二醛基纖維素/羧甲基纖維素復合薄膜的制備及在雞蛋保鮮中的應用

田玥，徐昊洋，康曉鷗，趙敏孜，阮長晴,2*

1(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)2(西南大學食品貯藏與物流研究中心，重慶，400715)

我國是世界上最大的雞蛋生產與消費的國家。雞蛋以常溫貯藏為主，但雞蛋在常溫下貨架期短，有研究表明雞蛋在冬季常溫下貨架期為15 d，在夏季常溫下貨架期為10 d，溫度高于32 ℃時僅能存放7 d[1-2]。利用天然高分子材料制得的可食性涂膜劑在雞蛋表面形成保護膜，能夠有效減緩水分損失，減少雞蛋內外氣體交換，抑制細菌生長，在常溫下有效延長雞蛋的貨架期[3-5]。天然高分子材料來源于自然，對環境友好，且具有可持續獲得性，是包裝生態化的重要方向[6]。

近年來，纖維素的應用越來越受到廣泛關注。自然界每年能生產數千億t的纖維素[7]。羧甲基纖維素(carboxymethyl cellulose，CMC)是一種水溶性纖維素衍生物，由纖維素葡萄糖單元中的羥基(—OH)被羧甲基(—CH2COO)取代得到，具有天然可降解性、無毒等優勢。在食品工業中應用廣泛，常作為增稠劑、穩定劑、分散劑等，也可與其他材料交聯聚合，改善膜的性能，制備復合可食用膜[8-9]。由于CMC是親水性多糖類物質，限制了其在實際生產中的應用，將CMC與不同物質進行交聯制成復合膜以改善性能可替代傳統食品內包裝的塑料膜，在綠色包裝研究方面具有良好的應用前景。

二醛基纖維素(dialdehyde cellulose，DAC)也是纖維素的衍生物，通過高碘酸鈉選擇性氧化纖維素制得。氧化過程中纖維素葡萄糖結構單元中C2—C3鍵斷裂，生成二醛基，新生成的二醛基賦予DAC更高的反應活性。DAC本身不溶于水，經熱處理后可溶于水[10]，這將有利于DAC在水溶液中的反應。商業化CMC中通常會有大量的羥基未被羧甲基化，這些羥基可與DAC中的醛基發生反應形成半縮醛，因此DAC有望成為CMC的交聯增強劑。有報道證明DAC無細胞毒性[11]，且具有一定的抗菌特性[12]。本文首次將DAC用作CMC的交聯劑，探究DAC對CMC性能的增強效果，以及DAC/CMC復合涂膜劑對雞蛋在常溫下的保鮮效果。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

雞蛋，重慶市北碚區農貿市場；纖維素粉末，分析純，上海阿拉丁試劑有限公司；高碘酸鈉(分析純)、CMC(分析純)，取代度0.7，上海麥克林生化科技有限公司；實驗過程中所用的水均為去離子水。

1.2 儀器與設備

08F106-42電子分析天平，艾德姆衡器有限公司；85-2A測速數顯恒溫磁力攪拌器，常州朗越儀器制造有限公司；TG16.5臺式高速離心機，上海盧湘儀離心機儀器有限公司；HWS-28電熱恒溫水浴鍋，上海齊欣科學儀器有限公司；DZF-6021真空干燥箱，紹興市索域儀器設備有限公司；FE28 pH計，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；DHG-9123A電熱恒溫鼓風干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司；LRHS-300-Ⅲ恒溫恒濕培養箱，上海躍進醫療器械有限公司；Spectrum100傅立葉變換紅外光譜儀，珀金埃爾默公司；SCW-500電子拉力機、W3/060水蒸氣透過率測試系統、C230H氧氣透過率測試系統，濟南蘭光機電技術有限公司；Theta-Flex水接觸角測定儀，上海大昌華嘉科學有限公司。

