桑葚花青素共混羧甲基纖維素膜的性能研究及應用

馮永莉，楊晨，零春甜，楊振東，汪建明*，鄭志強

（1.天津科技大學食品科學與工程學院，天津300457；2.軍事科學院系統工程研究院軍需工程技術研究所，北京100100）

近年來，由于塑料包裝帶來的食品安全和環境污染問題，生物可降解包裝材料受到極為廣泛的關注。智能食品包裝是在成膜基材的基礎上添加功能性物質使膜具備一些活性功能（如抗氧化、抑菌），從而延長食品保質期，或為了觀察被包裝食品的新鮮程度，添加指示劑，利用食品在儲藏過程中產生一些物質與試劑發生特定反應引起指示劑顏色變化，從而反映食品信息的技術[1]。

羧甲基纖維素（carboxymethyl cellulose，CMC）因豐富、廉價、無臭無味并具有良好的成膜性常被用作基材之一制備食品包裝膜[2]。甘油是一種口感甘甜、透明、無臭的稠狀液體，有助于增強膜的柔韌性和延展性，因此可以作為增塑劑添加到成膜基材中。山梨酸鉀作為防腐劑能有效地抑制霉菌、酵母菌和好氧性細菌的活性，從而能夠有效地延長食品的保存時間，并保持原有食品的風味[3]。魏占鋒等[4]以CMC為成膜基底，甘油為增塑劑，將納米纖維素添加到CMC中共混制備了CMC增強膜，結果表明共混改性可使膜的力學性能和對水蒸氣的阻隔性能提高，并同時提高了膜的熱性能。

將天然色素作為指示劑指示食品新鮮度已成為研究熱點。桑葚花青素是一種水溶性的天然色素，對人體無害，其結構中含有大量的鄰位酚羥基，易被氧化形成穩定的醌類結構從而起到清除活性氧的作用[5]。此外，桑葚花青素中的2-苯基苯并吡喃陽離子會隨pH值的改變顯示不同顏色[6]。蔣光陽等[7]以馬鈴薯淀粉、羧甲基纖維素鈉為成膜基材，紫薯花青素作為指示劑制備指示膜，結果表明，隨著儲藏時間的延長，指示膜由紅色變為藍紫色，說明魚肉開始腐敗變質。本文將桑葚花青素共混CMC，并添加甘油和山梨酸鉀制備指示膜，分別研究桑葚花青素對指示膜機械性能、阻濕性、阻光性和抗氧化性等相關性能方面的影響。并將其應用于魚肉的新鮮度檢測中，以期為智能食品包裝膜的進一步研究提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

桑葚、新鮮草魚：市售。羧甲基纖維素（carboxymethyl cellulose，CMC）：北京鼎國生物技術有限公司；甘油、山梨酸鉀、1，1-二苯基-2-苦基肼 （1，1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）：北京 Solarbio 科技有限公司；以上試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

傅里葉紅外光譜儀（NICOLET IS50）：德國Thermo Scientific公司；質構儀（TA-XT2i）：英國 Stable Micro System公司；測色色差計（WSC-S）：上海精密科學儀器有限公司；紫外-可見分光光度計（SP-752）：上海舜宇恒平科學儀器有限公司；掃描電子顯微鏡（SU1510）：日本 Hitachi公司。

1.3 方法

1.3.1 桑葚花青素的提取

將桑葚烘干至恒重后粉碎，用體積分數50%乙醇溶液作為提取劑，按照料液比1∶10（g/mL）混合，水浴攪拌1 h，濾液在50℃避光旋蒸得到花青素濃縮液，凍干得桑葚花青素粉[8]。

