兔皮、鸡皮和三文鱼皮明胶成膜性的对比

吕妍霄，薛伟

（东北林业大学工程技术学院，黑龙江哈尔滨150040）

随着人们生活水平的不断提高，对于食品新鲜度和环境保护越来越重视。在食品保鲜膜方面，人们的目标已不单只是对食品有保鲜作用，还更加重视其废弃物是否会对环境造成污染，因此环保的可食性包装膜已经成为国内外学者的研究热点。可食性膜主要的基材为蛋白质类、多糖类和脂类，通过研究发现与多糖和脂类膜相比，蛋白质类膜由于其氨基酸可以通过共价键、氢键及二硫键的相互作用，使得蛋白质结构紧密，因此机械性能大、阻隔性能好且能够给食物提供营养[1]。明胶是由蛋白质通过酸、碱或水解变性等形成，通常由动物的皮、骨等经过处理转化，水浴提取制得。明胶由于具有良好的延展性、可降解性和生物成膜性等被广泛应用于工业、化妆品等行业，同时明胶来源比较广泛，因此在食品保鲜方面具有一定应用的潜力[2]。

市场上的明胶多是从猪、牛的皮和骨等提取，但因近年来对于食品安全的重视和不可忽略的宗教信仰等，人们逐渐将明胶的提取转向其他方面，以弥补传统明胶在市场上广泛应用的缺陷，目前国内外学者从鱼类和家禽类皮肤获取明胶的研究成为热点。Damgaard等[3]研究发现，由不同的氨基酸组成的明胶性质不同，其中甘氨酸、羟脯氨酸和脯氨酸的含量会对明胶的凝胶特性有很大的影响，同时由不同明胶所制的膜在机械强度、气体阻隔性也会不同。Haug等[4]研究发现鱼类与哺乳动物相比亚氨基酸（脯氨酸和羟脯氨酸）含量较低，凝胶性较弱。但从冷水域鱼类皮肤中提取的鱼明胶，拥有较高的亚氨基酸含量。Avena-Bustillos等[5]通过对比三文鱼与鳕鱼明胶的成膜性，研究发现三文鱼皮明胶膜拥有更好的机械性能和阻隔性。杨晖等[6]通过对比兔皮与猪皮明胶，发现兔皮明胶具有更好的黏性和起泡性，在实际应用中可代替猪皮明胶。Mhd Sarbon等[7]通过研究发现鸡肉明胶的α-螺旋和β-折叠型结构比牛肉明胶更高，表明鸡肉明胶比牛肉明胶具有更好的凝胶强度及稳定性。

国内外学者目前的研究方向只针对于一种动物明胶来研究其特性，而对于不同品种之间的明胶特性及其所得的明胶膜性质之间对比的研究并不多。本文通过提取鸡皮、兔皮、三文鱼皮明胶后制膜，同时分别对其膜的水蒸气透过率、水溶性、力学性能、透光度、热稳定性进行测定，用红外光谱表征微观结构，寻找出鸡皮、兔皮，三文鱼皮哪种更合适做为成膜基材。

1 材料与方法

1.1 原料与试剂

新鲜肉鸡鸡腿皮：哈尔滨农垦江北养鸡场；兔皮：哈尔滨丰润牧业有限公司；三文鱼皮：哈尔滨福保圣贸易有限公司。盐酸：西陇科学股份有限公司；氢氧化钠：天津市天力化学试剂有限公司；氯化钠：天津市科密化学试剂有限公司；甘油：天津市福晨化学试剂厂；所有试剂均为分析纯。

1.2 设备与仪器

HH-6数显恒温水浴锅：镇江市科密仪器仪表有限公司；85-2A恒温磁力搅拌器：常州市凯航仪器有限公司；RE-201D旋转蒸发器：郑州特尔仪器设备有限公司；恒温干燥箱：天津市泰斯特仪器有限公司；高速离心机：上海安亭科学仪器厂；SHZ-88A水浴恒温振荡器：苏州市培英实验设备有限公司；WGT-S透光率/雾度测定仪：上海仪电物理光学仪器有限公司；压差法气体渗透仪：济南兰光机电技术有限公司；力学拉伸实验仪：长春市月明小型试验机有限责任公司；Frontier傅里叶红外光谱仪：珀金埃尔默企业管理有限公司；SDT-Q600综合热分析仪：美国TA公司。

