許國(guó)娟，袁欣睿，陳凱

(湖北工業(yè)大學(xué) 生物工程與食品學(xué)院，武漢 430068)

食品安全性和功能性是世界范圍內(nèi)共同關(guān)注的問(wèn)題，植物多糖及天然色素為人類開(kāi)發(fā)功能性食品及多元化可食膜提供了廣泛素材。天然植物多糖(polysaccharide)來(lái)源廣泛，有較高安全性，一般具有抗氧化、降血糖、抗癌、調(diào)節(jié)免疫力、促進(jìn)消化等活性，在食品工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，常見(jiàn)植物多糖包括淀粉、纖維素、魔芋葡甘聚糖等。天然色素(natural pigment)讓人類的生活色彩紛呈，其來(lái)源于動(dòng)植物和微生物，一般具有抗菌、抗氧化、抗腫瘤及預(yù)防慢性疾病的功效，深受人們推崇[1]。

淀粉(starch)是植物體普遍存在的多糖大分子，廣泛貯藏于糧油類食品原料的籽粒及多種植物的根莖中，資源豐富，應(yīng)用廣泛。淀粉分子通過(guò)葡萄糖由1,4-糖苷鍵連接成直鏈，與支鏈經(jīng)1,6-糖苷鍵連接而成[2]。淀粉價(jià)格便宜，是食品原料中最為豐富的成分之一，加工過(guò)程中具有凝膠、糊化、流變、成膜性等特性，能與水、大分子、天然色素分子以非共價(jià)鍵相互作用，形成致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。瓊脂(agar)是來(lái)源于海藻的多糖，分子結(jié)構(gòu)為1,3-糖苷鍵連接的β-D-半乳糖和1,4-糖苷鍵連接的3,6-內(nèi)醚-L-半乳糖交替連接的線性多糖，能與一些物質(zhì)形成絡(luò)合物，可用作增稠劑、凝固劑、懸浮劑、乳化劑、保鮮劑和穩(wěn)定劑，在食品工業(yè)、生物工程、化工與醫(yī)藥等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用(見(jiàn)圖1)[3]。

姜黃素(curcumin)是一種二酮類化合物，其主要成分為姜黃素、脫甲氧基姜黃素、雙脫甲氧基姜黃素，從姜科、天南星科等植物的根莖中提取而來(lái)。姜黃色素著色力強(qiáng)、無(wú)毒、無(wú)副作用，是食品中重要的天然色素之一，但食品在加工過(guò)程中經(jīng)多種工序處理，如酸堿處理、熱處理、高溫殺菌、冷藏、添加礦物質(zhì)或防腐劑、甜味劑等都會(huì)限制姜黃色素的大規(guī)模應(yīng)用(見(jiàn)圖1)[4]。

圖1 淀粉、瓊脂和姜黃素的分子結(jié)構(gòu)

天然色素的相容性決定了其在食品中的應(yīng)用前景，氫鍵、靜電作用、疏水作用、范德華力等非共價(jià)鍵是有機(jī)小分子(水溶性天然色素)與多糖等大分子間的主要作用力，為天然色素在食品包裝中的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。例如鄒小波等[5]制備了天然花青素提取物與殼聚糖明膠的復(fù)合膜，發(fā)現(xiàn)玫瑰復(fù)合膜阻濕性好、抗拉伸能力高，DPPH自由基清除能力達(dá)到95.47%；研究發(fā)現(xiàn)紅曲紅與淀粉顆粒間可形成以氫鍵為主的物理吸附作用[6]；番茄紅素被用于與明膠結(jié)合制備可食膜(edible film)包裝；Akhtar等在HPMC中添加了β-花青苷，增加了阻氧性和阻水性，延長(zhǎng)了食物的保質(zhì)期[7]。因此，基于天然色素與食品大分子相互作用而形成的聚集態(tài)物質(zhì)的研究和應(yīng)用具有重要的前景和意義。

本文以淀粉和瓊脂的溶膠為成膜基材，與不同配比的姜黃色素復(fù)合，制備starch-agar-curcumin(SAC)可食包裝膜，運(yùn)用現(xiàn)代食品研究手段，分析其微觀結(jié)構(gòu)、紅外光譜、力學(xué)性能、耐水性、親水性及顏色穩(wěn)定性，為天然色素膜成膜特征的研究提供了理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

淀粉、瓊脂粉、甘油：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；姜黃：武漢綠孚生物工程有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

