表面活性劑對殼聚糖-乳清分離蛋白-納米TiO2復合膜保鮮性能的影響

王 琦，陳季旺,*，陳 悅，宋光森，夏文水,4

（1.武漢輕工大學食品科學與工程學院，湖北 武漢 430023；2.農產品加工湖北省協同創新中心，湖北 武漢 430023；3.武漢輕工大學化學與環境工程學院，湖北 武漢 430023；4.江南大學食品學院，江蘇 無錫 214036）

表面活性劑對殼聚糖-乳清分離蛋白-納米TiO2復合膜保鮮性能的影響

王 琦1,2，陳季旺1,2,*，陳 悅1，宋光森3，夏文水1,4

（1.武漢輕工大學食品科學與工程學院，湖北 武漢 430023；2.農產品加工湖北省協同創新中心，湖北 武漢 430023；3.武漢輕工大學化學與環境工程學院，湖北 武漢 430023；4.江南大學食品學院，江蘇 無錫 214036）

為研究表面活性劑對殼聚糖-乳清分離蛋白-納米TiO2復合膜（chitosan-whe y protein isolate-nano TiO2composite film，CWTF）在果蔬保鮮應用中性能的影響，將表面活性劑吐溫（tween，TW）20、TW60、TW80、TW 85分別添加到CWTF成膜液中，測定制備復合膜的拉伸強度、斷裂延伸率、透明度及透水性能，并分析表面活性劑對CWTF性質的影響。將加有不同表面活性劑的CWTF涂膜液涂覆到鮮切雷竹筍上，測定其貯藏過程中的質量損失率。結果顯示，添加表面活性劑后CWTF表面光滑程度均有不同程度的劣變，按照膜機械性能及透水性能等從優到劣的排序依次為CWTF、CWTF-TW20、CWTF-TW85、CWTF-TW80、CWTF-TW60。涂膜實驗結果表明，涂膜組雷竹筍的質量損失率均低于未涂膜組，不同涂膜處理的雷竹筍的質量損失率與膜性質呈負相關。TW20對CWTF的破壞作用最小，為適宜添加表面活性劑，適宜添加體積分數為0.1%。

表面活性劑；殼聚糖-乳清分離蛋白-納米TiO2復合膜；鮮切雷竹筍；保鮮

殼聚糖（chitosan，CTS）屬直鏈型多糖，是甲殼素的脫乙酰產物，在自然界資源豐富，安全無毒，具有良好的生物降解性和抗細菌、真菌活性，其作為食品包裝中生物活性膜材料的應用研究受到廣泛關注[1]。乳清分離蛋白（whey protein isolate，WPI）來自于奶酪加工的副產物，具有獨特的營養和功能特性，可以形成透明的薄膜和涂層，并在低相對濕度條件下具有優良的對氧和氣味的阻隔性，但一般來講其力學特性較差[2]。周琦[3]對CTS-WPI復合膜（CTS-WPI composite film，CWF）成膜工藝條件進行了優化，掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）顯示CWF的橫截面更規則、均勻，結構明顯改善，且外觀為均勻半透明膜，傅里葉紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）儀檢測結果表明CTS、WPI在制備CWF時不是簡單的疊加，而是在其分子內部及分子之間形成了強烈的相互作用。張顯策等[4]采用溶膠-凝膠法制備了CTS-納米TiO2復合膜，對制備工藝參數進行優化并采用熱重分析儀、FTIR測定了該膜微觀特性，實驗結果表明CTS-納米TiO2復合膜比純CTS膜具有更好的穩定性。陶希芹[5]、袁志[6]等進行的涂膜保鮮實驗結果表明CTS-納米TiO2復合膜有利于延長果蔬的保鮮時間。

