可食性绿豆淀粉基复合膜的制备及其在青脆李保鲜中的应用

方晨璐，李 超，王 莹，孟茁越

（1.咸阳职业技术学院医药化工学院，陕西 西安 712000；2.陕西省产品质量监督检验研究院，陕西 西安 710048；3.陕西科技大学化学与化工学院，陕西 西安 710021）

随着大众环保意识的不断提高，用生物可降解资源替代传统石油基塑料膜的呼声日益高涨。在众多替代品中，淀粉因具有天然无毒、价格低廉、可再生、易降解等优点，已被认为是最具发展前景的绿色膜材料的原料之一[1-3]。淀粉成膜是利用其凝沉特性，主要是直链淀粉分子的结合，而具有分支结构的支链淀粉不仅不易发生凝沉，而且对直链淀粉的凝沉有一定的抑制作用[3]。研究发现，绿豆淀粉的直链淀粉含量通常高于薯类或谷物淀粉，是良好的成膜基材[2,4-5]，但纯绿豆淀粉膜具有脆性大、亲水性强、力学性能差等缺点，因此需加入其他物质复合来进行改善。Ren 等[6]研究发现，壳聚糖的加入可以提高淀粉/壳聚糖复合膜的抗拉强度和断裂伸长率，降低水蒸气透过系数。Ghanbarzadeh 等[7]研究发现，在淀粉膜中添加质量分数为15%的柠檬酸，溶解度有所增加。

大豆分离蛋白是以大豆粕为原料生产的一种全价粉状天然食品添加剂，具有成膜能力[8-9]。池慧莹等[10]对比了水溶性淀粉/大豆分离蛋白复合膜与单一水溶性淀粉膜的性能差异，发现它们的断裂伸长率虽无显著差异，但复合膜具有较好的阻光、阻湿性。Zhang等[11]研究了壳聚糖/大豆分离蛋白共混涂膜对杏果实品质的影响，发现复合膜可有效降低杏果实的失重率，对可滴定酸和可溶性固形物的保持等发挥正向作用。但目前关于绿豆淀粉和大豆分离蛋白复合可食性膜材料应用于水果保鲜领域还鲜有报道。青脆李是我国主栽的李子品种之一，果实单果质量在20～40 g 左右。但青脆李属于呼吸跃变型果实，采摘后易腐烂变质，且不耐贮藏，低温下更易发生冷害[12]，因此需要采取适当的方法来延长其贮藏期。

本文以绿豆淀粉和大豆分离蛋白为主要原料，通过性能测定筛选可食性绿豆淀粉基复合膜的最佳复合比例，同时表征该复合膜结构，并考察其对青脆李贮藏品质的影响，以期为可食性绿豆淀粉基复合膜在水果保鲜中的应用提供一定的理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 材料与试剂

青脆李：购自超市。

绿豆淀粉（直链淀粉＞29.5%）：西安香再来调味品厂；大豆分离蛋白（粗蛋白质≥90%，食品级）：山东万得福生物科技有限公司；甘油（食品级）：天津津东天正精细化学试剂厂；无水氯化钙、草酸、2,6 二氯靛酚等均为分析纯，天津市天力化学试剂有限公司。

1.1.2 仪器与设备

bjhbcz-001-X 型螺旋测微仪：佛山市立发五金工具有限公司；DHG-9140A 型台式恒温鼓风干燥箱:上海一恒科学仪器有限公司；FA3103C 型电子天平：上海精科天美科学仪器有限公司；TU-1810 型可见分光光度计：北京普析通用仪器有限公司；TA.XT plus型物性分析仪：英国Stable Micro System 公司；STA449 F3 型傅里叶红外光谱仪：德国布鲁克公司；S-4800 型扫描电镜：日本日立公司；GY-B 型水果硬度计：济南倍能仪器有限公司；WYT-J 型手持糖度计：广州沪瑞明仪器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 绿豆淀粉基复合膜的制备方法

