殼聚糖-植酸復合膜的制備及其對鱸魚片保鮮品質的影響

馬曉璐，張 振，郭雪松，王曉權，朱永樂，李丹丹

（1.錦州醫科大學食品與健康學院，遼寧 錦州 121000；2.錦州醫科大學生物信息工程學院，遼寧 錦州 121000）

新型包裝是在保持食品品質的情況下，通過一些途徑提高包裝保鮮性能和安全性能的包裝形式[1]。市場上銷售的保鮮膜主要有3種，分別是聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）和聚偏二氯乙烯（PVDC）。這3種保鮮膜雖有一定的保鮮功能，但不具備生物可降解性和抗菌性，是造成白色污染的原因之一。當前，石油化工塑料對環境造成很大污染，開發生物可降解新型包裝材料已經成為了研究熱點，市場上先后出現了微孔保鮮膜、抗菌保鮮膜、防霧保鮮膜、可降解保鮮膜、可食性保鮮膜、納米復合型保鮮膜等新型保鮮膜，這些包裝材料在保持食品的品質方面發揮重要作用，尤其是一些易腐食品（魚類、肉類、奶制品、果蔬）。在這些食品中，魚類非常容易變質，因此需要一種新型包裝來有效地對其進行保鮮[2-3]。然而傳統的魚類保存方法（冷藏、冷凍、干燥等）受微生物污染較嚴重，效果不佳，并且在光、熱、水分的作用下易發生氧化及酸敗，影響魚肉品質[4]。

殼聚糖作為一種極高相容性的生物聚合物，具有生物黏附性、降解性等特點，且成膜性能優良[5]。但是，單獨應用殼聚糖并不能滿足新型包裝膜的標準，殼聚糖膜有限的抗氧化性能，使研究人員的注意力轉向了對殼聚糖進行復配以獲得更好的性能。植酸是從谷物種籽加工副產品中提取純化而得[6]，是一種很好的抗氧化劑，同時具有很強的鰲合能力，能夠有效防止品質劣變。

基于此，本研究將殼聚糖與植酸進行復配，并添加丙三醇制成復合膜。在單因素試驗的基礎上，通過響應面試驗優化殼聚糖-植酸復合膜的配方，并將該復合膜應用于鱸魚片的保鮮研究中，為新型包裝材料的研發提供思路。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 材料與試劑

新鮮鱸魚，錦州林西路水產市場。

殼聚糖，脫乙酰度≥95%，黏度100～200 mPa·s，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；食品級植酸，河南洪鑫食化有限公司；冰乙酸、丙三醇等其他試劑均為分析純。

1.1.2 儀器與設備

PEN3型電子鼻、TMS-PRO型質構儀，北京盈盛恒泰科技有限公司；CR-400色差儀，日本Konica Minolta公司；WGT-S透光率霧度測試儀，濟南蘭光機電技術有限公司；DHG-9030A電熱鼓風干燥箱，上海一恒儀器有限公司；BSM電子分析天平，北京奧多利斯天平有限公司；MYP11-2A磁力攪拌器，上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司。

1.2 方法

1.2.1 殼聚糖-植酸復合膜的制備

參考張乾等[7]的方法。將植酸溶于蒸餾水中制成植酸溶液，殼聚糖溶于1%冰乙酸溶液中，配制殼聚糖溶液，再加入丙三醇（按照殼聚糖溶液和植酸溶液總體積的百分比添加），3種液體攪拌均勻后進行脫氣，將35 mL混合液倒入直徑90 mm塑料培養皿中，于55℃烘干至少7 h，成膜后揭膜，放入干燥器中備用。

1.2.2 單因素試驗設計

固定植酸添加量0.06 g/100 mL，丙三醇添加量0.225%，比較不同殼聚糖添加量（1.1、1.3、1.5、1.7、1.9 g/100 mL）對復合膜性能的影響；固定殼聚糖添加量1.5 g/100 mL，丙三醇添加量0.225%，比較不同植酸添加量（0.01、0.06、0.11、0.16、0.21 g/100 mL）對復合膜性能的影響；固定殼聚糖添加量1.5 g/100 mL，植酸添加量0.06 g/100 mL，比較不同丙三醇添加量（0.175%、0.200%、0.225%、0.250%、0.275%）對復合膜性能的影響。

1.2.3 響應面優化試驗設計

在單因素試驗的基礎上進行響應面優化試驗，以拉伸強度作為響應值，使用Design Expert 10對其進行分析，響應面試驗因素水平設計見表1。

表1 響應面試驗因素水平設計Table 1 Factors and levels design of response surface experiment

1.2.4 殼聚糖-植酸復合膜對鱸魚片保鮮品質的影響

將市場買來的鱸魚用無菌水洗凈，在超凈工作臺里進行處理，去除頭、尾、皮，剔除刺，然后將其切成片，每片均勻分成5 g大小（約4 cm×2 cm），分別使用兩種不同的膜進行包裹（PE保鮮膜和殼聚糖-植酸復合膜），于4℃下保鮮，同時做平行試驗。以PE保鮮膜為對照，分別在儲藏的0、3、6、9、12 d時取出樣品進行感官品質、色差和電子鼻分析測定。

