一種雙層智能膜的制備及在指示三文魚新鮮度中的應用

鄒小波，薛 瑾，黃曉瑋，翟曉東，張俊俊，張澤翔，甘子玉

（江蘇大學食品與生物工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

隨著對高品質(zhì)、安全和新鮮食品的需求不斷增加，消費者對食品包裝也提出了更高的要求。包裝不僅應該具有保護食品、方便運輸?shù)淖饔茫€應該能反饋食品品質(zhì)變化信息，因此食品新鮮度的智能指示包裝是目前研究熱點[1]。研究人員通過加入比色指示劑，如溴甲酚藍[2]、甲基紅[3]、聚苯胺[4]，根據(jù)與食品變質(zhì)產(chǎn)生的揮發(fā)性成分發(fā)生反應而產(chǎn)生顏色變化來監(jiān)測食品的新鮮度，然而這些化學色素價格較貴，且用于食品包裝具有一定的毒性。花青素廣泛存在于植物的花朵和果實中，易獲得、價格便宜[5]、安全無毒害，是一種理想的食品變質(zhì)監(jiān)測指示劑[6]；但花青素性質(zhì)不穩(wěn)定，易受溫度、光照、氧氣、金屬離子等因素的影響，在作為食品包裝材料時氧氣是影響其性質(zhì)的最主要因素。因此本實驗針對隔絕氧氣進行研究，以提高花青素作為新鮮度指示型智能包裝材料的穩(wěn)定性[7-9]。

低酰基結(jié)冷膠是一種高分子線性陰離子多糖，由4 個單糖分子組成的基本單元重復聚合而成，作為乳化劑和穩(wěn)定劑被廣泛應用于飲料系統(tǒng)中[10]。Xu Xuejiao等[10]研究表明低酰基結(jié)冷膠可以通過與花青素的氫鍵作用力提高花青素穩(wěn)定性。

聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）是生物相容性好、力學性能優(yōu)良的合成高分子材料，在90 ℃下溶于水且透明無毒，具有良好的氧氣阻隔性[11]。殼聚糖是一種無毒的陽離子多糖，具有良好的成膜性、抗菌性、阻氧性以及生物相容性，是優(yōu)良的可降解包裝材料[12]。祝二斌等[13]的研究表明殼聚糖和PVA存在的強烈氫鍵相互作用力，使得殼聚糖的熱穩(wěn)定性提高、PVA的結(jié)晶性下降。Naveen等[14]研究表明殼聚糖和PVA之間的強烈相互作用，使得其組合物之間可以完全混勻。劉文霞等[15]研究表明殼聚糖/PVA共混膜具有良好的成膜性能、力學性能和阻氧性能。

本研究以桑葚花青素為指示劑，結(jié)冷膠和花青素形成指示內(nèi)層膜，殼聚糖和PVA結(jié)合形成外層膜，使用逐層組裝技術(shù)制備雙層指示膜，用于三文魚的新鮮度指示。與單層膜相比，雙層膜具有更好的機械性能，較低的水蒸氣透過系數(shù)，可以通過隔絕氧氣降低花青素氧化作用，提高其穩(wěn)定性，目前鮮有類似的研究。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

桑葚干、新鮮三文魚，均購自當?shù)爻小?/p>

低酰基結(jié)冷膠、PVA、丙三醇、殼聚糖、硫代巴比妥酸 國藥集團有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

高速粉碎機 江蘇益勇儀器設(shè)備有限公司；食品物性儀 英國Stable Micro Systems公司；VIS-7220N可見分光光度儀 北京瑞利分析儀器有限公司；Nicolet iS50 傅里葉變換紅外光譜儀（Fourier transform infrared spectrometer，F(xiàn)T-IR）儀 美國賽默飛世爾科技有限公司；Color Quest XE 色差儀 美國Hunter Lab儀器公司；pH計 意大利HANNA儀器公司。

