殼聚糖/姜黃素/γ-聚谷氨酸可食性復合膜的制備及對培根和火腿的保鮮效果

李天密，屈思佳，韓俊華*

（河北科技大學生物科學與工程學院，河北 石家莊 050018）

殼聚糖（chitosan，CS）具有良好的成膜性，是地球上最豐富且天然存在的多糖之一[1]。由于其安全性、生物可降解、來源廣泛等優良特性，在食品、化妝品、生物醫學及農業等領域有廣泛的應用[2]。且CS具有多種降解方法，包括光降解、酶降解、酸降解等[3]，因此全球許多公司已開始將基于CS的產品進行商業化[4]。但是CS單一成膜組分不具備一定的抗氧化性，且抑菌范圍較窄，可降解速度較為緩慢；因此，國內相關研究者通過添加一種或者多種組分制備復合膜以改善其性能，擴大其應用范圍。蒲傳奮[5]、Shankar[6]等通過向CS中添加硫納米顆粒、微晶纖維素，顯著提高了CS膜的疏水性、抗氧化性、機械強度及抗菌活性。γ-聚谷氨酸（γ-polyglutamic acid，γ-PGA）是一種由微生物產生的易生物降解的高分子天然聚合物，具有良好的水溶性，且無毒、可食用[7]，在食品工業中具有極高的發展潛力及應用價值[8-10]。通常為適應不同產品類型、不同加工條件或保存環境的要求，需要在膜中添加特定物質來改善膜的物理特性、功能性、抑菌性等，擴大其適用范圍。姜黃素（curcumin，Cur）是從姜科植物郁金、天南星科植物菖蒲等的植物根莖中提取的一種小分子物質[11]，是良好的食品級色素[12]，具有顯著的抗氧化功能及抗炎、抗腫瘤、抗動脈粥樣硬化等生物活性[13]，近年來逐漸受到國內外臨床治療、醫藥、食品、保健品等研究者的關注。

果蔬類產品多使用含蠟的水溶性乳液進行保鮮處理，但蠟質成分在體內體外都難以降解。而對于肉制品而言，腸衣隨著需求量的增大，應用范圍也逐漸擴大，但對于一些食品的使用受到限制[11]。而CS、γ-PGA均具有良好的可降解性和安全性，以其為成膜材料所制備的可食性膜可通過直接噴灑于食品表面或將成型的膜覆蓋于食品表面達到預想的效果，除可減少產品的氧化和水分損失外，還可改善產品質量、色澤、感官屬性及延長保質期[12-13]。馮文婕等[14]發現以一定濃度茶多酚-CS復合保鮮膜液對新鮮草莓進行涂膜保鮮處理，可延長草莓的保鮮期，且保持其較好的感官品質。因此，可食性膜的開發利用在食品的保存與運輸中起著至關重要的作用。Cur作為一種光敏劑，在光照作用下可以發生光敏作用，產生光毒性，表現出抑菌效果。然而，光毒性是否對人體產生不良影響，已有研究對此進行了探討。武娟等[15]探究了光敏化Cur對小鼠L929細胞生長的影響。結果表明，經不同濃度的光敏化Cur（5、10、20 μmol/L）處理后，L929細胞生長良好，不發生細胞凋亡，與對照組相比無明顯差異。且Cur在光照下易發生分解，主要產物為阿魏酸和香草醛，二者分別具有調節人體生理機能和輔助治療各種類型癲癇的作用。因此，搭載Cur的可食性復合膜將有助于擴大其于果蔬及肉制品保鮮中的使用范疇。

本研究以CS、γ-PGA為成膜材料，添加Cur制備可食性復合膜，對膜的厚度、透光率、水溶性進行評價，闡明各組分對可食性膜特性的影響，并分析膜的表面結構和紅外吸收情況。然后探究該可食性復合膜對培根及火腿表面的抑菌保鮮效果，以初步評價其應用于肉制品保鮮包裝的可行性。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

