胡海玥，周彩瑩，李海嶺，李子來，袁哲，馮永莉，楊晨，3*，汪建明*

（1.天津科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300457；2.山東天驕生物技術(shù)有限公司，山東 菏澤 274108；3.優(yōu)滋福（天津）食品科技有限公司，天津 300457）

可食用膜是一種以不同可食用生物聚合物（如多糖、脂類和蛋白質(zhì)）為成膜基質(zhì)，形成的具有一定阻隔能力和機(jī)械性能的薄膜[1-2]。同時為增加其柔韌性并降低脆性，常使用甘油、山梨糖醇等作為增塑劑[3-4]，降低聚合物分子間的內(nèi)聚力，增加聚合物鏈的流動性[5]。將各類可食用的材料應(yīng)用于食物保鮮上具有非常悠久的歷史。古代，中國便將蜂蠟涂抹在水果上[6]，使其形成一層可食用薄膜，用來保鮮。二十世紀(jì)九十年代，將蠟作為一種商業(yè)可食用涂料，應(yīng)用于水果中[7]。但這些材料對于食品的保鮮效果欠佳，而且其應(yīng)用范圍不是很廣。

隨著科技的發(fā)展，塑料材料（如聚丙烯、聚乙烯等）因其具有良好的保鮮性能和機(jī)械強(qiáng)度，在食品工業(yè)領(lǐng)域和日常生活中被廣泛應(yīng)用[8-9]。但這些材料缺乏良好的回收性和可降解性[10]，造成資源的大量浪費(fèi)和環(huán)境污染。近些年，由于消費(fèi)者對環(huán)境保護(hù)和食品安全意識的不斷提高，以可食用并且易降解的材料作為基礎(chǔ)所制作出來的可食用膜受到了很大的關(guān)注[11]?？墒秤媚た梢酝ㄟ^阻斷水、氧氣以及溶質(zhì)等與食物腐爛有關(guān)的物質(zhì)和被保鮮物的接觸[12]，減少包括物理、化學(xué)和酶等不良反應(yīng)，在食品制造、保藏和延長食品材料保質(zhì)期等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用?？墒秤媚さ牟牧蟻碓磸V泛，并且可以搭載各種天然功能物質(zhì)[13-14]，使膜的功能特性更加豐富，應(yīng)用范圍更加廣泛，具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。Echeverría等[15]以大豆蛋白和丁香精油為基質(zhì)制成的復(fù)合薄膜具有顯著的抗氧化和抗菌性能。陽暉[16]研究仙草膠對蛋白膜的改善效果，發(fā)現(xiàn)將仙草膠與蛋白混合可以改變蛋白膜的網(wǎng)絡(luò)微觀結(jié)構(gòu)，從而影響膜的宏觀性質(zhì)。

大豆分離蛋白（soybean protein isolate，SPI）是一種全價粉狀食品原料和食品添加劑，其蛋白質(zhì)含量在90%以上[17]，且含有的氨基酸種類有20種[18-19]。SPI因其具有生物降解和可再生性，并具有良好的成膜能力[20-21]，被廣泛用作可食用膜的成膜基質(zhì)[22]。但是單一的SPI膜存在物理-機(jī)械強(qiáng)度不足、功能性較差等問題[23]，從而導(dǎo)致其應(yīng)用范圍受到限制。因此，在以SPI為成膜基質(zhì)的基礎(chǔ)上，需要添加其他具有功能性的物質(zhì)，提高膜的物理-機(jī)械強(qiáng)度，增加功能性。亞麻籽膠（flaxseed gun，F(xiàn)G）是一種源于亞麻籽，具有親水性的膠體[24]，其主要成分為酸性多糖（75%）和中性多糖（25%）。在食品工業(yè)中，因其具有良好的增稠性、乳化性和乳化穩(wěn)定性[25-27]，被廣泛用作增稠劑、乳化劑和穩(wěn)定劑[28-30]。FG還具有降血糖、降低膽固醇等生理功能[25，31]以及抗氧化和抑菌特性[32]。

