海藻酸鈉對魚皮明膠膜理化特性的影響

劉全嬌，陸劍鋒，呂 順，姜紹通，林 琳*

（合肥工業大學食品與生物工程學院，安徽省農產品精深加工重點實驗室，安徽 合肥 230009）

包裝是保護食品不受不利的化學及微生物因素影響的重要而有效的方法[1-2]。隨著普通塑料包裝材料造成的環境問題日趨嚴重，人們對食品包裝可食用膜的開發興趣日益增加[3-4]。多糖和蛋白質等天然大分子材料因其具有良好的結構和機械特性，成為制備可食用包裝膜的良好選擇[5]。

明膠是由動物結締組織中的天然膠原質在適當條件下其三級、二級和部分一級結構被破壞，膠原的三股螺旋結構松開，相互纏繞的鏈解開以后得來的產物[6]。明膠具有凝膠特性，成膜性能良好，與其他蛋白膜相比[7]，明膠膜具有機械性能強、阻隔性能好、透明度高等特點，在可食性包裝膜的應用方面有不可替代的優越性[8]。海藻酸鈉是白色或淡黃色粉末狀的一種聚陰離子的電解質[9]，一定濃度的海藻酸鈉溶液通過干燥的方法，可以制得水溶、透明、阻氧性和機械性能較為優良的膜。但單純的明膠膜質脆，而海藻酸鈉由于親水性使其在濕度較高的環境中容易吸潮發黏，形成的膜熱性能較差，機械性能也有待改善。將明膠與海藻酸鈉共混制膜可以制備出集二者優點，具有更加廣泛功能特性的復合膜。兩種成膜材料依賴分子之間的氫鍵交聯以及鏈之間的纏繞形成復雜的三維結構，這樣的三維構象使得復合膜的阻隔性好、強度及熱穩定性高[6,10]。

羅非魚（Oreochromis niloticus）是我國重要的淡水養殖品種，主要用于加工冷凍魚片。羅非魚在加工過程中產生大量的副產物（約50%以上），其中魚皮中富含膠原蛋白，從魚皮中提取膠原蛋白和明膠可大幅提高魚加工副產物的經濟價值，并可減少環境污染[11]。本實驗利用羅非魚魚皮明膠和海藻酸鈉共混制備復合膜，考察海藻酸鈉的添加比例對魚皮明膠膜的力學性質、吸濕性、水溶性和透光性的影響，并通過流變學分析和X射線衍射對魚皮明膠與海藻酸鈉復合的成膜機理進行分析。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

羅非魚皮明膠（純度＞85%）由實驗室自制，參考汲聰玲等[12]的方法稍作修改；海藻酸鈉、甘油、硫酸銨（均為分析純） 國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

分析天平 上海民橋精密科學儀器公司；恒溫恒濕箱 上海一恒科學儀器有限公司；SP-752紫外-可見分光光度計 上海光譜儀器有限公司；DISICOVERY HR-3流變儀 美國TA公司；DHG-9123J精密恒溫鼓風干燥箱 上海三發科學儀器有限公司；TA-XT Plus物性測試儀 英國Stable Micro System公司；D/MAX2500V型X射線衍射儀 日本理學儀器株式會社。

1.3 方法

1.3.1 明膠-海藻酸鈉復合膜的制備

室溫條件下，在燒杯中以去離子水溶解一定量的經研磨的海藻酸鈉粉末，在恒溫水浴下電動攪拌使其充分溶解，制備2 g/100 mL的海藻酸鈉溶液。羅非魚皮明膠實驗室自制，選取明膠熱水提取溫度50 ℃、pH 4.5，其余均參考汲聰玲等[12]的方法。稱取實驗室自制的羅非魚皮明膠，以蒸餾水為溶劑靜置溶脹30 min，之后在60 ℃水浴中持續攪拌使之完全溶解，配制成10%的明膠溶液。

將已制備的2 g/100 mL海藻酸鈉溶液與10 g/100 mL溶液按一定比例混合，混合后使明膠溶液和海藻酸鈉溶液的質量比分別為0∶100（單一海藻酸鈉膜）、20∶80、40∶60、60∶40、80∶20、100∶0（單一明膠膜），將膜編號為Gel∶Alg 0∶100、Gel∶Alg 20∶80、Gel∶Alg 40∶60、Gel∶Alg 60∶40、Gel∶Alg 100∶0，然后加入4%甘油增塑，將混合溶液于40 ℃攪拌均勻，靜置脫除氣泡后，在塑料平皿中流延成膜，置于恒溫恒濕箱（條件控制為溫度20 ℃、相對濕度60%）中干燥48 h，揭膜備用。