1.3 DAC/CMC膜的制備

1.3.1 DAC水溶液的制備

稱取20 g纖維素粉放置于棕瓶，在避光條件下取31.68 g高碘酸鈉(高碘酸鈉與纖維素葡萄糖單元摩爾比為1.2∶1)溶解于300 mL去離子水，磁力攪拌均勻后倒入裝有纖維素粉的棕瓶中，遮光反應72 h。將所得產物用去離子水離心洗滌至少4次。將上述反應得到的DAC懸浮液在100 ℃下進行水浴加熱至溶液變得透明，得到DAC水溶液。

1.3.2 DAC/CMC膜的制備

(1)不同pH復合膜制備：將上述DAC水溶液加入到質量分數1%的CMC溶液中(DAC占CMC的質量10%)，調節pH，分為3組，分別為pH自然(pH 7)、pH 5、pH 2，在室溫下磁力攪拌進行1 h交聯反應，得到DAC/CMC混合液。使用流延法成膜，將DAC/CMC混合液倒入12 cm×12 cm方形塑料培養皿中，放入電熱恒溫鼓風干燥箱，在40 ℃下烘干分別得到DAC/CMC-pH 7、DAC/CMC-pH 5、DAC/CMC-pH 2復合膜。

測試不同pH條件下DAC/CMC復合膜的力學性能及溶解性能，選取性能最優的pH進行后續實驗。

(2)最優pH條件下制備不同DAC含量的復合膜：向CMC分散液中加入一定量的DAC水溶液，使得DAC的添加量為0%、8%、12%、20%(占CMC干重的比例)。將混合溶液調節最優pH，室溫磁力攪拌1 h后得到不同配比的DAC/CMC混合液。使用流延法成膜，40 ℃烘干分別得到相應復合膜。

1.4 DAC/CMC膜的表征

1.4.1 力學性能

參照GB/T 1040.1—2018 《塑料 拉伸性能的測定》，用電子拉力機測量薄膜的拉伸強度(tensile strength，TS)和斷裂伸長率(elongation at break，EAB)。

1.4.2 溶脹度

裁取10 mm×10 mm膜樣品，稱定質量，然后浸入去離子水中1 h使其充分溶脹，用濾紙快速吸去樣品表面水分，再次稱定膜的質量，溶脹度按公式(1)計算：

(1)

式中：md，膜樣品干質量，g；mw，膜樣品濕質量，g。

1.4.3 傅里葉紅外光譜(Fourier transform infrared spectrometer，FTIR)分析

參照GB/T 6040—2019 《紅外光譜分析方法通則》，采用FTIR儀的衰減全反射模式在室溫下測定，掃描4 000～600 cm-1，以空氣為背景。

1.4.4 水蒸氣透過系數(water vapor permeability，WVP)

參照GB 1037—2021《塑料薄膜與薄片水蒸氣透過性能測定 杯式增重與減重法》，使用水蒸氣透過率測試系統(W3/060，濟南蘭光機電技術有限公司)進行薄膜水蒸氣透過測試。

1.4.5 氧氣透過系數(oxygen permeability，OP)

根據GB/T 19789—2021《包裝材料 塑料薄膜和薄片氧氣透過性試驗 庫侖計檢測法》，使用氧氣透過率測試系統進行測定。

1.4.6 水溶性

裁取15 mm×15 mm的方形樣品，40 ℃真空干燥至恒重，將薄膜樣品置于密封管中，加入足量去離子水使其浸沒，24 h后取出，再次放入40 ℃真空干燥箱中充分干燥后稱取其質量。水溶性按公式(2)計算：

水溶性/%=(m1-m2)/m1×100

(2)

式中：m1，第1次干燥后的質量，g；m2，第2次干燥后的質量，g。

1.4.7 水接觸角

采用水靜態接觸角測量法。使用光學水接觸角測量儀對薄膜進行水接觸角測試，測量水滴與樣品表面形成的夾角。薄膜樣品尺寸為1 cm×5 cm，測試時水滴體積為1 μL。

1.5 雞蛋保鮮效果測定

1.5.1 雞蛋涂膜處理

涂膜液制備：采用1.3的方法制備1%CMC溶液和DAC溶液，分別混合配制不調節pH的CMC、DAC/CMC復合涂膜液和最優pH的DAC/CMC復合涂膜液。DAC/CMC復合涂膜液中DAC的比例及最優pH均根據1.4的性能表征結果確定。對照組為蒸餾水。

