柑橘皮/殼聚糖復(fù)合膜制備及性能研究

王俊杰,冉露霞,朱楨梔,劉鵬,成臣,2,朱博,2*

1(贛南師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,江西 贛州,341000)2(國家臍橙工程技術(shù)研究中心,江西 贛州,341004)

柑橘加工過程中,產(chǎn)生大量的廢棄物如果皮、果渣和種子,這些廢棄物目前未被高價值利用,大多數(shù)被填埋或造粒用作動物飼料[1]。中國是柑橘屬植物的重要起源中心之一,擁有豐富的種質(zhì)資源和種植面積[2]。江西省是中國主要的臍橙、馬家柚和南豐蜜桔產(chǎn)區(qū)之一,隨著近年栽種面積逐漸擴大,限制其加工工業(yè)發(fā)展的皮渣處理問題亟待解決。近年來,開發(fā)生物基包裝薄膜作為替代環(huán)保材料,以減少合成和使用石油基塑料帶來的健康和環(huán)境問題受到越來越多的關(guān)注[3]。柑橘皮渣含有豐富的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和果膠[4],用作生物基材料具有巨大潛力。李見森等[5]通過單因素及正交試驗利用柳橙皮干粉制備有較好力學(xué)性能和阻隔性能的可降解復(fù)合膜。MERINO等[6]將柑橘皮酸水解后與聚二甲基硅氧烷共混制得復(fù)合膜。柑橘廢料生產(chǎn)的生物薄膜具有作為食品包裝材料的潛力,這促進了資源的循環(huán)利用,可以作為有效利用柑橘廢棄物的優(yōu)選方案[7]。殼聚糖是自然界中廣泛存在的高分子化合物,具有抗菌性、可降解性和成膜性[8]。關(guān)于柑橘皮與殼聚糖混合制備復(fù)合膜的研究較少,本試驗通過響應(yīng)面探究臍橙皮/殼聚糖膜力學(xué)性能較佳時各組分的配比。使用傅里葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)和掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)對殼聚糖膜、臍橙皮復(fù)合膜、馬家柚皮復(fù)合膜和南豐蜜桔皮復(fù)合膜進行表征,并探究薄膜的水蒸氣滲透性、光阻隔能力和抗氧化能力。為臍橙皮、南豐蜜桔皮、馬家柚果皮資源化利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

紐荷爾臍橙,國家臍橙工程技術(shù)研究中心;南豐蜜桔,江西博君生態(tài)農(nóng)業(yè)有限公司;馬家柚,上饒市農(nóng)墾實業(yè)集團有限公司。

1.2 試驗試劑

殼聚糖(脫乙酰度90%),上海麥克林生化科技股份有限公司;ABTS、2,4,6-三吡啶基三嗪(2,4,6-tripyridin-2-yl-1,3,5-triazine,TPTZ)、DPPH、福林酚試劑、沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)品,國藥集團化學(xué)試劑有限公司;NaOH、無水乙醇、無水乙酸鈉、FeCl3等(分析純),西隴科學(xué)股份有限公司。

1.3 儀器與設(shè)備

AH1500高壓均質(zhì)機,安拓思納米技術(shù)有限公司;電熱鼓風(fēng)干燥箱,上海博迅實業(yè)有限公司;萬能試驗機,美國INSTRON公司;紫外可見光分光光度計,北京普析通用儀器有限責(zé)任公司;傅里葉變換紅外光譜儀,珀金埃爾默儀器有限公司;Quanta 450掃描電子顯微鏡,美國FEI公司。

