陳運(yùn)坤,白新鵬,*,常會(huì)敏,朱恒偉,喬振栓

1(海南大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,海南 ?？?570203)2(熱帶多糖資源利用教育部工程研究中心,海南 ?？?570203)3(?？谥仓厣镔Y源研究所有限公司,海南 ?？?570100)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展由石油衍生的聚合物制成的塑料包裝使地球的白色污染進(jìn)一步加重。因此急需一類可替代傳統(tǒng)合成塑料的包裝材料?？墒承园b膜應(yīng)運(yùn)而生。殼聚糖是一種含氮堿性天然多糖,是甲殼素脫除部分乙酰基的產(chǎn)物,其廣泛應(yīng)用于食品添加劑、生物醫(yī)用領(lǐng)域和組織工程載體材料等眾多領(lǐng)域[1-3],具有天然獨(dú)特的可降解性和可再生性,是十分具有前景的替代傳統(tǒng)合成塑料的環(huán)保材料?？墒承园b薄膜的主要作用是控制水分損失和減少不良化學(xué)反應(yīng)速率,以提高各種加工食品和新鮮食品的質(zhì)量和安全性[4-5]。多糖是含量豐富的天然聚合物,近年來被廣泛用于制備可食薄膜或涂層材料[6]。殼聚糖具有很高的黏度,類似于天然膠,由于具有活性氨基而具有抗菌特性[7],將殼聚糖基制成薄膜,可將食品與周圍環(huán)境分離開,減少與外界不良因素的相互作用,避免理想化合物(風(fēng)味揮發(fā)物)的損失,從而提高食品的質(zhì)量并延長食品的貨架期[8]。

諾麗(MorindacitrifoliaL.)別稱海天巴戟,是茜草科熱帶植物。在南太平洋、夏威夷及中國的海南、臺(tái)灣等多個(gè)地區(qū)均有分布,其根、莖、葉、花、果實(shí)均可入藥[9]。研究發(fā)現(xiàn)諾麗果中富含多糖、多酚、東莨菪素、茜素和蘆丁等活性物質(zhì),諾麗多糖(noni polysaccharide,NP)能夠阻斷來自于足水腫的炎癥介質(zhì)和信號(hào)分子,具有消炎鎮(zhèn)定、抗壞血酸、抗氧化等作用[10]。亞臨界水提取是在亞臨界條件下水的電離常數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)增加,但由于水的物理化學(xué)性質(zhì)變化都會(huì)在萃取結(jié)束時(shí)得到恢復(fù),并且在提取過程中不使用任何化學(xué)物質(zhì),亞臨界水提取過程不會(huì)導(dǎo)致廢液的產(chǎn)生,對(duì)環(huán)境的危害最小。在亞臨界條件下,水的介電常數(shù)與有機(jī)溶劑相似。因此,只需改變水的溫度和壓力,就可以用水選擇性地提取極性和非極性物質(zhì)。相比于熱水浸提、超聲提取等常用的傳統(tǒng)提取方法,亞臨界水提取提供了比傳統(tǒng)提取技術(shù)更好的優(yōu)勢(shì),如提取率高、節(jié)省時(shí)間、設(shè)備簡單、成本低且環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。有研究發(fā)現(xiàn),不同濃度含藍(lán)莓葉提取物的新型生物可降解諾麗多糖膜,具有作為抗氧化包裝材料的潛力[11]。由此可見,諾麗多糖具備良好的成膜性能,而純的殼聚糖薄膜機(jī)械性能不強(qiáng)[12]。將諾麗多糖引入殼聚糖薄膜中制備出不含其他食品添加劑的可食性諾麗多糖復(fù)合膜,并對(duì)其形態(tài)結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能進(jìn)行了表征,且將其應(yīng)用到食品的內(nèi)包裝上,為環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

諾麗果,海南諾麗谷集團(tuán)(海南)有限公司;椰子油,?？谥仓厣镔Y源研究所有限公司;水楊酸、殼聚糖、NaCl,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;無水乙醇、無水甲醇、過硫酸鉀、氯仿、冰乙酸,西隴科學(xué)股份有限公司;苯酚、硫酸,廣州化學(xué)試劑廠;ABTS試劑,美國Sigma公司;DPPH試劑,阿拉丁試劑有限公司。試劑均為分析純。

Synergy LX型酶標(biāo)儀,美國BioTek公司;EL204型電子分析天平,梅特勒-托利多儀器上海有限公司;GL-20G型高速冷凍離心機(jī),上海安亭科學(xué)儀器廠;SHZ-B型水浴恒溫振蕩器,上海龍躍儀器設(shè)備有限公司;TA.XT Plus型質(zhì)構(gòu)儀,英國Stable Micro Systems公司;XD5000型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器,上海賢德實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;7890B型氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀,美國Agilent公司;XO-5200DTD型超聲機(jī),南京先歐儀器制造有限公司。