1.3 试验方法

鸡皮、兔皮、三文鱼皮明胶是采取酸法或碱法来提取。

1.3.1 明胶提取方法

鸡皮、兔皮和三文鱼皮明胶的提取分别采用谢苗等[8]、于玮等[10]和闵新宇等[11]采用的方法，按照以下工艺进行：

新鲜动物皮肤→清洗→剔除多余皮下脂肪→清洗及剪切→前期处理→浸酸（碱）处理→中和水洗→水浴提胶（鸡皮去除油脂）→过滤→浓缩干燥→成品明胶

1.3.2 明胶膜制备方法

3种明胶均称取3 g，加入质量为明胶质量20%的甘油，添加100 mL的去离子水形成明胶溶液。鸡皮明胶膜溶液放于温度为55℃的恒温磁力搅拌器上搅拌4 h，超声波震荡15 min去除气泡，取60 mL明胶溶液用流延法涂布在聚四氟乙烯板上，将板放置于温度为38℃、湿度为55%的恒温恒湿箱中，静置12 h后取出揭膜。兔皮明胶膜参考杨晖等[12]方法，将膜液于60℃水浴加热并搅拌2 h，超声震荡10 min后取60 mL膜液涂布在聚四氟乙烯板上，在45℃条件下干燥24 h后揭膜。三文鱼皮明胶膜参考涂宗才等[13]提供的方法，将膜液于40℃的条件下水浴搅拌3 h，超声波震荡20 min，同样取60 mL膜液涂布在聚四氟乙烯板上，将板放置于温度为37℃、湿度为55%的恒温恒湿箱中，静置18 h后取出揭膜。

1.4 性能测试

测定前将膜样品放置于温度为25℃、湿度为55%的干燥皿中平衡48 h，执行测试时每种类型膜随机抽取5个样品，并在样品中取6个不同的测试点，测试结果取其平均值。

1.4.1 水蒸气透过率的测定

根据GB 1037-88《塑料薄膜和片材透水蒸气性试验方法（杯式法）》，并按照ASTM[14]和王坤[15]提供的杯式法测定膜的吸湿率。具体做法为：在半径为1.4 cm、高度为5 cm的敞口杯中放入SiO2干燥剂30 g，用明胶膜密封称重，将其放置于隔板下有一定水的干燥皿中，在室温条件下每隔2 h测定敞口杯的重量，直至重量变化稳定，按照相关公式计算水蒸气透过率。

1.4.2 水溶性测定

根据Wang等[16]提出的方法，将膜剪切成30 mm×30 mm的小块，放于105℃的恒温恒湿箱中干燥24 h，取出后称膜的质量并记作原始质量m，在室温条件下将称量过的膜于100 mL的蒸馏水中浸泡24 h，取出待膜完全干燥后再称其质量并记作m1，用质量差（m-m1）与原始质量之比表示水溶性。

1.4.3 抗拉强度和断裂伸长率的测定

根据GB 13022-1991《塑料薄膜拉伸性能试验方法》，将完好无损的膜剪切成100 mm×15 mm的长条，用力学拉伸实验仪测量膜的机械性能。设置参数：触发力设为50 g，上下片的间距为110 mm，运动速率为50 mm/min。

1.4.4 透光率和雾度测定

根据GB 2410-2008《透明塑料透光率和雾度的测定》，利用透光率/雾度测定仪测量，将膜剪成5 cm×5 cm的正方形紧贴在透光口处，记录数据。

1.4.5 透氧性测定

将平整、无微孔的待测膜裁成直径为80 mm的圆形并放入工作台中，边缘用硅油密封好，设置上腔压力为200 Pa，下腔压力为100 kPa，氧流量设定为1 500 mL/min通氧5 min，进行测试并记录数据[17]。

