柑橘皮/殼聚糖復合膜制備及性能研究

王俊杰,冉露霞,朱楨梔,劉鵬,成臣,2,朱博,2*

1(贛南師范大學 生命科學學院,江西 贛州,341000)2(國家臍橙工程技術研究中心,江西 贛州,341004)

柑橘加工過程中,產生大量的廢棄物如果皮、果渣和種子,這些廢棄物目前未被高價值利用,大多數被填埋或造粒用作動物飼料[1]。中國是柑橘屬植物的重要起源中心之一,擁有豐富的種質資源和種植面積[2]。江西省是中國主要的臍橙、馬家柚和南豐蜜桔產區之一,隨著近年栽種面積逐漸擴大,限制其加工工業發展的皮渣處理問題亟待解決。近年來,開發生物基包裝薄膜作為替代環保材料,以減少合成和使用石油基塑料帶來的健康和環境問題受到越來越多的關注[3]。柑橘皮渣含有豐富的纖維素、半纖維素、木質素和果膠[4],用作生物基材料具有巨大潛力。李見森等[5]通過單因素及正交試驗利用柳橙皮干粉制備有較好力學性能和阻隔性能的可降解復合膜。MERINO等[6]將柑橘皮酸水解后與聚二甲基硅氧烷共混制得復合膜。柑橘廢料生產的生物薄膜具有作為食品包裝材料的潛力,這促進了資源的循環利用,可以作為有效利用柑橘廢棄物的優選方案[7]。殼聚糖是自然界中廣泛存在的高分子化合物,具有抗菌性、可降解性和成膜性[8]。關于柑橘皮與殼聚糖混合制備復合膜的研究較少,本試驗通過響應面探究臍橙皮/殼聚糖膜力學性能較佳時各組分的配比。使用傅里葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)和掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)對殼聚糖膜、臍橙皮復合膜、馬家柚皮復合膜和南豐蜜桔皮復合膜進行表征,并探究薄膜的水蒸氣滲透性、光阻隔能力和抗氧化能力。為臍橙皮、南豐蜜桔皮、馬家柚果皮資源化利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

紐荷爾臍橙,國家臍橙工程技術研究中心;南豐蜜桔,江西博君生態農業有限公司;馬家柚,上饒市農墾實業集團有限公司。

1.2 試驗試劑

殼聚糖(脫乙酰度90%),上海麥克林生化科技股份有限公司;ABTS、2,4,6-三吡啶基三嗪(2,4,6-tripyridin-2-yl-1,3,5-triazine,TPTZ)、DPPH、福林酚試劑、沒食子酸標準品,國藥集團化學試劑有限公司;NaOH、無水乙醇、無水乙酸鈉、FeCl3等(分析純),西隴科學股份有限公司。

1.3 儀器與設備

AH1500高壓均質機,安拓思納米技術有限公司;電熱鼓風干燥箱,上海博迅實業有限公司;萬能試驗機,美國INSTRON公司;紫外可見光分光光度計,北京普析通用儀器有限責任公司;傅里葉變換紅外光譜儀,珀金埃爾默儀器有限公司;Quanta 450掃描電子顯微鏡,美國FEI公司。

1.4 實驗方法

1.4.1 柑橘皮/殼聚糖復合膜制備

柑橘剝皮,果皮清洗干凈,置于水浴鍋80 ℃滅酶30 min,鼓風干燥箱60 ℃干燥12 h,隨后使用粉碎機粉碎,過100目篩收集柑橘皮粉末待用。

按膜液總質量計將適量殼聚糖溶解于體積分數1%乙酸溶液中,磁力攪拌器攪拌至完全溶解得殼聚糖溶液。同樣,將適量柑橘皮粉末和甘油分散于蒸餾水中。隨后,將等量的殼聚糖溶液和柑橘皮粉末懸浮液混合倒入高壓均質機在40 MPa壓力下均質4次。最后將膜液25 g倒入方形培養皿(12 cm×12 cm)中,40 ℃鼓風干燥箱中干燥12 h。所得樣品置于25 ℃,相對濕度55%的恒溫恒濕箱中。

