乳清分離蛋白-聚乳酸雙層膜的制備及其在豬肉保鮮中的應用

蔡青文，謝　晶，黎　柳，雷　昊

（上海海洋大學食品學院，上海201306）

乳清分離蛋白-聚乳酸雙層膜的制備及其在豬肉保鮮中的應用

蔡青文，謝晶*，黎柳，雷昊

（上海海洋大學食品學院，上海201306）

應用澆鑄法制備乳清分離蛋白-聚乳酸雙層可降解膜，通過膜的機械性能、水溶性、透光率、霧度等指標的測定來表征膜的包裝性能，并將其應用在冷卻豬肉的保鮮中。結果表明，聚乳酸的添加使單層蛋白膜的抗拉伸強度顯著提高（p＜0.05），可由2.08MPa增加到12.15MPa；雙層膜在未添加任何黏附劑的條件下仍能緊密粘合且顯示出較高的透明度，膜的水溶性及溶脹系數也因聚乳酸的添加有所降低，膜斷裂伸長率顯著降低（p＜0.05）。該雙層膜包裝冷卻豬肉（4℃），在貯藏期間（10d），豬肉的pH、TBA值、細菌總數均低于聚乙烯膜包裝的豬肉，表明雙層膜能有效延長冷卻豬肉的貨架期。

雙層膜，機械性能，抗拉伸強度，水溶性，豬肉保鮮

日常生活中當前廣泛使用的塑料制品的基料主要是來源于石油、天然氣等有機物的合成和半合成的高分子化合物。石油、天然氣屬于不可再生資源，且大多數塑料包裝材料難降解［1］，易導致積累殘留，造成環境污染。生物聚合物主要從可再生資源如農作物、動物、細菌等中提取獲得，包括糖類、蛋白質類等，如纖維素、淀粉、大豆分離蛋白、乳清分離蛋白等。它們可在自然環境條件下，在一定期限內被微生物分解成低分子的化合物，如水和二氧化碳等［2］。生物聚合物因其可再生、環保、可降解的特性，已在包裝領域得到廣泛的關注與研究。

乳清分離蛋白（Whey protein isolate，WPI）屬于重要的生物聚合物之一，具有良好的成膜性，且成膜透明、富有伸縮性和黏性，在濕度較低的條件下，對油脂、芳香物質、氧氣有一定的阻隔性能［3］。但由于乳清蛋白含有較多的親水性氨基酸，使膜的水汽阻隔性能和機械性能較差。有研究者已通過加熱改性［4］、酶改性［5］、添加疏水性物質［6-7］、添加交聯劑［8］、共混改性［9］等方法處理乳清蛋白，使其機械性能和阻隔性都得到有效改善。此外，還可以通過與其他聚合材料復合達到目的。聚乳酸（Poly lactic acid，PLA）是一種可降解材料，由可再生資源如玉米、甜菜等農作物發酵生成乳酸后再通過化學聚合而成［10］，因其具有可降解、可再生、熱穩定、高強度、易加工等特性而得到廣泛的關注與研究［11-13］。

本研究通過可降解材料聚乳酸與乳清分離蛋白的復合，制備雙層膜，并對其機械性能、斷裂伸長率、熱穩定性、水溶性、膜的微觀結構等方面進行分析研究，然后將其運用到豬肉保鮮中，通過測定豬肉的pH、TBA值、細菌總數，評定雙層膜對豬肉的保鮮效果，以期為可降解包裝材料的研究與應用提供理論基礎及實驗依據。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

乳清分離蛋白（蛋白＞92.0%） 上海福諾食品有限公司；聚乳酸浙江海正生物材料股份有限公司；冷卻豬里脊肉購于上海市農工商超市；三氯甲烷、甘油、NaOH國藥試劑集團，分析純；聚乙烯膜上海聚君包裝材料有限公司。

BJ2100D型電子天平杭州科曉化工儀器設備有限公司南昌分公司；SJH-4S型數控精密恒溫水浴鍋寧波天恒儀器廠；DF-101S型集熱式磁力加熱攪拌器；GX－ZGF101型恒溫鼓風干燥箱上海賀德實驗設備有限公司；LHS－100CA型恒溫恒濕箱上海一恒科學儀器有限公司；DCP－KZ300型電腦測控抗張實驗機四川成都名馳儀器有限責任公司；WGT/S型透光率/霧度測定儀上海精科儀器有限公司；Mitutoyo 293-821型數顯千分尺蘇州量子儀器有限公司；S3400N型掃描電鏡日本日立公司。

1.2雙層膜制膜工藝

1.2.1蛋白膜溶液的制備將6g乳清分離蛋白加入到100mL去離子水中，攪拌至完全溶解，用1mol/L的NaOH調至pH8.0之后，90℃恒溫水浴加熱30min，冰浴冷卻至室溫后，加入50%（占總物質百分比）的甘油，攪拌30min，靜置消泡，貯藏在4℃條件下備用［14］。

