明膠60Co-γ輻照滅菌過程中的水分和氧氣效應

耿勝榮，鉏曉艷，李 新，廖 濤，熊光權（湖北省農業科學院農產品加工與核農技術研究所，湖北省農產品輻照加工中心，湖北武漢430064）

明膠60Co-γ輻照滅菌過程中的水分和氧氣效應

耿勝榮，鉏曉艷，李 新，廖 濤，熊光權*
（湖北省農業科學院農產品加工與核農技術研究所，湖北省農產品輻照加工中心，湖北武漢430064）

將含水量0%～80%的明膠分別采用透氣和真空包裝，并經60Co-γ輻射8kGy后，測定輻照前后特性粘度、凝膠強度、拉伸參數的變化，并采用掃描電鏡（SEM）、差示掃描量熱儀（DSC）表征了材料的結構，研究水分和氧氣對明膠輻照交聯的影響。結果表明，隨著明膠輻照滅菌時水分含量的增加，特性黏度和凝膠強度持續下降；SEM圖樣品表面形貌由顆粒狀轉變為多層網絡結構；DSC熱流圖中熔膠峰由28℃左右的單峰轉變20℃和40℃左右的雙峰，凝膠峰溫升高；明膠膜的斷裂伸長率隨含水量的增加而下降，其變化范圍為142.33%～343.5%；真空包裝明膠輻照后交聯程度比透氣包裝嚴重。結論：水分含量與明膠輻射交聯呈正效應，而氧氣與輻射交聯呈負效應。控制水分含量和有氧輻照可減少輻照滅菌過程中的交聯導致的明膠品質下降的問題。

輻照，明膠，水分，氧氣，交聯

明膠是從動物皮、骨、肌腱等加工副產物中提取出來的一種水解膠原蛋白，理化性質優良，廣泛應用在工業和食品[1]方面。明膠具有生物相容性、生物降解性和低的抗原性，在外科手術上用作假肢的膠劑、粘接劑和吸液墊，在膠囊、微球和納米粒子、組織修復上作為藥物緩控系統[2-3]。然而，明膠分子的氧化交聯嚴重影響明膠制品的品質[4]，其中水分和氧氣是明膠品質重要的影響因素。

輻照是一種物理冷殺菌技術，目前在明膠原材料、明膠空心膠囊和藥物膠囊的滅菌方面應用已十分廣泛。據統計，我國藥、食用明膠產量約20萬噸，以5萬元/噸計算，其產值為100億元。但是輻照過程中常常產生負效應，如明膠粘度下降、膠囊脆性增加等，繼而影響明膠制品的品質，而水分和氧氣是影響輻射效應的重要因素。本研究以豬皮明膠為材料，采用常用滅菌劑量（8kGy）動態60Co-γ輻照不同含水量明膠，研究水分含量和氧氣對明膠輻照后品質的影響，為建立明膠輻射殺菌更科學合理的工藝奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

明膠 國藥集團，化學純。

60Co輻照源 設計裝源容量1.85×1016Bq，現有放射性活度5.84×1015Bq；Quanta 200掃描電鏡 荷蘭FEI公司；DSC200F3示差掃描量熱儀 德國Netzsch公司；TA-XTPlus質構儀 英國SMS公司；實驗機 深圳市瑞格爾儀器有限公司；50mL稀釋型烏氏粘度計等。

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗設計 對照組：共2個處理：0%含水量透氣包裝和0%含水量真空包裝，分別作為輻照組的透氣包裝處理和真空包裝處理的對照。對照組不進行輻照處理。輻照組：共16個處理：8種不同含水量的明膠分別采用真空包裝和透氣包裝后，60Co輻照8kGy。8種不同含水量分別為：0%、4.64%、8.64%、18.22%、33%、50%、66%和80%。

1.2.2 不同含水量明膠樣品的制備及輻照處理 明膠在MgCl2、NH4NO3、KNO3的過飽和溶液環境中平衡48h后，相對含水量分別為4.64%、8.64%、18.22%。采取明膠與水不同比例直接快速混合的方式獲得含水量為33%、50%、66%和80%的明膠。將明膠在50℃鼓風烘干至恒重，得到了含水量0%的樣品。所有水分含量的明膠均分成2份，分別以透氣和真空包裝。輻照組采用動態輻照8kGy，硫酸亞鐵劑量計跟蹤劑量。輻照后所有樣品均干燥至恒重，干燥器中保存待用。

