基于油茶粕提取物制備保鮮膜的研究

蔣海明，馬力，李志鋼，周波

（1.林產可食資源安全與加工利用湖南省重點實驗室，湖南長沙410004；2.中南林業科技大學食品科學與工程學院，湖南長沙410004；3.湖南科技學院化學與生物工程系，湖南永州425199；4.湖南省林業科學院（國家油茶工程技術研究中心），湖南 長沙410004）

目前，商業上大量使用的食品保鮮膜是聚合塑料包裝膜，都是以乙烯母料為原材料制備而成，其阻隔性能良好，如聚乙烯（PE）和聚偏二氯乙烯（PVDC）等，但都是以石油為基礎制備而成，增加了石油的消耗且難降解，循環利用率極低，造成的環境污染較嚴重[1]。近年來，隨著環保意識的不斷增強，人們對環境和食品安全的要求越來越高，可食和可生物快速降解保鮮膜越來越受到消費者和生產者的關注，成為一個新的研究熱點。

當前，食品貯藏保鮮領域的食品保鮮膜存在的最大問題是單一組成材料造成膜的機械強度小和阻氧性差[2-3]?？缮锝到獾膹秃媳ｕr膜通常是由一種或幾種來源于動植物的生物質物質制備而成，包括多糖、蛋白質和脂質，可生物降解，同時組成成分基于各自理化性質不同而形成功能互補，如保鮮膜的結構基本構造單元為多糖，讓膜結構更加緊密的是蛋白質分子間交疊的功能特性，起到阻水劑作用的是脂質[4]。同時，基于多糖的阻氧性、蛋白質的機械性能[5-6]及結構上的三維性，復合型保鮮膜綜合性能較好，具有高阻隔、高強度和可熱封等特性[7]。目前，蛋白-多糖復合膜是目前復合型食品保鮮膜的研究熱點[8-14]。

油茶、椰子、油橄欖、油棕并稱世界四大木本油料作物，是我國栽培面積最大的經濟樹種，栽培面積4 333.33 khm2，油茶籽油年產量60多萬t，油茶粕副產物年產量180多萬t。油茶粕中碳水化合物（淀粉、糖類）占30%～50%，茶皂素12%～18%，蛋白質含量12%～16%[15-16]。目前，油茶餅粕的綜合利用技術還有待提高，油茶粕未能被充分利用，油茶副產物深加工產品不多，傳統加工產品如茶皂素應用領域得不到拓寬，造成了資源的極大浪費[16-19]?；谟筒杵芍械鞍踪|和多糖的可溶性、易分散、伸展性、分子空阻小、不帶電荷或羥基被部分甲基化、膠黏性和成膜性等特性，以油茶粕提取物來制備復合保鮮膜，為環境友好型保鮮膜的工業化生產提供技術依據和理論支持，也為油茶副產物的全值高值化利用提供一種可能。

1 材料和方法

1.1 油茶粕蛋白多糖混合物的制備

一定量的油茶粕粉碎后過60目篩，溶劑浸提并水浴攪拌加熱回流，真空濃縮濾液后用乙醇沉淀，再通過真空干燥后即得油茶粕多糖和蛋白混合物。以蛋白、多糖及多酚為主要檢測指標，對油茶粕的浸提條件如下：料液比1∶15，浸提時間2 h，溫度90℃，乙醇體積分數70%；脫色條件如下：粉末型活性炭（3%），脫色溫度80℃，脫色時間25 min，最后得油茶粕蛋白多糖混合提取物。

1.2 膜的制備

根據試驗設計要求，油茶粕多糖蛋白混合提取物與其他物質以不同的配比溶解在90℃蒸餾水中，磁力攪拌15 min直至充分混合后傾倒在聚丙乙烯培養皿中（40±3 μm厚度），成膜8～10 h（室溫）后，將膜置于干燥器中平衡2 d（40℃/53%相對濕度）。

1.3 膜性能的測試

膜的顏色采用色差儀測定，透光率模式下測試。

膜的透光率采用紫外分光光度計法于200～800 nm下全波長掃描測定，以空氣作為空白對照。

膜厚度根據GB/T 6672—2001[20]方法測定。

膜的機械性能（包括抗拉強度和斷裂延伸率）根據ASTM D882—01方法測定。

膜的水溶性以90℃水中膜樣品（2 cm×2 cm）溶解時間來衡量。

膜的氧氣透過率根據ASTM D3985—95方法測定。

膜的水蒸氣透過率根據ASTM F1249—2013方法測定。

膜的油脂透過率通過稱量濾紙片質量方法測定，具體如下：裝5 mL大豆油的試管用膜樣品封住后于室溫下（25℃）倒置，放于相對濕度53%的干燥器中，1周后記錄濾紙片的質量。

