包封亞硝酸鈉的明膠微球制備、物理化學特性及其抑菌效果

田曉靜，劉秋波，楊慶華，孫孟嬌，王穩航

（天津科技大學食品科學與工程學院，天津 300457）

亞硝酸鹽作為一種發色劑及抑菌劑被廣泛應用于肉制品加工[1]。然而，亞硝酸鹽可與肉制品中多種氨基化合物作用生成具有致癌性的亞硝基化合物，如亞硝胺是一類強致癌物質[2]。如果亞硝酸鹽添加過量，輕者會造成機體缺氧，重者會生成強致癌物，對人體具有致癌、致畸及致突變作用[3]。隨著食品安全意識和綠色食品觀念愈發深入人心，人們對肉制品中添加亞硝酸鹽持消極態度[4]。最近幾年，生物醫學相關研究報道，NO能實現對多種細菌較好的抑制效果[5]，因此，如果將NaNO2直接轉化成NO進行抑菌，可在根源上阻斷亞硝基化合物的生成，進而降低致癌致突變風險。由于NO的半衰期較短（3～5 s）[6-8]，這一特性極大限制了NO作為一種抑菌劑被應用于肉品表面抑菌，亟待探索能控制NaNO2緩慢釋放NO的控釋技術來延緩NO的釋放速率，進而延長NaNO2的抑菌效果。

微球是一種用高分子材料制備、包埋一種或多種藥物的微小球狀聚合物，其粒徑從幾微米到幾百微米[9]。由于微球具有比表面積大、表面能高、流動性和擴散性好、載藥率和封裝率高等特點，已成為一種應用比較廣泛的藥物載體形式[10]。微球可持續幾周至幾個月釋放包埋的藥物，并且可以控制藥物的釋放行為，并最終達到長期有效的治療作用，同時還能保護藥物，尤其是蛋白多肽類藥物不受破壞或減少破壞[11-12]。常用的制備微球的高分子材料主要分為天然高分子材料、半合成及合成高分子材料三大類。其中，天然高分子材料由于其來源廣泛、性質穩定、無毒、價格低廉、可生物降解和成球性好等優點獲得了廣泛關注，主要包括明膠、殼聚糖、海藻酸鈉、血清蛋白等[13]。

明膠是由動物皮膚、骨、肌腱等結締組織中的膠原部分降解而成的白色或淡黃色、半透明、微帶光澤的薄片或粉粒。由于其來源廣泛、性質穩定、無毒、價格低廉、可生物降解、生物相容性好、容易發生交聯反應且易于被化學改性等優點，明膠納米和微球在組織工程和藥物遞送等應用中引起廣泛關注[14]。按照制備方法不同，明膠可分為2 類，膠原蛋白經過酸性預處理可得到A型明膠，經過堿性預處理得到B型明膠[15]。A型和B型明膠具有不同的性質，堿性預處理產生的B型明膠具有更大的羧基比例，使B型明膠帶負電荷并降低了B型明膠的等電點（等電點為4～5）；而經酸預處理產生的A型明膠具有更大的等電點（等電點為8～9）[16]。明膠包裹、保護和釋放抑菌劑的功能特性與其組成和結構具有非常大的相關性[17]。因此，A型和B型明膠制備的微球物理物化性質及被包埋物質的釋放情況也可能存在顯著差異。

本研究通過油包水乳化交聯法，利用谷氨酰胺轉氨酶（transglutaminase，TGase）交聯A型和B型明膠制備包埋NaNO2的明膠微球，分別命名為A型明膠微球（gelatin type A microspheres，GAMs）與B型明膠微球（gelatin type B microspheres，GBMs），并對其物理化學特性進行表征，最后將GAMs與GBMs應用于牛肉干和豬肉脯進行防腐保鮮效果研究，以期為緩釋微球在肉制品防腐抑菌方面的應用提供理論參考，同時降低使用NaNO2帶來的危害。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

牛肉干 內蒙古蒙都羊業食品股份有限公司；豬肉脯 湖北良品鋪子食品工業有限公司。

A型、B型明膠 上海茂康生物科技有限公司；食品級玉米油 山東三星玉米產業科技有限公司；TGase（1 mL，120 U/mL） 天津市西瑪試劑公司；Griess試劑 西格瑪上海貿易有限公司；平板計數瓊脂 青島海博生物有限公司；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

TDZ5-WS離心機 湘儀離心機儀器有限公司；Thermo Nicolet Avatar 370傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）儀 德國布魯克儀器公司；Model 680多功能酶標儀 美國Bio-Rad公司；SU 1510掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）日本Hitachi公司；MARS 60動態流變儀 德國哈克公司；Bettersize 2600激光粒度儀丹東百特儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 明膠微球的制備

