楚銀鳳，包承潤，張 璐，呂 旭，徐燁雯，朱益波

（常熟理工學(xué)院 生物與食品工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

1 引言

隨著人們食品安全和環(huán)保意識的增強(qiáng)以及對塑料包裝物等難以降解污染物容忍度的下降，在保障食品安全的同時，開發(fā)環(huán)境友好型、安全、環(huán)保的多功能膜已成為食品界追求的潮流新趨勢. 其中食品保鮮膜因其在食品工業(yè)中的重要作用而使其功能性及安全性成為研究的一大熱點［1］. 因不必使用防腐劑而能延長食品保質(zhì)期的可食性膜和涂膜在食品加工保藏方面優(yōu)勢明顯［2］. 為了減少塑料制品對人體的傷害，世界各國都制定了一系列食品包裝安全的法典法規(guī)，研究新型包裝膜［3］. 可食用保鮮膜憑借其區(qū)別于傳統(tǒng)PVC、PP保鮮膜的綠色、安全、可降解的特性，成為新型包裝的研究熱點. 現(xiàn)階段國內(nèi)針對可食用保鮮膜的研究主要集中在以下幾個方面：（1）選材方面多根據(jù)原料性質(zhì)選擇多糖類、蛋白質(zhì)類或復(fù)合類等膜劑.（2）研究可食用膜的制備工藝及優(yōu)化方案. （3）研究可食用膜在冷凍食品和果蔬保鮮中的應(yīng)用［4］.

可食用保鮮膜是以天然可食性生物大分子物質(zhì)為基質(zhì)，輔以可食性的增塑劑、交聯(lián)劑等物質(zhì)，通過一定的加工工藝形成一種結(jié)構(gòu)致密的薄膜. 一般使用殼聚糖、淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)等具有良好生物相容性、可降解性的多糖［5-6］. 通常把預(yù)制的獨立膜稱為薄膜，把涂層、浸漬、噴灑在食品表面而成的薄膜稱為涂層. 目前，可食用膜根據(jù)成分可分為多糖薄膜、蛋白質(zhì)薄膜、脂質(zhì)薄膜、復(fù)合膜等［7-8］. 在所有種類的可食用膜中，多糖類可食用膜相比于其他可食用膜有更大的分子量，化學(xué)性質(zhì)更加穩(wěn)定［4］. 由多糖制備的可食用膜除了具備穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)、低氧氣透過率、低油脂滲透率外，還具有自己的獨特性質(zhì)：較強(qiáng)的水溶性和較好的機(jī)械性能. 正是這些獨特的性質(zhì)使可食性膜可以作為新型速溶食品的包裝材料［9-10］.

普魯蘭多糖成膜性良好，應(yīng)用于食品中，具有一定的抑制真菌的作用［11］. Muhtaseb等［12］發(fā)現(xiàn)普魯蘭膜可用于制作一次性包裝袋，由普魯蘭多糖制成的膜不僅可食用、可降解，還具備良好的熱封性能和阻油、阻氧性能. 與此同時，膜透明度極高并且高度溶于水［13-15］. 明膠極易形成透明膠體，具有良好的膠凝性、持水性、成膜性等. 它的這些特點再加上低廉的價格，讓明膠大量應(yīng)用于復(fù)合可食用膜中［16］. 將普魯蘭多糖與明膠混合制成的復(fù)合膜同時具有二者的優(yōu)點，本文主要研究該復(fù)合保鮮膜的性質(zhì)及其作為茶葉包裝的應(yīng)用效果，為其在食品保鮮方面的應(yīng)用提供一定的參考.

2 材料和方法

2.1 材料與儀器

普魯蘭多糖，購自河南萬邦實業(yè)有限公司；食用明膠，購自河南博洋明膠有限公司；甘油，購自浙江大好人家實業(yè)有限公司；散裝綠茶茶葉，購自常熟市大潤發(fā)超市.

電子天平，上海精天儀器有限公司；KH-300B型超聲波脫氣機(jī)，昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司；電熱恒溫水浴鍋，上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司；電熱鼓風(fēng)干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司. 真空干燥箱，上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司；生化培養(yǎng)箱，上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司. 離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器；可見分光光度計，上海菁華科技儀器有限公司.

2.2 膜的制備

將普魯蘭多糖、明膠和甘油按照一定比例進(jìn)行混合，加入50 mL蒸餾水中，于溫水浴中充分溶解，超聲波脫氣2 h后，取10 ml混合溶液流延于10 cm×20 cm潔凈干燥玻璃板上，室溫靜置1 h，于真空干燥箱中過夜干燥成膜. 干燥完成后，將玻璃板取出，在室溫下回軟24 h，然后揭膜并常溫保存于干燥器內(nèi)待用.