1.2 諾麗多糖的提取

亞臨界水提取是一種環(huán)保的可持續(xù)提取方法,利用水作為萃取劑,在密閉、高溫的壓力容器內(nèi),通過物料與萃取劑在浸泡過程中的分子擴(kuò)散過程,達(dá)到固體物料中的成分轉(zhuǎn)移到液態(tài)的萃取劑中,再通過減壓蒸發(fā)的過程將萃取劑與目的產(chǎn)物分離,最終得到目的產(chǎn)物的一種新型萃取與分離技術(shù)。亞臨界水提取采用的是實(shí)驗(yàn)室自主開發(fā)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的專利技術(shù)儀器進(jìn)行的,有學(xué)者報(bào)告了該技術(shù)的使用方法[13-14]。

亞臨界水提多糖參考文獻(xiàn)[15]的方法,從果園采摘的新鮮諾麗果洗凈后晾干,切成薄片后放入烘箱60 ℃烘干,使用中草藥粉碎機(jī)將其粉碎后,過60目篩,并用索氏抽提法提取諾麗果粉中的油脂,去除油脂。稱取脫脂后的諾麗果粉加入適量蒸餾水(果粉和水按料液比為1∶30,g∶mL),放入亞臨界提取器中,在150 ℃提取30 min。過濾后取上清液,并旋蒸至濾液體積的1/4,放涼后加入4倍體積無水乙醇,放入4 ℃冰箱過夜醇沉后取出離心,取沉淀物凍干即制得諾麗多糖。

1.3 諾麗多糖的結(jié)構(gòu)表征

1.3.1 紅外光譜測(cè)試

將少量諾麗多糖與KBr混合在熱燈下研磨均勻并壓制成片,上機(jī),采用傅立葉變換紅外光譜儀對(duì)NP進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征。傅立葉變換紅外光譜記錄的頻率范圍為4 000～500 cm-1。

1.3.2 X射線衍射測(cè)試

將少量諾麗多糖用X射線衍射儀獲得衍射圖譜。設(shè)計(jì)參數(shù)如下:射線采用CuKct射線X=154 nm,采用Ni片作濾波,掃描范圍5°～50°,掃描速度10 °/min。

1.3.3 諾麗多糖的單糖組成成分分析

先取10 mg諾麗多糖,用5 mL 2 mol/L三氟乙酸(trifluoroacetic acid,TFA)在100 ℃下水解2 h,冷卻后開蓋,取1 mL水解后樣品溶液加入1 mL無水甲醇,70 ℃水浴下用N2吹干,如此重復(fù)加無水甲醇并用N2吹干2次,以去除TFA。分別取400 μL的混合單糖標(biāo)準(zhǔn)溶液或多糖水解液于5 mL的具塞試管中,加400 μL 0.5 mol/L的1-苯基-3-甲基-5-吡唑啉酮(1-phenyl-3-methyl-5-pyrazolone, PMP)-無水甲醇溶液,漩渦混勻,于70 ℃水浴中反應(yīng)2 h,取出放置冷卻至室溫,加400 μL 0.3 mol/L HCl溶液中和(pH 6～7);加1 200 μL去離子水,再加入等體積的氯仿,漩渦混勻振蕩,靜置,棄去氯仿相,如此萃取2次。將水相用0.45 μm微孔濾膜(水系)過濾后待進(jìn)樣分析。

1.4 諾麗多糖復(fù)合膜的制備

將殼聚糖溶解于含1%(體積分?jǐn)?shù))冰乙酸溶液中,制備出20 g/L的殼聚糖溶液。分別取2、3、4、5 mg/mL諾麗多糖與20 g/L的殼聚糖(體積比為1∶1)混合攪勻,45 ℃水浴溶脹2 h加入(占25%,體積分?jǐn)?shù))的甘油作為增塑劑,磁力攪拌2 h,冷卻后超聲脫氣1 h,將成膜液倒在一次性培養(yǎng)皿上,55 ℃烘干,取出,用2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))NaOH溶液浸泡0.5 h,流水沖洗,將膜揭下陰干,后放入干燥器內(nèi)固定保存2 d,分別命名為2 NPF、3 NPF、4 NPF、5 NPF,并以純的殼聚糖膜(1 NPF)為對(duì)照,測(cè)其性能。

