蛋清蛋白/蘋果多酚提高多糖基可食性包裝薄膜性能及在腰果貯藏保鮮中的應(yīng)用

劉喜鑫，遲玉杰，張 宏，汪樂川，張華江,*，夏 寧,*，Ahmed M. RAYAN，陳 輝，Amro ABDELAZEZ

（1.東北農(nóng)業(yè)大學食品學院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.蘇伊士運河大學農(nóng)學院，埃及 伊斯梅利亞 41522；3.河北農(nóng)業(yè)大學動物科技學院，河北 保定 071001；4.埃及農(nóng)業(yè)研究中心動物生產(chǎn)研究所，埃及 開羅 12618）

可食性包裝薄膜主要以多糖、蛋白質(zhì)、脂類等天然聚合物作為基質(zhì)，通過輔助添加交聯(lián)劑、增塑劑等成膜助劑，通過不同聚合物間的相互作用制備成膜[1]。多糖因其優(yōu)良的成膜能力、生物相容性、生物降解性在可食用包裝中應(yīng)用廣泛。通過與不同種類基質(zhì)共混并添加增塑劑、交聯(lián)劑和功能活性劑，能夠改善多糖基可食性復合薄膜的包裝性能。近年來，基于自然界動植物中的可食性生物聚合物制備的復合多組分可食性薄膜受到眾多研究者的高度重視[2]。

海藻酸鈉、卡拉膠是天然親水性多糖。海藻酸鈉是從褐藻中提取的線性多糖。κ-卡拉膠是來源于紅海藻的天然多糖，可通過部分硫酸化半乳聚糖的線性鏈自聚集形成螺旋結(jié)構(gòu)而成膜[3]。因二者具有天然無毒、可生物降解和良好的生物相容性，可作為優(yōu)良的成膜基質(zhì)。近年來，海藻酸鈉/κ-卡拉膠基復合薄膜在國內(nèi)外食品工業(yè)中已有廣泛應(yīng)用。Paula等[4]研究不同種類卡拉膠和海藻酸鈉的相對比例對可食性薄膜機械性能的影響時發(fā)現(xiàn)，κ-卡拉膠與海藻酸鈉制備的復合薄膜具有更好的疏水性、延展性和透明度。Pa?cal?u等[5]發(fā)現(xiàn)經(jīng)Ca2＋交聯(lián)制備的海藻酸鈉/卡拉膠復合薄膜具有更好的力學性能和溶脹性能。但由于多糖基膜具有脆性高、斷裂延伸率較差及阻隔性能較差等缺陷，一些學者針對這些問題進行了相應(yīng)研究，如Han Ke等[6]將蛋清蛋白加入普魯蘭多糖基中制備混合可食性薄膜，發(fā)現(xiàn)由于普魯蘭多糖分子與蛋清蛋白之間存在相互作用，加入以蛋清蛋白為代表的蛋白質(zhì)基能有效提升單一多糖基薄膜的延展性與阻隔性能。

蛋清蛋白粉主要含蛋清蛋白、卵轉(zhuǎn)鐵蛋白、卵黏蛋白及溶菌酶等水溶性蛋白。蛋清蛋白中的巰基和二硫鍵使其具有優(yōu)異的成膜性及生物相容性[7]。因此，可借助蛋清蛋白自身凝膠特性，與多糖結(jié)合誘導形成更緊密的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而改善多糖基薄膜親水性強、易斷裂等缺陷，并改善薄膜的結(jié)構(gòu)和質(zhì)地。同時蛋白基與多糖基水凝膠形成的致密網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也為功能活性成分提供運載空間，大大提升薄膜在食品包裝中的應(yīng)用價值[8]。Feng Jin等[9]以蛋清蛋白和海藻酸鈉作為基質(zhì)并負載姜黃素制備的納米復合薄膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、生物相容性優(yōu)異且具有良好的抗氧化性，為蛋白質(zhì)/多糖復合物在食品包裝中的廣泛應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

在生產(chǎn)和貯藏階段，氧氣、水蒸氣、溫度等因素導致腰果仁易發(fā)生氧化酸敗。因此，可通過添加抗氧化劑、抑菌劑等提高可食性薄膜的功能性質(zhì)，從而延長腰果仁等高脂肪、高蛋白食品的貨架期[10]。蘋果多酚是從蘋果皮中提取的天然植物多酚，由黃酮醇、黃烷3-醇和酚酸等組成，在體內(nèi)外均表現(xiàn)出良好的生物利用率和抗氧化活性[11]。蘋果多酚還是一種安全的食品添加劑，被廣泛應(yīng)用于口香糖、水產(chǎn)品、果汁等食品的加工，且其優(yōu)異的抗紫外線能力使蘋果多酚能夠抑制食品的光敏氧化。眾多研究者還發(fā)現(xiàn)多酚與多糖、蛋白質(zhì)間的相互作用能夠改善多糖、蛋白質(zhì)的抗氧化活性、理化穩(wěn)定性及功能特性[12]。因此，多酚、蛋白質(zhì)和多糖間的相互作用使植物多酚在食品包裝、醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

本研究選取海藻酸鈉/κ-卡拉膠作為復合多糖基，添加蛋清蛋白粉、蘋果多酚以提升薄膜的綜合包裝性能，以乳酸鈣作為有機鈣交聯(lián)劑，制備可食性抗氧化復合薄膜。探究蛋清蛋白粉、蘋果多酚和乳酸鈣質(zhì)量濃度對薄膜性能的影響。通過傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR）、掃描電子顯微鏡（scanning electron microscopy，SEM）、紫外吸收光譜等方法對薄膜的結(jié)構(gòu)進行表征，以探究成膜組分間的相互作用及復合基質(zhì)間可能產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)。此外，還將其應(yīng)用于腰果仁的貯藏保鮮，以期為多糖/蛋白質(zhì)基可食性復合包裝薄膜的制備及應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

