果膠-纖維素-兒茶素可食復(fù)合膜的制備及性能

林珺琰，陳建福，費(fèi)鵬

（1.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 食品工程學(xué)院，福建 漳州 363000；2.閩南師范大學(xué) 生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建 漳州 363000）

以石油基聚合物為主要原料的合成材料因價(jià)格低、機(jī)械強(qiáng)度高、熱密封性及阻隔性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于食品包裝等行業(yè)[1]。然而，合成材料因其不可降解性，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染[2]。近年來，隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，尋找天然高分子化合物替代傳統(tǒng)合成材料制備“綠色包裝”已成為一種發(fā)展趨勢[3-4]。

多糖是一種環(huán)保的天然高分子材料，具有良好的生物降解性，且價(jià)格低廉、無毒[5]。多糖基薄膜（如淀粉、殼聚糖、纖維素等）具有良好的透明度，能較好地控制油脂、氧氣或其他氣體的滲透。然而，與人工合成的復(fù)合材料相比，單一多糖制備的薄膜，其親水性和機(jī)械性能往往較弱[6-7]。因此，可選擇兩種或兩種以上的天然大分子制備復(fù)合膜，通過分子間相互作用形成致密結(jié)構(gòu)，提高膜的整體性能，滿足不同食品包裝的需求[8-9]。

果膠是一種陰離子性多糖，廣泛存在于綠色植物細(xì)胞中，并具有良好的成膜性能，可作為薄膜基底材料[10]。然而，純果膠膜的機(jī)械強(qiáng)度較低、透水性較高，限制其在包裝行業(yè)的應(yīng)用[11]。因此，果膠常與不同的大分子共混制備復(fù)合膜，以提高薄膜性能。Chaichi 等[12]研究發(fā)現(xiàn)，利用納米晶纖維素增強(qiáng)的可食性果膠膜具有較高的防水性能，可作為高強(qiáng)度、生物可降解、可再生食品包裝的良好候選材料。Gao 等[13]以果膠、殼聚糖和茶多酚為原料，通過鈣離子交聯(lián)成功制備了一種新型多糖膜，具有良好的保鮮性能。纖維素是一種豐富的天然高分子資源，是由兩個(gè)無水葡萄糖環(huán)[（C6H10O5）n]通過β-1，4 糖苷鍵共價(jià)連接而成的線性大分子，已被廣泛應(yīng)用于生物可降解薄膜的制備[14]。Mohammadalinejhad 等[15]基于羧甲基纖維素制備的可食用薄膜可作為食品包裝中益生菌菌株的合適載體。?e?lija 等[16]制備的羧甲基纖維素改性的果膠基薄膜，與純果膠薄膜相比，其機(jī)械性能有所提高。

兒茶素是從天然植物中提取的一種酚類活性物質(zhì)，具有抗菌、抗氧化等作用[17-18]，被認(rèn)為是一種具有重要商業(yè)價(jià)值的功能性成分，在食品中具有較好的應(yīng)用前景。研究發(fā)現(xiàn)，兒茶素的加入能夠提高薄膜的抗氧化性[19]。Jiang 等[20]用兒茶素/β-環(huán)糊精復(fù)合納米顆粒制備了玉米醇溶蛋白復(fù)合膜，發(fā)現(xiàn)復(fù)合膜的機(jī)械性能和阻隔性能得到了顯著提高，并且具有良好的抗氧化活性。

本研究采用果膠、纖維素與兒茶素共混制備復(fù)合膜，研究不同用量的兒茶素對復(fù)合膜力學(xué)性能、透光率、水蒸氣透過率和抗氧化性能的影響，并利用傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR）和掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM）對薄膜進(jìn)行表征，研究兒茶素濃度對薄膜結(jié)構(gòu)和微觀形貌的影響，以期獲得一種具有抗氧化活性的食品包裝復(fù)合膜。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