1.2.2聚乳酸膜溶液的制備分別配制濃度為1.5%、2%、2.5%的聚乳酸三氯甲烷溶液使其與乳清分離蛋白的比為12∶3、12∶4、12∶5（w/w），25℃攪拌4h至其完全溶解，超聲消泡30min后備用。

1.2.3單層膜的制備先將以上配好的乳清分離蛋白溶液倒在10cm×10cm的塑料板，置于55℃鼓風干燥箱中烘5h后，揭膜，置于溫度為25℃，濕度為50%的恒溫恒濕箱中平衡48h后進行指標測定［14］。

1.2.4雙層膜的制備參照Rhim等［15］的方法，略有改動。先將以上不同濃度的聚乳酸溶液倒在30cm× 30cm的玻璃板，干燥后將配好的乳清蛋白膜液倒入玻璃板，置于55℃鼓風干燥箱中烘5h后，揭膜，置于溫度為25℃，濕度為50%的恒溫恒濕箱中平衡48h后進行指標測定。

1.3雙層膜性能指標的測定

1.3.1膜厚度的測定用電子數顯千分尺在每個樣品上任取6個點測試，取平均值。

1.3.2機械性能測試使用電腦測控抗張實驗機測試膜的拉伸性能［16］，分別計算如下：

式中，TS—為樣品的抗拉強度，單位MPa；F—為樣品承受的最大張力，單位N；a—為樣品的厚度，單位μm；b—為樣品的寬度，單位mm。

式中，L—為樣品斷裂時的長度，單位mm，L0—為樣品初始長度，單位mm。

1.3.3透光度和霧度測定通過透光率/霧度測度儀測定樣品的透光度和霧度［17］。

1.3.4溶脹指數的測定將已知重量的干燥的樣品裁成2cm×2cm大小，浸入30mL的去離子水中，并在室溫下浸泡30min后取出，用濾紙輕輕吸走樣品表面的水分，稱重。每個樣品3次平行。溶脹系數計算如下：

式中，S—為溶脹系數；mh—為樣品浸泡后的質量，單位g；mi—為樣品干重，單位g。

1.3.5水溶性測試參照陳桂云等［6］方法，略有改動。將干燥的樣品切成40mm×40mm大小，置于含有35mL蒸餾水的燒杯中（50mL），使用恒溫（25℃）搖床振蕩24h，取出，用濾紙擦去樣品表面的水分，再次干燥（105℃）至恒重，每個樣品4次平行，取平均值。水溶性由以下公式計算得出：

式中，WS為水溶性；W1—為樣品首次干燥后的質量，單位g；W2—為樣品再次干燥后的質量，單位g。

1.3.6膜的微觀結構測定單層和雙層膜的結構通過掃描電鏡觀察分析［15］。用鋒利的刀片樣品剪切成細條狀，固定在樣品臺上，使橫截面朝上。真空狀態下鍍金10min，加速電壓為20kV，垂直觀察膜的斷截面結構。

1.4雙層膜在豬肉保鮮中的應用

1.4.1工藝處理將由上海市農工商購買的冷卻豬肉分割成小塊，每個樣品約100g，隨機分成2組。處理組：用制備好的雙層膜（WPI∶PLA=12∶5，w/w）包裝；對照組：用普通聚乙烯（Polyethylen，PE）保鮮膜包裝。處理組和對照組都置于4℃冰箱中儲藏，每隔一天進行取樣并對其細菌總數、pH、硫代巴比妥酸值等指標進行測定，表征其保鮮效果。

1.4.2細菌總數按GB 4789.2-2010《GB 4789.2-2010食品安全國家標準品微生物學檢驗菌落總數》［18］的方法進行細菌總數的測定。

1.4.3pH的測定按照GB/T 9695.5-2008《肉與肉制品pH測定》［19］進行測定。評價標準為新鮮冷卻肉：pH5.8～6.2；次鮮冷卻肉：pH6.3～6.6；變質冷卻肉pH6.7以上。

1.4.4硫代巴比妥酸（Thiobarbituric acid，TBA）值的測定參考Kilincceker等［20］方法，并略加修改。用每千克豬肉中丙二醛（Malonaldehyde，MDA）的含量來表示，通過測定不同樣品溶液在532nm波長處的吸光值得到TBA值。

1.5數據處理與統計分析

實驗數據采用SPSS 19.0（國際商業機器公司）Duncan’s multiple range test進行方差分析，數據結果均采用平均值±標準差形式，取95%置信度（p＜0.05）；用Origin Pro 8.5（美國OriginLab公司）制圖。