蘋果多酚（食品級，純度≥70.0%） 西安市云悅生物科技有限公司；海藻酸鈉（食品級，黏度750 mPa·s） 青島明月海藻集團有限公司；κ-卡拉膠（食品級，黏度0.036 mPa·s） 福建省綠新食品有限公司；蛋清蛋白粉（食品級，純度≥99.0%） 安徽省亳州市眾意蛋業(yè)有限責任公司；腰果 廣西東興市超友貿(mào)易有限公司；乳酸鈣（食品級，純度≥98.0%） 鄭州市瑞普生物工程有限公司；甘油（分析純） 天津致遠化學試劑公司；石油醚（分析純，沸程30～60 ℃） 天津市富宇精細化工有限公司；亞油酸（分析純） 國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

TP-114型電子天平 美國丹佛儀器有限公司；電子測厚規(guī) 青島艾測智能儀器有限公司；數(shù)顯推拉力計測試機 樂清市艾德堡儀器有限公司；電熱恒溫水浴鍋常州金壇良友儀器公司；JJ-1精密增力電動攪拌器 常州國華電器有限公司；DHG-9240A型電熱恒溫鼓風干燥箱上海一恒科學儀器有限公司；UV-5800H型紫外-可見分光光度計 上海元析儀器有限公司；FTIR儀 梅特勒-托利多（上海）有限公司；S-3400N SEM 日本日立高新技術(shù)公司。

1.3 方法

1.3.1 復合膜的制備

將2.5 g海藻酸鈉、2.5 gκ-卡拉膠與8.0 g甘油混合，再添加不同終質(zhì)量濃度蛋清蛋白溶液（0、2、3、4、5、6 g/L）制備400 mL蛋清蛋白粉/海藻酸鈉/κ-卡拉膠（ESK）復合成膜液。再加入蘋果多酚（0、2.5、5、7.5、10、12.5 mg/mL）制備400 mL蘋果多酚-蛋清蛋白粉/海藻酸鈉/κ-卡拉膠（AP/ESK）成膜液，將成膜液在45 ℃水浴加熱攪拌30 min后，超聲脫氣除泡5 min。再將成膜液倒入硅膠模具上45 ℃干燥10 h后冷卻成膜。待薄膜干燥后，將300 mL不同質(zhì)量濃度（0、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05 g/mL）的乳酸鈣溶液澆注在可食性薄膜表面交聯(lián)3 min后，清除薄膜表面殘余的交聯(lián)劑，經(jīng)室溫干燥成膜。在薄膜性質(zhì)測定前，將薄膜置于相對濕度75%、溫度25 ℃的干燥器中平衡至少48 h。

按上述步驟制備可食性復合薄膜。探究不同成膜組分（蛋清蛋白粉、乳酸鈣、蘋果多酚）質(zhì)量濃度等對可食性復合薄膜性能的影響。考察某一成膜組分對薄膜性能影響時，其他成膜組分質(zhì)量濃度均為乳酸鈣0.04 g/mL、蛋清蛋白粉5 g/L、蘋果多酚10 mg/mL。所有實驗均重復3 次，結(jié)果取平均值。

1.3.2 薄膜性能的測定

1.3.2.1 薄膜厚度

在薄膜樣品上均勻分散選取10 個不同位置，使用精度為0.001 mm的電子測厚規(guī)測定可食性復合薄膜厚度，結(jié)果取平均值。

1.3.2.2 抗張強度和斷裂延伸率

使用數(shù)顯推拉力儀于25 ℃下測定薄膜樣品的抗張強度和斷裂延伸率。設(shè)定初始間距為50 mm，十字頭速率為15 mm/min[13]。按式（1）、（2）分別計算可食性薄膜的抗張強度和斷裂延伸率。

式中：F為薄膜斷裂時的最大張力/N；B為薄膜寬度/mm；H為薄膜厚度/mm；L為薄膜初始有效長度/mm；ΔL為薄膜斷裂時的有效總長度/mm。

1.3.2.3 顏色和透光率

在薄膜樣品表面選取5 個不同點用色差儀測定薄膜亮度（L*）、紅度（a*）和黃度（b*）。測定前色差儀用標準白片校準。根據(jù)Shojaee-Aliabadi等[14]的方法，利用紫外-可見分光光度計在660 nm波長處測定薄膜吸光度，按式（3）計算透光率。所有實驗均重復3 次，結(jié)果取平均值。

式中：A660nm為薄膜樣品在660 nm波長處吸光度；H為薄膜厚度（0.1 mm）。

1.3.2.4 水蒸氣滲透率和氧氣滲透率

取5 g無水CaCl2加入50 mL錐形瓶中，稱質(zhì)量，用薄膜封口后將錐形瓶置于含有飽和KCl溶液的真空干燥器中，在25 ℃、相對濕度83%條件下放置7 d，揭膜后再次稱質(zhì)量[14]。水蒸氣滲透率按式（4）計算。