1.5 特性研究

1.5.1 物理性質(zhì)測(cè)定

1.5.1.1 膜厚

選取厚度均勻,表面平滑無氣泡的復(fù)合膜,在膜上隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn),用千分尺測(cè)量其厚度。

1.5.1.2 密度

將膜裁剪成2 cm×2 cm的方形,稱質(zhì)量。膜密度的計(jì)算如公式(1)所示:

(1)

式中:ρ,密度,g/cm3;m,膜樣品質(zhì)量,g;s,膜樣品面積,cm2;d,膜樣品厚度,cm。

1.5.1.3 溶解度

將膜裁剪成10 mm×50 mm小塊膜條,置于60 ℃干燥箱中恒溫烘干24 h,取出稱其質(zhì)量,記為膜條初始質(zhì)量[16]。然后將其放入15 mL的大試管中,倒入等量超純水浸泡24 h取出,用紙擦干膜表面,將其重新放入60 ℃干燥箱中恒溫烘干24 h,重復(fù)稱質(zhì)量,作為復(fù)合膜樣品的最后質(zhì)量記錄。膜的溶解度計(jì)算如公式(2)所示:

(2)

式中:m0,膜樣條初始質(zhì)量,g;m1,膜樣條最后質(zhì)量,g。

1.5.1.4 水蒸氣透過率(water vapour permeability, WVP)

采用擬杯子法[17],將CaCl2研磨成粉末,干燥至恒重備用。稱5 g NaCl粉末放入透明的玻璃瓶內(nèi),控制其距瓶口4～6 mm,選取厚度均勻,表面平滑無氣泡的復(fù)合膜覆蓋密封瓶口并迅速稱質(zhì)量,再將瓶子放入干燥器內(nèi),干燥器底部倒入KNO3飽和溶液維持濕度,每隔1 d稱質(zhì)量1次,連續(xù)稱質(zhì)量1周后,復(fù)合膜水蒸氣透過率的計(jì)算如公式(3)所示:

(3)

式中:WVP,復(fù)合膜的水蒸氣透過率,g·m/(m2·s·Pa);Δm,測(cè)試前后玻璃瓶質(zhì)量的增加量,g;d,復(fù)合膜的膜厚度,mm;A,復(fù)合膜的膜面積,m2,統(tǒng)一為1.6×103m2;Δt,測(cè)量時(shí)間,s;Δp,膜兩側(cè)的水蒸氣壓差,Pa,本實(shí)驗(yàn)取為3.167×103Pa。

1.5.1.5 氧氣透過率測(cè)定

氧氣透過率的測(cè)定采用壓差法,將復(fù)合膜裁成10 cm×10 cm的方形放置于氣體滲透儀的測(cè)試腔內(nèi),溫度設(shè)定23 ℃,相對(duì)濕度60%。

1.5.2 紅外測(cè)試

參考1.3.1節(jié)的方法,頻率范圍為4 000～400 cm-1。

1.5.3 X衍射光譜測(cè)試

參考1.3.2節(jié)的方法。

1.5.4 掃描電鏡測(cè)試

將不同的NPF用液氮脆斷后固定在樣品臺(tái)上,在真空條件下進(jìn)行噴金處理,然后將樣品置于掃描電子顯微鏡中觀察。

1.5.5 力學(xué)性能的測(cè)定

復(fù)合膜的抗拉強(qiáng)度和斷裂延伸率使用質(zhì)構(gòu)儀測(cè)試[18],選取厚度均勻、無斷裂的復(fù)合膜,將其裁剪為50 mm×20 mm的長方形膜條,將初始夾距設(shè)為45 mm,拉伸速度設(shè)為l mm/s,復(fù)合膜的抗拉強(qiáng)度和斷裂延伸率的計(jì)算如公式(4)和公式(5)所示:

(4)

(5)

式中:TS,復(fù)合膜的抗拉伸強(qiáng)度,MPa;F,復(fù)合膜斷裂時(shí)所承受的最大壓力,N;L,復(fù)合膜的厚度,mm;W,復(fù)合膜的寬度,mm;EB,膜的斷裂延展率,%;L1,初始時(shí)兩夾距離,mm;L0,膜斷裂時(shí)兩夾具間距離,mm。

1.5.6 光學(xué)性能的測(cè)定

1.5.6.1 顏色參數(shù)

利用色差儀對(duì)復(fù)合膜的顏色參數(shù)進(jìn)行量化[19]。顏色測(cè)量用L*、a*和b*比例尺進(jìn)行標(biāo)示,以便容易理解顏色值。色差儀在實(shí)驗(yàn)前用專用的白色陶瓷板(L0=94.60,a0=3.6,b0=-2.5)進(jìn)行標(biāo)定。在薄膜不同處隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量,代入公式(6)～公式(8)計(jì)算出膜的各項(xiàng)顏色參數(shù)。