雷竹（Ventricousinternode）原產我國，廣泛分布于我國華北、華中及華南各地，是優良的栽培食用竹種，雷竹筍鮮美可口，營養豐富，含有蛋白質、脂肪、粗纖維、鈣、磷、鐵、18種氨基酸及多種維生素和微量元素等。雷竹筍采收后容易變質、老化，難于貯藏，在產筍旺季時進行適合的保鮮貯藏實踐，開發出保鮮效率高、安全性好、適用性廣、使用方便、成本低的雷竹保鮮技術具有很大的應用價值和商業前景[7-8]。涂膜處理是一種比較常用的果蔬保鮮技術，舒靜等[9]研究了CWF對鮮切雷竹筍涂膜保鮮效果的影響，結果顯示CWF涂膜可以顯著降低鮮切雷竹筍表面的微生物數量，延長鮮切雷竹筍的貨架期。

涂膜保鮮過程中，涂膜液需均勻地涂覆鋪展在果皮表面，形成均勻連續的膜，才能充分發揮其優良的保鮮效果[10]。為了改善保鮮膜在果皮上的附著性，需要向涂膜液中添加合適的表面活性劑。吐溫（tween，TW）是一種常用的食品添加劑，其親水親油平衡值（hydrophilelipophile balance，HLB）在10～17之間[11]。馮守愛[12]研究表明，TW20和TW80的潤濕性和溶解性等綜合性能均比較好，可以作為表面活性劑的兩種可能性選擇。張慶鋼等[13]研究表明添加TW60和TW80的涂膜液吸光度和涂布效果均比較接近，說明TW60也很可能是一種較合適的表面活性劑。TW85的HLB為11，也是一種常用的潤濕劑。

目前將CTS、WPI及納米TiO23種材料一起復合制備成CTS-WPI-納米TiO2復合膜（CTS-WPI-nano TiO2composite film，CWTF）的相關性質研究及其在果蔬保鮮方面的應用研究還很少有報道。本研究分別選擇TW20、TW60、TW80、TW85作為表面活性劑添加到CWTF成膜液中，通過測定復合膜的拉伸強度（tensile strength，TS）、斷裂延伸率（E）、水蒸氣透過率（water vapor permeability，WVP）、透明度及其在鮮切雷竹筍上的涂覆效果和保鮮過程質量損失率的變化，選擇最佳的表面活性劑，并確定其添加量，在不破壞或最少破壞復合膜綜合性能的前提下研究CWTF的保鮮效果。

1 材料與方法

1.1材料與試劑

CTS（脫乙酰度90%、相對分子質量300 000） 青島海匯生物工程有限公司；WPI 9410（蛋白質含量大于90%） 美國Hilmar公司；納米TiO2（銳鈦礦相） 杭州萬景新材料有限公司；蜂蠟（生物試劑） 天津科密歐化學試劑有限公司；TW20、TW60、TW80、TW85、冰乙酸、甘油、無水氯化鈣、NaOH、濃鹽酸等（均為分析純） 國藥集團化學試劑有限公司。

1.2儀器與設備

IP-54螺旋測微器（0.001 mm） 青海量刃具有限責任公司；TAXT 2i物性測試儀 英國SMS公司；S-3000N型SEM 日本Hitachi公司；NEXUS670型FTIR儀 美國尼高力儀器公司；CQ250超聲波清洗儀日本聲源超聲波儀器設備有限公司；LRH-150-S恒溫恒濕箱 廣東醫療器械廠。

1.3方法

1.3.1 CWTF的制備

參考楊遠誼[14]的方法并加以改進，量取1.5 mL甘油，并稱取1.5 g CTS、0.01 g改性后的納米TiO2于250 mL燒杯中，再向其中加入50 mL體積分數為2%的乙酸溶液，磁力攪拌2 h（轉速500 r/min），待CTS溶解狀態較好后，加入0.5 g WPI和50 mL蒸餾水，使得CTS、WPI和納米TiO2的質量分數分別為1.5%、0.5%和0.01%，調溶液pH 3，60℃水浴攪拌0.5 h，超聲分散10 min，用組織搗碎機快速處理10 min，真空脫氣2 h，穩定后作為膜液倒膜，標記為CWTF。同時配制分別添加0.2%TW20、TW60、TW80、TW85表面活性劑的膜液，分別標記為：CWTF-TW20、CWTF-TW60、CWTFTW80、CWTF-TW85。將盛有30 mL膜液的塑料培養皿（90 mm×90 mm）放入烘箱中，保持模具處于水平狀態，60℃條件下干燥16 h，從塑料培養皿上剝離制備好的膜，放在相對濕度（50±5）%的干燥器中（底部放有飽和硫酸鎂溶液）穩定至少48 h。