1.3 方法

1.3.1 花青素提取

將桑葚干用粉碎機高速打磨成粉，過40 目篩備用，得到的粉末在60 ℃條件下，用體積分數(shù)75%乙醇溶液作為提取劑，按照料液比1∶10（m/V）混合，水浴鍋提取3 h[16]。使用布氏漏斗對得到的提取液進行抽濾，得到花青素濃縮液。最后將花青素濃縮液進行冷凍干燥得到桑葚花青素粉[17]。

1.3.2 桑葚花青素在不同pH值下可見光譜的測定

利用紫外-可見分光光度計測定桑葚花青素在pH 2～12范圍內(nèi)的可見光譜，掃描波長為400～800 nm[18]。

1.3.3 殼聚糖/PVA-結(jié)冷膠花青素雙層膜的制備

外層膜：取殼聚糖1.5 g溶解在體積分數(shù)為1%的乙酸溶液中以制備質(zhì)量分數(shù)1.5%的殼聚糖溶液，將1.5 g PVA溶解在蒸餾水中并在85 ℃的水浴中攪拌4 h制備質(zhì)量分數(shù)1.5%的PVA溶液。當PVA溶液冷卻至室溫時，將殼聚糖和PVA溶液按體積比1∶1混合，溶液超聲去泡后備用。

圖1 雙層膜制備示意圖Fig. 1 Schematic diagram for developing bilayer films

內(nèi)層膜：取1.5 g結(jié)冷膠溶解在蒸餾水中以制備質(zhì)量分數(shù)為1.5%的結(jié)冷膠溶液，將5 mmol/L氯化鈣和體積分數(shù)為1.0%甘油加入結(jié)冷膠溶液中增強膜的性質(zhì)，再加入基質(zhì)干質(zhì)量11.3%的桑葚凍干粉（桑葚凍干粉含量為4.29 mg/g）；雙層膜（圖1）：將結(jié)冷膠溶液超聲去泡后倒入直徑為9 cm的培養(yǎng)皿中，并在30 ℃烘箱中干燥24 h以形成內(nèi)層膜，隨后，將殼聚糖/PVA溶液倒入內(nèi)層膜培養(yǎng)皿中，在30 ℃烘箱中干燥24 h形成雙層膜。

1.3.4 內(nèi)層膜組分優(yōu)化設(shè)計

在單因素試驗基礎(chǔ)上對內(nèi)層膜進行正交試驗設(shè)計，選擇結(jié)冷膠含量、氯化鈣濃度、甘油含量3 個影響因子，按照L9（34）正交設(shè)計進行試驗，各因素及其水平設(shè)計如表1所示，每組試驗重復3 次。

表1 L9（34）正交試驗因素水平Table 1 Factors and levels used in orthogonal array design

1.3.5 指示膜厚度及機械性能的測定

用數(shù)顯千分尺隨機量取膜6 個點的厚度值，得到平均膜厚度，單位μm。

參照GB/T 1040.3—2006《塑料 拉伸性能的測定》[19]的方法測定機械性能，把膜裁為60 mm×20 mm的長條狀，采用質(zhì)構(gòu)分析儀的TA96裝置測量膜的拉伸強度（tensile strength，TS）和斷裂伸長率（elongation at break，EB）。初始夾距為40 mm，拉伸速率為0.6 mm/s，每組膜重復測定3 次。按照公式（1）和（2）分別計算TS和EB。

式中：F為試樣斷裂時承受的最大拉力/N；w為膜的寬度/mm；d為膜的厚度/mm。

式中：L1為膜斷裂時的拉伸長度/mm；L0為初始夾距/mm。

1.3.6 指示膜的含水率以及透氣性能測定

稱取質(zhì)量為m1/g的膜放置于溫度設(shè)置為105 ℃的鼓風干燥箱中，烘干至質(zhì)量恒定后，取出稱得質(zhì)量為m2/g，每組膜取3 個平行樣品，按照公式（3）計算含水率[20]。