本研究以SPI作為成膜基質(zhì)，探究不同F(xiàn)G添加量對可食用膜的物理-機(jī)械性能、阻氧性、阻水性和光學(xué)性能的影響，參考模糊綜合評價法對其進(jìn)行累計(jì)加權(quán)。為FG擴(kuò)大在食品中的應(yīng)用，尤其是食品包裝保鮮方向提供一定的參考，同時本研究也為今后研究多糖與SPI的作用機(jī)制提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

SPI（蛋白質(zhì)含量78.95%，食品級）：山東萬得福生物科技有限公司；FG（純度≥99%，食品級）：浙江一諾生物科技有限公司；大豆油（食品級）：益海嘉里金龍魚糧油食品股份有限公司；甘油（食品級）：天津津東天正精細(xì)化學(xué)試劑廠；磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉（均為分析純）：北京鼎國生物技術(shù)有限公司；無水氯化鈣（分析純）：上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；其余試劑均為分析純；亞克力平板：福建御涂達(dá)建材商貿(mào)有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

恒溫磁力攪拌器（HJ-6A）：上海易友儀器有限公司；電熱鼓風(fēng)干燥箱（GZX-9030MBE）：上海博旭醫(yī)療生物儀器股份有限公司；高剪切分散均質(zhì)機(jī)（D-500）：德國維根技術(shù)（北京）有限公司；通風(fēng)櫥（FGG1800）：武漢貝科科技股份有限公司；紫外分光光度計(jì)（U120Pro）：上海翱藝儀器有限公司；質(zhì)構(gòu)儀（TA.XT2i）：英國Stable Micro System公司；螺旋測微儀（SONGQI）：佛山市立發(fā)五金工具有限公司。

1.3 可食用膜的制備方法

準(zhǔn)確稱取SPI 5 g，溶于100 mL蒸餾水中，磁力攪拌10min至蛋白完全溶解，調(diào)節(jié)pH值至10，加入2 mL甘油，放入80℃水浴鍋攪拌加熱30 min后，分別加入0%、1%、2%、3%、4%、5%的FG（以SPI質(zhì)量計(jì)，質(zhì)量比）充分混合（不同F(xiàn)G添加量的膜分別用FG-0、FG-1、FG-2、FG-3、FG-4、FG-5表示），繼續(xù)加熱30 min，然后均質(zhì)5 min，冷卻至室溫（25℃），靜置30 min，將成膜液倒入20 cm×20 cm的亞克力平板上，鋪勻，放入通風(fēng)櫥內(nèi)干燥24 h后取出揭膜。將膜放入裝有飽和NaBr溶液的干燥器中，平衡2 d后做測定。

1.4 膜的物理-機(jī)械性能的測定

1.4.1 膜厚的測定

參考GB/T 6672—2001《塑料薄膜和薄片厚度測定機(jī)械測量法》，使用螺旋測微儀，在平衡后的膜上選取4個點(diǎn)進(jìn)行膜厚測定，4個點(diǎn)應(yīng)對稱，每個樣品重復(fù)3次。

1.4.2 膜的機(jī)械性能測定

將膜樣品用剪刀裁成15mm×60mm的長方形后，將其置于質(zhì)構(gòu)儀上，將質(zhì)構(gòu)儀的初始夾距設(shè)定為30 mm，用來測定膜在斷裂時的抗拉強(qiáng)度（tensile strength，TS）和斷裂伸長率（elongation at break，EAB），每個樣品重復(fù)3次。

1.4.3 膜的水蒸氣透過量的測定

參考GB/T 1037—2021《塑料薄膜與薄片水蒸氣透過性能測定杯式增重與減重法》，均勻地在稱量瓶內(nèi)鋪上粉碎且干燥至恒重的4 g無水氯化鈣粉末，將膜剪裁成適合的大小，蓋在稱量瓶口，并使用石蠟將縫隙填滿封住。將覆蓋有膜的稱量瓶放置于干燥器內(nèi)，干燥器內(nèi)部相對濕度為50%，間隔12 h對其進(jìn)行稱重，當(dāng)前后兩次的質(zhì)量差小于5%時，結(jié)束稱重。每個樣品重復(fù)3次測定，水蒸氣透過量（water vapor transmission，WVT）計(jì)算公式如下。

