添加丁香精油對玉米醇溶蛋白膜性能及結構的影響

張慧蕓，郭新宇，吳靜娟（河南科技大學食品與生物工程學院，河南 洛陽　471023）

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添加丁香精油對玉米醇溶蛋白膜性能及結構的影響

張慧蕓，郭新宇，吳靜娟
（河南科技大學食品與生物工程學院，河南 洛陽471023）

摘 要：以玉米醇溶蛋白為原料制備可食性膜，將丁香精油添加到玉米醇溶蛋白膜中，研究其對玉米醇溶蛋白膜物理性能及微觀結構的影響。結果表明，丁香精油體積分數在0.5%～2.0%范圍內時，隨著體積分數的增加，玉米醇溶蛋白膜的厚度、斷裂伸長率和水蒸氣透過系數逐漸增加。丁香精油體積分數為0.5%～1.0%時，玉米醇溶蛋白膜的拉伸強度顯著增加（P＜0.05）。添加丁香精油改善了膜的機械性能，增加了阻光性和透濕性。通過紅外光譜和掃描電鏡分析表明，添加丁香精油并未顯著改變玉米醇溶蛋白的結構，且添加丁香精油的成膜液在干燥過程中會產生微孔，使得玉米醇溶蛋白膜的表面粗糙不均勻。

關鍵詞：玉米醇溶蛋白；丁香精油；物理性能；機械性能；微觀結構

引文格式：

張慧蕓, 郭新宇, 吳靜娟. 添加丁香精油對玉米醇溶蛋白膜性能及結構的影響[J]. 食品科學, 2016, 37(12): 7-12.

ZHANG Huiyun, GUO Xinyu, WU Jingjuan. Effect of clove essential oil on the properties and structure of zein edible films[J]. Food Science, 2016, 37(12): 7-12. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201612002. http://www.spkx.net.cn

隨著消費者對食品品質、保藏期要求的提高以及環保意識的增強，以天然生物材料制成的可食性包裝膜逐漸成為研究的熱點。可食性膜是由多糖、蛋白質、脂質等大分子可食性材料制成的復合包裝膜[1]。玉米醇溶蛋白不僅具有成膜性和天然的可生物降解能力，還具有阻氣性、阻油性和一定的抗菌性，而且作為一種蛋白質具有一定的營養價值、口感好、通透性小等特點，可以用于食品的保鮮和包裝[2]。我國大部分的玉米用于生產淀粉，剩余的副產物中還含有大量的玉米醇溶蛋白，充分利用這些玉米醇溶蛋白作為食品的包裝材料可以大大提高玉米的利用價值。

玉米醇溶蛋白膜以其可降解性引起了人們的關注，但傳統的玉米醇溶蛋白膜拉伸強度、延展性不理想，純玉米醇溶蛋白膜較脆，塑性較差，限制了其在食品、藥品包裝領域中的應用[3]，因此國內外研究者致力于向玉米醇溶蛋白膜中加入一種或多種物質對其進行改性，如加入多酚化合物[4]、多糖類[5]、蛋白類[2]、酸類[6]、甘油[7]等物質來改善玉米醇溶蛋白膜的各種性能。

丁香精油作為一種香辛料，其中含有的丁香酚具有一定的抗氧化和抗菌性，是安全、高效、無毒的天然食品防腐劑的良好來源。近年來有研究[8-9]將丁香精油加入到可食性包裝膜改善膜的物理性能。向玉米醇溶蛋白膜中加入丁香精油的研究鮮見報道，本研究以玉米醇溶蛋白為成膜原料，甘油作為增塑劑，將丁香精油加入成膜液中，制備玉米醇溶蛋白膜，研究丁香精油對玉米醇溶蛋白膜物理性能、機械性能和微觀結構的影響，為開發新型的玉米醇溶蛋白膜提供理論依據。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

玉米醇溶蛋白（含氮量≥85%，水分含量≤8%）武漢遠程共創科技有限公司；丁香精油（丁香酚質量分數≥85%）珍戀丁香精油批發商行；甘油、乙醇天津市德恩化學試劑有限公司；無水氯化鈣天津市津北化工有限公司。