取20 mL蒸餾水倒入50 mL燒杯中，用膜包覆杯口并用細皮筋進行固定，在22 ℃條件下，放入含有硅膠的干燥器中。每隔2 h稱量，稱取6 次，每組膜取3 個平行樣品，按照公式（4）計算水蒸氣透過系數(shù)（water vapor permeability，WVP）[21]。

式中：x為膜厚/mm；S為有效面積，S＝18.08×10-4m2；Δm為水分透過的質(zhì)量/g；t為間隔時間/s；ΔP為膜兩邊的壓強差，ΔP＝3 179 Pa（22 ℃）。

1.3.7 指示膜的顏色穩(wěn)定性測定

將膜裁為20 mm×20 mm的方形，分別置于4、25、37 ℃，相對濕度為75%的恒濕恒溫箱中保存，每2 d取出采集膜的圖像信息，共14 d。提取圖像的亮度（L*）、紅綠度（a*）、黃藍度（b*）特征值，利用L*、a*、b*總變化率ΔE表征膜的顏色穩(wěn)定性，按照公式（5）[22]計算。

式中：ΔL*＝L*-L0*、Δa*＝a*-a0*、Δb*＝b*-b0*；L*、a*、b*為指示膜反應后的值；L0*、a0*、b0*為指示膜反應前的值。

1.3.8 指示膜的光譜分析

采用FT-IR儀測定膜的紅外光譜，采用衰減全反射附件測量，掃描次數(shù)為32，分辨率4 cm-1，測量范圍4 000～500 cm-1。

1.3.9 指示膜的微觀結(jié)構(gòu)

用7800F型掃描電子顯微鏡觀察指示膜的橫切面結(jié)構(gòu)并拍照，測量前用液氮對指示膜進行冷凍斷裂，并經(jīng)過真空噴金，加速電壓為15 kV。

1.3.10 指示膜檢測三文魚新鮮度

取新鮮三文魚20 g放在直徑為9 cm的帶蓋塑料培養(yǎng)皿中，將膜剪切成2 cm×2 cm的正方形，粘貼在培養(yǎng)皿的蓋子上，將培養(yǎng)皿放置在4 ℃的冰箱中貯存14 d，每隔2 d測一次指示膜的顏色，計算ΔE，并按照GB 5009.228—2016《食品中揮發(fā)性鹽基氮的測定》測定肉的總揮發(fā)性鹽基氮（total volatile basic nitrogen，TVB-N）含量[23]；同時參考Arashisar等[24]的方法，將10 g魚肉絞碎于燒杯中，加入90 mL蒸餾水，均質(zhì)機勻漿后靜置30 min，抽濾，取濾液測其pH值，重復3 次，硫代巴比妥酸反應產(chǎn)物（thiobarbituric acid reactive substances，TBARS）值以每千克魚肉中所含丙二醛質(zhì)量計。參考Mousakhani-Ganjeh[25]、張新林[26]等的方法，并采取適當調(diào)整，向5 g三文魚樣品中加入15 mL、7.5%的三氯乙酸（trichloroacetic acid，TCA），均質(zhì)后過濾，取濾液5 mL并加入同等體積0.02 mol/L的硫代巴比妥酸（thiobarbituric acid，TBA）溶液，再放于沸水中保持40 min，取出冷卻后1 600 r/min離心5 min，測定上清液在532 nm波長處的吸光度。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

應用SPSS軟件，利用Duncan's方法進行方差分析，結(jié)果用 ±s表示，P＜0.05表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 桑葚花青素的可見光譜分析結(jié)果

圖2 桑葚花青素在pH 2～12的顏色及可見光譜Fig. 2 Color and visible spectra of mulberry anthocyanin solutions at pH 2～12

如圖2A所示，在pH 2～12的范圍內(nèi)，桑葚花青素的顏色隨著pH值的升高由紅色到藍色又變?yōu)辄S色，pH值小于7時，桑葚花青素顏色呈粉紅色，其最大吸收峰在520 nm波長附近，pH值在7的時候，已經(jīng)從520 nm開始向587 nm波長方向移動，同時最大吸收波長處的吸光度下降，pH 8～12時，花青素顏色從藍色變?yōu)辄S色，其最大吸收峰也從520 nm移至587 nm波長處。在不同的pH值下桑葚花青素顏色改變的原因是自身結(jié)構(gòu)的改變。

