趙珺，何珊，李俊博，湯琦龍，劉通

(長(zhǎng)春大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

從古到今，保鮮食品的方法一直是研究的熱點(diǎn)，尤其是果蔬、肉類等產(chǎn)品的保鮮。最近幾年，采用殼聚糖與其他功能性物質(zhì)相結(jié)合，制備可食膜涂膜保鮮果蔬已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。殼聚糖廣泛存在于各類魚、蝦、蟹等甲殼類動(dòng)物的內(nèi)部基質(zhì)外殼中,也大量存在于高等植物的內(nèi)部基質(zhì)細(xì)胞壁和一些小型昆蟲、真菌等的內(nèi)部基質(zhì)細(xì)胞膜中[1]，是唯一的天然非有機(jī)多糖[2]。殼聚糖膜有選擇滲透的作用，包裹果蔬可以在膜內(nèi)形成一個(gè)低氧氣濃度的貯藏環(huán)境，從而達(dá)到類似氣調(diào)保鮮的效果，抑制果蔬的呼吸作用，延長(zhǎng)果蔬的貨架期[3]。同時(shí)殼聚糖還具有廣譜抑菌性,被廣泛應(yīng)用于天然有機(jī)食物例如果蔬、肉類保鮮的研發(fā)中，此外，殼聚糖制成的膜具有良好的機(jī)械性能和可降解性能[4-5]。但單一殼聚糖保鮮材料存在機(jī)械強(qiáng)度及柔韌性較差、對(duì)水蒸氣透過率高、防潮性能差等缺點(diǎn)，極大地限制了其應(yīng)用。適當(dāng)添加可食用性天然物質(zhì)制成復(fù)合膜不僅能保留其原有的機(jī)械性能，而且可以使其具有更多特性，如阻油、阻水、阻氧等。玉米醇溶蛋白富含玉米疏水蛋白基團(tuán),可以有效抑制體內(nèi)水分的流失,延緩內(nèi)含物的分解和減少外界環(huán)境中氧氣、二氧化碳等對(duì)各類食品的不良影響,降低食物的呼吸強(qiáng)度,抑制各類食品表面有害微生物的大量繁殖,并有效延長(zhǎng)各類食品的貨架期，具有極大的商業(yè)價(jià)值[6-7]。因此，本文用玉米醇溶蛋白作為增強(qiáng)材料，與殼聚糖相結(jié)合，考察復(fù)合膜的機(jī)械性能、疏水性能、阻隔性能等，為其在食品保鮮及包裝領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

玉米醇溶蛋白(蛋白質(zhì)含量 91.2%)：廣州福樂康生物科技有限公司；殼聚糖(脫乙酰度 80%～95%)：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；檸檬酸(分析純)：天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司；80%乙醇(分析純)：天津市富宇精細(xì)化工有限公司；甘油(分析純)：天津市大茂化學(xué)試劑廠。

1.2 儀器與設(shè)備

DF-101S恒溫磁力加熱攪拌器 鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；PTY-A220電子天平 華志(福建)電子科技有限公司；QJ210-50N電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)、Nicolet iS5紅外光譜分析儀 吉林省華業(yè)科教儀器設(shè)備有限公司；H346數(shù)顯薄膜測(cè)厚儀 廣州信和光柵數(shù)顯有限公司；T-6VM紫外分光光度計(jì) 南京菲勒儀器有限責(zé)任公司；Bruker X射線衍射儀 德國布魯克公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 殼聚糖/玉米醇溶蛋白復(fù)合膜的制備

首先配制4%的檸檬酸溶液，加入一定量的殼聚糖溶解，得到黏稠的殼聚糖乙酸溶液。在80%乙醇溶液中倒入玉米醇溶蛋白，水浴加熱30 min后，將兩份溶液按1∶1混合，同時(shí)加入甘油，60 ℃攪拌均勻，利用超聲波技術(shù)去除上層氣泡，取膜液倒入蒸發(fā)皿，于恒溫干燥箱中烘干成膜。揭膜后，進(jìn)行膜性能的測(cè)定試驗(yàn)。