以白板為對(duì)照的顏色變化:

(6)

復(fù)合膜樣品的白色指數(shù)(white index,WI)的值:

(7)

復(fù)合膜樣品的黃色指數(shù)(yellow index,YI)的值:

(8)

式中:L1、a1、b1分別表示膜的測(cè)量值。

1.5.6.2 透明度

選取厚度均勻,表面平滑無氣泡的復(fù)合膜裁剪成10 mm×30 mm的長方形,將其緊貼與比色皿內(nèi)壁,不要留有空隙,并以空白比色皿為對(duì)照,在600 nm處測(cè)定吸光度值。膜不透明度的計(jì)算如公式(9)所示:

(9)

式中:O,膜的不透明度,mm-1;A600,在600 nm處的吸光度值;d,膜的厚度,mm。

1.5.7 熱穩(wěn)定性測(cè)定

分別取不同比例的諾麗多糖復(fù)合膜3～10 mg,上樣至熱重分析儀。設(shè)定參數(shù)如下:在N2流環(huán)境下,將樣品加熱溫度從室溫上升到600 ℃,升溫速率10 ℃/min。

1.5.8 抗氧化活性測(cè)定

DPPH自由基清除能力的測(cè)定參考LI等[20]方法,適當(dāng)改動(dòng)。配制濃度為0.2 mmol/mL的DPPH溶液,乙醇定容。取不同比例膜樣各0.5 g加入10 mL去離子水中,在室溫下攪拌12 h,然后在8 000 r/min下離心15 min,取上清薄膜溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)加樣順序如表1所示,加樣混勻后室溫避光反應(yīng)30 min,以空白參比于517 nm處測(cè)吸光度值,以0.05 g/mL抗壞血酸(維生素C)作陽性對(duì)照進(jìn)行測(cè)定。

表1 DPPH自由基清除率測(cè)定加樣順序Table 1 DPPH free radical scavenging assay spiking sequence

DPPH自由基清除率的計(jì)算如公式(10)所示:

(10)

式中:OD0,DPPH和乙醇溶液混合的吸光度值;OD1,DPPH和樣品溶液混合的吸光度值;OD2,乙醇和樣品溶液混合的吸光度值。

1.5.9 土壤微生物降解性測(cè)定

將復(fù)合膜裁剪成20 mm×20 mm方形,埋入容量為180 mL含濕潤泥土的瓶中,放置深度為瓶內(nèi)土壤高度的一半。每天在瓶中加10 mL水,以保持土壤濕潤,分別在第15天和第30天取出膜樣,清理膜表面并干燥至恒重后稱質(zhì)量。土壤微生物降解率的計(jì)算如公式(11)所示:

(11)

式中:m1,放入前NPF干燥至恒重質(zhì)量,g;m2,取出NPF干燥至恒重質(zhì)量,g。

1.5.10 椰子油包裝的潛在應(yīng)用

1.5.10.1 NPF的耐油性能

將濾紙?jiān)?0 ℃烘箱中烘干至恒重,將復(fù)合膜覆蓋在裝有5 mL椰子油的玻璃瓶頂部用繩子固定,倒置于恒重的濾紙上48 h后取下,稱重濾紙。吸油率的計(jì)算如公式(12)所示:

(12)

式中:me,48 h后濾紙的質(zhì)量,g;mf,烘干濾紙的質(zhì)量,g。

1.5.10.2 過氧化值的測(cè)定

將復(fù)合膜覆蓋在裝有35 mL椰子油的玻璃瓶頂部,在50 ℃下貯存28 d,分別在第1、7、14、21、28天,從每個(gè)玻璃瓶中取5 mL樣測(cè)過氧化值。以無復(fù)合膜覆蓋的玻璃瓶中的椰子油為對(duì)照。過氧化值的測(cè)定參照國標(biāo)GB 5009.227—2023《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中過氧化值的測(cè)定》中第一法中滴定法。

1.6 數(shù)據(jù)處理

所有試驗(yàn)均重復(fù)3次,結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示,使用SPSS軟件進(jìn)行Waller-Duncan檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性分析,P<0.05為顯著性差異。Origin 2021軟件進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 諾麗多糖的結(jié)構(gòu)表征

