酸溶剂对葛根淀粉_壳聚糖复合可食膜性能的影响.pdf

第 28 卷第 13 期农 业 工 程 学 报Vol.28No.13 2012 年7 月Transactions of the Chinese Society of Agricultural EngineeringJul. 2012263 酸溶剂对葛根淀粉/壳聚糖复合可食膜性能的影响 钟宇 1,2，李云飞2,3 （1. 上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240；2. 上海交通大学食品科学与工程系，上海 200240； 3. 上海交通大学陆伯勋食品安全研究中心，上海 200240） 摘要：为了考察壳聚糖酸溶剂对葛根淀粉/壳聚糖复合可食膜抗菌、物理和机械性能的影响，该文选择质量分数为 1% 的乙酸、乳酸、苹果酸为溶剂，配制质量体积比 2g/L 的葛根淀粉- 壳聚糖复合膜液，以 0.5g/L 的抗坏血酸为活性添加剂， 0.6g/L 的丙三醇为增塑剂，0.1g/L 的吐温 20 为表面活性剂，采用流延法制备可食性复合膜。结果表明：复合膜液具有一 定的表面活性；酸溶剂未对膜液表面张力产生显著影响。有机酸溶剂种类对复合膜性能影响显著，其中乙酸复合膜的机 械强度最大，平均抗拉强度和穿透力分别为 5.73 MPa 和 8.63 N，水溶性最小，约 34%，对抗坏血酸缓释效果最明显；乳 酸复合膜的延展性最优，平均断裂伸长率和穿透距离分别为 71.5%和 6.05 mm；苹果酸复合膜的抑菌效果最佳，对大肠杆 菌和金黄色葡萄球菌的抑制率分别达到 98.9%和 81.2%，阻水性最强，透湿系数为 4.824.82 10- 11g/(m s Pa)，故可根据不 同使用目的选择相应复合膜。研究结果为该类复合包装膜在实际食品上的应用提供理论依据。 关键词：膜，物理性能，机械性能，酸溶剂，葛根淀粉，壳聚糖，抗坏血酸，表面活性 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2012.13.042 中图分类号：S131文献标志码：A文章编号：1002-6819(2012)-13-0263-06 钟宇，李云飞. 酸溶剂对葛根淀粉/壳聚糖复合可食膜性能的影响J. 农业工程学报，2012，28(13)：263268. Zhong Yu, Li Yunfei. Effects of acid solvents on properties of kudzu starch/chitosan composite edible filmsJ. Transactions of the Chinese Society ofAgricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(13): 263268. (in Chinese with English abstract) 0引言 可食性膜因具有低成本、无残留、无污染、操作简 便、 效果显著等优点而成为食品保鲜领域的研究热点1- 5。 在众多天然成膜材料中，淀粉产量丰富、廉价易得、处 理简单、易生物降解且具有良好的阻气性能，是最具应 用前景的成膜基材之一6。葛根淀粉低脂、低糖，富含多 种维生素及微量元素，且具有优异的理化性质和独特的 药理作用，可作为可食膜的理想原料7- 9。 不同基材可食膜的性能各有优劣，而不同材料共混 可促使各组分分子之间相互作用，达到协同增效、改善 膜产品综合性能的目的。壳聚糖成膜性好、生物相容性 佳、广谱抗菌性强，能与淀粉共混制备出既能满足食品 包装要求，又具有抗菌保鲜作用的多功能、低成本可食 性复合膜10- 11，并取得一定的研究成果12- 14。