1.4.2 柑橘皮復合膜力學性能測定

使用電子萬能試驗機測定薄膜的拉伸強度和斷裂伸長率,將薄膜裁成矩形(2 cm×8 cm),夾緊距離設置為40 mm,以15 mm/min拉伸速度進行測試。

1.4.3 單因素試驗

以臍橙皮為代表進行單因素和響應面試驗優化,選定臍橙皮質量分數(2%、3%、4%、5%、6%)、殼聚糖質量分數(0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%)和甘油質量分數(0%、1%、2%、3%、4%)3個因素進行單因素試驗,考察各單因素水平對柑橘皮復合膜拉伸強度和斷裂伸長率的影響,以確定相關條件。

1.4.4 響應面試驗設計

結合單因素試驗結果,運用響應面分析法中的中心組合試驗設計(center composite design, CCD),以柑橘皮復合膜拉伸強度和斷裂伸長率為響應值設計響應面試驗,響應面試驗各因素水平見表1。

表1 中心組合試驗因素與水平Table 1 Control factors and levels of independent variables used in the central composite design

以響應面優化后的配方分別制備臍橙皮復合膜、馬家柚皮復合膜和南豐蜜桔皮復合膜,并進行以下性能測定。

1.4.5 柑橘膜厚度、含水率、水溶性測定

使用數顯測厚儀隨機測定薄膜5個位置取平均值,以確定每種薄膜厚度。

薄膜樣品先稱重(m1),然后在105 ℃下干燥24 h,再稱重(m2),含水率計算如公式(1)所示。

薄膜樣品先在105 ℃下干燥至恒重,稱重(m1),室溫下將其置于蒸餾水中振蕩24 h,隨后再在105 ℃干燥至恒重,稱重(m2),水溶性計算如公式(2)所示。

1.4.6 復合膜結構表征

用液氮將樣品淬斷得到樣品截面,使用掃描電子顯微鏡在20 kV電壓下掃描薄膜橫截面;將樣品破碎均勻,用KBr壓片法,通過FTIR儀在500～4 000 cm-1掃描樣品的FTIR光譜。

1.4.7 復合膜阻隔性能測定

將薄膜(1 cm×4 cm)置于石英比色皿中,通過紫外可見分光光度計在200～800 nm進行透射率掃描評估薄膜光學特性。

參考文獻[9]并略有修改,將薄膜包裹在裝有干燥硅膠的玻璃小瓶口并密封。所有玻璃小瓶放置在恒溫恒濕培養箱(25 ℃,相對濕度68%)中,每12 h稱重1次,持續72 h。柑橘皮復合膜的水蒸氣滲透性(water vapor permeability, WVP)的計算如公式(3)所示。

式中:Δm,測試玻璃瓶重量變化,g;x,膜厚,mm;S,有效面積,m2;ΔP,薄膜兩側水蒸氣壓差,2 154.92 Pa;t,間隔時間,s。

1.4.8 復合膜抗氧化能力測定

參考文獻[9]的方法測定殼聚糖膜和柑橘皮復合膜在兩種模擬食物環境(體積分數10%和95%乙醇,下同)對自由基清除效果和鐵離子還原能力。將200 mg薄膜分別置于10%和95%乙醇溶液(20 mL)的錐形瓶中,25 ℃ 100 r/min下振蕩3 h后對提取液進行抗氧化和還原能力測定。

DPPH自由基清除能力測定:取1 mL提取液和1 mL DPPH溶液(0.2 mmol/L)混合均勻,暗處反應30 min,在517 nm處測定吸光值,分別用1 mL 10%和95%乙醇代替提取液與1 mL DPPH溶液混合均勻做對照,其計算如公式(4)所示。

ABTS陽離子自由基清除能力測定:取0.1 mL柑橘皮復合膜提取液與2 mL ABTS工作液混合均勻后靜置6 min,在734 nm處測定其吸光值,分別用0.1 mL 10%和95%乙醇代替提取液與2 mL ABTS工作液混合均勻做對照,其計算如公式(5)所示。

(5)

鐵離子還原能力測定(ferric reducing antioxidant power, FRAP):取1 mL樣品提取液加入2 mL FRAP工作液混合均勻后避光反應15 min,在593 nm測吸光度。用不同濃度FeSO4溶液代替樣品做標準曲線,y=5.250 7x+0.079 6,R2=0.999 2。

1.5 統計分析

使用Design-Expert 12.0進行響應面試驗設計,SPSS 22.0進行差異顯著性分析,通過OriginPro 2021進行制圖。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果分析

