不同濃度KOH 溶液預(yù)處理對羅非魚皮明膠膜性能的影響

王愛玲,安祥生,段殳珺,陳蘇南,閆鳴艷

(青島科技大學(xué) 海洋科學(xué)與生物工程學(xué)院;山東省生物化學(xué)工程重點(diǎn)實驗室,山東 青島 266042)

明膠是動物結(jié)締組織中膠原蛋白的變性產(chǎn)物,主要來源于豬、牛等陸生哺乳動物,具有資源豐富、價格低廉等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于食品領(lǐng)域。近些年來,由于瘋牛病和口蹄疫等人畜交叉疾病的頻發(fā),陸生哺乳動物產(chǎn)品的應(yīng)用受到了限制,因此明膠來源提取逐漸轉(zhuǎn)向水產(chǎn)動物[1]。羅非魚是世界性的主要養(yǎng)殖魚種,我國已成為全球最大的羅非魚養(yǎng)殖加工國。然而由于加工方式的局限,在加工過程中產(chǎn)生大量的魚皮、魚鱗、魚骨等副產(chǎn)物,約占魚體重量的40%～55%[2],這類副產(chǎn)物大部分被加工成魚粉或掩埋丟棄,造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。魚皮中含有大量明膠,充分利用這一主要成分,不僅可以減少環(huán)境污染和資源浪費(fèi),而且還可以提高水產(chǎn)品加工的附加值,推動了養(yǎng)殖加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

明膠的制備方法已比較明確,主要包括酸法、堿法和酸堿法等。然而,不同制備方法和制備條件對明膠性能影響顯著。目前,該方面研究逐漸受到重視。如SHA等[3]研究了提取溫度對豬皮明膠凝膠性的影響,發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高,明膠的凝膠強(qiáng)度顯著降低,并且不同溫度下提取的明膠經(jīng)胰蛋白酶降解后所得特征肽段也不同;TAN等[4]研究發(fā)現(xiàn)隨著提取溫度的升高,黑羅非魚皮明膠的表面疏水性增加了,但是乳化性降低了;LIAO等[5]的研究也表明了提取溫度和p H 對羅非魚皮明膠凝膠性和乳化性能具有顯著影響。

明膠具有良好的成膜性,所形成的明膠膜具有環(huán)境友好、可降解、可食性等特點(diǎn),有望在食品、藥品等領(lǐng)域部分代替塑料包裝,緩解“白色污染”。然而,明膠膜的性能受到多方面因素影響,如明膠來源、制備方法和交聯(lián)劑等[6]。目前對于明膠膜的研究,大部分集中于交聯(lián)劑對明膠膜性能的改善作用[7-9],而針對明膠制備方法對膜性能影響的研究較少。工業(yè)上為了簡化步驟、降低成本多采用堿法制備明膠,主要包括堿液預(yù)處理和水提等步驟。其中堿液預(yù)處理主要通過堿液浸泡原料以除去雜質(zhì),這是提高明膠膜品質(zhì)的關(guān)鍵。特別是魚皮含有黑色素和腥味物質(zhì)等,堿液預(yù)處理尤其重要。在工業(yè)上,明膠原料主要采用2%～5%的Ca(OH)2懸濁液對其進(jìn)行預(yù)處理[10],但是該方法處理時間長,且產(chǎn)生大量的堿液,易造成環(huán)境污染。針對此問題,本研究擬采用KOH 溶液預(yù)處理羅非魚皮,通過對明膠膜的厚度、色度、透光率、水蒸氣透過率、機(jī)械性能、微觀結(jié)構(gòu)、紅外光譜、X 射線衍射光譜等進(jìn)行研究,明確KOH溶液預(yù)處理濃度對魚皮明膠膜性能的影響。

1 實驗部分

1.1 材料與試劑

羅非魚皮由廣東水產(chǎn)品加工廠提供,-20℃保存,實驗時4℃解凍;KOH,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;丙三醇,天津市北聯(lián)精細(xì)化學(xué)品開發(fā)有限公司;變色硅膠,青島勝海精細(xì)硅膠化工有限公司。所用試劑均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

