甘油对明胶-普鲁兰多糖可食性材料性能的影响

高丹丹，张 超，马 越，江连州，赵晓燕,*

(1.北京市农林科学院蔬菜研究中心，农业部华北地区园艺作物生物学与种质创制重点实验室，农业部都市农业(北方)重点实验室，北京 100097；2.东北农业大学食品学院，黑龙江 哈尔滨 150030)

明胶可食性材料机械性能较高，且明胶价格低廉[1-2]，普鲁兰多糖可食性材料透明度高、阻油、阻氧性好[3-5]，研究将明胶与普鲁兰多糖复配成可食性材料，发现明胶-普鲁兰多糖复合可食性材料的柔韧性较差，限制了其工业化生产和应用，添加塑化剂是提高复合可食性材料机械性能最有效的措施之一。Jia Dongying等[6]对魔芋葡甘聚糖-壳聚糖-大豆分离蛋白可食性材料的研究和Li等[2]对明胶-魔芋葡甘聚糖可食性材料的研究均表明甘油是一种可以有效提高可食性材料机械性能的塑化剂。因此，本实验在明胶-普鲁兰多糖可食性材料中添加甘油，以期提高可食性材料的性能，提高其作为食品包装的可行性。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

普鲁兰多糖 天津实发中科百奥工业生物技术公司；明胶 沧州市金箭明胶有限公司；甘油 北京化工厂。

SM-112型测厚仪 日本Teclock公司；TA•XT plus物性测试仪 英国Stable Micro Systems公司；PERMA TRAN-W Model 1/50 G水蒸汽透过率测试仪、OX-TRAN Model 2/61氧气透过率测试仪 美国Mocon公司；CM3700d型色差仪 日本柯尼卡-美能达公司；DZKW-4型电子恒温水浴锅 中国中兴伟业仪器有限公司；BM-1型生物混合仪 日本Nihonseiki公司。

1.2 方法

1.2.1 可食性材料的制备

普鲁兰多糖溶液的质量浓度为2g/100mL，明胶溶液的质量浓度为5g/100mL，甘油溶液的质量浓度分别为1、2、3、4g/100mL，以不同的配比制备可食性材料。明胶溶解在90℃蒸馏水中，普鲁兰多糖溶解在60℃蒸馏水中，冷却到室温后添加甘油，搅拌均匀，－0.1MPa条件下脱气，并倾倒在聚丙乙烯培养皿中干燥制备可食性材料，并将可食性材料贮藏于40℃和相对湿度50%的干燥器中。

1.2.2 厚度的测定

根据GB/T 6672—2001《塑料薄膜和薄片厚度测定》[7]，用测厚仪测定每个样品厚度，均匀取13个点(其中1点为中心点)，以平均值作为可食性材料的厚度值。重复测定3次取平均值。

1.2.3 颜色的测定

应用CM3700d型色差仪，透光率模式下测试，测试时将标准白板垫于可食性材料下，其中，L*值表示亮度，所以L*值越大表明可食性材料透明度越高；a*值表示样品的红色程度，数值越大，红色的倾向越大；b*值表示黄色的程度，b*值越大表示样品越黄。

1.2.4 机械性能的测定

用TA•XT plus型物性测试仪测定样品的抗拉强度(TS)和断裂延伸率(E)，拉引速度设定为1mm/s，初始夹距设定为40mm。其计算参照公式(1)、(2)。

式中：F为可食性材料断裂时的最大拉力/N；S为可食性材料的横截面积/m2；L0为样品的长度/mm；L1为断裂时的长度/mm。

1.2.5 水蒸气透过率的测定

根据ASTM f1249－2005《采用红外传感器测定塑料膜和塑料片水蒸气通过率的方法》[8]，在23℃条件下，可食性材料两侧相对湿度分别设定为50%和15%，测试面积为5cm2，载气为高纯氮气。

1.2.6 氧气透过率的测定

根据ASTM D 3985－1995《采用电量传感器测定塑料膜和塑料片氧气通过率的方法》[9]，在23℃条件下，测试仓相对湿度控制在50%，测试面积为10cm2。吹扫气体和测试气体分别为高纯氮气(混有2%氢气)和氧气。

1.2.7 水溶性的测定

将样品裁成2cm×2cm规格，置于已经盛满90℃水的培养皿中，以样品溶解时间来评价其水溶性。

1.2.8 油脂阻隔能力的测定

按照谷宏等[10]的方法进行测定。油脂渗透系数(P0)作为可食性材料的油脂阻隔能力的指标。于试管内装5mL色拉油，用圆形的样品封住试管口，再放一张预先称质量的滤纸片，室温(25℃)条件下倒置放于50%相对湿度的干燥器中。每天记录滤纸片的重量，持续一周。油脂渗透系数的计算参照公式(3)。

式中：P0为油脂渗透系数/(g/(m2·d))；Δm为质量变化/g；h为可食性材料厚度/mm；S为试管口面积/m2；t为测试时间/d。

2 结果与分析

2.1 甘油添加量对明胶-普鲁兰多糖可食性材料机械性能的影响

图1 甘油添加量对明胶-普鲁兰多糖可食性材料机械性能的影响Fig.1 Effect of glycerol addition on mechanical properties of gelatinpullulan edible film