1.2儀器與設備

恒溫鼓風干燥箱上海一恒科學儀器有限公司；5544Q6427質構儀美國英斯特朗公司；color i5色差計美國Xrite公司；JSM-5610LV掃描電子顯微鏡日本Jeol公司；8000S傅里葉變換紅外光譜日本島津公司。

1.3方法

1.3.1玉米醇溶蛋白膜的制備

參考賈祥祥[10]的方法略有修改，用體積分數為80%的乙醇溶液配制蛋白質量濃度為10 g/100 mL的玉米醇溶蛋白溶液，在磁力攪拌器上攪拌10 min，再加入0.3 g/g玉米醇溶蛋白的甘油，在80 ℃的水浴鍋中加熱15 min，再在成膜液中加入體積分數分別為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的丁香精油，以未添加丁香精油的玉米醇溶蛋白膜為對照。在10 000 r/min條件下均質4 min，吸取2 mL的成膜液在有機玻璃板上成膜，在60 ℃干燥3 h成膜，在含有二氧化硅的干燥器中室溫條件下平衡48 h。

1.3.2玉米醇溶蛋白膜性能的測定

1.3.2.1厚度

將一張膜片對折4 次，并在其中心和四周共選取9 個點用螺旋測微儀來測量，得到8 層膜的平均厚度，再求取平均值得到單層膜的厚度。

1.3.2.2機械強度（拉伸強度和斷裂伸長率）

參考Yin Shouwei等[11]的方法，用質構儀來測定膜的拉伸強度和斷裂伸長率，將膜切成10 mm×50 mm的條帶，初始夾距為30 mm，拉伸速率為1 mm/s，每種膜測定5 個樣品。拉伸強度和斷裂伸長率的計算如式（1）、（2）所示：

式中：Ft為最大拉力/N；L為膜樣品的厚度/mm；D為膜樣品的寬度/mm。

式中：L1為膜斷裂后的長度/mm；L0為膜斷裂前的長度/mm。

1.3.2.3顏色

使用色差儀對玉米醇溶蛋白膜進行測定，參照Cielab系統來表示玉米醇溶蛋白膜的顏色[12]，測試記錄＋L為亮色方向，－L為暗色方向；＋a值為紅色方向，－a為綠色方向；＋b為黃色方向，－b為藍色方向。將膜樣品置于標準校正板上測量，標準板的色度值為：L=94，a=0.313，b=0.319。每個樣品選擇 5 個點進行測量，一個點從中央選取，另外沿著膜四周取 4 個點，取平均值。指標色差值ΔE計算如式（3）所示：

式中：L*、a*、b*是待測膜的色度值；L、a、b是標準板的色度值。

1.3.2.4透明度

參考Shiku等[13]的方法將待測樣品裁成10 mm×50 mm的矩形，貼于比色皿內側，在600 nm波長條件下測定透過率，以空比色皿作為對照，透明度計算如式（4）所示（透明度數值越大，說明膜越不透明）：

式中：T600 nm為膜在600 nm波長處的透過率/%；X為膜的厚度/mm。

1.3.2.5水蒸氣透過系數

根據GB 1037—1988《塑料薄膜和片材透水蒸氣性試驗方法》，采用擬杯子法[14]，將完整均勻的膜密封在含有5 g無水氯化鈣（相對濕度為0）的有機玻璃透濕杯表面，膜外露面積為19.6 cm2。將透濕杯裝置放入恒溫恒濕箱中（相對濕度80%，25 ℃），每隔24 h測定透濕杯的增質量。水蒸氣透過系數計算如式（5）所示：

式中：M為透濕杯的增質量/g；X為膜的厚度/mm；A為膜外露面積（19.6 cm2）；t為測量間隔時間（24 h）；ΔP為膜兩側的水蒸氣壓差，由于膜兩側的相對濕度梯度為100%，測定溫度為25 ℃，故Δ P為2.535 kPa。