但是，壳聚 糖因分子间存在强烈的氢键作用不溶于水和碱液，只溶 于某些酸性介质，酸溶剂与壳聚糖之间的相互作用会显 著影响可食膜的成膜性能15。 Kim 等15指出酸溶剂甲酸、 乙酸、乳酸、丙酸对单一壳聚糖膜的机械及阻水性能存 在较大影响，但酸溶剂对膜抗菌能力、润湿性能的影响 收稿日期：2011- 08- 01修订日期：2012- 05- 07 基金项目：国家科技攻关计划重点项目（2008BAD91B02） 作者简介：钟宇（1983） ，女，河北邯郸人，博士生，主要从事食品冷 冻冷藏研究。上海上海交通大学制冷与低温工程研究所，200240。 Email：hbzyshjd 通信作者：李云飞（1954） ，男，吉林大安人，教授，博士，博士生导 师， 主要从事农产品贮藏与加工技术及食品质构与物性学研究。 上海上海 交通大学农业与生物学院食品科学与工程系， 200240。 Email： yfli 鲜见报道。 膜液中加入表面活性剂有助于溶液形成均匀、稳定的 分散体，进而改善膜产品的组织结构、外观形貌等16- 17，其 中吐温 20 是一种较常采用的能够增强膜液润湿性能、提 高被膜效率的非离子表面活性剂16。此外，抗坏血酸作 为一种具有强还原性的水溶性维生素，也经常被加入可 食膜中，以期改善被膜食品的品质18。抗坏血酸从可食 膜向食品表面的扩散性能会影响其保护作用的发挥，然 而鲜有文章考察酸溶剂对其扩散速率的影响。 本文主要研究 3 种有机酸溶剂（乙酸、乳酸、苹果 酸） 对加入表面活性剂吐温 20 的葛根淀粉/壳聚糖复合膜 性能的影响，包括膜液表面张力、膜抗菌性能、抗坏血 酸释放等物理性能和机械性能等，以期为可食性膜的研 究及果蔬保鲜方法提供参考。 1材料与方法 1.1试验设备及材料 葛根淀粉（中国红旗集团淅川春雨葛业生物工程有 限公司，河南）；壳聚糖（分子量：420 kDa，脱乙酰度： 88.1%，黏度：62 mPa s；山东奥康生物科技有限公司）； 丙三醇；吐温 20；抗坏血酸；乙酸；乳酸；苹果酸； Luria- Bertani 培养基； 胰蛋白胨大豆肉汤培养基； 营养琼 脂；1,1- 二苯基- 2- 苦基肼（DPPH）；无水乙醇；无水氯化 钙；氯化钠；五氧化二磷等，以上试剂均为分析纯。 电热恒温水浴锅（HWS28，上海一恒科学仪器有限 公司）；数显恒速搅拌器（S312，上海申生科技有限公 司） ； 均质机 （APV1000， 丹麦APV公司） ； 真空泵 （TW- 2A， 农业工程学报2012 年 264 温岭市挺威真空设备有限公司）；表面张力仪（BZY- 2， 上海衡平仪器仪表厂）；接触角测试仪（DSA30，德国 Kruss 公司）；恒温恒湿培养箱（KBF115，德国 Binder 仪器有限公司）；热空气消毒箱（GRX- 9073A，上海一 恒科学仪器有限公司）；手提式高压蒸汽消毒器 （WS2- 84- 64，上海医用核子仪器厂）；台式恒温振荡器 （THZ- 22，苏州太仓市试验设备厂）；无菌操作台 （BJ- 2CD，上海博讯医用设备有限公司）；紫外可见分光 光度计（UV- 2100，尤尼柯（上海）仪器有限公司）；质 构分析仪（TA- XT2i，英国 Stable Microsystems 公司）； 真空干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司）；玻璃板 （25 cm 25 cm，自制）。 1.2方法 1.2.1膜的制备流程 根据预试验，将 2 g 葛根淀粉溶于 1000 mL 蒸馏水， 配制成 2g/L 的淀粉溶液，添加 0.6 g/L 的甘油、0.1g/L 的 吐温 20， 于 100 C 水浴下搅拌糊化 15 min， 取出后备用。 