式中：WVT為水蒸氣透過量，g/m2·24 h；△m為經(jīng)過t時間后瓶增重，g；A為水蒸氣透過膜的面積，m2；t為稱重時間間隔，h。

1.4.4 膜的水溶性測定

將膜裁成30 mm×30 mm大小，將裁好的膜與燒杯放入干燥箱中干燥至恒重后稱重。向燒杯中加入一定量的蒸餾水，放在室溫（25℃）下24 h后，保留剩余的膜，將水倒掉，并將其干燥至恒重，記錄其質(zhì)量。每個樣品重復(fù)3次，水溶性系數(shù)計(jì)算公式如下。

式中：WS為水溶性系數(shù)，%；m為初始膜的質(zhì)量，g；m1為初始膜與燒杯的質(zhì)量，g；m2為干燥后膜與燒杯的質(zhì)量，g。

1.4.5 膜的透光率測定

將膜裁成與比色皿一側(cè)大小一致的長條，貼在一側(cè)，使用紫外分光光度計(jì)在500 nm下以未貼膜的空白比色皿作為對照，測定膜的透光率，每個樣品重復(fù)測定3次。透光率計(jì)算公式如下。

T/%=0.1A

式中：T為透光率，%；A為吸光度。

1.4.6 膜的氧氣透過性測定

將5 g的大豆油倒入燒杯中，將膜剪裁成合適的大小，覆于燒杯口上方，并將不覆蓋膜的燒杯中的大豆油做空白組。將所制樣品放入干燥箱中保存7 d，設(shè)定溫度為60℃。7 d后每個樣品各稱取2 g，檢測其過氧化值，每個樣品重復(fù)測定3次，用來判斷膜的氧氣透過性，過氧化值（peroxide value，POV）計(jì)算公式如下。

式中：POV為過氧化值，g/100 g；V為試樣消耗的硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液體積，mL；V0為空白試劑消耗的硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液體積，mL；c為硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，mol/L；0.126 9為與1.00 mL硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液[c（Na2S2O3）=1.000 mol/L]相當(dāng)?shù)牡獾馁|(zhì)量，g；m為試樣質(zhì)量，g。

1.5 膜的綜合性能判定

膜的綜合性能判斷選取模糊綜合評價法，即隸屬度函數(shù)。本研究的膜所需要考慮的指標(biāo)為水蒸氣透過量（負(fù)效應(yīng)）、抗拉強(qiáng)度（正效應(yīng)）、斷裂伸長率（正效應(yīng)）、氧氣透過性（負(fù)效應(yīng)）、水溶性（正效應(yīng)）、透光性（正效應(yīng)），綜合評價的權(quán)重子集為Y{0.15，0.2，0.2，0.2，0.1，0.15}。

累加加權(quán)隸屬度值∑X（u）·Y為膜的多個指標(biāo)經(jīng)過計(jì)算所得的數(shù)值，其值越大，證明膜的綜合能力越好。隸屬度函數(shù)值計(jì)算公式如下。

正效應(yīng)X（u）=（Xi-Xmin）/（Xmax-Xmin）

負(fù)效應(yīng)X（u）=1-（Xi-Xmin）/（Xmax-Xmin）

式中：X（u）為分析指標(biāo)的隸屬度函數(shù)值；Xi為分析樣品指標(biāo)的數(shù)據(jù)值；Xmax為分析樣品指標(biāo)在數(shù)據(jù)列的最大值；Xmin為分析樣品指標(biāo)所在數(shù)據(jù)列的最小值。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 23軟件進(jìn)行方差分析和差異顯著性分析。試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)利用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，通過Origin 2018軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 FG添加量對膜的阻隔性能影響

可食用膜作為應(yīng)用到食品保鮮的包裝材料，WVT和POV可以在一定程度上表示膜的保鮮效果。FG添加量對膜的WVT和POV的影響見圖1。

圖1 FG添加量對膜的WVT和POV影響Fig.1 Effect of addition amount of FG on WVT and POV of the film