式中：Δm為放置前后兩次稱量膜的質(zhì)量差/g；A為薄膜表面積/m2；t為間隔時間/d；H為膜厚度/mm；ΔP是薄膜兩側(cè)的水蒸氣壓差/kPa。

向三角瓶中加入5 g大豆油，并用薄膜封口，然后于60 ℃下放置7 d后，取1 g油樣，測定其過氧化值[15]。薄膜的氧氣滲透率按式（5）計算。

式中：V為測定過氧化值時Na2S2O3消耗體積/mL；c為Na2S2O3溶液濃度/（mol/L）；H為膜厚度/mm；m為薄膜質(zhì)量/g；A為薄膜表面積/m2；t為間隔時間/d；ΔPO2為薄膜兩側(cè)的氧氣壓差/kPa。

1.3.2.5 溶脹率

參照程珊等[16]的方法，將80 mm×80 mm薄膜樣品于45 ℃下干燥至恒質(zhì)量，稱質(zhì)量。將干燥后的薄膜在300 mL蒸餾水中浸泡6 h，取出風干，再次稱質(zhì)量。薄膜溶脹度按式（6）計算。

式中：mt為浸泡后溶脹薄膜質(zhì)量/g；m0為浸泡前薄膜質(zhì)量/g。

1.3.2.6 抗氧化活性

采用Riaz等[17]方法略作修改，用0.2 mol/L磷酸鹽緩沖液（pH 7.4）配制7 mmol/L 2,2’-聯(lián)氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二銨鹽（2,2’-azinobis-(3-ethylbenzthiazoline-6-sulphonate) diammonium salt，ABTS）溶液和濃度為2.45 mmol/L的過硫酸鉀溶液。然后將兩種溶液等量混合，得到的溶液在室溫下避光靜置反應(yīng)16 h。測定之前，用無水乙醇將該混合液稀釋至734 nm波長處的吸光度為0.70±0.02，即為ABTS-無水乙醇自由基預備液。將5 mg復合薄膜樣品和2.0 mL ABTS-無水乙醇自由基預備溶液混合。以不加薄膜樣品作為對照組，在30 ℃反應(yīng)10 min后，于734 nm波長處測定反應(yīng)溶液吸光度。ABTS陽離子自由基清除率按式（7）計算。

式中：A0為對照組溶液吸光度；At為樣品組溶液的吸光度。

將0.75 g復合薄膜溶解在50 mL乙醇中，在（24±1）℃下放置24 h后，將復合薄膜溶液以6 000 r/min離心10 min，取上清液作為薄膜提取液。取1 mL薄膜提取液和1.5 mL 0.2 mmol/L 1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）-乙醇溶液置于30 ℃、黑暗條件下反應(yīng)30 min后，于517 nm波長處測定反應(yīng)溶液吸光度[18]。以無水乙醇作為對照組，DPPH自由基清除率按式（8）計算。

式中：A0為空白對照組溶液吸光度；At為樣品組溶液吸光度。

1.3.2.7 FTIR分析

使用FTIR儀采集干燥后薄膜紅外光譜。波數(shù)掃描范圍525～4 000 cm－1，分辨率4 cm－1，掃描次數(shù)32[19]。

1.3.2.8 X射線衍射分析

使用X射線衍射儀對可食性復合薄膜進行X射線衍射分析。分析條件采用銅靶、管電壓40 kV、管電流40 mA、掃描角度6°～60°、掃描步長0.04°[20]。

1.3.2.9 微觀結(jié)構(gòu)觀察

薄膜樣品在液氮中冷凍后破裂，在表面和橫截面上噴金，利用SEM觀察薄膜表面和橫截面微觀結(jié)構(gòu)[21]。

1.3.2.10 紫外吸收光譜分析

利用紫外-可見分光光度計測定薄膜透光率。將薄膜樣品貼于比色皿一側(cè)，在200～800 nm波長范圍內(nèi)對薄膜樣品進行掃描。在660 nm波長處測定薄膜在可見光下的透光率。

1.3.3 腰果貯藏實驗

選擇果仁飽滿、顆粒均勻的新鮮腰果仁，于120 ℃烤箱中焙烤1 h，以冷卻后的腰果仁作為試樣，進行貯藏保鮮實驗。

將厚度均勻、內(nèi)外表面平整無裂痕的ESK薄膜、AP/ESK薄膜放置在熱封條上進行熱封（功率650 W、熱封時間2 s、冷卻時間2 s），制作腰果仁包裝袋。

準確稱量200 g腰果仁，并將其裝入尺寸相同的食品級聚乙烯（polyethylene，PE）袋和用ESK薄膜、AP/ESK薄膜制作的包裝袋中，封口包裝。再置于室溫（28±2）℃、相對濕度（60±5）%條件下加速貯藏30 d，每隔5 d對果仁質(zhì)量進行評估，共30 d。每組設(shè)置3 個平行，結(jié)果取平均值。

腰果水分活度按照GB 5009.238—2016《食品安全國家標準 食品水分活度的測定》進行測定；水分質(zhì)量分數(shù)按照GB 5009.3—2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》進行測定；腰果中油脂的提取及過氧化值的測定按照GB 5009.227—2016《食品安全國家標準 食品中過氧化值的測定》進行；酸價按照GB 5009.229—2016《食品安全國家標準 食品中酸價的測定》進行測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 24.0軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析。樣本置信水平為95%，采用Duncan’s多重極差檢驗確定樣本間的差異顯著性。采用Origin 2018軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 乳酸鈣添加量對復合薄膜性能的影響