膜性能影響因素的正交實驗設(shè)計：根據(jù)高丹丹［13］對可食性膜組成的優(yōu)化可知，單因素分析分別在普魯蘭多糖濃度為2%，明膠濃度為5%，甘油濃度為1%時，水蒸氣透過系數(shù)、氧氣透過率、抗拉指數(shù)等最好.而根據(jù)響應(yīng)面分析三者的交互作用，此時普魯蘭多糖含量為1.8%～2.2%，明膠含量4%～5%，甘油含量為1%時，膜性能最優(yōu). 本研究參考上述研究結(jié)果，并經(jīng)預(yù)實驗驗證確定了明膠、普魯蘭多糖以及甘油量的正交實驗范圍. 同時考慮不同干燥溫度對膜性能影響設(shè)計如表1所示正交實驗表. 其他成膜條件如本節(jié)前面所述.

2.3 性能的測試

2.3.1 膜厚度的測定

采用千分尺測定每張薄膜厚度，根據(jù)GB/T 6672—2001［17］，均勻取13個點（其中一點過膜中心點），以平均值作為薄膜的厚度值，精確到0.001 mm.

2.3.2 水溶性的測定

將膜剪成20 mm×20 mm大小的膜片，置于200 mL 90 ℃去離子水中，用磁力攪拌器攪拌直至膜片完全溶解，記錄樣品完全溶解的時間.

2.3.3 水蒸氣透過系數(shù)的測定

根據(jù)GB/T 1037—1988［18］，在干燥皿中加入無水氯化鈣（無水氯化鈣先粉碎，粒度為0.6～2.36 mm，在200 ℃烘箱中干燥2 h，冷卻后加入），其加入量應(yīng)使干燥劑距試樣表面約3 mm. 用千分尺測量膜厚度后再將薄膜用凡士林封口，并稱重. 將稱重后的干燥皿放入溫度為25 ℃，濕度為95%RH的智能人工氣候箱內(nèi)，之后每隔一定時間取出干燥皿稱重，由公式（1）和（2）計算水蒸氣透過系數(shù).

表1 正交試驗因素與水平表

式中：WVT為水蒸氣透過量（g·m-2·d-1）；t為質(zhì)量增量穩(wěn)定后的兩次間隔時間（h）；Δm為t時間內(nèi)的質(zhì)量增量（g）；A為試樣透水蒸氣的面積（m2）.

式中：Pv為水蒸氣透過系數(shù)［19］d為試樣厚度（cm）；△p為試樣兩側(cè)的水蒸氣壓差（Pa）.

2.3.4 阻氧性的測定

在稱量皿中裝入20.0 g新鮮大豆油，用膜覆蓋容器瓶口并密封，存放于60 ℃培養(yǎng)箱內(nèi)陳化10 d. 用硫代硫酸鈉滴定法測定油脂的過氧化值.

過氧化值的測定：根據(jù)GB5009.227—2016［20］，稱取2～3 g試樣，稱量精確到0.001 g，置于250 mL碘量瓶中，加入30 mL三氯甲烷-冰乙酸混合溶液，使試樣完全溶解. 準(zhǔn)確加入1.00 mL飽和碘化鉀，緊密塞好瓶塞，并輕輕震蕩0.5 min. 在暗處存放3 min，取出后加100 mL水，搖勻，立刻用硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定析出的碘，其中當(dāng)過氧化值估計值在0.15（g/100 g）及以下時，用 0.002 mol/L標(biāo)準(zhǔn)溶液；過氧化值估計值大于0.15（g/100 g）時，用0.01 mol/L標(biāo)準(zhǔn)溶液。至溶液呈淡黃色時，加入1.00 mL淀粉指示劑，繼續(xù)滴定并強(qiáng)烈振搖直至藍(lán)色消失為終點，記錄消耗量，并按同一方法做空白試驗. 空白試驗所消耗0.01 mo1/L硫代硫酸鈉溶液體積V0不得超過 0.1 mL. 過氧化值按照公式（3）進(jìn)行計算. 根據(jù)油脂的過氧化值來判定薄膜的阻氧性.

式中：X為樣品中過氧化值（g/100 g）；V為樣品消耗硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積（mL）；V0為試劑空白消耗硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積（mL）；c為硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度（mol/L）；m為待滴定樣品的質(zhì)量（g）.

