孫 瑤，王 瑞，騰 飛，夏秀芳，* ，孔保華

(1.黑龍江出入境檢驗檢疫局，黑龍江哈爾濱150001;2.東北農業(yè)大學食品學院，黑龍江哈爾濱150030)

海藻酸鈉(sodiumalginate，NaAlg)是從褐藻中提取、由糖醛酸單體組成的線性高分子多糖，因具有良好的成膜性、生物降解性和生物相容性而被廣泛應用于肉類食品涂膜保鮮中［1-3］。但單一海藻酸鈉膜質脆、耐水性差、抑菌效果不明顯，限制其在食品保鮮方面的應用。為了解決這一問題有許多學者研究制備了復合共混膜。共混膜是提高可食性膜材料性能的有效方法，不僅改善單一海藻酸鈉膜的理化性能，也提高海藻酸鈉膜的抑菌、阻氧、防濕的性能。常與海藻酸鈉復合的成膜基料有明膠［4］、羧甲基葡甘聚 糖［5］、羧 甲 基 纖 維 素(sodium carboxymethyl cellulose，CMC)、卡拉膠等。其中羧甲基纖維素具有成膜特性而被開發(fā)用于肉類制品、蛋、水果、蔬菜等的涂膜保鮮上。張良英［5］研究表明含有羧甲基基團的物質不僅與海藻酸鈉有良好的相容性，而且能改善膜的性能。羧甲基纖維素膜具有阻止水分、油脂及流質的遷移，防止氧及二氧化碳的逸散、保留食品的風味物質、提高機械強度、保持食品結構和攜帶添加劑等功效［6］。本實驗選擇海藻酸鈉和羧甲基纖維素作為共混膜原料，添加山梨酸鉀，確定復合抗菌共混膜的最佳組成，為可食性抗菌膜的研制、在肉類食品保鮮中的應用提供一些理論性參考和可行性措施。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

海藻酸鈉(NaAlg) 青島明月海藻集團有限公司;羧甲基纖維素鈉 上海長光企業(yè)發(fā)展有限公司;山梨酸鉀 南通醋酸化工股份有限公司;甘油 四川天宇油脂化學有限公司;氯化鈣 天津勤達威化工有限公司 購于哈爾濱市某食品添加劑公司，均為食用級。

HH-4 型電熱恒溫水浴鍋 常州國華電器有限公司;JJ-1 精密增力電動攪拌器江蘇省金壇市金城國勝實驗儀器廠;TU-1800 紫外可見光分光光度計 北京普希通用儀器有限公司;TA-XT plus 質構分析儀 英國Stable Micro System 公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 成膜液的制備

1.2.1.1 海藻酸鈉濃度的確定 分別將1、2、3、4、5g的海藻酸鈉溶解于200mL 蒸餾水，60℃水浴條件下用電動攪拌器攪拌至充分溶脹制成濃度為0.5%、1%、1.5%、2%、2.5% 的成膜液后，流涎于玻璃板上制得膜，根據(jù)測定膜的厚度、透明度、吸水率、水蒸氣透過系數(shù)、抗拉強度、斷裂伸長率等指標，確定最佳的海藻酸鈉濃度。

1.2.1.2 甘油濃度對海藻酸鈉膜的特性的影響 已確定的海藻酸鈉濃度的膜液中，分別添加0、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%的甘油，根據(jù)測定膜的厚度、透明度、吸水率、水蒸氣透過系數(shù)、抗拉強度、斷裂伸長率等指標，篩選出最合適的甘油濃度。

1.2.1.3 羧甲基纖維素鈉溶液制備 將羧甲基纖維素鈉溶解于蒸餾水中，制備成濃度為1.5%的溶液。

1.2.1.4 海藻酸鈉溶液和羧甲基纖維素鈉溶液混合比例的確定 海藻酸鈉溶液(3.0%)與羧甲基纖維素鈉溶液(3.0%)按10∶0、9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、5∶5 的比例混合，制成膜，測定膜的各性質，確定復合膜組成最佳比例。

1.2.2 膜的制備工藝 將準備好的膜液趁熱涂于自制的玻璃板上，冷卻至室溫，然后用2%的CaCl2交聯(lián)2min，二者反應原理是海藻酸陰離子與氯化鈣產生二價鈣離子，發(fā)生靜電作用而吸引，從而團聚而沉淀。放在60℃烘箱干燥24h。揭膜，將膜標好記號后，放入預先裝有硝酸鎂飽和溶液(相對濕度RH 為50%)的干燥器中均衡至少48h，測定膜厚度、透明度、抗拉強度、斷裂伸長率、水蒸氣透過性等性能。