紫外可見分光光度計,UV-6000PC 型,上海元析儀器有限公司;冷凍干燥機(jī),FD-1A-50型,上海比朗儀器制造有限公司;掃描電子顯微鏡,JSM7500F型,日本電子公司;X-射線衍射儀,D/MAX/2500PC型,日本理學(xué)株式會社;傅里葉變換紅外光譜儀,VERTEX 70型,德國BRUKER 公司;電子萬能試驗機(jī),深圳三思縱橫科技股份有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 羅非魚皮明膠的制備

魚皮明膠的制備方法參考文獻(xiàn) [11]的方法。將冷凍的羅非魚皮在室溫下解凍,除去多余的魚鱗和脂肪,水洗干凈,剪成3 cm×5 cm 的長條狀備用。稱取30 g魚皮,按照料液比1∶30加入不同濃度的KOH 溶液(0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 和0.9 mol·L-1),25℃水浴攪拌12 h,水洗至中性。然后按照1∶5(m/V)的比例于60℃下用蒸餾水?dāng)嚢杼崛? h,紗布過濾,離心收集上清液,減壓濃縮后凍干得魚皮明膠。計算明膠得率。

1.3.2 明膠的色澤和透明度

參考文獻(xiàn) [12]的方法。將明膠配制成1.5%溶液,分別在450和630 nm 波長處測定其吸光度。

1.3.3 明膠膜的制備

明膠膜的制備參考文獻(xiàn) [13]的方法。取一定量的羅非魚皮明膠,以蒸餾水為溶劑,60℃水浴中持續(xù)攪拌溶解,配制成5%的明膠溶液。添加明膠質(zhì)量20%的甘油制備成膜液,超聲脫氣10 min,取5 mL倒入塑料培養(yǎng)皿(d=90 mm)。在室溫下平衡干燥48 h,揭膜備用。

1.3.4 明膠膜的厚度

采用平頭測厚規(guī)測定膜的厚度。每個樣品取10個點(diǎn)進(jìn)行測量,取平均值[14]。

1.3.5 明膠膜的色度

用色度計測量明膠膜的L*(亮度)、a*(紅綠度)、b*(黃藍(lán)度)、c*(飽和度)和ΔE(總色差值)[15]。將明膠膜放在標(biāo)準(zhǔn)白板(L*=97.24,a*=-0.35,b*=0.17,c*=0.39)上進(jìn)行測定。

1.3.6 明膠膜的透光率

參考文獻(xiàn) [15]的方法。將制備好的明膠膜剪切成10 mm×50 mm 的長條狀,貼在石英比色皿內(nèi)側(cè),以空白比色皿為對照,用紫外-可見分光光度計在波長200～800 nm 下進(jìn)行掃描。

1.3.7 明膠膜的水蒸氣透過率

明膠膜的水蒸氣透過率參考文獻(xiàn) [16]的方法。室溫條件下,將無水硅膠加入到50 mm×30 mm 的稱量瓶中,明膠膜封口,并用封口膜將其封好,稱其初始質(zhì)量。將該瓶放入底部裝有蒸餾水的干燥器中(相對濕度100%),測試時間為8 h,每1 h取出測量稱量瓶質(zhì)量。水蒸氣透過率(PWV)由公式(1)計算:

式中:Δm為t時間間隔稱量瓶質(zhì)量增加量,g;d為膜的厚度,mm;T為測量時間間隔,h;A為膜的封口面積,實驗中膜的封口面積相同,為1.962 5×10-5m2;Δp為膜內(nèi)外大氣壓差,k Pa。

1.3.8 明膠膜的含水量

精確稱量明膠膜初始質(zhì)量,將其放置到105℃烘箱中,烘干至恒重[17]。根據(jù)公式(2)計算含水量:

式中:wc為膜的含水量,%;m0為膜的初始質(zhì)量,g;m1為膜烘干至恒重質(zhì)量,g。

1.3.9 明膠膜的水溶性

參考文獻(xiàn) [18]的方法。精確稱量明膠膜初始質(zhì)量,于室溫下完全浸沒在50 mL 的蒸餾水中,靜置24 h,用事先干燥至恒重的濾紙過濾回收剩余未溶解部分,并將其在105℃烘箱烘干至恒重。按照公式(3)計算水溶性:

