兔皮、雞皮和三文魚皮明膠成膜性的對比

呂妍霄，薛偉

（東北林業大學工程技術學院，黑龍江哈爾濱150040）

隨著人們生活水平的不斷提高，對于食品新鮮度和環境保護越來越重視。在食品保鮮膜方面，人們的目標已不單只是對食品有保鮮作用，還更加重視其廢棄物是否會對環境造成污染，因此環保的可食性包裝膜已經成為國內外學者的研究熱點?？墒承阅ぶ饕幕臑榈鞍踪|類、多糖類和脂類，通過研究發現與多糖和脂類膜相比，蛋白質類膜由于其氨基酸可以通過共價鍵、氫鍵及二硫鍵的相互作用，使得蛋白質結構緊密，因此機械性能大、阻隔性能好且能夠給食物提供營養[1]。明膠是由蛋白質通過酸、堿或水解變性等形成，通常由動物的皮、骨等經過處理轉化，水浴提取制得。明膠由于具有良好的延展性、可降解性和生物成膜性等被廣泛應用于工業、化妝品等行業，同時明膠來源比較廣泛，因此在食品保鮮方面具有一定應用的潛力[2]。

市場上的明膠多是從豬、牛的皮和骨等提取，但因近年來對于食品安全的重視和不可忽略的宗教信仰等，人們逐漸將明膠的提取轉向其他方面，以彌補傳統明膠在市場上廣泛應用的缺陷，目前國內外學者從魚類和家禽類皮膚獲取明膠的研究成為熱點。Damgaard等[3]研究發現，由不同的氨基酸組成的明膠性質不同，其中甘氨酸、羥脯氨酸和脯氨酸的含量會對明膠的凝膠特性有很大的影響，同時由不同明膠所制的膜在機械強度、氣體阻隔性也會不同。Haug等[4]研究發現魚類與哺乳動物相比亞氨基酸（脯氨酸和羥脯氨酸）含量較低，凝膠性較弱。但從冷水域魚類皮膚中提取的魚明膠，擁有較高的亞氨基酸含量。Avena-Bustillos等[5]通過對比三文魚與鱈魚明膠的成膜性，研究發現三文魚皮明膠膜擁有更好的機械性能和阻隔性。楊暉等[6]通過對比兔皮與豬皮明膠，發現兔皮明膠具有更好的黏性和起泡性，在實際應用中可代替豬皮明膠。Mhd Sarbon等[7]通過研究發現雞肉明膠的α-螺旋和β-折疊型結構比牛肉明膠更高，表明雞肉明膠比牛肉明膠具有更好的凝膠強度及穩定性。

國內外學者目前的研究方向只針對于一種動物明膠來研究其特性，而對于不同品種之間的明膠特性及其所得的明膠膜性質之間對比的研究并不多。本文通過提取雞皮、兔皮、三文魚皮明膠后制膜，同時分別對其膜的水蒸氣透過率、水溶性、力學性能、透光度、熱穩定性進行測定，用紅外光譜表征微觀結構，尋找出雞皮、兔皮，三文魚皮哪種更合適做為成膜基材。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

新鮮肉雞雞腿皮：哈爾濱農墾江北養雞場；兔皮：哈爾濱豐潤牧業有限公司；三文魚皮：哈爾濱福保圣貿易有限公司。鹽酸：西隴科學股份有限公司；氫氧化鈉：天津市天力化學試劑有限公司；氯化鈉：天津市科密化學試劑有限公司；甘油：天津市福晨化學試劑廠；所有試劑均為分析純。

1.2 設備與儀器

HH-6數顯恒溫水浴鍋：鎮江市科密儀器儀表有限公司；85-2A恒溫磁力攪拌器：常州市凱航儀器有限公司；RE-201D旋轉蒸發器：鄭州特爾儀器設備有限公司；恒溫干燥箱：天津市泰斯特儀器有限公司；高速離心機：上海安亭科學儀器廠；SHZ-88A水浴恒溫振蕩器：蘇州市培英實驗設備有限公司；WGT-S透光率/霧度測定儀：上海儀電物理光學儀器有限公司；壓差法氣體滲透儀：濟南蘭光機電技術有限公司；力學拉伸實驗儀：長春市月明小型試驗機有限責任公司；Frontier傅里葉紅外光譜儀：珀金埃爾默企業管理有限公司；SDT-Q600綜合熱分析儀：美國TA公司。