CS（脫乙酰度≥95%） 上海阿拉丁試劑有限公司；γ-PGA（相對分子質量為7×105） 陜西一諾生物科技有限公司；Cur（純度99%） 山東西亞化學工業有限公司；胰蛋白胨、瓊脂粉、酵母浸粉 北京奧博星生物技術有限責任公司；氯化鈉、乙酸、無水乙醇、丙三醇均為分析純；實驗用水為去離子水。

1.2 儀器與設備

YT-CJ-1N型超凈工作臺 北京亞泰科隆儀器技術有限公司；SHZ-82A恒溫振蕩器 常州市國旺儀器制造有限公司；SPX-100B-Z型生化培養箱 上海博迅實業有限公司醫療設備廠；79-1型磁力攪拌器 北京中興偉業儀器有限公司；JJ-1A數顯電動攪拌器 金壇市榮華儀器制造有限公司；DZF-6320真空干燥箱 上海新苗醫療器械制造有限公司；UV-6000PC紫外-可見分光光度計上海元析儀器有限公司；螺旋測微器 上海申韓量具有限公司；JEM-2100型掃描電子顯微鏡 日本電子株式會社；TENSOR37型傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared，FTIR）儀 杭州漢澤科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 復合膜的制備

采用流延法制備復合膜，復合膜液的配制及膜制備的具體方法如下。

CS/Cur膜：將CS用體積分數1%冰乙酸溶解，依次配制成5、10、15 g/L的CS溶液，分別取100、99、97、95、92、90 mL的CS溶液，分別添加不同體積（0、1、3、5、8、10 mL）1 mmol/L的Cur溶液，于60 ℃水浴鍋內充分反應，直至CS溶液與Cur混合均勻，得到Cur濃度分別為0、0.01、0.03、0.05、0.08、0.10 mmol/L的透明狀CS-Cur膜液。

CS/Cur/γ-PGA復合膜：將10 g/L的γ-PGA按一定體積比例（1∶10、1∶8、1∶6、1∶4、1∶2）緩慢添加到CS/Cur溶液（含10 g/L CS和0.05 mmol/L Cur）中，于70 ℃恒溫水浴鍋中振蕩2 h后，取出得到相應體積比的CS/Cur/γ-PGA復合膜液。

在以上復合膜液中分別加入一定量甘油（為了成膜），超聲脫氣5 min，排除氣泡。取一定量的該膜溶液分別倒入直徑90 mm的玻璃平皿內，于40 ℃真空干燥箱中烘干24～36 h，得到均勻的膜樣品，在相對濕度為50%的環境下放置2 h，揭下備用。

1.3.2 復合膜指標測定

1.3.2.1 厚度的測定

膜厚度的測定參考Prommakool等[16]的方法。將待測膜樣品裁剪成大小相同的薄膜，采用螺旋測微器分別測量膜四周及中心位置5 處的厚度，取其平均值。

1.3.2.2 水溶性的測定

選取適當大小的膜樣品，記錄其初始質量（m0/g），置于燒杯中，加入去離子水，將膜樣品充分浸泡4 h，取出，用濾紙將表面水分吸干之后置于干燥箱，50 ℃干燥至質量恒定，記錄此時質量（m1/g）。按公式（1）計算膜樣品的水溶性。

式中：m0為膜樣品的初始質量/g；m1為充分浸泡干燥后的膜樣品的質量/g。

1.3.2.3 透明度的測定

透明度的測定參考王坤等[17]的方法。將膜樣品裁剪為5 cm×1 cm大小，貼在比色皿壁上，以空氣作空白對照，用紫外-可見分光光度計測定600 nm波長處吸光度（A600nm），按公式（2）計算透明度。

式中：d為膜的厚度/mm。

1.3.2.4 表面形態的觀察

選取不同膜樣品，經噴金干燥處理后，在JEM-2100型掃描電子顯微鏡下觀察其表面微觀結構。

1.3.2.5 傅里葉變換紅外光譜掃描

選取適當的復合膜，采用TENSOR37型FTIR儀（400～4 000 cm－1）進行掃描，分析不同膜樣品的掃描曲線。

1.3.3 復合膜在培根與火腿表面的應用分析

將市售培根與火腿在無菌環境下拆封，切片（厚度約3 mm），將樣品分別經10 g/L CS膜液及CS/Cur/γ-PGA復合膜液（V（γ-PGA）：V（CS/Cur）＝1∶8）涂膜處理與采用市售保鮮膜進行包裝，空白組樣品不經任何處理，于28 ℃、相對濕度為50%環境下保存，2、3 d后分別測定菌落總數（參考GB 4789.2—2016《食品安全國家標準 食品微生物學檢驗 菌落總數測定》），并在第3天對其進行感官評定（參考GB 2730—2015《食品安全國家標準 腌臘肉制品》）和拍照。

