連 歡,石晶盈,彭 勇

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,山東泰安 271018)

活性包裝是目前國內(nèi)外食品包裝領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一,它是將抗菌、抗氧化的活性成分或保鮮劑活性成分等加入到包裝材料中,制備得到具有特殊功能的包裝材料,通過活性成分的揮發(fā)、吸附等方式,延長(zhǎng)食品的貨架期[1]。殼聚糖作為一種帶正電荷氨基的多糖,具有良好的成膜性、抑菌性和生物可降解性,是一種優(yōu)良的可食性全降解包裝原料[2]。為了改善殼聚糖基膜的性能,通常采用蛋白質(zhì)、纖維素、淀粉、明膠和植物膠等多種可生物降解材料進(jìn)行復(fù)合,制備復(fù)合膜[3-4]。黃原膠是一種由黃單胞桿菌發(fā)酵產(chǎn)生的細(xì)胞外酸性雜多糖,由于它的大分子的特殊結(jié)構(gòu)和膠體特性,可作為乳化劑、穩(wěn)定劑、成膜劑等。研究發(fā)現(xiàn),帶負(fù)電荷的黃原膠,可與帶正電荷的殼聚糖通過聚電解質(zhì)絡(luò)合作用形成共凝膠,生成物具有特殊的物理和化學(xué)性質(zhì),使得分子鏈間的作用力更強(qiáng)[5]。但這兩種多糖之間的強(qiáng)相互作用是否影響活性成分從復(fù)合膜中的釋放仍不清楚。

為了提高包裝薄膜的抗菌活性,植物精油因其安全性和較強(qiáng)的抗菌活性而被認(rèn)為是活性包裝的最佳選擇[6-8]。但植物精油不穩(wěn)定,易從膜基質(zhì)中揮發(fā)。研究表明,將精油添加到殼聚糖中,由于殼聚糖成膜溶液的正電荷和粘滯效應(yīng),有助于提高精油在膜中的穩(wěn)定性[9]。并且,精油種類和濃度、均質(zhì)條件、乳化劑等因素也會(huì)影響植物精油在膜中的保留及揮發(fā)釋放。近年來,不同種類精油在殼聚糖膜中的保留和釋放一直是研究的熱點(diǎn)之一,檸檬精油、肉桂精油、百里香精油等均會(huì)提高復(fù)合膜的抗菌抗氧化能力,改善殼聚糖膜的性能[9-10]。相比于非糖類物質(zhì),由于結(jié)構(gòu)的相似性,多糖類物質(zhì)更容易與殼聚糖結(jié)合,形成均勻緊湊的膜結(jié)構(gòu)。Maria等[20]報(bào)道了殼聚糖和黃原膠中存在電荷相互作用,可以提高膜的拉伸強(qiáng)度。然而,殼聚糖膜中添加黃原膠是否會(huì)對(duì)復(fù)合膜中植物精油的保留和釋放產(chǎn)生影響,其具體的釋放規(guī)律仍不清楚。并且,利用黃原膠與殼聚糖之間的靜電相互作用是否有可能改善精油和殼聚糖之間的相容性,提高復(fù)合膜的物理性能,也需要深入探究。

本研究的目的是以殼聚糖為基材,通過添加不同配比的黃原膠于殼聚糖精油復(fù)合膜中,分析黃原膠對(duì)復(fù)合膜的物理性能和結(jié)構(gòu)的影響,以及在不同食品模擬物中研究黃原膠對(duì)復(fù)合膜中精油保留和釋放的影響,以期為控釋型活性包裝材料的開發(fā)提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

殼聚糖(脫乙酰度:90%)、黃原膠 上海源葉生物科技有限公司提供;百里香精油(萜烯類:47.58%,酚類:30.09%,醇類2.82%,其他:19.51%) 廣州文玲貿(mào)易有限公司;冰醋酸、無水氯化鈣、95%乙醇、丙三醇 天津凱通化學(xué)試劑有限公司;吐溫80 天津市永大化學(xué)試劑有限公司;1%冰醋酸溶液的配制:1.5 mL冰醋酸和148.5 mL的蒸餾水混合。