1.3.2 共混膜的制備

將CMC溶于去離子水中，45℃下磁力攪拌1 h以充分溶解，再加入甘油和山梨酸鉀繼續攪拌1 h，冷卻至25℃后，分別加入0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%的桑葚花青素粉，攪拌20 min至完全溶解。靜置30 min脫氣，得成膜液。將每100 mL成膜液澆鑄在一個20 cm×20 cm的亞克力平板中流延成型，放于鼓風干燥箱30℃～40℃下干燥2 h成膜，揭膜，將膜置于25℃的密閉容器（相對濕度55%～57%）中保存備用。

1.3.3 指示膜厚度及機械性能的測定

以精度為0.01 mm的厚度儀測定指示膜厚度，在膜樣品上隨機取5個點，計算平均值。

參照GB 1040.3—2006《塑料拉伸性能的測定第3部分：薄膜和薄片的試驗條件》[9]的方法測定指示膜的機械性能。將膜裁剪成20 mm×50 mm的大小，采用TA-XT2i質構分析儀測定抗拉強度（tensile strength，TS）和斷裂伸長率（elongation at break，EAB）。初始距離為40 mm，拉伸速率為0.6 mm/s，每個樣品做3次重復。

1.3.4 指示膜的水分含量和溶解度的測定

用失重法測定樣品膜的水分含量，取2 cm×2 cm大小的膜片稱其質量m1，在75℃的鼓風干燥箱中干燥48 h，稱量干燥后膜的質量m2，計算水分含量，如式（1）。

取2 cm×2 cm大小的膜，在75℃的鼓風干燥箱中干燥48 h后稱重得m2，將干燥后的膜樣品完全浸泡在50 mL去離子水中24 h，除去水分在同條件下干燥48 h稱量得 m3，計算溶解度，如式（2）。

1.3.5 指示膜水蒸氣透過系數（water vapor permeability，WVP）的測定

參考GB 1037—1988《塑料薄膜和片材透水蒸氣性試驗方法（杯式法）》[10]。將指示膜包住含有無水氯化鈣的測試杯杯口，將稱量后的測試杯放入裝有飽和氯化鈉溶液（25℃,相對濕度75%）的干燥器中，膜內外兩側保持一定的蒸汽壓差，每隔1 d稱量，直至質量變化小于0.001 g，每個樣品做3次重復。按式（3）計算。DPPH自由基清除率按式（4）計算。

式中：L為指示膜的厚度，mm；Δm為t時間內的質量差，g；t為水分透過時間，d；S為指示膜的有效面積，m2；ΔP為指示膜兩側的水分蒸汽壓差，kPa。

1.3.6 指示膜透光率的測定

參照LIU等[11]的方法，將指示膜夾持于紫外可見分光光度計的樣品吸收池，使入射光束垂直通過指示膜，測定透光率。以不放指示膜時透光率為100%作為對照，每個樣品做3次重復。

1.3.7 指示膜微觀形態的觀察

指示膜的微觀形態采用SU1510掃描電子顯微鏡觀察，將膜樣品在液氮下淬段，從而得到膜樣品的截面，對其進行噴金處理，在1 100倍的放大倍數下獲取圖像。

1.3.8 指示膜分子結構的測定

將待測樣品烘干至恒重后固定于試樣臺上，利用NICOLET IS50傅里葉紅外光譜儀進行紅外吸收光譜測試。設定測試條件：譜圖掃描范圍600cm-1～4000cm-1，分辨率4 cm-1，掃描次數64次。

1.3.9 指示膜抗氧化活性的測定

指示膜的抗氧化能力按照KONG等[12]的方法并進行適當修改。稱取20 mg樣品（指示膜）溶于2 mL甲醇溶液中（膜提液），取1 mL膜提液與4 mL DPPH溶液（1 mmol/L）混合。將混合物劇烈搖動，然后在25℃下黑暗中放置30 min，在517 nm處測量吸光度。另取1 mL甲醇溶液與4 mL DPPH溶液混合做空白對照。

