殼聚糖-植酸復合膜性能分析及其對鱸魚片保鮮效果研究

馬曉璐，張 振，倪 榮，齊懿涵，王曉權，郭雪松

（錦州醫科大學食品科學與工程學院，遼寧 錦州 121000）

傳統的食品包裝大部分以塑料包裝為主，因其性質穩定，價格低廉被廣泛應用。但是目前環境惡化，塑料包裝因不具備生物降解性和引發的“白色污染”，對環境和人體產生較大的危害[1]，這種情況引起了社會的高度重視。為了降低塑料安全性和對環境污染的隱患，保護人體身體健康和動植物安全，研究人員將研發方向集中到具有環境友好性和生物降解性的聚合物，將其作為包裝行業中廣泛使用的塑料替代品[2]。

殼聚糖是一種天然有機化學高分子物質，具有非毒性、成膜性、生物可降解性等特點，但其在抗氧化性和維持食品保鮮方面存在一定缺陷，限制了殼聚糖食品包裝的發展[3]。因此，以殼聚糖為基質開發復合膜成為目前包裝領域的熱點研究方向。植酸從谷物種籽加工副產品中提取純化而得[4]，是一種很好的抗氧化劑，同時具有很強的鰲合能力，能夠有效抑制果蔬品質劣變。

本研究將殼聚糖與植酸兩者混合制備復合膜，分析植酸添加量對復合膜物理性能和抗氧化性能的影響，并將復合膜應用于鱸魚片的保鮮研究中，為魚類等水產品可降解復合膜的研發提供思路。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 材料與試劑

新鮮鱸魚，錦州林西路水產市場；殼聚糖，脫乙酰度≥95%，黏度100～200 mPa·s，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；食品級植酸，分子量660.04，河南洪鑫食化有限公司；1,1-二苯基-2-苦肼基（DPPH），合肥博美生物科技有限公司；冰乙酸、丙三醇等其他試劑均為分析純。

1.1.2 儀器與設備

Varioskan FlashT酶標儀，賽默飛世爾科技公司；KQ5200E型超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司；TMS-PRO型質構儀，北京盈盛恒泰科技有限公司；SSX-550型掃描電子顯微鏡，日本島津公司；UV-6300型紫外分光光度計，上海光學儀器廠；TGL16M型離心機，長沙英泰儀器有限公司；MYP11-2A磁力攪拌器，上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司；SYNTEK-59電子數顯測厚儀，浙江德清公司。

1.2 方法

1.2.1 單殼聚糖膜和殼聚糖-植酸復合膜的制備

參照李曉雁等[5]的方法稍作修改。稱取4.5 g殼聚糖溶于300 mL 1%冰乙酸溶液中，磁力攪拌器攪拌均勻無顆粒狀，靜置6h待氣泡消失（也可超聲脫氣0.5h）后，加入1.35 mL丙三醇，混合均勻即得1.5%單殼聚糖溶液。然后分別配制濃度為0.01、0.06、0.11、0.16 g/100 mL的植酸溶液，將其與殼聚糖溶液同體積混合，用量筒稱取23 mL混合膜液倒入直徑為80 mm的一次性培養皿中靜置，待氣泡消失，放入45℃電熱恒溫干燥箱中，烘干成淺透明膜，繼續平衡培養12 h備用，即得殼聚糖-植酸復合膜。

1.2.2 單殼聚糖膜和殼聚糖-植酸復合膜光學照片分析

將制成的膜在白色背景下成像，分析兩種不同膜表觀的相同點與不同點。

1.2.3 殼聚糖-植酸復合膜物理性能的測定

1.2.3.1 厚度取殼聚糖-植酸復合膜樣品，選用數顯測厚儀進行測量，在膜處選取9個點，結果取平均值。

1.2.3.2 水溶性

在無菌條件下將殼聚糖-植酸復合膜剪成15 mm×15 mm的正方形，放在小燒杯里，在95℃烘箱中干燥3～5 h，至樣品恒重后取出稱重，記為m1；取出后向燒杯里加入超純水，水溶9 h后取出，擦去表面水分，再完全干燥后稱重，記為m2。按下式計算水溶性。