2　結果與討論

2.1機械性能分析

包裝材料應具有一定的機械性能，評價機械性能的主要指標包括拉伸強度（TS）和斷裂伸長率（EB）。表1顯示了WPI膜、不同比例雙層膜的TS、EB值。從表1中結果可以看出，WPI膜的TS值和EB值分別為2.08MPa、12.03%，隨著PLA含量的增加，雙層膜的抗拉伸強度顯著增加，而斷裂伸長率顯著降低。主要原因可能是PLA屬于剛性材料，與WPI復合后，隨著PLA含量的增加，PLA層占主導作用，使復合膜的性能傾向于PLA層的性能進行轉變。當PLA的濃度為1.5%時，復合膜的抗拉伸強度增至12.15MPa，表明WPIPLA膜具有強的抵抗性，且PLA的添加有效提高了單層WPI膜抗拉伸強度，有利于其在食品包裝中的推廣及應用。前期研究蛋白-PLA多層膜中也發現了類似的現象［21-22］，González等［22］推測這是PLA中的羰基與蛋白分子間的肽鍵相互作用的結果。

表1　不同膜的拉伸強度（TS）和斷裂伸長率（EB）值Table 1　The tensile strength（TS）and elongation at break（EB）value of different films

2.2溶脹系數（S）和水溶性分析

膜的水溶性是衡量膜對水的阻隔性能的重要指標，它關系到其在食品貯藏過程中的潛在應用。如表2所示，隨著聚乳酸的增加，WPI-PLA膜的水溶性逐漸降低，但與WPI膜的水溶性沒有顯著性差異；WPI-PLA膜的溶脹系數卻顯著降低。這可能是由于在溶脹系數的測量過程中，WPI-PLA膜僅與蒸餾水接觸30min，當膜與水接觸時，立即出現軟化現象，隨著接觸時間的延長，膜開始吸水膨脹，且在前2min迅速溶脹，隨后溶脹速度減慢，而PLA不溶于水，具有疏水性能，它與WPI層的結合阻礙了WPI層的吸水行為；水溶性測量過程中，膜在水中浸泡24h后，已與PLA層完全分開，在實驗結束時發現很多WPI膜的碎片，表明蛋白膜層已部分溶解。

2.3透光率和霧度分析

透光率和霧度會對食品的外觀產生影響，較高的透光率和較低的霧度值能更好地體現產品原有的外觀，從而增加其商業價值。如表3所示，WPI膜的透光率為91.67%，霧度為4.98%，PLA的添加顯著增加了雙層膜的透光率，霧度值也顯著增加，但對食品外觀影響不大。

表2　不同膜的水溶性和溶脹系數（S）值Table 2　The water solubility and swelling index（S）of different films

表3　不同膜的透光率和霧度值Table 3　The light transmittance and haze of different films

2.4膜的微觀結構分析

圖1所示為乳清分離蛋白膜、雙層膜、聚乳酸膜的電鏡掃描圖，圖1（B）中雙層膜PLA層與WPI層緊密結合。原因可能是在PLA層干燥后，鋪WPI層時，由于WPI含有大量氨基酸，而且添加的增塑劑甘油也有很強的親水性，它們能夠結合水分填補PLA層任何不規則的部位，PLA中的羰基與蛋白分子間的肽鍵相互作用，使雙層膜在一定濕度條件下無法用手撕開，也進一步解釋了WPI-PLA膜機械強度顯著提高的現象。

圖1　WPI膜（A）、WPI-PLA膜（B）、PLA膜（C）的電鏡掃描圖像（500×）Fig.1　Scanning electron micrographs（SEM）of whey-protein isolate（WPI），multilayer，and poly lactic acid（PLA）films（500×）

2.5貯藏過程中冷卻肉pH的變化

圖2　貯藏過程中冷卻肉pH變化Fig.2　Changes of pH value of pork during storage

貯藏期間豬肉的pH變化如圖2所示，隨著貯藏時間的延長，各組pH都呈上升的趨勢。處理組的pH在整個貯藏期升高較為緩慢且顯著低于對照組。主要原因可能是處理組中內層蛋白材料具有吸水性，使冷卻肉表面水分含量顯著降低，而外層又彌補了內層在水分含量高的肉制品應用時屏障性能差的缺陷（貯藏期間雙層膜始終未分離，仍緊密結合），增強了其對CO2、O2、微生物等的阻隔作用，從而限制微生物生長繁殖，使表面微生物分解蛋白質而產生的堿類物質降低，冷卻肉的pH也相對較低。