1.4.6 红外光谱扫描

将待测膜裁成规定的长方形，用傅里叶红外光谱仪（600 cm-1～4 000 cm-1）进行全反射扫描。

1.4.7 热稳定性测定

利用SDT-Q600综合热分析仪对明胶膜的热稳定性能进行测量，称取充分干燥的膜3 mg放入坩埚中用氮气保护，空白坩埚作为对比，扫描时温度设为10℃～800℃，升温速率为20℃/min[18]。

1.5 数据分析

用Origin 9.1数据处理软件绘图，用SPSS 21进行分析，方差采用ANOVA进行显著性差异分析（p＜0.05），数据用平均值±标准偏差体现。

2 结果与分析

2.1 水蒸气透过率（WVP）和水溶性分析

不同动物皮明胶膜的各项性能指标见表1。

表1 不同动物皮明胶膜的各项性能指标Table 1 The properties of gelatin film on different animal skins

由表1可知，三文鱼皮明胶膜（以下简称鱼皮明胶膜）的水蒸气透过率最高，最低的为兔皮明胶膜，与鱼皮明胶膜相比下降了0.65×10-8g/（m·s·Pa）。众所周知明胶的亲水性较高，其膜的水蒸气透过率与明胶中的蛋白质主要氨基酸含量有关，即脯氨酸和羟脯氨酸等。兔皮明胶膜的水蒸气透过率与鸡皮明胶膜没有显著性差异，但兔皮明胶膜的水蒸气透过率稍低，可能兔皮明胶中的脯氨酸和羟脯氨酸等亚氨基酸的含量较高，因此蛋白质结构较稳定，膜的致密性较好，使得水分子难以在膜中扩散，提高了阻隔性。

从表1中的数据也可知鱼皮明胶膜在水中的溶解度与兔皮相比存在显著性差异（p＜0.05），鱼皮明胶膜的溶解度高达88%，鸡皮明胶膜的溶解度低于鱼皮明胶膜，兔皮明胶膜的溶解度最低，但也接近于80%。鱼皮明胶溶解度高的原因是：在提取鱼皮明胶时产生了较多的小分子肽链，暴露出能够与水分子发生反应的功能基团，因此其的溶解度较大。通过这些试验发现明胶膜的溶解度普遍较高，究其原因有两方面：首先甘油是一种亲水性增塑剂，能够作用于蛋白质内部，聚合物之间的作用力较小，使得蛋白质结构较为松散，其次明胶属于亲水性材料，自身在水中的溶解度较大，因此明胶膜不适合水分含量较多的食品及新鲜水产品的包装。

2.2 力学性能分析

抗拉强度和断裂伸长率是衡量包装材料力学性能主要的参考因素，良好的保鲜膜应具有较大的抗拉强度，防止在运输及保鲜过程中由于野蛮装卸等造成保鲜膜破损而导致保鲜效果下降。如表1所示，兔皮明胶膜的抗拉强度高达27.32 MPa，鱼皮明胶膜的抗拉强度最低为24.71 MPa。兔皮明胶膜较厚且质地较硬，其中组成蛋白质的氨基酸结构排列较密，稳定性较好，因此在拉力试验时需要更大的拉力。断裂伸长率体现的是膜的延展性和脆性，可以看出鸡皮明胶膜的断裂伸长率最高为4.11%，鱼皮明胶膜的断裂伸长率最低为2.39%，说明鸡皮明胶膜的延展性较好，在抗拉试验中试样的拉伸长度较大，这是因为鸡皮明胶膜的质地较软、脆性小且弹性较好。

2.3 透光率和雾度分析

应用于食品保鲜包装中的保鲜膜需具有一定的紫外线阻隔能力，以保护食品减少紫外光线的影响，透光率和雾度可以间接表示出明胶膜对紫外线的吸收情况及外观颜色的透明度。表2中表示了不同品种明胶膜的透光性能和雾度。

表2 不同动物皮明胶膜的透光率和雾度Table 2 Transmittance and haze of gelatin film on different animal skins

