热处理温度对明胶-魔芋粉复合膜性质的影响

徐叶琼，翁武银,2,*

（1.集美大学食品与生物工程学院，福建 厦门 361021；2.厦门市海洋功能食品重点实验室，福建 厦门 361021）

由于塑料包装膜不易降解，会给生态环境造成严重污染，因此可食性/可降解性包装膜的开发已经成为研究热点。可食性包装膜主要是利用人体能消化的天然高分子物质为原料，成膜高分子通过相互作用形成具有一定机械性能、结构致密的薄膜[1]。蛋白可食膜不仅机械性能好，而且氧气阻隔性能也比多糖可食膜、脂类可食膜优越[2]。其中，鱼类明胶蛋白原料资源丰富、生物相容性和安全性高，且成膜性能好，是蛋白可食膜中研究最广泛的材料之一[3]。然而，鱼类明胶蛋白富含亲水性氨基酸，利用其制备的明胶膜容易吸湿，耐水性能差[4]，结果导致明胶膜在潮湿环境下的应用受到限制。因此，有必要提高明胶膜的耐水性能，进而扩大明胶膜的使用范围。

蛋白可食膜的耐水性能可以通过化学交联、酶交联、不同材料复合以及物理改性等方法进行改良。通过添加戊二醛或双醛淀粉可以使明胶蛋白相互之间发生交联，结果使明胶膜的固形物溶解率和蛋白溶解率都降低40%左右，可有效地改善明胶膜的耐水性能[5-6]。然而，添加戊二醛和双醛淀粉等交联剂使明胶膜具有潜在的食品安全风险，明胶可食膜在应用中也将会受到限制。有研究表明，添加谷氨酰胺转氨酶可以显着提高明胶膜的耐水性能[7]，但调制明胶成膜溶液时温度一般都超过60 ℃，容易使酶失活。也有研究报道魔芋粉通过添加明胶可以使魔芋葡甘聚糖分子与明胶分子的极性基团发生相互作用，减少亲水基团，进而降低魔芋粉膜的吸水率[8]。而且，魔芋葡甘聚糖在碱性、高温条件下会形成热不可逆凝胶[9]，明胶膜经热处理后还可以促进蛋白分子间的疏水相互作用，进而提高膜的耐水性能[10]。有关研究表明，热处理不仅可以提高小麦面筋蛋白膜[11]和大豆蛋白膜[12]的阻水性和耐水性，而且热处理也可以提高大豆分离蛋白-谷朊粉复合膜的耐水性能[13]。然而，有关热处理对明胶-魔芋粉复合膜性质影响的研究却鲜见报道。

因此，本研究在明胶膜上涂布魔芋粉成膜液，通过干燥制备明胶-魔芋粉双层复合膜，探究热处理温度对复合膜的耐水性能、表面疏水性、阻水性和热稳定性等性质的影响，以期获得具有良好耐水性能的可食性包装膜。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

鱼鳞明胶由集美大学食品与生物工程学院水产品加工研究室提供；魔芋粉 湖北强森魔芋科技有限公司；碳酸钠、三羟甲基氨基甲烷 国药集团化学试剂有限公司；十二烷基硫酸钠（sodium dodecyl sulphate，SDS）、丙烯酰胺 美国Bio-Rad公司；标准蛋白美国Thermo Fisher公司。

1.2 仪器与设备

UM113搅拌脱泡机 日本Unix公司；DHG-9070A电热鼓风干燥箱 上海精宏实验设备有限公司；UV-2600A紫外-可见分光光度计 上海元析仪器有限公司；WSC-S测色色差仪 上海精密科学仪器有限公司；Q-2000差示扫描量热仪 美国TA公司；S-4800扫描电子显微镜 日本东京日立制造所；SDC-200光学接触角测量仪 东莞市晟鼎精密仪器有限公司；TA-XT Plus质构仪 英国Stable Micro Systems公司。