桑葚花青素在不同pH值環(huán)境下會呈現(xiàn)出醌型堿、黃烊鹽離子、假堿、查耳酮結(jié)構(gòu)[27]。pH值小于3時，花青素主要以黃烊鹽離子形式存在，溶液顯現(xiàn)鮮艷的紅色。pH值小于7時，隨著酸性的減弱，花青素主要以醇型假堿或查耳酮形式存在，溶液的紅色逐漸變淺。pH值大于7時，花青素主要表現(xiàn)為醌型堿，溶液顏色變?yōu)樗{色，且隨著堿性增強由淺變深，pH 12時變?yōu)辄S綠色。

2.2 內(nèi)層膜正交試驗結(jié)果

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，選取結(jié)冷膠含量（A）、氯化鈣濃度（B）、甘油含量（C）3 個影響因子作為考察標準，按照L9（34）正交試驗設(shè)計考察這3 個影響因子對內(nèi)層膜的TS和EB的影響。

由表2可以得出，三因素對機械性能的影響程度的主次順序是A、B、C，較好的水平為A3B2C2，表明對內(nèi)層膜機械性能影響程度順序為結(jié)冷膠＞氯化鈣＞甘油。結(jié)冷膠質(zhì)量分數(shù)為1.5%、氯化鈣含量為5 mmol/L、甘油質(zhì)量分數(shù)為1.0%時，以此工藝條件進行3 次重復驗證實驗，得到最優(yōu)組合膜的TS為（24.80±1.12）MPa，EB為（27.67±0.41）%，內(nèi)層膜的機械性能最好，其中氯化鈣的加入可以屏蔽結(jié)冷膠因靜電作用力而產(chǎn)生的羧基側(cè)鏈相互排斥作用，增加分子內(nèi)的交聯(lián)作用，提高膜的機械性能[28]；甘油是親水性較強的增塑劑，可以增加聚合物分子鏈的移動性以降低膜的抗張能力，克服聚合物鏈之間的剛性互聯(lián)引起的脆性，增加膜的彈力[29]。

表2 內(nèi)層膜組分正交試驗分析結(jié)果Table 2 Orthogonal array design with experimental results for formulation optimization of inner layer

2.3 指示膜的厚度與機械性能

表3 雙層膜的膜厚度、含水率、水蒸氣透過系數(shù)和機械性能Table 3 Thickness, water content, water vapor permeability and mechanical properties of inner and outer layers

從表3可以看出，指示膜之間的含水率存在顯著性差異（P＜0.05）。空白指示膜含水率最低，外層膜殼聚糖與PVA體積比為2∶3時含水率最低，膜的厚度存在顯著性差異（P＜0.05），內(nèi)層膜由于是單層膜，其厚度與雙層膜的差異較大。膜的TS存在顯著性差異（P＜0.05），內(nèi)層膜的TS最低，殼聚糖為外層膜的雙層膜TS最大，這種差異是可能由于殼聚糖膜與結(jié)冷膠層的羥基數(shù)不同導致，當殼聚糖含量增加，雙層膜的TS逐漸上升。膜的EB存在顯著性差異（P＜0.05），當PVA含量增加，雙層膜的EB率逐漸上升。此外，水蒸氣可以滲透進食品包裝內(nèi)部，從而引起食品品質(zhì)變化，由表可知，不同的膜水蒸氣透過系數(shù)有顯著性差異（P＜0.05），其中內(nèi)層膜的水蒸氣透過系數(shù)最高，這可能是由于內(nèi)層膜的桑葚花青素中含有大量的酚羥基，使得膜的親水性較好，而雙層膜的水蒸氣透過系數(shù)普遍較低；外層膜為殼聚糖和PVA的共混物時，膜的水蒸氣透過系數(shù)相比其他較低，說明殼聚糖和PVA的相容性很好，可以很好地阻隔水蒸氣。故殼聚糖和PVA體積比為1∶1時，雙層膜的性能最優(yōu)。