挑選大小適中的雞蛋，剔除有裂紋、有血斑的瑕疵雞蛋，清除表面污物，用蒸餾水清洗干凈并晾干后的雞蛋分為4組，在室溫下浸泡在上述3組涂膜液及對照組蒸餾水中，浸泡時間為1 min，撈出并風干，置于25 ℃下貯藏，每隔15 d測定雞蛋的感官品質，每隔5 d測定雞蛋的失重率、哈氏單位(Huff unit，HU)、蛋黃系數(yolk index，YI)、蛋白pH各項指標，總貯藏期為60 d，因到后期雞蛋品質變化不顯著，最后1批隔10 d測試。

1.5.2 感官品質

隨機選取5枚雞蛋測定感官品質，參照SB/T 10638—2011《鮮雞蛋、鮮鴨蛋分級》，從蛋白、蛋黃和細帶的外觀對雞蛋內容物進行感官評定(表1)。

表1 感官評定指標及各等級相應表示符號[3]Table 1 Grades of sensory index and their symbols[3]

1.5.3 失重率、HU、YI及蛋清pH

每組隨機選取10枚雞蛋，做好標記，每5 d檢測失重率，按公式(3)計算：

(3)

式中：m0，貯前質量，g；mt，貯后質量，g。

每隔5 d，每組隨機選取5枚雞蛋，稱取其質量后將雞蛋打開置于平板上，用游標卡尺測量濃厚蛋白高度(距蛋黃邊緣1 cm，避開卵黃系帶)、蛋黃直徑(橫徑和縱徑的平均值)及蛋黃的高度。再將蛋黃和蛋清分離，將蛋清充分攪拌均勻，用pH計測量其值，精確到0.01。HU和YI計算如公式(4)(5)所示：

HU=100×lg(H-1.7×m0.37+7.6)

(4)

式中：H，蛋白高度，mm；m，雞蛋質量，g。

(5)

式中：H，蛋黃高度，mm；D，蛋黃直徑，mm。

1.6 數據處理

采用SPSS 18軟件處理試驗數據，并通過Duncan多重檢驗法檢驗顯著性，顯著性水平為0.05。數據以平均值±標準誤差表示，采用Origin 2019軟件制圖，圖中豎線代表標準誤差，不同字母表示差異顯著。

2 結果與分析

2.1 DAC/CMC膜的表征

2.1.1 pH對DAC/CMC膜的影響

2.1.1.1 力學性能分析

由圖1-a可見，DAC/CMC-pH 7、DAC/CMC-pH 5、DAC/CMC-pH 2復合膜的TS分別為62.07、52.59和48.84 MPa，EAB分別為14.64%、11.55%和12.05%。可見調節pH后，TS隨pH值降低而降低(P<0.05)，EAB無顯著性差異(P>0.05)。這可能是由于低pH影響了DAC在CMC膜中的分散性，發生團聚現象[13]，減少了氫鍵的鍵合，削弱了分子間作用。

a-力學性能；b-溶脹度圖1 pH對DAC/CMC膜的力學性能和溶脹度的影響Fig.1 Effect of pH on the mechanical properties and swelling degree of DAC/CMC films注：不同小寫字母表示不同組間拉伸強度具有顯著差異；不同 大寫字母表示不同組間斷裂伸長率具有顯著差異(P<0.05)

2.1.1.2 溶脹度分析

如圖1-b可知，隨著pH的降低，各組DAC/CMC復合膜的溶脹度也降低，pH為2和5制備的復合膜溶脹度差異不顯著(P>0.05)，中性條件下制備的復合膜溶脹度顯著大于低pH值的溶脹度(35倍脹大)，這可能是低pH下CMC的解離度降低，導致其溶脹度降低，此時復合膜在水中的穩定性增強。

綜合力學性能和溶脹度分析，后續探究DAC含量對DAC/CMC膜的影響均在pH 5的條件下進行。

2.1.2 DAC含量對DAC/CMC膜的影響

在最優pH條件下DAC質量分數為0%、8%、12%、20%制得的膜分別記為：CMC、8%DAC/CMC-pH 5、12%DAC/CMC-pH 5及20%DAC/CMC-pH 5。

