殼聚糖濃度對原位合成納米SiOx殼聚糖涂膜性能的影響

楊麗麗 郝 晗 ，3 張 璇 孫 彤 *

（1渤海大學食品科學與工程學院 遼寧省食品安全重點實驗室 遼寧錦州 121013

2生鮮農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工及安全控制技術國家地方聯(lián)合工程研究中心 遼寧錦州 121013

3河北華清環(huán)境科技有限公司 石家莊 050081）

殼聚糖是在堿性條件下甲殼素水解，部分脫乙?；玫降漠a(chǎn)物，又被稱作聚氨基葡萄糖，脫乙酸甲殼素[1]。 學名為聚（1，4）-2-氨基-2-脫氧-β-D-葡聚糖。殼聚糖是略帶珍珠光澤、半透明、白色無定型的固體，分子質量為幾十到幾百萬。殼聚糖由于是一種天然分子堿性多糖，來源豐富，無毒、無污染，可在食品表面形成半透膜，能有效抑制病菌入侵和生長，所以成為天然防腐抗菌劑開發(fā)的研究熱點之一[2-3]。殼聚糖涂膜被廣泛應用于果蔬[4-5]、水產(chǎn)[6-7]、蛋[8]、肉品[9]等食品保鮮中。

Mohan等[10]用殼聚糖涂膜保鮮沙丁魚，試驗表明殼聚糖涂膜能有效抑制細菌的生長，降低魚體脂質的氧化，同時沙丁魚的持水能力和質構性能提高，與對照組相比，殼聚糖處理后沙丁魚貨架期延長了1倍。Nowzari等[11]用殼聚糖涂膜保鮮虹鱒魚片，魚片貨架期顯著延長。Yang等[12]用殼聚糖涂膜保鮮新鮮藍莓，藍莓貨架期顯著延長，并保持了營養(yǎng)成分。張丹丹等[13]研究發(fā)現(xiàn)，殼聚糖涂膜可有效延緩鮮切南瓜乙烯釋放量的增加和硬度的下降，阻止多糖和類胡蘿卜素的減少，抑制POD、PAL酶活性的下降和總酚含量的降低。

納米SiOx是一種無污染、無毒、無味的無機非金屬材料。因顆粒表面欠氧而偏離了穩(wěn)態(tài)的硅氧結構，分子式為SiOx，其中x在1.2～1.6之間。納米SiOx分子呈三維鏈狀結構，可與高分子材料中的某些基團發(fā)生鍵合作用，從而大大改善材料的性能。

本文采用原位合成法制備納米SiOx-殼聚糖復合保鮮涂膜，研究殼聚糖濃度對復合涂膜性能的影響，以期為涂膜保鮮的研究與應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 原料、試劑與設備

美國紅魚，購自遼寧省錦州市水產(chǎn)市場；殼聚糖（脫乙酰度≥95%，食品級），上海晶純試劑有限公司；ATP 關聯(lián)物 ATP、ADP、AMP、IMP、HxR、Hx標準品，美國Sigma公司；甲醇、乙腈為色譜純；其余試劑為分析純級。

傅里葉變換紅外光譜儀 （Scimitar 2000 Near FT-IR Spectrometer型），美國安捷倫公司；X射線粉末衍射儀（Rigaku Ultima IV型），日本理學Rigaku公司；場發(fā)射掃描電子顯微鏡（S-4800型），日本日立公司；場發(fā)射透射電子顯微鏡（Jem-2100F型），日本 JEOL公司；質構儀（TA-XTPLUS型），Stable Micro Systems公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 原位合成納米SiOx殼聚糖基保鮮涂膜的制備 在50℃磁力加熱攪拌條件下，將一定量的殼聚糖溶于100 mL體積分數(shù)為1%的冰乙酸溶液中，滴加含0.03 g SiO2的酸性硅溶膠和0.12 mL質量分數(shù)為0.10%的十二烷基苯磺酸鈉溶液，混合均勻后，再滴加0.3 mL甘油，攪拌均勻。將上述溶液超聲脫氣、流延成膜、干燥，得到不同殼聚糖濃度的原位合成納米SiOx的殼聚糖基復合涂膜。

1.2.2 原位合成納米SiOx殼聚糖基保鮮涂膜表征分析 采用KBr壓片法測定涂膜的FT-IR光譜，光譜范圍為4 000～400 cm-1。用CuKα輻射，40 kV，50 mA，步寬 0.02°，掃描范圍 5～70°條件下對涂膜進行X射線衍射分析。噴金處理后，采用場發(fā)射掃描電鏡對涂膜的斷面和表面進行微觀形貌分析。經(jīng)染色切片處理后，采用場發(fā)射透射電鏡分析涂膜內(nèi)納米粒子的分布狀態(tài)。

