工貿有限公司;FW-4A壓片機 天津市光學儀器廠;WS70-1紅外線快速干燥器 上海錦屏儀器儀表有限公司;TENSOR27傅立葉紅外光譜儀 德國BRUKER科學儀器公司;CR-400/410色差儀 日本柯尼卡美能達控股株式會社。

1.2 試驗方法

1.2.1 復合膜制備 分別稱取7種不同分子量的HA各0.01 g,分別加入10 mL去離子水,攪拌1 h至完全溶解,制得質量分數為0.1%的HA溶液;稱取明膠0.6 g,加入10 mL去離子水,40 ℃下攪拌30 min至完全溶解,制得質量分數為6%的明膠溶液。將制備好的HA溶液與明膠溶液混合均勻,加入20%(W/V)的甘油,于40 ℃下水浴攪拌2 h,制得HA-明膠復合膜膜液。25 ℃溫度下,將膜液真空脫氣(真空度0.098 MPa,時間30 min)以除去復合膜溶液中的氣泡。取上述復合膜液10 mL均勻完整的鋪展于干燥潔凈的有機玻璃板(10.5 cm×4.5 cm)上,在鼓風干燥箱內24 ℃,300 min烘干。干燥后將膜揭下,于溫度為20 ℃,相對濕度為53%(飽和Mg(NO3)2溶液)的干燥器內保存備用。

1.2.2 HA-明膠復合膜的性能研究

1.2.2.1 膜厚度的測定 利用游標卡尺在待測膜的四個邊緣位置以及中心位置取5點,測其厚度,得到的平均值為膜的厚度[13]。

1.2.2.2 膜密度的計算 取膜試樣,先測量其厚度,然后用分析天平稱重,通過測量試樣的表面積,計算膜的密度[3]。

式中:ρ表示密度,g·cm-3;m表示試樣質量,g;d表示試樣厚度,cm;s表示試樣面積,cm2。

1.2.2.3 膜不透明度的測定 將試樣膜裁成1 cm×4 cm的樣條貼于比色皿內壁中,在500 nm處測定試樣膜的吸光度,以未放置膜的比色皿作為參照樣。試樣膜的透光性用不透明度表示,計算公式如下[3]。

式中:O表示不透明度,A·mm-1;OD500表示試樣在500 nm的吸光度,A;d表示試樣厚度,mm。

1.2.2.4 膜顏色的測定 儀器經校準后(L*=52.94,a*=-0.50,b*=4.85),用手握住色差儀,將色差儀垂直放在復合膜表面,每測量一次后,記錄好數據并用擦鏡紙擦干色差儀的鏡頭表面,每次放置的力度保持均勻,每個復合膜最少測3次,白度用ΔE表示,顏色指數是L=0(黑色)到L=100(白色),-b(藍色)到+b(黃色),-a(綠色)到+a(紅色),計算公式如下[7]。

1.2.2.5 膜水分含量的測定 復合膜水分含量用烘干后損失的重量計算。試樣為1 cm×4 cm樣條,在相對濕度為75%的環境中放置48 h平衡水分后取出稱重記為Mw,然后將試樣放入溫度為(105±1) ℃的鼓風干燥箱內干燥24 h后取出稱重記為Md。平行實驗3次,水分含量的計算公式如下[3]。

式中:H表示水分含量,%;Mw表示試樣相對濕度為75%的環境中平衡48 h后的質量,g;Md表示試樣烘干24 h后的質量,g。

1.2.2.6 膜溶解性的測定 將膜放在70 ℃鼓風干燥箱中干燥24 h,作為膜的初始干重M0,將膜取出放入去離子水中10 min后,將膜和去離子水混合物倒入漏斗中瀝干多余水分,將剩余膜片再次放入70 ℃鼓風干燥箱內干燥24 h,作為膜最終的干重M1,以R表示膜的溶解性[14]。

式中:R表示溶解性,%;M0表示膜70 ℃鼓風干燥箱中干燥24 h后重量,g;M1表示膜溶解10 min后烘干24 h后的重量,g。

1.2.2.7 膜水蒸氣透過率的測定 用稱量瓶(半徑1.8 cm×2.3 cm)測量復合膜水蒸氣透過率,先用移液管移取10 mL去離子水于干凈稱量瓶中,然后將復合膜剪成合適大小將稱量瓶口封住。再將稱量瓶放入25 ℃裝有變色硅膠的干燥器中,每隔2 h稱一次重量,總共稱量6次[15],計算試樣的水蒸氣透過率(WVP)。

式中:WVP表示水蒸氣透過率,g·mm/h·m2·kPa;Am表示質量的增量,g;At表示測定的時間間隔,h;Ap表示膜兩側的水蒸氣壓差,25 ℃時為3.168 kPa;A表示稱量瓶口面積,m2;d表示復合膜厚度,mm。

