楊樹(shù)花提取物對(duì)決明子膠/羧甲基淀粉鈉復(fù)合膜性能影響的研究

常馨月，吳天宇，劉文華，譚筱萌，沈怡歡，王立娟

(東北林業(yè)大學(xué) 生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040)

0 引言

食品包裝材料在延長(zhǎng)食品貨架期、保護(hù)食品質(zhì)量和衛(wèi)生等方面起著重要的作用。塑料包裝材料由于其種類繁多、價(jià)格低廉和性質(zhì)穩(wěn)定，在食品包裝行業(yè)得到了普遍的應(yīng)用。但在實(shí)際的使用過(guò)程中也存在著一系列的問(wèn)題，比如：塑料包裝材料隨意丟棄對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的“白色污染”；在儲(chǔ)藏的過(guò)程中食品和包裝膜長(zhǎng)時(shí)間的接觸，包裝膜里的有毒有害物質(zhì)可能會(huì)遷移到食品中，損害消費(fèi)者的健康等。近年來(lái)，新型的可降解、可食用的綠色食品包裝材料已經(jīng)漸漸有取代傳統(tǒng)的塑料包裝材料的發(fā)展趨勢(shì)[1]。

可食用膜采用人體能夠消化分解的生物大分子(脂質(zhì)、多糖和蛋白質(zhì)等)為原料，輔以可食用改良劑(如增塑劑)，利用分子間氫鍵和靜電相互作用形成一種具有屏障作用的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)薄膜[2]。隨著對(duì)可食用膜研究開(kāi)發(fā)的深入，逐漸發(fā)現(xiàn)單一基質(zhì)所制得的可食用膜，其性能有一定局限性，較由幾種大分子物質(zhì)復(fù)合而成的膜性能弱。為了能更好地提升薄膜的機(jī)械性能、抗氧化性等，人們不斷地開(kāi)發(fā)著不同高分子材料之間復(fù)合制膜，充分利用各組分的有效成分，使其生理活性得到最大程度的發(fā)揮[3]。

決明子膠是由決明子的胚乳研磨提純而來(lái)，是親水性的水溶性膠體。決明子膠與其他種子類膠如瓜爾豆膠、塔拉膠的分子結(jié)構(gòu)非常相似，是以甘露糖為單位通過(guò)β-1,4糖苷鍵鏈接組成的長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)。由于其可食性及良好的流變性、穩(wěn)定性等而用于造紙、染整、食品、醫(yī)藥及化工領(lǐng)域[4]。羧甲基淀粉鈉是一種水溶性陰離子淀粉醚，無(wú)毒無(wú)味，且具有增稠、乳化和黏結(jié)等多種性能，可作為乳化劑、增稠劑、穩(wěn)定劑和成膜劑等[5]。楊樹(shù)花中的黃酮類化合物是其主要活性成分，楊樹(shù)花黃酮類化合物的藥理作用為調(diào)脂、抗氧化、清除自由基、抗菌和抗腫瘤，也對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)有一定作用[6]。雖然楊樹(shù)花提取物可以作為一種天然抗氧化劑，但關(guān)于在可食膜中的應(yīng)用仍未有相關(guān)報(bào)道。

因此，本實(shí)驗(yàn)以決明子膠/羧甲基淀粉鈉為成膜基質(zhì)、以甘油為增塑劑，研究楊樹(shù)花提取物對(duì)薄膜力學(xué)性能和阻隔性能的影響，為后續(xù)決明子膠可食用薄膜的持續(xù)開(kāi)發(fā)利用提供一定的理論依據(jù)和科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 材料

決明子膠(Cassia gum，CG，食品級(jí))由河南安利精細(xì)化工有限公司提供。羧甲基淀粉鈉(Sodium carboxymethyl starch 縮寫(xiě)為CMS，食品級(jí))購(gòu)自Dymatic Fine Chemical Co.，Ltd.(中國(guó)，廣州)。甘油和乙醇是從中國(guó)天津永達(dá)化學(xué)試劑有限公司購(gòu)買的分析試劑級(jí)。無(wú)水氯化鈣由天津天力化學(xué)試劑有限公司提供。