1.4 數據處理

采用Excel 2003和OriginPro 8.0進行數據分析和繪圖處理。所有數據均為3個生物樣品的平均值。

2 結果與分析

2.1 普魯蘭多糖對油茶粕復合膜特性的影響

普魯蘭多糖對油茶粕復合膜特性的影響見表1。

在5%明膠和10%油茶粕提取物添加量的條件下，普魯蘭多糖添加量為1.5%時，復合膜抗拉強度（99.78 MPa）和透光率（91.01%）達到最大，氧氣透過率（0.23 mL（/m·2d））達到最?。ㄒ姳?），這說明該條件下蛋白（明膠）和多糖（普魯蘭多糖）之間的相容性最好，增強了其分子間的相互作用力，但隨著普魯蘭多糖添加量的增加，復合膜分子間的遷移率下降，從而導致膜的斷裂延伸率和水蒸氣透過率等相關特性降低。明膠和普魯蘭多糖之間復合形成的致密結構導致所有濃度下制備的復合膜都沒有檢測出油脂透過率，同時增加普魯蘭多糖添加量，復合膜的溶水時間逐漸增長。

表1 普魯蘭多糖對油茶粕復合膜特性的影響

2.2 明膠對油茶粕復合膜特性的影響

明膠對油茶粕復合膜特性的影響見表2。

1.5%普魯蘭多糖和10%油茶粕提取物添加量的條件下，明膠的添加使得復合膜的相關特性逐漸降低，如水蒸氣透過率、氧氣透過率和斷裂延伸率等（見表2），這可能是由于復合膜分子間的遷移率下降導致復合膜的結構更加致密，從而增強復合膜的阻隔性和增加復合膜的脆性，也使得復合膜的油脂透過率為零。同時，基于構成復合膜的普魯蘭多糖和油茶粕提取物都具有親水性，復合膜的水溶性較好（25 s以內完全溶解），且當明膠添加量為5%時，復合膜的抗拉強度（98.12 MPa）和透光率（91.34%））達到最大，表明該配方條件下復合膜相容性和相互作用力達到最大。

表2 明膠對油茶粕復合膜特性的影響

2.3 油茶粕提取物對油茶粕復合膜特性的影響

油茶粕提取物添加對油茶粕復合膜特性的影響見表3。

表3 油茶粕提取物添加對油茶粕復合膜特性的影響

1.5%普魯蘭多糖和5.0%明膠添加量的條件下，復合膜的溶水時間和水蒸氣透過率隨著茶粕提取物添加量的逐漸增加分別降低和逐漸減少（見表3），這可能是茶粕提取物中多糖增加了聚合物鏈間的分子間力，使得其自由體積被降低，最終降低了復合膜的水蒸氣透過率[21-22]和復合膜的柔韌性，復合膜的抗拉強度和斷裂延伸率被顯著提高和降低（見表3）。當茶粕提取物添加量為15%時，復合膜的氧氣透過率為0.17 mL（/m·2d），故最佳茶粕提取物添加量為15%。

2.4 乳酸對油茶粕復合膜特性的影響

乳酸對油茶粕復合膜特性的影響見表4。

1.5%普魯蘭多糖、5%明膠及15%油茶粕提取物添加量的條件下，添加乳酸分別縮短和提高了復合膜的溶水時間和水蒸氣透過率（見表4），這歸結于乳酸降低了聚合物鏈間的分子間力，使得復合膜結構的自由體積被增加，最終導致復合膜的水蒸氣透過率得到提高；同時，乳酸添加量的增加會提高復合膜的柔韌性，顯著降低復合膜的抗拉強度，顯著增加復合膜的斷裂延伸率。乳酸添加量為1.5%時，復合膜的氧氣透過率最?。?.17 mL/（m2·d）），同時在普魯蘭多糖、明膠及油茶粕提取物混合時均質效果好，氣泡形成率大大降低。

表4 乳酸對油茶粕復合膜特性的影響

2.5 響應面試驗設計與結果

基于單因素試驗結果，固定1.5%乳酸添加量，以復合膜抗拉強度為主要指標，根據Box-behnken的試驗設計原理，基于三因素三水平，對明膠-油茶粕提取物-普魯蘭多糖的最佳配比進行優化。

響應面試驗設計與結果見表5，響應面方差分析見表6。

表5 響應面試驗設計與結果

表6 響應面方差分析

抗拉強度的總回歸方程為：

添加明膠（5%）、油茶粕提取物（15%）和普魯蘭多糖（1.5%）時，復合膜最大抗拉強度預測值為107.22 MPa，實際值為113.21MPa，斷裂延伸率為15.48%，水蒸氣透過率為189.21 g（/m·2d），氧氣透過率為0.14 mL/（m2·d），透光率為87.21%（600 nm），溶水時間為22 s，油脂透過率未檢出。影響復合膜抗張拉強度最大的因素為明膠和油茶粕提取物。

響應面圖和等高線圖見圖1。

3 結論

添加1.5%普魯蘭多糖、5%明膠、15%油茶粕提取物和1.5%乳酸時，制備的復合膜抗拉強度預測值為107.22 MPa，實際值為113.21 MPa，斷裂延伸率為15.48%，水蒸氣透過率為189.21 g/（m2·d），氧氣透過率為0.14 mL/（m·2d），87.21%的透光率（600 nm），溶水時間為22 s，油脂透過率為0，明膠和油茶粕提取物為影響復合膜抗張拉強度最大的因素。