結(jié)冷膠-沙蒿膠-藍莓花青素可食性膜的制備及其性能分析

郭娜，朱桂蘭，張方艷，徐德聰，楊俊杰

(合肥師范學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥，230061)

食品包裝的質(zhì)量直接關(guān)系到包裝內(nèi)食品的新鮮度和安全。近年來，隨著人們對食品安全要求的提升，可食用、環(huán)境友好型包裝膜，尤其是具備抗菌和新鮮度指示的生物保鮮可食用膜的研制開發(fā)與應(yīng)用已經(jīng)成為食品包裝領(lǐng)域的研究熱點[1-2]。食品貯藏過程中的新鮮度是十分重要的品質(zhì)指標(biāo)，目前對于新鮮度的檢測主要通過紅外光譜、電子鼻等技術(shù)，限定了新鮮度檢測的便攜性[3-4]。食品如魚類、肉類在貯藏過程中蛋白質(zhì)變性降解產(chǎn)生的次黃嘌呤、揮發(fā)性胺等物質(zhì)溶于水后，溶液呈現(xiàn)一定的pH值，可以用來分析其新鮮程度[1,5-6]。

藍莓花青素(blueberry anthocyanin,BA)是一種黃酮類水溶性天然色素，具有抗氧化、延緩衰老等功能，在食品和化妝品等行業(yè)有巨大潛力[7-8]。花青素在不同pH值條件下顏色不同，在酸性條件下為紅色，中性為紫色，堿性為藍色，可以作為天然pH指示劑。利用花青素對pH值的指示作用制備包裝膜，能夠及時準(zhǔn)確分析出食品新鮮度，成為現(xiàn)階段研究熱點[1,5-6,9-10]。

結(jié)冷膠(gellan gum,GG)是一種新型、安全的陰離子型胞外多糖，具有透明度高、耐高溫、耐酸的特點，作為增稠劑和穩(wěn)定劑在食品(果凍、果醬、飲料等)、生物藥品以及工業(yè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，但其機械強度差，限制了應(yīng)用，因此常與不同的多糖如魔芋膠、黃原膠等復(fù)配可以提高其機械性能[11-15]。沙蒿膠(ArtemisiasphaerocephalaKrasch gum，AS)是從沙蒿種子表面提取出的多糖類膠質(zhì)，易吸水、且黏度較強，成膜性良好，常作為增稠劑用于面團中，改變面團的硬度和穩(wěn)定性[10,16-17]。通過復(fù)配可以改善單一膠體的缺陷，提高其性能和降低生產(chǎn)成本[14]。

本論文以結(jié)冷膠、沙蒿膠和藍莓花青素為原料，制備結(jié)冷膠/沙蒿膠-藍莓花青素智能指示膜，通過測定膜的色差、機械性能、水溶性、水蒸氣透過率、紅外分析和微觀結(jié)構(gòu)，分析其性能和可行性，以期為新型食品保鮮膜提供基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

藍莓花青素：70%(體積分?jǐn)?shù))乙醇提取后，50 ℃旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)干燥后冷低溫避光保藏(花青素質(zhì)量濃度0.98 mg/mL)。結(jié)冷膠、沙蒿膠，食品級，美國唐瑞斯食品物料公司，其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

CR-400型色差儀，日本柯尼卡美能達公司；TA-XT plus質(zhì)構(gòu)儀，英國Stable Micro Systems公司；UV1800紫外分光光度計，日本島津公司；千分尺，上海量刃工具有限公司；DHG-940電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海三發(fā)科學(xué)儀器有限公司；HH-2數(shù)顯恒溫水浴鍋，金壇市瑞爾電器有限公司；Nicolet 67傅里葉紅外光譜儀，美國Thermo Nicolet公司；EVO MA15鎢燈絲掃描電子顯微鏡，德國卡爾·蔡司股份公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 膜的制備

將結(jié)冷膠和沙蒿膠按不同復(fù)配比例混合，在60 ℃水浴鍋中混合攪拌均勻至完全溶解，冷卻至室溫后，配制成60 mL質(zhì)量濃度為10 g/L的復(fù)配體系，然后加入0.3 mL甘油和藍莓花青素，混合均勻，靜置除去氣泡。利用流延法將溶液均勻鋪在塑料模具(180 mm×110 mm)上，在50 ℃下干燥36 h，然后在干燥器內(nèi)(飽和MgNO3溶液，相對濕度為45%左右)平衡48 h后揭膜，測定膜的性能。分別制成結(jié)冷膠-藍莓花青素膜(gellan gum-blueberry anthocyanin,GG-BA)，沙蒿膠-藍莓花青素膜(ArtemisiasphaerocephalaKrasch gum-blueberry anthocyanin,AS-BA)和結(jié)冷膠/沙蒿膠-藍莓花青素膜(gellan gum/ArtemisiasphaerocephalaKrasch gum-blueberry anthocyanin,GG/AS-BA)。