1.3.2 殼聚糖/玉米醇溶蛋白復(fù)合膜制備條件的單因素試驗(yàn)

以復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度及延伸率為考核指標(biāo)，分別考察玉米醇溶蛋白/殼聚糖復(fù)配比、甘油添加量、鋪膜液體積3個(gè)單因素對(duì)殼聚糖/玉米醇溶蛋白復(fù)合膜制備條件的影響。取5份玉米醇溶蛋白，每份0.25 g，分別置于5個(gè)100 mL的小燒杯中，向每個(gè)燒杯中加入50 mL 80%乙醇溶液。將5份裝有玉米醇溶蛋白溶液的小燒杯轉(zhuǎn)移至集熱磁力攪拌器中，于60 ℃恒溫加熱30 min。稱取0.75，0.875，1.0，1.15，1.5 g殼聚糖分別加水溶于4%的檸檬酸溶液。待殼聚糖充分溶解后，將兩份溶液混合，向燒杯中分別加入200，225，250，275，300 mL甘油，用保鮮膜密封混合物并轉(zhuǎn)移至設(shè)定溫度為60 ℃的水浴鍋中。加熱攪拌后，取出15，20，25，30，35 mL溶液，均勻鋪于培養(yǎng)皿中。在恒溫恒濕箱中干燥后，得到復(fù)合膜，測(cè)量其拉伸強(qiáng)度及延伸率，確定復(fù)合膜的最佳制備條件。

1.3.3 殼聚糖/玉米醇溶蛋白復(fù)合膜制備條件的響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過單因素試驗(yàn)結(jié)果，確定響應(yīng)面試驗(yàn)的各因素設(shè)計(jì)水平,以玉米醇溶蛋白/殼聚糖復(fù)配比、甘油添加量、鋪膜液體積為因素,以拉伸強(qiáng)度(TS)為響應(yīng)值,采用Box-Behnken試驗(yàn)方法進(jìn)行因素設(shè)計(jì),確定復(fù)合膜的最佳工藝參數(shù),具體因素水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 Box-Behnken試驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levels of Box-Behnken test

續(xù) 表

1.3.4 膜拉伸強(qiáng)度(TS)/延伸率(E)的測(cè)定

測(cè)量條件:拉伸速度為50 mm/min,間距為30 mm,環(huán)境溫度為(3±1)℃,相對(duì)濕度為(50±1)%。每個(gè)試樣做3個(gè)平行試驗(yàn),取平均值,按照下式計(jì)算拉伸強(qiáng)度：

TS=F/(b×d)。

式中：F為斷裂強(qiáng)力，N；b為試樣寬度，mm；d為膜厚度，mm。

1.3.5 傅里葉變換紅外光譜測(cè)定

采用傅里葉紅外光譜儀測(cè)量殼聚糖/玉米醇溶蛋白復(fù)合膜、單一玉米醇溶蛋白膜和單一殼聚糖膜的紅外光譜，掃描范圍為500～4 000 cm-1，分析各物質(zhì)的紅外光譜，以判斷樣品表面基團(tuán)的變化。

1.3.6 X射線衍射(XRD)的測(cè)定

使用Bruker X射線衍射儀進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定條件:X光電射線源介質(zhì)為白色鎳濾Cuka(40 kV,40 mA),掃描運(yùn)行角度10°～80°,掃描運(yùn)行速度大約為5°/min。

1.3.7 表面接觸角的測(cè)定

用靜態(tài)接觸角測(cè)定儀測(cè)定空氣中水滴在殼聚糖/玉米醇溶蛋白復(fù)合膜和單一殼聚糖膜的表面接觸角。測(cè)量水滴的體積為5 μL，在測(cè)試樣品的3個(gè)不同位置進(jìn)行測(cè)量，取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米醇溶蛋白/殼聚糖復(fù)配比對(duì)復(fù)合膜TS/E的影響

圖1 玉米醇溶蛋白/殼聚糖復(fù)配比對(duì)復(fù)合膜TS/E的影響Fig.1 Effect of zein/chitosan compound ratio on TS/E of composite membrane