1.3 方法

1.3.1 明胶-魔芋粉复合膜的制备与热处理

参考翁武银等[4]报道的方法稍作修改。首先，明胶经过常温溶胀、60 ℃溶解后，将其调配成质量分数2%，添加明胶质量20%的甘油，通过脱泡后，将调制好的明胶成膜液（4 g）均匀地涂在5 cmh5 cm的有机硅树脂框内，放在25 ℃、相对湿度为50%的恒温恒湿箱中干燥24 h，制备成明胶膜。接着，再将魔芋粉通过70 ℃溶胀，利用碳酸钠溶液将魔芋粉溶液的pH值调至10，添加魔芋粉质量20%的甘油，将魔芋粉成膜液的最终质量分数调配为1%，将调配、脱泡好的魔芋粉成膜溶液（4 g）均匀地涂在5 cmh5 cm明胶膜上，再放入恒温恒湿箱中干燥24 h，制备成明胶-魔芋粉复合膜。最后，为了考察热处理温度对明胶-魔芋粉复合膜的影响，将获得的复合膜分别在70、80、90 ℃和100 ℃下加热处理1 h。以上获得的各种复合膜再放入恒温恒湿箱（温度（25f1）℃、相对湿度（50f5）%）中平衡48 h，作为实验测试样品。

1.3.2 膜溶解率和蛋白溶解率的测定

精确称取一定质量的复合膜置于含有10 mL蒸馏水的锥形瓶中，分别在30 ℃温水条件下保温振荡24 h和90 ℃热水条件下保温振荡0.5 h后，取出未溶解的复合膜放在105 ℃下干燥至恒质量。复合膜的膜溶解率（film solubility，FS）即为溶解的复合膜干质量占初始复合膜干质量的百分比，而复合膜的蛋白溶解率（protein solubility，PS）为溶解在水中的蛋白质量占复合膜初始蛋白质量的百分比。其中，溶解在水中的蛋白组分利用SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳（polyacrylamide gel electrophoresis，PAGE）进行分析。

1.3.3 机械性能的测定

膜的抗拉伸强度（tensile strength，TS）和断裂伸长率（elongation at break，EAB）参照翁武银等[4]报道的方法进行测定和计算。复合膜切成宽20 mm、长45 mm，用厚度仪测定厚度后，利用质构仪进行拉伸实验，其中初始间隔为30 mm，拉伸速率1 mm/s。

1.3.4 SDS-PAGE测定

SDS-PAGE根据Laemmli[14]的方法进行测定，采用质量分数4%的浓缩胶和质量分数6%的分离胶，经10 mA电流电泳后，先用考马斯亮蓝R-250染色液染色，再用脱色液脱色至背景完全透明为止。其中，复合膜先利用蛋白变性可溶性液（8 mol/L尿素-2% SDS-20 mmol/L Tris-HCl，pH 8.8）溶解，再将溶出的蛋白配成蛋白质量浓度为1 mg/mL的电泳样品。

1.3.5 接触角的测定

参照Manrich等[15]报道的方法，用注射器将2 μL的蒸馏水垂直滴在水平放置的膜表面上，用接触角测量仪测定水在复合膜明胶侧和魔芋粉侧的接触角。

1.3.6 色泽和透明度的测定

膜的色泽利用WSC-S测色色差仪进行测定，表征的参数有L*值（黑-白）、a*值（绿-红）及b*值（蓝-黄）。其中白板的参数为L*＝91.86、a*＝－0.88、b*＝1.42。

膜的透明度（T）根据Hoque等[16]的方法利用紫外-可见分光光度计进行测定，按公式（1）进行计算。透明度越低表示膜越透明。

式中：T600nm为膜在600 nm波长处的透光率；x为膜的厚度/mm。

1.3.7 水蒸气透过率的测定

复合膜的水蒸气透过率（water vapor permeability，WVP）根据Limpisophon等[17]报道的方法进行测定。取一定量的干燥硅胶装在瓶口内直径为2.2 cm的聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）瓶中，并用5 cmh5 cm的复合膜密封PET瓶口，然后将PET瓶置于底部装有蒸馏水、温度为30 ℃的玻璃干燥器中，每间隔1 h测定PET瓶的质量。复合膜的WVP按公式（2）进行计算。

