結冷膠-茶多酚復合膜性能的研究

朱桂蘭，郭娜，馬文藝，寧愿，倪紫惠

(合肥師范學院 生命科學學院，安徽 合肥，230061)

可食用膜是指食品最初包裝的薄層，一般是由可食用的成分制成的。可食用膜可阻止氧氣、水分和食品成分之間的交換，從而延長食品的保質期。可食用膜一般用多糖、蛋白質、脂類等天然大分子制成[1]。這些可食用膜材料最大的優點是在食用過程中可以和食品一起被消化，不需要對其進行額外的處理，所以不僅有效地節約了能源，同時也避免了環境污染。近年來，大量的研究工作都集中于兩種或多種成分制成的復合膜[2-3],這樣可以結合各種成膜材料的優點改善單一材料的性能，進而獲得具有多種優良性能的可食用性膜，也可以降低成本。

結冷膠是一種線性的細胞外多糖，可降解且無毒。結冷膠在金屬離子的存在下可形成性能優良的凝膠，從而被廣泛應用于食品行業中[4-6]。結冷膠還具有良好的成膜性能，YANG等[7-8]研究了結冷膠可食用膜，發現其具有良好的機械性能和阻水性能，已應用于果蔬保鮮中[9]。后來，學者們又將結冷膠與魔芋膠[10]、明膠[11]、卡拉膠[12]、普魯蘭[13]等制成了復合膜，發現結冷膠具有良好的復配性能。

可食用膜可通過攜帶和釋放各種活性物質(例如抗氧化劑和抗菌化合物)，來延長食品的保質期，降低病原微生物在食品表面生長的風險[14]。天然酚類化合物(例如植物精油和植物提取物)應用于可食用膜中，可改善膜的阻隔性能[15]。茶多酚是茶葉中多酚類物質及衍生物的總稱，具有很強的抗氧化活性和抑菌性能[16]。同時，茶多酚含有多羥基，具有和聚合物形成穩定氫鍵的能力，從而改變聚合物的網絡結構[17]。近年來，茶多酚因其低成本，無毒以及良好的生物相容性，而結合多糖、蛋白等制成可食用膜已廣泛應用于食品保鮮中[18-19]。DOU等研究了茶多酚對明膠-海藻酸鈉可食性薄膜發現隨著茶多酚濃度的增加，生物活性增加，拉伸強度，接觸角和交聯度增加[20]。LEI等研究了果膠和魔芋膠結合茶多酚共混制備食品活性包裝膜，研究發現添加適量的茶多酚后復合膜的分子間作用力更強且結構更致密，力學性能和阻隔性能均有一定提升，同時具備良好的抗菌和抗氧化等功能活性[21]。

本文以結冷膠為成膜材料、甘油為增塑劑，添加茶多酚制作可食用復合膜以增強抑菌作用，研究結果可為這類食品活性包裝膜的研發提供重要的參考依據，也擴大了結冷膠、茶多酚等食品添加物在可食用膜中的應用及開發。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

茶多酚(食品級，純度≥98%)：上海興隆食品科技有限公司；結冷膠(食品級)：河南安銳生物科技有限公司；其他試劑均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

TA-XT plus型物性測試儀，英國Stable Micro System公司；HAAKE旋轉流變儀，塞默飛世爾科技有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 復合膜膜液流變性能測定

將1g的結冷膠溶于100 mL蒸餾水中，90 ℃完全溶解后，加入0.5 g甘油混勻。再加入0.1、0.2、0.3、 0.4、0.5 g的茶多酚分別制成1、2、3、4、5 g/L的結冷膠-茶多酚復合膜液，脫氣后備用。

靜態流變性：探頭P35TiL；溫度30 ℃；剪切速率0.1～100 s-1。

動態黏彈性：探頭P35TiL；掃描應變1%；測試溫度30 ℃，掃描頻率0.1～100 Hz。

在復合膜液的頻率掃描的線性黏彈區域，儲能模量和損耗模量隨角頻率的變化選用公式(1)、(2)進行擬合：

G′=K′(w)n′

(1)

G″=K″(w)n″

(2)

式中：G′代表儲能模量，G″代表損耗模量，n′和n″分別是其相關系數，w代表頻率;K′是每個正弦剪切變形周期儲存和恢復的能量;K′的增加顯示出與彈性凝膠結構形成有關的樣品的彈性;K″是在1 Hz條件下每個正弦剪切變形周期損耗的以熱量形式散失的能量[16-17]。

1.3.2 結冷膠-茶多酚可食用膜的制備及性能測定

將制備好的不同比例結冷膠-茶多酚復合膜液倒入模具中， 60 ℃干燥18～24 h后結膜，再放置于(53±5)%(相對濕度)的干燥器中平衡至少48 h后，測定膜的相關性能。

1.3.2.1 厚度

在待測膜上隨機取10個點，用游標卡尺測定(精確度0.001 mm)，得其平均值即為膜的厚度。

1.3.2.2 機械性能

本實驗測得可食用性膜的機械性能包括機械強度(tensile strength,TS)和斷裂延伸率(elongation at break,EAB)。根據ASTM D882-02的方法[18]，將樣品裁剪成20 mm×90 mm大小，用物性儀測試各樣品的TS和EAB。物性儀的參數設置為：距離60 mm，速度1 mm/s。