1.3.2.6微觀結構觀察

用掃描電子顯微鏡，將樣品膜固定于銅柱體上，通過濺射器噴金處理后，掃描樣品膜的表面結構。

1.3.2.7紅外光譜分析

用傅里葉變換紅外光譜儀測定樣品膜的紅外光譜。測定波數為4 000～400 cm－1，分辨率為4 cm－1，掃描次數為32 次。

1.4數據分析

所得數據均為3 次重復的平均值，使用SPSS 22.0軟件處理數據，ANOVA法進行方差分析，Duncan多重比較檢驗法進行顯著性分析（P＜0.05）。用Origin Pro 8.5作圖。

2　結果與分析

2.1添加丁香精油對玉米醇溶蛋白膜厚度、顏色和透明度的影響

表1　添加丁香精油對玉米醇溶蛋白膜厚度、顏色和透明度的影響Table 1 Thickness, color and transparency value of zein films incorporated with CEO

由表1可以看出，添加丁香精油增加了膜的厚度，玉米醇溶蛋白膜厚度的變化范圍為（10.32±0.04）～（11.60±0.09）μm。與對照膜相比，丁香精油體積分數在0.5%時，玉米醇溶蛋白膜的厚度變化差異不顯著（P＞0.05）；丁香精油體積分數在1.0%時，膜厚度變化差異顯著（P＜0.05）。這是由于向成膜液中加入不溶性物質，增加了膜結構的疏松度，從而增加了膜的厚度，隨著不溶性物質增多，膜的厚度不斷增加[15]。

隨著丁香精油體積分數的增加，玉米醇溶蛋白膜的L*值從93.19減小到91.33；其a*值從－0.11減小到－0.32，b*值從0.37增加到0.82，說明添加丁香精油增加了膜的綠度值和黃度值。與對照膜相比，丁香精油體積分數為1.0%時，玉米醇溶蛋白膜的L*值顯著降低（P＜0.05）；丁香精油體積分數為1.5%時，玉米醇溶蛋白膜的a*值顯著降低（P＜0.05），b*值顯著增加（P＜0.05）。對照膜的ΔE為0.93，丁香精油體積分數為1.0%時，玉米醇溶蛋白膜的ΔE值與對照膜差異顯著（P＜0.05）。Bárbara等[16]在魚蛋白膜中加入大蒜精油、丁香精油和牛至精油，結果表明，丁香精油降低了膜的L*值，大蒜精油增加了膜的b*值，牛至精油降低了膜的a*值，說明精油種類和添加量的不同對膜色度值的影響效果也不同。

從表1可以看出，隨著丁香精油體積分數的增加，玉米醇溶蛋白膜的透明度數值逐漸增大，當丁香精油體積分數為0.5%～1.0%時，玉米醇溶蛋白膜的透明度與對照膜相比差異不顯著（P＞0.05）。說明添加丁香精油會使膜的透明程度降低，從膜的顏色參數L*、a*、b*值也可看出相似的結果。丁香精油中的彩色成分和有序膜蛋白網絡結構的破壞是導致膜透明程度降低的最主要原因[17]。添加丁香精油可能會影響膜外觀，但增加了膜的光阻隔性能。

2.2添加丁香精油對玉米醇溶蛋白膜機械性能的影響

圖1　添加丁香精油對玉米醇溶蛋白膜拉伸強度（A）和斷裂伸長率（B）的影響Fig. 1　Tensile properties and elongation at break of zein edible films incorporated with CEO