将 2 g 壳聚糖在 60 C 条件下分别溶解于 1000 mL 质量分 数为 1%的乙酸、乳酸、苹果酸溶液中，配制成 2g/L 的 壳聚糖酸溶液，添加 0.6 g/L 的甘油、0.1 g/L 的吐温 20， 搅拌溶解。 将葛根淀粉溶液和壳聚糖溶液按体积比 11 搅拌共 混。待成膜液温度降至室温时，调节共混液 pH 值至 4.0。 加入 0.5g/L 的抗坏血酸， 搅拌 5 min 后进行均质处理。 将 膜液在 10 Pa 真空度下真空脱气 30 min， 随后在室温下采 用流延法制膜，膜液用量为玻璃板（25 cm 25 cm）200 mL。制膜工艺流程图如图 1。 图 1制膜工艺流程图 Fig.1Process chart of film 葛根淀粉/抗坏血酸膜（液）记为 KA，葛根淀粉/壳 聚糖/抗坏血酸复合膜（液）总记为 KCA，而壳聚糖溶于 乙酸、乳酸、苹果酸对应的葛根淀粉/壳聚糖/抗坏血酸复 合膜（液）分别记为 KCAA、KCLA 和 KCMA。 1.2.2膜液表面张力测定 采用 BZY- 2 全自动表面张力仪测定，相同试验重复 6 次，所测数据取平均值。试验均在室温 25 C、相对湿 度 60%70%的环境下进行。 1.2.3膜性质测定 1）抗菌试验 依据 Sabaa 等19的研究结果，选取 2 种医学常用细菌大 肠杆菌（CMCC44102，革兰氏阴性菌）及金黄色葡萄球 菌（ATCC6538，革兰氏阳性菌）作为试验菌种，对复合 膜抗菌性进行测定。 将 3 种复合膜各 1.25 g （干基） 置于 50 mL 菌悬液中， 未加膜的原始菌悬液作为对照，将菌悬液在 37 C、 200 r/min 的摇床上培养。取培养 0.5 h 的菌悬液各 1 mL， 用质量分数 0.9%的生理盐水逐级稀释至适当倍数，将 20 L 菌悬液均匀涂布于无菌营养琼脂平板上。将琼脂平板 放置于 37 C 培养箱中培养 24 h 后记录平板上的菌落数， 计算抑菌率。每组试验进行 3 次平行，结果取平均值。 2）释放试验 释放试验参照Flores等20及Gemili等21的试验方法， 并做适当调整。量取经脱气处理的蒸馏水 60 mL 放入称 量瓶（70 mm 35 mm）中，置于恒温磁力搅拌器上，调 节搅拌器转速为 150 r/min，温度为（25 0.5） C。待温 度恒定后，将膜样品投于蒸馏水并开始计时，定时取样 （1、3、5、10、15、20、25、30、45、60 min），同时补 充相同温度、相同体积的蒸馏水，以蒸馏水为空白对照， 扣除复合膜加入引起的吸光度变化值， 利用1,1- 二苯基- 2- 苦基肼（DPPH）溶液测定释放液中的抗坏血酸浓度。计 算抗坏血酸累积释放率，并利用菲克第二定律方程拟合 释放曲线。 3）1,1- 二苯基- 2- 苦基肼（DPPH）测定 避 光 条 件 下 ， 将 3 mg 1,1- 二 苯 基 - 2-苦 基 肼 （1,1- Diphenyl- 2- picrylhydrazyl）加入到 100 mL 甲醇中， 配制成 75 mol/L 的 DPPH 甲醇溶液。取 1 mL 样品加入 4 mL DPPH 甲醇溶液中混匀，避光静置 60 min 使清除自 由基反应充分发生，以抗坏血酸作为标准品，用紫外分 光光度计测定 516 nm 处的吸光度值。 4）膜表面润湿性 采用座滴法 （sessile drop） 测量样品的接触角。 在25 C 条件下，将平整膜片（15 mm 15 mm）固定于接触角仪 的样品台上，用微量注射器垂直缓慢地将 5 L 去离子水 滴于膜片上并拍摄接触角图像，相同试验重复 6 次，所 测数据取平均值。 