基于高靜壓處理魔芋葡甘聚糖/大豆分離蛋白/辣椒素復合辣味膜的貯藏性能研究

郭筱晨，劉緣勤，楊韻琳，胡艷，張甫生，陳厚榮

(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)

可食用薄膜是利用可食性物質,輔以可食性添加劑，由分子內和分子間作用力形成的具有網狀結構的可降解薄膜。目前的食品行業包裝仍大多數使用石油基類薄膜，但這類薄膜具有污染危害大和難以降解等環境問題。反觀可食用薄膜則可以通過人體的消化系統進行分解吸收，能夠避免降解石油基膜產生的環境危害[1]。將可食用薄膜涂至新鮮水果表面能夠顯著提高水果的品質并延長貨架期[2-3]，包裝在肉類表面可以控制其貯藏期間的抗氧化活性[4]和微生物數量[5]等。當今的食品領域研究中，向復合膜內添加某類小分子物質，提升其綜合性能也是一大嘗試。有研究向明膠/聚乙烯醇淀粉復合膜中加入花青素，利用pH變化來檢測食品的新鮮度[6]；而在殼聚糖/羧甲基纖維素復合膜中添加茶多酚，可以提高其抗氧化性能，保證食品質量[7]。

復合膜的改性處理也是當下復合膜在食品包裝和保鮮方面的創新熱點。有研究利用超聲波、微波及其協同改性制備大豆分離蛋白/殼聚糖/黑木耳多糖復合膜時，發現超聲波作用能夠增強目標分子間的質量傳遞和相互作用力，而微波作用能夠增強分子間交聯作用，所以利用超聲波微波協同可以顯著增強復合膜的機械和阻隔等貯藏性能[8]。ZHANG等[9]研究利用超聲靜電紡絲法制備聚乳酸/氧化鋅抗菌纖維復合膜時，通過控制改性時間縮小復合膜的纖維直徑并獲得其最佳形態，從而提升復合膜的熱、紫外光屏障與抗菌性能。

高靜壓(high hydrostatic pressure，HHP)技術是一種非熱巴氏殺菌方法，可以最大限度地減少食品的不良變化，并控制微生物生長和不良酶的活性。HHP技術可以加強膜內分子間的化學鍵作用，從而穩定其性能[10-11]。由于可食用的薄膜的原材料會隨著時間變化發生物理和化學反應，如氧化、降解和相互作用等，導致復合膜的性能下降，將HHP應用于改善膜的貯藏性能具有可行性。目前對HHP改性膜的研究仍集中于處理前后性能的改變，根據MOLINARO等[12]和GON?ALVES等[13]的研究結果，在300 MPa的環境下處理10 min可以更大限度地改良膜的機械性能和阻隔性能[12-13]。已有研究對聚乳酸/納米銀復合膜進行處理時發現HHP可以使復合膜形成更加致密的網狀結構，提高復合膜的拉伸強度等機械性能和阻隔性能，并降低銀在復合膜中的遷移量[10]，但仍未涉及到對膜貯藏性能的研究。同時，目前國內外對富含風味物質膜的貯藏性能的研究更是不多見，因此對于復合膜改性后貯藏性的變化尚待研究。本實驗利用魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan,KGM)/大豆分離蛋白(soybean protein isolate,SPI)為成膜基質，加入辣椒素(capsaicin,CAP)為風味小分子物質，利用HHP技術，制成辣味復合膜，探究貯藏時間對HHP技術處理的辣味復合膜的機械性能和阻隔性能及風味變化的影響，為可食用復合膜的應用提供后續參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

食品級KGM，浙江上方生物科技有限公司；食品級SPI，北京索萊寶科技有限公司；CAP，薩恩化學技術(上海)有限公司；純水(實驗室自制)；無水乙醇，重慶川東化工(集團)有限公司。