式中：t为测定时间/s；Δm为t时间内PET瓶质量变化量/g；δ为膜的厚度/m；A为PET瓶口表面积/m2；P2－P1为瓶内外的水蒸气压差/Pa。

1.3.8 横断面微观结构分析

根据参考文献[18]报道的方法稍作修改。取适量表面平整且洁净的复合膜，用液氮冷脆断裂处理后，裁取合适大小的膜样品在真空干燥箱中充分干燥，将干燥的复合膜样品的横断面镀金后利用扫描电子显微镜对复合膜横断面的微观结构进行观察，电子束的加速电压为5 kV。

1.3.9 玻璃化转变温度的测定

利用差示扫描量热仪测定复合膜样品的玻璃化转变温度（glass transition temperature，Tg），使用金属铟对仪器进行校准。复合膜在室温下真空干燥一周后，准确称取5～10 mg干燥的样品置于坩埚中并密封，以空坩埚作为参比，以10 ℃/min的升温速率在－20～200 ℃范围内扫描后，快速降温至－20 ℃后再以相同的升温程序进行第二次扫描。复合膜的Tg根据第二次扫描曲线的拐点进行确定。

1.4 数据统计与分析

数据采用SPSS Statistics 17.0软件进行单因素方差分析，显着性检测方法为Duncan多重检验，P＜0.05表示差异显着。

2 结果与分析

2.1 热处理温度对复合膜耐水性能的影响

表1 热处理温度对明胶-魔芋粉复合膜FS和PS的影响Table1 Effect of thermal treatment temperature on FS and PS of gelatin-konjac fl our composite fi lms

膜的溶解性可以作为衡量可食膜耐水性能程度的重要指标之一[10]，因此对复合膜的FS和PS进行测定，结果如表1所示。未经热处理的复合膜在30 ℃下的FS和PS分别为45.62%和28.83%，明显低于报道的罗非鱼皮明胶膜（FS＝73.95%、PS＝87.07%）[6]。另一方面，有报道表明魔芋葡甘聚糖膜在常温下的FS已经超过70%[19]。这些结果表明了明胶与魔芋粉组成的复合膜可以改良膜的耐水性能。由表1还可以发现，复合膜在30 ℃下的FS和PS伴随热处理温度的升高而逐渐降低。有研究报道热处理可以增强明胶蛋白疏水相互作用，从而提高膜的耐水性能[10]，且在碱性加热条件下魔芋粉中葡甘聚糖会发生脱乙酰反应，形成热不可逆凝胶[9]。因此，热处理可以提高明胶与魔芋粉复合膜的耐水性能。类似的变化趋势也在复合膜90 ℃下的耐水性能中观察到，而膜在90 ℃下的FS和PS均比30 ℃高，表明复合膜内部形成的网络结构在热水中容易遭到破坏，这与Kato等[20]的研究结果一致。值得的注意的是，复合膜在30 ℃下浸泡24 h后，任一温度下热处理的复合膜其FS都比PS高，而在90 ℃下浸泡0.5 h后膜的FS都与PS接近。这可能是长时间的水浸泡促使包裹在明胶蛋白分子与魔芋葡甘聚糖分子形成的空间网络结构中的小分子逐渐释放出来，表明明胶-魔芋粉复合膜在常温下可以作为一种缓释材料进行应用[21]。

2.2 热处理温度对复合膜机械性能的影响

表2 热处理温度对明胶-魔芋粉复合膜机械性能的影响Table2 Effect of thermal treatment temperature on mechanical properties of gelatin-konjac fl our composite fi lms

表2显示了热处理温度对复合膜TS和EAB的影响。未经热处理的复合膜其TS高达52.88 MPa，高于报道的罗非鱼鱼鳞明胶膜（TS＝44.97 MPa）[10]，表明明胶膜与魔芋粉膜复合后可以提高抗拉伸性能。然而，复合膜的TS经热处理后出现下降，而且随着热处理温度的升高逐渐下降。另一方面，未经热处理的复合膜其EAB与报道的鱼鳞明胶膜（EAB＝38.71%）[10]接近，表明明胶膜与魔芋粉膜复合后不会影响延伸性能。热处理对复合膜EAB的影响类似于TS。

2.3 SDS-PAGE分析

图1 不同溶解条件下溶出蛋白的SDS-PAGE图谱Fig.1 SDS-PAGE patterns of dissolved proteins under different conditions