2.4 指示膜的FT-IR譜圖

圖3 PVA、殼聚糖、桑葚花青素、結(jié)冷膠和雙層指示膜的FT-IR譜圖Fig. 3 FT-IR spectra of polyvinyl alcohol, chitosan, gellan gum,mulberry anthocyanins and the bilayer film

由圖3可知，在PVA和殼聚糖的紅外光譜圖中，3 330、3 374、3 381 cm-1和3 361 cm-1處的強峰為—OH鍵的伸縮振動吸收峰，雙層膜吸收峰移至3 357 cm-1處，說明這些物質(zhì)同時存在羥基，且發(fā)生了一定的相互作用力。2 936 cm-1和2 886 cm-1處的雙峰為—CH3和—CH2伸縮振動吸收峰，低酰基結(jié)冷膠在此處存在較強的峰型，由于殼聚糖脫乙酰度較高，故殼聚糖在此處峰型比較弱[30]。1 420 cm-1為—CH伸縮振動吸收峰，在雙層膜中形成了較強的峰型。1 630 cm-1處的峰為芳香環(huán)架中C＝C振動，與花青素的芳香物質(zhì)對應，1 590 cm-1和1 603 cm-1為—NH2特征吸收峰，雙層膜中移至1 614 cm-1，說明芳香族化合物與成膜基質(zhì)間存在分子間作用力。1 154 cm-1為氨基C—N的特征吸收峰，雙層膜中此處峰消失，這是反應后殼聚糖形成的—NH3+反對稱變形振動吸收峰和結(jié)冷膠的羧基吸收峰重疊，可能是殼聚糖和結(jié)冷膠通過正負電荷發(fā)生了一定的絡(luò)合作用[31]。PVA和殼聚糖中1 080、1 089、1 041 cm-1為C—O伸縮振動吸收峰，雙層膜中對應的峰移至1 037 cm-1處，可能是復合物之間形成了分子間作用力。綜上，由FT-IR譜圖可知，雙層膜中分子間作用力影響膜性能，而化學物質(zhì)沒有太大變化。

2.5 指示膜的微觀結(jié)構(gòu)

掃描電子顯微鏡圖可以反映出物質(zhì)之間的相容狀態(tài)，相容性越好，膜的截面越均勻。由圖4可知，雙層膜的分層部分交聯(lián)緊密，膜性質(zhì)穩(wěn)定。圖4A中外層膜為殼聚糖/PVA時，截面之間比較規(guī)則，結(jié)構(gòu)緊致，PVA分子鏈上含有大量羥基可與殼聚糖形成氫鍵，使得殼聚糖和PVA之間相容性良好；圖4B中外層膜為PVA時，膜截面粗糙，交聯(lián)性差，這可能是PVA結(jié)晶度高導致；圖4C中外層膜為殼聚糖時，外層膜截面帶有紋路，組分均一性較差，存在纖維狀走向結(jié)構(gòu)。對比可知，當外層膜為殼聚糖和PVA復合物時，膜的性能最好。

圖4 雙層膜的橫切面掃描電子顯微鏡圖Fig. 4 Scanning electron micrographs of cross sections of the bilayer film

2.6 指示膜的顏色穩(wěn)定性

圖5 雙層膜在4（A）、25（B）、37（C）℃下貯藏14 d的顏色變化Fig. 5 Color change of the indicator film stored at 4 (A), 25 (B) or 37 (C) ℃ for 14 days