1.2 儀器與設備

HHP600MPa/3-5L超高壓食品處理試驗設備，包頭科發高壓科技有限責任公司；GL88B旋渦混合器，海門市其林貝爾儀器有限公司；DHG-9070A電熱鼓風干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，鞏義市玉華儀器有限責任公司；7327手持測厚儀，日本 MITUTOYO三豐公司；XCW-500數顯推拉力計測試機，濟南蘭光機電技術有限公司；SZ-CAMB3接觸角測定儀，上海軒準儀器有限公司；W3/060水蒸氣透過率測試系統，濟南蘭光機電技術有限公司；C230氧氣透過率測試系統，濟南蘭光機電技術有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 KGM/SPI/CAP復合膜的制備和HHP處理

控制膜液的 KGM/SPI 總質量分數為1.1%，KGM/SPI質量比為12∶8，稱取以上配比的KGM、SPI，攪拌加入到160 mL 純水的燒杯中，將0.03%CAP(質量分數)溶解于500 μL 無水乙醇中，于旋渦振蕩儀中充分溶解，再加入到 KGM/SPI 膜液中，置于40 ℃恒溫水浴鍋中攪拌1 h，冷卻至室溫，真空除去膜液中的氣泡。

將復合膜液按 300.0 g/袋裝入高溫蒸煮袋后真空密封，密封袋全部浸沒于超高壓設備的介質水中，控制保壓時間10 min，壓力300 MPa。稱取(45.0±0.1) g的 HHP 處理后的膜液倒入大小為13 cm×13 cm×1 cm(長×寬×高)的塑料培養皿中，于 38 ℃ 烘箱中干燥15 h 成膜，烘干。

1.3.2 辣椒素的游離率

稱取0.05 g復合膜樣品置于5 mL 無水乙醇中浸泡，旋渦振搖1 min 使復合膜表面的辣椒素與乙醇更好地接觸，浸泡1 h后取1.0 mL上層清液，進行高效液相色譜分析，譜柱條件為：Zorbax SB-C18(4.6 mm×250 mm，5 μm)；流動相∶乙腈-水(體積比65∶35)；進樣量10 μL；流速1 mL/min；紫外檢測波長280 nm；色譜柱溫30 ℃。

1.3.3 拉伸強度和斷裂伸長率測定

測量復合膜的拉伸強度(tensile strength,TS)斷裂伸長率(elongation at break,E)時，選擇厚度均勻的復合膜，將其剪成長×寬(100 mm×10 mm)長條狀后，用智能電子拉力試驗機做拉伸測定，直至復合膜拉斷，記錄拉伸強度和斷裂伸長率[14]，設置有效拉伸長度50 mm，拉伸速度25 mm/min，測試條件25 ℃、相對濕度55%～65%。

1.3.4 水接觸角和吸濕率的測定

測量水接觸角，使用SZ-CAMB3 表面分析儀器，將復合膜裁成100 mm×10 mm 的長條狀，通過軟件程序自動控制測定接觸角大小[15]。相關參數為：液滴體積1.0 μL，升降行程2 mm，升降速度5 mm/s，加液速度5 mm/s，進樣器容量50 μL。

測定吸濕率，將復合膜剪裁成 30 mm×30 mm 正方形置于50 ℃環境中烘干至恒重，稱其質量作為干膜質量m1，然后在高濕度環境(密閉玻璃容器中放入 3 杯裝有80 mL 純水的燒杯，平衡濕度24 h)的密閉容器中放置24 h，稱其質量作為濕膜重量m2[16]。

吸濕率計算如公式(1)所示：

(1)

1.3.5 透濕系數和透氧系數的測定

測定透濕系數，將復合膜裁成直徑為 10 cm 正圓形，在樣品四周取4個點，中心取一個點，測定薄膜的厚度，取5個點的平均值為樣品厚度。在裝有10 mL 蒸餾水的滲透杯上覆蓋樣品薄膜。試驗杯置于干燥器箱內，采用透濕杯減重法，測試膜的水蒸氣透濕系數[17]。測試溫度為25 ℃，相對濕度為70%，測試間隔20 min，循環次數8次。