1.2.3 原位合成納米SiOx殼聚糖基保鮮涂膜性能測定 采用增重法測量涂膜的水蒸氣透過率[14]。參考梁桂兆等[15]的方法，用自行設計的測定裝置測定涂膜的透氣性能。采用質構儀，測量膜的拉伸強度（σt）和斷裂伸長率（εt）。

1.2.4 美國紅魚的處理及其保鮮指標測定 碎冰凍死鮮活的美國紅魚，瀝干其體表水分，涂抹不同濃度的殼聚糖涂膜液，待涂膜液風干后將美國紅魚置于蒸煮袋中，密封，4℃貯藏。同時用未涂膜處理的美國紅魚為對照組，在貯藏期間測定各保鮮組美國紅魚的理化和微生物指標，并進行感官評定。

1）pH測定 稱取5 g絞碎的魚肉，加入50 mL蒸餾水，均質，過濾，測定濾液pH。

2）硫代巴比妥酸（TBA）值測定 稱取10 g攪碎魚肉，加入25 mL雙蒸餾水，均質后加入25 mL 5%三氯乙酸，攪勻，靜止30 min，過濾，取濾液5 mL，加入濃度為0.02 mol/L TBA溶液5 mL。將混合液于80℃恒溫水浴中加熱40 min顯色，用自來水沖洗，快速冷卻，測定波長532 nm處吸光度，計算TBA值。

3）揮發(fā)性鹽基氮（TVB-N）測定 按照國標《中華人民共和國水產(chǎn)行業(yè)標準》（SC/T3032-2007）中水產(chǎn)品揮發(fā)性鹽基氮的測定方法測定美國紅魚的TVB-N值。

4）K值測定 在0～4℃條件下稱取5 g絞碎的魚肉，加入25 mL 0.60 mol/L冷卻高氯酸，勻漿，將漿液在3 000 g下離心10 min。取10 mL上清液，用1 mol/L KOH調(diào)節(jié)pH值至6.50～6.80。靜置15 min后于3 000 g下離心10 min。取上清液，將其置于50 mL容量瓶定容，溶液用0.45 μm的水相濾膜過濾，然后將溶液置于-80℃條件下急速冷凍，后期采用高相液相色譜檢測。

K（%）=（HxR+Hx）/（ATP+ADP+AMP+IMP+HxR+Hx）×100%

11月27日，云南省政府新聞辦舉行“壯闊東方潮 奮進新時代”云南省慶祝改革開放40周年系列新聞發(fā)布會經(jīng)濟發(fā)展主題新聞發(fā)布會，介紹了改革開放40年以來，特別是黨的十八大以來，云南經(jīng)濟體制改革和經(jīng)濟發(fā)展方面的成就，一系列重大改革舉措推動云南經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展。

5）細菌總數(shù)的測定 依照GB 4789.2-2010《食品微生物學檢驗 菌落總數(shù)測定》測定，采用平板傾注法計數(shù)。

6）感官評分 由5人組成感官評定小組，參照傅德成等[16]的方法對美國紅魚進行感官性質評定。

7）質構分析 將美國紅魚肉切成正方體，采用質構儀測定。測定條件：對每個樣品進行兩次軸向壓縮，壓縮50%，測試探頭為P/50R，測前速率1 mm/s，測試速率 1 mm/s，測后速率 1 mm/s，探頭 2次測定間隔時間5 s，測定模式和選項T.P.A。