1.3.2 明膠-海藻酸鈉復合膜的理化性質測定

1.3.2.1 力學性能測定

膜的力學性能的測定參考王京[13]的方法。用物性測試儀測定共混膜的力學性能，選取質地均勻光滑的薄膜，將其切成長條形狀（1 cm×8 cm），設定儀器的起始間距為40 mm，拉引速率為 60 mm/min。每個樣品重復測定5 次。分別按照公式（1）和（2）計算復合膜的抗拉強度和斷裂伸長率：

式中：TS為抗拉強度/MPa；Fm為試樣斷裂時承受的最大張力/N；L為膜的厚度/mm；W為膜的寬度/mm。

式中：E為斷裂伸長率/%；L0為膜的原始長度/mm；ΔL為膜斷裂時被拉伸的長度/mm；L1為膜斷裂時達到的最大長度/mm。

1.3.2.2 水溶性的測定

參考Sahraee等[14]的方法。稱取0.5 g膜，在恒溫干燥箱（105 ℃）中干燥至質量恒定，稱量后將其于室溫完全浸于50 mL的蒸餾水中，靜置24 h，之后將混合液在9 000 r/min離心10 min，倒掉液體部分，將剩余的固體再次干燥至質量恒定，每個樣品重復測量3 次，按公式（3）計算膜的溶解度：

式中：WS為溶解度/%；M0為膜的初始質量/g；M為膜溶解后膜的質量/g。

1.3.2.3 吸濕性測定

參考李東華[15]的方法。稱量0.5 g膜于規格（直徑×高）為50 mm×30 mm的稱量瓶中，于105 ℃條件下烘干至質量恒定，然后將其移至于底部盛有飽和硫酸銨溶液（相對濕度81%）的干燥器中敞口放置，密封干燥器，室溫放置。每間隔 6 h稱量樣品放置前后的質量，每個樣品重復測量3 次，根據公式（4）計算吸濕率：

式中：M0為放置前樣品的質量/g；Mn為放置后樣品的質量/g。

1.3.2.4 透光率的測定

透光率是用來衡量復合膜相容性的有效方法之一[16]。如果兩種成膜基質不能很好地融和，那么在兩相界面上光的散射或反射會使共混膜的透光率降低[17]。參考Etxabide等[18]的方法。選擇均勻、光滑的膜樣品，將其切成條形（50 mm×10 mm）貼在石英比色皿一邊，以空皿為空白參比，用紫外-可見分光光度計測定其透光率，波長的掃描范圍為200～800 nm。

1.3.2.5 復合膜液的靜態流變學特性測定

參考王利強等[19]的方法。將不同配比的明膠-海藻酸鈉復合膜液冷卻至室溫，加一定量膜液到25 ℃流變儀錐板臺上進行靜態流變性測定，擦去平板外多余樣品，使用直徑為40 mm的2°錐形測量板，設定板間距為1 000 μm。設定剪切速率變化范圍為0～700 s－1。復合膜的靜態流變行為采用Ostwald-de-Waele模型進行擬合，公式如下：

式中：σ為剪切壓力/Pa；Κ為稠度系數/（Pa?s）；γ為剪切速率/s－1；n為冪律指數（流動行為指數）。

1.3.2.6 X射線衍射分析

參考Chetouani等[20]的方法。采用X射線衍射儀測定膜的結晶性能，掃描范圍為5°～70°，用分峰法計算復合膜樣品的結晶度。

2 結果與分析

2.1 復合膜的力學性能分析

從圖1可以看出，復合膜中海藻酸鈉添加比例低于40%時，隨著復合膜中海藻酸鈉添加比例的提高，復合膜的抗拉強度逐漸增加，斷裂伸長率也較單一的明膠膜有明顯增加，說明加入海藻酸鈉有利于改善明膠膜的力學性質，純明膠膜的抗拉強度和斷裂伸長率分別為5.5 MPa和64%，純海藻酸鈉膜抗拉強度和斷裂伸長率分別為4.6 MPa和88%，當復合膜中Gel∶Alg 60∶40時，復合膜的抗拉強度和斷裂伸長率均達到最大值，分別為6.6 MPa和120%，抗拉強度相對于純明膠膜和純海藻酸鈉膜分別增加了20%和43%，斷裂伸長率分別增加了87.5%和26.7%。

圖1 海藻酸鈉對復合膜力學性能的影響Fig. 1 Effect of sodium alginate on mechanical properties of composite films