1.2.3 指標測定 特性粘度：參考文獻[5]的方法。凝膠強度：在文獻[6]的方法。熔化溫度及膠凝溫度：參考文獻[7]的方法。斷裂強度和斷裂伸長率：采用流延法制膜。表面形貌分析：參照文獻[8]方法。

1.3 數據處理

所有指標重復三次，結果以平均值±標準差表示。結構分析取最好效果圖表示。

2 結果與分析

2.1 水分和氧氣對輻射明膠粘度和凝膠強度的影響

未輻照的透氣和真空包裝明膠的特性粘度分別為51.90、50.58mL/g，而輻照的0%含水量的透氣和真空包裝明膠的特性粘度分別為47.12、56.80mL/g（圖1a）。兩種包裝明膠的特性粘度均呈先升后降的趨勢。真空包裝明顯高于透氣包裝。當含水量高于70%，由于交聯嚴重，溶解部分很少，無法測定真空包裝的特性粘度。由圖1b可知，當含水量低于20%時，二者相近，當含水量在20%～80%時，透氣包裝的凝膠強度明顯高于真空包裝的。未輻照0%含水量透氣和真空包裝明膠凝膠強度分別為593.5、596.9g，而輻照的0%含水量兩種包裝的凝膠強度分別為550.5、548.2g。

蛋白質在輻照時會發生包括脫氨基、脫羧基、硫氫鍵斷裂等降解反應，當條件改變時，又會以縮聚和交聯反應為主[9-11]。本文研究結果與文獻報道一致。當含水量為0%時，輻照分解帶來明膠粘度和凝膠強度下降，但交聯反應極少。

圖1 不同水分含量對輻照明膠粘度（a）和凝膠強度（b）的影響Fig.1 Effect of water content on intrinsic viscosity and gel strength of irradiation gelatin

2.2 水分和氧氣對輻射明膠熱學性能的影響

圖2a、圖2b為明膠DSC熱流圖。縱坐標表示熱流速度（mW/mg）和溫度，橫坐標為時間。紅色曲線表示溫度與時間的變化曲線，反映儀器的溫度程序。藍色曲線表示熱流速度與時間的變化曲線。藍色曲線的向上峰為吸熱熔融峰，向下峰為放熱凝膠峰。通過程序自帶軟件積分峰面積和峰溫搜索，得到相應的熱焓值和熔化溫度、凝膠溫度，見圖2c。

圖2a和圖2b分別為含水量8.64%和66%真空包裝明膠DSC熱流圖，在橫坐標5min處可見有向上峰。當輻照明膠的含水量從8.64%增加至66%時，凝膠熔融峰會由單峰變為雙峰，熔化升溫峰由原先的28℃左右的單峰，轉變為雙峰，峰溫在27℃和35℃左右（圖2c）。

相對含水量為0%時，未輻照明膠膠凝溫度為41.9℃，輻照后透氣和真空包裝分別為41.8、43.3℃（圖2d）。當含水量低于20%時，透氣包裝和真空包裝的凝膠溫度相近，當含水量在20%～50%時，真空包裝明顯大于透氣包裝。當含水量在50%～80%之間，真空包裝低于透氣包裝，二者差距減小。

2.3 水分和氧氣對輻射明膠膜力學性能的影響

相對含水量為0%時，未輻照明膠膜斷裂伸長率為360.10%，輻照后透氣與真空包裝明膠膜分別為327.95%和343.5%，見圖3a。輻照后明膠膜斷裂伸長率隨明膠含水量的增加呈下降趨勢，在含水量低于18.22%階段的下降幅度較大，此后變平緩。透氣和真空包裝曲線趨勢一致，在含水量8.64%～50%范圍，二者差距最大。當含水量達到80%時，透氣和真空包裝明膠斷裂伸長率分別為155.5%和142.33%。

相對含水量為0%時，未輻照明膠膜斷裂強度為3.47N，輻照后透氣與真空包裝分別為6.37、6.41N，見圖3b。透氣包裝在含水量低于8.64%時，斷裂強度是下降的，此后呈緩慢上升趨勢。真空包裝在含水量低于18.22%時，斷裂強度是上升的，此后呈下降趨勢。在含水量4.64%～33%范圍內，二者差距較大。