1.3.2膜厚的測定

參考雷俊[15]的方法并加以改進。用千分尺在膜上測定4個頂點和中心點的厚度，取平均值即得膜的厚度。

1.3.3透明度的測定

參考潘紅陽[16]的方法。將膜切成條狀（35 mm×10 mm），緊貼在比色皿內側，在500 nm波長處測定其吸光度。以空比色皿做空白對照。將所得吸光度（A）按式（1）轉換成透光率（T），透光率越大，表示透明度越高。每個試樣做3個平行。

1.3.4機械性能測試

膜的機械性能包括TS和E。TS可以表征試樣能承受的最大拉伸應力，E則能夠表征膜斷裂時長度的變化率。參考張顯策[4]、Liu Zunying[17]等的方法并加以改進。將試樣裁剪成長為70 mm、寬為10 mm的長條狀，質構儀的初始夾距設定為30 mm，拉伸速率1 mm/s，于室溫條件下測定，每個試樣做3個平行。TS和E的計算如式（2）、（3）所示：

式中：F為試樣斷裂時承受的最大張力/N；S為實驗前試樣的橫截面積/mm2。

式中：L0為膜樣測試前的長度/mm；L為膜樣在斷裂時的長度/mm。

1.3.5 透水性能的測定

參考樊燕[18]方法并加以改進，測定透水性能指標WVP。稱取5 g無水CaCl2于量杯中，然后將測量好厚度的膜片緊密覆蓋在量杯口處，用熔化的蜂蠟封住杯口，將膜固定，除去量杯表面殘留的蜂蠟，稱質量后放入干燥器中。事先在干燥器底部倒入適量去離子水以保持相對濕度為100%。將裝有覆膜量杯的干燥器置于25 ℃的恒溫恒濕箱中，每隔12 h（0.5 d）測定一次量杯的質量，直至量杯質量變化趨于穩定為止。每個試樣做3 次平行。WVP按式（4）進行計算：

式中：Δm為穩定質量的增量/mg；d為試樣厚度/mm；A為膜片的有效面積/cm2；t為測定時間間隔/d；ΔP=3.168 kPa。

1.3.6 FTIR分析

參考Ferreira等[2]的方法并加以改進。將薄膜裁剪成5 cm×5 cm的片狀物，放在FTIR儀探頭下記錄膜的紅外光譜圖，分析膜分子的二級結構與成膜特性，測試光譜范圍為4 000～500 cm-1，分辨率不大于4 cm-1。

1.3.7 SEM分析

參考Murillo-Martínez等[19]的方法并加以改進。選取薄厚均一的膜樣品，用液氮凍脆后，將斷面用雙面膠帶固定在電鏡樣品臺上，置于鍍膜濺射儀真空噴金，用SEM在10 kV條件下觀察膜的微觀特征并拍照。

1.3.8 質量損失率測定

質量損失率采用質量法[20]，計算如式（5）所示：

1.3.9 涂膜實驗

將雷竹筍剝皮、洗凈后切除頭部和尾部，留下約5 cm長的基部作為實驗用鮮切雷竹筍。用5%的山梨酸鉀溶液浸泡10 min，再放入40～50 ℃的熱水熱激1 min[21]。將鮮切雷竹筍分成6 組，同時將按1.3.1節配制的CWTFTW20、CWTF-TW60、CWTF-TW80、CWTF-TW85、CWTF 5 組膜液作為涂膜液，分別將分組的雷竹筍浸入到涂膜液中1 min，取出自然晾干后對雷竹筍進行刷涂式涂膜，再次晾干，重復涂膜2 次，待膜液干后將竹筍放在4 ℃條件下貯藏（第6組用清水代替涂膜液浸泡雷竹筍，以下需用涂膜液的步驟均用清水替代），比較質量損失率，確定保鮮效果，選擇合適的表面活性劑。