由表2可知，兔皮和鸡皮明胶膜的透光率没有明显差异，鱼皮明胶膜的透光率相对较高。由于甘油能与兔皮和鸡皮明胶膜发生更多交联，蛋白质空间结构排列由有序变为无序，使分子间间距变小，能有效阻止可见光的透射，导致透光率下降。从表2中可看出兔皮的雾度最高为21%，兔皮明胶膜颜色呈淡褐色，透明度较小导致雾度最高，在保鲜中不利于观察到食品颜色。鱼皮和鸡皮明胶膜雾度显著性差异不大，这两种明胶膜都为无色，透明度较高，适合应用于便于观察食品的包装中。

2.4 透氧率分析

氧气透过率是衡量保鲜膜对外界空气的阻隔性，良好的食品保鲜膜能够有效阻止氧气及二氧化碳进入到包装中，平衡包装内部气体环境，抑制细菌、霉菌的滋生，防止食品腐烂以延长其保质期。本次试验中不同动物皮明胶膜的透氧率如表3所示。

表3 不同动物皮明胶膜的透氧率Table 3 Oxygen permeation rate of gelatin film on different animal skin

表3中可以看出不同种类明胶膜的透氧率也不同，其中兔皮明胶膜的透氧率最低为6 543.81 cm3/（m2·24 h·0.1 MPa），与兔皮明胶膜相比，鱼皮明胶膜的氧气透过率上升了1 776 cm3/（m2·24 h·0.1 MPa），鸡皮明胶膜与鱼皮明胶膜透氧率没有显著性差异。不同明胶中蛋白质的氨基酸组成不同，分子空间结构排列有别，兔皮明胶膜分子间能够形成紧密的细网，有效降低氧气通过率，鱼皮明胶膜相对来讲孔径较大，大量氧气分子可顺利通过导致透氧率高。

2.5 红外光谱分析

红外光谱是分析材料分子结构和分子间相互作用最直接的方式，不同动物皮明胶膜的红外光谱图如图1所示。

图1 不同动物皮明胶膜的红外光谱图Fig.1 FT-IR spectra of films with different animal skins

由图1可以看出3种动物皮明胶膜之间的结构相似，都存在5个特征峰。酰胺A带表示N-H键的伸缩振动，峰值在3 270 cm-1～3 500 cm-1之间，在添加相同质量甘油的情况下可以看出，兔皮明胶膜的酰胺A带的吸收峰最低。酰胺A带吸收峰的波数较小，说明兔皮明胶膜中的羟脯氨酸和脯氨酸含量较多，甘油能与羟脯氨酸的Pro-NH键发生更多反应，即形成更多的氢键。酰胺Ⅱ带表示的为N-H键的弯曲振动和角变形[19]，波数在 1 530 cm-1～1 550 cm-1之间，酰胺Ⅲ带吸收峰表示为C-N键的伸缩振动，主要出现在1 230 cm-1～1 250 cm-1之间，与文献中报道的特征吸收峰一致[12]。明胶膜的甘油吸收峰出现在1 030 cm-1～1 040 cm-1附近，其中鱼皮明胶膜的吸收峰的波数最高，兔皮明胶膜最低，说明甘油与兔皮明胶之间发生更多的交联反应，同时验证了兔皮明胶膜的溶解度及水蒸气透过率最低。

酰胺I带是表征蛋白质二级结构的特征吸收峰，主要为C=O键的伸缩振动，出现的范围为1 630 cm-1～1 665 cm-1。由图1可知兔皮、鸡皮和鱼皮明胶膜的吸收峰分别为 1 647.24、1 642.12、1 634.25 cm-1，说明兔皮明胶膜的β-折叠含量较高，鱼皮明胶膜的α-螺旋含量较高，可通过对酰胺I带做基线校准、二阶导数和去卷积对子峰进行归属，综合二阶导及去卷积对酰胺I带进行高斯分峰拟合计算各子峰面积所占比例作为验证，其去卷积、二阶导数拟合子峰谱图如图2所示。

图2 不同动物皮明胶膜二阶导数拟合子峰谱图Fig.2 Second-order derivative fission spectra of different animal skin gelatin film