由圖1-a可知,當殼聚糖和甘油質量分數不變,臍橙皮質量分數由2%增至6%時,所制得柑橘皮復合膜拉伸強度和斷裂伸長率均先升高后降低,且均在臍橙皮含量為5%時較高。適量的柑橘皮加入薄膜可以增加殼聚糖間相互作用使其結構更加致密,提高薄膜拉伸強度[10],柑橘皮中多糖還具有增塑作用,可增加薄膜的斷裂伸長率。隨著柑橘皮含量繼續增大,團聚和微孔出現增多,降低聚合物分子間的作用力[11],從而導致薄膜拉伸強度和斷裂伸長率降低。選擇臍橙皮質量分數為5%進行下一步響應面試驗。

如圖1-b所示,隨殼聚糖質量分數由0.4%增至1.0%,臍橙皮復合膜拉伸強度和斷裂伸長率逐漸增大,較高的聚合物濃度,導致交聯點增加,增強分子鏈的纏結程度,提高柑橘皮復合膜的力學性能。選擇殼聚糖質量分數為1%進行下一步響應面試驗。

a-臍橙皮;b-殼聚糖;c-甘油圖1 臍橙皮質量分數、殼聚糖質量分數和甘油質量分數對拉伸強度和斷裂伸長率的影響Fig.1 Effects of peel content, chitosan content and glycerol content on tensile strength and elongation at break

由圖1-c可知,隨著甘油質量分數的增加,臍橙皮復合膜拉伸強度呈下降趨勢,斷裂伸長率呈上升趨勢。甘油是應用廣泛的塑化劑,可以減小殼聚糖基薄膜的剛度和脆性[12],增大其斷裂伸長率。當甘油質量分數超過膜液質量2%時,所制得薄膜樣品出現甘油析出現象,選擇甘油質量分數為1%進行下一步響應面試驗。

2.2 響應面試驗結果

2.2.1 響應面試驗設計與結果

在單因素試驗的基礎上,以拉伸強度(Y1)和斷裂伸長率(Y2)為響應值,進行響應面中心組合試驗優化,試驗設計及結果見表2。

表2 中心組合試驗設計與結果Table 2 Experimental design and results of the central composite design

續表2

2.2.2 模型方程的建立及顯著性分析

運用Design-Expert 12軟件進行多元回歸擬合,剔除不顯著參數后得到的模型方程如下。

Y1=14.51+2.45x1-4.41x2-1.20x3-1.47x1x3-1.78x12-1.94x32

Y2=19.73+4.91x2-2.37x3-4.20x12-2.68x22-2.14x32

式中:x1、x2和x3,分別代表殼聚糖、甘油和臍橙皮質量分數。

表3 回歸方程方差分析表Table 3 Analysis results of regression and variance

2.2.3 驗證試驗

以最大拉伸強度和斷裂伸長率為目標,通過Design-Expert 12.0軟件分析得到臍橙皮復合膜最優條件為殼聚糖質量分數1.119%、臍橙皮質量分數4.074%、甘油質量分數0.929%,預測得到的拉伸強度為15.94 MPa,斷裂生長率為19.21%。結合實際條件,臍橙皮復合膜配方調整為殼聚糖質量分數1.10%、臍橙皮質量分數4.10%、甘油質量分數0.90%,進行5次試驗,拉伸強度為(15.76±0.66) MPa,斷裂伸長率為(19.23±1.52)%。拉伸強度試驗值與預測值相對誤差為3.40%,斷裂伸長率試驗值與預測值相對誤差為5.01%,說明該響應面模型較為可靠且能較好優化臍橙皮復合膜力學性能。

2.3 柑橘皮復合膜厚度、含水率、溶解度和力學性能分析

如表4所示,與殼聚糖膜相比,3種柑橘皮復合膜成膜溶液的固體含量更多使柑橘皮復合膜厚度和溶解度顯著增加(P<0.05),柑橘皮復合膜之間厚度和溶解度差異不顯著(P>0.05)。柑橘皮復合膜水分含量在16.59%～20.78%,顯著低于殼聚糖膜(P<0.05),可能是殼聚糖膜的水分子被柑橘皮顆粒所取代,或者是柑橘皮的存在改變了殼聚糖膜內聚合物網絡的結構和性質,從而降低其鎖水能力[14]。