式中：A樣品為樣品的吸光度；A空白為空白對照的吸光度。

1.3.10 魚肉新鮮度的檢測

將新鮮草魚去掉頭尾、魚鱗、魚皮，魚肉取10 g備用，將指示膜裁剪成大小為10 cm×10 cm的正方形覆蓋在魚肉上放入培養皿中并放置在4℃冰箱中儲存。

將魚肉樣品打碎置于燒杯中，取100 mL煮沸殺菌并冷卻至25℃后的蒸餾水倒入燒杯，均質后過濾，利用pH計讀取pH值[13]；參照Wongwichian等[14]的方法測定魚肉的硫代巴比妥酸反應物（thiobarbituric acid reactive substance，TBARS）值，并測定膜的色差變化。

1.3.11 數據處理

數據采用SPSS 18.0和Origin 8.0進行統計分析，用Duncan進行方差分析，p＜0.05為顯著性差異。所有試驗均重復3次。

2 結果與分析

2.1 桑葚花青素溶液在不同酸堿性下的顏色變化

不同酸堿性條件下花青素溶液中主要結構及顏色見表1。

表1 不同酸堿性條件下花青素的顏色Table 1 Colour of anthocyanins under different acid base conditions

桑葚花青素在不同酸堿性下呈現出不同的顏色。這是由于酸堿性變化會導致花青素中黃烊鹽離子、醌式堿、甲醇假堿以及查耳酮4種結構之間的平衡遭到破壞[15]。強酸環境時，黃烊鹽離子起主要作用，所以溶液表現為黃烊鹽離子的紅色。隨著堿性上升，黃烊鹽離子逐漸轉化為無色的甲醇假堿，溶液紅色也隨之減弱。堿性繼續升高，藍色醌型堿逐漸成為主要結構，導致溶液隨之變為藍色。最后由于環境中堿性過強，花青素不穩定而被降解，溶液變為黃色。

2.2 桑葚花青素添加量對指示膜機械性能的影響

食品運輸過程中會受到壓力，所以包裝材料需要具有一定的機械強度。抗拉強度和斷裂伸長率是評價包裝膜機械性能的重要指標。桑葚花青素對指示膜機械性能的影響見圖1。

圖1 桑葚花青素對指示膜機械性能的影響Fig.1 Effect of mulberry anthocyanins on mechanical properties of films

由圖1可知，相比CMC膜，指示膜的抗拉強度隨著桑葚花青素質量分數的增大而增大，而斷裂伸長率隨著桑葚花青素質量分數的增大而減小。這是因為桑葚花青素含大量酚類化合物，其羥基基團可與CMC分子形成氫鍵，有利于CMC鏈的規整排列，增強抗拉強度。與此同時，由于桑葚花青素填補了更多的空間縫隙，降低了水分與成膜基材的交聯，使得膜的斷裂伸長率降低[16]。這與LIU等[17]關于紫薯花青素指示膜機械性能的研究結果相類似。隨著桑葚花青素質量分數的增加，CMC分子的鏈間距減小，從而有利于在單位面積的膜中形成具有較高分子含量的網絡結構，得到更加致密的膜材料，這種良好的內部結構也有利于CMC膜強度增加。但這種致密結構也抑制了CMC分子鏈的活動，使指示膜的斷裂伸長率有所下降。

2.3 桑葚花青素添加量對指示膜含水率及溶解度的影響

桑葚花青素對指示膜水分含量及水溶性的影響見表2。

表2 桑葚花青素對指示膜水分含量及溶解度的影響Table 2 Effect of mulberry anthocyanins on moisture content and solubility of film

由表2可知，桑葚花青素的添加對指示膜的水分含量無顯著影響。隨著桑葚花青素質量分數不斷增加，指示膜的溶解度先從29.88%降低至26.81%后又上升，溶解度的降低可能是由于桑葚花青素與羧甲基纖維素分子中的親水基團相結合，形成了分子間作用力，使得指示膜的溶解度下降。但由于花青素是親水性物質，過量添加會導致指示膜吸水能力更強，從而造成溶解度再次升高。