復合膜選用響應面優化后的最佳工藝：即殼聚糖添加量1.5 g/100 mL，植酸添加量0.06 g/100 mL，丙三醇添加量0.225%；復合膜厚度為0.041 mm，直徑90 mm。

1.2.5 測定項目與方法

1.2.5.1 機械性能

將完整膜樣品裁剪成85 mm×15 mm的矩形，將其固定在質構儀A/MTG探頭上，測定膜的斷裂拉伸率（△L）和拉伸強度（TS），計算公式如下：

式中：L1代表拉伸后長度，mm；L0代表初始長度，mm；FN代表拉力，N；S代表膜的面積，mm2。

1.2.5.2 水蒸氣透過系數

參考陽暉[8]的方法。選用統一量程為50 mL的小錐形瓶，向其中放入干燥完全的硅膠粒，將復合膜剪成略大于玻璃瓶口的大小，用封口膜或橡皮筋扎緊，確保無水分進入。將玻璃瓶放入底部裝有蒸餾水的干燥器內，每3 h稱量1次，計算水蒸氣透過系數。

式中：WVP代表水蒸氣透過系數，g·mm/（cm2·h·Pa）；△m代表前后質量差，g；d代表膜樣品的厚度，mm；△t代表質量變化穩定后的兩次時間間隔，h；S代表封口處膜的面積，cm2；△P代表內外水蒸氣壓差，20℃時的水蒸氣壓差為2 337 Pa。

1.2.5.3 透光率

使用透光率霧度測試儀進行測定。將測試儀開機預熱20 min，選取光滑平整的膜樣品，將其放在薄膜樣品夾具上，置于通光孔處并按下測試按鈕。每個膜樣品進行3次平行試驗，結果取平均值。

1.2.5.4 感官品質評價

由5名經過專業培訓的學生組成感官評定小組。將樣品從冰箱中取出，接近室溫時觀察其外觀、色澤、氣味和質地，具體評價標準見表2。

表2 鱸魚片的感官評分標準Table 2 Sensory evaluation standards of perch slices 單位：分

1.2.5.5 色差

參考余小亮[9]的方法，稍作修改。使用色差儀在自然光充足的地方測定鱸魚片的色澤。先校正色差儀，并將其垂直置于肉樣之上，分別記錄肉樣的L*、a*、b*值，測定3次，結果取平均值。

1.2.5.6 電子鼻分析

參考趙洪雷等[10]的方法，使用PEN3型電子鼻對PE保鮮膜和殼聚糖-植酸復合膜包裹的鱸魚片進行氣味檢測。將5 g絞碎的肉樣置于燒杯中，用2層封口膜將燒杯密封。電子鼻測定條件：傳感器清洗時間100 s，檢測時間設定為100 s。利用電子鼻軟件Winmuster進行數據處理，對其PCA圖及雷達圖進行分析。

1.2.6 數據處理

使用Excel軟件進行數據處理，利用Origin 2018作圖。鱸魚片的揮發性成分測定利用PEN3型電子鼻配套軟件進行分析。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 殼聚糖添加量對復合膜性能的影響

由表3可知，殼聚糖添加量為1.5 g/100 mL時，拉伸強度和斷裂拉伸率達到最大值，水蒸氣透過系數指標較好。隨著殼聚糖添加量的增多，單位體積中線性結構增多[11]，復合膜的機械強度增大，殼聚糖添加量大于1.5 g/100 mL時，復合膜表觀厚且硬，透光率降低，這可能是由于膜液的黏度會產生淀粉老化作用，導致性能下降[12]。綜合考慮，選用殼聚糖添加量1.5 g/100 mL為宜。

表3 殼聚糖添加量對復合膜性能的影響Table 3 Effects of chitosan additions on composite films properties

2.1.2 植酸添加量對復合膜性能的影響

由表4可知，隨著植酸添加量的增多，膜的斷裂拉伸率和拉伸強度均呈先增大后減小的趨勢。植酸添加量為0.06 g/100 mL時有著較明顯的分界，超過0.06 g/100 mL，植酸和殼聚糖分子間的交聯密度降低，打亂了殼聚糖的有序晶體結構，分子間氫鍵被減弱。植酸添加量為0.06 g/100 mL時，水蒸氣透過系數最低，為1.967 g·mm/（cm2·h·Pa)，阻濕性最好。復合膜的色澤隨著植酸的添加，逐漸變成淺黃色，透光率降低。綜合考慮，選用植酸添加量0.06 g/100 mL為宜。