1.4 實驗方法

1.4.1 柑橘皮/殼聚糖復(fù)合膜制備

柑橘剝皮,果皮清洗干凈,置于水浴鍋80 ℃滅酶30 min,鼓風(fēng)干燥箱60 ℃干燥12 h,隨后使用粉碎機粉碎,過100目篩收集柑橘皮粉末待用。

按膜液總質(zhì)量計將適量殼聚糖溶解于體積分?jǐn)?shù)1%乙酸溶液中,磁力攪拌器攪拌至完全溶解得殼聚糖溶液。同樣,將適量柑橘皮粉末和甘油分散于蒸餾水中。隨后,將等量的殼聚糖溶液和柑橘皮粉末懸浮液混合倒入高壓均質(zhì)機在40 MPa壓力下均質(zhì)4次。最后將膜液25 g倒入方形培養(yǎng)皿(12 cm×12 cm)中,40 ℃鼓風(fēng)干燥箱中干燥12 h。所得樣品置于25 ℃,相對濕度55%的恒溫恒濕箱中。

1.4.2 柑橘皮復(fù)合膜力學(xué)性能測定

使用電子萬能試驗機測定薄膜的拉伸強度和斷裂伸長率,將薄膜裁成矩形(2 cm×8 cm),夾緊距離設(shè)置為40 mm,以15 mm/min拉伸速度進行測試。

1.4.3 單因素試驗

以臍橙皮為代表進行單因素和響應(yīng)面試驗優(yōu)化,選定臍橙皮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(2%、3%、4%、5%、6%)、殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%)和甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0%、1%、2%、3%、4%)3個因素進行單因素試驗,考察各單因素水平對柑橘皮復(fù)合膜拉伸強度和斷裂伸長率的影響,以確定相關(guān)條件。

1.4.4 響應(yīng)面試驗設(shè)計

結(jié)合單因素試驗結(jié)果,運用響應(yīng)面分析法中的中心組合試驗設(shè)計(center composite design, CCD),以柑橘皮復(fù)合膜拉伸強度和斷裂伸長率為響應(yīng)值設(shè)計響應(yīng)面試驗,響應(yīng)面試驗各因素水平見表1。

表1 中心組合試驗因素與水平Table 1 Control factors and levels of independent variables used in the central composite design

以響應(yīng)面優(yōu)化后的配方分別制備臍橙皮復(fù)合膜、馬家柚皮復(fù)合膜和南豐蜜桔皮復(fù)合膜,并進行以下性能測定。

1.4.5 柑橘膜厚度、含水率、水溶性測定

使用數(shù)顯測厚儀隨機測定薄膜5個位置取平均值,以確定每種薄膜厚度。

薄膜樣品先稱重(m1),然后在105 ℃下干燥24 h,再稱重(m2),含水率計算如公式(1)所示。

薄膜樣品先在105 ℃下干燥至恒重,稱重(m1),室溫下將其置于蒸餾水中振蕩24 h,隨后再在105 ℃干燥至恒重,稱重(m2),水溶性計算如公式(2)所示。

1.4.6 復(fù)合膜結(jié)構(gòu)表征

用液氮將樣品淬斷得到樣品截面,使用掃描電子顯微鏡在20 kV電壓下掃描薄膜橫截面;將樣品破碎均勻,用KBr壓片法,通過FTIR儀在500～4 000 cm-1掃描樣品的FTIR光譜。

1.4.7 復(fù)合膜阻隔性能測定

將薄膜(1 cm×4 cm)置于石英比色皿中,通過紫外可見分光光度計在200～800 nm進行透射率掃描評估薄膜光學(xué)特性。

參考文獻[9]并略有修改,將薄膜包裹在裝有干燥硅膠的玻璃小瓶口并密封。所有玻璃小瓶放置在恒溫恒濕培養(yǎng)箱(25 ℃,相對濕度68%)中,每12 h稱重1次,持續(xù)72 h。柑橘皮復(fù)合膜的水蒸氣滲透性(water vapor permeability, WVP)的計算如公式(3)所示。

式中:Δm,測試玻璃瓶重量變化,g;x,膜厚,mm;S,有效面積,m2;ΔP,薄膜兩側(cè)水蒸氣壓差,2 154.92 Pa;t,間隔時間,s。

1.4.8 復(fù)合膜抗氧化能力測定

參考文獻[9]的方法測定殼聚糖膜和柑橘皮復(fù)合膜在兩種模擬食物環(huán)境(體積分?jǐn)?shù)10%和95%乙醇,下同)對自由基清除效果和鐵離子還原能力。將200 mg薄膜分別置于10%和95%乙醇溶液(20 mL)的錐形瓶中,25 ℃ 100 r/min下振蕩3 h后對提取液進行抗氧化和還原能力測定。