2.1.1 紅外光譜

由圖1可知,所制得的諾麗多糖在3 389 cm-1和2 931 cm-1的吸收峰較為清晰,分別歸因于—OH基團(tuán)和C—H鍵的伸縮振動(dòng),在多糖中,羧酸的羰基伸縮振動(dòng)分別出現(xiàn)在1 710～1 740 cm-1而羧酸基的不對(duì)稱振動(dòng)和對(duì)稱振動(dòng)分別出現(xiàn)在1 600～1 651 cm-1和1 408～1 450 cm-1,這幾個(gè)吸收峰被認(rèn)為是多糖聚合物的特征帶[21]。

圖1 諾麗多糖的紅外光譜圖Fig.1 Infrared spectroscopic analysis of noni polysaccharide

2.1.2 X射線衍射

由圖2可見,諾麗多糖在2θ=14.9°和20.1°處有衍射峰,諾麗多糖屬于高分子聚合物,化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且分子多呈無序形態(tài),因此不能形成大量單晶體,大多以多晶體或非晶體的無定形形式存在。諾麗多糖的X-射線衍射圖譜分析為復(fù)合膜相容性的表征奠定了基礎(chǔ)。

圖2 諾麗多糖的X衍射圖Fig.2 X-ray diffraction pattern of noni polysaccharide

2.1.3 液相色譜-離子阱飛行時(shí)間質(zhì)譜法(liquid chromatography-ion trap time-of-flight mass spectrometry LCMS-IT-TOF)分析

多糖中單糖的組成分析是研究多糖結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的基本內(nèi)容,單糖組成的測(cè)定可收集有關(guān)生物聚合物的單糖組成信息。通過比較混合標(biāo)準(zhǔn)品與諾麗多糖保留時(shí)間確定單糖種類,根據(jù)各峰面積比計(jì)算單糖的物質(zhì)的量之比。如表2所示,諾麗多糖是一種由9種單糖組成的酸性多糖。由Fuc、Ara、Rha、Gal、Glc、Xyl、Man、Gal-UA、Glc-UA組成,物質(zhì)的量比為0.164 1∶2.109 3∶7.975 8∶13.914 5∶17.023 9∶3.158 2∶5.329 7,其中Glc含量最高。

表2 諾麗多糖的單糖組成Table 2 Monosaccharide composition of noni polysaccharide

2.2 NPF的表征

2.2.1 NPF物理性質(zhì)的測(cè)定分析

2.2.1.1 膜厚和密度

如表3所示,隨著諾麗多糖添加量的增多,復(fù)合膜的厚度顯著增加的同時(shí)密度也顯著增加(P<0.05)?？赡苁怯捎诠腆w含量的增加和諾麗多糖液滴對(duì)殼聚糖聚合物鏈造成破壞,殼聚糖作為膜的基本成分,其添加量也帶動(dòng)了膜厚的增加;并可能導(dǎo)致分子鏈構(gòu)象的改變和多糖在膜中的更大分散,從而產(chǎn)生更厚的膜。在殼聚糖薄膜中植物提取物的添加,也導(dǎo)致了膜厚的增加[22]。因此,植物提取物與殼聚糖網(wǎng)絡(luò)的完整性也會(huì)影響膜的最終厚度。

表3 不同NPF的厚度、密度、溶解度、透明度、水蒸氣透過率和氧氣透過率Table 3 Thickness, density, solubility, transparency, water vapor transmission rates, and oxygen transmission rate of different NPFs

2.2.1.2 溶解度

復(fù)合膜的溶解度對(duì)膜的防水性能有很大的影響,如表3所示,隨著復(fù)合膜中多糖添加比例的加大,復(fù)合膜的溶解度也呈增大的趨勢(shì)(P<0.05),因?yàn)橹Z麗多糖結(jié)構(gòu)具有親水性,且殼聚糖結(jié)構(gòu)中存在類似羥基的親水性基團(tuán),水分子更容易進(jìn)入膜內(nèi)。

2.2.1.3 水蒸氣透過率

水蒸氣透過率是判斷食品復(fù)合膜質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù),其通過覆蓋包裝減少食品在貯存運(yùn)輸途中水分的流失從而延長食品的保質(zhì)期。如表3所示,5 NPF的WVP值最低,較高濃度的諾麗多糖加入復(fù)合膜中使其親水性達(dá)到飽和狀態(tài),同時(shí)諾麗多糖的加入填補(bǔ)了多糖鏈中存在的結(jié)構(gòu)空白,從而堵塞了水在膜上的運(yùn)輸通道和途徑。膜的WVP也受提取物、溫度、濕度和甘油添加量的相互作用和均勻分布的影響。