果膠（來源于柑橘，半乳糖醛酸含量≥74%）：上海阿拉丁生化科技股份有限公司；α-纖維素（粒徑25 μm）：上海麥克林生化科技股份有限公司；兒茶素（食品級(jí)）：廣東康達(dá)生物科技有限公司；甘油、乙醇、鹽酸、氫氧化鈉、氯化鈣（均為分析純）：西隴科學(xué)股份有限公司；2，2’-二苯基-1-苦基肼（2，2’-diphenyl-1-picrylhydrazyl，DPPH）、磷酸緩沖鹽溶液（phosphate buffered saline，PBS）：上海源葉生物科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

紫外可見分光光度計(jì)（T9）：北京普析通用儀器有限公司；質(zhì)構(gòu)儀（CT3-10K）：美國博勒飛公司；傅里葉變換紅外光譜儀（NICOLET iS 10）：美國賽默飛世爾公司；掃描電子顯微鏡（JSM-6010LA）：日本電子株式會(huì)社。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 果膠-纖維素-兒茶素可食復(fù)合膜的制備

參考Ye 等[21]的方法，采用流延法制備果膠-纖維素-兒茶素可食復(fù)合膜。將乙醇濕潤的果膠粉溶于去離子水中，在室溫下攪拌20 min，使果膠完全溶解，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)4% 的果膠溶液。同時(shí)，將纖維素粉末以質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%比例溶于去離子水中，室溫?cái)嚢?0 min，使其分散均勻，加入甘油作為增塑劑。將一定質(zhì)量的兒茶素粉末加入到纖維素溶液中進(jìn)行磁力攪拌（兒茶素的濃度以果膠-纖維素的質(zhì)量為基準(zhǔn)）。將兒茶素添加量為0%、3%、6%、9%、12%的樣品，分別標(biāo)記為PC0、PC3、PC6、PC9 和PC12。將等體積的果膠溶液（與纖維素溶液相比）加入到纖維素-兒茶素混合溶液中，不斷攪拌，超聲去除氣泡后，得到果膠-纖維素-兒茶素復(fù)合膜溶液。最后，量取復(fù)合膜溶液20 mL，注入圓形塑料平皿中（直徑9 cm），流延均勻后在40 ℃恒溫干燥箱中干燥24 h，形成果膠-纖維素-兒茶素可食復(fù)合膜，揭膜后保存于自封袋中。

1.3.2 復(fù)合膜厚度的測定

復(fù)合膜的厚度采用電子數(shù)顯千分尺（精度為0.001 mm）進(jìn)行測量，每張復(fù)合膜取6 個(gè)不同位置，測厚度后取平均值。

1.3.3 復(fù)合膜紫外光譜及透光性的測定

參考Chen 等[22]的方法，采用紫外可見分光光度計(jì)分析復(fù)合膜的透光性。將復(fù)合膜切為矩形，貼于比色皿表面，以空比色皿作為空白對照。用紫外可見分光光度計(jì)在波長200～800 nm 內(nèi)測定吸光度，間接表示膜的透光性。

1.3.4 復(fù)合膜水蒸氣透過率的測定

參照GB/T 1037—2021《塑料薄膜與薄片水蒸氣透過性能測定杯式增重與減重法》測定復(fù)合膜的水蒸氣透過率（water vapor permeation，WVP）。將復(fù)合膜切割成矩形，用于密封直徑為3.2 cm 的稱量瓶（稱量瓶內(nèi)放置三分之一厚度的無水氯化鈣作為干燥劑），稱量其質(zhì)量并記錄。然后將稱量瓶放置于25 ℃，相對濕度70%的環(huán)境中，每隔1 h 測量1 次稱量瓶的質(zhì)量。每次測量均使用3 個(gè)重復(fù)樣本。根據(jù)公式計(jì)算水蒸氣透過率（W，g/cm2）。