由圖1可知，WVT在FG添加量0%時為15.51g/m2·24 h，隨著FG添加量的增加，WVT先減小后增大，F(xiàn)G添加量2%時達(dá)到最小值10.64 g/m2·24 h。FG添加量5%時WVT達(dá)到最大值22.97g/m2·24h?？赡苁荈G-1和FG-2樣品中的FG與SPI結(jié)合，在膜表面形成疏水層，阻隔了水蒸氣的進(jìn)入。而FG-4、FG-5的WVT值均比FG-0高，推斷是隨著FG添加量的不斷增加，其結(jié)合逐漸飽和，多余的FG不能和蛋白質(zhì)分子結(jié)合，膜中FG的含量上升，使SPI的含量下降，導(dǎo)致膜的結(jié)構(gòu)變得疏松，空隙增大，水分子較易通過[33]，并且FG可以使膜中親水基團(tuán)增加，使運(yùn)輸水分子的能力增強(qiáng)[30]，從而導(dǎo)致WVT的升高。

由圖1可知，單一SPI膜的阻氧能力較差，其POV為1.22 g/100 g，隨著FG添加量的增大，POV先降低至0.96 g/100 g（FG-3），后又升高至1.12 g/100 g（FG-4）。這可能是由于SPI自身含有大量的易吸附氧分子的非極性氨基酸[34]，F(xiàn)G可以與SPI分子鏈接，形成致密的結(jié)構(gòu)[23]，能夠阻擋氧氣的透過。但是FG添加量大于4%時，過多的FG使膜原本致密的結(jié)構(gòu)被破壞，結(jié)構(gòu)疏松[35]，POV增大。但在FG添加量達(dá)到5%時，POV又有了輕微的下降，為1.04 g/100 g，推斷可能是FG添加量過多，使膜厚較FG-0提高了120.00%，對氧氣造成了一定的阻隔性。

2.2 FG添加量對膜的機(jī)械性能的影響

可食用膜的力學(xué)性能在保持可食用膜結(jié)構(gòu)的完整性方面起著重要作用，其中抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率是兩個重要的參數(shù)。FG添加量對膜抗拉強(qiáng)度（TS）和斷裂伸長率（EAB）的影響見圖2。

圖2 FG添加量對膜的TS和EAB的影響Fig.2 Effect of addition amount of FG on TS and EAB of the film

由圖2可知，F(xiàn)G添加量對膜的TS和EAB均有影響，且隨著FG添加量的增加，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。在FG添加量為3%時，TS和EAB最高，分別為12.05 MPa和61.57%。此時FG與SPI分子發(fā)生了交聯(lián)，增強(qiáng)了分子之間的作用力，從而導(dǎo)致膜的機(jī)械強(qiáng)度增加。當(dāng)添加量達(dá)到4%和5%時，TS較3%時有一定的下降趨勢，分別為9.73 MPa和8.81 MPa；EAB也是同樣的趨勢，F(xiàn)G-4和FG-5的EAB分別為22.82%、21.59%，推斷可能因?yàn)镕G添加過量，無法與蛋白分子結(jié)合，使原本緊密的膜的微觀結(jié)構(gòu)變得疏松。陽暉[16]研究發(fā)現(xiàn)仙草膠在添加量為0%～30%時，仙草膠/大豆蛋白混合膜的機(jī)械強(qiáng)度提升，當(dāng)仙草膠添加量大于30%時，機(jī)械強(qiáng)度低于單一大豆蛋白膜，與本研究的結(jié)果相似。

2.3 FG添加量對膜的水溶性的影響

水溶性是判斷可食用膜功能的一個重要指標(biāo)。膜的水溶性受膜的微觀結(jié)構(gòu)、分子間作用力等因素的影響。FG添加量對膜的水溶性的影響見圖3。

圖3 FG添加量對膜的水溶性的影響Fig.3 Effect of addition amount of FG on water solubility of the film

