甜菜果胶-鱼明胶复合可食膜的制备及特性研究

董宇豪，陈 浩，2，*，刘世永，吴锦烨，吴志宇

(1.山东大学(威海) 海洋学院， 山东 威海 264209；2.北京工商大学 北京食品营养与人类健康高精尖创新中心， 北京 100048；3.威海海洋职业学院 食品工程系， 山东 威海 264300)

可食膜是以天然可食性物质为原料制得的具有多孔网络结构的可降解性薄膜[1]，常用的制备材料包括海藻酸钠、大豆分离蛋白(SPI)、羧甲基纤维素钠(CMC)等。

鱼明胶(fish gelatin，FG)是由鱼皮、鱼骨中胶原经部分水解获得的多肽类物质，具有良好的成膜性，但是机械和阻隔性能仍有待提高[2]。为了更加高效的利用鱼明胶，需要对其进行改性处理。郑雅爻等[3]通过添加谷氨酰胺转氨酶(TG)增加了明胶膜的韧性和阻隔性；胡熠等[4]和Wu等[5]分别将香豆素和姜黄素加入鱼明胶中使其膜的抗氧化能力显著提高。甜菜果胶(sugar beet pectin，SBP)是从榨糖后的甜菜粕中提取制得的。与一般果胶不同，其含有疏水性的乙酰基，可提高乳化性能；另外，甜菜果胶中含有蛋白质成分，是一种多糖-蛋白质复合物，其中的蛋白质与果胶发生共价交联作用[6]。

蛋白质和多糖常用于研究生物大分子之间的复合凝聚作用，二者之间通过氢键、静电作用、范德华力、疏水相互作用等结合，蛋白和多糖相互作用是一种控制食品结构、质构特性和稳定性的有效手段。目前有很多对于二者凝聚物的研究，但将二者制备成可食膜的研究甚少，因此，研究利用鱼明胶较优的成膜性及甜菜果胶较强的乳化性，制备双网络复合膜，研究不同配比下复合膜的性能，以期为食品包装行业提供研究借鉴。

1 材料与方法

1.1 原料与试剂

BL-60 鱼明胶，嘉吉亚太食品系统(北京)有限公司；甜菜果胶(摩尔质量为7.53×105 g/mol)，Herbstreith & Fox公司；甘油(分析纯)，天津市河东区红岩试剂厂；溴化钠(分析纯)，天津市博迪化工有限公司；无水氯化钙(分析纯)，天津市巴斯夫化工有限公司。

金黄色葡萄球菌[CMCC(B)26003]、大肠埃希氏菌[ATCC25922]，上海鲁微科技有限公司。

1.2 仪器与设备

DHG-9140A型电热恒温鼓风干燥箱，上海精宏实验设备有限公司；KQ-300B型超声波清洗器，江苏省昆山市超声仪器有限公司；NR110型精密色差仪，深圳市三恩驰科技有限公司；LDZM-60KCS-Ⅱ型立式压力蒸汽灭菌器，上海申安医疗器械厂；FLC-3型超净工作台，哈尔滨市东联公司；GI7-2型恒温培养箱，美国SHELLAB制造股份有限公司；SHB-ⅢG型台式循环水式多用真空泵，郑州长城科工贸有限公司；T6型新世纪紫外可见分光光度计，北京普析通用仪器有限责任公司。

1.3 实验方法

1.3.1复合膜的制备

称取一定质量的SBP与FG溶于去离子水中，磁力搅拌5 h使样品充分溶解(见表1)。加入甘油，在70 ℃下水浴20 min使二者充分反应。搅拌后用超声波清洗仪处理20 min后,置于密封的干燥皿中进行真空抽虑泵脱气30 min。脱气后取10 g膜液倒入直径为90 mm的聚乙烯培养皿中，放入烘箱(50 ℃)中干燥6 h。将制备好的可食膜放入盛有饱和KBr溶液的干燥皿(RH 60%，室温)中保存24 h以上，成膜后揭膜测定各项性能[7]。