2.4 桑葚花青素添加量對指示膜水蒸氣透過系數的影響

食品包裝材料的主要功能之一是減少食品的水分流失，所以應盡可能使膜的水蒸氣透過系數降低。桑葚花青素對指示膜水蒸氣透過系數的影響見圖2。

圖2 桑葚花青素對指示膜水蒸氣透過系數的影響Fig.2 Effect of mulberry anthocyanins on WVP of films

由圖2可以看出，桑葚花青素的加入使膜的水蒸氣透過系數先降低后升高。桑葚花青素的加入使得膜的結構更加緊密，桑葚花青素對水分子的強吸附作用使指示膜不易釋放水分子，水蒸氣通過膜孔隙需要更長的有效路徑，從而降低了水蒸氣透過系數[18]。當桑葚花青素質量分數為0.3%時，指示膜的水蒸氣透過系數最低，為1.39×10-10g/（cm·s·Pa）。當花青素含量超過0.3%后，花青素中含有的大量親水酚羥基基團可使水分子更易于透過指示膜，使膜的水蒸氣透過系數增高。

2.5 桑葚花青素添加量對指示膜透光率的影響

光照，尤其是紫外光會對食品品質造成一定的影響，因此，對紫外線有良好阻隔性的包裝膜對保護食品品質具有重要意義[19]。桑葚花青素對指示膜透光率的影響見圖3。

圖3 桑葚花青素對指示膜透光率的影響Fig.3 Effect of mulberry anthocyanins on transmittance of films

指示膜基本骨架主要由羧甲基纖維素分子構成。由圖3可知，桑葚粉的加入明顯改變了指示膜的透光率。在波長范圍200 nm～240 nm內，添加桑葚粉的指示膜透光率均為零。而在波長240 nm～400 nm所有膜的透光率均低于純的CMC膜。在紫外光范圍內，桑葚粉的添加顯著提高了指示膜對紫外光的阻隔作用，這對于保護食品品質十分重要。

2.6 指示膜的微觀結構分析

對添加了不同質量分數桑葚花青素的指示膜進行微觀形態分析，結果見圖4。

圖4 橫切面掃描電子顯微鏡圖Fig.4 Scanning electron micrograph of the cross-section

如圖4所示，純CMC膜的橫截面有明顯的凹凸不平和裂紋，可能是因為CMC大分子之間的氫鍵作用使得分子之間發生了團聚現象，CMC顆粒易纏結團聚，不能均勻地分散，整體有聚攏趨勢。當桑葚花青素質量分數為0.1%時，指示膜的截面變厚，凹凸不平和裂紋現象減緩。當桑葚花青素質量分數為0.2%時，膜無凹凸不平現象，但仍有輕微的裂紋現象。當桑葚花青素質量分數在0.3%～0.5%時，膜的截面光滑，組分均一且致密，無凹凸不平和裂紋現象。這可能是因為桑葚花青素中的酚羥基可與CMC中的羥基基團形成分子間氫鍵，減少聚合物中的分子內氫鍵和鏈狀分子的纏結[20]。結果表明，桑葚花青素與CMC基質有著良好的相容性。

2.7 指示膜的分子結構的分析

傅里葉紅外光譜可用于分析分子之間的相互作用。2種或2種以上物質混合前后其紅外譜圖特征峰的改變，能反映出物質的分子間作用力以及化學相互作用[21]。紅外光譜圖見圖5。