圖2 不同水分含量對輻照明膠DSC圖譜（a～c）及膠凝溫度的影響（d）Fig.2 Effect of water content on DSC spectrum（a～c）and gelling temperature（d）of irradiation gelatin

2.4 水分和氧氣對輻射明膠結構的影響

圖4a為未輻照明膠表面放大500倍的透射電鏡圖，可見顆粒狀結構。圖4b、圖4c為含水量66%真空包裝輻照明膠表面放大500倍圖和2500倍圖，可見網絡狀結構。這說明含水明膠經輻照后分子之間已發生了交聯。

圖3 水分和氧氣對明膠斷裂伸長率（a）和斷裂強度（b）的影響Fig.3 Effect of water and oxygen content on tensile strength（a）and elongation（b）of irradiation

圖4 未輻照明膠（a）和含水66%真空包裝輻照明膠（b～c）SEM圖Fig.4 SEM spectrum of no irradiation gelatin（a）and irradiation vaccum packaged gelatin with 66%water content（b～c）

3 討論

小分子交聯為中等分子到不溶部分產生的過程，導致明膠粘度先升后降；可溶部分的減少，帶來對凝膠強度有貢獻的組分α組分的減少[6]，故而凝膠強度持續下降；可溶和不溶部分的同時存在，熔膠峰由原先的單峰28℃轉變為20℃和40℃的兩個峰，20℃對應可溶部分的熔膠峰溫，而40℃對應不溶部分的熔膠峰溫。從28℃降為20℃，是因為可溶部分減少，并且平均分子量下降，故熔膠溫度下降。從28℃升為40℃，是因為不溶部分的分子量增加，網絡結構致密，故熔膠溫度升高。凝膠峰溫先下降后升高，推測是由原先單峰轉變為雙峰后疊加的結果，變化趨勢應該與熔膠峰溫相似；明膠分子之間的降解和交聯，發生分子間合適的網絡結構被破壞，或者網絡結構更為緊密，膜的分子伸展能力差，都會帶來明膠膜斷裂伸長率的下降。而斷裂強度隨交聯度的增加而增加，但隨可溶部分的減少而下降，這種變化在真空包裝輻照明膠表現為加的效應，因為真空包裝是缺氧環境，以交聯為主。明膠的斷裂強度和斷裂伸長率的下降，帶給明膠剛性和韌性變差的品質。

4 結論

根據本實驗結果，明膠輻照滅菌的過程中，水分的存在容易引起交聯反應，交聯程度與水分含量呈正效應，與氧氣含量呈負效應。輻射劑量在8kGy時，嚴格控制明膠含水量在10%以下，采用透氧包裝，可減少交聯帶來的明膠品質下降的問題。

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Effect of water and oxygen on gelatin crosslinking during process of60Co-γ irradiation

GENG Sheng-rong，ZU Xiao-yan，LI Xin，LIAO Tao，XIONG Guang-quan*
（Institute for Farm Products Processing and Nuclear-Agricultural Technology，Hubei Academy of Agricultural Sciences，Hubei Innovation Center of Agricultural Science and Technology，Wuhan 430064，China）

Gelatin with 0%～80%water was packaged respectively by oxygen permeable and vacuum materials and irradiated for 8kGy by60Co-γ.The relationship of moisture and oxygen content with gelatin irradiation crosslinking were analyzed by methods including intrinsic viscosity，texture analyzer，scanning electron microscope photographs technology（SEM）and differential scanning calorimetry（DSC）.Results showed that with the increase of gelatin water content，the intrinsic viscosity and gel strength decreased.The irradiated gelatin appeared network structure in SEM spectrum and two melting peakes and the temperatures were 20℃and 40℃in DSC spectrum.The gelling temperature increased with the water content，but The crosslinking degree of irradiated gelatin by vacuum packaged had the stronger crosslinking reaction than the oxygen permeable packed one.It was suggested that there was a positive effect that existed between the crosslinking degree and water content，but negative effect with oxygen content.The gelatin quality would be ensured by controlling lower moisture and sufficient oxygen content in the gelatin before irradiating.

irradiation；gelatin；water；oxygen；crosslinking

TS201.1

A

1002-0306（2014）12-0144-04

10.13386/j.issn1002-0306.2014.12.022

2013－10－11 *通訊聯系人

耿勝榮（1979-），女，碩士研究生，助理研究員，主要從事農產品輻照加工方面的研究。

國家自然科學基金資助項目（11105048）。