表1 甜菜果胶-鱼明胶复合可食膜配方表

1.3.2复合膜感官性能的测定

评价内容包括颜色、表面手感及粗糙程度、气味、拉伸韧性的简单评价[8]。

1.3.3复合膜含水量的测定

称量0.3 g左右膜样品，置于干燥至恒重的铝盒中，称量，然后放入105 ℃烘箱干燥至恒重[9]。

按式(1)计算膜含水量(moisture content，MC)：

MC=(m2-m3)/m1×100%。

(1)

式(1)中，m1为膜样品质量，g；m2为干燥前铝盒及膜样品质量，g；m3为干燥后铝盒及膜样品质量，g。

1.3.4复合膜水蒸气透过率的测定

取完好无破损的可食膜覆于装有9 g无水氯化钙的玻璃瓶口(直径为10 mm)，用凡士林黏合，称重。置于RH 60%干燥皿中平衡，4 d后称重[10]。

按式(2)计算可食膜的水蒸气透过率(water vapor permeability，WVP)：

WVP=Δmd/AtΔP。

(2)

式(2)中，WVP为水蒸气透过率，g·(m·d·MPa)-1；Δm为玻璃瓶质量增加量，g；d为膜的厚度，m；A为膜的有效透湿面积，m2；t为透湿时间，d；ΔP为膜两侧水蒸气压力差，MPa。

1.3.5复合膜水溶性的测定

称量1 g左右膜样品，浸没于100 mL去离子水中溶解24 h，用滤纸过滤后，将滤纸置于玻璃培养皿内，60 ℃烘箱中干燥6 h至恒重后称重[11]。

膜溶解率Q的计算见式(3)。

Q=1-(m2-m0)/m1×100%。

(3)

式(3)中，m0为过滤前滤纸质量，g；m1为膜样品质量，g；m2为干燥后滤纸质量，g。

1.3.6复合膜吸光度的测定

将膜样品剪裁成50 mm×10 mm大小，贴于比色皿器壁上。在300～800 nm波长下以空白比色皿为对照进行全波长扫描，测量吸光度数值。

1.3.7复合膜外观及色差值的测定

将样品剪成10 mm×10 mm的正方形，置于一张印满字母“A”的A4纸上，拍照比较其外观。白板校准后，采用色差计测量其色差值。

1.3.8复合膜机械性能的测定

采用Universal TA型质构仪，使用的测试探头为p/STG。将待测膜样品切割成40 mm×10 mm。测试速度为0.50 mm/s，设定为拉断模式[12]。

1.4 数据处理

每个样品设置3组平行，实验数据用Excel 2010处理，采用SPSS 22.0进行单因素方差分析，显著性水平为P<0.05，使用Origin 9.0绘图。

2 结果与分析

2.1 FG添加量对复合膜感官性能的影响

随着FG添加量的增加，复合膜厚度随基质浓度的增加而增加，且表面粗糙度及质地由柔软光滑逐渐变得硬且粗糙，见表2。原因可能是当低质量浓度FG加入时，两基质之间发生交联作用，此时相容性较好，后随着FG的过量添加，二者空间结构被破坏，表现出粗糙的质地。

表2 甜菜果胶-鱼明胶复合可食膜感官性能评价

厚度等级和颜色等级均用阿拉伯数字表示，数字越大，表示其厚度越大或颜色越深。

2.2 FG添加量对复合膜含水量的影响

含水量是可食膜一项重要特征，可在一定程度上反映膜内部FG和SBP的相互作用。随着FG添加量进一步升高，复合膜MC大体呈先下降后上升的趋势，见图1。当FG添加量为0.01 g/mL时，MC最大为28.20%，当FG添加量为0.03 g/mL时，MC降至最低值19.75%。复合膜含水量整体较高，这是由于水分子与基质官能团之间具有较强的氢键作用。