確定適宜表面活性劑的種類后，選擇體積分數為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%，用上述方法對分組的鮮切雷竹筍進行涂膜實驗，比較貯藏過程的質量損失率，選擇適宜的表面活性劑體積分數。

1.4 數據處理

實驗按完全隨機設計，以SPSS軟件作為統計工具對結果進行分析，采用Duncan復極差測驗法，顯著水平設定為P＜0.05。

2 結果與分析

2.1 表面活性劑對CWTF物理性質的影響

表1 添加不同表面活性劑CWTF的TS、、WVP及透明度Table 1 Tensile strength, breaking elongation, water vapor permeability, and transparency of CWTF with different surfactants

添加不同表面活性劑的CWTF均為淡乳白色，添加表面活性劑后的膜表面氣泡略有增加，光滑度變差，按照膜表面光滑程度從優到劣依次為CWTF、CWTFTW20、CWTF-TW85、CWTF-TW80、CWTF-TW60，說明表面活性劑對膜的表面觸感有一定的影響。由表1可知，不同膜的TS、E和T均有以下規律：CWTFTW60＜CWTF-TW80＜CWTF-TW85＜CWTF-TW20＜CWTF，WVP則有相反的規律出現。

CWTF-TW20與添加其他表面活性劑的CWTF相比，TS、E和T下降最少，WVP升高最少，說明TW20對CWTF的機械性能和透水性能破壞最弱，原因可能是不同表面活性劑與CWTF膜分子的融合能力不同，相對其他表面活性劑來說，TW20與膜分子的融合能力最好，故膜的均勻性相對最好，且此時膜性能的破壞程度最小。

2.2 添加表面活性劑CWTF的SEM分析

圖1 添加不同表面活性劑CWTF的表面及截面形態Fig.1 Surface and cross-sectional morphology of CWTF with different surfactants

利用SEM觀察不同表面活性劑添加條件下CWTF的表面及截面形態。從圖1可以看出，添加表面活性劑的CWTF表面均出現不同程度的突起、不同大小的孔隙，截面均勻化程度也有明顯差異，其原因可能是分子間的交聯程度不同，使得分子在成膜液中的分散程度有所不同，分子之間的相容性也有所不同，導致復合膜的均勻性不同。按照表面特性的優劣程度從高到低依次排列為：CWTF-TW60＜CWTF-TW80＜CWTF-TW85＜CWTF-TW20＜CWTF，結果與2.1節中對添加不同表面活性劑條件下CWTF宏觀性能的分析結果一致。

2.3 添加表面活性劑CWTF的FTIR分析

圖2 添加不同表面活性劑CWTF的FTIR圖譜Fig.2 FTIR spectra of CWTF with different surfactants

利用FTIR觀察添加不同表面活性劑的CWTF，結果如圖2所示。5種CWTF整體的圖譜峰形較一致，僅在某些波數處特征峰處強度略有不同。CWTF-TW20及CWTF在2 918.53 cm-1處的C—H伸縮振動峰在峰形和強度上比較一致；與CWTF-TW20及CWTF相比，CWTF-TW60、CWTF-TW80和CWTF-TW85在此處的特征峰峰強增大，說明TW60、TW80和TW85很可能與CWTF分子發生了交聯作用，且這種程度比較相似。5種CWTF在1 652.83、1 521.45 cm-1等波數處有較明顯的吸收峰，分別表示C—O伸縮振動峰 （酰胺Ⅰ帶）和N—H彎曲振動峰 （酰胺Ⅱ帶），這兩處特征峰的峰形和峰強基本一致，無明顯變化。在1 088.79、1 022.28 cm-1等波數處的特征峰是C6上的C—O吸收峰，此處CWTF-TW20、CWTF-TW60、CWTF-TW80和CWTF-TW85的峰強與CWTF相比有變化，CWTF-TW20的變化程度最小[22]。以上均說明TW與CWTF分子產生了一定的交聯作用，綜合2.1節中的結論可知，這種作用很可能破壞了CWTF的網絡結構，所以交聯程度越小對CWTF的分子鏈破壞程度越小，因此TW20對CWTF的破壞程度最小，最適宜添加到CWTF中。