1.2.2.8 膜抗拉強度的測定 使用物性測試儀測定抗拉強度,試樣為2 cm×6cm樣條,探頭初始間距為40 mm,拉伸速率為 1 mm/s,抗拉強度的計算公式如下[16]。

TS=F/S

式中:TS表示抗拉強度,MPa;F表示試樣膜斷裂時最大拉力,N;S表示試樣的橫截面積,mm2。

1.2.2.9 傅立葉變換紅外光譜掃描 復合膜凍干品的紅外光譜采用反射來進行測試,將冷凍干燥后的膜剪取少量加入干燥后的溴化鉀研磨,放入紅外反射臺上壓實,然后進行測試,掃描范圍400～4000 cm-1,分辨率0.5 cm-1,掃描次數:75 次/s[17]。

1.3 數據處理

采用SPSS 19.0 統計分析軟件對不同分子量HA制成的復合膜理化性質進行單因素方差分析與相關性分析,檢驗水平P值小于0.05時為差異顯著。

2 結果與討論

2.1 HA分子量對復合膜厚度、密度的影響

2.1.1 不同分子量HA對復合膜厚度的影響 膜的厚度過大或過小均會影響膜的透明度、水蒸氣透過率等性能,所以合適厚度的復合膜能夠維持膜的最佳性能。HA-明膠復合膜的厚度范圍為0.070～0.093 mm,隨著HA相對分子量的增大,HA-明膠復合膜的厚度呈現先增大后減小的趨勢,見圖1。

圖1 不同分子量HA對復合膜厚度影響Fig.1 Effect of different molecular weight HAon the thickness of composite film注:不同小寫字母表示數據之間存在顯著性差異(P<0.05);圖2～圖7同。

當HA分子量為0.3～40×104Da范圍時,隨著HA分子量的增加,復合膜的厚度逐漸增加,HA分子量為0.3～1×104Da時,復合膜的厚度最小,為0.070 mm,HA分子量為20～40×104Da時,復合膜的厚度最大,為0.093 mm,二者厚度相比差異顯著(P<0.05)。可能是由于HA分子量逐漸增大,復合膜中羥基含量增大,親水的氫鍵增加,其厚度也隨之增加。當HA分子量大于80×104Da時,隨著分子量增加,復合膜的厚度逐漸減小。HA分子量較高時,復合膜中HA與明膠交聯形成強烈的氫鍵作用破壞了HA的規整結構,使其結晶度下降[6],進而導致復合膜成膜性下降,結構分散,導致厚度略微減小[18]。

2.1.2 不同分子量HA對復合膜密度的影響 復合膜的密度的也是影響膜的均一性與透明度的重要因素之一。HA-明膠復合膜的密度范圍在0.68～0.79 g·cm-3,隨著HA分子量的增大,密度呈現先增大后減小的趨勢,見圖2。

圖2 不同分子量HA對復合膜密度的影響Fig.2 Effect of different molecular weight HAon the density of composite film

HA分子量為0.3～1×104Da時,復合膜密度達到最小,為0.68 g·cm-3。HA分子量在0.3～40×104Da范圍時,復合膜的密度差異不顯著(P>0.05),HA分子量為80～100×104Da時,復合膜的密度增加,與其他處理之間差異顯著(P<0.05),由于HA與明膠發生交聯作用使復合膜結構越來越緊密,導致復合膜的水分含量減小、厚度減小[18],因此密度不斷增大。由于HA與殼聚糖均屬于多糖類物質,分子量越大所形成的成膜液越粘稠,攪拌時易產生大量氣泡難以去除,致使復合膜密度降低[7]。

2.2 HA分子量對復合膜不透明度、顏色的影響

2.2.1 不同分子量HA對復合膜不透明度的影響 復合膜的透明度是判斷共混高分子相容性好壞的輔助手段,本試驗透光性用不透明度表示。如圖3,HA分子量為0.3～100×104Da范圍時,隨著分子量的增加,膜的不透明度呈現上升趨勢,HA分子量0.3～1×104Da時,透明度最小為10.80 A·mm-1;HA分子量為80～100×104Da時,膜的不透明度達到最高,為27.45 A·mm-1,與其他分子量HA復合膜的不透明度之間差異顯著(P<0.05);HA分子量在130～220×104Da范圍內,膜不透明度呈現下降趨勢。HA分子量影響復合膜不透明度,分子量大的HA復合膜液的粘度較大,膜液中含有較多氣泡導致其不透明度增大。多糖復合膜的規整結構受到破壞后,復合膜的非晶區與晶區之間的界面發生光散射增多增大,會改變復合膜的不透明度[7]。HA分子量為80～220×104Da時,HA與明膠之間形成的氫鍵越來越強,削弱了HA分子中-NH2與-OH 間的氫鍵作用,HA結晶度變小[7],所以不透明度不斷下降。