5）机械性能 拉伸试验：样品尺寸 20 80 mm，采用质构分析仪 测定抗拉强度（TS，MPa）和断裂伸长率（E，%）。初 始夹距 50 mm，拉引速率 0.8 mm/s。 穿透试验：样品尺寸 40 mm40 mm，采用质构分析 仪测定穿透力（PS，N）和穿透距离（PD，mm），初始 间距 10 mm，拉引速率 0.8 mm/s。 6）水蒸汽透过系数（water vapor permeability, WVP） 将无水 CaCl2铺于透湿杯 （聚乙烯塑料杯） 中， CaCl2 顶部距杯口约 5 mm。选择表面平整、厚度均匀的膜，每 个样品做 5 个平行，测定厚度后，密封于透湿杯杯口， 称质量后放入底部盛有饱和 NaCl 溶液， 相对湿度为 75% 的干燥器中，每 24 h 称量一次，试验时间为一周。水蒸 汽透过系数按下式计算15 mL WVP At P （1） 式中，WVP 为水蒸汽透过系数，g/(m s Pa)；m 为 t 时间内 透湿杯质量增加量，g；L 为膜厚度，m；A 为透湿杯口面 第 13 期钟宇等：酸溶剂对葛根淀粉/壳聚糖复合可食膜性能的影响 265 积，m2；t 为测量时间，s；P 为膜两侧水蒸汽压差，Pa。 7）水溶性 将膜样品（20 mm 20 mm）干燥至恒质量，称质量 （M0, g）后将其放入盛有 30 mL 蒸馏水的烧杯中，室温 下溶解 24 h，把水倒掉后再次将膜干燥至恒定质量并称 质量（M, g）。水溶性（S，%）按下式计算15 0 0 100% MM S M （2） 1.2.4数据处理 试验数据用 SPSS 13.0 软件处理， 均数之间比较采用 T 检验和 One way ANOVA 方差分析， PKCLA 膜。接触角大小的差异可能归因于成膜 组分间相互作用力的不同（尤其是酸溶剂与壳聚糖间的 相互作用力）导致表面活性剂疏水基团在膜表面的分布 有差异。但这种差异并不明显，KCAA 膜的水接触角与 KCMA、KCLA 膜之间并无显著性差异（P0.05）。 图 3葛根淀粉/壳聚糖/抗坏血酸复合膜表面水接触角 Fig.3Contact angles of deionized water droplets on KCA films 2.5葛根淀粉/壳聚糖/抗坏血酸复合膜的水蒸气透过率 复合膜的透湿系数测定结果见图4。试验中，KCAA、 KCLA 及 KCMA 膜的平均 WVP 值分别为 6.64 10- 11g/ (m s Pa)、8.10 10- 11g/(m s Pa)及 4.82 10- 11g/(m s Pa)。包 装膜的透湿系数主要受膜对环境中水分的吸收及吸收水 分在膜中扩散行为的双重控制。KCAA 膜中壳聚糖分子 间的作用力较强、结构紧凑，导致水分不易在 KCAA 膜 中扩散，故其透湿系数较 KCLA 膜低。KCMA 膜的吸水 能力最弱，故透湿系数最低。KCA 膜的透湿系数规律与 膜表面润湿性规律一致。 图 4葛根淀粉/壳聚糖/抗坏血酸复合膜透湿系数 Fig.4Water vapor permeability (WVP) values of KCA films 2.6葛根淀粉/壳聚糖/抗坏血酸复合膜机械性能及水 溶性 表 3 显示了复合膜的机械性能。由表 3 可见，KCAA 膜的机械强度最强， 其平均抗拉强度、 穿透力分别为 5.73 MPa、8.63 N；KCLA 膜的柔韧性最佳，其平均断裂伸长 率、穿透距离分别为 71.51%、6.05 mm；KCMA 膜的机 械性能介于前两种膜之间。不同酸溶剂的离子强度、解 离程度不同，导致成膜液性能不同，并最终造成膜性能 的差异。