測定透氧系數，將樣品膜放置于儀器中，緊密貼合，采用氧氣透過率測試系統對復合膜的透氧系數進行測定[18]。試樣面積50 cm2，測試溫度23 ℃，測試濕度50%。

1.4 數據處理

本試驗中所有實驗均重復3次，數據采用平均值±標準方差的形式表示，采用 SPSS 17.0 軟件與 Design-Expert.V11 對數據進行計算，采用 Duncan 氏法進行顯著性分析(P<0.05認為差異顯著)，并采用 Origin 8.0 軟件對圖進行繪制。

2 結果與分析

2.1 KGM/SPI/CAP復合膜貯藏的游離CAP含量分析

將CAP添加至KGM/SPI復合膜中，可以改善復合膜的風味，使復合膜包裹有辣味物質從而減少食品辣味分子的流失，這也能夠使復合膜更好使用于風味食物包裝領域[19-20]。對照組在0～120 d內游離的CAP含量隨著時間的延長緩慢增加，0～120 d內，游離CAP含量提高了8.7%。其中，在0～30 d內，游離CAP增幅達28%，在30～60 d內仍保持該速度增長，增幅19.8%；60～120 d內游離CAP含量高速增長，增幅高達39.1%。結合類似研究結果推測，這是因為在120 d內，復合膜內部的分子相互作用力不斷衰弱，導致CAP的結合牢固性減弱，更易脫落釋放，并且這種釋放伴隨時間的推移有加劇的趨勢[21]。

HHP組的游離CAP含量呈現階段性變化。在0～30 d內幾乎無變動，數值穩定波動微??；30～60 d內有37.1%的增幅，變化幅度是對照組1.9倍；在60～120 d內游離CAP含量也隨時間延長呈較快增長趨勢，在120 d時增幅變化量達到36%，是對照組的0.92倍。類似研究表明，造成這種變化的原因可能是在前期HHP處理使得KGM/SPI結構結合CAP的能力提高，由于HHP處理有助于鞏固、穩定多糖-蛋白體系結合小分子，KGM和SPI分子排列整齊，CAP分子在膜內的遷移和擴散受到限制[22]。而最終HHP組CAP含量升高是因為KGM與SPI自身的降解變化導致其分子的排列性遭到一定程度的損壞，部分CAP分子從KGM和SPI分子形成的網絡中游離至膜表面。但經HHP技術改性的復合膜游離CAP變化結果仍然顯著優于對照組。有學者也發現300 MPa 高壓處理后活性物質2，6-二叔丁基對甲酚的遷移量低于未HHP處理的材料，這可能是因為高壓處理可以使微型粒子與聚合物基體之間發生強烈相互作用從而降低了鏈的遷移率，最終減少了小分子遷移量[23]。

圖1 復合膜游離CAP含量隨貯藏時間/的變化Fig.1 Effect of free CAP content in KGM/SPI/CAP composite film surface during storage注:大寫字母表示相同貯藏時間下對照組與HHP組的差異顯著(P<0.05),小寫字母表示同一處理條件下不同貯藏時間的差異顯著(P<0.05)(下同)

2.2 KGM/SPI/CAP復合膜貯藏的機械性能分析

復合膜的機械性能直接決定其能否對食品提供完整的物理保護，這也是評價包裝材料物理性質的重要指標，這一性質可通過測量復合膜拉伸強度和斷裂伸長率進行衡量[24]。如圖2和圖3所示，對照組中，0～120 d內拉伸強度呈遞減趨勢。0～30 d，TS從初始逐漸降低23%；在30～60 d內TS降低9.8%；而60～120 d內，TS變動幅度較小，僅減少了10.5%，120 d結束后，對照組的TS最終降低45.5%。斷裂伸長率在120 d內呈遞增趨勢，最終E增加至6.6%，增幅162.5%。其中0～30 d中E大幅增長91.7%，30～60 d內E基本保持不變，在60～90 d增加45.7%，在90～120 d內也幾乎保持不變。