生物基復合膜的力學性能是其開發運用于不同場景的關鍵參數,良好的抗拉強度和斷裂伸長率是生物薄膜優化的主要方向。與純殼聚糖膜相比,柑橘皮復合膜抗拉強度均顯著增大,斷裂伸長率顯著減少(P<0.05),如前文所述,適量的柑橘皮加入薄膜可以增加基體間相互作用使結構致密從而提高抗拉強度。不同柑橘皮復合膜之間,抗拉程度和斷裂伸長率存在顯著差異(P<0.05)。臍橙皮復合膜具有較好的抗拉強度和最大的斷裂伸長率,馬家柚皮復合膜抗拉強度最大,斷裂伸長率最小,南豐蜜桔皮復合膜的抗拉強度和斷裂伸長率均表現較弱。本研究中的柑橘皮復合膜配方根據臍橙皮優化而來,不同品種柑橘皮的物質組成與含量不同[15],根據不同柑橘品種進行配方優化,才能制備力學性能較好的柑橘皮復合膜。

表4 柑橘皮復合膜的厚度、含水率、溶解度、 拉伸強度、斷裂伸長率Table 4 Thickness, moisture content, solubility, tensile strength and elongation at break of citrus peel composite films

2.4 柑橘皮復合膜SEM和FTIR分析

如圖2所示,所制備的殼聚糖膜截面形貌粗糙且不連續,臍橙皮和馬家柚皮制備的復合膜截面整體呈現連續、致密的形態,而南豐蜜桔皮復合膜出現空洞,其連續性和致密性均弱于臍橙皮復合膜和馬家柚皮復合膜。由于殼聚糖具有水不溶性[16],而殼聚糖膜和南豐蜜桔皮復合膜含水率較高,水分子增大聚合物間的空隙使得殼聚糖膜和南豐蜜桔皮復合膜的截面微觀形態出現明顯的空洞。以殼聚糖膜為對照,柑橘皮在橫截面上沒有聚集,沒有出現明顯微相分離的跡象,說明柑橘皮粉末均勻分散在薄膜中,這與WU等[17]制備的柚皮粉/茶多酚復合膜橫截面形貌研究一致。

a-殼聚糖膜;b-臍橙皮復合膜;c-南豐蜜桔皮復合膜;d-馬家柚皮復合膜圖2 復合膜膜橫截面的SEM圖Fig.2 SEM image of cross section of composite films

圖3 柑橘皮、殼聚糖膜和柑橘復合膜FT-IR圖譜Fig.3 FT-IR spectra of citrus peels, chitosan film and citrus composite films

2.5 柑橘皮復合膜阻隔性能分析

如圖4所示,是柑橘皮復合膜和殼聚糖膜在波長200～800 nm的光透射率情況。食品中的氧化反應速率通常因紫外線的照射而加快,薄膜在特定波長范圍內選擇性吸收或散射光波有助于保護光敏化合物免受光降解[23]。在紫外光區域(200～380 nm),殼聚糖膜透光率最高可達75%,而柑橘皮復合膜的光透射率接近于0%,具有良好的抗紫外線功能。由于柑橘皮中黃酮類化合物具有吸收光的芳香環[24],纖維素等能夠反射和折射光,影響光的通過,從而導致透光率的降低。在可見光范圍(400～800 nm)柑橘皮復合膜光透射率也較低,均在10%以下,可能會對觀察包裝產品的外觀造成干擾。

圖4 柑橘皮復合膜的透光率Fig.4 Light transmittance of citrus peel composite films

圖5是柑橘皮復合膜水蒸氣滲透性情況。WVP是評價食品包裝薄膜綜合性能的重要指標之一,可以影響包裝產品的保質期。一般而言,薄膜水蒸氣滲透性越低,用于食品包裝越有利[25]。殼聚糖的WVP為0.66×10-10g/(s·m·Pa),3種柑橘皮復合膜的WVP在2.75×10-10～3.12×10-10g/(s·m·Pa),遠低于MATHEUS等[26]使用柿子、果膠和甘油制成的抗菌膜1.60×10-9～1.84×10-9g/(s·m·Pa),而稍高于JRIDI等[27]制備的橙皮果膠可食膜1.54×10-10～2.05×10-10g/(s·m·Pa)。WVP受薄膜的微觀結構、厚度、濕度以及溶解度等多種因素的影響[28],本研究中殼聚糖膜的WVP顯著低于柑橘皮復合膜(P<0.05),可能是添加柑橘皮的復合膜在水中溶解度增大,使得WVP升高。南豐蜜桔皮復合膜的WVP顯著高于其他兩種柑橘皮復合膜(P<0.05),可能是由于南豐蜜桔皮復合膜的結構致密性和連續性相對較差。