2.4表面活性劑種類對鮮切雷竹筍保鮮過程的質量損失率影響

質量損失率是衡量果蔬嫩度的重要因素。竹筍采收以后，在貯藏過程中其中的水分容易蒸發引起失鮮和質量損失，而且呼吸作用也會導致糖類等營養的消耗，造成竹筍品質下降[23]。由圖3可知，隨著貯藏時間的延長，雷竹筍的質量損失率逐漸增大；同期相比，按照雷竹筍的質量損失率從低到高排序依次為：CWTF-TW20＜CWTF-TW85＜CWTF-TW80＜CWTF-TW60＜CWTF＜未涂膜。涂膜后雷竹筍的質量損失率顯著低于未涂膜組，由此可見涂膜處理對于保鮮雷竹筍具有明顯的效果。而且在這幾種表面活性劑中，經CWTF-TW20涂膜處理后的鮮切雷竹筍在貯藏過程與其他涂膜處理的雷竹筍同期相比質量損失率最低，說明TW20對于改善CWTF在雷竹筍上的涂覆效果最好。因此選擇TW20為復合膜的添加劑，用于增加CWTF涂膜液的附著力。綜合2.1～2.3節結論可知，在對CWTF綜合性能的破壞作用最小的前提下，經CWTF-TW20涂膜后的鮮切雷竹筍在貯藏過程的質量損失率最小。因此選擇TW20作為最適宜的表面活性劑添加到CWTF中，以增加其在雷竹筍表皮的涂覆能力。

圖3 添加不同表面活性劑CWTF對鮮切雷竹筍保鮮質量損失率的影響Fig.3 Weight loss of bamboo shoots coated with CWTF containing different surfactants

2.5 TW20體積分數對CWTF物理性質的影響

表2 不同TW20體積分數條件下CWTF的TS、、WVP及Table 2 Tensile strength, elongation at break, water vapor permeability, and transparency of CWTF with different concentrations of TW20

TW20又稱聚氧乙烯失水山梨醇單月桂酸酯，其親水基為聚氧乙烯基，疏水基為脂肪族單鏈，吸附機理是將疏水基連在蠟質層表面，親水基則伸入到水中[11]。隨著TW20體積分數的增加，CWTF-TW20表面氣泡增加，凹凸不平程度增加，表面感官性質變差。由表2可知，隨著TW20體積分數的增加，復合膜的TS先增大后減小，E均逐漸下降，WVP則逐漸升高，T開始變化不大，但當TW20體積分數達到0.4%時出現顯著下降。原因可能是TW20體積分數越大，其對CWTF的破壞作用越大，使得網絡結構規整度變差，膜表面空隙增加，致密度變差，導致機械強度變差，達到一定體積分數后使感官性質變差。當TW20的體積分數為0.1%時，對CWTF的破壞作用最小，膜的綜合性質保持在較好的水平上。

2.6 TW20體積分數對鮮切雷竹筍保鮮過程質量損失率的影響

圖4 TW20體積分數對鮮切雷竹筍保鮮的質量損失率影響Fig.4 Weight loss of bamboo shoots coated with CWTF containing different concentrations of TW20

由圖4可知，隨著貯藏時間的延長，鮮切雷竹筍的質量損失率不斷升高，說明雷竹筍在貯藏過程正不斷失水，品質正下降。同期相比，雷竹筍的質量損失率隨著TW20體積分數的增加呈上升趨勢，其體積分數為0.1%時，質量損失率上升最緩慢，說明此時雷竹筍腐敗的程度最小。因此選擇TW20體積分數為0.1%。

