尹 艷，孫東山，董梓炯，謝曉雪，彭永宏

（1.惠州學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，廣東 惠州 516007；2.華南師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510631）

關(guān)鍵字：花青素；明膠；膜材料

塑料包裝材料給生活帶來便利的同時也帶來了嚴(yán)重的環(huán)境問題［1］.構(gòu)建生物可降解的食品包裝材料逐漸成為熱點問題.以天然生物大分子（蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和多糖等）為成膜基質(zhì)，通過分子間相互作用而形成具有多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的薄膜［2］，稱為可食性膜.蛋白質(zhì)膜相對于多糖膜和脂質(zhì)膜，具有更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，更優(yōu)良的性能［3］.明膠因其良好的成膜性，被廣泛用于蛋白質(zhì)膜材料的構(gòu)建［4-5］.胡二坤等人的研究表明添加溶菌酶納米氧化鋅能夠提高膜材料的紫外吸收特性和抗菌功能［6］.花青素能夠清除自由基，具有很強(qiáng)的抗氧化活性［7-8］，在紫外區(qū)域也有強(qiáng)吸收，我們已經(jīng)通過超聲波輔助提取法［9］和熱水浸提法［10］從紫薯中成功提取了花青素.在本論文中，制備了明膠和紫薯花青素復(fù)合膜材料，并通過進(jìn)行表征，以期為環(huán)境友好材料賦予紫外吸收特性和抗氧化特性.

1　材料與方法

1.1實驗材料

紫羅蘭紫薯 惠州學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院基地種植

1，1-二苯基-2-三硝基苯肼（DPPH）上海麥克林生化科技有限公司

明膠北京澳博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司

其他試劑均為分析純

1.2實驗儀器

ME203電子天平METTLER TOLEDO

DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司

OMNI Sonic Ruptor 4000超聲波細(xì)胞破碎儀美國Omni International公司

LHS-150HC恒溫恒濕箱上海一恒科學(xué)儀器有限公司

DHG-9023電熱鼓風(fēng)干燥箱中儀國科（北京）科技有限責(zé)任公司

UV-1700PC紫外可見光分光光度計上海美析儀器有限公司

熱重分析儀TG 209F1 Libra德國Netzsch

MC1000離子濺射裝置日本株式會社日立高新技術(shù)那柯事業(yè)所

SU8010掃描電子顯微鏡日本株式會社日立高新技術(shù)那柯事業(yè)所

1.3實驗方法

1.3.1花青素溶液的制備

在之前的研究基礎(chǔ)上，采用熱水浸提方法制備花青素溶液［10］.

1.3.2花青素明膠膜的制備

準(zhǔn)確稱取明膠固體顆粒，加入蒸餾水，于60°C水浴溫度下溶解3h，制得5%（w/v）的明膠溶液，加入40%甘油（w/w明膠）作為塑化劑，攪拌混合均勻，備用.量取50mL成膜溶液，分別加入花青素溶液，使得最終花青素含量分別為0，1×10-5%，2×10-5%，4×10-5%，8×10-5%，1.6×10-4%，攪拌混合，超聲脫氣（40kHz，120W），倒入有機(jī)玻璃盒（18×20cm）平鋪展開，并將中間的小氣泡驅(qū)趕到四周，在25°C，40%（%RH的恒溫恒濕箱干燥24h，取出揭取膜，在相對濕度為58%（%RH）（盛有飽和硝酸鎂溶液的干燥器中）的條件下平衡48h，待測.參考莫麗春等的方法，采用pH示差法測定花青素溶液的濃度［11］.

1.3.3膜厚度的測定

膜材料上分別隨機(jī)取5個點［12］，用螺旋測微器（精確到0.1mm）測量其厚度，取其平均值.

1.3.4膜水分含量（MC）和可溶性固形物（TSM）的測定［13-14］

1.3.5透光性能表征［6］

剪取大小為1×4cm的膜材料，緊貼于石英比色杯，選擇波長掃描模式，測量膜材料在波長為190-1100nm的透光率，繪制其圖譜.