圖3 不同分子量HA對復合膜透明度的影響Fig.3 Effect of different molecular weight HAon the opacity of composite film

表1 不同分子量的HA對復合膜顏色的影響Table 1 Effect of different molecular weight HA on the color of composite film

注:不同小寫字母表示數據之間存在顯著性差異(P<0.05)。

2.2.2 不同分子量HA對復合膜顏色的影響 包裝膜的顏色是影響包裝產品外觀的重要因素之一,不同顏色的包裝膜會影響人們對食品的感官感受。因此,需要對HA-明膠復合膜的顏色進行測定。由表1可知,隨著分子量的增大,HA-明膠復合膜ΔE略有提高。

HA分子量的增加,使HA-明膠復合膜的顏色發生了變化,紅度a*值減小,黃度b*值增大,這是由于HA中含有還原性基團,與明膠發生美拉德反應,導致復合膜黃化。隨著HA分子量的增加,HA-明膠復合膜顏色變化差異不顯著(P>0.05)。

2.3 HA分子量對復合膜水分含量、溶解性、水蒸氣透過率及抗拉強度的影響

2.3.1 不同分子量HA對復合膜水分含量的影響 復合膜的水分含量是影響包裝食品的重要因素之一,水分含量過大時,會加速食品的腐敗變質,水分含量過小會影響膜本身的性能。

如圖4,HA分子量在0.3～40×104Da范圍時,復合膜水分含量隨其分子量增加呈現升高趨勢,HA分子量為0.3～1萬時,復合膜水分含量最小為15.91%;分子量為20～40×104Da時,復合膜水分含量達到最大,為22.53%,與其他分子量HA復合膜水分含量差異顯著(P<0.05)。高分子HA中含有較多的羥基,這些羥基可以與水形成氫鍵后結合大量的水,固定并阻止水流動,從而使復合膜水分含量增大[6]。HA分子量在80～220×104Da時,隨HA分子量的增加,復合膜水分含量呈現下降的趨勢,這是因為HA達到一定分子量時,不再以獨立的單體存在,HA分子間相互纏繞,形成致密的網狀結構,所以水分含量降低[19-20]。

圖4 不同分子量HA對復合膜水分含量的影響Fig.4 Effect of different molecular weight HAon the moisture content of composite film

2.3.2 不同分子量HA對復合膜溶解性的影響 隨著HA分子量的增加,復合膜的水溶性逐漸降低,在HA分子量為0.3～1×104Da時,復合膜的溶解性最大,為63.99%,與其他分子量HA復合膜水分含量差異顯著(P<0.05),見圖5。

圖5 不同分子量HA對復合膜溶解性的影響Fig.5 Effect of different molecular weight HAon the solubility of composite film

HA多元醇分子中的-OH與明膠分子中的-OH、-NH2、-C=O 形成氫鍵,增強了大分子鏈間的相互作用力,可以使復合膜的致密性變強,交聯化學鍵的強度更大,復合膜表面親水性下降[6]。隨著HA分子量的增加,HA分子中的羥基不斷增多,與明膠分子形成更多的氫鍵,導致復合膜表面親水性下降,所以復合膜溶解性逐漸降低。由于復合膜溶解性相對較強,因此較適合于鮮切畜禽肉類的涂膜,該涂膜技術已應用于淡水魚肉的保鮮中,并取得了良好的效果[11-12,21]。

2.3.3 不同分子量HA對復合膜水蒸氣透過率的影響 水蒸氣透過率直接影響包裝食品的質量,水蒸氣透過率越低,包裝膜的防腐效果越好,越有利于延長食品保質期。

如圖6,HA分子量在0.3～100×104Da時,復合膜的水蒸氣透過率逐漸減小,HA分子量0.3～1×104Da時,水蒸氣透過率最高為5.69 g·mm/h·m2·kPa;HA分子量為80～100×104Da時,水蒸氣透過率最低,為4.41 g·mm/h·m2·kPa。復合膜的結構緊密會引起通透性下降,隨著HA分子量增加,與明膠形成氫鍵增強,使復合膜結構緊密,從而減少水分子在復合膜中的傳輸與擴散、通透性下降,導致水蒸氣透過率減小。HA分子量在130～220×104Da范圍時,水蒸氣透過率略有增大,高分子量的HA中親水性基團增多,促使復合膜吸水溶脹后引起膜結構疏松,導致復合膜的通透性提升[18]。

圖6 不同相對分子量HA對復合膜水蒸氣透過率的影響Fig.6 Effect of different molecular weight HAon the water vapor transmission rate of composite film