以上測定均做3次平行試驗，測定結果采用“平均值±標準偏差”表示。

2 結果與討論

2.1 原位合成納米SiOx殼聚糖基保鮮涂膜的表征分析

2.1.1 原位合成納米SiOx殼聚糖基保鮮涂膜的FT-IR、XRD分析 在不同殼聚糖濃度下制備的原位合成納米SiOx涂膜的FT-IR及XRD分析結果如圖1所示。由圖1a可見，在3 500～3 300 cm-1處的中等強度寬吸收峰是非締合O-H的伸縮振動吸收峰與N-H的伸縮振動吸收峰重疊而形成的。2 928 cm-1和2 876 cm-1處的弱吸收峰是殼聚糖中次甲基或甲基的C-H伸縮振動吸收峰。2 359 cm-1和2 346 cm-1是空氣中CO2的吸收峰。1 460 cm-1處為C-H的特征吸收峰。1 418 cm-1處是C＝O的伸縮振動吸收峰。1 650，1 560 cm-1和1 340 cm-1分別是酰胺Ⅰ、酰胺Ⅱ和酰胺Ⅲ的特征吸收峰。1 159 cm-1處是β-糖苷鍵特征吸收峰。1 086 cm-1處是Si-O-Si的反對稱伸縮振動吸收峰。668 cm-1為殼聚糖結晶敏感吸收峰。SiOx的加入，使涂膜在 1 258，988，923，858，565 cm-1和 479 cm-1處出現(xiàn)吸收峰。1 258 cm-1處是由于Si-C伸縮振動引起的吸收峰。988 cm-1處是由于Si-C彎曲振動引起的吸收峰。923 cm-1為Si-H振動引起的吸收峰。858 cm-1處為Si-N的特征吸收峰。565 cm-1處為Si-O吸收峰。479 cm-1處是Si-O-Si鍵彎曲振動引起的吸收峰。當殼聚糖質量濃度為1.0 g/100 mL時，1 086 cm-1處Si-O-Si的吸收峰強度與988 cm-1處Si-C彎曲振動吸收峰強度相當；當殼聚糖增至1.5 g/100 mL時，1 086 cm-1處Si-O-Si吸收峰的強度逐漸增強，988 cm-1Si-C彎曲振動吸收峰強度相對減弱，且兩吸收峰強度均有很大程度增強；繼續(xù)增加殼聚糖質量濃度至2.0 g/100 mL時，上述兩個吸收峰均減弱，而Si-O-Si吸收峰較Si-C彎曲振動吸收峰強，說明當殼聚糖質量濃度為1.5 g/100 mL時，原位合成的納米SiOx與殼聚糖間形成化學鍵力的結合，且鍵合力量較大，即在此濃度條件下，更適合納米SiOx的原位合成反應，對涂膜中納米SiOx與殼聚糖的高度結合有利，對其均勻分散也有利。

由圖1b所示，當殼聚糖質量濃度為1.0 g/100 mL時，涂膜的 XRD圖譜分別在 7.0°，11.5°和21.4°出現(xiàn)衍射峰，7.0°和 11.5°處的衍射峰強度很弱。當殼聚糖質量濃度為1.5 g/100 mL和2.0 g/100 mL時，涂膜的XRD圖譜分別在8.5°，11.5°，18.7°和22.7°出現(xiàn)衍射峰。分析認為，殼聚糖濃度增加，SiOx與殼聚糖之間的氫鍵作用增強，殼聚糖的結晶性能受影響大，7.0°處的衍射峰向大角度偏移，衍射峰強度增加，21.4°處的衍射峰變成兩個峰。此外，在38～40°處出現(xiàn)強度較低的寬饅頭峰，為原位合成SiOx的特征衍射峰。由于SiOx分子與殼聚糖分子之間形成較強的氫鍵作用，所以增強了粒子與基體的界面粘合，有利于應力的傳遞，可承擔一定的載荷，增強復合涂膜的力學性能。

圖1 不同殼聚糖濃度下原位合成納米SiOx殼聚糖基保鮮涂膜的FT-IR、XRD譜圖Fig.1 FT-IR patterns（a） and XRD patterns（b） of the in-situ SiOx chitosan coatings with different chitosan concentration

涂膜樣品染色切片處理后的TEM顯示 （圖3），當殼聚糖質量濃度為1.0 g/100 mL時，涂膜中原位合成的納米SiOx顆粒尺寸為10～30 nm。當殼聚糖質量濃度增至1.5 g/100 mL，納米SiOx顆粒尺寸變得細小，多為8～15 nm的顆粒，基本無團聚，呈鏈狀鏈接，在涂膜中分散更均勻，說明在此濃度下，殼聚糖涂膜液中硅溶膠分散均勻，原位合成了較多的納米SiOx晶核，且因殼聚糖濃度較大，納米SiOx晶核周圍的硅溶膠濃度較小，故納米粒子生長受到抑制，顆粒較小且分散均勻。

圖2 不同殼聚糖濃度下原位合成納米SiOx殼聚糖基保鮮涂膜的斷面和表面SEM圖Fig.2 SEM images of the cross and surface of the in-situ SiOx chitosan coatings with different chitosan concentration

圖3 不同殼聚糖濃度下原位合成納米SiOx殼聚糖基保鮮涂膜的TEM圖Fig.3 TEM imagines of the in-situ SiOx chitosan coatings with different chitosan concentration

2.2 原位合成納米SiOx殼聚糖基保鮮涂膜的理化性能分析

由表1可見，隨著殼聚糖濃度的增加，原位合成納米SiOx殼聚糖基保鮮涂膜的水蒸氣透過率、透CO2性和透O2性均降低。這可能是由于殼聚糖濃度增大使流延成膜的涂膜中殼聚糖大分子鏈段排列更加緊密，鏈段的劇烈運動減弱，出現(xiàn)“瞬間空穴”的頻率和尺寸均減小，因此涂膜透氣性能降低。