1.3.2 抗拉伸強度(tensile strength,TS)與斷裂延伸率(elongation at break,EAB)

采用千分尺研究膜的厚度，在待測膜上隨機取5個點，用千分尺測量厚度(單位精確到0.01 mm)，取其平均值。

將膜裁成2.0 cm×9.0 cm的長條，采用質(zhì)構(gòu)儀測定膜的機械性能，拉伸載荷20 g，上下夾片距離為50 mm，拉伸速率0.2 mm/s。

抗拉伸強度：膜在軸向拉伸力作用下，破裂前承受的最大拉伸載荷同膜寬度與厚度乘積的比值，計算如公式(1)所示：

(1)

式中：TS，抗拉伸強度，MPa；F，軸向拉伸力，N；L，膜的寬度，mm；S，膜的厚度，mm。

斷裂延伸率：膜拉斷時長度的變化率，計算如公式(2)所示：

(2)

式中：EAB，斷裂延伸率，%；L1，樣品拉伸前的長度，mm；L，樣品拉伸后的長度，mm。

1.3.3 水蒸氣透過率(water vapor permeability,WVP)與水溶性

水蒸氣透過率參照杯式法進行測定，將無水CaCl2在200 ℃的烘箱中充分烘干冷卻，稱取5 g放在錐形瓶中，測量膜的厚度并用膜將錐形瓶口封好，稱取錐形瓶的重量后，將其放在相對濕度為75%(飽和NaCl溶液)的干燥器內(nèi)，以保持膜內(nèi)外的蒸氣壓差。每天稱取其質(zhì)量，待質(zhì)量不變時，得出錐形瓶的質(zhì)量變化。計算如公式(3)：

(3)

式中：WVP，水蒸氣透過率，g·m/(d·Pa·m2)；q，杯子增加的質(zhì)量平均值，g；t,時間，d;d，膜厚度，m；s，膜的試驗面積，m2；Δp，膜兩側(cè)的蒸汽壓差，Pa。

采用溶解時間衡量膜的水溶性。將制得的膜剪成1 cm×1 cm大小，放入盛有30 mL蒸餾水的燒杯中，然后將燒杯放入60 ℃恒溫水浴鍋中，開始計時，記錄膜溶解需要的時間。

1.3.4 花青素與膜對pH的響應(yīng)

將制備的花青素置于pH為2～12的緩沖液內(nèi)，靜置5 min后，觀察顏色的變化。將花青素溶液進行可見光譜掃描，波長范圍400～750 nm。

將制得的膜剪成3 cm×3 cm大小，分別放入盛有pH為2～12的緩沖液內(nèi)，靜置5 min后，觀察膜顏色的變化。

1.3.5 掃描電子顯微鏡分析(scanning electron microscopy,SEM)

樣品經(jīng)噴金后采用鎢燈絲電子掃描電鏡觀察。

1.3.6 傅里葉紅外光譜掃描分析(fourier infrared spectroscopy scanning,FTIR)

干燥后的樣品，采用傅里葉紅外光譜儀進行掃描檢測，掃描范圍4 000～400 cm-1，分辨率4 cm-1。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析

采用SPSS 24.0軟件分析數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采用5個獨立樣品的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)進行顯著性差異分析[18-19]，顯著水平α=0.05，采用Origin 9軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 藍莓花青素的顏色變化與可見光譜吸收

如圖1所示，pH為2～6時，藍莓花青素溶液為紅色，且顏色逐漸變淺；pH在7～8時，溶液顏色為紫紅色；pH為9～11時，為藍綠色，并逐漸變深；pH為12時，為褐色。這是由于藍莓花青素含有2-苯基苯并吡喃陽離子,隨著pH的變化而產(chǎn)生不同顏色變化，也就是說藍莓花青素在pH 2～12時會呈現(xiàn)不同的顏色。因此藍莓花青素可以作為判斷pH值變化的響應(yīng)指標(biāo)。