OS20-Pro型電子攪拌器 美國(guó)Scilogex(賽洛捷克)公司；ME204型分析天平 上海梅特勒-托利多有限公司；DNG-9031A型烘箱、SHP-150型恒溫培養(yǎng)箱、XMTE-8112型電熱恒溫水浴鍋 上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；JSM6390LV型掃描電子顯微鏡 日本電子儀器有限公司；Thermo Scientific Nicolet iZ10傅里葉變換紅外光譜儀 ThermoFisher Scientific公司；TMS-PRO型質(zhì)構(gòu)儀 美國(guó)FTC公司；DSA25型水接觸角測(cè)試儀 德國(guó)克魯斯公司；Colormeter MAX色差儀 杭州彩譜科技有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 淀粉基姜黃素(SAC)膜的制備

按照表1稱取不同比例的淀粉和瓊脂粉加入100 mL去離子水中，在90 ℃、轉(zhuǎn)速為500 r/min的條件下，持續(xù)攪拌30 min，再加入1.25 g甘油，持續(xù)攪拌15 min，最后加入不同比例的姜黃素，持續(xù)攪拌15 min得到均勻膜液。稱取40 g膜液倒于塑料培養(yǎng)皿中(直徑d=15 cm)鋪平，在50 ℃烘箱中干燥8 h，烘干后取出，平展地放入塑封袋中標(biāo)記并密封保存。

表1 制備SAC膜的配方

1.3.2 膜性能測(cè)試

1.3.2.1 掃描電子顯微鏡觀察

利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察膜的微觀形貌；將SAC膜在液氮中脆斷，并用導(dǎo)電膠固定在不銹鋼樣品臺(tái)上，利用粒子濺射儀，將金粒子濺射到貼好的樣品上，濺射80 s，使其具有導(dǎo)電性，觀察膜的橫截面。

1.3.2.2 傅里葉紅外光譜檢測(cè)

采用溴化鉀壓片法對(duì)SAC膜(2.0 cm×2.0 cm)進(jìn)行紅外分析，進(jìn)行衰減全反射光譜掃描(FTIR)，掃描波數(shù)為4000～500 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描32次。

1.3.2.3 力學(xué)性能檢測(cè)

根據(jù)GB/T 1047-2019標(biāo)準(zhǔn)方法，用TMS-PRO型質(zhì)構(gòu)儀測(cè)試SAC膜的拉伸強(qiáng)度(TS)和斷裂伸長(zhǎng)率(EAB)。將膜樣品剪切成切口均勻平整且無(wú)裂痕的長(zhǎng)方形(5 mm×50 mm)，測(cè)試樣品放在測(cè)試臺(tái)夾緊，保持膜自然伸直不緊繃狀態(tài)，移動(dòng)速率為0.5 mm/s。用螺旋測(cè)微儀對(duì)同一樣品薄膜厚度測(cè)量5次，取平均值；TS和EAB的計(jì)算如下：

式中：F為復(fù)合膜斷裂時(shí)的力(N)；T為膜厚(mm)；W為膜寬(mm)。

式中：L0為膜的起始長(zhǎng)度(mm)；L為復(fù)合膜斷裂前的長(zhǎng)度(mm)。

1.3.2.4 膜耐水性測(cè)試

將制備好的膜裁剪成5.0 cm×5.0 cm的樣品，放置在45 ℃干燥箱中干燥至恒重，稱得干膜質(zhì)量記為W0，然后將薄膜浸沒(méi)于去離子水中，2 h后取出，用濾紙吸干薄膜表面水分后稱重得W1，然后將薄膜放置在45 ℃干燥箱中干燥至恒重，稱得最終質(zhì)量為W2。吸水率與水溶率按照下式計(jì)算：

1.3.2.5 水接觸角測(cè)試

將膜裁成3.0 cm×3.0 cm的小正方形貼在樣品臺(tái)上，保持表面水平，用注射器將2 μL的去離子水滴于膜表面，使用CCD相機(jī)和圖像處理軟件，在膜還未溶脹前快速測(cè)試膜的水接觸角，每個(gè)樣品重復(fù)3次。

1.3.2.6 色差測(cè)試

色差是指試樣顏色與標(biāo)準(zhǔn)顏色之間在色相、明度、彩度之間存在的差異。在薄膜樣品的表面上選取5個(gè)不同的點(diǎn)，用色差儀測(cè)試標(biāo)樣與試樣的色差數(shù)據(jù)，ΔL(明度差異)、Δa(紅/綠差異)、Δb(黃/藍(lán)差異)及ΔE(色差)通過(guò)計(jì)算獲得。色差計(jì)算是基于CIE Lab理論[8]，公式為：

ΔL=L樣品-L*標(biāo)準(zhǔn)；

Δa=a樣品-a*標(biāo)準(zhǔn)；

Δb=b樣品-b*標(biāo)準(zhǔn)；

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel處理數(shù)據(jù)，結(jié)果以平均值(mean)±標(biāo)準(zhǔn)差(sd)表示，并以O(shè)rigin 9.0制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 SAC膜微觀形貌