由表1可知，與未交聯(lián)的薄膜相比，經(jīng)Ca2＋交聯(lián)后的可食性薄膜機械性能顯著提升（P＜0.05）。因為Ca2＋在蛋白質(zhì)和多糖間離子鍵、共價鍵作用下形成的復合凝膠網(wǎng)絡(luò)具有較優(yōu)異的力學性能。當Ca2＋質(zhì)量濃度為0.04 g/mL時，薄膜抗張強度達到最大，為30.23 MPa，這是由于Ca2＋與帶負電蛋白質(zhì)分子形成離子橋，同時Ca2＋與海藻酸鈉/κ-卡拉膠間的配體基團共價交聯(lián)，在多重鍵合作用下使成膜基質(zhì)分子間形成穩(wěn)定的剛性結(jié)構(gòu)。但經(jīng)0.05 g/mL乳酸鈣溶液處理的可食性薄膜機械性能較差，邵瑤瑤等[22]發(fā)現(xiàn)極高濃度金屬離子的加入使蛋白質(zhì)形成的凝膠結(jié)構(gòu)混亂，從而導致復合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)疏松、不均勻，這可能是造成可食性薄膜機械性能和氣體阻隔性能下降的主要原因。

表1 乳酸鈣添加量對不同類型可食性復合薄膜包裝性能的影響Table 1 Effect of calcium lactate concentration on packaging performance of edible films

當Ca2＋質(zhì)量濃度為0～0.04 g/mL時，可食性薄膜的水蒸氣滲透率和氧氣滲透率隨Ca2＋質(zhì)量濃度的增加而降低，并在Ca2＋質(zhì)量濃度0.04 g/mL時達到最低值。一方面，由于海藻酸鈉和κ-卡拉膠都是聚電解質(zhì)，能與Ca2＋形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)固的物理水凝膠，拉近分子間距離，提升可食性薄膜的致密程度；另一方面，多酚、蛋清蛋白可通過配位鍵、離子鍵與鈣鹽結(jié)合形成穩(wěn)定的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，從而顯著提升可食性薄膜的氣體阻隔性能[23]。隨著Ca2＋質(zhì)量濃度繼續(xù)增加至0.05 g/mL時，復合凝膠體系中的正電荷急劇增加，體系間產(chǎn)生的電荷斥力破壞致密的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導致復合體系間交聯(lián)程度降低氣體阻隔性減弱。該現(xiàn)象與王撼辰等[24]的實驗結(jié)果保持一致。

在Ca2＋質(zhì)量濃度為0～0.5 g/mL范圍內(nèi)，薄膜的溶脹度隨Ca2＋質(zhì)量濃度提升而逐漸升高，其原因是在高水分環(huán)境下成膜體系中的親水基團具有優(yōu)異的吸水、保水能力。隨著Ca2＋的加入，由于Ca2＋的交聯(lián)促使體系內(nèi)形成空穴結(jié)構(gòu)，提升了薄膜對溶劑的包合能力，此外，薄膜分子體系間形成的分子間、分子內(nèi)氫鍵鎖住水分子，進一步提升了薄膜的保水性[22]。隨著Ca2＋質(zhì)量濃度增加至0.5 g/mL時，體系內(nèi)過量的Ca2＋產(chǎn)生電荷排斥導致凝膠的三維結(jié)構(gòu)體系被破壞，羧酸根離子解離暴露，使薄膜更易吸水，具有更高的溶脹度[25]。綜合考慮選取乳酸鈣質(zhì)量濃度0.04 g/mL較為合適。

2.2 蛋清蛋白粉添加量對復合薄膜性能的影響

由表2可知，與未添加蛋清蛋白粉相比，添加2 g/L蛋清蛋白粉的可食性薄膜斷裂延伸率提升了35.92%。隨著蛋清蛋白粉質(zhì)量濃度的繼續(xù)增加，薄膜的抗張強度顯著下降，斷裂延伸率顯著升高（P＜0.05），蛋清蛋白分子的柔性是影響可食性薄膜力學性能的主要原因[26]。蛋清蛋白粉中卵白蛋白具有較柔軟的結(jié)構(gòu)，使可食性薄膜更易于發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，增加了蛋白質(zhì)-多糖聚合物鏈的流動性。卵白蛋白能與海藻酸鈉/多糖復合基質(zhì)間形成新的空間立體結(jié)構(gòu)，其中卵白蛋白與陰離子多糖間的相互作用以靜電相互作用為主，成膜基質(zhì)分子間的靜電相互作用對成膜結(jié)構(gòu)的柔性與延展性有一定促進作用。Tiimob等[27]也發(fā)現(xiàn)卵白蛋白導致聚合物力學性能下降的原因是卵白蛋白的加入削弱了聚合物分子間的團聚效應(yīng)，使聚合物微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，分子結(jié)構(gòu)的韌性顯著提升。

表2 蛋清蛋白粉添加量對不同類型可食性復合薄膜包裝性能的影響Table 2 Effect of egg white powder concentration on packaging performance of edible films

當?shù)扒宓鞍追圪|(zhì)量濃度不超過5 g/L時，可食性薄膜水蒸氣滲透率和氧氣滲透率隨著蛋清蛋白粉質(zhì)量濃度的增加而顯著減?。≒＜0.05），5 g/L時水蒸氣滲透率和氧氣滲透率分別降低了28.84%和27.07%。這是因為隨著蛋清蛋白粉質(zhì)量濃度的增加，在Ca2＋的作用下，蛋清蛋白與多糖間可能通過配位鍵或其他強分子作用力交聯(lián)形成更為致密的聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此成膜基質(zhì)分子成膜后間距減小，提升了復合薄膜結(jié)構(gòu)的致密程度，從而導致水蒸氣對薄膜的滲透速率減緩。海藻酸鈉、κ-卡拉膠等親水性多糖類物質(zhì)含有大量羥基，羥基與蛋清蛋白粉中卵白蛋白的結(jié)合形成凝聚物，增加了可食性薄膜的密度和厚度，這不僅降低了氧氣交換速率，還抑制了薄膜對紫外線的吸收[28]。而蛋清蛋白粉質(zhì)量濃度繼續(xù)增大導致蛋白質(zhì)在復合物體系中可能發(fā)生聚集，促使薄膜結(jié)構(gòu)的無序程度增加，薄膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得疏松多孔，使薄膜氣體滲透率反而增加[29]。