称取一定质量大豆分离蛋白，加入蒸馏水制成0.04 g/mL 悬浮液，再加入占大豆分离蛋白总质量25%的甘油，室温下搅拌2 min 混匀后，置于60 ℃水浴中加热至溶解。用蒸馏水制成0.06 g/mL 绿豆淀粉悬浮液，90 ℃水浴中加热至溶解。再用上述溶液配制绿豆淀粉与大豆分离蛋白复合比例（质量比）分别为1∶0、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3 的膜液（通过对样品性能测试，进一步确定最佳比例），以10 000 r/min 均质5 min，冷却后获得膜液。用流延成膜法将膜液浇铸在平板槽内，于40 ℃、相对湿度（RH）50%的条件下干燥，使其溶剂蒸发后揭取成膜，备用。

1.2.2 膜性能测定

1.2.2.1 厚度

使用螺旋测微仪，在膜上随机取5 个点测定，结果取平均值。

1.2.2.2 含水率、溶胀指数和溶解度

将膜裁剪成20 cm×20 cm 大小后称重并读取初始质量，然后于75 ℃干燥至恒重后再次读取质量，接着于室温下，将膜浸泡在20 mL 蒸馏水中24 h，取出用滤纸将表面的水擦干后读取第3 次质量，最后于75 ℃条件下再次干燥并读取最后质量。根据文献[1]计算含水率、溶胀指数和溶解度。

1.2.2.3 水蒸气透过系数

采用GB/T 1037—2021[13]中的倒杯法测定水蒸气透过系数。在室温条件下，用膜对装有适量无水氯化钙的称量瓶进行封口并称重，然后将称量瓶放入底部为去离子水的干燥器里，平衡12 h 后，每隔2 h 称量1 次。

1.2.2.4 透明度

使用可见分光光度计，于650 nm 下测定膜的透光率，以透光率表示透明度。

1.2.2.5 力学性能

取15 mm×60 mm 大小的膜，用物性分析仪测定膜断裂时的抗拉强度（TS）和断裂伸长率。测定条件：夹具初始距离50 mm，拉伸速度5 mm/min。

1.2.3 膜的结构表征

1.2.3.1 傅里叶红外光谱分析

取适量膜与KBr 混合研磨后压片，用傅里叶红外光谱仪（FTIR）进行测定。测定条件：扫描波数设置为全波长4 000～400 cm-1，分辨率为4 cm-1，以空气为空白参比，累计扫描32 次。

1.2.3.2 扫描电镜（SEM）分析

将少量膜用导电胶固定于载物台上，真空喷金处理后，置于扫描电镜下拍摄。

1.2.4 青脆李的品质指标测定

用上述“1.2.1”制得的膜液对青脆李进行涂膜后转入25℃环境中贮藏，以未涂膜的青脆李为对照（CK），每5 d 进行1 次指标测定。

1.2.4.1 硬度

随机选取10 个果实，在果实赤道部位取间隔等距的3 个位置，用水果硬度计进行硬度测定。

1.2.4.2 可溶性固形物（TSS）含量随机选取10 个果实，去皮、去核后研磨成匀浆，使用手持糖度计进行测定。

1.2.4.3 可滴定酸含量

参考潘旭琳等[14]的方法，采用酸碱滴定法测定。

1.2.4.4 抗坏血酸含量

采用2,6-二氯靛酚滴定法测定。

1.2.4.5 腐烂率

参考张意静[15]的方法，采用称量法计算。

1.2.5 数据处理

每个样品进行3 次平行测定，所得数据采用SPSS 19.0 软件进行统计分析，并通过方差分析（ANOVA）确定数据之间的差异显著性，以P＜0.05表示显著差异。

2 结果与分析

2.1 绿豆淀粉与大豆分离蛋白复合比例对绿豆淀粉基复合膜性能的影响

由图1A 可知，随着大豆分离蛋白添加比例的增加，复合膜厚度不断增大，当绿豆淀粉与大豆分离蛋白复合比例为1∶3 时，复合膜厚度比绿豆淀粉膜（复合比例1∶0）增加了约2 倍，说明大豆分离蛋白是决定膜固形物含量的主要组分。Malherbi 等[16]对添加不同含量明胶的玉米淀粉复合膜进行了厚度测试，也得到了相似的结果。