DPPH自由基清除能力測定:取1 mL提取液和1 mL DPPH溶液(0.2 mmol/L)混合均勻,暗處反應(yīng)30 min,在517 nm處測定吸光值,分別用1 mL 10%和95%乙醇代替提取液與1 mL DPPH溶液混合均勻做對照,其計算如公式(4)所示。

ABTS陽離子自由基清除能力測定:取0.1 mL柑橘皮復(fù)合膜提取液與2 mL ABTS工作液混合均勻后靜置6 min,在734 nm處測定其吸光值,分別用0.1 mL 10%和95%乙醇代替提取液與2 mL ABTS工作液混合均勻做對照,其計算如公式(5)所示。

(5)

鐵離子還原能力測定(ferric reducing antioxidant power, FRAP):取1 mL樣品提取液加入2 mL FRAP工作液混合均勻后避光反應(yīng)15 min,在593 nm測吸光度。用不同濃度FeSO4溶液代替樣品做標(biāo)準(zhǔn)曲線,y=5.250 7x+0.079 6,R2=0.999 2。

1.5 統(tǒng)計分析

使用Design-Expert 12.0進行響應(yīng)面試驗設(shè)計,SPSS 22.0進行差異顯著性分析,通過OriginPro 2021進行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果分析

由圖1-a可知,當(dāng)殼聚糖和甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變,臍橙皮質(zhì)量分?jǐn)?shù)由2%增至6%時,所制得柑橘皮復(fù)合膜拉伸強度和斷裂伸長率均先升高后降低,且均在臍橙皮含量為5%時較高。適量的柑橘皮加入薄膜可以增加殼聚糖間相互作用使其結(jié)構(gòu)更加致密,提高薄膜拉伸強度[10],柑橘皮中多糖還具有增塑作用,可增加薄膜的斷裂伸長率。隨著柑橘皮含量繼續(xù)增大,團聚和微孔出現(xiàn)增多,降低聚合物分子間的作用力[11],從而導(dǎo)致薄膜拉伸強度和斷裂伸長率降低。選擇臍橙皮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%進行下一步響應(yīng)面試驗。

如圖1-b所示,隨殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.4%增至1.0%,臍橙皮復(fù)合膜拉伸強度和斷裂伸長率逐漸增大,較高的聚合物濃度,導(dǎo)致交聯(lián)點增加,增強分子鏈的纏結(jié)程度,提高柑橘皮復(fù)合膜的力學(xué)性能。選擇殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%進行下一步響應(yīng)面試驗。

a-臍橙皮;b-殼聚糖;c-甘油圖1 臍橙皮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)和甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)對拉伸強度和斷裂伸長率的影響Fig.1 Effects of peel content, chitosan content and glycerol content on tensile strength and elongation at break

由圖1-c可知,隨著甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,臍橙皮復(fù)合膜拉伸強度呈下降趨勢,斷裂伸長率呈上升趨勢。甘油是應(yīng)用廣泛的塑化劑,可以減小殼聚糖基薄膜的剛度和脆性[12],增大其斷裂伸長率。當(dāng)甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過膜液質(zhì)量2%時,所制得薄膜樣品出現(xiàn)甘油析出現(xiàn)象,選擇甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%進行下一步響應(yīng)面試驗。

2.2 響應(yīng)面試驗結(jié)果

2.2.1 響應(yīng)面試驗設(shè)計與結(jié)果

在單因素試驗的基礎(chǔ)上,以拉伸強度(Y1)和斷裂伸長率(Y2)為響應(yīng)值,進行響應(yīng)面中心組合試驗優(yōu)化,試驗設(shè)計及結(jié)果見表2。

表2 中心組合試驗設(shè)計與結(jié)果Table 2 Experimental design and results of the central composite design

