李天密，屈思佳，韓俊華*

（河北科技大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050018）

殼聚糖（chitosan，CS）具有良好的成膜性，是地球上最豐富且天然存在的多糖之一[1]。由于其安全性、生物可降解、來源廣泛等優(yōu)良特性，在食品、化妝品、生物醫(yī)學(xué)及農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[2]。且CS具有多種降解方法，包括光降解、酶降解、酸降解等[3]，因此全球許多公司已開始將基于CS的產(chǎn)品進(jìn)行商業(yè)化[4]。但是CS單一成膜組分不具備一定的抗氧化性，且抑菌范圍較窄，可降解速度較為緩慢；因此，國內(nèi)相關(guān)研究者通過添加一種或者多種組分制備復(fù)合膜以改善其性能，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。蒲傳奮[5]、Shankar[6]等通過向CS中添加硫納米顆粒、微晶纖維素，顯著提高了CS膜的疏水性、抗氧化性、機(jī)械強(qiáng)度及抗菌活性。γ-聚谷氨酸（γ-polyglutamic acid，γ-PGA）是一種由微生物產(chǎn)生的易生物降解的高分子天然聚合物，具有良好的水溶性，且無毒、可食用[7]，在食品工業(yè)中具有極高的發(fā)展?jié)摿皯?yīng)用價值[8-10]。通常為適應(yīng)不同產(chǎn)品類型、不同加工條件或保存環(huán)境的要求，需要在膜中添加特定物質(zhì)來改善膜的物理特性、功能性、抑菌性等，擴(kuò)大其適用范圍。姜黃素（curcumin，Cur）是從姜科植物郁金、天南星科植物菖蒲等的植物根莖中提取的一種小分子物質(zhì)[11]，是良好的食品級色素[12]，具有顯著的抗氧化功能及抗炎、抗腫瘤、抗動脈粥樣硬化等生物活性[13]，近年來逐漸受到國內(nèi)外臨床治療、醫(yī)藥、食品、保健品等研究者的關(guān)注。

果蔬類產(chǎn)品多使用含蠟的水溶性乳液進(jìn)行保鮮處理，但蠟質(zhì)成分在體內(nèi)體外都難以降解。而對于肉制品而言，腸衣隨著需求量的增大，應(yīng)用范圍也逐漸擴(kuò)大，但對于一些食品的使用受到限制[11]。而CS、γ-PGA均具有良好的可降解性和安全性，以其為成膜材料所制備的可食性膜可通過直接噴灑于食品表面或?qū)⒊尚偷哪じ采w于食品表面達(dá)到預(yù)想的效果，除可減少產(chǎn)品的氧化和水分損失外，還可改善產(chǎn)品質(zhì)量、色澤、感官屬性及延長保質(zhì)期[12-13]。馮文婕等[14]發(fā)現(xiàn)以一定濃度茶多酚-CS復(fù)合保鮮膜液對新鮮草莓進(jìn)行涂膜保鮮處理，可延長草莓的保鮮期，且保持其較好的感官品質(zhì)。因此，可食性膜的開發(fā)利用在食品的保存與運(yùn)輸中起著至關(guān)重要的作用。Cur作為一種光敏劑，在光照作用下可以發(fā)生光敏作用，產(chǎn)生光毒性，表現(xiàn)出抑菌效果。然而，光毒性是否對人體產(chǎn)生不良影響，已有研究對此進(jìn)行了探討。武娟等[15]探究了光敏化Cur對小鼠L929細(xì)胞生長的影響。結(jié)果表明，經(jīng)不同濃度的光敏化Cur（5、10、20 μmol/L）處理后，L929細(xì)胞生長良好，不發(fā)生細(xì)胞凋亡，與對照組相比無明顯差異。且Cur在光照下易發(fā)生分解，主要產(chǎn)物為阿魏酸和香草醛，二者分別具有調(diào)節(jié)人體生理機(jī)能和輔助治療各種類型癲癇的作用。因此，搭載Cur的可食性復(fù)合膜將有助于擴(kuò)大其于果蔬及肉制品保鮮中的使用范疇。

本研究以CS、γ-PGA為成膜材料，添加Cur制備可食性復(fù)合膜，對膜的厚度、透光率、水溶性進(jìn)行評價，闡明各組分對可食性膜特性的影響，并分析膜的表面結(jié)構(gòu)和紅外吸收情況。然后探究該可食性復(fù)合膜對培根及火腿表面的抑菌保鮮效果，以初步評價其應(yīng)用于肉制品保鮮包裝的可行性。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