Park 等27报道指出，壳聚糖在乙酸溶剂中的分 子量比在乳酸、苹果酸、柠檬酸等其他酸溶剂中的分子 量大，并由此推断壳聚糖乙酸膜的机械强度最大。机械 性能试验证明，复合膜具有与其他可食膜近似的机械强 度及延展性15，有望用于制备食品保鲜包装材料。 表 3葛根淀粉/壳聚糖/抗坏血酸复合膜机械性能及水溶性 Table 3Mechanical propertiesand solubility valuesofKCAfilms 复合膜 抗拉强度/ MPa 断裂伸长率/ % 穿透力/ N 穿透距离/ mm 水溶性/ % KCAA5.73 0.81a58.07 5.60c8.63 0.69a4.44 0.07c34.0 0.7c KCLA2.53 0.26c71.51 4.37a5.38 0.29b6.05 0.14a39.2 0.7b KCMA3.60 0.39b65.52 2.31b5.61 0.62b5.11 0.32b52.3 0.3a 注：表中数据为平均值 标准偏差（机械性能，n=8；水溶性，n=3）。不同 的字母表示有显著性差异（P0.05）。 复合膜的水溶性分析结果（表 3）显示，酸溶剂对复 合膜的水溶性有显著影响（P0.05），其中 KCAA 膜的 水溶性最低 （约34%） ， 而KCMA膜水溶性最大 （约52%） 。 KCLA 膜（约 39%）与 KCMA 膜水溶性较高的原因可能 是由于乳酸和苹果酸分子上所带的羟基导致膜在水中不 稳定。尽管低水溶性表明膜的完整性不易受水分影响， 但有时需要高水溶性的可食性膜（例如制备可溶性调味 包），因此可根据水溶性需要选择不同的酸溶剂制备复 合膜。 2.7应用前景 中国有非常丰富的葛根资源、廉价易得，且淀粉含 量较高，新鲜葛根中淀粉质量分数约为 20%。在本试验 条件下，和 1 L 壳聚糖膜液相比，等量葛根淀粉/壳聚糖 复合膜液的成本下降约 0.18 元，有一定的应用前景。 3结论 1） 葛根淀粉/壳聚糖/抗坏血酸复合膜(KCA)膜液表面 张力较葛根淀粉/抗坏血酸膜(KA)膜液低，酸溶剂未对膜 液表面张力产生显著影响。 第 13 期钟宇等：酸溶剂对葛根淀粉/壳聚糖复合可食膜性能的影响 267 2） 葛根淀粉/壳聚糖/抗坏血酸复合膜(KCA)对大肠杆 菌及金黄色葡萄球菌的生长具有显著的抑制作用，抑制 率分别为 96.2%98.9%及 66.7%81.2%；对抗坏血酸 具有良好的缓释效果， 其中乙酸/葛根淀粉/壳聚糖/抗坏血 酸复合膜（KCAA）中抗坏血酸的释放主要受膜溶胀过程 控制，而乳酸/葛根淀粉/壳聚糖/抗坏血酸复合膜 （KCLA）、苹果酸/葛根淀粉/壳聚糖/抗坏血酸复合膜 （KCMA）中抗坏血酸的释放同时受膜溶蚀过程控制。 3）有机酸溶剂种类对复合膜综合性能影响显著，其 中乙酸/葛根淀粉/壳聚糖/抗坏血酸复合膜（KCAA）的机 械强度最大，其平均抗拉强度和穿透力分别为 5.73 MPa 和 8.63 N；水溶性最小，约为 34%。乳酸/葛根淀粉/壳聚 糖/抗坏血酸复合膜（KCLA）的延展性最优，其平均断 裂伸长率和穿透距离分别为 71.5%和 6.05 mm。苹果酸/ 葛根淀粉/壳聚糖/抗坏血酸复合膜（KCMA）的抑菌效果 最佳，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制率分别达到 98.9%和 81.2%；阻水性最强，透湿系数为 4.82 10- 11 g/(m s Pa)。 参考文献 1王娟，陈平生，孟祥春. 复合涂膜结合紫外处理对鲜切木 瓜冷藏品质的影响J. 农业工程学报，2012，28(2)：273 278. 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