78-1磁力加熱攪拌器 常州國華電器有限公司;T18高速均質(zhì)分散機(jī) 德國IKA公司;SHB-III循環(huán)水式多用真空泵 鄭州長(zhǎng)城科工有限公司;WSC-S色差計(jì) 上海精密科學(xué)儀器有限公司;UV-5100B紫外可見分光光度計(jì) 上海元析儀器有限公司;JSM-6610掃描電子顯微鏡 日本電子株式會(huì)社;螺旋測(cè)微器 南京蘇測(cè)計(jì)量?jī)x器有限公司;XLW智能電子拉力試驗(yàn)機(jī) 中國濟(jì)南蘭光儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 復(fù)合膜的制備 殼聚糖和黃原膠的總質(zhì)量濃度為1.8%(w/v)。將殼聚糖粉末溶于150 mL冰醋酸溶液(1%,v/v)中,室溫下用磁力攪拌器攪拌4 h,得到殼聚糖溶液。將一定量的黃原膠粉緩慢加入150 mL蒸餾水中,在磁力攪拌器上攪拌12 h,使其完全溶解。將兩者混合后,加入20%(w/w)甘油,攪拌0.5 h,將百里香精油(1%,w/v)和吐溫80(0.1%,w/v)混合均勻,然后倒入膜溶液中攪拌。使用均質(zhì)機(jī)在12000 r/min條件下均質(zhì)5 min,之后,真空泵脫氣30 min以去除氣泡。最后,將200 mL薄膜溶液倒入玻璃板(25 cm×25 cm×1 cm)上,室溫干燥后,在25 ℃和50%濕度下條件下至少放置48 h后,測(cè)定膜性能指標(biāo)。

殼聚糖和黃原膠設(shè)定6種不同質(zhì)量比配方:1∶0(殼聚糖∶黃原膠,w/w,命名為c1xg0)、9∶1(c9xg1)、8∶2(c8xg2)、7∶3(c7xg3)、6∶4(c6xg4)和5∶5(c5xg5)。

1.2.2 膜厚度的測(cè)定 選擇干燥、平整、質(zhì)地均勻的膜,用精度為0.001 mm的螺旋測(cè)微器在膜上隨機(jī)測(cè)定6個(gè)點(diǎn),計(jì)算膜的平均厚度。

1.2.3 膜的顏色的測(cè)定 參照CIE LAB表色系統(tǒng)來表示顏色,用色差儀來進(jìn)行測(cè)定。白板作為色差測(cè)定參比,每組膜做6次重復(fù),分別記錄膜的L*、a*、b*值。

1.2.4 膜的含水率(MC)、膨脹程度(SD)和水溶性(WS)的測(cè)定 參考Homez-Jara等[11]的測(cè)定方法,挑選干燥、平整、質(zhì)地均勻的薄膜,切成20 mm×20 mm的正方形,稱重記為m1。將其放入105 ℃的烘箱中,24 h后取出,放入干燥器中冷卻后稱重,得到干膜重m2。再將膜放到30 mL蒸餾水中,室溫下放置24 h后,取出,擦干膜表面的水分,稱重得到m3。再放入烘箱內(nèi)干燥24 h,得到膜最終的質(zhì)量m4。每組膜測(cè)定3次。

1.2.5 膜的水蒸氣透過率的測(cè)定 參照GB/T 1037-1988《塑料薄膜和片材透水蒸汽性試驗(yàn)方法》[12],采用杯式法并稍做改進(jìn)。將薄膜切割成60 mm×60 mm,在小測(cè)試杯中加入粒徑約為2 mm的無水氯化鈣,保證氯化鈣與杯口的距離小于6 mm,將膜片固定在杯口。稱重(M1)后放入裝有飽和氯化鈉溶液(25 ℃、75%的相對(duì)濕度)的干燥器中,每隔24 h取出稱重一次,至前后兩次測(cè)定質(zhì)量變化小于0.001 g,得到最終的質(zhì)量(M2)。每組處理做三次重復(fù)。

式中:M2-M1表示膜吸收水分的質(zhì)量,g;L表示膜厚度,mm;A表示膜的有效測(cè)定面積,m2;t表示時(shí)間間隔,h;ΔP表示膜兩側(cè)水分蒸氣壓,Pa。

1.2.6 力學(xué)性能測(cè)定 根據(jù)ASTM D 882-2012塑料薄板拉伸性能測(cè)定方法[13],采用XLW智能電子拉力試驗(yàn)機(jī)測(cè)定了薄膜樣品(15 mm×150 mm)的拉伸強(qiáng)度(TS)和斷裂伸長(zhǎng)(EAB)的拉伸性能。試驗(yàn)速度為100 mm/min,初始距離為100 mm。每組處理重復(fù)6次。