2.2.1.4 氧氣透過率

諾麗多糖添加量對(duì)復(fù)合膜氧氣透過率的影響見表3,諾麗多糖的添加降低了復(fù)合膜的氧氣透過率,與純度殼聚糖膜(1 NPF)相比,其他添加了諾麗多糖的復(fù)合膜阻氧率更高。其中,5 NPF的氧氣透過率最低,為(2.319±0.043) mL/(m2·d·0.1 MPa),可能是因?yàn)橹Z麗多糖的添加增大了膜厚度,且諾麗多糖與殼聚糖具有良好的相容性,復(fù)合膜結(jié)構(gòu)致密導(dǎo)致氧氣難以通過。

2.2.1.5 透明度

透明度測(cè)試可發(fā)現(xiàn)不透明度值受到諾麗多糖濃度增加的顯著影響(P<0.05),由于不透明度的變化歸因于諾麗多糖的添加,多糖含量越高,膜的不透明度值越高,也可能是復(fù)合膜在干燥過程中逐漸緊皺,從而降低了透明度,5 NPF的不透明度比1 NPF增加44%。

2.2.2 紅外分析

為研究復(fù)合膜中不同含量諾麗多糖添加導(dǎo)致復(fù)合膜中分子間結(jié)構(gòu)相互作用和化學(xué)鍵的變化,進(jìn)行了紅外光譜分析如圖3所示。通常,純殼聚糖中氨基的變形振動(dòng)主要發(fā)生在1 645 cm-1和1 583 cm-1區(qū)域。而由于殼聚糖膜一般先溶于乙酸溶液而后制成,殼聚糖膜的主鏈由乙酸與殼聚糖中的酰胺基團(tuán)相連構(gòu)成,殼聚糖膜的紅外光譜會(huì)受到甘油的影響[23-24]。殼聚糖和諾麗多糖都屬于高分子多糖。在本實(shí)驗(yàn)中,復(fù)合膜在3 377 cm-1處的吸收峰是氨基和羥基伸縮振動(dòng)引起的,2 920 cm-1的峰是由于C—H鍵的振動(dòng)引起的[25]。1 530 cm-1處為N—H的彎曲振動(dòng)吸收峰。1 200～1 030 cm-1的吸收峰,是由2個(gè)C—O伸縮振動(dòng)引起的,是吡喃糖環(huán)上的一組特征吸收峰,其中1 050 cm-1處是由多糖(1→4)糖苷鍵的伸縮振動(dòng)造成的[26]?？傮w而言,諾麗多糖的加入對(duì)復(fù)合膜的紅外光譜沒有過分的影響。

圖3 NPF的紅外光譜圖Fig.3 Infrared spectra of NPF

2.2.3 X衍射分析

為了研究復(fù)合膜的晶體結(jié)構(gòu),探究不同比例諾麗多糖的加入對(duì)復(fù)合膜的影響,對(duì)其進(jìn)行了X射線衍射分析。通常情況下,殼聚糖的主要結(jié)晶形式有非結(jié)晶、水合結(jié)晶和無水結(jié)晶3種形式。而這3種結(jié)晶形式會(huì)因殼聚糖構(gòu)象的變化而變化。在殼聚糖膜中,殼聚糖是一種由多糖不對(duì)稱單元組成的松散的不穩(wěn)定的雙重螺旋結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)最易出現(xiàn)非結(jié)晶狀態(tài),也易與水合結(jié)晶,還可以在乙酸的作用下變?yōu)闊o水結(jié)晶形式,是不穩(wěn)定的,這主要是由于殼聚糖本身游離氨基的存在以及酸的自發(fā)疏水作用[27]。

復(fù)合膜的X射線衍射如圖4所示,在2θ=20.35°處有一個(gè)主要的衍射峰,隨著諾麗多糖的加入,在20.35°處的衍射峰及在14.12°和20.01°處的衍射峰明顯減弱直至消失,而復(fù)合膜的衍射峰逐漸變寬變強(qiáng),說明多糖與殼聚糖分子間發(fā)生了強(qiáng)烈的相互作用,改變了各自的結(jié)晶度,從而使兩者具有一定的相容性,提高了復(fù)合膜的穩(wěn)定性。

圖4 NPF的X-衍射圖Fig.4 X-ray diffraction pattern of NPF

2.2.4 電鏡分析

用掃描電鏡對(duì)復(fù)合膜的截面進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖5所示,箭頭指向?yàn)槟さ慕孛?表面?zhèn)€別可見的白色團(tuán)狀物和白色小點(diǎn)是由于進(jìn)行電鏡掃描前,將膜粘至電鏡樣品臺(tái)過程中和使用噴金預(yù)處理時(shí)引入的顆粒物雜質(zhì)。殼聚糖和諾麗多糖復(fù)合構(gòu)成的薄膜微觀結(jié)構(gòu)的截面緊湊且無大裂隙和小孔,說明諾麗多糖的加入未破壞膜的結(jié)構(gòu)。其他類型的薄膜在添加植物提取物后也表現(xiàn)出形態(tài)變化,例如含有枇杷葉提取物的可生物降解食用薄膜[28]。