1.3 試驗方法

雞皮、兔皮、三文魚皮明膠是采取酸法或堿法來提取。

1.3.1 明膠提取方法

雞皮、兔皮和三文魚皮明膠的提取分別采用謝苗等[8]、于瑋等[10]和閔新宇等[11]采用的方法，按照以下工藝進行：

新鮮動物皮膚→清洗→剔除多余皮下脂肪→清洗及剪切→前期處理→浸酸（堿）處理→中和水洗→水浴提膠（雞皮去除油脂）→過濾→濃縮干燥→成品明膠

1.3.2 明膠膜制備方法

3種明膠均稱取3 g，加入質量為明膠質量20%的甘油，添加100 mL的去離子水形成明膠溶液。雞皮明膠膜溶液放于溫度為55℃的恒溫磁力攪拌器上攪拌4 h，超聲波震蕩15 min去除氣泡，取60 mL明膠溶液用流延法涂布在聚四氟乙烯板上，將板放置于溫度為38℃、濕度為55%的恒溫恒濕箱中，靜置12 h后取出揭膜。兔皮明膠膜參考楊暉等[12]方法，將膜液于60℃水浴加熱并攪拌2 h，超聲震蕩10 min后取60 mL膜液涂布在聚四氟乙烯板上，在45℃條件下干燥24 h后揭膜。三文魚皮明膠膜參考涂宗才等[13]提供的方法，將膜液于40℃的條件下水浴攪拌3 h，超聲波震蕩20 min，同樣取60 mL膜液涂布在聚四氟乙烯板上，將板放置于溫度為37℃、濕度為55%的恒溫恒濕箱中，靜置18 h后取出揭膜。

1.4 性能測試

測定前將膜樣品放置于溫度為25℃、濕度為55%的干燥皿中平衡48 h，執行測試時每種類型膜隨機抽取5個樣品，并在樣品中取6個不同的測試點，測試結果取其平均值。

1.4.1 水蒸氣透過率的測定

根據GB 1037-88《塑料薄膜和片材透水蒸氣性試驗方法（杯式法）》，并按照ASTM[14]和王坤[15]提供的杯式法測定膜的吸濕率。具體做法為：在半徑為1.4 cm、高度為5 cm的敞口杯中放入SiO2干燥劑30 g，用明膠膜密封稱重，將其放置于隔板下有一定水的干燥皿中，在室溫條件下每隔2 h測定敞口杯的重量，直至重量變化穩定，按照相關公式計算水蒸氣透過率。

1.4.2 水溶性測定

根據Wang等[16]提出的方法，將膜剪切成30 mm×30 mm的小塊，放于105℃的恒溫恒濕箱中干燥24 h，取出后稱膜的質量并記作原始質量m，在室溫條件下將稱量過的膜于100 mL的蒸餾水中浸泡24 h，取出待膜完全干燥后再稱其質量并記作m1，用質量差（m-m1）與原始質量之比表示水溶性。

1.4.3 抗拉強度和斷裂伸長率的測定

根據GB 13022-1991《塑料薄膜拉伸性能試驗方法》，將完好無損的膜剪切成100 mm×15 mm的長條，用力學拉伸實驗儀測量膜的機械性能。設置參數：觸發力設為50 g，上下片的間距為110 mm，運動速率為50 mm/min。

1.4.4 透光率和霧度測定

根據GB 2410-2008《透明塑料透光率和霧度的測定》，利用透光率/霧度測定儀測量，將膜剪成5 cm×5 cm的正方形緊貼在透光口處，記錄數據。

1.4.5 透氧性測定

將平整、無微孔的待測膜裁成直徑為80 mm的圓形并放入工作臺中，邊緣用硅油密封好，設置上腔壓力為200 Pa，下腔壓力為100 kPa，氧流量設定為1 500 mL/min通氧5 min，進行測試并記錄數據[17]。