圖5 柑橘皮復合膜的水蒸氣滲透性Fig.5 Water vapor permeability of citrus peel composite films 注:不同小寫字母代表差異顯著,P<0.05(下同)。

2.6 柑橘皮復合膜抗氧化能力分析

根據GB 31604.1—2015《食品安全國家標準 食品接觸材料及制品遷移試驗通則》,10%乙醇溶液作為乙醇含量小于10%的食品或不含乙醇的非酸性食品的首選模擬物,95%乙醇溶液可以作為油脂類食品模擬物。

圖6反映殼聚糖膜和柑橘皮復合膜在2種食品模擬物中清除DPPH自由基和ABTS陽離子自由基的能力以及鐵離子還原能力。結果表明,殼聚糖膜在模擬環境中不能清除DPPH和ABTS陽離子自由基,在10%乙醇中有較弱的鐵離子還原能力。黃宸等[29]研究表明殼聚糖膜有較弱的DPPH自由基清除能力,與本研究有所差異,可能與本試驗所用殼聚糖濃度較低有關。果皮富含酚類化合物等天然抗氧化劑,可以用作活性成分或合成防腐劑的替代品[30]。NURHANANI等[31]通過測定添加石榴、木瓜和波羅蜜果皮的明膠/聚乙烯雙層活性膜對DPPH和ABTS陽離子自由基的清除能力,證明果皮粉末的加入使薄膜具有良好的抗氧化潛力,與本研究結果一致。柑橘皮復合膜在10%乙醇溶液中對2種自由基的清除能力和鐵離子還原能力均高于在95%乙醇溶液。這可能與溶劑的極性有關,乙醇濃度越低極性越大,水分子容易滲透到薄膜中,促使活性物質釋放[32]。不同柑橘皮復合膜的抗氧化活性存在差異,與其余2種柑橘膜相比,馬家柚皮復合膜在兩種模擬環境中的抗氧化能力顯著增強(P<0.05),說明其在延緩食品氧化變質,保持食品穩定性中具有更大潛力。柑橘皮的抗氧化活性與其酚類物質、萜類化合物和檸檬苦素等生物活性物質有關[33],要了解不同柑橘皮復合膜的抗氧化能力差異,有待進一步研究柑橘皮復合膜中生物活性物質的成分以及其在食品模擬物中的釋放情況。

a-DPPH自由基清除能力;b-ABTS陽離子自由基清除能力;c-鐵離子還原能力圖6 柑橘皮復合膜的DPPH自由基和ABTS陽離子自由基清除能力以及鐵離子還原能力Fig.6 DPPH and ABTS free radical scavenging ability and Iron ion reduction ability of citrus peel composite films

3 結論

通過響應面試驗同時優化拉伸強度和斷裂伸長率得到臍橙皮/殼聚糖復合膜力學性能較佳的配方,即1.10%殼聚糖,4.10%臍橙皮,0.90%甘油。優化后復合膜拉伸強度為15.76 MPa,斷裂伸長率為19.23%。本文還對臍橙、南豐蜜桔和馬家柚3種柑橘果皮制備的復合膜進行表征,表明柑橘皮均勻分散在薄膜結構中,與殼聚糖具有良好的混溶性,兩者可能通過氫鍵進行結合。與殼聚糖膜相比,柑橘皮/殼聚糖復合膜在紫外光區和可見光區的光透射率顯著降低,具有良好的抗光氧化功能。此外,在食品模擬物中柑橘皮復合膜表現出較好的抗氧化和還原能力,具有延緩食品氧化變質的潛力。綜上所述,柑橘皮與殼聚糖能夠加工成具有一定力學性能、良好光阻隔性和抗氧化能力的生物基復合薄膜,符合當前綠色環保包裝需要,為臍橙皮、南豐蜜桔皮和馬家柚皮資源化利用提供參考。