1.3.6膜的熱力學(xué)表征

采用熱重分析法研究膜材料的熱力學(xué)性質(zhì)，稱取6-8mg膜材料放入坩堝內(nèi)，在氮?dú)鈿饬飨乱?0°C/min的速率從30°C加熱到700°C，系統(tǒng)研究樣品的重量損失率.

1.3.7膜的微觀結(jié)構(gòu)

使用HITACHI的SU8010掃描電子顯微鏡分析膜材料表面的微觀結(jié)構(gòu).將膜材料置于相對濕度為58%（%RH）（盛有飽和硝酸鎂溶液的干燥器中）的條件下平衡48h后取出，裁剪成適當(dāng)大小，用導(dǎo)電膠固定在樣品盤上，使用HITACHI的MC1000離子濺射裝置噴金100 s，掃描電鏡在加速電壓為15kv的條件下進(jìn)行觀察.

1.3.8膜的抗氧化活性

膜材料的抗氧化活性用膜材料的DPPH自由基清除能力來表征.參考Youngjae Byun等的方法［15］并略有修改.稱取0.1g的膜材料樣品，剪成碎片，置于離心管中，加入0.06mmol/L的DPPH乙醇溶液4mL，25°C溫度下避光反應(yīng)30min，在570nm波長下測量其吸光值，用乙醇作為對照組.每份樣品進(jìn)行3次平行試驗，取其平均值.按照下列公式計算DPPH自由基清除率（%DPPH自由基清除率/100mg膜材料）：

DPPH自由基清除率（%）=1-A/A0

式中：A為膜材料與DPPH溶液混合反應(yīng)后的吸光值；A0為DPPH溶液的吸光值.

1.3.9數(shù)據(jù)分析

采用Origin 8.6畫圖，實驗數(shù)據(jù)均采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，用SPSS 22.0軟件進(jìn)行一維方差分析，以及置信區(qū)間為95%的顯著性分析，顯著性水平被認(rèn)為是p＜0.05.所有圖表中采用相同的字母表示在p＜0.05水平差異不顯著，不同的字母表示差異顯著.

2　實驗結(jié)果與分析

2.1膜材料的厚度、水分含量（MC）和固形物含量（TSM）

厚度不僅是膜材料外觀的一個指標(biāo)，對膜材料所包裹的物質(zhì)的保護(hù)作用也至關(guān)重要.從表1可以看到，隨著膜材料中花青素含量的上升，膜材料的厚度也逐漸增加，但花青素含量對膜材料的厚度的影響并不顯著.從表1中還可以看到隨著花青素含量的上升，膜材料的固形物含量變化不大，而膜材料的水分含量有上升的趨勢，并在花青素含量2×10-5%與4×10-5%之間有顯著的增加.這可能是因為花青素是一種水溶性的黃酮化合物，花青素的添加，增加了明膠膜材料中的親水基團(tuán)，花青素與明膠分子之間的相互作用也在一定程度上增加了明膠的水溶性.隨著花青素含量的增加，花青素與明膠分子之間在作用力增強(qiáng)，提高了明膠膜材料的水溶性，同時也增加了明膠膜材料的厚度.

表1　各紫薯花青素明膠復(fù)合膜材料的MC，TSM，厚度

2.2膜材料的透光性能

圖1　紫薯花青素明膠復(fù)合膜材料的透光曲線

膜材料的透光性能直接影響著包裝食品的外觀.從圖1可以看到?jīng)]有添加花青素的明膠膜材料在紫外區(qū)域的吸收不大，這是由于明膠分子中芳香族氨基酸［14］的含量較低造成的，Wen M.等人的研究也得到相似的結(jié)果［13］.添加紫薯花青素之后的明膠膜材料在350 nm以內(nèi)的紫外區(qū)域具有明顯的吸收，并隨著紫薯花青素添加量的增加，明膠膜材料的紫外吸收顯著增加，并具有劑量相關(guān)效應(yīng).膜材料的紫外吸收能力對光敏感食品的保護(hù)至關(guān)重要.此外，在600nm處，隨著花青素含量的增加，膜材料的透光率依次下降，說明紫薯花青素的添加對明膠膜材料的外觀具有一定的影響，但是各膜材料的透光率均高于80%，且不同花青素含量的明膠膜之間的透光率差別不大，說明添加紫薯花青素對明膠膜材料的外觀影響不大.