CS（脫乙酰度≥95%） 上海阿拉丁試劑有限公司；γ-PGA（相對分子質(zhì)量為7×105） 陜西一諾生物科技有限公司；Cur（純度99%） 山東西亞化學(xué)工業(yè)有限公司；胰蛋白胨、瓊脂粉、酵母浸粉 北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司；氯化鈉、乙酸、無水乙醇、丙三醇均為分析純；實驗用水為去離子水。

1.2 儀器與設(shè)備

YT-CJ-1N型超凈工作臺 北京亞泰科隆儀器技術(shù)有限公司；SHZ-82A恒溫振蕩器 常州市國旺儀器制造有限公司；SPX-100B-Z型生化培養(yǎng)箱 上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；79-1型磁力攪拌器 北京中興偉業(yè)儀器有限公司；JJ-1A數(shù)顯電動攪拌器 金壇市榮華儀器制造有限公司；DZF-6320真空干燥箱 上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司；UV-6000PC紫外-可見分光光度計上海元析儀器有限公司；螺旋測微器 上海申韓量具有限公司；JEM-2100型掃描電子顯微鏡 日本電子株式會社；TENSOR37型傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared，F(xiàn)TIR）儀 杭州漢澤科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 復(fù)合膜的制備

采用流延法制備復(fù)合膜，復(fù)合膜液的配制及膜制備的具體方法如下。

CS/Cur膜：將CS用體積分?jǐn)?shù)1%冰乙酸溶解，依次配制成5、10、15 g/L的CS溶液，分別取100、99、97、95、92、90 mL的CS溶液，分別添加不同體積（0、1、3、5、8、10 mL）1 mmol/L的Cur溶液，于60 ℃水浴鍋內(nèi)充分反應(yīng)，直至CS溶液與Cur混合均勻，得到Cur濃度分別為0、0.01、0.03、0.05、0.08、0.10 mmol/L的透明狀CS-Cur膜液。

CS/Cur/γ-PGA復(fù)合膜：將10 g/L的γ-PGA按一定體積比例（1∶10、1∶8、1∶6、1∶4、1∶2）緩慢添加到CS/Cur溶液（含10 g/L CS和0.05 mmol/L Cur）中，于70 ℃恒溫水浴鍋中振蕩2 h后，取出得到相應(yīng)體積比的CS/Cur/γ-PGA復(fù)合膜液。

在以上復(fù)合膜液中分別加入一定量甘油（為了成膜），超聲脫氣5 min，排除氣泡。取一定量的該膜溶液分別倒入直徑90 mm的玻璃平皿內(nèi)，于40 ℃真空干燥箱中烘干24～36 h，得到均勻的膜樣品，在相對濕度為50%的環(huán)境下放置2 h，揭下備用。

1.3.2 復(fù)合膜指標(biāo)測定

1.3.2.1 厚度的測定

膜厚度的測定參考Prommakool等[16]的方法。將待測膜樣品裁剪成大小相同的薄膜，采用螺旋測微器分別測量膜四周及中心位置5 處的厚度，取其平均值。

1.3.2.2 水溶性的測定

選取適當(dāng)大小的膜樣品，記錄其初始質(zhì)量（m0/g），置于燒杯中，加入去離子水，將膜樣品充分浸泡4 h，取出，用濾紙將表面水分吸干之后置于干燥箱，50 ℃干燥至質(zhì)量恒定，記錄此時質(zhì)量（m1/g）。按公式（1）計算膜樣品的水溶性。

式中：m0為膜樣品的初始質(zhì)量/g；m1為充分浸泡干燥后的膜樣品的質(zhì)量/g。

1.3.2.3 透明度的測定

透明度的測定參考王坤等[17]的方法。將膜樣品裁剪為5 cm×1 cm大小，貼在比色皿壁上，以空氣作空白對照，用紫外-可見分光光度計測定600 nm波長處吸光度（A600nm），按公式（2）計算透明度。

式中：d為膜的厚度/mm。

1.3.2.4 表面形態(tài)的觀察

選取不同膜樣品，經(jīng)噴金干燥處理后，在JEM-2100型掃描電子顯微鏡下觀察其表面微觀結(jié)構(gòu)。

1.3.2.5 傅里葉變換紅外光譜掃描

選取適當(dāng)?shù)膹?fù)合膜，采用TENSOR37型FTIR儀（400～4 000 cm－1）進(jìn)行掃描，分析不同膜樣品的掃描曲線。

1.3.3 復(fù)合膜在培根與火腿表面的應(yīng)用分析

將市售培根與火腿在無菌環(huán)境下拆封，切片（厚度約3 mm），將樣品分別經(jīng)10 g/L CS膜液及CS/Cur/γ-PGA復(fù)合膜液（V（γ-PGA）：V（CS/Cur）＝1∶8）涂膜處理與采用市售保鮮膜進(jìn)行包裝，空白組樣品不經(jīng)任何處理，于28 ℃、相對濕度為50%環(huán)境下保存，2、3 d后分別測定菌落總數(shù)（參考GB 4789.2—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品微生物學(xué)檢驗 菌落總數(shù)測定》），并在第3天對其進(jìn)行感官評定（參考GB 2730—2015《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 腌臘肉制品》）和拍照。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