不同小写字母代表差异显著。图1 FG添加量与复合膜含水量的关系Fig.1 Effect of FG concentration on moisture content of composite films

分析原因可能是：SBP含有亲水基团，可与水作用形成氢键，提高自身持水性能；另外，FG为亲水性物质，加入后必然增大系统亲水能力。但当FG质量浓度升高时，可能影响SBP分子舒展，导致其持水能力下降[13]。此外，不同FG添加量的混合膜液pH值有差异，实验中没有对pH值进行控制，因此，不同的pH值可能会对复合膜性能产生影响[14]。

2.3 FG添加量对复合膜水蒸气透过率的影响

WVP对食品包装的质量具有重要意义，是阻隔特性的重要指标之一。膜的WVP越低，代表其保鲜效果越好。当FG添加量为0.04 g/mL时，复合膜WVP最低为9.40 g·(cm·d·MPa)-1，说明此时膜对水的阻隔性能最强；FG添加量为0.05 g/mL的复合膜WVP最高为14.50 g·(cm·d·MPa)-1(见图2)。

分析原因可能是：1)适量FG的添加填充了果胶分子间的间隙，使复合膜结构更加紧密，增加了水分子的扩散路径，使水分子更难通过复合膜基质[15]。2)过量FG的加入，使SBP分子不能充分舒展，形成的网络结构不够致密，WVP升高，阻隔性能降低[16]。由此推断当m(SBP)/m(FG)为2.5∶4时，复合膜阻隔性能最佳。

小写字母不同代表差异显著。图2 FG添加量与复合膜水蒸气透过率的关系Fig.2 Effect of FG concentration on water vapor permeability of composite films

2.4 FG添加量对复合膜水溶性的影响

在实际可食性膜应用中，复合膜溶解率越低，其总体保鲜效果越好。复合膜溶解率随FG添加量的增加而降低(66.20%～95.43%)，其中FG添加量为0.05 g/mL时溶解率最低为66.20%(见图3)。

小写字母不同代表差异显著。图3 FG添加量与复合膜溶解率的关系Fig.3 Effect of FG concentration on solubility of composite films

分析原因可能是：1)加入FG后，两基质之间形成的静电复合物增加，分子链伸展，暴露出更多的亲水基团，水溶性增加。2)当FG浓度进一步升高，分子间作用力越大，越难溶于水。

2.5 FG添加量对复合膜透光率的影响

吸光度反映光被吸收程度，吸光度越高，透光性能越差。对样品进行全波长扫描，结果如图4。200～400 nm处为紫外光区，吸光度越高，抗紫外线能力越强，此后为可见光区，吸光度越低，说明其透光性越好。由图4可见，复合膜样品在紫外光区有较高的吸光度，随着波长的增大，吸光度降低，后趋于稳定并处于较低数值。其中，FG添加量为0.05 g/mL的复合膜吸光度相对较低，说明其透明度较好。

图4 FG添加量与复合膜吸光度的关系Fig.4 Effect of FG concentration on absorbance of composite films

总体上，所有复合膜样品在可见光区的吸光值均在0.5以下，说明其透光性较好，即透明度高；而在紫外光区的吸光度均较高，说明复合膜样品均具有良好的阻隔紫外线的能力，可以起到对食品原料的保护作用。这与Fakhreddin等[17]的研究结果一致，原因可能是鱼明胶含有大量的芳香族氨基酸，能够吸收紫外线[2]。随着FG含量的增加，复合膜的吸光度逐渐降低，这可能是因为FG分子表面能够散射光线，减少紫外线和可见光通过薄膜的传输。此外，透射比是衡量复合膜相容性的有效指标[18]，复合膜基质间相容性越好，透光率越高。