1.4.6 紅外光譜掃描

將待測膜裁成規定的長方形，用傅里葉紅外光譜儀（600 cm-1～4 000 cm-1）進行全反射掃描。

1.4.7 熱穩定性測定

利用SDT-Q600綜合熱分析儀對明膠膜的熱穩定性能進行測量，稱取充分干燥的膜3 mg放入坩堝中用氮氣保護，空白坩堝作為對比，掃描時溫度設為10℃～800℃，升溫速率為20℃/min[18]。

1.5 數據分析

用Origin 9.1數據處理軟件繪圖，用SPSS 21進行分析，方差采用ANOVA進行顯著性差異分析（p＜0.05），數據用平均值±標準偏差體現。

2 結果與分析

2.1 水蒸氣透過率（WVP）和水溶性分析

不同動物皮明膠膜的各項性能指標見表1。

表1 不同動物皮明膠膜的各項性能指標Table 1 The properties of gelatin film on different animal skins

由表1可知，三文魚皮明膠膜（以下簡稱魚皮明膠膜）的水蒸氣透過率最高，最低的為兔皮明膠膜，與魚皮明膠膜相比下降了0.65×10-8g/（m·s·Pa）。眾所周知明膠的親水性較高，其膜的水蒸氣透過率與明膠中的蛋白質主要氨基酸含量有關，即脯氨酸和羥脯氨酸等。兔皮明膠膜的水蒸氣透過率與雞皮明膠膜沒有顯著性差異，但兔皮明膠膜的水蒸氣透過率稍低，可能兔皮明膠中的脯氨酸和羥脯氨酸等亞氨基酸的含量較高，因此蛋白質結構較穩定，膜的致密性較好，使得水分子難以在膜中擴散，提高了阻隔性。

從表1中的數據也可知魚皮明膠膜在水中的溶解度與兔皮相比存在顯著性差異（p＜0.05），魚皮明膠膜的溶解度高達88%，雞皮明膠膜的溶解度低于魚皮明膠膜，兔皮明膠膜的溶解度最低，但也接近于80%。魚皮明膠溶解度高的原因是：在提取魚皮明膠時產生了較多的小分子肽鏈，暴露出能夠與水分子發生反應的功能基團，因此其的溶解度較大。通過這些試驗發現明膠膜的溶解度普遍較高，究其原因有兩方面：首先甘油是一種親水性增塑劑，能夠作用于蛋白質內部，聚合物之間的作用力較小，使得蛋白質結構較為松散，其次明膠屬于親水性材料，自身在水中的溶解度較大，因此明膠膜不適合水分含量較多的食品及新鮮水產品的包裝。

2.2 力學性能分析

抗拉強度和斷裂伸長率是衡量包裝材料力學性能主要的參考因素，良好的保鮮膜應具有較大的抗拉強度，防止在運輸及保鮮過程中由于野蠻裝卸等造成保鮮膜破損而導致保鮮效果下降。如表1所示，兔皮明膠膜的抗拉強度高達27.32 MPa，魚皮明膠膜的抗拉強度最低為24.71 MPa。兔皮明膠膜較厚且質地較硬，其中組成蛋白質的氨基酸結構排列較密，穩定性較好，因此在拉力試驗時需要更大的拉力。斷裂伸長率體現的是膜的延展性和脆性，可以看出雞皮明膠膜的斷裂伸長率最高為4.11%，魚皮明膠膜的斷裂伸長率最低為2.39%，說明雞皮明膠膜的延展性較好，在抗拉試驗中試樣的拉伸長度較大，這是因為雞皮明膠膜的質地較軟、脆性小且彈性較好。

2.3 透光率和霧度分析

應用于食品保鮮包裝中的保鮮膜需具有一定的紫外線阻隔能力，以保護食品減少紫外光線的影響，透光率和霧度可以間接表示出明膠膜對紫外線的吸收情況及外觀顏色的透明度。表2中表示了不同品種明膠膜的透光性能和霧度。

表2 不同動物皮明膠膜的透光率和霧度Table 2 Transmittance and haze of gelatin film on different animal skins