由圖1可知,殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1∶3增加至1∶4時(shí),膜的拉伸強(qiáng)度顯著提高,這主要是由于殼聚糖與甘油分子之間的兩個(gè)氫鍵和共價(jià)的氫鍵在濕熱高壓條件下相互作用，使膜的結(jié)構(gòu)更加致密。但當(dāng)殼聚糖添加量過多時(shí)，較高濃度的殼聚糖分子影響了溶劑的揮發(fā)性，從而降低了復(fù)合膜的機(jī)械性能。復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度與延伸率呈負(fù)相關(guān)，這是因?yàn)榧尤胗衩状既艿鞍自鰪?qiáng)了復(fù)合膜的硬度，從而使復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度增強(qiáng)，延伸率降低，這種趨勢(shì)與張一妹[8]制備的可食用性殼聚糖復(fù)合膜的抗拉強(qiáng)度與延伸率變化相同。

2.2 甘油添加量對(duì)殼聚糖/玉米醇溶蛋白復(fù)合膜TS/E的影響

圖2 甘油添加量對(duì)殼聚糖/玉米醇溶蛋白復(fù)合膜TS/E的影響Fig.2 Effect of glycerin addition amount on TS/E of chitosan/zein composite membrane

由圖2可知,甘油添加量逐漸增加至0.25%時(shí),復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度逐漸提高，這主要是由于甘油是一種低溫高分子量化學(xué)物質(zhì),可與蛋白質(zhì)的親水基團(tuán)相結(jié)合,使得玉米醇溶蛋白分子將甘油包裹在一起,從而增強(qiáng)復(fù)合膜的機(jī)械性能[9-10]。但當(dāng)甘油添加量過多時(shí),復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度減弱，這是因?yàn)橛衩状既艿鞍椎慕Y(jié)晶區(qū)和殼聚糖的結(jié)晶區(qū)細(xì)胞遭到嚴(yán)重破壞,非結(jié)晶區(qū)細(xì)胞所占比例明顯增大,增加了大細(xì)胞分子鏈的橫向移動(dòng)。復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度與延伸率呈負(fù)相關(guān)，原理同上。

2.3 鋪膜液體積對(duì)殼聚糖/玉米醇溶蛋白復(fù)合膜TS/E的影響

圖3 鋪膜液體積對(duì)殼聚糖/玉米醇溶蛋白復(fù)合膜TS/E的影響Fig.3 Effect of membrane spreading solution volume on TS/E of chitosan/zein composite membrane

由圖3可知，隨著鋪膜液體積的增大，復(fù)合膜拉伸強(qiáng)度先逐漸提高后趨于穩(wěn)定。當(dāng)鋪膜液體積在20～25 mL時(shí)，干燥后的復(fù)合膜厚度均勻，質(zhì)量均一，其拉伸強(qiáng)度明顯提高；當(dāng)鋪膜液體積大于25 mL時(shí)，干燥后的膜過厚且拉伸強(qiáng)度沒有明顯提升，所以確定復(fù)合膜的鋪膜液體積在20～30 mL時(shí)拉伸強(qiáng)度最佳。復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度與延伸率呈負(fù)相關(guān)，原理同上。

2.4 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

2.4.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于單因素試驗(yàn)結(jié)果,采用響應(yīng)面法進(jìn)行優(yōu)化。以玉米醇溶蛋白/殼聚糖復(fù)配比(A)、甘油添加量(B)、鋪膜液體積(C)為響應(yīng)因素,以拉伸強(qiáng)度(TS)為響應(yīng)值,采用Box-Behnken試驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì),確定復(fù)合膜的最佳制備工藝參數(shù),試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2，方差分析結(jié)果見表3。

表2 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 2 Design and results of Box-Behnken test

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)方差分析表Table 3 Variance analysis of response surface test