海藻酸鈉加入明膠膜后使復合膜的抗拉強度增大，是由于海藻酸鈉的正電荷與明膠帶的負電荷之間能形成聚兩性電解質，使兩種成膜材料之間產生較強的分子間作用力[21-22]，從而提高了其抗拉強度，但繼續提高復合膜中海藻酸鈉的比例（＞40%），膜的拉伸強度有一定程度降低，表明過多的海藻酸鈉用量不利于提高共混膜樣品的拉伸強度，這可能是因為海藻酸鈉含量過多，不能完全充分地與明膠分子間生成離子鍵以及氫鍵。另一方面，純明膠膜的斷裂伸長率最小，低于純海藻酸鈉膜，說明其韌性較差。海藻酸鈉含量較低時，復合膜的性質與純明膠膜的性質相似，膜較脆，斷裂伸長率低。海藻酸鈉的加入可提高復合膜的韌性，復合膜的斷裂伸長率均高于單一明膠膜。這是由于海藻酸鈉分子中含有較多的極性基團（—OH），在同等濕度的條件下，海藻酸鈉含量高的復合膜吸濕率較大，水分子在膜中有增塑的作用，使得共混膜的自由體積增加，改善了分子鏈段的運動性[23]，從而提高其斷裂伸長率。

2.2 復合膜的水溶性分析

圖2 海藻酸鈉對復合膜水溶性的影響Fig. 2 Effect of sodium alginate on water solubility of composite films

不同比例海藻酸鈉溶液與明膠溶液共混后制得的復合膜的水溶性如圖2所示。常溫下，單一海藻酸鈉膜在24 h內的水溶性接近100%，即幾乎完全溶解，這是海藻酸鈉膜在可食性食品包裝膜上應用受到限制的主要原因，而單一明膠膜的水溶性最小。海藻酸鈉與明膠共混后形成的復合膜水溶性顯著降低，達到55%以下，主要是因為2 種成膜物質之間發生較強烈的分子之間離子鍵和氫鍵鍵合作用，形成新的復合物，導致復合膜的水溶性低于單一海藻酸鈉膜。

2.3 復合膜的吸濕性分析

圖3 海藻酸鈉對復合膜吸濕性的影響Fig. 3 Effect of sodium alginate on hygroscopicity of composite films

由圖3可見，隨著時間的延長，膜的吸濕率逐漸增大，在前20 h各樣品膜的吸濕速率升高很快，40 h以后已基本到達平衡的狀態。單一海藻酸鈉膜吸濕率最高，平衡后達50%，單一明膠膜平衡后吸濕率最低。復合膜的吸濕率介于兩種單一膜之間，在25%～40%之間，且吸濕程度隨著復合膜中海藻酸鈉含量的增加而增大，這是由于2 種膜材料混合后，海藻酸鈉的親水基團與明膠分子間產生氫鍵作用，使明膠所形成的膠原纖維漸漸分散開，大部分親水基團被暴露在外，使膜的吸濕性有一定程度的提高[24]。

2.4 復合膜的透光率分析

圖4 海藻酸鈉對復合膜透光率的影響Fig. 4 Effect of sodium alginate on transmittance of composite films

從膜的外觀可知，不同配比的混合膜外觀均呈現透明狀。由圖4可以看出，當海藻酸鈉質量分數低于80%時，復合膜的透光率皆在80%以上，呈現較好的透光性。當復合膜中海藻酸鈉質量分數高于80%時，復合膜的透光率降低至70%左右，這可能是因為海藻酸鈉本身是乳白色，隨復合膜中海藻酸鈉含量的升高，其自身的顏色對共混膜的顏色產生的影響逐漸增大。

2.5 復合膜液的流變學特性分析

圖5 不同剪切速率下復合膜液黏度（a）和剪切應力（b）的變化Fig. 5 Change in viscosity (a) and shear stress (b) of composite films at different shear rates

由圖5a可知，除單一明膠溶液黏度不隨剪切速率改變外，其他樣品（包括單一海藻酸鈉溶液）的黏度均隨著剪切速率的增加而降低，特別是當剪切速率在0.1～400 s－1范圍內時，復合膜液和海藻酸鈉溶液的黏度迅速降低，表明復合膜液和單一海藻酸鈉溶液皆為剪切稀化體系。在同一剪切速率下，復合膜液中海藻酸鈉溶液比例的提高使溶液的黏度增大。當剪切速率高于400 s－1時各膜液的黏度均趨于平穩，但各溶液的黏度依然存在明顯的差異，說明海藻酸鈉對復合膜液的黏度影響較大。復合膜液會剪切稀化是由于海藻酸鈉與明膠分子鏈端相互纏結，大分子之間產生的鏈間作用結構較穩定，分子的自由流動受到阻礙造成的[25]；當外加剪切力作用時，分子間穩定結構被破壞，分子便能自由流動，黏度急劇下降[26]；當剪切速率達到一定限度，分子結構再次變得平穩，此時分子鏈已充分取向，就不會有太大的黏度變化[27]。