式中：△m 為樣品質(zhì)量的變化，g；A 為復(fù)合膜的有效面積（稱量瓶口面積），cm2。

1.3.5 復(fù)合膜機(jī)械性能的測定

參考Ye 等[21]的方法，采用配備TA-RT-LIT 探針的質(zhì)構(gòu)儀對復(fù)合膜的力學(xué)性能進(jìn)行表征。采用4 mm×50 mm 啞鈴刀將復(fù)合膜切成啞鈴型，將復(fù)合膜樣品夾入質(zhì)構(gòu)儀夾具中進(jìn)行測試，初始距離為50 mm，拉伸速度為0.5 mm/s。每一種膜重復(fù)測定6 個(gè)樣品。根據(jù)下述公式計(jì)算復(fù)合膜拉伸強(qiáng)度（σT，MPa）。

式中：P 為復(fù)合膜的最大載荷，N；b 為復(fù)合膜的寬度，mm；d 為復(fù)合膜的厚度，mm。

1.3.6 復(fù)合膜抗氧化活性的測定

采用DPPH 法，利用紫外可見分光光度計(jì)測定復(fù)合膜的抗氧化活性。準(zhǔn)確稱取一定量的DPPH，加入80 mL 無水乙醇，配成0.1 mmol /L 的DPPH-無水乙醇溶液。分別量取4 mL pH7.4 的PBS 和4 mL 的0.1 mmol/L DPPH-無水乙醇溶液于10 mL 的離心管中，將復(fù)合膜裁成35 mm×15 mm 的樣條置于離心管中，25 ℃恒溫振蕩搖勻，避光反應(yīng)0.5 h，在517 nm 測定吸光度，DPPH自由基的清除率（k，%）的計(jì)算公式如下。

式中：A0為純DPPH 溶液的吸光度；A1為復(fù)合膜溶液的吸光度。

1.3.7 復(fù)合膜紅外光譜的測定

將復(fù)合膜制成1 cm×1 cm 的樣品，在50 °C 的烘箱中放置24 h 后，采用傅里葉紅外光譜儀進(jìn)行測定，掃描32 次，波長范圍為4 000～400 cm-1，分辨率為1 cm-1。

1.3.8 復(fù)合膜微觀結(jié)構(gòu)的測定

對干燥復(fù)合膜樣品的表面和斷裂部分進(jìn)行噴金處理，后采用掃描電鏡進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用DPSv7.05 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用單因素的Duncan's 多重比較法進(jìn)行方差分析，p＜0.05，試驗(yàn)重復(fù)3 次。

2 結(jié)果與分析

2.1 兒茶素用量對可食復(fù)合膜透光性的影響

透光率是表征復(fù)合膜光學(xué)性能的重要指標(biāo)之一，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 兒茶素用量對可食復(fù)合膜透光性的影響Fig.1 Effect of catechin concentration on the light transmittance of edible composite films

由圖1 可知，在可見光波長范圍（400～800 nm）內(nèi)，隨著兒茶素用量的增加，復(fù)合膜的透光率逐漸降低。當(dāng)波長為400 nm 時(shí)，PC0 的透光率為50%，而PC12的透光率低于20%。與Lei 等[23]和Wang 等[24]的研究結(jié)果類似。這是因?yàn)閮翰杷厍度氲綇?fù)合膜基質(zhì)的分子間隙，阻礙了光的透射，使得復(fù)合膜的透光率降低[23]，從而影響到包裝內(nèi)容物的可視性，有利于光敏性較差食物的包裝應(yīng)用。

2.2 兒茶素用量對可食復(fù)合膜的水蒸氣滲透性的影響

食品包裝材料的主要作用之一是減少食品水分流失，延長食品保質(zhì)期，因此包裝膜的水蒸氣透過率（WVP）應(yīng)盡可能降低。兒茶素用量對果膠-纖維素可食復(fù)合膜水蒸氣透過率的影響如圖2 所示。

圖2 兒茶素用量對可食復(fù)合膜的水蒸氣滲透性的影響Fig.2 Effect of catechin concentration on WVP of edible composite films