1.3.2.3 水蒸氣透過率

膜樣品的水蒸汽透過速率根據ASTM E96方法測定[19]。

1.3.2.4 阻氧性

根據油脂的過氧化值的大小，來評價待測膜的阻氧性。過氧化值的測定方法參照國標GB/T 5538—2005[22]。

1.3.2.5 抑菌性能

采用抑菌圈法檢測復合膜抗菌性能[20]。將活化的微生物種子培養基涂布于固體平板培養基上，用打孔器將結冷膠-茶多酚復合膜制成直徑為10 mm的小圓片，放置于平板中，37 ℃恒溫培養24 h，用游標卡尺測量抑菌圈的直徑大小。

1.3.2.6 掃描電鏡

用TM3030掃描電鏡觀察膜樣品的表面和橫截面，放大倍數為2 000倍，電子束的加速電壓1.0 kV。

2 結果與分析

2.1 結冷膠-茶多酚復合膜膜液的流變性能

在某一程度上，可食用膜溶液性質可以為成膜過程提供一定的參考，例如成膜溶液的假塑性、黏彈性能可以為脫氣、干燥的過程提供依據[21]。

2.1.1 靜態流變學性質

不同茶多酚濃度的結冷膠-茶多酚復合膜液的靜態流變學性質如圖1所示，所有樣品隨著剪切速率的增加，溶液的黏度不斷減小，均出現了剪切變稀的現象[23]。隨著茶多酚濃度的增加，復合膜液黏度有一定程度上升，但均不顯著，例如在剪切速率為100 s-1、茶多酚質量濃度為0、1、2、3、4、5 g/L時，復合膜的黏度分別為1.651、1.749、1.833、1.875、1.878、1.922 Pa·S。這說明在結冷膠-茶多酚復合膜液中，結冷膠是決定復合體系流變學特性的關鍵因素，添加茶多酚可能增加了結冷膠分子的聚合[15]，進而提高了溶液的黏度。

圖1 結冷膠-茶多酚復合膜液靜態流變曲線Fig.1 Flow curves of gellan gum- tea polyphenols blending film-forming solutions

2.1.2 動態頻率掃描

結冷膠-茶多酚復合膜液的儲能模量G′和損耗模量G″隨角頻率的變化如圖2所示，G′和G″隨頻率的增加逐漸增大，復合體系的G″均大于G′，說明所研究的復配體系都顯示了高的黏彈性。隨著茶多酚質量濃度的增加，復合體系的G′和G″增加，這可能是由于茶多酚使復合膜液結構內部的分子鏈間的纏節點增多，膜液內部的網絡結構加強[24]。通過公式(1)、(2)對結冷膠-茶多酚復合膜液的線性黏彈區域的數據進行擬合，計算得到的參數如表1所示。由表1可知，n′和n″為正值，且K″>K′，說明結冷膠-茶多酚復合膜液呈現弱凝膠現象。茶多酚濃度對n′值影響不大，說明結冷膠-茶多酚復合膜液的動態流變學性能主要是由結冷膠的黏彈性決定的，在溶液中結冷膠形成了三維網狀結構。隨著茶多酚比例的增大，結冷膠-茶多酚復配體系的K′值增大，這也許歸結于茶多酚的加入增加了結冷膠-茶多酚復合膜液連續相的黏彈性。隨著茶多酚含量的增加，復配體系的彈性增加[17]。

A-儲能模量G′;B-損耗模量G″圖2 結冷膠-茶多酚復合膜液動態模量的變化Fig.2 Dynamic modulus of gellan gum-tea polyphenols blending film-forming solutions

表1 結冷膠-茶多酚復合體系的公式(1)和公式(2)的參數Table 1 The parameters as determined from Eqs (1) and Eqs (2) of gellan gum-tea polyphenols blending film-forming solutions

茶多酚/(g·L-1)G′G″n′K′R2n″K″R200.772.370.980.577.710.9810.802.300.9880.578.430.9820.822.030.9980.597.500.9930.802.170.990.577.770.9840.802.700.980.579.380.9950.812.770.990.589.780.99

結冷膠-茶多酚復合膜液的流變學結果說明，在復合體系中，結冷膠對復合膜液的流變性起主導作用，在所研究的范圍內，茶多酚的加入不會影響復合體系從液態(成膜溶液)到固態(可食用膜)的變化，復合體系具有成膜性。

2.2 結冷膠-茶多酚復合膜的性能

2.2.1 機械性能

結冷膠-茶多酚復合膜的抗拉強度和斷裂延伸率如圖3所示。由圖3可知，隨著茶多酚比例增大，可食用膜的抗拉強度先增大后減小，在茶多酚質量濃度為4 g/L時，達到最大值，為14.08 MPa。抗拉強度增大原因可能是因為茶多酚是一種多羥基的化合物，與結冷膠大分子之間通過一系列氫鍵的相互作用構成致密的網絡結構。當茶多酚的質量濃度為4 g/L以內時，斷裂延伸率變化緩慢，而茶多酚質量濃度進一步增加時斷裂延伸率下降很快，可能是因為茶多酚質量濃度升高，使得復合膜的不同分子間的遷移率下降，使得膜的脆性增加，較易斷裂，即斷裂延伸率下降[25]。