1.2.3.3 不透明度

將殼聚糖-植酸復合膜裁剪成與比色皿一樣大小，將膜干燥后放入比色皿內壁，在波長600nm處進行測定，每個膜樣品均進行3次平行試驗，結果取平均值。式中：OD600為膜在600 nm處的吸光度值；d為膜厚度，mm。

1.2.3.4 水蒸氣透過系數

選擇統一量程的玻璃瓶，放入干燥完全的硅膠粒，將無氣泡無破損的膜樣品剪成略大于玻璃瓶口的大小，用封口膜或橡皮筋扎緊，確保其他地方不會進入水分。將玻璃瓶放入底部裝有蒸餾水的干燥器內，每3 h稱量1次，計算水蒸氣透過系數。

式中：WVP為水蒸氣透過系數，g·mm/（h·cm2·Pa）；△m為前后質量差，g；T為膜樣品的厚度，mm；△t為時間間隔，h；A為封口處膜的面積，cm2；△P為內外水蒸氣壓差，20℃時水蒸氣壓差為2 337 Pa。

1.2.3.5 機械強度

將完整膜樣品裁剪成85 mm×15 mm的矩形，將其固定在質構儀A/MTG探頭上，測定膜的斷裂拉伸率和拉伸強度。

式中：L1為拉伸后長度，mm；L0為初始長度，mm；FN為拉力，N；S為膜的面積，mm2。

1.2.4 殼聚糖-植酸復合膜的抗氧化能力評價

DPPH自由基（DPPH·）清除能力的測定參照彭勇等[6]的方法，并稍作調整。將膜樣品（25 mm×5 mm）置于研缽中碾碎，然后放入燒杯中，加入60 mL蒸餾水，進行磁力攪拌。然后以3 500 r/min離心10 min，取上清液備用。制備0.2 mol/L DPPH-乙醇溶液，取制備好的DPPH-乙醇溶液400μL，并取100μL膜樣品組溶液，將兩者混合，混合物在黑暗中反應0.5h，設置酶標儀波長為517nm，同時用蒸餾水作對照。

式中：A1為樣品組的吸光度值；A2為乙醇組的吸光度值；A0為空白組的吸光度值。

1.2.5 殼聚糖-植酸復合膜的結構表征

在24℃條件下，將單殼聚糖膜和殼聚糖-植酸復合膜均裁剪成0.75 cm×0.75 cm的正方形，進行干燥處理后，在真空條件下使用SSX-550型掃描電子顯微鏡對樣品表面形貌進行觀察。

1.2.6 殼聚糖-植酸復合膜對鱸魚片的保鮮研究

選用1.5%殼聚糖和0.06 g/100 mL植酸溶液復合成膜，進行鱸魚片保鮮試驗。

1.2.6.1 肉品預處理

新鮮鱸魚在超凈工作臺上進行處理，去除頭尾皮，剔除魚刺，每組均勻切分成5 cm×3 cm×1 cm的魚片，單片質量約（10±2）g，用殼聚糖-植酸復合膜包裹，同時用單殼聚糖膜、實驗室PE保鮮膜作為對照組，3個樣品組各做2個平行，放入自封袋中，于4℃下保存，定期進行各項指標的測定。

1.2.6.2 感官評價

將樣品從冰箱中取出，趨于室溫時觀察魚片的組織狀態、顏色、氣味、肌肉彈性，按照表1對鱸魚片進行評分[7]，滿分為20分。

表1 鱸魚片感官品質評分標準Table 1 Sensory evaluation criteria of perch slices

1.2.6.3 pH值測定

參考GB 5009.237—2016《食品安全國家標準 食品pH值的測定》[8]中的方法進行測定。

1.2.6.4 揮發性鹽基氮（TVB-N）值測定參考GB 5009.228—2016《食品安全國家標準 食品中揮發性鹽基氮的測定》[9]中的方法進行測定。

1.2.6.5 汁液流失率測定

采用離心法測定鱸魚片的汁液流失率。在儲藏前稱量鱸魚片的初始質量，之后在儲藏3、5、7、9、12 d時取出，用濾紙包裹住置于離心管中，1 500 r/min離心15 min，瀝去表面水分并稱重。