由圖2 可知，隨著兒茶素用量的增加，復(fù)合膜的水蒸氣透過率先增大后減小。未添加兒茶素的果膠-纖維素復(fù)合膜WVP 為13.7 g/cm2。當(dāng)添加3%兒茶素時(shí)，果膠-纖維素-兒茶素復(fù)合膜的WVP 為14.17 g/cm2。這可能因?yàn)樵谳^低的兒茶素濃度下，兒茶素填充于果膠和纖維素分子間，增大了分子間的間隙，使水分子更容易通過，在一定程度上提高了復(fù)合膜的水蒸氣透過率[21]。但當(dāng)兒茶素添加量繼續(xù)增加時(shí)，復(fù)合膜的水蒸氣透過率下降，改善了復(fù)合膜透水性高的缺點(diǎn)。這是因?yàn)橐欢ㄓ昧康膬翰杷貢?huì)加強(qiáng)兒茶素與果膠和纖維素之間的氫鍵作用，使兒茶素與復(fù)合膜中果膠、纖維素分子的多鏈結(jié)構(gòu)結(jié)合，阻隔膜外的水分子，降低復(fù)合膜的WVP[25-26]。

2.3 兒茶素用量對可食復(fù)合膜力學(xué)性能的影響

力學(xué)性能是評(píng)價(jià)包裝膜材料機(jī)械性能的一個(gè)重要指標(biāo)，復(fù)合膜的機(jī)械強(qiáng)度與各組分的相互作用有關(guān)[27]，兒茶素用量對可食復(fù)合膜力學(xué)性能的影響結(jié)果如圖3 所示。

圖3 兒茶素用量對可食復(fù)合膜力學(xué)性能的影響Fig.3 Effects of catechin concentration on mechanical properties of edible composite films

由圖3 可知，未添加兒茶素的復(fù)合膜在拉伸強(qiáng)度為（6.74±0.21）MPa、拉伸模量為（1.37±0.08）GPa 時(shí)發(fā)生斷裂。添加3%兒茶素時(shí)，復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度提高至（8.39±0.18）MPa，當(dāng)兒茶素用量繼續(xù)增加至12%時(shí)，拉伸強(qiáng)度下降至（5.24±0.09）MPa。這是因?yàn)閮翰杷胤肿优c果膠、纖維素分子中的羥基結(jié)合，形成氫鍵，填補(bǔ)了果膠和纖維素分子之間的空隙，提高了果膠和纖維素分子之間的相容性，導(dǎo)致膜的拉伸強(qiáng)度上升[28]。而當(dāng)兒茶素用量進(jìn)一步增加時(shí)，過量的兒茶素積聚，破壞了果膠與纖維素之間的交聯(lián)，導(dǎo)致復(fù)合膜結(jié)構(gòu)不均勻，拉伸強(qiáng)度下降。同時(shí)，隨著兒茶素用量的增加，可食復(fù)合膜的拉伸模量逐漸下降至（0.67±0.04）GPa，這是因?yàn)楣z通過凝膠作用為可食復(fù)合膜提供延展性，而隨著兒茶素用量的增加，果膠濃度降低，導(dǎo)致復(fù)合膜的拉伸模量下降。

2.4 兒茶素用量對可食復(fù)合膜抗氧化活性的影響

DPPH 自由基清除能力可以作為評(píng)價(jià)包裝膜的抗氧化能力的指標(biāo)，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 兒茶素用量對可食復(fù)合膜抗氧化活性的影響Fig.4 Effects of catechin concentration on antioxidant activities of edible composite films

由圖4 可知，未添加兒茶素的果膠-纖維素復(fù)合膜的DPPH 自由基清除率僅為2.17%，表明可食復(fù)合膜幾乎沒有抗氧化能力。添加兒茶素后，復(fù)合膜的DPPH自由基清除率顯著提高（p＜0.05）。隨著兒茶素用量從3%增加到12%時(shí)，可食復(fù)合膜的DPPH 自由基清除率從25.18%增加到87.31%。這是因?yàn)閮翰杷亟Y(jié)構(gòu)中含有大量酚羥基，可以有效地向自由基貢獻(xiàn)氫原子，從而阻斷鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，起到抗氧化作用[29]。因此，添加兒茶素可以提高復(fù)合膜的抗氧化能力，未來可用于水果、蔬菜、肉類等食品的包裝，以保持食品的質(zhì)量和安全。