由圖3可知，當(dāng)FG添加量0%～3%時，復(fù)合膜的水溶性由37.25%降低至16.19%。FG添加量為2%～3%時，水溶性顯著降低（p＜0.05）。這可能是因?yàn)镕G與蛋白質(zhì)的羥基結(jié)合[36]，使膜的空間結(jié)構(gòu)變得致密，使水分子不容易進(jìn)入膜的內(nèi)部[37]，并減少了羥基與水分子結(jié)合的數(shù)量，從而達(dá)到阻水和降低水溶性的效果。當(dāng)FG添加量為4%～5%時，相較于FG-3，水溶性有了一定的提升。當(dāng)FG添加量大于3%時，過量的FG無法與SPI結(jié)合。而FG是一種親水膠體[38]，在測定水溶性的過程中，F(xiàn)G可以與水反應(yīng)形成凝膠，導(dǎo)致膜的水溶性的下降。在試驗(yàn)過程中，觀察到添加了FG的膜均出現(xiàn)了溶脹現(xiàn)象。

2.4 FG添加量對膜厚和透光率的影響

FG添加量對膜厚和膜在500 nm時的透光率的影響見圖4。

由圖4可知，隨著FG添加量的增加，膜厚逐漸增加，F(xiàn)G-0、FG-1、FG-2、FG-3、FG-4、FG-5的膜厚分別為0.057、0.065、0.083、0.098、0.102、0.111 mm。在預(yù)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)G雖不能單獨(dú)成膜，但其溶液顏色基本無色；FG-SPI復(fù)合膜的顏色為淡黃色。FG-0的透光率最佳，為82.92%，隨著FG添加量的增加，透光率逐漸下降，F(xiàn)G-1、FG-2、FG-3、FG-4、FG-5分別77.80%、76.80%、75.34%、69.24%、64.61%。這個現(xiàn)象與膜厚的增加有一定的關(guān)系，且多糖可以和蛋白發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)[16,37,39]，從而對光的通路有一定的影響。FG作為一種多糖與SPI分子反應(yīng)，從而導(dǎo)致透光性的降低。

圖4 FG添加量對膜厚和透光率的影響Fig.4 Effect of addition amount of FG on thickness and light transmittance of the film

2.5 FG添加量對SPI膜性能的影響

將膜的6項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)經(jīng)過模糊綜合評價法變換為加權(quán)隸屬度值，其累加隸屬度值越大，證明膜的綜合性能越好。FG添加量對膜性能的影響如表1所示。

表1 FG添加量對膜性能的影響Table 1 Effect of FG addition amount on properties of soy protein isolate film

SPI膜作為應(yīng)用于食品包裝等領(lǐng)域的可食用膜，需要有良好的機(jī)械性能、阻氧性、阻水性以及外觀[23，37，39]。WVT和POV較低，證明膜具有比較好的阻隔性能，可以阻止氧氣和水接觸食品，減少微生物滋生，能夠更好地應(yīng)用于食品包裝領(lǐng)域；而膜的透光率從一定程度上可以影響消費(fèi)者對其喜好程度；TS和EAB可以判定膜是否具有良好的機(jī)械性能[1]。TS為膜保持結(jié)構(gòu)完整的最大負(fù)載耐受量，EAB可以表示膜的柔韌程度；在此試驗(yàn)中，使用多個指標(biāo)的加權(quán)隸屬度值對膜進(jìn)行綜合評價，加權(quán)隸屬度值越大，表明膜的綜合性能越好[2]。對這些指標(biāo)進(jìn)行模糊綜合評價，即隸屬度函數(shù)。發(fā)現(xiàn)在FG添加量為3%時，其綜合隸屬度值最大，為0.282 7，此時FG/SPI復(fù)合膜綜合性能較好。

3 結(jié)論

研究不同添加量（0%～5%）的FG對SPI膜功能特性的影響，隨著FG添加量的增加，膜厚逐漸增加，透光率下降。WVT出現(xiàn)了先降低后升高的現(xiàn)象，TS和EAB則與之相反。在FG添加量為3%時，TS和EAB分別達(dá)到12.05 MPa和61.57%，POV達(dá)到最小值為0.96 g/100 g，水溶性也達(dá)到最低值為16.19%。發(fā)現(xiàn)FG添加量為2%時，膜的WVT減小到最小值10.64 g/m2·24 h；對以上指標(biāo)進(jìn)行模糊綜合評價，當(dāng)FG添加量為3%即FG-3的復(fù)合膜性能最佳，具有良好的機(jī)械性能和阻隔性。本研究可以為今后深入探討多糖/蛋白復(fù)合膜提供一定的參考。