式中：DL為汁液流失率，%；m1為儲藏前肉樣質量，g；m0為儲藏一定時間離心后肉樣質量，g。

1.2.7 數據處理

采用Excel對試驗數據作圖，利用SPSS19.0軟件對數據進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 殼聚糖-植酸復合膜的表觀特征

試驗結果顯示：單殼聚糖膜（圖1）顏色為白色透明狀，聞起來有冰乙酸特有的酸味；加入不同濃度的植酸后，隨著植酸添加量的增加，冰乙酸味道變淡，殼聚糖-植酸復合膜（圖2）的顏色發生變化，為淺黃色半透明狀，膜外觀狀態良好，光滑度提高。

圖1 殼聚糖膜光學照片Fig.1 Optical photograph of chitosan membrane

圖2 殼聚糖-植酸復合膜光學照片Fig.2 Optical photograph of chitosan phytic acid composite membrane

2.2 殼聚糖-植酸復合膜的性能分析

由表2可知，植酸對殼聚糖膜的物理性質（厚度、水溶性、不透明度、水蒸氣透過系數）和機械強度（斷裂伸長率和拉伸強度）都有影響。復合膜的厚度比單殼聚糖膜減小，植酸水溶液的加入會稀釋溶液，在植酸添加量為0.06 g/100 mL時，復合膜的厚度達到0.041 mm，可能是植酸加入量超過一定限值會破壞復合膜的性質。水溶性是反映膜的抗水性指標[10]。由于殼聚糖本身是由氨基葡萄糖單元通過糖苷鍵連接成的高分子化合物，不溶于水，所以殼聚糖膜的水溶性最低，植酸的加入使殼聚糖的水溶性提高，這是因為植酸具有良好的親水性，易溶于水，使得復合膜的水溶性提高。不透明度是指膜的外觀顏色，是影響消費者可接受度的重要指標[11]。植酸溶液為透明狀，成品膜為淺黃色薄膜，不透明度增加。水蒸氣透過率是對膜阻濕性能的考察，對于食品的保存以及微生物腐敗都有重要意義[12]。水蒸氣透過率數值的高低關系到膜的厚度，在高分子作用形成的網狀結構中起作用，水蒸氣透過率越低，膜的阻濕性越好。由表2可見，植酸添加量為0.06 g/100 mL時，水蒸氣透過系數最低，為1.967×10-8g·mm/（h·cm2·Pa）。斷裂伸長率反映復合膜的拉伸能力，復合膜的最大承受力用拉伸強度表示。數據表明：殼聚糖膜的機械性能良好，加入植酸后斷裂伸長率和拉伸強度呈現不同程度的下降，有可能是植酸打亂了殼聚糖的有序晶體結構，分子間氫鍵被減弱，阻礙了相互作用。

表2 植酸添加量對復合膜厚度、水溶性、不透明度、水蒸氣透過率及機械強度的影響Table 2 Effect of phytic acid addition on thickness,water solubility,opacity,water vapor transmission rate and mechanical strength of compositemembrane

2.3 殼聚糖-植酸復合膜的抗氧化能力分析

DPPH·作為一種很穩定的自由基，可用來測定抗氧化性能的強弱[13]。由圖3可以看出，單殼聚糖膜的DPPH·清除率僅為54%，而加入植酸后，其復合膜對DPPH·的清除率顯著提高，最高可達99%，將近單殼聚糖膜的2倍，說明植酸是一種優質的抗氧化原料。植酸添加量為0.06 g/100 mL時制成的復合膜抗氧化能力較穩定，達94%。綜合各項指標，確定植酸添加量為0.06 g/100 mL。