使用SPSS Statistics 17.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)分析，采用t檢驗進(jìn)行顯著性差異分析（P＜0.05），數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，使用OriginPro 8.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合膜樣品

Cur具有較強(qiáng)的著色作用，在我國食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)（GB 2760—2014《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》）中允許作為糖果、碳酸飲料、果凍等的著色劑使用。大量研究也報道了Cur具有很好的抑菌、防腐作用。圖1為在10 g/L的CS溶液中添加不同濃度Cur后的膜液和膜樣品，可以看出，隨著Cur濃度的增加，復(fù)合膜液及膜的顏色均逐漸加深。由圖2可知，當(dāng)在CS/Cur中添加γ-PGA后，CS/Cur的添加比例越小，膜顏色逐漸變淺。膜樣品的顏色決定膜的使用范圍，對于顏色較淺的果蔬，宜采用Cur含量較低與之顏色相符的膜，以不影響食品的外觀，而對于顏色較深的肉類等，如火腿、培根，則可以提高Cur的濃度。因此，實際應(yīng)用中，在保證膜特性的前提下，需根據(jù)樣品特點選擇不同配比的膜使用。

圖1 CS/Cur膜液和膜樣品Fig. 1 CS solutions (10 g/L) and film samples with different concentrations of Cur

Fig. 2 Composite film samples with different ratios between γ-PGA and CS/Cur

2.2 復(fù)合膜的厚度

圖3 CS/ Cur（A）和CS/ Cur /γ-PGA（B）復(fù)合膜的厚度Fig. 3 Thickness of CS/Cur (A) and CS/Cur/γ-PGA (B) composite films

CS本身具有良好的成膜性，由圖3A可知，混合膜溶液中，隨著CS質(zhì)量濃度的增加，得到的混合膜厚度明顯增加。Cur濃度對膜厚度也有明顯影響，隨著Cur濃度的增加，CS/Cur膜的厚度也逐漸增加。Saranya等[18]在研究中也曾報道，Cur是一類酸性多酚類物質(zhì)，在溶液中普遍以烯醇式結(jié)構(gòu)存在，在一定條件下，可以與CS發(fā)生偶聯(lián)作用，引起CS膜厚度的增加。Cur在復(fù)合膜中主要起抑菌效果，但是添加會導(dǎo)致其厚度增大，對一些食品包裝會影響其質(zhì)感。

由圖3B可以看出，隨著γ-PGA添加量的增加，復(fù)合膜的厚度逐漸減小。因此，可以考慮通過適當(dāng)增加γ-PGA的添加量以減小膜的厚度，從而適應(yīng)不同的產(chǎn)品要求。市售保鮮膜的厚度約在0.02～0.03 mm，而流延法制作的復(fù)合膜的厚度可以達(dá)到0.02 mm左右，噴涂法制作的膜厚度更薄。因此，該可食性復(fù)合膜有望在食品表面的涂膜保鮮及作為包裝材料上發(fā)揮一定的作用。

2.3 復(fù)合膜的水溶性

圖4 CS/Cur（A）和CS/Cur/γ-PGA（B）膜的水溶性Fig. 4 Water solubility of CS/Cur (A) and CS/Cur/γ-PGA (B) films

由圖4A可知，當(dāng)Cur濃度一定時，隨CS質(zhì)量濃度增加，復(fù)合膜的水溶性顯著下降（P＜0.05），這是因為CS本身的親水性差；CS質(zhì)量濃度一定時，添加Cur后，復(fù)合膜的水溶性顯著低于單獨的CS膜（P＜0.05），這是因為Cur呈疏水性，添加Cur后，疏水性碳鏈增多，膜的水溶性下降，但Cur的濃度對CS/Cur膜水溶性影響不顯著（P＞0.05）。從圖4B可以看出，與未添加γ-PGA的復(fù)合膜相比，添加γ-PGA后復(fù)合膜的水溶性顯著增加（P＜0.05），但是γ-PGA的添加量對復(fù)合膜水溶性的影響不顯著（P＞0.05）。水溶性的增加主要是因為CS與γ-PGA之間會形成良好的分散體系，且γ-PGA具有良好的水溶性與降解性。