1.2.7 精油向模擬物中釋放 根據(jù)Sánchez-González等[4]描述的方法進(jìn)行精油在模擬物中的遷移研究。采用三種標(biāo)準(zhǔn)食品模擬物:(i)蒸餾水;(ii)50%(v/v)乙醇作為水包油乳狀液和含酒精食品的模擬物;(iii)95%(v/v)乙醇作為脂肪食品模擬物。在室溫下,將薄膜樣品(20 mm×20 mm)浸入含有50 mL食品模擬物的離心管中,每隔一段時(shí)間,用移液管吸取1 mL浸泡液加入含有2 mL蒸餾水的離心管中,每次測(cè)量后,再次向浸泡液中補(bǔ)充蒸餾水至指定刻度。用紫外分光光度計(jì)在276 nm處測(cè)定吸光度。以精油占初始量的百分比計(jì)算精油的損失量,繪制精油的釋放曲線。

1.2.8 抗氧化性測(cè)定 根據(jù)Siripatrawan等[14]描述的方法測(cè)定DPPH,并略有修改。在10 mL甲醇中加入薄膜(20 mm×20 mm),在25 ℃下保存30 min。隨后,將400 μL樣品溶液與4 mL DPPH溶液(0.025 g/L,甲醇)混合。在黑暗中儲(chǔ)存20 min后,在517 nm處測(cè)量提取物的吸光度。DPPH自由基清除率(I)計(jì)算如下:

式中:Af為樣品的吸光值;Ab為空白的吸光值。

1.2.9 膜的微觀結(jié)構(gòu) 用掃描電鏡觀察膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu),試驗(yàn)前薄膜盡可能干燥,并在液氮中凍裂。然后將樣品切成長(zhǎng)方形(1 mm×6 mm),貼在金屬板上,真空條件下進(jìn)行離子噴涂。用掃描電子顯微鏡在30 KV電壓下觀察了薄膜樣品的表面和橫截面形貌,放大倍數(shù)1000。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)最少重復(fù)3次,所有數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2010和Sigma Plot 10.0處理并作圖,用SPSS 24.0軟件Duncan法對(duì)多組樣本間差異顯著性(P<0.05)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃原膠對(duì)殼聚糖精油復(fù)合膜厚度和顏色的影響

由表1可知,從膜的厚度來看,對(duì)照膜的厚度最小,其值為0.096 mm,添加黃原膠增加了膜的厚度。殼聚糖與黃原膠之間的質(zhì)量比為9∶1、8∶2以及7∶3時(shí),厚度之間沒有顯著差異(P>0.05)。然而當(dāng)殼聚糖與黃原膠之間的質(zhì)量比為6∶4和5∶5時(shí),膜的厚度相對(duì)減少,原因可能是殼聚糖基質(zhì)中的較多的黃原膠顆粒阻礙了精油分子間的疏水作用,導(dǎo)致薄膜厚度降低[15]。

表1 黃原膠對(duì)殼聚糖精油復(fù)合膜厚度和顏色的影響Table 1 Effects of xanthan gum on thickness and color of chitosan-essential oil composite films

如表1所示,純殼聚糖膜L*值為88.68,a*值為-0.98,b*值為16.97,透明稍帶黃色,這主要受添加的精油的類型和濃度的影響[16]。隨著黃原膠所占比例的增加,膜的L*值逐漸增加,而b*值先增加后降低,這可能由于黃原膠和殼聚糖本身的顏色造成的[17]。

2.2 黃原膠對(duì)殼聚糖精油復(fù)合膜含水率、膨脹程度、水溶性以及水蒸氣透過性的影響

表2顯示了薄膜的含水率、膨脹程度、水溶性以及水蒸氣透過性。如表2所示,對(duì)照膜的含水率最高,其值為22.69%,添加黃原膠使膜的含水率降低,隨著黃原膠比例的增加,膜的含水率變化不大,至黃原膠添加量5∶5時(shí),含水率顯著低于其他處理(P<0.05)。添加黃原膠導(dǎo)致膜含水率的下降主要由于黃原膠和殼聚糖之間的相互作用,破壞了殼聚糖膜基質(zhì)中的氫鍵,氫鍵作用越弱,水分附著能力越差,含水量越低[18]。

表2 黃原膠對(duì)殼聚糖精油復(fù)合膜含水率、膨脹程度、水溶性和WVP的影響Table 2 Effects of xanthan gum on moisture content,swelling degree,water solubilityand water vapor permeability of chitosan-essential oil composite films