掃描電鏡(見(jiàn)圖2)顯示，淀粉和瓊脂都具有良好的成膜性和相容性，S3A7/S7A3膜均勻、致密、表面平整；加入姜黃素后，SAC膜的截面均勻、致密、平整，表明姜黃素的加入對(duì)淀粉和瓊脂溶液間形成的連續(xù)空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)影響不大，相容性良好，沒(méi)有發(fā)生相分離；姜黃素分子結(jié)構(gòu)中含有酚羥基，可能與淀粉、瓊脂分子相互作用形成更為復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，促進(jìn)膜的致密性，但姜黃作為小分子色素整體上不會(huì)影響線性大分子形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[9]。

圖2 SAC膜截面SEM圖

2.2 紅外光譜分析

圖3 SAC膜紅外光譜圖

2.3 SAC膜力學(xué)性能

由圖4可知，添加不同比例天然色素后膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率，淀粉含量的增加對(duì)SA復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度有顯著的增強(qiáng)效果；在淀粉含量不變的情況下，添加適量的姜黃色素對(duì)提升拉伸強(qiáng)度在整體上有促進(jìn)作用，表明添加少量的姜黃素增強(qiáng)了淀粉、瓊脂間的分子間作用力[11]，使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。隨著姜黃含量的增加，SAC膜的斷裂伸長(zhǎng)率明顯增大，使膜的柔韌性和延展性升高，但繼續(xù)增加姜黃素含量會(huì)引起色素小分子在淀粉和瓊脂間的阻礙作用，使斷裂伸長(zhǎng)率減小[12]。因此，適量添加姜黃可提升SA膜的力學(xué)性能。

圖4 SAC膜拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率

2.4 SAC膜耐水性

測(cè)量膜的吸水率和水溶率可以反映膜的耐水性。淀粉和瓊脂為親水性膠體，其成膜整體上表現(xiàn)為親水性，具備一定的吸水性和水溶性[13]。

由圖5可知，淀粉含量的變化對(duì)膜的吸水率影響不大，姜黃素的加入沒(méi)有引起吸水率的顯著變化，吸收的水分為膜自重的2%～3%。水溶率測(cè)試顯示，淀粉含量的增加引起膜溶解率的增大，而并非由姜黃素的加入所引起。以上表明姜黃素對(duì)淀粉基膜的耐水性影響不大。

圖5 SAC膜的吸水率和水溶率

2.5 SAC膜水接觸角

膜親水性通?？捎盟佑|角來(lái)表征，采用固著液滴法測(cè)定[14]。通過(guò)接觸角測(cè)量，評(píng)價(jià)了SAC復(fù)合膜的濕潤(rùn)性，接觸角值越大，表面疏水性越好。

由圖6可知，不同配比SAC膜水接觸角隨時(shí)間的變化，4種膜的接觸角整體上隨時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸減小，S3A7C0.5、S3A7C1、S7A3C0.5膜的接觸角均小于90°，表現(xiàn)出親水性；S7A3C1膜的接觸角隨時(shí)間的延長(zhǎng)趨于90°，表現(xiàn)出親水性。該測(cè)試表明姜黃素的加入整體上不會(huì)影響SA膜的親水性能。

圖6 SAC膜水接觸角隨時(shí)間的變化

2.6 顏色穩(wěn)定性分析

色差ΔE反映SAC膜上不同點(diǎn)間的顏色差異，代表膜的顏色均一性。ΔE越大，則顏色的變化更容易被肉眼識(shí)別，ΔE>3.5時(shí)，肉眼能觀察到色澤的變化[15]。

由表2可知，SAC膜色差均值小于3.5，肉眼不能識(shí)別其顏色差異，且亮度差異、紅綠差異及黃藍(lán)差異值均較小，表明SAC膜顏色均一，姜黃素加入后相容性良好，顏色穩(wěn)定。

表2 SAC膜色差相關(guān)值

3 結(jié)論

姜黃素添加到淀粉基成膜溶液中，制備所得的SAC膜成膜性良好，顏色均一自然，膜截面微觀結(jié)構(gòu)均一、致密，無(wú)相分離。姜黃素與淀粉、瓊脂間的化學(xué)性質(zhì)沒(méi)有改變，可能形成了以氫鍵為主的非共價(jià)鍵的結(jié)合。添加適量姜黃素可提升SAC膜的力學(xué)性能，且對(duì)其整體的耐水性和親水性影響不大。不同配比的SAC膜的顏色均一、色差較小，不足以被肉眼識(shí)別，體現(xiàn)了良好的顏色穩(wěn)定性。綜上，姜黃素適用于多糖成膜體系，本研究將為天然色素在多糖復(fù)合材料的研究和應(yīng)用中提供一定的理論依據(jù)。