表4 植酸添加量對復合膜性能的影響Table 4 Effects of phytic acid additions on composite films properties

2.1.3 丙三醇添加量對復合膜性能的影響

由表5可知，隨著丙三醇添加量的增多，較強親水性會使膜的斷裂拉伸率升高，質地變得柔軟，拉伸強度呈現先升高后降低的趨勢。這與Thakhiew等[13]的研究結論一致。丙三醇的加入會增加分子間的空隙，所以復合膜的透光率會隨著丙三醇添加量的增大而降低。丙三醇添加量較少時，復合膜較脆；添加量較多時，復合膜的結構變得松散，較黏稠，不易被完整地揭起[14]。綜合考慮，選用丙三醇添加量0.225%為宜。

表5 丙三醇添加量對復合膜性能的影響Table 5 Effects of glycerol additions on composite films properties

2.2 響應面試驗結果

在單因素試驗結果的基礎上，利用Box-Behnken設計響應面試驗，具體見表6。

表6 響應面試驗設計及結果Table 6 Design and results of response surface experiment

采用軟件對結果進行分析，得到以殼聚糖添加量（A）、植酸添加量（B）、丙三醇添加量（C）為自變量，拉伸強度（Y）為響應值的多元回歸方程。

由表7的方差分析可知，模型P＜0.000 1，方程模型極顯著。失擬項P=0.196 0，不顯著，模擬效果良好，R2=0.984 7＞0.9，R2adj為0.965 0，方程擬合度較好，說明該模型可以應用于殼聚糖-植酸復合膜最佳工藝條件下響應值變化的預測。植酸含量的增加會使復合膜的拉伸強度呈現下降趨勢。一次項A對復合膜的拉伸強度影響顯著（P＜0.05），B對復合膜的拉伸強度影響極顯著（P＜0.01），交互項AC和BC對復合膜的拉伸強度影響顯著（P＜0.05），二次項A2、B2、C2對復合膜的拉伸強度影響極顯著（P＜0.01），其他因素影響不顯著。

表7 回歸模型方差分析Table 7 ANOVA for response surface quadratic model

利用Design Expert 10軟件對擬合的響應面圖進行分析，各因素之間的交互作用對拉伸強度的影響如圖1所示，可以清晰地看出AC和BC響應面圖曲面陡峭，說明它們之間的交互作用對拉伸強度的影響顯著（P＜0.05）。隨著殼聚糖、植酸、丙三醇添加量的增加，復合膜的拉伸強度都呈現先增大后減小的趨勢。殼聚糖添加量在1.5 g/100 mL時，響應值（拉伸強度）達到最大，超過這個限值，膜的黏度變大，不易揭膜。加入植酸后，打亂了殼聚糖的有序晶體結構，分子間氫鍵被減弱，隨著添加量的增大，膜的拉伸強度降低，復合膜的綜合性能產生變化。丙三醇是一種增塑劑，進入到分子間進行相互作用，可通過增加流動性來提高復合膜的延展性，但是丙三醇過量會減小殼聚糖分子間作用力，所以殼聚糖、植酸、丙三醇的添加量應控制在一定范圍內，以保證復合膜較好的拉伸強度。

圖1 各因素交互作用對拉伸強度影響的響應面圖Fig.1 Response surface diagrams showing the interaction effects of every two factors on tensile strength

2.3 驗證試驗

殼聚糖-植酸復合膜的最佳配方為：殼聚糖添加量1.5 g/100 mL，植酸添加量0.06 g/100 mL，丙三醇添加量0.225%。在此條件下測定復合膜的拉伸強度為29.281 MPa，接近理論值28.852 MPa，表明該模型可靠。

2.4 殼聚糖-植酸復合膜對鱸魚片保鮮品質的影響

2.4.1 感官品質

感官指標是從外觀、色澤、氣味、質地4方面對供試樣品進行評價，是最直接且較主觀的一項指標[15]。如圖2所示，隨著冷藏時間的延長，鱸魚片的感官評分均呈下降趨勢。新鮮鱸魚具有新鮮魚肉的固有清新味道，魚體緊實、有彈性，色澤明亮。在整個12 d冷藏周期內，殼聚糖-植酸復合膜組魚片的感官評分均顯著高于PE保鮮膜組（P＜0.05），冷藏第6天開始趨勢明顯。PE保鮮膜包裹的鱸魚片首先出現腐敗現象，并帶有汁液滲出。這種情況在殼聚糖-植酸復合膜組上并不明顯。試驗發現：殼聚糖-植酸復合膜包裹的鱸魚片在冷藏后期（10～12 d）才產生了少許黏液，肉色微微變暗；PE保鮮膜組在第6天開始逐漸產生黏液，9 d時品質變壞，冷藏12 d時感官評分降為4.7分，且酸臭氣味嚴重。利用植酸的抗氧化作用可以防止鱸魚片氧化變質，減少魚片水分散失，同時抑制細菌性腐敗，起到一定的護色、護味、保鮮的作用，說明植酸的加入可以提高殼聚糖膜的保鮮性能，延長鱸魚片的保鮮時間。