蛋清蛋白粉質(zhì)量濃度為0～5 g/mL范圍內(nèi)，可食性薄膜的溶脹度隨蛋清蛋白粉質(zhì)量濃度的增大顯著下降（P＜0.05），主要是因為蛋清蛋白粉與多糖體系之間存在離子鍵、氫鍵和靜電相互作用，這些分子作用力在一定程度上加快凝膠體系的形成，促使薄膜形成較為致密的凝膠結(jié)構(gòu)[30]，因此降低了薄膜的溶脹度。蛋清蛋白粉質(zhì)量濃度持續(xù)增加至6 g/L時，蛋白質(zhì)分子間的聚集使薄膜結(jié)構(gòu)無序程度增加，體系內(nèi)氫鍵被破壞，薄膜溶解速率加快，甚至溶解成黏液，薄膜的溶脹度持續(xù)下降[31]。這與Huang Xiang等[31]的研究結(jié)果相一致。因此，考慮可食性薄膜的綜合性能，確定蛋清蛋白粉質(zhì)量濃度為5 g/L較為合適。

2.3 蘋果多酚添加量對復合薄膜性能的影響

由表3可知，當蘋果多酚質(zhì)量濃度為0～10 g/mL時，隨著蘋果多酚質(zhì)量濃度的增加，可食性薄膜的抗張強度顯著增加，而斷裂延伸率、水蒸氣透過率和氧氣滲透率顯著下降（P＜0.05）。當蘋果多酚質(zhì)量濃度為10 mg/mL時，可食性薄膜的機械性能達到最佳，水蒸氣透過率和氧氣滲透率降至最低，與未交聯(lián)的薄膜相比分別降低了42.35%和34.13%。因為蘋果多酚與蛋白質(zhì)/多糖聚合物共價交聯(lián)形成更為有序的立體結(jié)構(gòu)，從而提升薄膜的剛性，降低薄膜的柔韌性。水蒸氣透過率是判斷可食膜阻隔性能的重要指標之一。降低薄膜的水蒸氣滲透率能顯著減緩食品與環(huán)境中水分的交換速率。蘋果多酚中酚羥基擁有多個氫鍵結(jié)合位點，能與蛋清蛋白、海藻酸鈉的羧基形成氫鍵，蛋白質(zhì)、多糖與蘋果多酚間的相互作用使復合體系中的親水羥基數(shù)量減少，這可能是可食膜水蒸氣滲透率下降的原因。同時蘋果多酚與蛋白質(zhì)、多糖間經(jīng)Ca2＋交聯(lián)后形成以氫鍵、配位鍵為主體的新結(jié)構(gòu)，降低可食性薄膜的氣體滲透率，有效阻止氧氣的滲透[32]。Tan等[33]研究發(fā)現(xiàn)多糖和多酚之間的反應(yīng)是提高多糖基薄膜機械性能的主要原因。但當蘋果多酚質(zhì)量濃度為12.5 mg/mL時，可食膜的機械性能和阻隔性能均顯著下降（P＜0.05）。可能是蘋果多酚與多糖間的過度交聯(lián)破壞了薄膜原有的晶體結(jié)構(gòu)，從而導致機械性能下降[34]。當蘋果多酚質(zhì)量濃度小于10 mg/mL時，隨著蘋果多酚質(zhì)量濃度的增加，在Ca2＋交聯(lián)下，多酚類物質(zhì)與海藻多糖/蛋白質(zhì)間通過離子作用、配位鍵、氫鍵、疏水相互作用等分子間作用力形成了更為穩(wěn)定的三元復合凝膠體系，導致薄膜溶脹度顯著降低（P＜0.05）[35]。當蘋果多酚質(zhì)量濃度為12.5 mg/mL時，可食性薄膜溶脹度顯著下降的原因可能是由于蘋果多酚質(zhì)量濃度過高，遠超過其與海藻多糖、蛋白質(zhì)的結(jié)合能力。綜合考慮選擇蘋果多酚質(zhì)量濃度10 mg/mL作為后續(xù)實驗條件。

表3 蘋果多酚添加量對不同類型可食性復合薄膜包裝性能的影響Table 3 Effect of apple polyphenol concentration on packaging performance of edible films