由圖1A可以看出，丁香精油體積分數為0.5%～1.0%時，拉伸強度逐漸增加，添加1.0%丁香精油的膜拉伸強度與對照膜相比差異顯著（P＜0.05），這可能是由于丁香精油的添加，使膜中的酚類、醛類、醇類等物質密度增大，對膜的交聯作用以及增塑作用增強[18]。Atarés等[19]向乳清蛋白中加入肉桂丁香精油，膜的拉伸強度得到一定的增強。當丁香精油體積分數為1.5%～2.0%時，膜的拉伸強度明顯下降（P＜0.05），說明大量的丁香精油加入到成膜液中，破壞了玉米醇溶蛋白間的相互作用，降低了高聚物分子間作用力，減弱了玉米醇溶蛋白膜的抗斷裂能力，降低了膜的拉伸強度[20]。由圖1B可以看出，隨著丁香精油體積分數的增加，玉米醇溶蛋白膜的斷裂伸長率逐漸增大，當丁香精油體積分數為1.0%時，玉米醇溶蛋白膜的斷裂伸長率與對照相比差異顯著（P＜0.05）。這是由于丁香精油中的酚醛類化合物削弱了多肽鏈間的疏水相互作用，增強了多肽鏈的流動性和彈性，軟化了膜的剛性結構，增加柔韌性，提高了玉米醇溶蛋白膜的斷裂伸長率[17]。因此可以將丁香精油加入到蛋白膜中，增強膜的機械強度。由圖1可以看出，丁香精油體積分數為1.0%時玉米醇溶蛋白膜的機械性能較好。

2.3添加丁香精油對玉米醇溶蛋白膜水蒸氣透過系數的影響

圖2　添加丁香精油對玉米醇溶蛋白膜水蒸氣透過系數的影響Fig. 2　Water vapor permeability of zein edible films incorporated with CEO

由圖2可以看出，未添加丁香精油時，玉米醇溶蛋白膜水蒸氣透過系數最低為（4.13±0.01）（g·mm）/ （m2·d·kPa），丁香精油體積分數為0.5%～1.0%時，膜的透濕性有所增加，但差異不顯著，而體積分數在1.5%時，玉米醇溶蛋白膜的水蒸氣透過系數顯著增大（P＜0.05）。水蒸氣透過系數的增加與膜的結構有很大的關系，向膜中加入油滴，打破了膜原有的蛋白質網絡結構，降低了分子間的作用力，增加了膜內部結構的疏散度，增強了多肽鏈的流動性[21]，因此水蒸氣的透過系數增加，提高了膜的透濕性，降低其阻水性能。Song等[9]向雞毛蛋白膜中加入丁香精油，其水蒸氣透過系數增大，且在丁香精油體積分數為1.5%時，水蒸氣透過系數最大。另一方面由膜的掃描電鏡圖可以看出，添加丁香精油使膜在干燥過程中形成空洞，增加了水分的透過率和透濕性，丁香精油體積分數越大，增加的空洞越多，水蒸氣透過率越大。Altiok等[22]向殼聚糖膜中添加百里香精油，結果表明水蒸氣透過系數的增加與膜的空洞結構有很大關系。

2.4添加丁香精油玉米醇溶蛋白膜的掃描電鏡分析

如圖3所示，對照膜較光滑、均勻、連續。丁香精油體積分數為0.5%和1.0%的玉米醇溶蛋白膜會產生少量的微孔且凹凸不平；當體積分數為1.5%和2.0%時，玉米醇溶蛋白膜表面出現較多微孔。這些微孔的產生可能與成膜（干燥）過程中丁香精油的蒸發有關[23]。丁香精油的添加導致膜形成較多的微孔和不連續的結構，表面較粗糙，這也可能與脂質分子在膜干燥期間的聚合有關系[24]。因為脂肪液滴集中于疏 水基質，嵌入由蛋白質組成的連續大分子聚合物中，打破原有基質，增加了膜的不均勻性，使膜的表面粗糙[25]。

圖3　添加丁香精油對玉米醇溶蛋白微觀結構的影響Fig. 3　SEM micrographs of zein edible films incorporated with essential oil

2.5添加丁香精油玉米醇溶蛋白膜的紅外圖譜分析

圖4　添加丁香精油的玉米醇溶蛋白膜的紅外圖譜Fig. 4　FTIR spectra of zein edible films incorporated with CEO