包装可食性材料的机械性能包括抗拉强度和断裂延伸率[11]，由图1可知，明胶-普鲁兰多糖可食性材料的抗拉强度为(97.72±6.47)MPa，断裂延伸率为(4.81±0.80)%。复合可食性材料抗拉强度随甘油添加量的增加而降低，最低达到(6.94±0.72)MPa。断裂延伸率随着甘油添加量的增加而降低。甘油添加量为4g/100mL时，断裂延伸率达到最大值，为(155.90±4.19)MPa，比不添加甘油的复合可食性材料提高了31倍。这是因为甘油对于明胶-普鲁兰多糖复合可食性材料来说是一种比较有效的塑化剂，甘油会降低聚合物链间的分子间力，增加自由体积，从而提高复合可食性材料的柔韧性。这个结果低于聚氯乙烯(240%)[11]，高于低密度聚乙烯(95%)[12]。

2.2 甘油添加量对明胶-普鲁兰多糖可食性材料阻隔性能的影响

图2 甘油添加量对明胶-普鲁兰多糖可食性材料阻隔性能的影响Fig.2 Effect of glycerol addition on barrier properties of gelatinpullulan edible film

由图2可知，不添加甘油的复合可食性材料水蒸气透过率为(95.20±6.75)(g·m)/(m2·d)，添加甘油后，复合可食性材料的水蒸气透过率随着甘油添加量的增加而逐渐上升。这是因为甘油的添加，会使聚合物分子之间的相互作用力减弱，自由体积相应增加，使水蒸气分子更容易透过复合可食性材料，从而水蒸气透过率增加[4,6]。甘油的添加会使明胶-普鲁兰多糖的氧气透过率先逐渐降低，在甘油2g/100mL时达到最低，为0.15mL/(m2·d)，这可能是因为在此条件下甘油与聚合物之间有较好的相容性，各组分之间的相互作用最强烈，使得在甘油添加量为2g/100mL时复合可食性材料的氧气透过率达到最低。然后随着甘油添加量的进一步增加，复合可食性材料的氧气透过率逐渐上升，这可能是因为甘油添加量过大破坏了聚合物之间的相互作用，使得分子之间的紧密度降低，导致氧气透过率的上升。但是本实验研究的复合可食性材料氧气透过率值都较低，接近于最低检测线，这主要还是因为普鲁兰多糖是一种阻氧性较好的聚合物[13-14]。Gounga等[5]的乳清分离蛋白-普鲁兰多糖复合可食性材料和肖茜[15]的普鲁兰多糖-海藻酸钠-羧甲基纤维素复合可食性材料也有类似的结果。

油脂渗透系数测定结果显示所有明胶-普鲁兰多糖可食性材料的油脂渗透系数均未检出，这是由普鲁兰和明胶致密的结构决定的，明胶通过分子间和分子内的折叠提供了紧密的结构，而普鲁兰多糖赋予结构一定内聚力[16]。因此，甘油的添加对复合可食性材料的阻油性无显著影响。

2.3 甘油添加量对明胶-普鲁兰多糖可食性材料颜色的影响

表1 甘油添加量对明胶-普鲁兰多糖可食性材料颜色的影响Table1 Effect of glycerol addition on color of gelatin-pullulan edible film

包装可食性材料的颜色是影响消费者选择产品的主要因素之一，可食性材料透明程度越高，就越能反应被包装食品的色泽和外观。由表1可知，L*值随着甘油添加量的增加而增大，当甘油添加量为4g/100mL时L*值最大，说明复合可食性材料的透明度逐渐增大。随着甘油添加量的增加而逐渐降低，b*值有所降低，当甘油添加量为4g/100mL时复合可食性材料的b*值最小。这是因为明胶呈浅黄色，甘油添加量的增加使复合可食性材料中的明胶相对含量降低，所以黄色越来越浅，b*值越来越小；当甘油添加量为2g/100mL时，复合可食性材料的b*值也相对最小，这可能是因为甘油添加量为2g/100mL时与明胶-普鲁兰多糖的相容性最好。总体来说，可食性材料的L*值都较高，b*值都较低，属于透明型包装可食性材料。

2.4 甘油添加量对明胶-普鲁兰多糖可食性材料水溶性的影响

图3 甘油添加量对明胶-普鲁兰多糖可食性材料溶水时间的影响Fig.3 Effect of glycerol addition on water soluble time of gelatin-pullulan edible film

由图3可知，随着甘油添加量的逐渐增加，复合可食性材料的溶水时间降低。一方面是由于原料都为亲水性物质，另一方面甘油的亲水性也较强，当置于水中时，会降低聚合物链间的分子间力，增加自由体积，使样品更易扩散到水中。所有可食性材料的溶水时间都少于25s，低于魔芋葡甘聚糖-明胶复合可食性材料(35s)[7]。

3 结 论

甘油的添加有效提高复合可食性材料的机械性能，并且改善复合可食性材料的阻氧性、透明度和水溶性，但提高复合可食性材料的阻水性。普鲁兰多糖-明胶复合可食性材料均为水溶性，其透明度、机械强度、阻氧、阻油性都较高，可以根据其特征，将其作为食品的内包装应用在速食方便面调味包、速溶咖啡等领域。

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