2.4 不同成膜組分及其可食性復合薄膜的FTIR分析結(jié)果

由圖1可知，蛋清蛋白粉在2 900～3 700 cm－1處存在O－H和N－H的伸縮振動峰，2 927 cm－1處為甲基、亞甲基以及次甲基的C－H伸縮振動峰，1 654、1 543、1 396 cm－1處的吸收峰分別來自C＝O伸縮振動、N－H彎曲振動及C－N伸縮振動，這3 處特征峰說明蛋清蛋白粉中酰胺結(jié)構(gòu)的存在。蘋果多酚在3 389 cm－1處出現(xiàn)O－H的伸縮振動峰，1 609 cm－1和1 518 cm－1處的吸收峰均來自于苯環(huán)碳骨架的振動，1 370 cm－1處為甲基的特征吸收峰，824 cm－1處是苯環(huán)上含有間位或?qū)ξ蝗〈奶卣鞣?，表明蘋果多酚中含有取代苯環(huán)結(jié)構(gòu)。海藻酸鈉、κ-卡拉膠均在3 420 cm－1處出現(xiàn)O－H的伸縮振動峰，二者在2 926 cm－1和2 925 cm－1處均存在C－H伸縮振動峰。海藻酸鈉在1 617 cm－1以及1 417 cm－1的特征峰分別為羧酸鹽－COO－基團中的不對稱伸縮振動和對稱伸縮振動。κ-卡拉膠在1 238、929 cm－1和846 cm－1處的特征峰分別對應(yīng)于κ-卡拉膠結(jié)構(gòu)中總以及3,6-內(nèi)醚半乳糖和(1→3)-β-D-半乳糖中的

圖1 不同成膜組分及可食性薄膜的FTIR譜Fig. 1 FTIR spectra of different film-forming components and edible films

與蛋清蛋白粉、海藻酸鈉和κ-卡拉膠的O－H吸收峰相比，ESK薄膜的O－H伸縮振動峰紅移至3 278 cm－1，這是由于羥基形成氫鍵締合。這說明蛋清蛋白與海藻酸鈉、κ-卡拉膠間存在氫鍵相互作用。ESK薄膜中，海藻酸鈉的－COO－伸縮振動峰由原來的1 617、1 417 cm－1分別紅移至1 602、1 416 cm－1處，同時吸收峰強度減弱，κ-卡拉膠的－OSO3－特征吸收峰由原來的1 238、929 cm－1處分別移動至1 242、924 cm－1。這說明蛋清蛋白－NH3＋與海藻酸鈉中的－COO－、κ-卡拉膠中的發(fā)生了靜電相互作用。同時，蛋清蛋白在1 543 cm－1處的酰胺II帶特征峰在ESK薄膜中消失，這說明蛋清蛋白和海藻酸鈉、κ-卡拉膠間的靜電相互作用改變了成膜后酰胺區(qū)的紅外光譜。還可能是蛋清蛋白與多糖中大量存在的羥基、羧基、酰胺基等配體基團均能與鈣離子形成配合物，以及穩(wěn)定且均勻的配位交聯(lián)鍵，使得－COO－、等特征峰向低波數(shù)處位移[36]。蛋清蛋白粉、海藻酸鈉和κ-卡拉膠在成膜后，－CH2的特征峰均發(fā)生偏移，這一現(xiàn)象可能由蛋清蛋白與多糖間的疏水性相互作用所致[37]。與蛋清蛋白、蘋果多酚、海藻酸鈉、κ-卡拉膠等成膜基質(zhì)相比，添加蘋果多酚后的AP/ESK薄膜的O－H伸縮振動峰繼續(xù)紅移至3 280 cm－1，峰型也更寬。這說明蘋果多酚和其他基質(zhì)間存在強烈的氫鍵相互作用，且與其他組分間相容性良好。與ESK薄膜相比，AP/ESK薄膜的另一個明顯變化是在1 604 cm－1和1 521 cm－1處出現(xiàn)新的吸收峰，這些峰來自于酚類化合物官能團，是多酚類物質(zhì)與蛋白質(zhì)/多糖分子形成氫鍵所致。Nisar等[12]也觀察到類似的變化，發(fā)現(xiàn)多酚與多糖分子間的氫鍵作用使多糖與水分子形成的氫鍵數(shù)量減少，因此多酚能賦予多糖基膜更好的阻隔性能和機械性能，并提升薄膜的抗氧化活性。

2.5 不同成膜組分及其復合薄膜的X射線衍射分析結(jié)果

X射線衍射可檢測多糖和蛋白質(zhì)等生物大分子的無定型和晶型結(jié)構(gòu)。由圖2可知，蛋清蛋白粉2θ在9.74°、18.4°附近出現(xiàn)較寬的衍射峰。蘋果多酚無較強衍射峰出現(xiàn)，但2θ在10.08°、19.92°附近出現(xiàn)較寬的衍射峰，但蛋清蛋白粉、蘋果多酚均未有強而尖銳的結(jié)晶峰出現(xiàn)。κ-卡拉膠2θ在28.44°、40.38°、50.18°、58.62°附近出現(xiàn)結(jié)晶較差的彌散峰，說明κ-卡拉膠固態(tài)分子呈無序性排列，其主要結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)。海藻酸鈉在2θ為13.70°、21.72°處出現(xiàn)典型的“饅頭峰”，這是海藻酸鈉的特征衍射峰。

圖2 不同成膜組分及其可食性薄膜的X射線衍射圖Fig. 2 X-ray diffraction analysis of different film-forming components and edible films