隨著殼聚糖濃度的增加，涂膜的拉伸強度提高，斷裂伸長率降低。這可能是由于隨著殼聚糖濃度的增加，涂膜中原位合成的納米SiOx粒子粒徑更加細小，分散更加均勻，其表面活性基團與殼聚糖分子形成氫鍵的位置增多，且在涂膜中分散更加均勻，有利于提高其力學性能。

表1 不同殼聚糖濃度下原位合成納米SiOx殼聚糖基保鮮涂膜的透氣性及力學性能Table1 The permeability and mechanical properties of the in-situ SiOx chitosan coatings with different chitosan concentration

2.3 原位合成納米SiOx殼聚糖涂膜對美國紅魚的冷藏保鮮效果

2.3.1 美國紅魚冷藏保鮮過程中生化及感官指標變化 不同濃度的原位合成納米SiOx殼聚糖涂膜處理的美國紅魚及未涂膜處理的美國紅魚 （對照組）在4℃冷藏保鮮過程中生化指標及感官指標變化如圖4所示。隨著貯藏時間的延長，美國紅魚肉的pH值先降低后升高，TBA值、TVB-N值、K值、微生物總數(shù)呈上升的趨勢。殼聚糖涂膜處理組的上述指標值均低于對照組，說明原位合成納米SiOx的殼聚糖涂膜有效抑制了微生物及自身酶解作用，減少了魚體內(nèi)蛋白質、氨基酸及其它含氮物質的分解，抑制了魚體ATP的分解。此外，涂膜也有效阻隔了氣體與美國紅魚的接觸，減緩了美國紅魚體內(nèi)脂肪的氧化。1.5 g/100 mL殼聚糖涂膜組魚肉的上述指標均低于其它濃度殼聚糖涂膜處理組。這是由于此濃度制備的殼聚糖涂膜透氣性適當，涂膜結構致密，基本無小裂紋及大孔隙，抑菌效果最佳，其對上述指標的抑制效果最好。由圖4f可見，隨著貯藏時間的延長，美國紅魚的感官評分下降。整個貯藏過程中，對照組美國紅魚的感官評分下降最快，其次是1.0 g/100 mL殼聚糖組。殼聚糖質量濃度為1.5 g/100 mL時，紅魚的感官評分最優(yōu)。繼續(xù)增加殼聚糖質量濃度至2.0 g/100 mL，紅魚的感官評分略有下降。分析認為，紅魚的感官評分受涂膜的殼聚糖濃度及涂膜微結構影響較大。當殼聚糖質量濃度為1.5 g/100 mL時，魚體表面形成的殼聚糖涂膜致密、均勻，基本無裂紋和孔隙，在魚體表面形成了一層致密的保護膜，較大程度地限制了外界微生物進入魚體，且此時殼聚糖濃度較高，抑菌性較好，對紅魚的保鮮效果最明顯。

圖4 貯藏過程中美國紅魚的生化及感官指標Fig.4 The biochemical and sensory indicators of the Sciaenops ocellatus during the storage process

2.3.2 美國紅魚冷藏保鮮過程中質構指標變化冷藏保鮮過程中復合涂膜處理組及對照組美國紅魚的質構變化如圖5所示。隨著貯藏時間的延長，紅魚的硬度、彈性、咀嚼度、回復性均下降。

原位合成納米SiOx殼聚糖涂膜在一定程度上維持了美國紅魚的質構品質，且經(jīng)1.5 g/100 mL殼聚糖處理的紅魚質構品質最好。綜合分析認為，由于原位合成納米SiOx的殼聚糖復合涂膜具有良好的透氣性和抗菌性，有效延緩了紅魚的腐敗，在一定程度上保持和改善美國紅魚的質構品質。此外，1.5 g/100 mL殼聚糖涂膜對紅魚硬度、回復性的維持效果明顯優(yōu)于其余兩組，這是由于該濃度下的殼聚糖復合涂膜的抗菌性能、透氣性能、微觀結構等均較優(yōu)，能夠保持并改善紅魚的品質。

圖5 貯藏過程中美國紅魚質構指標Fig.5 The texture indicators the Sciaenops ocellatus during the storage process

3 結論

采用原位合成法制備不同殼聚糖濃度的納米SiOx殼聚糖復合涂膜，該涂膜有效延長了美國紅魚的保鮮期。殼聚糖濃度增加，其涂膜的氣體透過性能降低，拉伸強度提高，斷裂伸長率下降。當殼聚糖質量濃度為1.5 g/100 mL時，形成的涂膜均勻、致密，涂膜內(nèi)的原位合成納米SiOx粒子呈鏈狀鏈接，基本無團聚，分散狀態(tài)良好，涂膜對美國紅魚的保鮮性能最優(yōu)。