A-抗拉強度；B-斷裂延伸率圖3 結冷膠-茶多酚復合膜的機械性能Fig.3 Mechanical properties of the gellan gum- tea polyphenols blend film

2.2.2 水蒸氣透過率

由圖4可知，隨著茶多酚比例的增大，可食用膜的水蒸氣透過率先減小后增大。

圖4 結冷膠-茶多酚復合膜的水蒸氣透過率Fig.4 Watervapor permeability of the gellan gum- tea polyphenols blend film

相比于未添加茶多酚的對照組，結冷膠-茶多酚可食用膜的水蒸氣透過率明顯減小，當茶多酚的質量濃度為4 g/L時達到最小值8.01 (g·m)/(d·Pa·m2)，可能的原因是茶多酚和其他分子形成氫鍵，通過各種相互作用使得大分子間的間隙減小，形成致密、穩固的結構，從而使得水蒸汽透過率減小[26]，即膜的阻水性增強。

隨著茶多酚比例進一步的增加，容易在膜表面形成結晶，膜的緊密程度下降，從而使得水蒸汽容易透過膜，水蒸汽透過率增大[27]。

2.2.3 阻氧性能

由圖5可知，隨著茶多酚含量的增加，油脂的過氧化值逐漸減小，即可食用膜的阻氧性逐漸增強。茶多酚中存在大量的酚羥基也可以阻止油脂氧化中的鏈傳遞，使得油脂氧化程度下降，即膜的阻氧性增強[28]。

圖5 結冷膠-茶多酚復合膜的阻氧性Fig.5 Oxygen barrier property of the gellan gum- tea polyphenols blend film

2.2.4 抑菌性能

結冷膠-茶多酚復合膜對枯草芽孢桿菌、產黃青霉、大腸桿菌和釀酒酵母的抑菌性能如表2所示。

表2 結冷膠-茶多酚可食用膜的抑菌性能Table 2 Antimicrobial properties of the gellan gum- tea polyphenols blend film

未添加茶多酚的可食用膜對所測試的微生物沒有抑制作用，其抑菌圈為零。復合膜中添加茶多酚對所研究的微生物均有比較高的抑菌性能。抑菌效果與茶多酚的含量和微生物的種類相關[29]。添加5 g/L茶多酚的復合膜抑菌性能最強，說明茶多酚質量濃度越高，抑菌性能越好。

另外，對于每種微生物，隨著茶多酚在復合膜中的質量濃度降低，抑菌性能下降，例如當茶多酚質量濃度從5 g/L降到1 g/L時，枯草桿菌的抑菌圈直徑從(15.33±0.62)mm 降到(2.33±0.16)mm。

綜合表明，茶多酚對微生物的抑菌效果大小為枯草芽孢桿菌>產黃青霉>大腸桿菌>釀酒酵母。結果表明，茶多酚對革蘭氏陽性菌的抑制效果最明顯，對霉菌抑制效果次之，對酵母菌和革蘭氏陰性菌抑制效果不明顯。

2.2.5 掃描電鏡

膜的掃描電鏡圖可用于揭示與成膜基體微觀結構有關的一些信息，從而更好地解釋可食用膜宏觀性能變化的原因。結冷膠-茶多酚復合膜的掃描電鏡圖如圖6所示，從圖6-a和圖6-c中可以看出，純結冷膠膜和結冷膠-茶多酚復合膜的表面微觀結構呈現均一體系，不存在任何的裂隙和小孔，說明兩多糖間無相分離現象。比較添加2 g/L的茶多酚膜(圖6-d)和純結冷膠膜(圖6-b)的橫截面圖發現茶多酚能很好地分布在膜基質中，具有一定的相互作用。

a-純結冷膠膜的表面圖; b-純結冷膠膜的橫截面圖；c-結冷膠-茶多酚復合膜的表面圖; d-結冷膠-茶多酚復合膜的橫截面圖圖6 膜樣品的掃描電鏡圖Fig.6 Scanning electron microscopy pictures of the film samples

3 結論

結冷膠-茶多酚復合膜液具有剪切變稀的現象，表觀黏度隨著茶多酚質量濃度的增加而增加。隨著茶多酚含量的增加，儲能模量G′和損耗模量G″增加。結冷膠-茶多酚復合膜液的流變學結果說明，在復合體系中，結冷膠對復合膜液的流變性起主導作用，在所研究的范圍內，茶多酚的加入不會影響復合體系從液態(成膜溶液)到固態(可食用膜)的變化，復合體系具有成膜性[30-36]。

在結冷膠膜中加入茶多酚可提高復合膜拉伸強度和阻氧性，降低了復合膜的斷裂伸長率，同時也提高了復合膜的阻水性能。與未加茶多酚的結冷膠膜相比，復合膜具有抑制枯草芽孢桿菌、大腸桿菌、產黃青霉和釀酒酵母的性能。