ESK薄膜在2θ為9.34°、20.02°處出現(xiàn)衍射峰。與海藻酸鈉相比，蛋清蛋白粉的加入使海藻酸鈉在13.70°、21.72°處的衍射峰均向2θ較小的方向偏移至9.34°、20.02°處，同時衍射峰變寬、強度減弱。原因可能為蛋清蛋白、海藻酸鈉與Ca2＋交聯(lián)形成的配位鍵比氫鍵、靜電相互作用更穩(wěn)定，使可食性薄膜結(jié)晶區(qū)晶粒變大，衍射峰位置向2θ較小的方向偏移。這可能是蛋清蛋白與多糖間經(jīng)相互作用后發(fā)生了分子結(jié)構(gòu)的重排。與ESK薄膜相比，隨著蘋果多酚的加入AP/ESK薄膜的衍射峰繼續(xù)發(fā)生偏移同時衍射峰強度略有下降，這與Thu等[38]的研究結(jié)果相似?？赡苁翘O果多酚、蛋清蛋白、海藻酸鈉與Ca2＋交聯(lián)形成的配位鍵比氫鍵、疏水相互作用等非共價作用力更穩(wěn)定，使可食膜結(jié)晶區(qū)晶粒變小，衍射峰峰位向2θ較小的方向偏移。證明蘋果多酚在可食性薄膜中分散較為均勻，蘋果多酚與其他成膜基質(zhì)間具有良好的分散性與相容性。

2.6 不同組分可食性薄膜的微觀結(jié)構(gòu)

利用SEM可以探究薄膜微觀結(jié)構(gòu)受其組分的相互作用以及在干燥過程中組分間相互作用的影響。由圖3可知，海藻酸鈉薄膜和海藻酸鈉/κ-卡拉膠薄膜表面較為光滑，有少量裂紋、凝結(jié)，但未出現(xiàn)兩相分離的現(xiàn)象。與海藻酸鈉薄膜和海藻酸鈉/κ-卡拉膠薄膜相比，ESK薄膜橫截面呈現(xiàn)更均勻的形態(tài)，具有高度統(tǒng)一的致密網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這表明蛋清蛋白粉與海藻酸鈉多糖基具有較好的相容性。原因可能是海藻酸鈉、κ-卡拉膠兩種多糖與蛋清蛋白在Ca2＋的交聯(lián)下形成更為致密有序的空間結(jié)構(gòu)，宏觀表現(xiàn)為可食性薄膜斷裂延伸率和氣體阻隔性能的提升，這與表2結(jié)果一致。與ESK薄膜橫截面相比，蘋果多酚的加入使AP/ESK薄膜表面、橫截面粗糙程度均有所增大，這可能是蘋果多酚的硫酸基在Ca2＋交聯(lián)下與蛋清蛋白發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)造成分子間聚集。Fabra等[39]的研究也發(fā)現(xiàn)多酚能改變膠體表面的粗糙程度，與本實驗所得結(jié)論一致。

圖3 SEM觀察不同組分可食性薄膜的微觀結(jié)構(gòu)Fig. 3 Microstructures of edible films with different compositions observed by SEM

2.7 不同組分可食性薄膜的顏色、透光率和不透明度

降低薄膜的透光率可使食品免受紫外線和可見光的照射，能抑制食品脂質(zhì)氧化、顏色變化、營養(yǎng)價值損失等不利變化。利用紫外-可見光譜對不同組分可食性薄膜的透光率進行測定。由圖4可知，在近紫外區(qū)200～400 nm內(nèi)，海藻酸鈉薄膜、海藻酸鈉/κ-卡拉膠薄膜、ESK薄膜的最大透光率分別為73.28%、67.76%、57.41%，表明蛋清蛋白粉降低了多糖基薄膜的透光率，因為蛋白在280 nm左右具有紫外吸收能力。而蘋果多酚在200～400 nm波長范圍內(nèi)具有較強的紫外線吸收能力[40]，使AP/ESK薄膜具有優(yōu)異的抗紫外線輻射性能。在可見光波長范圍內(nèi)海藻酸鈉薄膜、海藻酸鈉/κ-卡拉膠薄膜、ESK薄膜、AP/ESK薄膜在660 nm波長處的透光率分別為80.53%、78.88%、73.11%、55.34%。蛋清蛋白粉和κ-卡拉膠的加入使復合薄膜的透光率略有下降；這是因為蛋清蛋白與多糖結(jié)合形成的凝聚物提升了薄膜的不透明度，而蘋果多酚使薄膜透光率急劇降低，表明蘋果多酚是防止紫外線滲透到食品包裝材料中的有效成分。

圖4 不同組分可食性薄膜的透光率Fig. 4 Light transmittance of edible films with different compositions

由表4可知，與不含蘋果多酚的ESK薄膜相比，AP/ESK薄膜呈黃色，a*、b*值顯著升高，而透光率顯著下降?？赡芘c蘋果多酚中的根皮苷、原矢車菊素B1等多酚類物質(zhì)呈黃色有關(guān)[41]。4 種薄膜均具有較透明的外觀，這表明蘋果多酚、多糖與蛋清蛋白間具有良好的相容性。蛋清蛋白粉和蘋果多酚對薄膜的顏色、透光率有至關(guān)重要的影響。

表4 不同組分可食性薄膜的顏色和透光率Table 4 Color parameters and light transmittance of edible films with different compositions