續(xù)表2

2.2.2 模型方程的建立及顯著性分析

運用Design-Expert 12軟件進行多元回歸擬合,剔除不顯著參數(shù)后得到的模型方程如下。

Y1=14.51+2.45x1-4.41x2-1.20x3-1.47x1x3-1.78x12-1.94x32

Y2=19.73+4.91x2-2.37x3-4.20x12-2.68x22-2.14x32

式中:x1、x2和x3,分別代表殼聚糖、甘油和臍橙皮質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

表3 回歸方程方差分析表Table 3 Analysis results of regression and variance

2.2.3 驗證試驗

以最大拉伸強度和斷裂伸長率為目標(biāo),通過Design-Expert 12.0軟件分析得到臍橙皮復(fù)合膜最優(yōu)條件為殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.119%、臍橙皮質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.074%、甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.929%,預(yù)測得到的拉伸強度為15.94 MPa,斷裂生長率為19.21%。結(jié)合實際條件,臍橙皮復(fù)合膜配方調(diào)整為殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.10%、臍橙皮質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.10%、甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.90%,進行5次試驗,拉伸強度為(15.76±0.66) MPa,斷裂伸長率為(19.23±1.52)%。拉伸強度試驗值與預(yù)測值相對誤差為3.40%,斷裂伸長率試驗值與預(yù)測值相對誤差為5.01%,說明該響應(yīng)面模型較為可靠且能較好優(yōu)化臍橙皮復(fù)合膜力學(xué)性能。

2.3 柑橘皮復(fù)合膜厚度、含水率、溶解度和力學(xué)性能分析

如表4所示,與殼聚糖膜相比,3種柑橘皮復(fù)合膜成膜溶液的固體含量更多使柑橘皮復(fù)合膜厚度和溶解度顯著增加(P<0.05),柑橘皮復(fù)合膜之間厚度和溶解度差異不顯著(P>0.05)。柑橘皮復(fù)合膜水分含量在16.59%～20.78%,顯著低于殼聚糖膜(P<0.05),可能是殼聚糖膜的水分子被柑橘皮顆粒所取代,或者是柑橘皮的存在改變了殼聚糖膜內(nèi)聚合物網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),從而降低其鎖水能力[14]。

生物基復(fù)合膜的力學(xué)性能是其開發(fā)運用于不同場景的關(guān)鍵參數(shù),良好的抗拉強度和斷裂伸長率是生物薄膜優(yōu)化的主要方向。與純殼聚糖膜相比,柑橘皮復(fù)合膜抗拉強度均顯著增大,斷裂伸長率顯著減少(P<0.05),如前文所述,適量的柑橘皮加入薄膜可以增加基體間相互作用使結(jié)構(gòu)致密從而提高抗拉強度。不同柑橘皮復(fù)合膜之間,抗拉程度和斷裂伸長率存在顯著差異(P<0.05)。臍橙皮復(fù)合膜具有較好的抗拉強度和最大的斷裂伸長率,馬家柚皮復(fù)合膜抗拉強度最大,斷裂伸長率最小,南豐蜜桔皮復(fù)合膜的抗拉強度和斷裂伸長率均表現(xiàn)較弱。本研究中的柑橘皮復(fù)合膜配方根據(jù)臍橙皮優(yōu)化而來,不同品種柑橘皮的物質(zhì)組成與含量不同[15],根據(jù)不同柑橘品種進行配方優(yōu)化,才能制備力學(xué)性能較好的柑橘皮復(fù)合膜。

表4 柑橘皮復(fù)合膜的厚度、含水率、溶解度、 拉伸強度、斷裂伸長率Table 4 Thickness, moisture content, solubility, tensile strength and elongation at break of citrus peel composite films