圖2 復合膜拉伸強度隨貯藏時間的變化Fig.2 Effect of tensile strength in KGM/SPI/CAP composite film during storage

圖3 復合膜斷裂伸長率貯藏時間的變化Fig.3 Effect of elongation at break in KGM/SPI/CAP composite film during storage

HHP組在0～30 d內TS僅降低4.1%，變化微小，是對照組的0.18倍；在30～60 d內TS呈9.6%的小幅突降，與對照組變幅幾乎相同，而60～120 d內TS幾乎未發生變化，120 d內TS總體降低16.3%，是對照組的0.36倍。其E在實驗期120 d內總體變動幅度較小，變幅僅有7%，是對照組的0.04倍。在0～30 d內，HHP組E在0.1%范圍內呈現微弱的先增加后降低的趨勢，但最終30 d時E與0 d時數值相等，變化率為0；30～60 d增長較快，增幅13%，60～120 d內E幾乎未發生變化，最終E維持在6.9%，但不管是變化范圍還是變動速度都遠低于對照組。2組平行試驗中，TS隨貯藏時間延長總體趨勢相同，這可能是因為在0～60 d內，由于復合膜成形時間短，膜致密均一，不易受到外界環境因素的影響，而在60 d以后環境因素的影響逐漸加重，在不同程度上損壞了本有的網狀結構和結晶度，導致復合膜的機械強度降低；而斷裂伸長率總體呈現增長趨勢，原因可能是復合膜內材料分子中的羥基和親水基團可以吸收周圍環境中的水分子，導致膜的延展性增強，貯藏后期E的小范圍突躍則是由于分子不斷分解導致其間距增大，柔性增強[25-26]。而HHP組的力學性質整體優于對照組，因為HHP處理可以減少CAP分子的聚集，使其更加分散在成膜液中，在HHP處理下促使CAP分子與聚合物基質間可能會形成更致密的分子結構，增強膜的機械強度[26-27]。對照組未經高壓處理，膜的表面更加不均勻，并且KGM和SPI中的多糖和蛋白物質易隨著時間的延長發生分解，其原本的結構發生不同程度的損壞，最終造成膜力學性能的降低。

2.3 KGM/SPI/CAP復合膜貯藏的親水性分析

復合膜的親水性是決定包裝材料與食物適配性的重要因素，而復合膜的水接觸角、吸濕率能夠在一定程度上反映出復合膜的親水性[24]。如圖4和圖5所示，對照組的水接觸角隨時間延長逐漸減小，在整個實驗周期內下降32.9%。在前30 d內，呈現先增加后減少的趨勢，最終降低了5.3%。30～60 d與60～120 d的整體趨勢為勻速遞減，兩個階段分別降低10%和18.5%。這個變化趨勢表明,復合膜的親水性越來越強，疏水性降低，導致水分子越來越容易進入膜內。這也是由于KGM本身吸水性較好，分子內帶有的親水基團可以與水分子形成分子間氫鍵造成的[28]。吸濕率在120 d內呈現逐漸增加的趨勢。在0～30 d內，吸濕率呈先減小后增加的趨勢，最終在30 d時增加率達9.1%。30～60 d中，吸濕率增幅14.3%；60～120 d，對照組吸濕率變化逐漸減緩，最終吸濕率比較最初增長了36.6%。其中的原因可能是由于KGM的親水性和其膜內分子間的孔隙大，水分子更多的附著在復合膜的孔隙內和分子間，導致復合膜的吸水性增強，吸濕率增加[29]。

圖4 復合膜水接觸角隨貯藏時間的變化Fig.4 Effect of water contact angle in KGM/SPI/CAP composite film during storage

圖5 復合膜吸濕率隨貯藏時間的變化Fig.5 Effect of moisture absorption rate in KGM/SPI/CAP composite film during storage