1.4 數據統計與分析

使用SPSS Statistics 17.0統計軟件進行實驗數據分析，采用t檢驗進行顯著性差異分析（P＜0.05），數據以平均值±標準差表示，使用OriginPro 8.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 復合膜樣品

Cur具有較強的著色作用，在我國食品添加劑使用標準（GB 2760—2014《食品安全國家標準 食品添加劑使用標準》）中允許作為糖果、碳酸飲料、果凍等的著色劑使用。大量研究也報道了Cur具有很好的抑菌、防腐作用。圖1為在10 g/L的CS溶液中添加不同濃度Cur后的膜液和膜樣品，可以看出，隨著Cur濃度的增加，復合膜液及膜的顏色均逐漸加深。由圖2可知，當在CS/Cur中添加γ-PGA后，CS/Cur的添加比例越小，膜顏色逐漸變淺。膜樣品的顏色決定膜的使用范圍，對于顏色較淺的果蔬，宜采用Cur含量較低與之顏色相符的膜，以不影響食品的外觀，而對于顏色較深的肉類等，如火腿、培根，則可以提高Cur的濃度。因此，實際應用中，在保證膜特性的前提下，需根據樣品特點選擇不同配比的膜使用。

圖1 CS/Cur膜液和膜樣品Fig. 1 CS solutions (10 g/L) and film samples with different concentrations of Cur

Fig. 2 Composite film samples with different ratios between γ-PGA and CS/Cur

2.2 復合膜的厚度

圖3 CS/ Cur（A）和CS/ Cur /γ-PGA（B）復合膜的厚度Fig. 3 Thickness of CS/Cur (A) and CS/Cur/γ-PGA (B) composite films

CS本身具有良好的成膜性，由圖3A可知，混合膜溶液中，隨著CS質量濃度的增加，得到的混合膜厚度明顯增加。Cur濃度對膜厚度也有明顯影響，隨著Cur濃度的增加，CS/Cur膜的厚度也逐漸增加。Saranya等[18]在研究中也曾報道，Cur是一類酸性多酚類物質，在溶液中普遍以烯醇式結構存在，在一定條件下，可以與CS發生偶聯作用，引起CS膜厚度的增加。Cur在復合膜中主要起抑菌效果，但是添加會導致其厚度增大，對一些食品包裝會影響其質感。

由圖3B可以看出，隨著γ-PGA添加量的增加，復合膜的厚度逐漸減小。因此，可以考慮通過適當增加γ-PGA的添加量以減小膜的厚度，從而適應不同的產品要求。市售保鮮膜的厚度約在0.02～0.03 mm，而流延法制作的復合膜的厚度可以達到0.02 mm左右，噴涂法制作的膜厚度更薄。因此，該可食性復合膜有望在食品表面的涂膜保鮮及作為包裝材料上發揮一定的作用。

2.3 復合膜的水溶性

圖4 CS/Cur（A）和CS/Cur/γ-PGA（B）膜的水溶性Fig. 4 Water solubility of CS/Cur (A) and CS/Cur/γ-PGA (B) films

由圖4A可知，當Cur濃度一定時，隨CS質量濃度增加，復合膜的水溶性顯著下降（P＜0.05），這是因為CS本身的親水性差；CS質量濃度一定時，添加Cur后，復合膜的水溶性顯著低于單獨的CS膜（P＜0.05），這是因為Cur呈疏水性，添加Cur后，疏水性碳鏈增多，膜的水溶性下降，但Cur的濃度對CS/Cur膜水溶性影響不顯著（P＞0.05）。從圖4B可以看出，與未添加γ-PGA的復合膜相比，添加γ-PGA后復合膜的水溶性顯著增加（P＜0.05），但是γ-PGA的添加量對復合膜水溶性的影響不顯著（P＞0.05）。水溶性的增加主要是因為CS與γ-PGA之間會形成良好的分散體系，且γ-PGA具有良好的水溶性與降解性。