2.4 柑橘皮復(fù)合膜SEM和FTIR分析

如圖2所示,所制備的殼聚糖膜截面形貌粗糙且不連續(xù),臍橙皮和馬家柚皮制備的復(fù)合膜截面整體呈現(xiàn)連續(xù)、致密的形態(tài),而南豐蜜桔皮復(fù)合膜出現(xiàn)空洞,其連續(xù)性和致密性均弱于臍橙皮復(fù)合膜和馬家柚皮復(fù)合膜。由于殼聚糖具有水不溶性[16],而殼聚糖膜和南豐蜜桔皮復(fù)合膜含水率較高,水分子增大聚合物間的空隙使得殼聚糖膜和南豐蜜桔皮復(fù)合膜的截面微觀形態(tài)出現(xiàn)明顯的空洞。以殼聚糖膜為對照,柑橘皮在橫截面上沒有聚集,沒有出現(xiàn)明顯微相分離的跡象,說明柑橘皮粉末均勻分散在薄膜中,這與WU等[17]制備的柚皮粉/茶多酚復(fù)合膜橫截面形貌研究一致。

a-殼聚糖膜;b-臍橙皮復(fù)合膜;c-南豐蜜桔皮復(fù)合膜;d-馬家柚皮復(fù)合膜圖2 復(fù)合膜膜橫截面的SEM圖Fig.2 SEM image of cross section of composite films

圖3 柑橘皮、殼聚糖膜和柑橘復(fù)合膜FT-IR圖譜Fig.3 FT-IR spectra of citrus peels, chitosan film and citrus composite films

2.5 柑橘皮復(fù)合膜阻隔性能分析

如圖4所示,是柑橘皮復(fù)合膜和殼聚糖膜在波長200～800 nm的光透射率情況。食品中的氧化反應(yīng)速率通常因紫外線的照射而加快,薄膜在特定波長范圍內(nèi)選擇性吸收或散射光波有助于保護光敏化合物免受光降解[23]。在紫外光區(qū)域(200～380 nm),殼聚糖膜透光率最高可達75%,而柑橘皮復(fù)合膜的光透射率接近于0%,具有良好的抗紫外線功能。由于柑橘皮中黃酮類化合物具有吸收光的芳香環(huán)[24],纖維素等能夠反射和折射光,影響光的通過,從而導(dǎo)致透光率的降低。在可見光范圍(400～800 nm)柑橘皮復(fù)合膜光透射率也較低,均在10%以下,可能會對觀察包裝產(chǎn)品的外觀造成干擾。

圖4 柑橘皮復(fù)合膜的透光率Fig.4 Light transmittance of citrus peel composite films

圖5是柑橘皮復(fù)合膜水蒸氣滲透性情況。WVP是評價食品包裝薄膜綜合性能的重要指標(biāo)之一,可以影響包裝產(chǎn)品的保質(zhì)期。一般而言,薄膜水蒸氣滲透性越低,用于食品包裝越有利[25]。殼聚糖的WVP為0.66×10-10g/(s·m·Pa),3種柑橘皮復(fù)合膜的WVP在2.75×10-10～3.12×10-10g/(s·m·Pa),遠(yuǎn)低于MATHEUS等[26]使用柿子、果膠和甘油制成的抗菌膜1.60×10-9～1.84×10-9g/(s·m·Pa),而稍高于JRIDI等[27]制備的橙皮果膠可食膜1.54×10-10～2.05×10-10g/(s·m·Pa)。WVP受薄膜的微觀結(jié)構(gòu)、厚度、濕度以及溶解度等多種因素的影響[28],本研究中殼聚糖膜的WVP顯著低于柑橘皮復(fù)合膜(P<0.05),可能是添加柑橘皮的復(fù)合膜在水中溶解度增大,使得WVP升高。南豐蜜桔皮復(fù)合膜的WVP顯著高于其他兩種柑橘皮復(fù)合膜(P<0.05),可能是由于南豐蜜桔皮復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)致密性和連續(xù)性相對較差。

圖5 柑橘皮復(fù)合膜的水蒸氣滲透性Fig.5 Water vapor permeability of citrus peel composite films 注:不同小寫字母代表差異顯著,P<0.05(下同)。