2.5 可食復(fù)合膜的FTIR 分析

利用傅立葉變換紅外光譜，研究了在復(fù)合膜中添加兒茶素對果膠和纖維素分子相互作用的影響。添加不同用量兒茶素的復(fù)合膜的FTIR 光譜如圖5 所示。

圖5 可食復(fù)合膜的紅外光譜圖Fig.5 FTIR spectra of edible composite films

由圖5 可知，果膠-纖維素復(fù)合膜在3 306 cm-1附近出現(xiàn)了較寬的吸收帶，這是由分子間或分子內(nèi)的O—H 拉伸導(dǎo)致的[22，30]。2 942 cm-1處為甲基的C—H 振動(dòng)，1 739 cm-1和1 648 cm-1處分別為C O 伸縮振動(dòng)和C O 伸縮振動(dòng)[13，31-32]。1 146 cm-1和1 099 cm-1處的吸收峰是由果膠分子中的R—O—R 和C—C 鍵引起的[33]。與果膠-纖維素復(fù)合膜相比，添加兒茶素后復(fù)合膜沒有產(chǎn)生新的特征峰，這表明復(fù)合膜中沒有形成新的共價(jià)鍵，因此分子間的相互作用更可能是物理交聯(lián)[22]。另外添加兒茶素后，隨著兒茶素濃度的增加，復(fù)合膜部分吸收峰發(fā)生偏移，其中3 306 cm-1處的譜帶逐漸向較低的波數(shù)偏移，表明了添加的兒茶素與果膠、纖維素分子形成了新的氫鍵，具有良好的相容性[23]。

2.6 可食復(fù)合膜SEM 分析

通過掃描電鏡觀察復(fù)合膜的微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 可食復(fù)合膜的表面和截面的掃描電鏡圖Fig.6 SEM images of surface and cross section of edible composite films

由圖6 可知，未添加兒茶素的果膠-纖維素復(fù)合膜（PC0），表面較為光滑緊致，而添加兒茶素后，復(fù)合膜表面變得粗糙（圖6B～圖6E）。這是因?yàn)閮翰杷嘏c果膠、纖維素表面的多鏈物質(zhì)結(jié)合，逐漸形成不規(guī)則形狀的小顆粒，附著在復(fù)合膜表面所致[13]。然而與未添加兒茶素的復(fù)合膜（PC0）相比，果膠-纖維素-兒茶素可食復(fù)合膜的橫截面均呈現(xiàn)疏松結(jié)構(gòu)，且結(jié)構(gòu)較為均勻穩(wěn)定并未出現(xiàn)相分離現(xiàn)象，表明兒茶素與果膠、纖維素之間具有高相容性。

3 結(jié)論

以果膠-纖維素作為基底材料，添加兒茶素制備可食復(fù)合膜，研究兒茶素用量對果膠-纖維素-兒茶素可食復(fù)合膜的透光率、水蒸氣透過率、拉伸強(qiáng)度、拉伸模量和DPPH 自由基清除能力的影響。結(jié)果表明，兒茶素與果膠、纖維素分子之間發(fā)生了相互作用，填補(bǔ)復(fù)合膜分子之間的空隙，降低了復(fù)合膜的水蒸氣透過率及透光率，并且在一定范圍內(nèi)提高了復(fù)合膜的力學(xué)性能。此外，抗氧化試驗(yàn)結(jié)果表明，添加兒茶素可顯著提高復(fù)合膜的抗氧化活性。綜合考慮，兒茶素添加量為3%～9%的果膠-纖維素-兒茶素可食復(fù)合膜在食品活性包裝行業(yè)具有良好的應(yīng)用潛力。