式中:ws為溶解度,%;m0為膜的初始質(zhì)量,g;m1為干燥至恒重濾紙的質(zhì)量,g;m2為膜和濾紙烘干至恒重的質(zhì)量,g。

1.3.10 明膠膜的機(jī)械性能

明膠膜的機(jī)械性能測定參照文獻(xiàn)[19]的方法。將明膠膜裁剪成50 mm×10 mm 的長條,用電子萬能試驗機(jī)測定膜的斷裂伸長率(BEA)和拉伸強(qiáng)度(ST),設(shè)定儀器的起始間距為30 mm,拉伸速率為5 mm·min-1。拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率分別按照公式(4)和(5)計算:

式中:F為膜斷裂時承受的最大張力,N;L為膜的厚度,mm;W為膜的寬度,mm;L0為膜的原始長度,mm;L1為膜斷裂時達(dá)到的最大長度,mm。

1.3.11 明膠膜的微觀結(jié)構(gòu)

取適量待測膜,用液氮淬斷,真空狀態(tài)下噴金,采用SEM 觀察膜的表面和橫截面結(jié)構(gòu),設(shè)定電子束的加速電壓為10 kV。

1.3.12 X 射線衍射分析(XRD)

采用X 射線衍射儀測定明膠膜結(jié)構(gòu),X 射線源設(shè)置為Cu Ka,電壓為40 kV,電流為150 m A,掃描角度(2θ)設(shè)置為3°～50°,掃描速度設(shè)置為0.02(°)·s-1[13]。

1.3.13 傅里葉變換紅外光譜分析(FT-IR)

將待測膜與KBr在研缽中研磨,取適量進(jìn)行壓片,放入樣品室,用傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行全波段(4 000～400 cm-1)掃描,波數(shù)精度0.01 cm-1,掃描次數(shù)64次,分辨率為4 cm-1[13]。

1.3.14 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010 進(jìn)行均值、誤差和方差分析,OriginPro 2018作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同濃度KOH 溶液預(yù)處理對魚皮明膠得率、色澤和透明度的影響

在堿液預(yù)處理過程中,堿可以與脂肪發(fā)生皂化反應(yīng)以除去脂肪,同時還可以除去雜蛋白及色素,從而提高明膠的品質(zhì)[20]。本研究中經(jīng)預(yù)實驗發(fā)現(xiàn),KOH 濃度低于0.4 mol·L-1時,雜質(zhì)、色素等幾乎未除去,影響明膠的外觀品質(zhì),而堿濃度大于0.9 mol·L-1時,在色素完全脫除前魚皮已完全溶于堿液中,因此KOH 溶液濃度設(shè)置為0.4～0.9 mol·L-1。在相同提取時間下,不同濃度的KOH 溶液預(yù)處理對明膠得率影響見圖1。

圖1 KOH 溶液濃度對明膠得率的影響Fig. 1 Effects of KOH concentration on the yield of gelatin

當(dāng)KOH 溶液濃度為0.4 mol·L-1時,明膠得率最高,達(dá)到了32.36%,這可能是因為堿能夠結(jié)合膠原蛋白分子的酸性基團(tuán),斷裂分子內(nèi)或分子間的離子鍵和氫鍵,使原膠原分子斷裂,原料體積膨脹,組織松散,易于明膠提取[21]。而當(dāng)其濃度上升到0.7 mol·L-1時,明膠得率緩慢下降到22.78%,原因可能是隨著堿濃度的不斷增加,明膠因發(fā)生水解而溶于堿液中。當(dāng)KOH 濃度繼續(xù)增加到0.9 mol·L-1時,明膠得率急劇下降,僅為4.5%,主要是由堿濃度過大,明膠水解嚴(yán)重導(dǎo)致[21]。

根據(jù)GB 6783—2013,色澤和透明度是評價明膠外觀品質(zhì)的重要標(biāo)準(zhǔn)。明膠的色澤和透明度可分別通過其溶液在450 和630 nm 處的吸光度表征[12],見圖2。