圖3 殼聚糖-植酸復合膜的抗氧化性能Fig.3 Antioxidant propertiesof chitosan-phytic acid composite membrane

2.4 殼聚糖-植酸復合膜掃描電鏡圖分析

由圖4可以看出，植酸的加入使殼聚糖表面變得更加平整，單殼聚糖表面（圖4A）有著輕微的小凸起，可能是少許殼聚糖出現堆積；加入植酸溶液后，復合膜溶液的流動性增強，復合膜表面（圖4B）較單殼聚糖膜更為平整；但植酸的加入也降低了殼聚糖的致密性，單殼聚糖膜截面（圖4C）結構形成致密緊湊的體系，加入植酸后，復合膜截面（圖4D）變得較松散粗糙，這與吳丹[14]和Lozano-Navarro等[15]的研究結果一致。

圖4 單殼聚糖膜和殼聚糖-植酸復合膜的掃描電鏡圖Fig.4 Scanning electron micrographs of chitosan membrane and chitosan-phytic acid composite membrane

2.5 殼聚糖-植酸復合膜對鱸魚片保鮮效果的影響

2.5.1 感官評價

感官品質是從氣味、色澤、肌肉形態、組織狀態4方面對魚肉進行評價，是最直接但較主觀的一項指標[16]。在4℃冷藏期間，被不同膜包裹的魚肉感官評分如圖5所示。鱸魚片的感官評分均呈下降趨勢，聚乙烯（PE）保鮮膜包裹組下降最快，單殼聚糖膜組次之，殼聚糖-植酸復合膜組下降最為緩慢。在15 d冷藏期間，殼聚糖-植酸復合膜組的感官評分均顯著高于PE保鮮膜和單殼聚糖膜（P＜0.05），在第6天之后差異更明顯，PE保鮮膜包裹的鱸魚片首先出現腐敗現象，臭氣味濃烈，而殼聚糖-植酸復合膜組和單殼聚糖膜組并不明顯。在冷藏期間，由于微生物生長，3種不同膜包裹的鱸魚片顏色均產生不同程度的變化。PE保鮮膜包裹的鱸魚片首先出現顏色灰暗無光澤，而殼聚糖-植酸復合膜可以通過抑制微生物生長和脂肪氧化對鱸魚片的肉色起到保護作用。在儲藏期間，鱸魚片在發生腐敗變質的同時會產生黏液，導致變質。綜合感官結果可知：殼聚糖-植酸復合膜包裹的鱸魚片在冷藏期后期（12～15 d）才產生了少許黏液；PE保鮮膜在6 d后逐漸產生黏液，9 d后品質完全變壞；單殼聚糖膜在9 d后逐漸產生黏液，組織開始松散。PE膜組在第12天時感官評分降至4.64分，且氣味嚴重酸臭；單殼聚糖膜組的感官評分為7.57分，樣品接近無異味，但魚肉片干硬，失去食用價值；殼聚糖-植酸復合膜組樣品感官評分依然在12分左右，說明植酸的加入可以提高復合膜的保鮮性能，增強其抗氧化能力和抑菌效果，延長鱸魚片保鮮時間。

圖5 不同包裝對冷藏期間鱸魚片感官評分的影響Fig.5 Effectsof different packaging membrane on sensory scores of perch slicesduring cold storage

2.5.2 pH值

通過圖6可以看出，所有組鱸魚片pH均呈先下降再上升的趨勢。鱸魚片的初始pH為6.82，這與余小亮[17]報道的鱸魚初始pH相近，卻明顯高于劉晨[18]報道的鱸魚初始pH，這是因為初始pH受多種因素影響。在儲藏初期，魚肉的pH會因糖酵解反應生成乳酸，糖原含量決定pH下降的程度。PE保鮮膜包裹的鱸魚片在第6天時pH達到最小值，為6.62，單殼聚糖膜也在第6天達到最小值。冷藏至中后期（7～12d），魚肉中的蛋白質開始降解為氨和三甲胺等堿性物質，使pH上升[19]。含有植酸的復合膜抑制了腐敗菌的生長，儲藏第15天時，PE保鮮膜、單殼聚糖膜和殼聚糖-植酸復合膜組鱸魚片的pH分別7.52、7.29和7.08，說明殼聚糖-植酸復合膜包裹鱸魚片可以延緩蛋白質的分解。但pH受魚的種類、包裝材料等因素影響，不能準確地反映魚片的鮮度變化，僅作為輔助指標使用。