2.4 膜的透明度

圖5 CS/Cur（A）和CS/Cur/γ-PGA（B）膜的透明度Fig. 5 Transparency of CS/Cur (A) and CS/Cur/γ-PGA (B) films

薄膜的透光性直接影響產品的保鮮效果及外觀，有的產品包裝需要提高透光率，來呈現食品原有的新鮮色澤；有的則需要避光，減少光線對包裝內食物的影響，形成良好的阻隔作用。由圖5A可以看出，CS質量濃度一定時，復合膜溶液中Cur的濃度越高，制得的復合膜透明度越低，這是因為Cur為黃色粉末，具有極強的著色性，且一旦著色后便不會輕易褪色，導致透明度降低。由圖5B可以看出，在CS/Cur溶液中添加不同比例γ-PGA后，所得復合膜的透明度沒有較大變化，且透明度良好。

2.5 膜的表面形態

圖6 CS（A）、CS/ Cur（B）和CS/Cur/γ-PGA（C）膜的表面掃描電子顯微鏡圖Fig. 6 Scanning electron microscope images of CS (A), CS/Cur (B) and CS/Cur/γ-PGA (C) films

CS具有良好的成膜能力，其膜表面平整且光滑（圖6A）。CS中添加Cur后，沒有出現團聚現象，且膜表面無縫隙與雜質，緊湊且光滑（圖6B），因此二者也表現出良好的相容性；陳紅等[19]以CS為成膜基質，添加微晶甾醇制備可食性膜，通過掃描電子顯微鏡觀察復合膜的表面結構發現，添加低劑量微晶甾醇的復合膜表面光滑均勻，且微晶甾醇均勻地分布于CS膜中；因此CS與其他物質有較好的相容性，適合作為可食性膜的基質。但添加γ-PGA后的復合膜表面更為緊密，表面有少許白色絮狀物分布（圖6C），推測可能是γ-PGA與CS/Cur反應的產物引起的，這與胡熠等[20]所報道的結果相似。

2.6 復合膜的FTIR分析

圖7 γ-PGA、Cur（A）、CS及其復合膜（B）的FTIR圖Fig. 7 FTIR spectra of γ-PGA, Cur (A), CS and their composite films (B)

圖7 為復合膜及單一膜組分的FTIR圖。對于單一Cur，1 627.3 cm－1處為C＝O的伸縮振動吸收峰（圖7A）；單一CS膜在3 368.3 cm－1左右為O—H與N—H伸縮振動的重疊吸收峰（圖7B）；通過對比CS/Cur復合膜的FTIR圖（圖7B），可以發現復合膜中的這兩個吸收峰均發生明顯的位移，吸收波數分別位于1 641.8 cm－1和3 361.2 cm－1處，推測可能是CS的N—H與Cur的C＝O發生了偶聯作用[21]；劉舉慧等[22]也報道了CS與Cur之間會發生偶聯反應。

單一γ-PGA膜在3 338.4 cm－1與1 685.7 cm－1處分別出現O—H與C＝O的伸縮振動吸收峰（圖7A），通過對比分析CS/Cur/γ-PGA復合膜相對應基團的伸縮振動吸收峰后發現，復合膜在3 349.4 cm－1與1 634.1 cm－1處的伸縮振動吸收峰發生較為明顯波動，推測3 349.4 cm－1處出現吸收峰可能是γ-PGA的羧基中的O—H與CS的N—H發生了化學反應，1 634.1 cm－1處的吸收峰可能是CS的N—H與γ-PGA的C＝O之間發生了相互作用，這與孫文超[23]的報道結果一致。因此CS與γ-PGA可以通過化學鍵之間的相互作用出現良好的共混性。但因CS與γ-PGA所含基團極其相似，故FTIR判斷化學反應比較困難，仍需結合其他方法進一步檢測。