溶解度和膨脹程度是評(píng)價(jià)膜性能的兩個(gè)重要參數(shù),它能反映膜的親水性能。薄膜的溶解性和膨脹性與水的擴(kuò)散、氨基或羧基的離子化以及聚合物的松弛有關(guān)[19]。如表2所示,對(duì)照膜的膨脹程度最大,隨著黃原膠含量的增加,膜的膨脹程度逐漸降低,說明殼聚糖與黃原膠之間結(jié)合越來越緊密,作用力越來越強(qiáng)。對(duì)照膜在浸水24 h后有著較低的水溶性,其值為24.52%,隨著黃原膠含量的增加,膜的水溶性逐漸提高。表明黃原膠的親水性高于殼聚糖,黃原膠促進(jìn)了膜的溶解,這與Maria表明黃原膠親水性高于殼聚糖的結(jié)果是一致的[20]。

從表2可以看出,純殼聚糖的WVP最低,其值為1.53×10-10g/(m·s·Pa),添加黃原膠使膜的水蒸氣透過性提高。殼聚糖與黃原膠之間的質(zhì)量比為5∶5時(shí),膜的WVP最高,相對(duì)于對(duì)照膜增加了64.71%,但是c9xg1、c8xg2、c7xg3以及c6xg4這4個(gè)處理之間無顯著差異(P>0.05)。黃原膠的親水性可能是導(dǎo)致膜的水蒸氣透過率增加的主要原因,并且,殼聚糖分子間的氫鍵作用強(qiáng)于殼聚糖與黃原膠的靜電作用,導(dǎo)致微觀相分離,也影響水蒸氣的透過[21]。

2.3 黃原膠對(duì)殼聚糖精油復(fù)合膜力學(xué)性能的影響

圖1顯示了添加黃原膠對(duì)復(fù)合膜抗拉強(qiáng)度的影響,對(duì)照膜的抗拉強(qiáng)度為22.65 MPa,當(dāng)添加量為1∶1時(shí),c5xg5的抗拉強(qiáng)度比對(duì)照膜降低了19.25%,但各處理之間無顯著差異性(P>0.05)。所有處理中對(duì)照膜的斷裂伸長(zhǎng)率最大,其值為29.28%,隨著黃原膠添加量的增加,復(fù)合膜的斷裂伸長(zhǎng)率顯著降低。膜的機(jī)械性能受其結(jié)晶結(jié)構(gòu)和分子間的氫鍵作用力等諸多因素的影響[22]。黃原膠對(duì)薄膜力學(xué)性能的影響可能是由于成膜組分間強(qiáng)靜電相互作用所致,生物高聚物之間的這些相互作用降低了大分子的遷移率,避免了分子鏈的滑動(dòng),從而降低了膜的斷裂伸長(zhǎng)率[20]。

圖1 黃原膠對(duì)殼聚糖精油復(fù)合膜抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的影響Fig.1 Effects of xanthan gum on tensile strength andelongation at break of chitosan-essential oil composite films注:不同小寫字母表示差異顯著性(P<0.05);圖3同。

2.4 精油向模擬物中釋放結(jié)果

為了確定抗菌活性物質(zhì)從膜中到食品中的遷移,通常采用食品表面模擬物來代替真實(shí)的食品表面條件。如圖2所示,在95%乙醇中精油釋放速率最慢,需要200 min才能達(dá)到最大釋放量,而50%乙醇和蒸餾水中的精油釋放速度非常快,達(dá)到最大釋放量?jī)H需要20 min。Lee等[15]的研究中也發(fā)現(xiàn)了相似的結(jié)果,殼聚糖-納米黏土膜中丁香精油的最快釋放出現(xiàn)在50%乙醇模擬物中,比10%和95%乙醇的釋放快3倍,其將這一現(xiàn)象歸因于精油的溶解性和薄膜的膨脹性。然而,這一結(jié)果和Sanchez-Gonzalez等[4]的研究結(jié)果相反,他們發(fā)現(xiàn)越高的乙醇濃度,極性越低,活性物質(zhì)從膜中釋放速率越慢。因此,釋放似乎是一個(gè)復(fù)雜的過程,可能與和膜的膨脹程度和水溶性、溶液的極性以及精油的類型均有關(guān)。

圖2 復(fù)合膜中精油在三種不同食品模擬物中的釋放情況Fig.2 Release of essential oil from composite filmsin three different food simulants注:A表示95%乙醇,B表示50%乙醇,C表示蒸餾水。