1.2.3 實驗測定指標和方法

1.2.3.1 膜厚度(Film Thickness，F(xiàn)T)的測定 將膜裁成長條(3cm ×2cm)，任取10 條疊放在一起，取5點測其厚度，取其平均值為膜的厚度。

1.2.3.2 透明度的測定 用透光率近似地表示膜的透明度。將膜裁成長條(3cm ×1cm)，緊貼于比色皿的一側，在600nm 的波長下測定其透光率，以空比色皿為對照，每個樣測三次取平均值。

1.2.3.3 吸水率的測定 共混膜的吸水率的測定參考聞燕的方法［7］，將膜樣剪成2.0 ×2.0cm 膜片，浸入蒸餾水的稱量瓶中室溫靜置24h，小心取出膜片，用濾紙吸干表面的水分后稱重(W1)，重復此操作至恒重，然后將濕膜于60℃下減壓干燥24h 至恒重(W2)，吸水率(Q)按式(1)計算:

1.2.3.4 水蒸氣透過系數(shù)(Water Vapor Transmission Rate，WVTR)的測定 參照擬重量法:將膜材料密封于裝有5g 無水氯化鈣(要求稱量至恒重)的小錐形瓶中，稱重記為T1，然后將小錐瓶放置于相對濕度為90% ±2%，溫度為(25 ±2)℃的干燥器中，定時取出測定到前后兩次質量的增加量相差不超過5%時，其增重記T2。其計算方法如式(2):

式中:WVTR-水蒸氣透過速率(%);T1為未吸水時小錐形瓶的初始重量(g);T2為定時吸水后小錐形瓶的重量(g)。

1.2.3.5抗拉強度的測定 參照GB/T 1040.3-2006［8］的方法進行測定。

1.2.3.6 斷裂伸長率的測定 將膜裁切成長2.0cm ×5.0cm 的長條，用質構儀測定，初始夾距設定為50mm，拉伸速度為5mm/s，有效拉伸距離為100mm，記錄膜受到張力至斷裂時的膜長(L1)［9］。根據(jù)公式(3)計算膜的斷裂伸長率:

式中:E-斷裂伸長率(%);L1-膜斷裂時的長度(cm);L0-膜的原長(cm)。

1.2.4 統(tǒng)計分析 所得數(shù)據(jù)均為多次重復的平均值，用Statistix 8.0(分析軟件，St Paul，MN)進行數(shù)據(jù)分析，平均數(shù)之間顯著性差異(p ＜0.05)通過Turkey test 程序進行，用Sigmaplot 9.0 作圖。

2 結果與分析

2.1 海藻酸鈉濃度對膜特性的影響

從表1 可以看出，隨著海藻酸鈉成膜溶液濃度的升高，膜的厚度不斷增大、膜的透光率不斷降低，且差異顯著(p ＜0.05)。當海藻酸鈉成膜液濃度為0.5%時，成膜液稀薄制備膜干燥后形成的膜薄、且難形成完整的膜，但透明度達到96%。當濃度增大到2%時，膜液成粘度大、色澤黃，流涎成膜不均勻。

水蒸氣透過性是衡量膜性能的重要指標之一，隨著海藻酸鈉濃度的增加，其水蒸氣透過率逐漸降低(p ＜0.05)，低的水蒸氣透過率是延長食品貨架期的基本條件。

膜的抗拉強度和斷裂伸長率是膜的力學性能的體現(xiàn)，它表明了材料在各種使用條件下的強度和抵抗破壞的能力。隨著海藻酸鈉濃度的增加，膜的抗拉強度增大(p ＜0.05)，這是因為海藻酸鈉濃度越大，單位體積內的分子數(shù)越多，成膜時高分子鏈間的相互作用力越強，分子間交聯(lián)更加緊密，膜的強度也隨之增大［10］。膜的斷裂伸長率隨海藻酸鈉濃度的增加，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在濃度為2.5%時，達到最大。這是因為海藻酸鈉濃度增加到一定程度時，膜延展性降低、強度增加，從而導致伸長率減小。綜合海藻酸鈉膜的性能，為了達到高透明度、低水蒸氣透過率、高抗拉強度，以及降低成本考慮，確定海藻酸鈉成膜液的濃度為1.5%。

表1 海藻酸鈉濃度對膜特性的影響Table 1 Effect of sodium alginate concentration on the properties of film