2.4 膜在綠茶貯藏中的應(yīng)用

將普魯蘭多糖-明膠可食用膜制作成3 cm×3 cm的正方形小包裝，每一份裝入市售散裝茶葉2 g，封口備用. 根據(jù)存儲期加速試驗，實驗溫度對變質(zhì)的影響，將膜包茶葉與散裝茶葉分別置于60 ℃生化培養(yǎng)箱.每隔24 h，取出樣品進(jìn)行茶多酚的含量檢測. 根據(jù)GB/T 8303—2013［21］將茶樣品磨碎，按照GB/T 8313—2008《茶葉中茶多酚和兒茶素類含量的檢測方法》方法二［22］測定茶葉中茶多酚含量.

3 結(jié)果與分析

3.1 正交設(shè)計實驗結(jié)果

不同條件下制備的可食用薄膜的水溶性、阻氧性、水蒸氣透過系數(shù)等試驗結(jié)果見表2. 由表2可見，膜的溶解時間與過氧化值總體呈現(xiàn)出相反的趨勢，即溶解時間短，過氧化值高. 對照成膜條件可以看出，溶解時間與明膠或者普魯蘭的百分含量成正比，兩者含量高則溶解時間較長. 由此可見，適當(dāng)提高膜的多糖或者明膠比例有助于提高膜的阻氧性能，但同時會降低膜的水溶解性能. 過氧化值與水蒸氣透過量總體表現(xiàn)出相同的趨勢，這意味著水蒸氣透過量大的同時氧氣也更易透過膜，導(dǎo)致過氧化值增加. 根據(jù)成膜條件各因素對膜指標(biāo)的極差分析表明，影響膜的水溶性（溶解時間）、阻氧性能（過氧化值）、透氣性（水蒸氣透過系數(shù)）的主次因素如表3所示.

3.2 綜合平衡分析法優(yōu)化成膜條件

可食用薄膜的最優(yōu)配方，即最優(yōu)水平組合需要根據(jù)膜的使用目的進(jìn)行確定. 由于不同指標(biāo)受成膜條件的影響不同，因此采用綜合平衡法的分析方法［23］，首先逐個考察每個因素對指標(biāo)的影響，其次進(jìn)行分析比較，最后確定最優(yōu)的水平組合.

表2 正交設(shè)計膜性能測試結(jié)果

3.2.1 成膜條件對膜的水溶性能影響

如圖1所示，在相同條件下，可食用膜溶解于水中的時間越短，其水溶性越好. 構(gòu)成膜的主體材料即明膠和普魯蘭含量越高，溶解時間顯著增加. 因此，要使膜具有較好的耐水性能，各因素最優(yōu)組合是明膠5%，普魯蘭多糖3%，甘油2%，溫度55℃.

3.2.2 成膜條件對膜的阻氧性能的影響

成膜條件對膜的阻氧性能的影響如圖2所示. 作為包裝材料，膜優(yōu)異的阻氧性能有助于阻止外部氧化劑滲入包裝與產(chǎn)品接觸.測定的油脂過氧化值越小，則可食用膜的阻氧性能就越好. 因此，對阻氧性的成膜條件優(yōu)化，各因素最優(yōu)組合是明膠4%，普魯蘭多糖3%，甘油1.4%，溫度45 ℃.

3.2.3 成膜條件對膜水蒸氣透過系數(shù)的影響

成膜條件對膜水蒸氣透過系數(shù)的影響如圖3所示. 作為包裝材料，通常維持較低的水蒸氣透過系數(shù)有助于維持包裝內(nèi)部微環(huán)境. 因此，對水蒸氣透過系數(shù)優(yōu)化，各因素最優(yōu)組合是明膠3%，普魯蘭多糖1%，甘油1.4%，溫度35 ℃.

3.2.4 成膜條件對機(jī)械強(qiáng)度的影響

成膜條件對機(jī)械強(qiáng)度的影響如圖4所示. 作為包裝材料，一般需要較高的機(jī)械強(qiáng)度，這樣可以降低包裝破損導(dǎo)致的商品外泄、變質(zhì)等情況發(fā)生的概率. 因此，對機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)化，各因素最優(yōu)組合是明膠3%，普魯蘭多糖1%，甘油1.4%，溫度35 ℃.

表3 各因素主次順序

圖1 各因素對水溶性的影響

圖2 各因素對過氧化值的影響

由于4個指標(biāo)單獨分析出來的最優(yōu)條件并不一致，所以需要根據(jù)因素對4個指標(biāo)影響的主次順序綜合考慮，以確定最優(yōu)條件. 各指標(biāo)的影響因素主次次序如表3所示.