從不同處理來看,由圖2A可知,對(duì)照膜中精油釋放速率最慢,添加黃原膠的殼聚糖復(fù)合膜釋放速率增加,c8xg2釋放速率最快,隨著黃原膠含量的增加,精油的釋放速率逐漸降低,但是仍高于對(duì)照膜。從圖2B可以看出,50%乙醇條件下精油釋放非常快,各處理間差異不顯著,這可能與膜的水溶性較高有關(guān)。由圖2C可以看出,對(duì)于c5xg5而言,精油的釋放速率最快,對(duì)照膜精油釋放速率最慢,這與95%乙醇條件下的情況略有不同,表明不但溶劑類型會(huì)影響精油的釋放,而且黃原膠所占比例也影響膜中精油的釋放。

聚合物基質(zhì)中活性成分的釋放取決于幾個(gè)因素:薄膜結(jié)構(gòu)和組成、氫鍵、溶劑類型和處理時(shí)間[4,23]。在釋放的初始階段,水分子逐漸進(jìn)入膜基質(zhì),導(dǎo)致膜的膨脹和溶解,精油從膜向外逐漸釋放。隨著時(shí)間的延長(zhǎng),膜結(jié)構(gòu)變得越來越松散,膜基質(zhì)間的主要作用力被破壞,導(dǎo)致精油釋放量急劇增加。

2.5 黃原膠對(duì)殼聚糖精油復(fù)合膜抗氧化性的影響

殼聚糖精油復(fù)合膜的抗氧化性主要與百里香精油中的主要萜烯類和酚類成分有關(guān)。如圖3所示,對(duì)照膜的抗氧化性為93.06%,c5xg5膜的抗氧化性相對(duì)于對(duì)照膜降低,其他處理之間差異性不顯著(P>0.05)。c5xg5膜中殼聚糖與黃原膠的作用力較弱,束縛了較少的精油,從而導(dǎo)致了較低的抗氧化能力。

圖3 黃原膠對(duì)殼聚糖精油復(fù)合膜抗氧化性的影響Fig.3 Effects of xanthan gum on antioxidant activity ofchitosan-essential oil composite films

2.6 掃描電鏡結(jié)果

圖4顯示了c1xg0和c7xg3復(fù)合膜的表面和橫截面的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像以及膜的外觀圖片。加入黃原膠的復(fù)合膜(c)相對(duì)于對(duì)照組(C)而言,膜的顏色變白、亮度增加,具有凸起的線條狀表面。干燥后,薄膜的微觀結(jié)構(gòu)主要與薄膜中不同成分的排列有關(guān)[24]。對(duì)照膜和c7xg3膜的平面出現(xiàn)空洞,有精油揮發(fā)的痕跡。橫截面形態(tài)顯示了內(nèi)部結(jié)構(gòu),c1xg0膜中精油分布均勻,c7xg3的截面存在較大的顆粒,形成不連續(xù)的結(jié)構(gòu)特征,可能是與黃原膠多糖的線性結(jié)構(gòu)有關(guān)。膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與精油的釋放速率和WVP相對(duì)應(yīng),與黃原膠和殼聚糖的相互作用有關(guān)。

圖4 膜的電鏡掃描圖與照片F(xiàn)ig.4 Electron microscope scans and photos of membranes注:A與a分別代表c1xg0膜掃描電鏡表面和橫截面;B與b分別代表c7xg3膜掃描電鏡表面圖像和橫截面;C與c分別代表c1xg0和c7xg3膜的圖像。

3 結(jié)論

精油從多糖復(fù)合膜中的釋放涉及到很多因素,例如膜的膨脹程度、溶解性、精油類型及溶劑類型。本文發(fā)現(xiàn)在親水性多糖膜中,精油在不同食品模擬物中的釋放主要取決于薄膜的溶解性和溶劑類型。在蒸餾水和乙醇溶液中,百里香精油從殼聚糖復(fù)合膜中的釋放特性是不同的,其中,在50%的乙醇溶液中釋放速率最快。黃原膠的加入造成了復(fù)合膜較低的含水率和膨脹程度,但使復(fù)合膜的水溶性和水蒸氣透過率上升,促進(jìn)了復(fù)合膜中精油向溶劑中的釋放。添加不同質(zhì)量的黃原膠到殼聚糖-百里香精油復(fù)合膜中,對(duì)復(fù)合膜的性能和結(jié)構(gòu)都產(chǎn)生了一定的影響,但這種影響存在不穩(wěn)定性,黃原膠與殼聚糖、精油等之間的作用機(jī)理仍是不清楚的,需要進(jìn)行進(jìn)一步研究。并且,精油復(fù)合膜抗菌效應(yīng)及在食品中的應(yīng)用也需要深入研究。本研究為人們研究殼聚糖基多糖材料性能和結(jié)構(gòu)及其在活性包裝和控釋方面的應(yīng)用提供了參考。