1.2 方法

1.2.1 楊樹(shù)花提取及總黃酮含量測(cè)定

楊樹(shù)花粉碎過(guò)60目篩后，準(zhǔn)確稱取粉末18.0 g，按1 mL∶50 g的料液比加入體積分?jǐn)?shù)為40%的乙醇，在85 ℃下提取3 h，即得楊樹(shù)花提取粗液。將粗液過(guò)濾旋蒸，所得濃縮液移至容量瓶定容至500 mL備用，即記為楊樹(shù)花提取物(Plant aspen flower extract,PA)。采用硝酸鋁顯色法制備蘆丁標(biāo)準(zhǔn)曲線，楊樹(shù)花總黃酮提取率為12.9%，PA中總黃酮質(zhì)量為2.323 g[7-8]。

1.2.2 CG-PA-S薄膜的制備

稱取CG粉末5.1 g和CMS粉末0.9 g，加入蒸餾水并混合一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PA(2%、4%、6%)，總計(jì)1 000 mL，并在60 °C下攪拌混合物60 min后，再加入甘油2.4 g(總粉末質(zhì)量的40%)，繼續(xù)攪拌15 min。最后將混合均勻的膜溶液澆注到有機(jī)塑料槽(28 cm × 29 cm × 5 cm)中，在65 ℃干燥24 h[9]，制備出CG-PA-S薄膜。

1.3 力學(xué)性能

自動(dòng)拉伸測(cè)試儀(XLW-PC，PARAM，中國(guó)濟(jì)南)用于分析拉伸強(qiáng)度(TS)和斷裂伸長(zhǎng)率(EB)。每個(gè)樣品制備6個(gè)15 mm × 80 mm的薄條，并選擇應(yīng)變率為300 mm/min。測(cè)試之前，將CG-PA-S薄膜放置于25 ℃和53%相對(duì)濕度的環(huán)境中恒濕16 h。

1.4 掃描電鏡表征及紅外光譜(FTIR)

通過(guò)液氮脆性斷裂獲得薄膜的橫截面，在真空環(huán)境下樣品上濺射一層金膜后用JEOL JEM-2100透射電鏡(Quanta 200，荷蘭Philips-FEI公司)對(duì)復(fù)合膜的微觀形貌進(jìn)行觀察。

通過(guò)使用Frontier光譜儀(PerkinElmer，美國(guó))在4 000～600 cm-1內(nèi)獲得的紅外光譜，分辨率為4 cm-1，并掃描32次。

1.5 色度測(cè)定

使用(Datacolor 800)選擇色度儀對(duì)共混膜的色度、色差進(jìn)行測(cè)定，平行測(cè)定3次取平均值。根據(jù)公式(1)作為人肉眼所能判斷的色差變化。

ΔΕ=(Δa2+Δb2+ΔL2)1/2。

(1)

式中：ΔΕ表示總色差，一般ΔΕ>5時(shí)，可以通過(guò)肉眼觀察到明顯的色差變化;ΔL表示黑白，即亮暗，+表示偏白，-表示偏暗；Δa表示紅綠，+表示偏紅，-表示偏綠；Δb表示黃藍(lán)，+表示偏黃，-表示偏藍(lán).

1.6 阻隔性能

1.6.1 阻光性能

將CG-PA-S薄膜均勻切成4 cm × 3 cm，并用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(UV-2600，島津，京都，日本)分析了CG-PA-S薄膜在200～800 nm范圍內(nèi)的透光性。

1.6.2 阻氧性能

在薄膜試樣的中間處隨機(jī)取6個(gè)點(diǎn)測(cè)量厚度并取平均值，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19789—2005以氧氣透過(guò)量測(cè)試儀(OX2/230)測(cè)定薄膜氧氣透過(guò)率。

1.7 CG-PA-S薄膜抗氧化能力測(cè)試

1.7.1 CG-PA-S薄膜總酚含量測(cè)定

準(zhǔn)確裁剪0.1 g薄膜，每組薄膜制備2份，分別以15 mL的50%與95%乙醇作為食品模擬物，將盛有薄膜與食品模擬物的錐形瓶置于恒濕搖床震蕩24 h，用移液槍取出1 mL震蕩液，加入4 mL的0.1 mol/L福林酚試劑和5 mL的0.7 mol/L碳酸鈉溶液。避光反應(yīng)2 h后于765 nm處測(cè)量吸光度，總酚含量以相對(duì)于沒(méi)食子酸當(dāng)量的含量表示mg/g[10]。