由图1A 可知，复合膜含水率也随大豆分离蛋白添加比例的增加而增大，当绿豆淀粉与大豆分离蛋白复合比例为1∶3 时，含水率较复合比例为1∶0 时提高了约1 倍。这是由于大豆分离蛋白中含大量亲水羟基和氨基，其会同淀粉竞争与水分子的结合，并最终成为提高含水率的重要组分[17]。Liu 等[18]也发现随着更多大豆分离蛋白的加入，氧化玉米淀粉复合膜的含水率也有所提高。

较高的溶胀指数在多数情况下限制了包装膜在水果保鲜中的应用。由图1B 可以看出，随着大豆分离蛋白添加比例的增加，复合膜溶胀指数也有明显增大，当绿豆淀粉与大豆分离蛋白复合比例为1∶3 时，溶胀指数较复合比例1∶0 时提高了约1 倍。这与大豆分离蛋白具有一定的溶胀性有关[19]。研究证明，大豆分离蛋白中强极性基团相比于淀粉更倾向于与水分子形成氢键，因此更有助于溶胀指数的提高[20]。

复合膜溶解度也随着大豆分离蛋白添加比例的增加而增大（图1B），在绿豆淀粉与大豆分离蛋白复合比例为1∶3 时，比1∶0 时提高了约3 倍。这主要是由于具有强亲水性的大豆分离蛋白很容易与水分子发生相互作用[17]，从而导致膜溶解度增加。绿豆淀粉与大豆分离蛋白复合比例为1∶0、3∶1、2∶1 时，膜的溶解度增速较慢，溶解度偏低（13%～18%）。在实际应用中，膜的溶解度并非越高越好，对于高水分含量水果而言，其包装采用低溶解性的膜材料为最佳选择[13]。

水果包装膜的主要功能之一是保持水果的品质，延长其保质期，而水蒸气的透过情况会严重影响包装内水果品质的变化速率[13]。水蒸气的透过情况通常用水蒸气透过系数（Pv）表示，Pv 越低，说明阻湿性越强[10]。由图1C 可知，随着大豆分离蛋白添加比例的增加，复合膜Pv 呈现先下降后上升的趋势，当绿豆淀粉与大豆分离蛋白复合比例为2∶1 时，Pv 最低（1.2×10-5g·mm·cm-2·h-1·Pa-1）。说明当大豆分离蛋白含量较低时，其可均匀地分散在淀粉基体中，并与淀粉间形成强相互作用，从而阻碍水蒸气通过。而当大豆分离蛋白添加比例过高时，由于其具有的亲水性反而利于水蒸气通过，因此之后Pv 上升较迅速。

透明度是包装膜的重要指标，消费者更喜欢选择透明的膜材料应用于水果表面包装。由图1C 可知，大豆分离蛋白的增加明显降低了复合膜的透明度。这可能与大豆分离蛋白与淀粉间的兼容性有关，兼容性越强，透明度越低[21]。李大军等[22]也报道了过高的玉米醇溶蛋白添加量下测得玉米淀粉复合膜的透明度较低。

图1 绿豆淀粉与大豆分离蛋白复合比例对绿豆淀粉基复合膜性能的影响Fig.1 Effects of the compound ratios of mungbean starch and soy protein isolate on properties of mungbean starch-based composite film