2.4 膜的透明度

圖5 CS/Cur（A）和CS/Cur/γ-PGA（B）膜的透明度Fig. 5 Transparency of CS/Cur (A) and CS/Cur/γ-PGA (B) films

薄膜的透光性直接影響產(chǎn)品的保鮮效果及外觀，有的產(chǎn)品包裝需要提高透光率，來呈現(xiàn)食品原有的新鮮色澤；有的則需要避光，減少光線對包裝內(nèi)食物的影響，形成良好的阻隔作用。由圖5A可以看出，CS質(zhì)量濃度一定時，復(fù)合膜溶液中Cur的濃度越高，制得的復(fù)合膜透明度越低，這是因為Cur為黃色粉末，具有極強(qiáng)的著色性，且一旦著色后便不會輕易褪色，導(dǎo)致透明度降低。由圖5B可以看出，在CS/Cur溶液中添加不同比例γ-PGA后，所得復(fù)合膜的透明度沒有較大變化，且透明度良好。

2.5 膜的表面形態(tài)

圖6 CS（A）、CS/ Cur（B）和CS/Cur/γ-PGA（C）膜的表面掃描電子顯微鏡圖Fig. 6 Scanning electron microscope images of CS (A), CS/Cur (B) and CS/Cur/γ-PGA (C) films

CS具有良好的成膜能力，其膜表面平整且光滑（圖6A）。CS中添加Cur后，沒有出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，且膜表面無縫隙與雜質(zhì)，緊湊且光滑（圖6B），因此二者也表現(xiàn)出良好的相容性；陳紅等[19]以CS為成膜基質(zhì)，添加微晶甾醇制備可食性膜，通過掃描電子顯微鏡觀察復(fù)合膜的表面結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，添加低劑量微晶甾醇的復(fù)合膜表面光滑均勻，且微晶甾醇均勻地分布于CS膜中；因此CS與其他物質(zhì)有較好的相容性，適合作為可食性膜的基質(zhì)。但添加γ-PGA后的復(fù)合膜表面更為緊密，表面有少許白色絮狀物分布（圖6C），推測可能是γ-PGA與CS/Cur反應(yīng)的產(chǎn)物引起的，這與胡熠等[20]所報道的結(jié)果相似。

2.6 復(fù)合膜的FTIR分析

圖7 γ-PGA、Cur（A）、CS及其復(fù)合膜（B）的FTIR圖Fig. 7 FTIR spectra of γ-PGA, Cur (A), CS and their composite films (B)

圖7 為復(fù)合膜及單一膜組分的FTIR圖。對于單一Cur，1 627.3 cm－1處為C＝O的伸縮振動吸收峰（圖7A）；單一CS膜在3 368.3 cm－1左右為O—H與N—H伸縮振動的重疊吸收峰（圖7B）；通過對比CS/Cur復(fù)合膜的FTIR圖（圖7B），可以發(fā)現(xiàn)復(fù)合膜中的這兩個吸收峰均發(fā)生明顯的位移，吸收波數(shù)分別位于1 641.8 cm－1和3 361.2 cm－1處，推測可能是CS的N—H與Cur的C＝O發(fā)生了偶聯(lián)作用[21]；劉舉慧等[22]也報道了CS與Cur之間會發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)。

單一γ-PGA膜在3 338.4 cm－1與1 685.7 cm－1處分別出現(xiàn)O—H與C＝O的伸縮振動吸收峰（圖7A），通過對比分析CS/Cur/γ-PGA復(fù)合膜相對應(yīng)基團(tuán)的伸縮振動吸收峰后發(fā)現(xiàn)，復(fù)合膜在3 349.4 cm－1與1 634.1 cm－1處的伸縮振動吸收峰發(fā)生較為明顯波動，推測3 349.4 cm－1處出現(xiàn)吸收峰可能是γ-PGA的羧基中的O—H與CS的N—H發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，1 634.1 cm－1處的吸收峰可能是CS的N—H與γ-PGA的C＝O之間發(fā)生了相互作用，這與孫文超[23]的報道結(jié)果一致。因此CS與γ-PGA可以通過化學(xué)鍵之間的相互作用出現(xiàn)良好的共混性。但因CS與γ-PGA所含基團(tuán)極其相似，故FTIR判斷化學(xué)反應(yīng)比較困難，仍需結(jié)合其他方法進(jìn)一步檢測。

2.7 復(fù)合膜對培根及火腿抑菌性分析

表1 復(fù)合膜與市售保鮮膜對火腿的保鮮效果分析Table 1 Preservative effects of the composite film and commercial wrap film on sausage