2.3膜材料的熱穩(wěn)定性分析

本文用熱重分析方法表征明膠膜材料的熱穩(wěn)定性.圖2是紫薯花青素明膠復(fù)合膜材料的熱重圖.每個樣品的譜圖分為三個階段，分別是氫鍵斷裂與水分的揮發(fā)（120℃以下）、甘油的揮發(fā)（120℃以上到 260～270℃）和高分子的解聚和熱分解（260～270℃以上）.圖2可以看出，紫薯花青素明膠復(fù)合膜材料的熱重曲線的趨勢都很相似.可以觀察到，幾乎所有的紫薯花青素明膠膜材料的殘余量都比不添加紫薯花青素的明膠膜的有所提高，這表明紫薯花青素與明膠的相互作用降低了膜材料的熱分解和熱降解，提高了明膠膜材料基質(zhì)的熱穩(wěn)定性.試驗證明，紫薯花青素與明膠的相互作用在一定程度上可以提高膜材料結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性.圖2還可以看到，添加了最少量紫薯花青素的明膠膜材料的殘余量比不添加紫薯花青素的明膠膜材料的殘余量還要少.可能是因為添加的紫薯花青素太少，紫薯花青素與明膠分子的相互作用不足以抵消對明膠膜材料結(jié)構(gòu)均勻性的破壞.因此，一定量的紫薯花青素的添加能夠提高明膠膜材料的熱穩(wěn)定性.

圖2　紫薯花青素明膠復(fù)合膜材料的熱重曲線

2.4膜材料的微觀結(jié)構(gòu)分析

膜材料的微觀結(jié)構(gòu)決定著膜材料的性能.從圖3可以看到，沒有添加紫薯花青素的明膠膜材料的表面相對平整，結(jié)構(gòu)相對致密，隨著膜材料中紫薯花青素含量的增加，明膠膜材料的表面越來越不平整，從零星小細(xì)紋的出現(xiàn)到明顯的呈網(wǎng)絡(luò)狀的紋理的出現(xiàn)，再到長條形的大的溝壑的出現(xiàn)，紋理逐漸變粗變強(qiáng)，說明隨著紫薯花青素的添加量的增加，紫薯花青素與明膠分子之間的相互作用也逐漸增強(qiáng)，紫薯花青素對明膠膜材料的結(jié)構(gòu)致密性的破壞也更大.結(jié)合2.3中膜材料的熱穩(wěn)定性分析，隨著紫薯花青素添加了的增加，紫薯花青素與明膠分子之間的相互作用比紫薯花青素對明膠膜材料結(jié)構(gòu)致密性的破壞要大.

圖3　紫薯花青素明膠復(fù)合膜材料的掃描電鏡圖

2.5膜材料的抗氧化性能分析

食品包裝的抗氧化性能在食品保藏過程中對食品品質(zhì)的影響十分重要.從表2可以看到，隨著膜材料中紫薯花青素含量的增加，紫薯花青素明膠復(fù)合膜材料的DPPH清除率也逐漸增加，并與紫薯花青素的含量正相關(guān).

表2　紫薯花青素明膠復(fù)合膜材料的DPPH清除活性

3　結(jié)論

3.1添加紫薯花青素對花青素明膠膜材料的厚度、水分和固形物含量的影響不顯著.

3.2隨著紫薯花青素含量的增加，膜材料中紫薯花青素與明膠分子之間的相互作用也逐漸增強(qiáng)，紫薯花青素明膠膜材料的表面粗糙度增強(qiáng)，同時其熱穩(wěn)定性也得到提高.明膠膜中添加京尼平的研究中發(fā)現(xiàn)京尼平的用量對明膠膜也有類似的作用［14］.

3.3添加紫薯花青素能夠顯著提高膜材料的紫外吸收特性和抗氧化活性，對食品保藏過程中的食品氧化和紫外照射造成的食品變質(zhì)有重要意義.