1.7.2 CG-PA-S薄膜對(duì)ABTS+自由基清除能力測(cè)定

將7 mmol/L的ABTS+(2,2'-聯(lián)氮-雙-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸,2, 2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid))原液與2.45 mmol/L的過(guò)硫酸鉀(K2S2O8)溶液等體積混合，室溫避光反應(yīng)12～15 h，稀釋上述自由基溶液使其在751 nm處的吸光度為0.75 ± 0.2，即得到ABTS+工作液。取1 mL上述膜震蕩液，用95%(50%)乙醇稀釋10倍，再取2 mL稀釋液與3 mL ABTS+工作液混合于試管中，室溫下避光反應(yīng)15 min，并在751 nm處測(cè)量吸光度，記為As，以95%(50%)乙醇做空白試驗(yàn)，吸光度記為Ac[11]。ABTS+自由基清除率公式為:

(2)

2 結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

由表1可知，隨著PA濃度的增加，與未加入的薄膜相比厚度都有所提高，并呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，并且薄膜拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率都呈現(xiàn)出了先減小后增大的趨勢(shì)。在PA添加量為2%時(shí)力學(xué)性能為最小值，分別為23.9 MPa(薄膜拉伸強(qiáng)度)、34.92%(斷裂伸長(zhǎng)率)。在PA添加量為6%時(shí)力學(xué)性能達(dá)到最大值，分別為26.16 MPa(薄膜拉伸強(qiáng)度)、46.07%(斷裂伸長(zhǎng)率)。且含有PA的薄膜的拉伸強(qiáng)度都低于未添加PA的薄膜(CG-S)，這表明PA的加入在一定程度上降低CG及CMS分子之間的聚合能力，破壞其剛性結(jié)構(gòu)使其力學(xué)強(qiáng)度降低。PA中的黃酮類物質(zhì)的加入會(huì)維持薄膜內(nèi)部分子之間的緊湊結(jié)構(gòu)，使得薄膜不會(huì)因?yàn)檫^(guò)脆而易折，也不會(huì)由于過(guò)軟而無(wú)法進(jìn)行熱封包裝。隨著PA含量的增加斷裂伸長(zhǎng)率也呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，但皆未超過(guò)CG-S，認(rèn)為PA濃度越大越能改善薄膜柔韌度。此外，CG-S、CG-PA-S薄膜的拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率都大于報(bào)道中的CG-G(甘油，Glycerin 縮寫(xiě)為G)材料，如一定比例混合的CG-G復(fù)合材料力學(xué)性能為：TS=16.69 MPa,EB=19.87%[8，12]，所以認(rèn)為PA對(duì)CG/CMS和甘油復(fù)合膜的力學(xué)性能有增強(qiáng)作用。

表1 PA質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)薄膜力學(xué)性能影響

2.2 掃描電鏡分析(SEM)

圖1為添加不同含量PA薄膜斷面的微觀形貌。觀察其斷面形貌，隨著PA添加量的增大斷面出現(xiàn)較多的微小顆粒狀結(jié)構(gòu)。說(shuō)明PA的加入可能破壞了CG與CMS之間的氫鍵結(jié)構(gòu)，但膜結(jié)構(gòu)仍是緊密結(jié)合的，這與CAO等[12]研究結(jié)果類似。結(jié)合力學(xué)性能來(lái)看，隨著PA的含量增加，逐漸增強(qiáng)了決明子膠與甘油的相容性，提高了薄膜的延展性，可使其包裝中不易破裂。

圖1 不同含量PA的CG膜斷面的微觀形貌

2.3 紅外分析(FTIR)