2.8 蘋果多酚添加量對AP/ESK薄膜抗氧化活性的影響

本研究采用DPPH法和ABTS法評價AP/ESK薄膜的抗氧化活性，DPPH法測定抗氧化劑的供氫能力，ABTS法測定抗氧化劑總抗氧化能力，對親脂性和親水性抗氧化劑測定效果更顯著。由圖5可知，蘋果多酚質(zhì)量濃度對薄膜抗氧化活性具有顯著影響（P＜0.05）。不含蘋果多酚的ESK薄膜幾乎沒有抗氧化活性，但Cheng等[42]研究發(fā)現(xiàn)福林試劑與卵白蛋白氨基酸殘基之間的反應(yīng)會使空白薄膜表現(xiàn)出微弱的自由基清除能力。隨著蘋果多酚質(zhì)量濃度的增加，AP/ESK薄膜的抗氧化活性顯著增強（P＜0.05）。這是由于蘋果多酚中聚原花青素、黃酮、酚酸等多酚類物質(zhì)的酚羥基產(chǎn)生的氫質(zhì)子能抑制基態(tài)氧激發(fā)成單線態(tài)氧，有效清除氧自由基，表現(xiàn)出較強的抗氧化能力[43]。與蘋果多酚質(zhì)量濃度為2.5 mg/mL相比，蘋果多酚質(zhì)量濃度為12.5 mg/mL時薄膜的自由基清除能力顯著提升，對ABTS陽離子自由基和DPPH自由基的清除率分別提升至1.9 倍和4.5 倍。本實驗結(jié)果與李珍[44]從蘋果皮渣提取的多酚及抗氧化活性的研究結(jié)果相一致。

圖5 蘋果多酚添加量對AP/ESK薄膜ABTS陽離子自由基清除率（A）和DPPH自由基清除率（B）的影響Fig. 5 Effect of apple polyphenol concentration on ABTS cation free radical (A) and DPPH free radical (B) scavenging rate of edible films

2.9 不同類型包裝薄膜對腰果仁的保鮮效果

腰果是含有豐富的脂肪和蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)的堅果食品，若貯藏不當會造成腰果仁受潮，促進腰果脂肪水解及脂肪酶促褐變的發(fā)生，造成腰果油酸敗變質(zhì)。同時腰果仁的水分活度與微生物繁殖密切相關(guān)，較低的水分活度能有效的抑制腰果仁中微生物滋生，延長腰果的貨架期。由圖6A可知，腰果仁的初始水分活度為0.36、水分質(zhì)量分數(shù)為2.13%，貯藏30 d后，未包裝的腰果仁水分活度提升了0.15，水分質(zhì)量分數(shù)提升至4.68%。經(jīng)PE膜、ESK薄膜、AP/ESK薄膜包裝后的腰果仁水分活度分別提升了0.09、0.04、0.02，水分質(zhì)量分數(shù)分別增加至3.71%、3.56%、3.11%。結(jié)果表明AP/ESK薄膜在腰果仁貯藏過程中表現(xiàn)出更強的阻濕性。原因可能是海藻酸鈉與Ca2＋交聯(lián)形成的孔隙對空間內(nèi)少量水分的吸附有促進作用。同時蘋果多酚與成膜基質(zhì)及甘油間的相互作用產(chǎn)生的交聯(lián)引起薄膜厚度和密度增加，延緩水分子透過薄膜的速率[45]。

圖6 不同類型包裝薄膜對腰果仁貯藏過程中水分活度（A）和水分質(zhì)量分數(shù)（B）的影響Fig. 6 Effect of different packaging films on water activity (A) and water content (B) of cashews during storage

由圖7可知，腰果仁的初始過氧化值為0.45 meq/kg，酸價為0.63 mg/g。貯藏30 d后，無包裝的腰果仁過氧化值、酸價分別為2.31 meq/kg、1.43 mg/g，PE膜包裝腰果仁的過氧化值、酸價分別達到1.96 meq/kg、1.33 mg/g。與PE膜相比，貯藏30 d后ESK薄膜、AP/ESK薄膜包裝腰果仁的過氧化值分別降低了32.29%、64.58%，酸價分別降低12.78%、30.08%?？梢奅SK薄膜對腰果仁的酸敗具有一定抑制作用，而添加蘋果多酚的AP/ESK薄膜抑制腰果仁脂質(zhì)氧化的作用更顯著。蘋果多酚中的綠原酸、根皮素、槲皮素等多酚類成分在油脂氧化過程中能夠與過氧自由基ROO·和自由基R·發(fā)生反應(yīng)，中斷自由基鏈式反應(yīng)，從而提高油脂的氧化穩(wěn)定性[46]。

圖7 不同類型包裝薄膜對腰果仁貯藏過程中過氧化值（A）和酸價（B）的影響Fig. 7 Effect of different packaging films on peroxide value (A) and acid value (B) of cashews during storage

3 結(jié) 論

本實驗探究乳酸鈣、蛋清蛋白粉和蘋果多酚質(zhì)量濃度分別對海藻酸鈉/κ-卡拉膠復合膜性能的影響，結(jié)果表明，與海藻酸鈉/κ-卡拉膠薄膜相比，蛋清蛋白粉的加入增強了薄膜組分間的相互作用，薄膜斷裂延伸率、氣體阻隔性能均有顯著提升，溶脹度、透光率均有所下降。蘋果多酚使可食性薄膜的密度、致密程度增大，抗張強度、氣體阻隔性能顯著增強，在提升薄膜抗紫外線能力的同時賦予其優(yōu)異的抗氧化性。乳酸鈣作為交聯(lián)劑能加強分子間作用力使薄膜結(jié)構(gòu)更為致密穩(wěn)定。與未交聯(lián)膜相比，經(jīng)交聯(lián)處理的薄膜抗張強度顯著提升，水蒸氣、氧氣滲透率顯著降低。不同類型包裝薄膜對腰果仁的貯藏保鮮結(jié)果表明，與PE膜相比，AP/ESK薄膜能顯著降低腰果仁的水分活度、水分質(zhì)量分數(shù)、過氧化值和酸價，有效抑制腰果仁的氧化酸敗，對腰果仁的貯藏保鮮及貨架期的延長有積極意義。本研究為進一步開發(fā)可食性包裝膜提供了新的途徑。