圖6 不同包裝對冷藏期間鱸魚片pH值的影響Fig.6 Effect of different packaging membrane on pH value of perch slices during cold storage

2.5.3 TVB-N值

TVB-N值是用來評價水產品鮮度的常用指標之一[20]，TVB-N值越大，代表魚片腐敗越嚴重。前期儲藏期間，由于蛋白質分解釋放出的胺類物質增長緩慢，魚體先發生僵直，后期魚肉僵直結束進行自溶，產生大量微生物，導致TVB-N值明顯上升。根據GB/T 18108—2019[21]，鮮海水魚的優級品TVB-N值≤15 mg/100 g，合格品TVB-N值≤30 mg/100 g。由圖7可以看出：新鮮鱸魚的TVB-N值為8.93 mg/100 g，屬于一級鮮度范圍，隨著儲藏時間的延長，PE膜包裹的鱸魚片最先達到一級鮮度限值，第6天時達到16.57 mg/100 g，高于15 mg/100 g；單殼聚糖膜組包裹的鱸魚片在9 d時接近一級鮮度限值14.23 mg/100 g，9～15 d鱸魚片的TVB-N值開始明顯升高，但一直為合格品；殼聚糖-植酸復合膜包裹的鱸魚片在儲藏第12天才剛超過優級品標準上限（15 mg/100 g），TVB-N值為15.75 mg/100 g，說明殼聚糖-植酸復合膜能夠顯著抑制微生物的生長繁殖，明顯延長鱸魚片的保質期。

圖7 不同包裝對冷藏期間鱸魚片TVB-N值的影響Fig.7 Effect of different packaging membrane on TVB-Nvalue of perch slicesduring cold storage

2.5.4 汁液流失率

汁液流失率是衡量魚肉蛋白持水力的主要指標[22]。在儲藏過程中，水產品汁液外滲不僅會降低其商品價值，也會造成細菌生長，破壞組織。由圖8可知，儲藏期間，各組鱸魚片汁液流失率逐漸上升，以PE組上升最為明顯，單殼聚糖膜組其次，殼聚糖-植酸復合膜組的持水力最好，汁液流失最少。但PE組包裝的鱸魚片蛋白質水解嚴重，魚肉分解加快，汁液流失率在9～12 d達到峰值（11.46%）；單殼聚糖膜的鎖水性能也較差，這是殼聚糖本身性質所致，其汁液流失率上升速度僅次于PE組；而殼聚糖-植酸復合膜則呈現出較強的阻隔性能和鎖水性能，儲藏第12天時，其汁液流失率遠低于PE組，僅為3.87%。

圖8 不同包裝對冷藏期間鱸魚片汁液流失率的影響Fig.8 Effectsof different packaging membrane on juice lossrate of perch slicesduring cold storage

3 結論

本試驗將殼聚糖與植酸復配制備可降解包裝膜，試驗結果表明：0.06 g/100 mL植酸與殼聚糖復配成膜的厚度適宜，膜的水蒸氣透過率和機械強度最好，抗氧化能力強；將其用于鱸魚片的保鮮中能顯著降低魚肉的pH、TVB-N值和汁液流失率的升高。由此可見，殼聚糖復配植酸會提高包裝膜的性能。但本試驗復合膜仍需進一步優化以提高其拉伸強度，以便后期可以投入市場，提高復合膜的使用率，同時為新型食品包裝膜的研發提供新的途徑。