CG-PA-S薄膜的FTIR光譜如圖2所示。從圖2可以看出，未添加PA的薄膜與2組含有不同濃度PA的薄膜的光譜相似，顯示出主要的特征吸收帶：3 650～3 000 cm-1為—OH的伸縮振動(dòng)峰，2 930～2 880 cm-1為C—H伸縮振動(dòng)峰，1 596 cm-1顯示出苯環(huán)骨架的特征峰，說(shuō)明薄膜中的PA含有帶苯環(huán)結(jié)構(gòu)的黃酮類物質(zhì)；1 460～1 400 cm-1為C—O—H彎曲振動(dòng)，1 000 cm-1(原醇)～1 120 cm-1(次元醇)為C—O拉伸振動(dòng)[13]，1 150 cm-1及1 010 cm-1處為醇或酚的峰；與未添加PA的薄膜相比各組特征峰均未出現(xiàn)顯著的偏移，僅影響了某些峰的強(qiáng)度。加入后—OH及C—O醇類吸收峰的強(qiáng)度變小，減弱了—OH的吸收，證明了PA可以與決明子膠、CMS與甘油產(chǎn)生較強(qiáng)的相互作用，三者具有良好的相容性。

圖2 不同PA添加量薄膜的FTIR

2.4 色度測(cè)定

膜材料的色度數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。添加PA后對(duì)膜材料的色度值L、a、b影響顯著[14]。相比于PA為0% 膜材料，加入PA的膜材料的a、b明顯增加，并在PA為6%時(shí)有最大值，最大值分別為9.7、37.4，說(shuō)明紅度和黃度增加，這與PA的顏色有直接關(guān)系。同時(shí)，L明顯降低，在6%有最小值為65.9，說(shuō)明膜材料的白度降低。復(fù)合膜的顏色性質(zhì)不僅能影響薄膜的阻光性能，也影響著人們對(duì)其包裝的接受程度，PA的加入使CG/CMS復(fù)合膜的顏色發(fā)生了變化，如圖3所示，且隨著PA添加量的增加黃色加深。

表2 PA薄膜的色度參數(shù)

圖3 不同含量PA薄膜的阻氧性能和抗氧化性能

2.5 阻隔性能

2.5.1 阻光性能

通常共混膜的透光率是判斷共混高分子相容性是否良好的一種輔助手段，較高的阻光率能提高薄膜進(jìn)行食品包裝的應(yīng)用價(jià)值。圖3左側(cè)為CG-PA-S薄膜的紫外透光分析，隨著PA添加量的增加，薄膜在200～800 nm范圍內(nèi)整體透光率下降。未添加PA的薄膜在200～400 nm范圍內(nèi)有較低的透光率，當(dāng)PA添加量為6%時(shí)，薄膜能夠完全屏蔽200～340 nm范圍內(nèi)的紫外光。在600 nm處，未添加PA的薄膜光透率為43.20%，隨著PA添加量增加到2%、4%與6%，薄膜透光率分別下降到39.50%、34.18%與24.42%。造成透光率下降的原因主要有3點(diǎn)：首先，PA中富含黃酮類化合物，其C6-C3-C6的基本骨架中存在共軛結(jié)構(gòu)，因此促進(jìn)了薄膜對(duì)紫外光的吸收并降低透光率[15]；其次，PA本身為黃色，當(dāng)其與決明子膠共混時(shí)，其本身的色澤對(duì)薄膜產(chǎn)生了較大影響；最后，當(dāng)PA添加量較大時(shí)，一些黃酮類物質(zhì)可能以微晶的形式鑲嵌在膜內(nèi)部，通過(guò)對(duì)入射光的折射與反射而降低透光率。結(jié)果表明，PA的引入對(duì)紫外光有很強(qiáng)的屏蔽作用，隨著PA添加量的增大，膜的紫外阻隔性能增強(qiáng)，說(shuō)明膜能夠通過(guò)阻隔紫外線進(jìn)而抑制食品的氧化與防止?fàn)I養(yǎng)元素的損失[16]。