2.6貯藏過程中冷卻肉菌落總數變化

貯藏過程中冷卻肉的菌落總數變化如圖3所示，處理組和對照組的細菌總數在貯藏過程中均有不同程度的增加，但對照組上升較快，貯藏第6d時，其菌落總數已高達6.8lg cfu/g，已為變質肉（菌落總數大于6lg cfu/g），而處理組在貯藏末期僅為5.8lg cfu/g，在4～6lg cfu/g范圍內，為次鮮肉。從微生物角度分析，處理組能將冷卻豬肉的保質期延長4d。實驗結果驗證了上述pH得變化規律，雙層膜較PE膜更能有效抑制冷卻肉微生物的生長繁殖。

圖3　貯藏過程中冷卻肉細菌總數變化Fig.3　Changes of TVC in pork during storage

2.7貯藏過程中冷卻肉TBA值的變化

肉類食品中脂質的氧化可通過TBA值進行評價，貯藏期間TBA值變化如圖4所示，隨著貯藏時間的延長，處理組和對照組TBA值均呈上升趨勢，但整個貯藏過程中處理組始終低于對照組。一般研究認為，TBA值大于1mg MDA/kg時的肉即為變質肉［23］，而在貯藏末期，對照組TBA值已經達到1.02mg MDA/kg，成為變質肉，處理組TBA值為0.88mg MDA/kg，仍在可接受的范圍。說明了雙層膜具有良好的阻隔作用，降低豬肉與O2的接觸，達到有效抑制豬肉脂肪的氧化酸敗的作用，從而延長冷卻肉的貨架期。

圖4　貯藏過程中冷卻肉TBA值變化Fig.4　Changes of TBA in pork during storage

3　結論

通過澆鑄法制得WPI-PLA雙層膜，電鏡結果顯示，雙層膜間緊密結合。PLA的添加顯著提高了膜的機械性能、透明度和霧度，當WPI與PLA比例為12∶5時，膜的性能達到最佳效果，且能夠滿足包裝運輸要求，其中機械強度雙層膜（12.15MPa）為單層蛋白膜（2.08MPa）的6倍，且PLA的添加也有效降低了膜的水溶性和溶脹系數。綜合各指標結果，各指標的改善有利于該雙層膜在食品包裝中推廣應用，且具有替代非降解材料的潛能。用乳清分離蛋白和聚乳酸制備的雙層膜包裹冷卻豬肉在4℃條件下貯藏，其pH、TBA值、細菌總數均優于PE膜。該雙層膜不僅突破了單層蛋白膜不能在水分含量高的食品中應用的局限，而且能很好地抑制豬肉表面微生物的生長，有效降低豬肉的pH、TBA值、細菌總數，延長冷卻豬肉的貨架期。

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表4　膠囊崩解性能比較Table 4　The comparison of capsule disintegrating performance

3　結論

3.1當膠液中淀粉與卡拉膠比例為9∶3時，能夠得到表面平整，厚度均一，脆碎度較低的膠囊殼及膠囊膜。

3.2經過2mg異淀粉酶修飾后，玉米淀粉溶膠的粘度降低至3000MPa·S左右，滿足蘸膠工藝的要求，有利于膠囊膜厚度和崩解時限的控制，實現了對藥物的控制釋放時間。

3.3通過加入3.0%卡拉膠、0.2%PVA、0.5%海藻酸鈉、1.0%甘油，保證了玉米淀粉溶膠的凝膠性能，在吸水性能穩定的前提下，有效的增加了淀粉膠囊膜材料的拉伸強度和韌性。

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Preparing bilayer films by whey protein isolate-poly lactic acid and applying on the pork preservation

CAI Qing-wen，XIE Jing*，LI Liu，LEI Hao
（College of Food Science and Technology，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China）

The bilayer films of whey protein（WPI）and poly（lactic acid）（PLA）were prepared by a simple solvent casting method in this study.The mechanical properties，water-soluble，light transmittance and haze of the films were measured.Moreover，WPI-PLA was applied to preserve the pork.The results showed that the adding of PLA could improve significantly the tensile strength of bilayer films（p＜0.05）which could be increased from 2.08MPa to 12.15MPa.The films showed strong adhesion between layers without adding any extra component and displayed higher transparency.With the application of PLA，the water soluble，swelling index and elongation at break（EB）were reduced significantly（p＜0.05）.Within 10 days storage at 4℃，pH，TBA and total bacterial count in pork packaged with this bilayer films were lower than control pork packaged with PE films significantly.The results suggested that the bilayer films could prolong the shelf life of pork effectively.

bilayer films；mechanical properties；tensile strength；water solubility；pork preservation

TS251.5

A

1002-0306（2015）12-0282-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.12.051

2014－09－27

蔡青文（1988-），女，在讀碩士研究生，研究方向：食品保鮮與包裝。

謝晶（1968-），女，博士，教授，研究方向：食品工程。

國家“十二五”支撐計劃課題（2013BAD19B06）。