圖2 KOH 溶液濃度對色澤和透明度的影響Fig. 2 Effects of KOH concentration on the color and transparency of gelatin

由圖2 可知,當(dāng)KOH 溶液濃度增加到0.7 mol·L-1時,明膠溶液的吸光度下降,表明明膠的色澤和透明度均提高了;而當(dāng)堿液濃度繼續(xù)增加到0.9 mol·L-1時,吸光度無顯著性差異,說明明膠的色澤和透明度趨于穩(wěn)定。上述結(jié)果表明當(dāng)KOH溶液濃度增加到0.7 mol·L-1及以上,魚皮雜質(zhì)清除效果較好,明膠的色澤和透明度也較高。

2.2 不同濃度KOH 溶液預(yù)處理對魚皮明膠膜色度的影響

明膠膜的厚度與成膜液的體積和成膜模具有著密不可分關(guān)系[22]。KOH 溶液濃度對明膠膜厚度和色度影響見表1。由表1可知,本工作中不同濃度KOH 溶液預(yù)處理制得的明膠膜厚度沒有顯著性差異,均在34～36μm,表明KOH 溶液濃度的高低沒有顯著影響到明膠膜厚度。明膠膜的色度主要取決于明膠的顏色。隨著KOH 溶液濃度的增加,明膠膜的亮度先增加后趨于穩(wěn)定,這與視覺上觀察到的明膠膜逐漸無色透明的結(jié)果是一致的,從總色差值總色差值來看,當(dāng)KOH 溶液濃度達(dá)到或高于0.7 mol·L-1時,其值無顯著性降低,表明魚皮雜質(zhì)脫除完全,與由魚皮明膠色澤和透明度所得結(jié)果完全一致。

表1 KOH 溶液濃度對明膠膜厚度和色度影響Table 1 Effect of KOH concentration on the thickness and color of gelatin films

2.3 不同濃度KOH 溶液預(yù)處理對魚皮明膠膜透光率的影響

透光率可以從感官上反映膜的透明度。明膠膜的透明度越高,越能體現(xiàn)食品原有的色澤和外觀,有利于食品的銷售[23]。圖3 為KOH 溶液濃度對明膠膜透光率的影響。在波長200～280 nm 下,其透光率為0,隨著波長的增加透光率急劇增大,在600 nm 后趨于穩(wěn)定。當(dāng)KOH 溶液濃度由0.4 mol·L-1增加到0.9 mol·L-1時,明膠膜在800 nm 的透光率由82.08%增加到88.19%,表明堿處理能夠較好地脫除魚皮色素和雜質(zhì),所得的明膠膜具有較好的透明度,有利于食品包裝。

圖3 KOH 溶液濃度對明膠膜透光率的影響Fig. 3 Effects of KOH concentration on the transmittance of gelatin films

2.4 不同濃度KOH 溶液預(yù)處理對魚皮明膠膜水蒸氣透過率的影響

水蒸氣透過率可以反映明膠膜的阻隔性能。水蒸氣透過率越低,膜的阻水性能越好,越有利于食品保鮮。KOH 溶液濃度對明膠膜水蒸氣透過率的影響見圖4。由圖4可知,隨著KOH 溶液濃度增加,明膠膜的水蒸氣透過率從0.45 下降到0.26 g·mm·(h·m2·kPa)-1,在KOH 溶液濃度達(dá)到0.7 mol·L-1及以上時,水蒸氣透過率達(dá)到平衡,表明膜的阻水性能逐漸增大后趨于穩(wěn)定,原因可能是隨著堿濃度增加到0.7 mol·L-1時,明膠的羥基、氨基和羧基等親水基團(tuán)暴露出來,相互交聯(lián)形成了致密的空間結(jié)構(gòu),導(dǎo)致水蒸氣滲透速率緩慢[24]。

圖4 KOH 溶液濃度對明膠膜水蒸氣透過率的影響Fig. 4 Effects of KOH concentration on the WVP of gelatin films