對于明膠比例：從主次順序來看，對水溶性和機(jī)械強(qiáng)度影響第一位，而對水蒸氣透過系數(shù)及阻氧性的影響則排在第四位，為主要因素. 因此，以主要因素作為主選因素的水平. 從初選的最優(yōu)水平組合中可以看出，對水溶性明膠含量為3%時最好. 明膠分子中含有一種類三螺旋結(jié)構(gòu)，主要靠分子內(nèi)氫鍵和氫鍵水合維系，而明膠分子中的亞氨基酸Pro的-NH和Hyp的-OH與其他氨基酸側(cè)鏈基團(tuán)及水分子均可形成氫鍵，利于類三螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定［15，24-25］.在一定條件下，普魯蘭-明膠溶液中明膠含量越高結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，其機(jī)械性能也就越好，故選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的明膠.

對于普魯蘭多糖比例：從主次順序表中可見，對阻氧性的影響排在首位，為主要因素. 以阻氧性這一指標(biāo)來考慮，從初選最優(yōu)水平組合中可知，應(yīng)選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的普魯蘭多糖.

對于甘油比例：根據(jù)表3和初選最優(yōu)水平可知，甘油對水蒸氣透過系數(shù)的影響居于第一位，為主要因素. 可能是因為甘油的分子結(jié)構(gòu)中有3個羥基，與水分子中的氫可以形成氫鍵，能夠束縛水分子. 具有良好的保濕效果，能有效阻止水分的散失［26］. 故對水蒸氣透過系數(shù)影響最大. 因此甘油選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.4%.

對于溫度：溫度對水蒸氣透過系數(shù)的影響排在第二位，對水溶性和機(jī)械強(qiáng)度的影響排在最后，屬次要因素. 對水蒸氣透過系數(shù)而言，取35 ℃時最好；對阻氧性，45 ℃時較優(yōu). 茶葉中重要的成分茶多酚極易氧化，評價茶葉質(zhì)量最重要的指標(biāo)即茶多酚含量，故阻氧性對茶葉質(zhì)量影響最大，成膜干燥溫度選擇45℃.

基于以上分析，本研究確定的成膜條件為：明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%，普魯蘭多糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%，甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.4%，干燥溫度為45 ℃.

圖3 各因素對水蒸氣透過系數(shù)的影響

圖4 茶多酚含量變化趨勢圖

3.3 加速試驗條件下可食用膜包裝對綠茶茶多酚含量的影響

對于普魯蘭多糖-明膠可食用膜是否對食品儲存期產(chǎn)生影響，采用食品儲存期加速實驗的方法. 根據(jù)蔡燕芬［27］關(guān)于食品儲存期加速理論，利用化學(xué)動力學(xué)來量化外來因素會對變質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生影響. 通過將溫度控制在高于正常水平的方法，可以加速整個食品變質(zhì)過程. A.G.Davies［28］的研究表明溫度是導(dǎo)致茶葉變質(zhì)的直接原因，當(dāng)溫度每上升18華氏度，茶葉變質(zhì)的速率就會增大一倍. 在60℃的條件下，理論上變質(zhì)的速度將會加快7倍.

加速實驗條件下，可食用膜包裝的綠茶與散裝茶葉茶多酚含量變化如圖4所示. 經(jīng)t檢驗，此時t值為2.801，P=0.025＜0.05，表明可食用膜包裝的茶葉經(jīng)加速實驗處理后，茶葉中茶多酚含量與未包裝的茶葉有著顯著差異. 由結(jié)果可以看出，在儲存期加速實驗處理后，茶葉變質(zhì)的速度大幅度加快. 茶多酚作為維持茶葉色香味的主要成分，也是茶葉中保健功能的主要物質(zhì)，迅速被氧化. 利用普魯蘭多糖-明膠可食用膜制備的茶葉包在加速處理過程中，茶多酚含量下降速度明顯低于散裝. 包裝組的茶葉樣品經(jīng)過6 d的加速處理，茶多酚含量從最初的22.7%下降到12.6%. 而散裝的茶葉在同樣條件下，茶多酚含量則迅速下降到0.8%. 對比可發(fā)現(xiàn)，使用普魯蘭多糖-明膠可食用膜包裝后，茶多酚被氧化的速度減慢. 實驗結(jié)果證明了利用該配比制備的膜具有良好的阻氧性能，應(yīng)用到茶葉的包裝中，可抑制茶多酚的氧化，有助于顯著延長茶葉的保質(zhì)期.

4 結(jié)論

本文通過正交設(shè)計試驗，采用綜合平衡法對多個因素逐一分析，獲得復(fù)合可食性薄膜的最優(yōu)工藝參數(shù)，即明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%，普魯蘭多糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，甘油含量為1.4%，干燥溫度為45 ℃時，可食性薄膜的綜合性能最優(yōu). 多糖類可食用膜憑借優(yōu)秀的機(jī)械性能，高透明度［29］和良好的隔氧性能，有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)保鮮膜，更適合作為速溶食品的包裝材料.