圖5 NPF的掃描電子顯微鏡圖Fig.5 Scanning electron micrograph of NPF

2.2.5 力學(xué)性能的測(cè)定分析

在運(yùn)輸或搬運(yùn)過程中,為了保持膜的完整性,一定的延展性和機(jī)械強(qiáng)度是非常必要的。因此膜的機(jī)械性能必須顯著,使它能承受外界壓力,并在包裝過程中具有阻隔性。復(fù)合膜的機(jī)械性能影響見圖6,該圖表明諾麗多糖復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度隨著殼聚糖分子質(zhì)量和諾麗多糖的加入而顯著增加,可能是殼聚糖基質(zhì)分子間氫鍵和晶體結(jié)構(gòu)增加的結(jié)果[29]。與此同時(shí)其斷裂伸長率呈遞減趨勢(shì)(P<0.05)。

在聚合物基質(zhì)中加入增塑劑,可降低分子間引力來增加聚合物鏈的流動(dòng)性,分子間引力可能會(huì)導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度下降,但伸長率會(huì)增加。且用超聲對(duì)薄膜溶液進(jìn)行脫氣時(shí),可能會(huì)導(dǎo)致聚合物的鏈斷裂,減少了接合量,并促進(jìn)了鏈的滑動(dòng),薄膜很容易被撕裂[30-31]。又由于超聲脫氣時(shí)間較長,分子經(jīng)歷分子內(nèi)和分子間的相互作用,特別是氫鍵,與溶液中水的存在導(dǎo)致塑化效應(yīng)[32]。本研究和其他報(bào)道的數(shù)據(jù)存在一些差異,可能是由于殼聚糖類型、增塑劑的存在以及膜的制備方法,這些都對(duì)膜的性能產(chǎn)生影響并導(dǎo)致機(jī)械性能的變化。

2.2.6 光學(xué)性能的測(cè)定分析

食品包裝薄膜的顏色性能是選擇合適材料的重要標(biāo)準(zhǔn)。特別是用于食品保鮮包裝,較透明的包裝通常比深色包裝更易令人接受。

膜的顏色值(L*、a*和b*)、總色差(ΔE)和不透明度如表4所示,隨著諾麗多糖用量的增加,膜的a*、b*、ΔE值和不透明度顯著增加,而L*值顯著降低(P<0.05)。多糖的添加量是導(dǎo)致膜顏色變化的主要因素。多糖的加入增加了膜中黃色的強(qiáng)度。因?yàn)橹Z麗果含有天然的黃綠色色素,而諾麗多糖是從諾麗果中得到的天然提取物,其與殼聚糖共混制成的膜也呈現(xiàn)淡黃綠色。

表4 NPF的光學(xué)性質(zhì)Table 4 Optical properties of NPF

2.2.7 熱穩(wěn)定性分析

通過熱重分析來評(píng)估諾麗多糖復(fù)合膜在加熱過程的質(zhì)量損失。如圖7所示,第1個(gè)失重范圍在30～140 ℃,主要是與氫鍵的分解導(dǎo)致水分損失和乙酸的蒸發(fā)有關(guān)。第2個(gè)失重范圍在140～230 ℃,與甘油的分解有關(guān)[33]。第3個(gè)范圍在230～400 ℃,NPF發(fā)生了顯著的失重,主要是多糖等聚合物的降解引起的,是熱降解階段的主要過程,也是復(fù)合膜分解的主要范圍。隨著溫度的升高復(fù)合膜發(fā)生熱降解,失重程度均有下降。但隨著諾麗多糖添加量的增加,膜的總質(zhì)量損失減小,最終殘?zhí)苛吭龆?穩(wěn)定性呈現(xiàn)較好的趨勢(shì)。NPF與純的殼聚糖薄膜相比有更好的熱穩(wěn)定性。因此,在殼聚糖膜中添加諾麗多糖能提高復(fù)合膜在一定溫度范圍(230～400 ℃)內(nèi)的熱穩(wěn)定性。

圖7 NPF的熱重圖Fig.7 Thermogram of NPF

2.2.8 DPPH自由基清除率測(cè)定分析

DPPH是一種穩(wěn)定的自由基。其乙醇溶液呈紫色,在517 nm處有較強(qiáng)的吸收?？寡趸瘎┛梢越档推湟掖既芤涸?17 nm處的吸光度,并使其褪色[34]。