2.7 復合膜對培根及火腿抑菌性分析

表1 復合膜與市售保鮮膜對火腿的保鮮效果分析Table 1 Preservative effects of the composite film and commercial wrap film on sausage

由表1可以看出，不經任何處理的火腿與市售保鮮膜包裝的火腿在28 ℃、相對濕度50%條件下放置2 d后，其菌落總數均已達到105CFU/g以上，3 d后，其表面明顯發黏，有酸敗味和腐臭味，已成為變質肉。而經自制CS與復合膜涂膜處理后的火腿，在相同環境放置48 h后，其菌落總數較空白組約低1（lg（CFU/g））；72 h后，感官品質無明顯劣變，且菌落總數在GB 2726—2016《食品安全國家標準 熟肉制品》對熟肉制品菌落總數的要求范圍內，具有可食性。由表2可以看出，自制CS與復合膜涂膜處理后的培根樣品，其菌落總數比空白組約低1（lg（CFU/g）），且感官評價和外觀狀態明顯更優。可見，CS/Cur/γ-PGA可食性膜在火腿和培根的抑菌保鮮上發揮了積極作用。

表2 復合膜與市售保鮮膜對培根的保鮮效果分析Table 2 Preservative effects of the composite film and commercial warp film on bacon

張立彥等[24]研究報道了將無菌處理的雞肉浸泡于含質量分數1.5% CS、0.3%茶多酚及0.5% VC的復合保鮮膜液中，雞肉的貨架期顯著延長。郭利芳等[25]將含有Nisin的乳清蛋白可食性膜涂抹于火腿腸表面，明顯抑制了火腿腸硬度的增加和咀嚼性的劣變，并顯著抑制了其貯藏過程中總揮發性鹽基氮含量、脂質氧化以及菌落總數的上升，更好地維持了產品的感官品質。Papadimitriou等[26]將Cur與二碘化鋅按一定物質的量之比反應形成抗菌材料，并探討其對銅綠假單胞菌的抑菌活性，結果發現該抗菌材料對銅綠假單胞菌生物膜的形成起到了顯著的抑制作用。Tosati等[27]將姜黃與明膠、木薯淀粉制備呈水凝膠，將其涂抹于香腸表面，在UV-A光照下5 min，香腸表面的單核增生李斯特氏菌減少4～5（lg（CFU/mL）），顯著減少了香腸在運輸中的污染。因此，可食性膜尤其是搭載Cur的可食性膜有望在未來食品包裝市場中發揮積極的作用，也將越來越展現出巨大的應用潛力。

3 討 論

CS具有良好的成膜性，但其抑菌性和水溶性有限，且降解速度慢，一定程度限制了其適用范圍，Cur與γ-PGA的添加大幅改善CS的特性。本研究中CS/Cur溶液（含10 g/L CS和0.05 mmol/L Cur）與10 g/L γ-PGA按體積不同比例混合，制作的膜厚度最薄可達0.025 mm，CS/Cur/γ-PGA復合膜水溶性在80%以上，透明度良好，膜表面較為緊密。該可食性復合膜在火腿與培根表面的初步應用中也表現出了顯著的效果。經自制復合膜液處理的火腿與培根在28 ℃、相對濕度50%條件下放置2～3 d后，與不經任何處理和市售普通保鮮膜處理的樣品相比，菌落總數均約降低1（lg（CFU/g）），且感官品質更優。

CS/Cur/γ-PGA復合膜兼具了3 種物質各自的優點，具有生物相容性、可降解性和良好的安全性，滿足了人們對無污染、可降解性、可食性的要求，對肉制品的保鮮及果蔬的保鮮都有著較為廣闊的應用潛力；但該研究技術還需要不斷完善，后續研究將集中在以下方面開展：1）充分考慮Cur的光動力學作用，優化其光動力殺菌條件，提高其對果蔬及肉制品的保鮮抑菌效果；2）探究光敏劑Cur的協同增效物質或與相關預處理技術結合，提高使用效果；3）改善膜的性能，擴大其應用范圍；4）通過添加其他相容性良好的抗菌及共混膜物質來擴大可食性膜在實際保鮮與加工中的應用范圍[28]。