由表2可知，兔皮和雞皮明膠膜的透光率沒有明顯差異，魚皮明膠膜的透光率相對較高。由于甘油能與兔皮和雞皮明膠膜發生更多交聯，蛋白質空間結構排列由有序變為無序，使分子間間距變小，能有效阻止可見光的透射，導致透光率下降。從表2中可看出兔皮的霧度最高為21%，兔皮明膠膜顏色呈淡褐色，透明度較小導致霧度最高，在保鮮中不利于觀察到食品顏色。魚皮和雞皮明膠膜霧度顯著性差異不大，這兩種明膠膜都為無色，透明度較高，適合應用于便于觀察食品的包裝中。

2.4 透氧率分析

氧氣透過率是衡量保鮮膜對外界空氣的阻隔性，良好的食品保鮮膜能夠有效阻止氧氣及二氧化碳進入到包裝中，平衡包裝內部氣體環境，抑制細菌、霉菌的滋生，防止食品腐爛以延長其保質期。本次試驗中不同動物皮明膠膜的透氧率如表3所示。

表3 不同動物皮明膠膜的透氧率Table 3 Oxygen permeation rate of gelatin film on different animal skin

表3中可以看出不同種類明膠膜的透氧率也不同，其中兔皮明膠膜的透氧率最低為6 543.81 cm3/（m2·24 h·0.1 MPa），與兔皮明膠膜相比，魚皮明膠膜的氧氣透過率上升了1 776 cm3/（m2·24 h·0.1 MPa），雞皮明膠膜與魚皮明膠膜透氧率沒有顯著性差異。不同明膠中蛋白質的氨基酸組成不同，分子空間結構排列有別，兔皮明膠膜分子間能夠形成緊密的細網，有效降低氧氣通過率，魚皮明膠膜相對來講孔徑較大，大量氧氣分子可順利通過導致透氧率高。

2.5 紅外光譜分析

紅外光譜是分析材料分子結構和分子間相互作用最直接的方式，不同動物皮明膠膜的紅外光譜圖如圖1所示。

圖1 不同動物皮明膠膜的紅外光譜圖Fig.1 FT-IR spectra of films with different animal skins

由圖1可以看出3種動物皮明膠膜之間的結構相似，都存在5個特征峰。酰胺A帶表示N-H鍵的伸縮振動，峰值在3 270 cm-1～3 500 cm-1之間，在添加相同質量甘油的情況下可以看出，兔皮明膠膜的酰胺A帶的吸收峰最低。酰胺A帶吸收峰的波數較小，說明兔皮明膠膜中的羥脯氨酸和脯氨酸含量較多，甘油能與羥脯氨酸的Pro-NH鍵發生更多反應，即形成更多的氫鍵。酰胺Ⅱ帶表示的為N-H鍵的彎曲振動和角變形[19]，波數在 1 530 cm-1～1 550 cm-1之間，酰胺Ⅲ帶吸收峰表示為C-N鍵的伸縮振動，主要出現在1 230 cm-1～1 250 cm-1之間，與文獻中報道的特征吸收峰一致[12]。明膠膜的甘油吸收峰出現在1 030 cm-1～1 040 cm-1附近，其中魚皮明膠膜的吸收峰的波數最高，兔皮明膠膜最低，說明甘油與兔皮明膠之間發生更多的交聯反應，同時驗證了兔皮明膠膜的溶解度及水蒸氣透過率最低。

酰胺I帶是表征蛋白質二級結構的特征吸收峰，主要為C=O鍵的伸縮振動，出現的范圍為1 630 cm-1～1 665 cm-1。由圖1可知兔皮、雞皮和魚皮明膠膜的吸收峰分別為 1 647.24、1 642.12、1 634.25 cm-1，說明兔皮明膠膜的β-折疊含量較高，魚皮明膠膜的α-螺旋含量較高，可通過對酰胺I帶做基線校準、二階導數和去卷積對子峰進行歸屬，綜合二階導及去卷積對酰胺I帶進行高斯分峰擬合計算各子峰面積所占比例作為驗證，其去卷積、二階導數擬合子峰譜圖如圖2所示。

圖2 不同動物皮明膠膜二階導數擬合子峰譜圖Fig.2 Second-order derivative fission spectra of different animal skin gelatin film