表2 甘油對膜特性的影響Table 2 Effect of glycerol concentration on the properties of film

2.2 甘油濃度對海藻酸鈉膜特性的影響

單一使用海藻酸鈉膜的質地比較脆、韌性較差，在食品中的應用受到明顯的限制?？梢酝ㄟ^添加小分子的增塑劑，使其在大分子蛋白質聚合鏈之間起到增塑的作用，避免膜產生大的孔洞和裂縫，加強膜的完整性，并改善膜的機械性能。增塑劑增塑作用的主要原理是，增塑劑分子與聚合物之間相互作用，削弱大分子之間的相互作用力，使得分子內部氫鍵作用減弱［11-13］。有研究發(fā)現(xiàn)，增塑劑的加入改變膜的微觀結構，降低膜的結晶區(qū)與無定形區(qū)的比例，從而提高膜的滲水蒸氣透過率［14］。

從表2 可以看出，在1.5%的海藻酸鈉成膜液中，隨著甘油添加量的增加，海藻酸鈉膜厚度、透明度和抗拉強度逐漸下降、膜的水蒸氣透過率呈現(xiàn)顯著的上升趨勢，且差異明顯(p ＜0.05)，特別是當甘油濃度從0.5%增加到2%時，膜的水蒸氣透過率從15.88%增加到34.66%，這是由于甘油分子與海藻酸鈉相互作用，使海藻酸鈉分子內部的作用力減弱，使分子的排列松散，引起海藻酸鈉膜的水蒸氣透過率增大。隨著甘油濃度的增加，膜的伸長率先增加后降低，斷裂伸長率增加表明其的柔軟性增加，當濃度為1.5%時達到最大值(52.16%)。為使膜有一定的柔韌性和較高的強度，并保證不使膜的水蒸氣透過率太大，確定甘油的添加量為1.5%。

2.3 羧甲基纖維素和海藻酸鈉共混對膜的特性的影響

2.3.1 羧甲基纖維素的添加對膜抗張強度及斷裂伸長率的影響 羧甲基纖維素溶液和海藻酸鈉溶液以不同的比例共混對膜的抗張強度及斷裂伸長率的影響見圖1，隨羧甲基纖維素所占比例的增加，共混膜的抗拉伸強度增加，當海藻酸鈉溶液和羧甲基纖維素溶液的混合比例為8∶2 時，達最大值1.41kg/cm2，比單一海藻酸鈉膜的抗拉伸強度提高了15.6%。共混膜的斷裂伸長率在海藻酸鈉溶液和羧甲基纖維素溶液的混合比例為9∶1 時出現(xiàn)一個小峰，隨后隨著羧甲基纖維素含量的增加，呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢。因此，海藻酸鈉與羧甲基纖維素共混后影響了共混膜的拉伸強度和斷裂伸長率。綜合共混膜的特性，海藻酸鈉溶液和羧甲基纖維素溶液的混合比例應該介于9∶1 與8∶2 之間。這一結果與Brindle 的研究共混膜的結果相一致［15］。

圖1 羧甲基纖維素對共混膜抗張強度和斷裂伸長率的影響Fig.1 Effect of CMC concentration on the tensile strength and elongation of the blend film

2.3.2 添加羧甲基纖維素對復合膜的水蒸氣透過率和吸水率的影響 如圖2 所示，共混膜中當羧甲基纖維素溶液所占比例低于20%時，其吸水率比純海藻鈉酸膜低。當向海藻酸鈉溶液中逐漸增加羧甲基纖維素溶液時，共混膜的吸水率先隨著羧甲基纖維素含量的增加而減小，當二者混合比例為8∶2 時，降低至最低值，之后再隨著羧甲基纖維素含量的增加而增加。這表明向海藻酸鈉成膜液中逐漸加入羧甲基纖維素時，兩組分分子間作用力逐漸增加，當羧甲基纖維素膜液量約為20%時，兩中分子間有較強作用力，這與抗拉強度和斷裂伸長率的測定結果相符，此時吸水率降至最低值，之后再增加羧甲基纖維素膜液的量，共混膜的吸水性能又逐漸增大。

隨著羧甲基纖維素含量的增加，共混膜的水蒸氣透過率出現(xiàn)急劇的下降。當羧甲基葡纖維素溶液的量為10%時，共混膜的水蒸氣透過率達到最小值，之后再增加羧甲基纖維素溶液的量，膜水蒸氣透過率開始上升，這可能是因為羧甲基纖維素與海藻酸鈉分子間強烈的相互作用導致共混膜致密度，結晶度和結構致密程度發(fā)生了變化，進而改善了其阻止水蒸氣透過性能。

綜合考慮各性能，尤其是吸水率和水蒸氣透過率的變化，我們選擇羧甲基纖維素添加量為15%最佳，及海藻酸鈉溶液與羧甲基纖維素溶液比為85∶15。

表3 山梨酸鉀的濃度對復合膜特性的影響Table 3 Effect of potassium sorbate on the properties of the blend films