3 結 論

添加表面活性劑后的CWTF表面感官性質變差，按照膜的宏觀性質從優到劣依次為CWTF、CWTF-TW20、CWTF-TW85、CWTF-TW80、CWTF-TW60。SEM分析顯示添加表面活性劑的CWTF表面均出現不同程度的突起、不同大小的孔隙，截面均勻化程度也有明顯差異，表面性質優劣也與宏觀性質結果類似。FTIR分析表明TW與CWTF分子的反應在一定程度上會破壞CWTF的網絡結構，不同的TW與CWTF的交聯程度不同，破壞程度也有差異，可能與TW影響了蛋白類（主要是WPI）的表面結構，降低了其連接成網絡的能力相關。總的來說表面活性劑對膜的宏觀性質有一定影響，但跟不同表面活性劑的種類有一定的關系，可能與其乳化能力相關，本研究結果發現TW60對CWTF破壞作用最大，TW20對CWTF的破壞作用最小，且體積分數為0.1%時最適宜。

經過5 d的貯藏，初步探究了不同種類和體積分數的表面活性劑對雷竹筍的保鮮效果。在不改變CWTF綜合性能的基礎上在涂膜液中添加0.1%的TW20，能夠在一定程度上提高CWTF對鮮切雷竹筍的涂覆效果，進而改善其保鮮效果，這與周琦[3]、舒靜[9]等發表的CWF對雷竹筍的保鮮改善效果是一致的，但還缺乏CWTF對鮮切雷竹筍的保鮮效果及機理的具體分析探討，CWTF在成膜特性及應用方面還有很多問題需要解決，還需開展相關后續實驗。

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Effect of Surfactant on Chitosan-WPI-Nano TiO2Composite Film on Preservative Performance

WANG Qi1,2, CHEN Jiwang1,2,*, CHEN Yue1, SONG Guangsen3, XIA Wenshui1,4
(1. Co llege of Food Science and Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023, China; 2. Hubei Collaborative Innovation Center for Processing of Agricultural Products, Wuhan 430023, China; 3. College of Chemical and Environmental Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023, China; 4. School of Food Science, Jiangnan University, Wuxi 214036, China)

The objective of this study was to examine the influence of surfactant on the preservative effect of chitosan-WPI-nano TiO2composite film (CWTF) on vegetables and fruits. The surfactants tween 20 (TW20), TW60, TW80 and TW85 were added to the CWTF film-forming solution, respectively. The tensile strength, elongation at break, transparency and water permeability of the prepared composite membranes were then detected and the effects of the above surfactants on CWTF properties were analyzed. Fresh-cut bamboo shoots were coated with CWTF coating solution added with different surfactants and the weight loss was measured during subsequent storage. Results showed that after adding surfactants, different levels of deterioration on the smoothness of CWTF surface were observed, and the rank according to film mechanical properties and water permeability from high to low was as follows: CWTF ＞ CWTF-TW20 ＞ CWTF-TW85 ＞CWTF-TW80 ＞ CWTF-TW60. The results of coating experiments showed that weight loss of fresh-cut bamboo shoots with coating was lower than that of those without coating, and was negatively correlated with membrane properties. TW20 was selected as the appropriate surfactant and its appropriate dosage was 0.1%.

surfacant; chitosan-WPI-nano TiO2composite film (CWTF); fresh-cut bamboo shoot; preservation

TS255.3

A

1002-6630（2015）12-0264-06

10.7506/spkx1002-6630-201512050

2014-11-14

湖北省自然科學基金項目（2010CBB02601）；湖北省科學研究與計劃專項（2010BBB067）；

武漢輕工大學研究生創新基金項目（09 cx015）

王琦（1981—），男，講師，博士，研究方向為水產加工與貯藏工程。E-mail：wq311zb@hotmail.com

*通信作者：陳季旺（1970—），男，教授，博士，研究方向為水產加工與貯藏工程。E-mail：jiwangchen1970@126.com