尿素和SDS可以切断蛋白分子间的氢键、破坏疏水相互作用[22]。溶解在可溶性溶液（8 mol/L尿素和质量分数2% SDS）中复合膜的SDS-PAGE结果如图1所示，复合膜中蛋白主要由α1（120 kDa）、α2（110 kDa）、β（230 kDa）肽链以及无法进入分离胶的高分子等具有明胶特征的蛋白组分组成。根据30 ℃温水溶出蛋白的SDS-PAGE结果，发现伴随着膜热处理温度的提高，β、α1和α2条带浓度出现明显下降，而80 kDa和50 kDa附近的条带浓度逐渐增加。这表明提高热处理温度可以促进复合膜β、α1和α2肽链参与交联，结果使交联的肽链在30 ℃温水中不容易溶出。另一方面，90 ℃热水溶出的蛋白组分与可溶性液溶解的蛋白组分基本一致，说明复合膜内部交联形成的大分子在90 ℃热水下也容易溶出，结果导致膜的耐水性能下降（表1）。

2.4 热处理温度对复合膜接触角的影响

表3 热处理温度对明胶-魔芋粉复合膜接触角的影响Table3 Effect of thermal treatment temperature on contact angle of gelatin-konjac fl our composite fi lms

通常，接触角大于90°为疏水性材料，接触角小于90°为亲水性材料[23]。由表3可以看出，在未经热处理的复合膜中，明胶侧的接触角大于90°，而魔芋粉侧的接触角却小于90°。这可能是膜液在干燥过程中亲水物质随着水分子的蒸发向上层移动，结果导致魔芋粉侧的接触角小于明胶侧[18]。然而，不管在复合膜的哪一侧，膜的接触角经热处理后都出现上升的趋势，表明热处理提高了复合膜的表面疏水性。这主要是因为在热处理过程中，内部疏水基团伴随复合膜表面水分迅速蒸发逐渐暴露出来[24]，而且也促进了蛋白分子之间、多糖分子之间亲水基团的相互作用，结果导致膜表面的疏水性（表3）和膜的耐水性能（表1）均得到增强。因此，耐水性能改良的复合膜可适用于较高湿度的环境中，可以扩大明胶可食膜的应用范围。

2.5 热处理温度对复合膜色泽和透明度的影响

表4 热处理温度对明胶-魔芋粉复合膜色泽和透明度的影响Table4 Effect of thermal treatment temperature on color and transparency of gelatin-konjac fl our composite fi lms

包装膜的色泽和透明度在一定程度上会影响消费者对包装食品的购买欲[25]。与白板（L*＝91.86、a*＝－0.88、b*＝1.42）比较，复合膜的L*值与a*值均较低，而b*值明显较高（表4），制备的复合膜在外观上呈现微黄色。复合膜经热处理后，随着热处理温度的升高，膜的L*值与a*值都略有下降，而b*值明显上升，表明膜的

色泽逐渐变黄。魔芋葡甘聚糖是由葡萄糖和甘露糖按质量比1∶1.7～1∶1.5通过β-1,4糖苷键聚合而成的，具有一定的还原性[26]。明胶蛋白分子中的氨基与魔芋葡甘聚糖分子中的羰基在加热的条件下会发生美拉德反应[27]，结果导致复合膜在热处理中色泽逐渐变黄。另一方面，复合膜的透明度为3.26，但随着热处理温度的升高略有增加（表4）。有研究报道，明胶膜添加了壳聚糖后其透明度出现一定程度的增加，可能是明胶与壳聚糖之间生成了阴离子/阳离子多聚物的缘故[28]。因此，在接触面中明胶蛋白分子与魔芋多糖分子之间的相互作用随着热处理温度升高而增强，形成更多的阴离子/阳离子多聚物，使膜的透明度增加。

2.6 热处理温度对复合膜WVP的影响

图2 热处理温度对复合膜WVP的影响Fig.2 Effect of thermal treatment temperature on water vapor permeability of gelatin-konjac fl our composite fi lms