圖2 羧甲基纖維素對共混膜水蒸氣透過率和吸水率的影響Fig.2 Effect of CMC concentration on the water vapor transmission rate and water absorption of the blend films

2.4 山梨酸鉀的濃度對復合膜特性的影響

山梨酸鉀的添加量對復合膜特性的影響如表3所示，當山梨酸鉀的添加量從3%增加到8%時，復合膜的特性沒有發(fā)生明顯變化(p ＞0.05)。山梨酸鉀作為食品中常用的防腐劑，可有效地抑制酵母菌、霉菌等的生長繁殖［17］。但山梨酸鉀的使用濃度大必定會導致其攝入量增大，對人體造成不良影響，因此復合抗菌膜中山梨酸鉀的添加量為3%。

3 結論

隨著海藻酸鈉濃度的升高，可食性膜的抗拉強度逐漸上升，膜的斷裂伸長率先上升后下降;添加甘油可提高海藻酸鈉膜的柔韌性和水蒸氣透過性，但添加過量會降低膜的抗拉強度。海藻酸鈉、羧甲基纖維素共混后明顯提高可食性膜的抗拉強度和斷裂伸長率，這是由于兩種天然高分子材料具有良好的相容性、分子間存在著靜電引力，增強了復合膜的力學特性。防腐劑添加量對共混膜的特性沒有明顯影響，為了節(jié)約能源和食品安全考慮，山梨酸鉀在復合抗菌膜中的添加量為3%。因此，復合抗菌膜最佳成膜液的組成為:1.5%海藻酸鈉+1.5%羧甲基纖維素鈉+1%甘油+3%山梨酸鉀，成膜材料海藻酸鈉∶羧甲基纖維素鈉溶液=85∶15，此時復合抗菌膜的透明度高、膜薄、力學特性強。

［1］劉琳.可食性抗菌膜在肉類食品保鮮中的應用［J］.肉類研究，2007，12:45-47.

［2］鄧靖，譚興和，周曉媛.丁香油-海藻酸鈉可食性抗菌膜的研制［J］.食品工業(yè)科技，2009，30(9):302-305.

［3］Ohzuku T，Makimura Y.Layered lithium insertion in aterial of LiNi1/ 3 Mn1/ 3 Co1/ 3 O2for lithiumtion batteries［J］.Chemistry Letters，2001，7:642-643.

［4］周英輝，黃明智.明膠-海藻酸鈉復合體系用于pH 敏感智能藥物釋放體系的研究［J］.北京化工大學學報，2003，30(5):75-78.

［5］張良英，王碧，丁洪英，等.海藻酸羧甲基葡甘聚糖共混膜的結構與性能研究［J］.化學世界，2008，7:23-26.

［6］Siragusa G R，Dickinson J S. Inhibition of Listeria monocytogenes，Salmonella Typhimurium and Escherichiacoli beef musc letissue by lacticoracetic acidcon tainedincalciumalginategel［J］.Journal of Food Safety，1993，13(2):147-158.

［7］聞燕，杜予民.海藻酸鈉/羧甲基淀粉共混膜［J］.功能高分子學報，2003，16(4):535-539.

［8］GB/T 1040.3-2006，塑料抗拉強度的測定［S］.

［9］Millette M，Letien C，Smoragiewicz W. Inhibition of Staphylococcu saureuson beef by nisin - containing modified alginate films and Beads［J］.Food Control，2007，18:878-884.

［10］Butler B L，Vergano P J.Mechanic and barrier properties of edible chitosan films as effected by composition and storage［J］.Journal of Food Science，1996，61(5):953-956.

［11］Chen C H，Lai L S.Mechanical and water vapor barrier properties of tapioca starch/decolorized hsiantsao leaf gum films in the presenceof plasticizer［J］.Food Hydrocolloids，2008，22(8):1584-1595.

［12］Galdeano M C，Mali S，Grossmann M V. Effects of plasticizers on the properties of oat starch films［J］.Materials Science and Engineering，2009，29(2):532-538.

［13］Schou M，Montesinos-Herrero C L，Monahan F J.Properties of edible sodium caseinate films and their application as food wrapping［J］. Food Science and Technology，2005，38 (6):605-610.

［14］陳麗嬌，鄭明峰.大黃魚海藻酸鈉涂膜保鮮效果研究［J］.農業(yè)工程學報，2003，7:209-211.

［15］Brindle L P，Krochta J M.Physical properties of whey protein hydroxyl-propylmethyl-cellulose blend edible films［J］.Journal of Food Science，2008，73(9):46-54.

［16］Gómez-Estaca J，Montero P，Giménez B.Effect of functional edible films and high pressure processing on microbial and oxidative spoilage in cold-smoked sardine［J］.Food Chemistry，2007，105:511-520.