2.5 不同濃度KOH 溶液預(yù)處理對魚皮明膠膜含水量和水溶性的影響

作為可降解性的食品包裝,含水量較低表示對食品的保鮮效果較好,水溶性較高則具有好的降解效率。KOH 溶液濃度對明膠膜水溶性和含水量的影響見圖5。

圖5 KOH 溶液濃度對明膠膜水溶性和含水量的影響Fig. 5 Effects of KOH concentration on the water-solubility and water content of gelatin films

由圖5可以看出,當(dāng)KOH 溶液濃度在0.4～0.7 mol·L-1時,明膠膜的水溶性和含水量均隨其濃度的增大而增大,在0.7 mol·L-1達(dá)到最高值,原因可能是隨著堿濃度的增加,分子間作用力破壞,親水基團(tuán)進(jìn)一步暴露出來,使明膠膜的含水量增加,并且明膠膜的溶解速率也加快[25]。當(dāng)KOH 濃度繼續(xù)增加到0.9 mol·L-1時,明膠膜形成了較為致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),其含水量、水溶性以及水蒸氣透過率并無顯著差異[26]。

2.6 不同濃度KOH 溶液預(yù)處理對魚皮明膠膜機(jī)械性能的影響

作為食品包裝,明膠膜必須具有良好的機(jī)械強(qiáng)度,以便于食品的貯藏和運(yùn)輸。明膠膜的機(jī)械性能可通過拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率表征,二者分別表示膜的力學(xué)強(qiáng)度和柔韌性[27]。KOH 溶液濃度對明膠膜的斷裂伸長率和拉伸強(qiáng)度的影響見圖6。

圖6 KOH 溶液濃度對明膠膜的斷裂伸長率和拉伸強(qiáng)度的影響Fig. 6 Effects of KOH concentration on the EAB and TS of gelatin films

由圖6可知,隨著KOH 溶液濃度的增大,明膠膜的拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)先降低后升高逐漸趨于平緩。原因可能是當(dāng)KOH 溶液濃度從0.4上升到0.6 mol·L-1時,明膠肽鏈間破壞程度逐漸增大,相應(yīng)地分子間作用減弱;隨著堿濃度繼續(xù)增加到0.9 mol·L-1,肽鏈進(jìn)一步暴露出來,氨基、羧基和羥基等基團(tuán)相互之間發(fā)生交聯(lián),形成致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度穩(wěn)定。而明膠膜的斷裂伸長率卻表現(xiàn)先升高后降低的趨勢。當(dāng)KOH 溶液濃度為0.4～0.7 mol·L-1時,明膠肽鏈間的破壞導(dǎo)致短肽鏈增加,一定拉力下更容易下滑,所以斷裂伸長率升高[28];當(dāng)KOH濃度繼續(xù)增加到0.9 mol·L-1時,致密的空間結(jié)構(gòu)能使與水分子結(jié)合能力減弱,可由明膠膜的含水量證實,導(dǎo)致斷裂伸長率逐漸減小[29]。

2.7 不同濃度KOH 溶液預(yù)處理對魚皮明膠膜微觀結(jié)構(gòu)的影響

明膠膜的微觀形態(tài)可以通過SEM 來表征。不同濃度KOH 溶液預(yù)處理制得明膠膜表面和橫斷面的結(jié)構(gòu)如圖7所示。當(dāng)堿濃度較低(0.4～0.6 mol·L-1)時,明膠膜表面比較粗糙,未呈現(xiàn)較好的均一性、致密性和光滑性。當(dāng)KOH 溶液濃度增加到0.7～0.9 mol·L-1時,明膠膜的表面光滑致密,原因是隨著KOH 溶液濃度的增加,明膠暴露的交聯(lián)基團(tuán)增加,分子間交聯(lián)作用增強(qiáng),明膠膜的有序性增加,導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)致密光滑。同時可以觀察到所有明膠膜的橫斷面未出現(xiàn)明顯斷裂和空隙,橫截面上的紋理是由液氮淬斷而形成的。

圖7 KOH 溶液濃度對明膠膜表面和橫截面微觀結(jié)構(gòu)的影響Fig. 7 Effects of KOH concentration on the microstructure of surface and cross-section of gelatin films