2.5.2 阻氧性能分析

透氧性能也是評(píng)價(jià)膜性能的重要參數(shù)，低的氧氣透過(guò)率能夠限制細(xì)菌的生長(zhǎng)，延長(zhǎng)薄膜包裝的有效期。由表3可以看出，隨PA含量從0%增至6%薄膜氧氣系數(shù)呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢(shì)，在6%處增至為3.11×10-12cm3/(mm2·d·Pa)，CG與CMS的共混結(jié)構(gòu)上仍具有較大的空隙，而PA的加入促使結(jié)構(gòu)更加緊湊，阻隔了氧氣能夠通過(guò)的通道。這也與分子的極性有關(guān)，由于極性—OH數(shù)量的增加使膜材料對(duì)非極性氧氣分子有較強(qiáng)的阻隔作用[17]。結(jié)合阻光性及氧氣透過(guò)率初步認(rèn)為，當(dāng)PA添加量為6%時(shí)薄膜良好的阻隔性對(duì)于作為包裝膜材料是一個(gè)增益。

表3 不同含量PA薄膜的阻氧性能和抗氧化性能

2.6 抗氧化能力測(cè)試

表3中顯示各組膜材料在50%乙醇與95%乙醇環(huán)境下的總酚含量及ABTS+自由基清除率。CG本身具有弱的抗氧化性[18]，未添加PA的膜樣品在50%乙醇環(huán)境下的總酚含量為0.104 mg/g，而在95%時(shí)為0.157 mg/g。在50%乙醇環(huán)境下，隨著膜樣品中PA含量的增加，總酚含量呈增加趨勢(shì)，在PA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)達(dá)到最大值，最大值為0.582 mg/g，總酚含量證明了CG-PA-S薄膜中存在酚羥基，這是由于PA中黃酮類物質(zhì)的結(jié)構(gòu)帶有酚羥基而隨著溶液共混制膜而進(jìn)入薄膜中。隨著添加量繼續(xù)增加，95%乙醇環(huán)境中薄膜的總酚釋放量皆未超過(guò)50%乙醇環(huán)境，并呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，在PA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%處達(dá)到最小值為0.096 mg/g，說(shuō)明薄膜在高濃度乙醇中難以溶解從而使得其中的酚類不能很好地釋放。薄膜所含總酚含量直接影響了薄膜對(duì)自由基的清除效率。

ABTS+自由基清除法是由Miller 等[19]建立的，具有很多優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)常用于生物樣品的總抗氧化能力測(cè)定。ABTS+自由基清除法測(cè)定原理是:ABTS+通過(guò)過(guò)硫酸銨反應(yīng)生成ABTS+自由基,這種自由基是穩(wěn)定的，此時(shí)溶液呈現(xiàn)藍(lán)綠色。從表3看出，50%乙醇環(huán)境下隨著PA增加，CG-PA-S薄膜對(duì)于ABTS+自由基的清除率逐漸增大，在0%處有最小值為24.33%，在6%處有最大值為87.83%?？偡雍亢涂寡趸芰Τ收嚓P(guān)，95%乙醇的ABTS+自由基清除率較50%乙醇環(huán)境下較低，呈現(xiàn)出隨PA含量增大而增大的趨勢(shì)，因此結(jié)合總酚含量結(jié)果表明PA中的酚類物質(zhì)難溶于高濃度乙醇中。PA本身因含有黃酮類物質(zhì)而具有一定的抗氧化活性，結(jié)果表明摻入了PA的薄膜的ABTS+自由基清除活性明顯比未添加的薄膜清除活性高。因此認(rèn)為PA對(duì)CG-CMS薄膜抗氧化性的增強(qiáng)對(duì)于可食用的抗氧化包裝膜具有一定的應(yīng)用潛力。

3 結(jié)論

本研究以CG/CMS為基質(zhì)，甘油為增塑劑共混了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PA，制備出具有良好力學(xué)性能、阻隔性能和抗氧化性能的薄膜。PA的加入增強(qiáng)了純CG-S的力學(xué)性能，當(dāng)PA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，展現(xiàn)出最佳的力學(xué)性能以及阻光阻氧性能，同時(shí)提高了薄膜的抗氧化性。但本文中還未探究CG-PA-S薄膜在食品包裝方面的實(shí)際應(yīng)用效果，還可進(jìn)一步研究其在食品包裝中對(duì)油脂、方便食品的包裝效能以及其可食用性。本研究利用林業(yè)廢棄物楊樹(shù)花與CG、CMS復(fù)合制備薄膜，為工業(yè)上生產(chǎn)食品包裝的抗氧化膜材料提供一種新的思路。