圖5 紅外光譜圖Fig.5 FTIR spectra

從圖5可以看出，指示膜在3 340 cm-1附近有出峰，這是-OH的伸縮振動吸收峰[22]。在2 937 cm-1和2 888cm-1處有明顯的吸收振動伸縮峰，這與有機化合物的特征結構-CH2和-CH引起的吸收峰相符合[23]。1 642 cm-1處是芳香環骨架上C＝C鍵的振動吸收峰[24]，這與桑葚花青素提取物中的芳香族化合物極其吻合。CMC和桑葚花青素中1 041、1 022 cm-1處為C-O的伸縮振動吸收峰，指示膜中對應的峰移至1 053 cm-1處，這是因為分子間的氫鍵相互作用使兩種大分子間發生了交聯作用，形成了很強的分子間作用力，擾亂了單一組分的正常狀態。從峰型上可以推斷，CMC與桑葚花青素這兩種化合物在化學結構上十分相似，因此兩者有著良好的相容性[25]。

2.8 指示膜的抗氧化性分析

DPPH自由基清除能力可用作評定物質的抗氧化能力[26]。桑葚花青素對指示膜抗氧化性的影響見表3。

由表3可以看出，未加入桑葚花青素的CMC膜抗氧化性很弱，其DPPH自由基清除率僅為（14.96±0.08）%。加入桑葚花青素后，指示膜的抗氧化性顯著增加（p＜0.05），其中，桑葚花青素質量分數為0.5%的指示膜的DPPH自由基清除率達到最高值（96.75±0.35）%。這是因為桑葚花青素是一類多酚類物質，酚羥基形成苯氧基可以消除自由基從而起到抗氧化的作用[27]。

表3 桑葚花青素對指示膜抗氧化性的影響Table 3 Effect of mulberry anthocyanins on antioxidant activity of films

2.9 魚肉新鮮度的檢測

TBARS值是影響肉類品質的重要參數。作為脂肪的氧化產物，TBARS值能夠反映脂質的氧化程度[28]。儲藏期間魚肉pH值、TBARS值以及指示膜△E的變化見圖6。

圖6 儲藏期間魚肉pH值、TBARS值以及指示膜△E的變化Fig.6 Changes in the pH value,TBARS value of fish and△E of the film during storage

如圖6所示，隨著儲藏時間的延長，魚肉的pH值、TBARS值以及指示膜的△E均呈現上升的趨勢。TBARS值在第8天時已達0.89 mg/kg，說明在儲藏期間，脂質逐漸氧化。pH值由最初的6.43升高到7.96，這是因為隨著儲藏時間的延長，魚肉中脂肪和蛋白質等物質在微生物的作用下被分解為氨、三甲胺等堿性含氮物質[29]。魚肉新鮮度隨著TBARS值以及pH值的上升而下降。并且隨著pH值不斷升高，指示膜的△E隨之升高，在第8天時達到24.89，顏色變化越來越明顯，這與2.1中桑葚花青素溶液顏色會隨著pH值的改變而改變的結論一致。因此，在魚肉的儲藏期間，可以直接通過肉眼觀察指示膜的顏色對魚肉的新鮮度進行判別。

3 結論

利用桑葚花青素與羧甲基纖維素共混制備食品包裝膜，考察桑葚花青素對指示膜理化性質及功能活性的影響。結果表明，桑葚花青素的添加對指示膜的理化性能產生了影響，膜的抗拉強度隨著桑葚花青素質量分數的增加而增加，而斷裂伸長率隨著質量分數的增加而略有減小。桑葚花青素的添加改善了膜的阻濕性和阻光性。隨著桑葚花青素質量分數的增加，截面結構變得光滑均勻，表明桑葚花青素與CMC基質有著良好的相容性。桑葚花青素與CMC之間的基團發生了較強的相互作用并依靠分子間作用力影響膜的性質，且桑葚花青素的加入未明顯改變原料的成分。DPPH自由基清除試驗證明桑葚花青素增強了膜的抗氧化活性。將該指示膜用于魚肉包裝，隨著儲藏時間延長，魚肉逐漸變質，pH值、TBARS值不斷上升，指示膜顏色隨之變化，證明該膜可監測魚肉儲藏過程中的新鮮程度。研究結果可進一步拓展羧甲基纖維素膜的應用領域。