2.6 柑橘皮復(fù)合膜抗氧化能力分析

根據(jù)GB 31604.1—2015《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品接觸材料及制品遷移試驗通則》,10%乙醇溶液作為乙醇含量小于10%的食品或不含乙醇的非酸性食品的首選模擬物,95%乙醇溶液可以作為油脂類食品模擬物。

圖6反映殼聚糖膜和柑橘皮復(fù)合膜在2種食品模擬物中清除DPPH自由基和ABTS陽離子自由基的能力以及鐵離子還原能力。結(jié)果表明,殼聚糖膜在模擬環(huán)境中不能清除DPPH和ABTS陽離子自由基,在10%乙醇中有較弱的鐵離子還原能力。黃宸等[29]研究表明殼聚糖膜有較弱的DPPH自由基清除能力,與本研究有所差異,可能與本試驗所用殼聚糖濃度較低有關(guān)。果皮富含酚類化合物等天然抗氧化劑,可以用作活性成分或合成防腐劑的替代品[30]。NURHANANI等[31]通過測定添加石榴、木瓜和波羅蜜果皮的明膠/聚乙烯雙層活性膜對DPPH和ABTS陽離子自由基的清除能力,證明果皮粉末的加入使薄膜具有良好的抗氧化潛力,與本研究結(jié)果一致。柑橘皮復(fù)合膜在10%乙醇溶液中對2種自由基的清除能力和鐵離子還原能力均高于在95%乙醇溶液。這可能與溶劑的極性有關(guān),乙醇濃度越低極性越大,水分子容易滲透到薄膜中,促使活性物質(zhì)釋放[32]。不同柑橘皮復(fù)合膜的抗氧化活性存在差異,與其余2種柑橘膜相比,馬家柚皮復(fù)合膜在兩種模擬環(huán)境中的抗氧化能力顯著增強(P<0.05),說明其在延緩食品氧化變質(zhì),保持食品穩(wěn)定性中具有更大潛力。柑橘皮的抗氧化活性與其酚類物質(zhì)、萜類化合物和檸檬苦素等生物活性物質(zhì)有關(guān)[33],要了解不同柑橘皮復(fù)合膜的抗氧化能力差異,有待進一步研究柑橘皮復(fù)合膜中生物活性物質(zhì)的成分以及其在食品模擬物中的釋放情況。

a-DPPH自由基清除能力;b-ABTS陽離子自由基清除能力;c-鐵離子還原能力圖6 柑橘皮復(fù)合膜的DPPH自由基和ABTS陽離子自由基清除能力以及鐵離子還原能力Fig.6 DPPH and ABTS free radical scavenging ability and Iron ion reduction ability of citrus peel composite films

3 結(jié)論

通過響應(yīng)面試驗同時優(yōu)化拉伸強度和斷裂伸長率得到臍橙皮/殼聚糖復(fù)合膜力學(xué)性能較佳的配方,即1.10%殼聚糖,4.10%臍橙皮,0.90%甘油。優(yōu)化后復(fù)合膜拉伸強度為15.76 MPa,斷裂伸長率為19.23%。本文還對臍橙、南豐蜜桔和馬家柚3種柑橘果皮制備的復(fù)合膜進行表征,表明柑橘皮均勻分散在薄膜結(jié)構(gòu)中,與殼聚糖具有良好的混溶性,兩者可能通過氫鍵進行結(jié)合。與殼聚糖膜相比,柑橘皮/殼聚糖復(fù)合膜在紫外光區(qū)和可見光區(qū)的光透射率顯著降低,具有良好的抗光氧化功能。此外,在食品模擬物中柑橘皮復(fù)合膜表現(xiàn)出較好的抗氧化和還原能力,具有延緩食品氧化變質(zhì)的潛力。綜上所述,柑橘皮與殼聚糖能夠加工成具有一定力學(xué)性能、良好光阻隔性和抗氧化能力的生物基復(fù)合薄膜,符合當(dāng)前綠色環(huán)保包裝需要,為臍橙皮、南豐蜜桔皮和馬家柚皮資源化利用提供參考。