由圖4可以看出，對照膜和添加丁香精油的膜呈現出相似的峰值。圖中玉米醇溶蛋白膜在波數3 400～3 100 cm－1之間有較寬的吸收峰，這是由于官能團N—H中氫鍵的伸縮振動。玉米醇溶蛋白膜在波數3 000～2 800 cm－1之間有兩個峰分別為—CH3和—CH2中C—H的伸縮振動[26]。所有膜在波數為1 700～650 cm－1時都有出現相似的峰，包括酰胺Ⅰ帶、Ⅱ帶和Ⅲ帶[27]。1 657 cm－1左右有較寬的吸收峰，為—C＝O伸縮振動或N—H彎曲振動，為酰胺Ⅰ帶。1 545 cm－1左右為N—H彎曲振動，為酰胺Ⅱ帶。Su Junfeng等[28]表明在波數為1 472～1 241 cm－1的吸收峰主要來源于C—N的伸縮振動和N—H的彎曲振動，為酰胺Ⅲ帶。所有的膜在波數為1 046 cm－1左右有強峰，為官能團—OH，主要來源于膜中添加的增塑劑甘油[29]。

由以上分析可知，添加丁香精油并未出現新的峰，說明在玉米醇溶蛋白膜中添加丁香精油并未顯著改變玉米醇溶蛋白的結構，Wu Yunpeng等[30]將丁香精油通過液-液分散的方法密封在玉米醇溶蛋白納米粒子中，分析其傅里葉變換紅外譜圖發現添加丁香精油并未改變蛋白的結構。

3　結 論

添加丁香精油改善了玉米醇溶蛋白膜的物理性能。丁香精油體積分數為0.5%～2.0%時，隨著丁香精油體積分數的增加，玉米醇溶蛋白膜的厚度、斷裂伸長率、透明度和水蒸氣透過系數逐漸增加，玉米醇溶蛋白膜的拉伸強度先增加后降低。當丁香精油體積分數為1.0%時，膜的拉伸強度和斷裂伸長率顯著增加，與對照膜相比差異顯著（P＜0.05）；丁香精油體積分數為1.5%時，添加丁香精油對玉米醇溶蛋白膜水蒸氣透過系數和透明度的影響差異顯著（P＜0.05）；添加丁香精油降低了膜的L*值和a*值，增加了膜的b*值，丁香精油體積分數為1.0%時，ΔE值顯著增加（P＜0.05）。添加丁香精油改善了膜的機械性能，增加了膜的阻光性和透濕性。

通過紅外光譜和掃描電鏡分析表明，丁香精油與玉米醇溶蛋白并未發生化學變化，僅僅是物理性結合，且添加丁香精油的成膜液在干燥過程中會產生微孔，使得玉米醇溶蛋白膜的表面粗糙不均勻。雖然添加丁香精油改善了玉米醇溶蛋白膜的拉伸強度和斷裂伸長率，但其機械性能仍然較低，向其中加入交聯劑等活性物質來提高其機械強度還有待進一步研究。

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Effect of Clove Essential Oil on the Properties and Structure of Zein Edible Films

ZHANG Huiyun, GUO Xinyu, WU Jingjuan
(College of Food & Bioengineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang471023, China)

Abstract:The aim of this work was to study the effects of incorporating clove essential oil (CEO) on the physical, mechanical, barrier properties and microstructure of zein films. The incorporation of CEO in the range of 0.5%–2.0% (V/V) increased the thickness, elongation at break, opacity and water vapor permeability of zein edible films in a concentrationdependent fashion. The addition of CEO at a level between 0.5% and 1.0% (V/V) significantly increased the tensile strength value (P < 0.05). The incorporation of CEO improved mechanical properties and increased light-barrier property and moisture permeability. The structure of the films was characterized via Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and scanning electron microscopy (SEM). The results showed that the addition of CEO did not modify the chemical structure of films significantly. But the surface morphology of composite films was rough and uneven with more micropores.

Key words:zein; clove essential oil; physical characteristics; mechanical properties; microstructure

收稿日期：2015-09-22

基金項目：國家自然基金-河南人才培養聯合基金項目（C2003）

作者簡介：張慧蕓（1977—），女，副教授，博士，主要從事天然產物活性研究。E-mail：zhanghuiyun21@163.com

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201612002 10.7506/spkx1002-6630-201612002. http://www.spkx.net.cn

中圖分類號：TS201.2

文獻標志碼：A

文章編號：1002-6630（2016）12-0007-06