2.3.4 不同分子量HA對復合膜抗拉強度的影響 如圖7,HA分子量在0.3～100×104Da范圍時,復合膜的抗拉強度逐漸增加,HA分子量為0.3～1×104Da時,抗拉強度最低為13.23 MPa;HA分子量為80～100×104Da時,抗拉強度最高,為17.07 MPa,與其他復合膜抗拉強度差異(P<0.05)。復合膜的抗拉強度隨著HA分子量增加而增加,HA分子量逐漸變大,其與明膠形成氫鍵增強,使復合膜結構緊密,抗拉強度增強。

圖7 不同相對分子量HA對復合膜抗拉強度的影響Fig.7 Effect of different molecular weight HAon the tensile strength of composite film

2.4 復合膜的紅外光譜分析

HA分子鏈上的羥基、N-乙酰氨基可以形成很多種分子內和分子間的氫鍵,如C3-OH與糖苷基間的分子內氫鍵、C3-OH與相鄰分子鏈上糖苷基的分子間氫鍵、其他基團形成的C=O…H-O和N-H…O=C等[7],這些氫鍵的產生使得HA的紅外光譜的各特征峰位出現了一定的移動。

傅立葉紅外光譜可反映出不同分子量HA與明膠的結合狀態,見圖8。不同分子量HA-明膠復合膜在酰胺A區的最大吸收峰范圍位于波數3390～3425 cm-1之間,最大吸收峰為3396 cm-1,通常酰胺A區最大吸收峰位于波數 3400～3440 cm-1之間,主要為N-H和O-H伸縮振動,當N-H與氫鍵締合后,吸收峰向短波遷移[22]。因此可知,HA分子與明膠分子之間發生氫鍵交聯,使酰胺A區最大吸收峰產生短波位移。0.3～1×104Da分子量,1～10×104Da分子量HA與明膠復合膜在波數3396 cm-1處峰形變為寬鈍峰,可能是N-H振動峰和O-H振動峰重疊,增加了成膜組分間的氫鍵作用。而增塑劑甘油的添加,可能也會促進其與明膠中的羥脯氨酸的Pro-NH鍵發生反應,形成更多氫鍵[23]。

圖8 七種不同分子量HA-明膠復合膜的紅外光譜Fig.8 Infrared spectra of seven differentmolecular weight HA-gelatin composite films注:A:0.3-1×104 Da;B:1-10×104 Da;C:10-13×104 Da;D:20-40×104 Da;E:80-100×104 Da;F:130-150×104 Da;G:180-220×104 Da。

HA-明膠復合膜在酰胺B區最大吸收峰位于波數2925～2935 cm-1以及2879～2883 cm-1,分別為CH2不對稱伸縮振動和CH2對稱伸縮振動[24-25]。分子量大于130×104Da的HA與明膠復合膜在酰胺B區最大吸收峰強度有所增大,基團振動強度增大,可能與高分子量的HA中CH2振動有關。

紅外光譜圖中酰胺Ⅰ區的特征吸收峰表示為多肽骨架的C=O伸縮振動,以及HA乙酰基上的 C=O 伸縮振動,波數為1650～1658 cm-1;酰胺Ⅱ區吸收峰表示為 N-H鍵的彎曲振動和角變形,波數在1548～1550 cm-1之間,酰胺Ⅲ區吸收峰表示為C-N 鍵的伸縮振動,波數在1240～1244 cm-1之間。紅外光譜圖中1043、1110、923 cm-1左右的吸收峰為糖的特征吸收峰[26]。

3 結論

本文考察了不同分子量透明質酸-明膠復合膜的理化性能,并對其結構變化進行了分析。

HA分子量為0.3～1×104Da時,復合膜厚度、密度和水分含量最小,分別為0.070 mm、0.68 g·cm-3、15.91%,不透明度最小為10.80 A·mm-1,水蒸氣透過率最高為5.69 g·mm/h·m2·kPa;HA分子量為20～40×104Da時,復合膜厚度達到最大為0.093 mm,水分含量最大為22.53%;HA分子量為80～100×104Da時,復合膜密度最大0.79 g·cm-3,不透明度最大為27.45 A·mm-1,蒸氣透過率最低為4.41 g·mm/h·m2·kPa。

HA分子量大于80～100×104Da時,復合膜的抗拉強度明顯提高,紅外光譜分析發現HA與明膠分子間具有氫鍵作用,說明透明質酸與明膠之間能夠很好地互溶,形成緊密結構,制備成安全、性能優良的保鮮膜。后續還需進一步優化HA-明膠復合膜的制備工藝,深入分析HA與明膠的相互作用關系,以及復合膜的釋放性對鮮切魚、禽、畜產品的保鮮效果的影響,有望開發一種潛在的食品內包裝膜。