由圖5b可知，各混合膜液的剪切應力隨剪切速率的增加而變大，除單一明膠溶液外，其他曲線皆過原點并向上凸出，以此可判斷所有除單一明膠溶液外，復合膜液（包括單一海藻酸鈉溶液）均屬于非牛頓流體[28]，在剪切速率相同的條件下，單一海藻酸鈉溶液的剪切應力最大，提高復合膜液中海藻酸鈉的比例越高，其剪切應力越大。

根據剪切速率-剪切應力變化曲線，使用Ostwaldde-Waele模型進行靜態流變曲線的擬合，計算出不同膜液體系的稠度系數（K值）、流動指數（n）值以及相關系數（R2），結果見表1，其中K值用以表征混合膜液的表觀黏度，流體的增稠能力隨K值的增大而提高；n表示流體的非牛頓性程度，對于牛頓流體而言，n等于或接近1；對假塑性流體而言，n值小于1，且n值越是偏離1而減小，膜液的非牛頓特性更加明顯[19]。

表1 不同配比的復合膜液的冪律方程擬合參數Table 1 Power-law equation parameters for film forming solutions with different ratios between gelatin and sodium alginate

由表1可知，各方程的相關系數R2都高于0.99，可見模型有較好的擬合水平。各參數的計算結果顯示單一明膠膜的n值接近1，其他復合膜液n值均小于1，且隨著海藻酸鈉在復合膜中的比例的增加，n值逐漸降低，單一海藻酸鈉溶液的n值最小，結合圖5，可以認為單一明膠溶液為牛頓流體，而明膠-海藻酸鈉混合溶液以及單一海藻酸鈉溶液皆為非牛頓流體。此外，單一明膠溶液的K值最小，增稠能力最弱，隨混合膜液中海藻酸鈉比例的提高K值逐漸增大，說明當明膠溶液與海藻酸鈉溶液混合后會使溶液的增稠能力增大，成膜液增稠能力越大越不利于成膜液流延均勻且更容易產生氣泡，這一定程度影響了膜的均勻性和致密性[19]。

2.6 復合膜的X射線衍射分析

圖6 復合膜的X射線衍射譜圖Fig. 6 X-ray spectra of composite films

由圖6可知，單一的海藻酸鈉膜沒有結晶峰，單一的明膠膜的衍射峰位為7.5°和20.1°，這與Sahraee等[14]的研究結果一致，復合膜的結晶峰位與單一明膠膜一致。明膠膜在7.5°處的衍射強度很高，說明有一部分棒狀的膠原蛋白三螺旋結構存在[29]。

從表2可以看出，Gel∶Alg 80∶20的復合膜結晶度最高，且高于單一明膠膜的結晶度，可見海藻酸鈉與明膠分子間并不是簡單的機械混合，兩者間存在一定的化學上的相互作用。隨著復合膜中海藻酸鈉比例的增加，復合膜的結晶度降低，說明海藻酸鈉的增加使明膠與海藻酸鈉之間形成了強烈的氫鍵結合，削減了明膠分子中羥基、氨基與羧基間的氫鍵結合，使得明膠的規整結構遭到破壞，導致復合膜的無定形區的含量變大，結晶度下降[30]。

表2 復合膜的結晶度Table 2 Crystallinity of composite films

3 結 論

本研究利用海藻酸鈉與羅非魚皮明膠共混制備食品包裝復合膜，考察海藻酸鈉在復合膜中的添加比例對復合膜理化性質的影響。實驗結果表明明膠-海藻酸鈉復合膜結構致密、均勻，透光性良好。海藻酸鈉的加入使膜的機械性能和延展性得以改善，海藻酸鈉添加量在40%時，抗拉強度達最大值6.6 MPa，相對于純明膠膜和純海藻酸鈉膜分別增加了20%和43%，斷裂伸長率也在此時達到最大值120%，相應的分別增加了87.5%和26.7%。經共混后復合膜的水溶性在55%以下，吸濕率介于25%～40%之間，較單純的海藻酸鈉膜完全水溶和高吸濕性有較大改善；流變學分析可知明膠與海藻酸鈉形成的復合膜液為非牛頓流體，其黏度和增稠能力較單一明膠膜高；X射線衍射結果顯示在復合膜中不同的海藻酸鈉添加比例會影響膜的結晶度，表明海藻酸鈉和明膠在成膜過程中存在氫鍵交聯作用。本研究結果可進一步拓展魚皮明膠的應用領域，并為羅非魚皮的高值化的應用提供參考。