圖2 不同處理對鱸魚片冷藏期間感官品質的影響Fig.2 Effects of different treatments on sensory qualities of perch slices during storage

2.4.2 色差

色澤是消費者購買的重要指標，直接影響消費者的接受程度[16]。由表8可以看出，在冷藏期間，兩組鱸魚肉均呈現L*值和a*值變小，b*值增大的趨勢，原因是在冷藏過程中蛋白質變性使亮度（L*值）降低。使用PE保鮮膜包裹的鱸魚片在試驗期間L*值由53.95降到46.88，殼聚糖-植酸復合膜包裹的鱸魚片L*值雖也呈現下降趨勢，但整體要高一些，證明植酸的加入可抑制蛋白質變形聚集。對于a*值的下降，說明鱸魚肉內的肌紅蛋白參與了氧化反應[17]，狀態發生變化。冷藏第12天時顯示PE保鮮膜包裹對鱸魚片的保鮮作用并不佳，魚片的a*值為負，偏綠。冷藏過程中，鱸魚片b*值的升高是由于鱸魚肉的脂肪氧化以及色素降解導致[18]。試驗末期（12 d），PE保鮮膜組的b*值已達12.56，而殼聚糖-植酸復合膜組為9.74。由于植酸具有很強的鰲合能力，能有效鰲合金屬離子使其失去原有的催化特性，以延緩和防止魚片的顏色和品質劣變，所以殼聚糖-植酸復合膜對保持鱸魚片色澤有很好的效果。

表8 不同處理組鱸魚片冷藏期間色澤的變化Table 8 Color changes of perch slices in different treatment groups during storage

2.4.3 鱸魚片電子鼻分析結果

電子鼻技術可以高效檢測出物品氣味的變化，降低感覺主觀性，客觀地判斷樣品的新鮮度[19]。PCA分析是電子鼻數據處理中的最常用的方法，是將多維數據進行降維分析，橫坐標代表主成分1的貢獻率，縱坐標代表主成分2的貢獻率。由圖3可以看出，對PE保鮮膜包裹的鱸魚片進行電子鼻分析，得到第一主成分和第二主成分的貢獻率分別為98.33%和1.61%。圖4顯示，對殼聚糖-植酸復合膜包裹的鱸魚片進行電子鼻分析，得到第一主成分和第二主成分的貢獻率分別為99.77%和0.15%。兩個處理組樣品的主成分1和主成分2的貢獻率之和均大于85%，說明樣品干擾很小，可以很好地反映出原始數據的信息。PE保鮮膜包裹的鱸魚片只有在0～3 d氣味相近；殼聚糖-植酸復合膜包裹的鱸魚片在0～6 d氣味相近且存在交叉，說明魚肉的氣味差異較小，冷藏第12天時，氣味與之前相比差異較大，說明氣味變化明顯。總體觀察圖5可見，兩組雷達圖在輪廓形狀上相似，傳感器R7響應值變化最為顯著，R9和R2響應值也比較強烈，氣味輪廓圖上存在大小差異明顯，說明傳感器對PE保鮮膜中產生的無機、有機硫化物（R7、R9）以及氮氧化合物（R2）比復合膜敏感，復合膜中抗氧化劑植酸可以有效抑制魚片不良氣體的產生。

圖3 PE保鮮膜包裹鱸魚片PCA分析Fig.3 PCA analysis of perch slices wrapped with PE plastic film

圖4 殼聚糖-植酸復合膜包裹鱸魚片PCA分析Fig.4 PCA analysis of perch slices coated withchitosan-phytic acid composite film

圖5 電子鼻雷達圖Fig.5 Electronic nose radar chart

3 結論

本文通過單因素試驗結合響應面優化試驗得出殼聚糖-植酸復合膜的最佳配方為：殼聚糖添加量1.5 g/100 mL，植酸添加量0.06 g/100 mL，丙三醇添加量0.225%，在此條件下制備的復合膜的各項性能均最佳，拉伸強度可達29.281 MPa。對鱸魚片進行包裹，與PE保鮮膜相比，其感官品質、色差和電子鼻分析結果表明，殼聚糖-植酸復合膜包裹的鱸魚片的感官品質、色澤和氣味均顯著優于PE保鮮膜，證明殼聚糖-植酸復合膜可以有效提高鱸魚片的品質。但本試驗仍需進行優化來提高膜的水蒸氣透過系數、拉伸強度，預期可以應用于食品保鮮領域。