由圖2也可以看出，pH為2～6時，藍莓花青素溶液的最大吸收波長在526 nm處，且隨著pH值升高，最大吸收波長增加，同時也可以看到其吸光度明顯下降。當(dāng)pH為8～12時，最大吸收波長在589 nm附近。A640/A540的比值表示紅色強度與綠色強度比值，能夠反映顏色的變化[2,5]。可以看出在pH 2～12時，隨著pH值增大，比值越大，說明溶液顏色由紅色變?yōu)榫G色，且不斷加深，指數(shù)方程y=0.056 8x+0.157 1,R2=0.968 5。這一結(jié)果與ZHAI等[6]結(jié)果一致，表明藍莓花青素可以作為一種很好的天然指色劑[5]。

2.2 紅外光譜分析

2.3 電鏡掃描分析

由圖4可以看出，3種膜都表現(xiàn)出致密、均勻的截面，其表面微結(jié)構(gòu)上沒有檢測到孔或氣泡，這表明薄膜是均勻的，說明沙蒿膠、結(jié)冷膠和藍莓花青素具有良好的相容性。這一結(jié)果也與沙蒿膠/羧甲基纖維素鈉-紅甘藍花青素膜的結(jié)果一致[10]。

2.4 膜的機械性能

從表1可以看出，添加沙蒿膠后，復(fù)配比4∶6(質(zhì)量比)的膜厚度達到0.079 mm，復(fù)配比8∶2(質(zhì)量比)的花青素膜的斷裂延伸率最大為47.36%，抗拉強度22.08 MPa。花青素膜厚度增加，可能是沙蒿膠與結(jié)冷膠之間產(chǎn)生了弱的相互作用，并降低了結(jié)冷膠分子間的相互作用，使分子間距離增大，從而使復(fù)合膜的厚度增加。復(fù)合膜的抗拉伸強度降低，可能是加入的沙蒿膠降低了結(jié)冷膠分子間的致密結(jié)構(gòu)，使得復(fù)合膜的抗拉伸強度降低。斷裂延伸率呈現(xiàn)增大趨勢可能是由高濃度的沙蒿膠所形成的松散膜結(jié)構(gòu)所致。

注：同列肩標(biāo)不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

2.5 水蒸氣透過率和水溶性

如圖5所示,添加沙蒿膠后，結(jié)冷膠/沙蒿膠-藍莓花青素膜的水蒸氣透過率增大，且復(fù)配比例為8∶2(質(zhì)量比)時最大，WVP為7.643×10-6g·m/(d·Pa·m2)，這可能是沙蒿膠與結(jié)冷膠的相互作用，降低了結(jié)冷膠的致密結(jié)構(gòu)，因此水蒸氣透過率增大，這一結(jié)果與也復(fù)合膜厚度增加一致。同時可以看出添加沙蒿膠后，膜在蒸餾水中的溶解時間增加，可能是沙蒿膠的溶解速度低于結(jié)冷膠，因而沙蒿膠含量越大，復(fù)合膜的溶解時間越長，水溶性越差。

2.6 膜的pH指示作用

如圖6所示，在pH 2～7時，該膜為紅色，并逐漸變淺；pH 8～11，為藍紫色，并逐漸變深；pH 12時，為綠色。由此可知制備的花青素膜對不同pH響應(yīng)顏色差異明顯。因此結(jié)冷膠/沙蒿膠-藍莓花青素膜的顏色變化可以作為判斷食物新鮮度的指標(biāo)[20-21]。

3 結(jié)論

紅外掃描和電鏡分析表明沙蒿膠與結(jié)冷膠及藍莓花青素之間具有良好的相容性。添加沙蒿膠的結(jié)冷膠/沙蒿膠-藍莓花青素膜的厚度、膜的斷裂延伸率、水蒸氣透過率增大，而抗拉伸強度、水溶性降低；在pH 2～7時，復(fù)合膜顏色為紅色，且顏色逐漸變淺；pH 8～12時，為藍紫色，且顏色逐漸加深。復(fù)合膜對pH的指示作用顯著，在酸性條件下，膜為紅色，且隨pH增大顏色逐漸變淺，pH 8～12時，為藍紫色。制備的結(jié)冷膠/沙蒿膠-藍莓花青素膜對pH值有明顯指示作用，可以作為食品新鮮度的一種智能指示膜。