因此,DPPH被廣泛用于評(píng)價(jià)各種化合物清除自由基的能力,即化合物的抗氧化能力。在本研究設(shè)定的范圍內(nèi),如圖8所示,復(fù)合膜對(duì)DPPH自由基的清除呈劑量依賴性,清除速率隨著多糖濃度的增加而進(jìn)一步增加?？梢婋S著諾麗多糖含量的增加,膜的抗氧化活性有所提高。

圖8 NPF的抗氧化活性評(píng)價(jià)Fig.8 Evaluation of the antioxidant activity of NPF

2.2.9 土壤微生物降解評(píng)價(jià)

經(jīng)過一個(gè)月的土壤埋藏,復(fù)合膜的質(zhì)量逐漸降低,可能是土壤中的微生物菌群對(duì)膜進(jìn)行了分解,膜的結(jié)構(gòu)遭到破壞發(fā)生降解,以及隨著時(shí)間的延長水分流失導(dǎo)致的。如圖9所示,5 NPF的土壤微生物降解性最高,可見諾麗多糖的添加可以改善膜的土壤微生物降解度。

圖9 NPF的土壤微生物降解趨勢(shì)圖Fig.9 Trend of soil microbial degradation of NPF

2.2.10 椰子油包裝的潛在應(yīng)用

2.2.10.1 不同NPF的耐油性能

用吸油率來評(píng)價(jià)諾麗多糖復(fù)合膜作為食品包裝材料的耐油性[35]。由表5可知,與純的殼聚糖對(duì)照膜相比,諾麗多糖復(fù)合膜具有更低的吸油率。這可能是由于諾麗多糖的結(jié)構(gòu)中存在親水性羥基,而諾麗多糖的加入導(dǎo)致膜的厚度增加,使得油分子很難通過復(fù)合膜。較低的吸油率表現(xiàn)出較高的耐油能力,說明諾麗多糖復(fù)合膜具有椰子油包裝材料的理想特性。

表5 諾麗多糖復(fù)合膜的吸油率和儲(chǔ)存在諾麗多糖復(fù)合膜中的椰子油的過氧化值Table 5 The oil absorption of noni polysaccharide composite films and peroxide values of coconut oil stored in Noni polysaccharide composite films

2.2.10.2 過氧化值的測(cè)定

過氧化值(peroxide value, POV)是表征油脂氧化過程中產(chǎn)生的初級(jí)氧化產(chǎn)物、氫過氧化物的含量[36],儲(chǔ)存了28 d的椰子油的POV結(jié)果見表5。所有處理均增加了椰子油的POV,但與無覆蓋的對(duì)照組和純的殼聚糖膜相比,5 NPF的POV增加速度較慢。貯藏第28天,貯存在無膜覆蓋瓶中的椰子油POV最高,為(66.50±1.55) mmol/kg,由5 NPF覆蓋的瓶中椰子油POV最低,為(23.82±0.07) mmol/kg。復(fù)合膜的致密結(jié)構(gòu)使氧氣難以通過,阻氧性較好,從而在減少氧化過程中發(fā)揮了重要的作用[37]。此外,復(fù)合膜中多糖類化合物的存在也提高了膜的抗氧化能力,且阻油性好,有助于減緩油脂的氧化。

3 結(jié)論

本研究以諾麗多糖和殼聚糖共混制備出環(huán)保的復(fù)合膜。諾麗多糖的加入提高了膜的抗拉升強(qiáng)度和總糖含量,降低了膜的斷裂伸長率和水蒸氣透過率,改善了膜的性能。按不同比例添加諾麗多糖后,表現(xiàn)出良好的機(jī)械性能,所制備的諾麗多糖復(fù)合膜表面致密、均勻并且在一定程度上顯示出韌性。諾麗多糖的添加引起了復(fù)合膜特征吸收峰的遷移和強(qiáng)弱變化,使其衍射峰減弱甚至消失,表明用于制膜的諾麗多糖和殼聚糖之間存在著強(qiáng)烈的相互作用,各組分間有著一定程度的相容性。通過X射線衍射,熱重分析表明,諾麗多糖復(fù)合膜具有生物聚合物的自然形態(tài)和理化性質(zhì);且阻氧性好,耐油能力強(qiáng)。本文為植物提取物混合殼聚糖基薄膜的研究提供了一定的理論基礎(chǔ),所制備的復(fù)合膜作為良好的環(huán)保型食品包裝膜具有良好的應(yīng)用潛力。