2.6 FG添加量对复合膜外观及色差的影响

利用相机在自然光照条件下对5组复合膜样品进行对比拍照，以SBP单一膜为对照，结果如图5。通过肉眼观察发现制得的复合膜表面光滑，且呈现良好的均一性。总体来看，透过各个样品观察到背景字母都比较清晰，透明度都比较良好。但随FG添加量的增加，颜色逐渐加深，且所有膜样品透明度均较高，与2.5吸光度结果一致。

图5 FG添加量与复合膜外观的关系Fig.5 Effect of FG concentration on appearance of composite films

利用色差仪测量膜样品的L值(明暗/亮度)、a*值(红绿色差)、b*值(黄蓝色差)，结果见图6。随着FG添加量的升高，复合膜的L值下降，即膜的亮度降低，其中FG添加量为0.01 g/mL时的L值最高为92.36。由a*值及b*值结果可见，复合膜样品整体颜色偏黄绿色，且随着FG 添加量的增加，膜样品黄色加深，分析原因可能是加热过程中SBP和FG分子间发生羰基化反应生成褐色物质[19]。

不同小写字母代表差异显著。图6 FG添加量与复合膜色差值的关系Fig.6 Effect of FG concentration on chromatism of composite films

2.7 FG添加量对复合膜机械性能的影响

抗拉强度(TS)是描述膜机械性能的参数，代表外力拉扯下膜断裂的难易程度[20]。实际应用中，TS越高，复合膜抵抗外力的能力越强，越有利于保持其完整性。所有复合膜样品的TS均大于SBP单一膜，见图7。原因可能是相较于单网络结构膜，复合膜两基质之间形成稳定的网络结构，网络结构越紧密，其所能承受的形变程度越高，即抗拉强度会随之提高[21]。复合膜样品中，FG添加量为0.01、0.02 g/mL的膜样品其TS均在2.94 N以上，可用作干果或调味品等食品的内包装[22]。而FG添加量为0.03 g/mL的膜样品TS最低为1.29 N，此后随着FG含量的增加，TS逐渐升高。

样品编号6表示SBP单一膜样品的机械性能测定结果；不同小写字母代表差异显著。图7 FG添加量与复合膜抗拉强度的关系Fig.7 Effect of FG concentration on tensile strength of composite films

分析其原因可能是：1)SBP分子中含有蛋白质成分，当加入少量鱼明胶分子后，两基质之间发生交联作用，形成稳定的网络结构，抗拉强度较高。2)当FG添加量为0.03 g/mL时，过量蛋白质导致致密网络结构被破坏，抗拉强度降低。3)FG添加量继续升高，蛋白之间相互作用较强，从而使复合膜的机械性能得到提高[23]。双网络复合膜的机械强度显著增加的结果表明，甜菜果胶和鱼明胶交联后结构更加稳定，对可食膜抗拉强度的增强有重要作用。与2.2节对含水量测试的结果一致。

3 结 论

1)SBP-FG复合膜的含水量、水蒸气透过率、溶解性、透光性、外观特征及机械性能与两基质的质量浓度密切相关。

2)复合膜含水量及抗拉强度随FG添加量的升高呈现先下降后升高的趋势，表现出低质量浓度FG的复合膜两基质间具有良好的相容性，空间网络结构紧密。

3)随着FG添加量的增加，膜的溶解性和吸光度降低，说明高FG添加量的复合膜表现出较好的抗水性能及透光能力。

4)从持水能力、阻隔及机械性能来看， FG添加量为0.02 g/mL的复合膜性能最优，从透光性来看，各个配比的复合膜相差不大，均具有良好的阻隔紫外光的能力及可见光透光性，其中以FG添加量为0.05 g/mL的复合膜较优。综合比较，m(SBP)∶m(FG)=2.5∶2为优化的复合膜配比，其含水量为24.52%，水蒸气透过率为10.41 g·(cm·d·MPa)-1，抗拉强度为3.09 N，较适合干燥食品的保存。

探讨了甜菜果胶-鱼明胶复合膜各项生物学特性，基质间具体作用机理有待进一步研究。