續(xù) 表

以復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行多元回歸擬合，得到二次回歸方程：Y=9.430 00+1.068 75A+0.216 250B+0.037 500C+0.335 000AB-0.172 500AC-1.112 50BC-1.945 00A2-3.500 00B2-2.587 50C2。對(duì)模型進(jìn)行顯著性分析，由表3可知，該模型的F值為51.55(P<0.000 1)，說明建立的二次多項(xiàng)模型具有高度的顯著性，失擬項(xiàng)的F值為3.32(P=0.138 6>0.05)，失擬結(jié)果不顯著，表明未知因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的干擾較小，該模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[11]。模型的確定系數(shù)R2=0.985 1，表明該模型擬合度較好，且試驗(yàn)誤差較小，能夠較好地描述復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度與玉米醇溶蛋白/殼聚糖復(fù)配比、甘油添加量、鋪膜液體積之間的關(guān)系。

由表3可知，該模型的一次項(xiàng)A(玉米醇溶蛋白/殼聚糖復(fù)配比)達(dá)到了極顯著水平，B(甘油添加量)、C(鋪膜液體積)不顯著。二次項(xiàng)A2、B2、C2達(dá)到極顯著水平。交互項(xiàng)AB、AC不顯著，BC達(dá)到顯著水平。各因素對(duì)復(fù)合膜拉伸強(qiáng)度的影響排序?yàn)橛衩状既艿鞍?殼聚糖復(fù)配比>甘油添加量>鋪膜液體積。

為進(jìn)一步研究各因素的交互作用，利用Design Expert 12軟件繪制響應(yīng)面和等高線分析圖(見圖4)，等高線形狀可反映交互作用的強(qiáng)弱。由圖4可知，響應(yīng)值存在最大值，各交互因素的最佳作用點(diǎn)基本都落在試驗(yàn)范圍內(nèi)，說明此響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)較為合理[12-13]。交互項(xiàng)AB、AC不顯著，BC達(dá)到顯著水平，這與方差分析結(jié)果一致。

圖4 交互效果響應(yīng)面和等高線圖Fig.4 Response surface diagrams and contour plots of interactive effects

2.4.2 驗(yàn)證試驗(yàn)

采用Design Expert軟件，得出最佳的制膜工藝：玉米醇溶蛋白/殼聚糖復(fù)配比為1∶4，甘油添加量為0.250 43%，鋪膜液體積為25.22 mL。為了進(jìn)一步保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。為了便于實(shí)際操作，調(diào)整工藝參數(shù)為玉米醇溶蛋白/殼聚糖復(fù)配比1∶4、甘油添加量0.25%、鋪膜液體積25 mL。驗(yàn)證結(jié)果為復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度9.99 MPa，延伸率19.33%。實(shí)際值與理論值相近，因此回歸方程能可靠預(yù)測(cè)復(fù)合膜的制備工藝。

2.5 傅里葉變換紅外光譜結(jié)果分析

圖5 CS、Zein、CS-Zein紅外光譜圖Fig.5 FTIR spectra of chitosan, zein, chitosan/zein

由圖5可知，單一殼聚糖膜的紅外光譜在3 400～3 100 cm-1之間的吸收振動(dòng)帶為-OH鍵的伸縮振動(dòng)[14]。在1 640，1 550 cm-1處的吸收雙峰分別對(duì)應(yīng)單一殼聚糖的酰胺輔酶Ⅰ吸收帶和酰胺Ⅱ吸收帶[15]。在1 045 cm-1處的動(dòng)態(tài)吸收峰對(duì)應(yīng)殼聚糖的β(1→4)鍵和糖苷鍵的基本特征動(dòng)態(tài)吸收峰。當(dāng)加入玉米醇溶蛋白后，殼聚糖/玉米醇溶蛋白復(fù)合膜的紅外光譜在3 280 cm-1處峰形變寬，其原因是玉米醇溶蛋白的混合增加了殼聚糖的氨基和羥基的數(shù)量，使此區(qū)域的氫鍵增多。在1 550 cm-1處的吸收峰有所減弱是因?yàn)闅ぞ厶桥c玉米醇溶蛋白某些基團(tuán)發(fā)生了交聯(lián)作用。在1 183 cm-1處沒有出現(xiàn)明顯的蛋白吸收峰是因?yàn)闅ぞ厶枪δ芊肿优c玉米醇溶蛋白分子側(cè)鏈連接在一起,發(fā)生了糖基化結(jié)合反應(yīng),引入了一種相應(yīng)的功能分子基團(tuán),導(dǎo)致醇溶蛋白側(cè)鏈發(fā)生振動(dòng),并由此產(chǎn)生了一個(gè)相應(yīng)的蛋白吸收峰。圖5中樣品紅外峰值與文獻(xiàn)[16]對(duì)玉米醇溶殼聚糖分子復(fù)合型薄膜紅外光譜的相關(guān)研究結(jié)論基本一致,由此表明復(fù)合薄膜中的殼聚糖和玉米醇溶蛋白之間已經(jīng)發(fā)生了交聯(lián)作用。