2.1.2.1 FTIR分析

圖2 DAC膜、CMC膜及不同DAC含量下的 DAC/CMC膜的紅外光圖譜Fig.2 FTIR spectrum of DAC, CMC and DAC/CMC films with different DAC content

2.1.2.2 力學性能分析

如圖3所示，隨著DAC含量的增加，DAC/CMC復合膜的TS較CMC膜分別提高為5.77%、88.08%和110.93%(P<0.05)。而隨著DAC含量的增加，EAB較純CMC膜分別降低11.18%、38.03%和90.99%(P<0.05)。復合薄膜力學性能的變化與以下因素有關[15,17-18]：(1)DAC中的醛基與CMC中的羥基直接形成半縮醛；(2)DAC的添加使得復合膜中產生了更多的氫鍵，半縮醛及更多的氫鍵使得復合膜

圖3 不同DAC含量對DAC/CMC膜的力學性能的影響Fig.3 Effect of DAC content on the mechanical properties of DAC/CMC films

的三維網絡結構更密集，需要更大的外力破壞這個網絡結構，使其TS提高，并且高分子鏈段的滑移也變得更困難，即EAB降低。

2.1.2.3 阻濕性和阻氧性分析

復合膜的透濕系數隨著DAC添加量的增加先升高后降低再升高，復合膜的透氧系數隨著DAC含量的增加先減小，后又略微上升(表2)。當DAC含量適中時，DAC在復合膜中分散較均勻，形成了分子間氫鍵，此時復合膜的孔隙率降低，阻礙了氧氣和水蒸氣的溶解和擴散[19]。但當DAC含量較低時無法形成均勻的網絡，較高時CMC內部發生團聚，影響復合膜的有序排列，使得內部空隙大，水蒸氣和氧氣更易透過[13,20]。當DAC含量為12%時，復合膜的WVP和OP達到最低值，分別為1.99×10-12g·cm/(cm2·s·Pa)、8.56×10-15cm3·cm/(cm2·s·cmHg)，此時WVP比純CMC膜降低了4%，OP下降了4個數量級。

表2 DAC含量對DAC/CMC膜的WVP和OP的影響Table 2 Effect of DAC content on WVP and OP of DAC/CMC films

2.1.2.4 親水性分析

水溶性可以一定程度反映復合膜在水中的穩定性，而水接觸角則可以反映復合膜的親水性[21]。由圖4-a可見，隨著DAC添加量的增加，DAC/CMC復合膜水溶性降低(P<0.05)，復合膜內部分子間相互作用力增強，形成致密穩定的網絡結構，薄膜的耐水性增強[22]，12%DAC/CMC-pH 5膜相比純CMC膜水溶性降低了46.24%。由圖4-b可知，由于DAC中的半縮醛結構具有抗水滲透性[18]，雖然CMC中存在大量的羥基和羧基，屬于高親水性基團，但加入DAC后復合膜的疏水性提升，復合膜的水接觸角增大(P<0.05)，20%DAC/CMC-pH 5復合膜的水接觸角>90°，已從親水性薄膜轉變成憎水性薄膜。

a-水溶性；b-水接觸角圖4 不同DAC含量對DAC/CMC膜的水溶性和 水接觸角的影響Fig.4 Effect of DAC content on the water solubility and water contact angle of DAC/CMC films注：b圖中柱狀圖上方為測試水接觸角圖片

2.2 復合涂膜劑對雞蛋的保鮮效果

根據2.1的結果，選取12%DAC/CMC-pH 5的涂膜液進行雞蛋涂膜保鮮實驗，其他實驗組為對照。

2.2.1 雞蛋的感官品質

從表3可知，各組蛋白、蛋黃和系帶的感官品質均在貯藏一定時間后下降，涂膜組與CK組差異明顯。在15 d時CK濃蛋白開始稀釋，蛋黃彈性降低，系帶開始脫落，涂膜組雖然蛋黃品質下降，但此時濃蛋白較多、尚未散流。到45 d時12%DAC/CMC和12%DAC/CMC-pH 5組的濃蛋白才開始散流，到60 d時各組蛋黃彈性降低至幾乎沒有，球形扁平，除12%DAC/CMC-pH 5組外其他組系帶都已脫落。