由圖2可以看出，每種動物皮明膠膜的酰胺I帶做完二階導之后都會分離出相應的子峰，其中有代表性的峰值分布在 1 635、1 646、1 652、1 668 cm-1附近，對其做高斯多峰擬合之后得出對應的子峰峰值在1 617～1 632、1 647、1 659、1 673 cm-1附近，根據文獻[20-22]對子峰做如下歸屬：1617～1632、1 647、1 659、1 673 cm-1分別為β-折疊、無規則卷曲、α-螺旋和β-轉角結構。

表4為各子峰對應的二級結構含量。

表4 不同明膠膜酰胺I帶二級結構定量Table 4 Different gelatin membrane amide I with ionization peak area

由表4看出β-折疊和β-轉角含量最多的為兔皮明膠膜，說明兔皮明膠膜與甘油形成的氫鍵較多[23]，驗證了其酰胺A帶的吸收峰值較低。同時無規則卷曲與β-轉角的比值也能表征明膠膜的特性，比值越小說明結構多趨向于穩定的三螺旋結構，進一步說明了兔皮明膠膜的分子空間結構比其他兩種明膠膜穩定，同時驗證了兔皮明膠膜的力學性能及阻隔性更好。

2.6 熱穩定性分析

熱重法（TG）是常用的熱分析方法，在控溫條件下測量樣品質量隨溫度變化的關系，用熱解溫度和失重率及殘余量表示樣品熱穩定性。圖3反映了不同品種明膠膜熱穩定性的差異。

圖3 不同動物皮明膠膜的熱穩定圖Fig.3 Thermal stability of different animal pectin films

從圖3中可知，3種明膠膜的熱解可以分為3個階段。第一階段在20℃～110℃左右，主要為水分及甘油等小分子物質蒸發，失重速率隨溫度的升高呈現拋物線形狀，此時魚皮明膠膜的失重率最大。第二階段為劇烈失重階段，主要是由于蛋白質的變性及明膠肽鏈的熱解造成，溫度在110℃～460℃左右，失重率占到總體的80%左右，最大失重速率出現在310℃附近，其中雞皮明膠膜熱解溫度區間最大，且最大失重速率對應的溫度最高，失重率最小。第三階段為碳化階段在460℃～600℃，膜的質量損失緩慢，主要是樣品膜轉化為殘渣炭，此階段中雞皮與兔皮明膠膜失重速率及失重率幾乎變化一致，當溫度達到600℃時，魚皮明膠膜的殘渣量最多。由此可見，魚皮明膠膜的熱穩定性最差，雞皮與兔皮明膠膜熱穩定性相似，但雞皮明膠膜在高溫活躍時間長，最大失重速率溫度高，膜熱穩定性好。

3 結論

本文將兔皮、雞皮、三文魚皮按照一定的試驗方法提取明膠后制得不同種類的明膠膜，通過測定明膠膜的性能比較不同種類明膠膜的成膜性。結果表明：與雞皮和三文魚皮明膠膜相比，兔皮明膠膜有較低的水蒸氣透過率、透氧率、透光率和較高的抗拉強度，說明兔皮明膠膜可以有效阻止氣體、紫外線等穿過，且能夠承受一定的應力。通過酰胺A帶吸收峰可以看出兔皮明膠膜中羥脯氨酸和脯氨酸含量較多，通過對酰胺I帶做二階導及高斯擬合后，發現兔皮明膠膜中含有更多的β-折疊和三螺旋穩定結構，與前人研究結果一致。與雞皮及魚皮明膠膜相比，兔皮明膠膜與甘油交聯形成的氫鍵更多，空間結構密度大、結構穩定。熱穩定性分析中發現雞皮與兔皮明膠膜的熱穩定性沒有顯著性差異，都有一定的耐熱性。綜上所述，兔皮明膠膜在三者中測試的各項性能較好，即兔皮明膠膜內部結構較穩定，因此可以作為新型的明膠成膜材料應用于食品包裝中。由于明膠屬于親水基材料，其溶解度較高，放于濕度較大的環境中易吸濕變黏，影響實際應用效果，且明膠膜普遍抗拉強度較小，因此在以后的研究中需要對兔皮明膠膜加入添加劑以改性，提高其各項性能強度，以便擴大其應用范圍。

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