由图2可以看出，每种动物皮明胶膜的酰胺I带做完二阶导之后都会分离出相应的子峰，其中有代表性的峰值分布在 1 635、1 646、1 652、1 668 cm-1附近，对其做高斯多峰拟合之后得出对应的子峰峰值在1 617～1 632、1 647、1 659、1 673 cm-1附近，根据文献[20-22]对子峰做如下归属：1617～1632、1 647、1 659、1 673 cm-1分别为β-折叠、无规则卷曲、α-螺旋和β-转角结构。

表4为各子峰对应的二级结构含量。

表4 不同明胶膜酰胺I带二级结构定量Table 4 Different gelatin membrane amide I with ionization peak area

由表4看出β-折叠和β-转角含量最多的为兔皮明胶膜，说明兔皮明胶膜与甘油形成的氢键较多[23]，验证了其酰胺A带的吸收峰值较低。同时无规则卷曲与β-转角的比值也能表征明胶膜的特性，比值越小说明结构多趋向于稳定的三螺旋结构，进一步说明了兔皮明胶膜的分子空间结构比其他两种明胶膜稳定，同时验证了兔皮明胶膜的力学性能及阻隔性更好。

2.6 热稳定性分析

热重法（TG）是常用的热分析方法，在控温条件下测量样品质量随温度变化的关系，用热解温度和失重率及残余量表示样品热稳定性。图3反映了不同品种明胶膜热稳定性的差异。

图3 不同动物皮明胶膜的热稳定图Fig.3 Thermal stability of different animal pectin films

从图3中可知，3种明胶膜的热解可以分为3个阶段。第一阶段在20℃～110℃左右，主要为水分及甘油等小分子物质蒸发，失重速率随温度的升高呈现抛物线形状，此时鱼皮明胶膜的失重率最大。第二阶段为剧烈失重阶段，主要是由于蛋白质的变性及明胶肽链的热解造成，温度在110℃～460℃左右，失重率占到总体的80%左右，最大失重速率出现在310℃附近，其中鸡皮明胶膜热解温度区间最大，且最大失重速率对应的温度最高，失重率最小。第三阶段为碳化阶段在460℃～600℃，膜的质量损失缓慢，主要是样品膜转化为残渣炭，此阶段中鸡皮与兔皮明胶膜失重速率及失重率几乎变化一致，当温度达到600℃时，鱼皮明胶膜的残渣量最多。由此可见，鱼皮明胶膜的热稳定性最差，鸡皮与兔皮明胶膜热稳定性相似，但鸡皮明胶膜在高温活跃时间长，最大失重速率温度高，膜热稳定性好。

3 结论

本文将兔皮、鸡皮、三文鱼皮按照一定的试验方法提取明胶后制得不同种类的明胶膜，通过测定明胶膜的性能比较不同种类明胶膜的成膜性。结果表明：与鸡皮和三文鱼皮明胶膜相比，兔皮明胶膜有较低的水蒸气透过率、透氧率、透光率和较高的抗拉强度，说明兔皮明胶膜可以有效阻止气体、紫外线等穿过，且能够承受一定的应力。通过酰胺A带吸收峰可以看出兔皮明胶膜中羟脯氨酸和脯氨酸含量较多，通过对酰胺I带做二阶导及高斯拟合后，发现兔皮明胶膜中含有更多的β-折叠和三螺旋稳定结构，与前人研究结果一致。与鸡皮及鱼皮明胶膜相比，兔皮明胶膜与甘油交联形成的氢键更多，空间结构密度大、结构稳定。热稳定性分析中发现鸡皮与兔皮明胶膜的热稳定性没有显著性差异，都有一定的耐热性。综上所述，兔皮明胶膜在三者中测试的各项性能较好，即兔皮明胶膜内部结构较稳定，因此可以作为新型的明胶成膜材料应用于食品包装中。由于明胶属于亲水基材料，其溶解度较高，放于湿度较大的环境中易吸湿变黏，影响实际应用效果，且明胶膜普遍抗拉强度较小，因此在以后的研究中需要对兔皮明胶膜加入添加剂以改性，提高其各项性能强度，以便扩大其应用范围。

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