表3 雞蛋感官評定等級表Table 3 The sensory rating scale of egg

2.2.2 雞蛋保鮮期間理化特性的變化

雞蛋的失重率、HU、YI和蛋清pH是反映雞蛋新鮮程度的重要指標。失重率與雞蛋內部的水分含量有關，HU主要度量雞蛋白的穩固性與濃厚蛋白高度及質量有關[23]，YI與蛋黃體積、蛋黃膜的強度及雞蛋內部水分的遷移有關[24-25]。

如圖5所示，隨著貯藏時間的延長，各組雞蛋的失重率逐漸增大，HU和YI逐漸減小。如圖5-a所示，貯藏60 d，CMC組與CK組無顯著性差異(P>0.05)，而復合涂膜組與CK組差異顯著(P<0.05)?？梢娞砑覦AC后的復合涂膜，可一定程度減緩雞蛋貯藏過程中的失重。如圖5-b和圖5-c所示，隨著貯藏時間的增加，蛋白穩定性下降，蛋白發生水樣化，水分向蛋黃內部擴散，因此HU和YI下降。貯藏到第60天時，CK組因蛋黃散黃無法繼續測定，添加DAC兩組之間的HU和YI沒有明顯差異(P>0.05)，但這2組與CMC組存在顯著差異(P<0.05)。12%DAC/CMC-pH 5組對失重率、HU、YI的下降減緩效果最佳，可見，DAC的添加提高了涂膜劑阻水性和阻氧性，減少了雞蛋內外的氣體交換，抑制了雞蛋的呼吸作用，因此減緩了濃厚蛋白水樣化速率，抑制了蛋黃對水的吸收，有效維持了蛋白和蛋黃的品質。

如圖5-d所示，各組的pH變化趨勢基本一致，貯藏初期，隨著貯藏時間的延長，雞蛋內部CO2通過氣孔不斷向外逸散，導致蛋清pH升高；貯藏后期，由于蛋清中的蛋白質在酶和細菌的作用下逐漸分解為膘和胨等物質，因此蛋清pH下降[26-27]。貯藏35 d內，涂膜各組pH顯著低于CK(P<0.05)。涂膜各組pH的上升速率減緩，說明涂膜有效阻礙了CO2的逸出。12%DAC/CMC與12%DAC/CMC-pH 5組的上升速率低于其他組，到50 d后涂膜組之間差異不顯著(P>0.05)。因此，加入DAC的涂膜劑能夠維持蛋清pH的穩定，防止蛋白質分解。

a-失重率；b-HU；c-YI；d-蛋清pH圖5 雞蛋的失重率、HU、YI、蛋清pH隨貯藏時間的變化Fig.5 The variation of WL, HU, YI and pH of egg white during storage

3 結論

本研究通過高碘酸鈉選擇性氧化得到DAC作為交聯劑，制備得到不同pH下進行交聯的DAC/CMC復合膜及不同DAC含量的DAC/CMC復合膜，并對其進行表征，發現添加DAC后，低pH條件下復合膜的力學性能和溶脹度較好，復合膜的TS提高，對水蒸氣和氧氣的阻隔性增強，抗水性和耐水性皆有所提高。將DAC/CMC復合涂膜劑應用到雞蛋保鮮，結果表明，涂膜處理使得雞蛋的生理生化指標有明顯改善。相較于CMC涂膜劑，添加DAC后復合涂膜劑對雞蛋的感官品質、失重率、HU、YI、蛋清pH的保持作用更為顯著，復合涂膜劑有效減少雞蛋水分散失，維持蛋清pH值的穩定，減緩濃厚蛋白水樣化的速率，降低雞蛋新陳代謝速率，從而抑制蛋黃對水的吸收，維持了蛋黃的品質，使得雞蛋貯藏期延長。DAC/CMC是一種天然、綠色、安全的可食用涂膜劑，未來可作為新型可食用涂膜保護劑的發展方向，在食品保鮮方面具有廣闊的應用前景。