力学性能是决定包装膜能否被广泛应用的重要因素。常见的测试指标主要包括抗拉强度和断裂伸长率，分别与膜材料的刚性和韧性有关。由图1D 可以看出，随着大豆分离蛋白添加比例的增加，复合膜的TS 整体表现出先上升后下降的趋势，当绿豆淀粉与大豆分离蛋白复合比例为2∶1 时，复合膜的TS 最大（35 MPa），说明此时膜的刚性最强。当绿豆淀粉与大豆分离蛋白复合比例为1∶0、3∶1、2∶1 时，抗拉强度明显增加，这可能和大豆分离蛋白与淀粉之间的界面相互作用有关，这种相互作用主要是基于二者间的化学相似性。之后随着大豆分离蛋白添加比例的提高，抗拉强度逐渐降低，说明高含量的大豆分离蛋白会导致其与淀粉之间发生相分离。而断裂伸长率整体呈现上升趋势，说明膜的韧性不断增强，当绿豆淀粉与大豆分离蛋白复合比例≥2∶1 时，其断裂伸长率变化不显著。综合以上性能发现，绿豆淀粉与大豆分离蛋白复合比例2∶1 时的绿豆淀粉基复合膜具备溶解性低、阻湿性强、力学性能优等特点，可进一步应用于水果保鲜。

2.2 绿豆淀粉基复合膜的结构表征

为进一步了解绿豆淀粉与大豆分离蛋白的结构及相互作用，对绿豆淀粉基复合膜（绿豆淀粉与大豆分离蛋白复合比例2∶1）进行了傅里叶红外光谱测试，同时以绿豆淀粉膜（绿豆淀粉与大豆分离蛋白复合比例1∶0）为空白对照，结果如图2 所示。与绿豆淀粉膜相比，复合膜吸收峰位置基本未改变，只是整体向高波数略有移动，说明在复合膜内存在强烈的分子间氢键相互作用，这些相互作用会使得其组分间形成较好的相容性[5]。

图2 绿豆淀粉基复合膜（绿豆淀粉与大豆分离蛋白复合比例2∶1）和绿豆淀粉膜（绿豆淀粉与大豆分离蛋白复合比例1∶0）的傅里叶红外光谱图Fig.2 FTIR spectra of mungbean starch-based composite film(compound ratio 2∶1)and mungbean starch film(compound ratio 1∶0)

绿豆淀粉膜在3 200～3 600 cm-1、2 940 cm-1、1 630 cm-1和1 420 cm-1附近出现了吸收峰，分别对应羟基、C-H 键、葡萄糖环和O-H 键的伸缩振动。这与Van Soest 等[23]关于原淀粉吸收峰的报道一致。而复合膜在3 200～3 600 cm-1附近的吸收峰则是由淀粉和蛋白质的羟基以及蛋白质N-H 键的共同伸缩振动产生的。2 940 cm-1附近的峰则是与淀粉和蛋白质C-H 键的振动有关。在1 630 cm-1、1 420 cm-1附近的峰除对应淀粉和蛋白质O-H 键以及蛋白质C=O 键的振动外，还与蛋白质的酰胺Ⅰ区、Ⅱ区（代表C-O键、C-N 键、N-H 键）和Ⅲ区振动有关[5]。

绿豆淀粉基复合膜（绿豆淀粉与大豆分离蛋白复合比例2∶1）的扫描电镜结果如图3 所示。由图3可以看出：绿豆淀粉膜表面均匀、无孔，但稍粗糙（图3A）；绿豆淀粉基复合膜与绿豆淀粉膜相比表面更加平滑均匀，且相分离不明显（图3B）。这说明绿豆淀粉和大豆分离蛋白复合后的兼容性更好，主要是由于大豆分离蛋白的加入提高了整个体系的胶黏性，这与上述FTIR 的结果一致。