由表1可以看出，不經(jīng)任何處理的火腿與市售保鮮膜包裝的火腿在28 ℃、相對濕度50%條件下放置2 d后，其菌落總數(shù)均已達(dá)到105CFU/g以上，3 d后，其表面明顯發(fā)黏，有酸敗味和腐臭味，已成為變質(zhì)肉。而經(jīng)自制CS與復(fù)合膜涂膜處理后的火腿，在相同環(huán)境放置48 h后，其菌落總數(shù)較空白組約低1（lg（CFU/g））；72 h后，感官品質(zhì)無明顯劣變，且菌落總數(shù)在GB 2726—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 熟肉制品》對熟肉制品菌落總數(shù)的要求范圍內(nèi)，具有可食性。由表2可以看出，自制CS與復(fù)合膜涂膜處理后的培根樣品，其菌落總數(shù)比空白組約低1（lg（CFU/g）），且感官評價和外觀狀態(tài)明顯更優(yōu)。可見，CS/Cur/γ-PGA可食性膜在火腿和培根的抑菌保鮮上發(fā)揮了積極作用。

表2 復(fù)合膜與市售保鮮膜對培根的保鮮效果分析Table 2 Preservative effects of the composite film and commercial warp film on bacon

張立彥等[24]研究報道了將無菌處理的雞肉浸泡于含質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5% CS、0.3%茶多酚及0.5% VC的復(fù)合保鮮膜液中，雞肉的貨架期顯著延長。郭利芳等[25]將含有Nisin的乳清蛋白可食性膜涂抹于火腿腸表面，明顯抑制了火腿腸硬度的增加和咀嚼性的劣變，并顯著抑制了其貯藏過程中總揮發(fā)性鹽基氮含量、脂質(zhì)氧化以及菌落總數(shù)的上升，更好地維持了產(chǎn)品的感官品質(zhì)。Papadimitriou等[26]將Cur與二碘化鋅按一定物質(zhì)的量之比反應(yīng)形成抗菌材料，并探討其對銅綠假單胞菌的抑菌活性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該抗菌材料對銅綠假單胞菌生物膜的形成起到了顯著的抑制作用。Tosati等[27]將姜黃與明膠、木薯淀粉制備呈水凝膠，將其涂抹于香腸表面，在UV-A光照下5 min，香腸表面的單核增生李斯特氏菌減少4～5（lg（CFU/mL）），顯著減少了香腸在運(yùn)輸中的污染。因此，可食性膜尤其是搭載Cur的可食性膜有望在未來食品包裝市場中發(fā)揮積極的作用，也將越來越展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

3 討 論

CS具有良好的成膜性，但其抑菌性和水溶性有限，且降解速度慢，一定程度限制了其適用范圍，Cur與γ-PGA的添加大幅改善CS的特性。本研究中CS/Cur溶液（含10 g/L CS和0.05 mmol/L Cur）與10 g/L γ-PGA按體積不同比例混合，制作的膜厚度最薄可達(dá)0.025 mm，CS/Cur/γ-PGA復(fù)合膜水溶性在80%以上，透明度良好，膜表面較為緊密。該可食性復(fù)合膜在火腿與培根表面的初步應(yīng)用中也表現(xiàn)出了顯著的效果。經(jīng)自制復(fù)合膜液處理的火腿與培根在28 ℃、相對濕度50%條件下放置2～3 d后，與不經(jīng)任何處理和市售普通保鮮膜處理的樣品相比，菌落總數(shù)均約降低1（lg（CFU/g）），且感官品質(zhì)更優(yōu)。

CS/Cur/γ-PGA復(fù)合膜兼具了3 種物質(zhì)各自的優(yōu)點，具有生物相容性、可降解性和良好的安全性，滿足了人們對無污染、可降解性、可食性的要求，對肉制品的保鮮及果蔬的保鮮都有著較為廣闊的應(yīng)用潛力；但該研究技術(shù)還需要不斷完善，后續(xù)研究將集中在以下方面開展：1）充分考慮Cur的光動力學(xué)作用，優(yōu)化其光動力殺菌條件，提高其對果蔬及肉制品的保鮮抑菌效果；2）探究光敏劑Cur的協(xié)同增效物質(zhì)或與相關(guān)預(yù)處理技術(shù)結(jié)合，提高使用效果；3）改善膜的性能，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍；4）通過添加其他相容性良好的抗菌及共混膜物質(zhì)來擴(kuò)大可食性膜在實際保鮮與加工中的應(yīng)用范圍[28]。