HHP組的水接觸角保持基本不變，120 d內維持在105°左右,吸濕率在120 d內也幾乎保持在30%左右不變，貯藏性變動遠小于對照組。除此之外，對照組的水接觸角均位于90°以下，HHP處理組均位于90°以上，這表明對照組復合膜為親水屬性，液體容易潤濕復合膜并有幾率透過膜進入膜包裹的物體，而HHP組為疏水屬性，液體不易潤濕內部物體，只在膜表面移動，防止水分滲入。同時，HHP作用可能會使得復合膜結構更加均一緊致，分子間孔隙較小，能夠有效阻止水分子進入膜內[22]。

2.4 KGM/SPI/CAP復合膜貯藏的阻隔性能分析

復合膜的阻隔性能也是衡量食品包裝膜的一項重要指標，主要包括透濕系數和透氧系數兩部分，而最終也由此來確定該復合膜適用食品的含水量、保質期以及腐敗性等[30]。如圖6和圖7所示，對照組的透濕系數在0～120 d內增長29%。在0～30 d內保持勻速增長，增幅7.5%；30～60 d內僅增長3.5%，60～120 d內增幅增大至15.2%。透濕系數的升高是由于膜基質中相互作用力不斷衰弱，變化程度不高則是因為蛋白-多糖體系在發生相互作用時，部分多糖的存在有助于促進蛋白質形成新的穩定構象，膜的空間結構和結晶度更佳[31]。對照組的透氧系數隨著時間的延長明顯增長，在0～30 d內以緩慢恒定的速度增長8.3%后，在30～60 d內增長9.2%，60～120 d 內以較大速度增長26.8%，最終120 d增長46.7%。透氧系數隨貯藏時間延長而增加的原因是由于原料KGM和SPI自身隨著時間的延長而降解，二者的作用力減弱，影響復合膜的結構[32]。

圖6 復合膜透濕系數隨貯藏時間的變化Fig.6 Effect of water vapor permeability in KGM/SPI/CAP composite film during storage

圖7 復合膜透氧系數隨貯藏時間的變化Fig.7 Effect of oxygen permeability in KGM/SPI/CAP composite film during storage

在HHP組中，透濕系數的總體變化階段與對照組相似，在0～120 d內呈現一次函數性增長，僅增加15%，是對照組的0.5倍，隔水屬性較好。HHP組透氧系數整體上呈現階段性增長趨勢。在0～30 d內先增加后減小，數值0 d與30 d相等；30～60 d，發生突躍，透氧系數增加25%；60～120 d內，變化趨勢與0～30 d類似，最終120 d時與60 d數值相同，較初始增長20%，是對照組的0.43倍。2組數據隨貯藏時間的延長均呈增加趨勢，這是因為膜的組分多糖和蛋白自身不斷降解，使得其分子間孔隙增大，導致水分子更易透過復合膜。但HHP組的各項數據均優于對照組，結合其他人的研究結果也可以推測，這可能是因為對照組的成膜條件使得膜的分子間孔隙較大，KGM和SPI相互作用力較弱，因此氧氣分子更容易穿過膜間分子移動到膜內物體[10,33]。

3 結論與討論

在120 d實驗期內，由于復合膜成膜基質的材料緣故，對照組的力學性能和阻隔性能均降低，親水性和CAP分子遷移量增加。當使用HHP處理對復合膜進行改性后，復合膜的貯藏性得到了明顯的提升，機械強度增大，阻隔性能增強，復合膜性質由親水性變為疏水性。HHP處理增強了KGM和SPI之間的分子作用，在一定程度上改善了直接合成復合膜的缺點，提高了復合膜的辣味穩定性，有助于辣味膜在延長食品保質期方面的應用。因此，HHP處理能夠提高可食用復合膜在貯藏時的各項性能。

基于目前的研究，無法避免由于原料自身的降解和環境因素所造成的復合膜質量的下降，但使用一些改性方法，如HHP等，可以在很大程度上改善KGM/SPI/CAP復合膜的各項貯藏性質，對于保藏食物有著更大的優勢和更加廣闊的發展前景。本研究仍存在著不足之處，如未探究的熱穩定性和溶解度等指標，仍有待進一步的探索。