2.8 不同濃度KOH 溶液預(yù)處理對魚皮明膠膜FTIR的影響

明膠膜的特征峰主要包括酰胺A、酰胺B 和酰胺Ⅰ～Ⅲ(圖8),這與RAWDKUEN等[30]的研究結(jié)果類似。魚皮經(jīng)不同濃度堿液預(yù)處理后,所得明膠膜FT-IR 的變化主要表現(xiàn)在酰胺A 和酰胺Ⅰ譜帶。一般來說,酰胺A 是由N—H 鍵的伸縮振動產(chǎn)生的,其位置在3 400～3 440 cm-1,當(dāng)存在參與氫鍵形成的N—H 肽段時,酰胺A 譜帶向低波數(shù)移動[22]。隨著KOH 溶液濃度由0.4增加到0.8 mol·L-1時,酰胺A 的波數(shù)從3 307.31 cm-1下降到3 293.56 cm-1,表明明膠膜的氫鍵作用增強(qiáng),原因可能是隨著KOH 溶液濃度升高,對魚皮破壞增加,使得明膠基團(tuán)暴露出來,相互之間形成氫鍵;當(dāng)KOH 溶液濃度繼續(xù)增加到0.9 mol·L-1時,酰胺A 帶波數(shù)又增加到3 307.56 cm-1,表明分子間氫鍵作用減弱,這是由于較高濃度的堿液對明膠結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重導(dǎo)致的[21]。酰胺Ⅰ帶是由C=O 伸縮振動產(chǎn)生的[14],其變化也表現(xiàn)類似趨勢。

圖8 KOH 溶液濃度對明膠膜紅外光譜的影響Fig. 8 Effects of KOH concentration on the FT-IR of gelatin film

2.9 不同濃度KOH 溶液預(yù)處理對魚皮明膠膜XRD的影響

KOH 溶液濃度對明膠膜XRD 的影響見圖9。不同濃度KOH 溶液預(yù)處理魚皮后,所得明膠膜均出現(xiàn)2個峰,分別位于7.5°和20.1°,這與SAHRAEE等[19]研究結(jié)果一致。其中7.5°附近的衍射峰比較尖銳,主要是由明膠的結(jié)晶區(qū)產(chǎn)生;20.1°附近為寬且大的饅頭峰,為明膠的無定形結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。當(dāng)KOH 溶液濃度由0.4 mol·L-1增加到0.8 mol·L-1時,7.5°附近的衍射峰不僅強(qiáng)度增大,而且越來越尖銳,表明明膠膜結(jié)晶區(qū)增加,原因可能是隨著KOH 溶液濃度的增加,明膠的氨基、羧基和羥基等交聯(lián)基團(tuán)逐漸暴露出來,相互之間發(fā)生交聯(lián),從而導(dǎo)致膜的有序性增加,結(jié)合FT-IR 結(jié)果推測明膠膜結(jié)晶區(qū)的增加可能與氫鍵作用的增強(qiáng)有關(guān)。當(dāng)KOH溶液濃度繼續(xù)增大到0.9 mol·L-1時,由于溶液濃度過大,明膠結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重,導(dǎo)致明膠膜結(jié)構(gòu)不規(guī)整,無定形部分增加[24],從而表現(xiàn)該衍射的強(qiáng)度和尖銳度均下降。

圖9 KOH 溶液濃度對明膠膜XRD的影響Fig. 9 Effect of KOH concentration on the XRD of gelatin film

3 結(jié)論

不同濃度KOH 溶液預(yù)處理對羅非魚皮明膠膜的性能具有顯著影響。當(dāng)用0.7 mol·L-1的KOH 溶液預(yù)處理魚皮12 h后,所得明膠膜表現(xiàn)較好的感官、阻隔性能和機(jī)械性能,同時膜的結(jié)構(gòu)比較致密光滑。由此可見在明膠制備過程中,優(yōu)化堿液預(yù)處理參數(shù)是提高明膠膜品質(zhì)和性能的有效途徑,在下一步研究中將繼續(xù)探討明膠制備條件對魚皮明膠膜性能的影響。