比較了不同比例外層結(jié)構(gòu)的雙層膜在不同溫度下（4、25、37 ℃）的顏色穩(wěn)定性，從圖5可知，當溫度升高時，花青素顏色穩(wěn)定性降低，4 ℃時的穩(wěn)定性明顯高于25 ℃，25 ℃的穩(wěn)定性高于37 ℃，溫度越高，花青素的降解速率越快，并使得花青素結(jié)構(gòu)二苯基苯并吡喃陽離子轉(zhuǎn)變?yōu)闊o色的假堿與查耳酮[32]。當外層膜殼聚糖和PVA的體積比為1∶1時，花青素穩(wěn)定性表現(xiàn)最好，說明兩者的結(jié)合度最高，能防止內(nèi)層花青素跟外層環(huán)境的接觸，抑制外界氧氣對內(nèi)層花青素的氧化作用；單獨為內(nèi)層膜時穩(wěn)定性較低，因為色素裸露在環(huán)境中，加速了花青素氧化作用，膜的自身穩(wěn)定性降低[33]。

2.7 雙層膜用于指示三文魚新鮮度

選用體積比為1∶1的外層殼聚糖和PVA制備雙層膜，用于指示三文魚新鮮度。TVB-N是指肉類在腐敗過程中，蛋白質(zhì)分解產(chǎn)生的氨類等堿性物質(zhì)，其含量是一種反映魚肉新鮮度的主要指標。GB 2733—2015《鮮、凍動物性水產(chǎn)品》規(guī)定海水魚類TVB-N含量不高于30 mg/100 g為新鮮肉[34]。魚肉在貯藏初期產(chǎn)生乳酸降低環(huán)境中的pH值，但隨著貯藏時間的進一步延長，肉中的蛋白質(zhì)在微生物作用下分解為氨、三甲胺等堿性含氮物質(zhì)，造成pH值上升，因此pH值變化可較好地評價魚肉的新鮮度情況[35]。TBA值是描述脂肪氧化程度的指標，三文魚中所含有的不飽和脂肪酸在低溫貯藏過程中與氧氣反應發(fā)生酸敗，因此用TBA值的變化來判斷三文魚的新鮮度，一般情況下魚肌肉中TBA值達到1～2 mg/kg時魚肉腐敗[26,36]。從圖6可以看出，三文魚在4 ℃貯藏6 d時TVB-N含量為33.14 mg/100 g，TBA值為0.921 mg/kg，pH值為6.75，此時，三文魚呈不新鮮狀態(tài)，指示膜顏色明顯變化，由暗紅變?yōu)榈仙詈笞兂伤{褐色，是肉眼明顯可見的范圍，說明指示膜的顏色變化和三文魚品質(zhì)信息關(guān)系密切，可以肉眼進行顏色辨別，因此該指示膜可用于指示三文魚新鮮度。

圖6 三文魚4 ℃貯藏下TVB-N含量、TBARS值、pH值和雙層膜的色差變化Fig. 6 Changes in TVB-N content and TBARS value of salmon samples during storage and change in ΔE of the indicator film corresponding to pH

3 結(jié) 論

本研究利用PVA和殼聚糖的共混物制成外層膜，結(jié)冷膠和桑葚花青素制成內(nèi)層膜，得到的雙層膜用于三文魚新鮮度指示。桑葚花青素在不同pH值下呈現(xiàn)不同的顏色，本實驗通過對外層膜基質(zhì)的比例進行比較分析，得到了外層膜PVA和殼聚糖的體積比為1∶1時，水蒸氣透過率最低，膜機械性能、截面相容性以及膜的自身穩(wěn)定性最好。FT-IR圖表明成膜基質(zhì)之間形成一定的相互作用力，膜性質(zhì)穩(wěn)定。將雙層膜用于三文魚新鮮度指示，當三文魚貯藏6 d時，通過肉眼可以直觀看到膜顏色從由暗紅變?yōu)榈仙詈笞兂伤{褐色。此時，TVB-N含量為33.14 mg/100 g，TBARS值為0.921 mg/kg，pH值為6.75，說明三文魚已經(jīng)腐敗。結(jié)果表明，包含桑葚花青素制成的雙層膜既可降低花青素氧化作用提高其穩(wěn)定性，又可用于三文魚新鮮度指示，具有良好的應用潛力。