2.6 X射線衍射(XRD)結(jié)果分析

圖6 CS、CS-Zein的X射線衍射圖Fig.6 X-ray diffraction diagrams of chitosan and chitosan/zein

殼聚糖膜作為一種易于熱處理結(jié)晶的新型低溫高分子有機(jī)化學(xué)聚合物,分子內(nèi)部存在較強(qiáng)的氫鍵作用,分子外部結(jié)構(gòu)致密,存在衍射晶型Ⅰ和晶體Ⅱ兩種晶形。由圖6可知,殼聚糖膜在2θ=21°左右經(jīng)熱處理明顯出現(xiàn)較強(qiáng)的衍射峰[17]。而添加玉米醇溶蛋白后強(qiáng)度明顯降低，說明無定形的玉米醇溶蛋白與殼聚糖在成膜過程中發(fā)生了交聯(lián)作用，破壞了殼聚糖分子間的氫鍵[18]，從而使殼聚糖和玉米醇溶蛋白分子鏈間相互纏繞，形成了較穩(wěn)定的復(fù)合體結(jié)構(gòu)，因此玉米醇溶蛋白和殼聚糖成膜基材的相容性極好。

2.7 復(fù)合膜水接觸角分析

圖7 殼聚糖膜(a)、殼聚糖/玉米醇溶蛋白復(fù)合膜(b)接觸角的對(duì)比圖Fig.7 Comparison of contact angles of chitosan membrane (a) and chitosan/zein composite membrane (b)

由圖7可知，殼聚糖膜的接觸角為54.45°，殼聚糖/玉米醇溶蛋白復(fù)合膜的接觸角為86.17°，殼聚糖膜的疏水性明顯低于復(fù)合膜。這是因?yàn)橛衩状既艿鞍着c殼聚糖在加熱過程中，蛋白分子展開，疏水基團(tuán)暴露在外，攜帶大量疏水基團(tuán)的蛋白質(zhì)均勻分散在殼聚糖結(jié)構(gòu)中，形成具有疏水性的殼聚糖復(fù)合膜[19-20]，在一定程度上降低了殼聚糖膜的高親水性，從而使水蒸氣的阻隔性能得到改善。

3 結(jié)論

本文確定了最佳復(fù)合膜制備工藝：玉米醇溶蛋白和殼聚糖的復(fù)配比(質(zhì)量比)為1∶4，甘油添加量為0.25%，鋪膜液體積為25 mL。由傅里葉紅外光譜分析結(jié)果可以明顯看出殼聚糖/玉米醇溶蛋白復(fù)合膜與單一殼聚糖膜相比已經(jīng)發(fā)生了特征峰的移動(dòng),說明殼聚糖/玉米醇溶蛋白復(fù)合膜的各物質(zhì)之間發(fā)生了交聯(lián)作用,并通過X射線與接觸角衍射試驗(yàn)進(jìn)一步研究證實(shí),相比于單一殼聚糖膜，適當(dāng)添加玉米醇溶蛋白后復(fù)合膜的疏水性能明顯提升。因此，復(fù)合膜具有更好的保鮮功能，能有效延長(zhǎng)乳制品、果蔬、肉類食品的貨架期，有望作為新型綠色包裝材料，為其在食品包裝方面的應(yīng)用提供了新思路。