图3 绿豆淀粉膜（绿豆淀粉与大豆分离蛋白复合比例1∶0）（A）和绿豆淀粉基复合膜（绿豆淀粉与大豆分离蛋白复合比例2∶1）（B）的扫描电镜照片Fig.3 SEM images of mungbean starch film(compound ratio 1∶0)(A)and mungbean starch-based composite film(compound ratio 2∶1)(B)

2.3 绿豆淀粉基复合膜对青脆李贮藏品质的影响

绿豆淀粉基复合膜（绿豆淀粉与大豆分离蛋白复合比例2∶1）对常温贮藏期间青脆李品质的影响结果如表1 所示。硬度是直观反映果实品质的重要指标之一[24]。由表1 可见，在贮藏期间，CK 组与涂膜组青脆李的果实硬度均呈现下降趋势。从贮藏第5 天开始，CK 组青脆李的果实硬度已逐渐低于涂膜组，且在贮藏第25 天时，CK 组与涂膜组的硬度差距最大，说明绿豆淀粉基复合膜能够有效保持青脆李的硬度。

表1 绿豆淀粉基复合膜（绿豆淀粉与大豆分离蛋白复合比例2∶1）对常温贮藏期间青脆李品质的影响Table 1 Effects of mungbean starch-based composite film(composite ratio 2∶1)on the qualities of green crisp plum during normal temperature storage

可溶性固形物是评价果蔬风味的一项重要指标。试验发现：在贮藏过程中，CK 组青脆李的TSS 含量呈现先上升后下降的趋势，并在贮藏第20 天时果实的TSS 含量达到最高，为22.6%。在贮藏前期，青脆李中淀粉、果胶、粗纤维等成分会因其成熟度的增加而被不断分解成葡萄糖，表现为TSS 含量升高[25]；贮藏后期，TSS 作为呼吸作用主要消耗物质而下降[24]。涂膜组青脆李的TSS 含量在贮藏期间呈逐渐上升趋势，第25 天时达到21.7%，比CK 组的最高峰低。因此，绿豆淀粉基复合膜能更有效地减缓青脆李中TSS含量的上升，有利于果实风味的保持。

有机酸和抗坏血酸（又称VC）是评价水果新鲜度的关键因素。由表1 可见，在贮藏期间，CK 组和涂膜组的青脆李可滴定酸和抗坏血酸含量均呈现降低趋势，但涂膜组青脆李的可滴定酸和抗坏血酸含量均高于CK 组。贮藏至25 d 时，CK 组和涂膜组青脆李的可滴定酸含量分别为0.3%和0.5%，抗环血酸含量分别为3.2 mg/g 和5.8 mg/g，表明绿豆淀粉基复合膜可以有效延缓青脆李中有机酸和抗坏血酸的降解。

水果腐败会直接影响其可食性，误食这种水果会发生呕吐腹泻等症状。由表1 可以看出，CK 组和涂膜组青脆李分别在贮藏第10 天和第15 天时开始出现腐败现象，之后腐烂率逐渐上升，至贮藏第25 天时，腐烂率分别为13.8%和2.4%。如图4 所示，在整个常温贮藏期间，与CK 组相比，涂膜组青脆李的品质较好，未发生明显软化和腐烂现象。

图4 常温贮藏期间青脆李品质变化照片Fig.4 Images of plum quality changes during storage at room temperature

3 结论

通过研究绿豆淀粉与大豆分离蛋白不同复合比例对绿豆淀粉基复合膜性能的影响，获得了可食性绿豆淀粉基复合膜最佳复合比例。结果显示：在绿豆淀粉与大豆分离蛋白复合比例2∶1 的条件下，可以获得溶解度低、阻湿性强、力学性能优的绿豆淀粉基复合膜。将该复合膜进一步应用于青脆李贮藏保鲜中，发现绿豆淀粉基复合膜能较好地维持青脆李的硬度、可溶性固形物含量和可滴定酸含量等品质指标，有效延长了其在常温下的货架期。该研究将为可食性淀粉基膜在水果保鲜中的应用提供一定的理论指导。