WVP是衡量食品包装材料品质的一项重要指标[29]。如图2所示，未经热处理的复合膜的W V P为0.95h10－10g/（mgsgPa），略低于鱼鳞明胶膜[30]和鱼皮明胶膜[4]。据报道，在魔芋多糖-壳聚糖-大豆分离蛋白共混膜中添加大豆蛋白后，可以降低多糖分子间的氢键作用，进而降低膜的WVP[31]。因此，在本研究中复合膜在接触部分明胶蛋白分子与魔芋多糖分子之间也可能通过降低氢键作用，进而提高明胶膜的阻水性；而且热处理可能会促进明胶蛋白分子与魔芋多糖分子之间的交联，进而提高膜的致密性和阻水性能。而且，由于热处理提高了膜的表面疏水性，结果使水分子不易被膜吸附，进而降低了复合膜的WVP。然而，热处理温度对膜的WVP却没有发现显着的影响。

2.7 热处理温度对复合膜微观结构的影响

图3 热处理温度对复合膜横断面微观结构的影响Fig.3 Effect of thermal treatment temperature on cross-sectional microstructure of gelatin-konjac fl our composite fi lms

为进一步探究明胶魔芋粉复合膜的内部结构，利用扫描电子显微镜对复合膜样品横断面的微观结构进行观察，结果如图3所示。在未经热处理的复合膜横断面上，可清晰地观察到魔芋粉层与明胶层的分界线。然而，伴随着热处理温度的升高，两种组分之间的分界线逐渐模糊甚至消失，表明热处理可以促进魔芋粉与明胶在接触部分互相渗透。这些融合的魔芋多糖和蛋白随着热处理温度的升高通过相互作用逐渐聚集，从而提高复合膜的耐水性能（表1）。然而，复合膜中的均匀网状结构可能在热处理过程中遭到破坏，结果导致膜的TS和EAB均出现不同程度的下降（表2）。

2.8 热处理温度对复合膜热稳定性的影响

图4 热处理温度对复合膜玻璃化转变温度的影响Fig.4 Effect of thermal treatment temperature on glass transition temperature of gelatin-konjac fl our composite fi lms

Tg通常可以用来表征膜的热稳定性[32]，其值越大说明膜的热稳定性越好。复合膜的Tg结果如图4所示，未经热处理的复合膜其Tg为81.21 ℃，经热处理后，复合膜的Tg出现明显上升，而且伴随热处理温度升高，膜的Tg出现进一步增加的趋势。魔芋葡甘聚糖分子链上的乙酰基团随着热处理温度的升高逐渐脱除，形成热不可逆凝胶[9]；而明胶蛋白在热处理过中逐渐变性，有利于促进明胶蛋白分子间共价和非共价的相互作用，进而提高膜的稳定性[10]。而且，脱乙酰魔芋葡甘聚糖的羟基、葡萄糖残基和甘露糖残基与蛋白残基容易发生交联[33]。因此，提高热处理温度不仅可以增强复合膜的耐水性能（表1），还可以提高复合膜的热稳定性。

有研究表明，pH 10的魔芋葡甘聚糖溶液在干燥成膜中，魔芋葡甘聚糖分子将脱去乙酰基团，通过氢键形成有序、致密的三维网状结构，降低膜的溶解性[34]。Li Bei等[35]利用魔芋葡甘聚糖和明胶通过共混制备可食膜，然而由于未调整成膜溶液的pH值，虽然共混后可以提高膜的机械性能，但膜的耐水性能反而下降。本研究通过制备复合双层膜，再利用加热方式使魔芋粉与明胶互相渗透融合，这样不仅使膜的最终pH值下降，还可以增强耐水性能（表1），然而机械性能却下降（表2）。

3 结 论

利用明胶和魔芋粉成功制备明胶-魔芋粉双层复合膜。复合膜的耐水性能随着热处理温度的升高逐渐增强，膜的表面疏水性和水蒸气透过性经过热处理后均出现下降。经过热处理，复合膜的色泽逐渐变黄且透明度略微降低。而且，复合膜的明胶层与魔芋粉层的分界线随着热处理温度的升高逐渐模糊并消失，表明明胶蛋白与魔芋多糖相互渗透融合，复合膜的热稳定性逐渐得到提高。研究结果表明，明胶-魔芋粉复合膜通过改变热处理温度可以改变膜的耐水性、水蒸气阻隔性能和热稳定性，使复合膜可以在不同食品包装领域中得到应用。