參考Tian Xiaojing等[18]的方法。將1 g明膠（A、B型）粉末溶于20 mL去離子水中，用磁力攪拌器將溶液在50～55 ℃的水浴中攪拌至完全溶解，然后加入100 mg NaNO2。將TGase（0、10、20、30、40 U/g）添加到明膠溶液中，通過持續攪拌的方式交聯2 h。將交聯后的溶液逐滴加入到160 mL預熱玉米油（55 ℃）中，玉米油含乳化劑Span 80（2 mL）和Tween-80（1 mL），攪拌1 h。將乳液在持續攪拌的條件下冷卻至室溫，然后在冰水浴條件下將乳液超聲處理10 min（功率200 W、超聲3 s、間歇2 s）以形成微球。為了繼續固化明膠微球，將反應體系的容器置于冰水浴中持續攪拌30 min。向乳液混合物中加入100 mL預冷的無水乙醇（4 ℃），在冰水浴中攪拌30 min以洗滌微球。采用頂置式機械攪拌器以400 r/min的速率持續攪拌30 min直到洗滌步驟結束。使用真空抽濾裝置將微球與玉米油和無水乙醇分離，將分離的微球在100 mL預冷的無水乙醇中洗滌2 次，然后將獲得的GAMPs與GBMPs（粉末狀）放置在4 ℃條件下保存。

1.3.2 明膠微球的表征

1.3.2.1 SEM觀察明膠微球形態

參考Tian Xiaojing等[18]的方法。將1～2 mg明膠微球放在二氧化硅晶片上，用導電膠將其粘在樣品臺上，然后在氬氣環境下將所有樣品噴金處理3 min，加速電壓6.0 kV，放大倍數1 000 倍。

1.3.2.2 明膠微球粒徑測定

使用激光粒度分析儀測量微球的粒徑，將0.5 g微球分散在5 mL去離子水中測定其粒徑分布，該儀器的測量范圍為0.02～2 600.00 μm。將微球的水分散液添加到測量室中（600 mL），遮光率達到5%～10%即可開始測定。

1.3.2.3 明膠微球的FTIR測定

使用FTIR儀獲取微球的FTIR圖。取1 mg凍干的微球粉末加入研缽中，加入150 mg溴化鉀研細并移入模具中進行壓片處理。對每個樣品進行4 000～500 cm-1的掃描，并通過Omnic 8.2軟件進行分析。

1.3.2.4 明膠微球的流變學特性測定

使用動態流變儀測定微球水分散液的流變學特性（室溫），用珀爾帖效應系統控制溫度。

黏度測定：取0.1 g不同濃度TGase交聯的明膠微球分散在2 mL去離子水中，在室溫下進行黏度測定。將剪切速率從0.1 s-1增加到100.0 s-1，測定黏度與剪切速率的關系。

頻率掃描：使用振蕩幅度掃描測定微球的線性黏彈性區域，在1 Pa的固定應力下進行動態振蕩頻率掃描，并繪制微球的彈性模量（G’）和黏性模量（G”）隨頻率變化曲線（頻率掃描范圍0.1～10.0 Hz）。

1.3.2.5 明膠微球中NO釋放量測定

參考Sarkar等[19]的方法，使用Griess試劑盒測定明膠微球在120 h內NO的累積釋放量。將0.03 g微球粉末懸浮在1 mL 3 g/100 mL抗壞血酸溶液中，并置于37 ℃培養箱，以100 r/min速率避光振蕩。在每個測定時間點，收集150 μL上述溶液上清液，并補充等量的抗壞血酸溶液，-20 ℃冷凍直至進行測定。取50 μL解凍的樣品加入到96 孔板中，隨后將50 μL Griess試劑（4 g/L）添加到每孔。將孔中的內容物在室溫下孵育10 min，使用酶標儀在524 nm波長處測定吸光度。

NO標準曲線的繪制：參考Griess試劑盒說明書，取0.015 g分析純NaNO2溶于100 mL水中，稀釋10 倍得標準溶液。取7 支10 mL比色管，按照試劑盒說明書步驟操作，繪制標準曲線。根據NO標準曲線計算微球中NO的釋放量。

1.3.2.6 明膠微球的NaNO2包埋率測定

將0.1 g微球粉末分散到足量的3 g/100 mL抗壞血酸溶液中，放置于37 ℃，直至NaNO2充分轉化為NO（4～5 h），加入與微球分散液等量的Griess試劑（4 g/L）測定明膠微球中NO的釋放總量，NaNO2包埋率按下式計算。

1.3.3 明膠微球對牛肉干和豬肉脯的抑菌防腐效果研究

明膠微球涂敷：綜合NaNO2包埋率及NO釋放量的研究結果，采用30 U/g TGase交聯的明膠微球用于牛肉干和豬肉脯的防腐實驗研究。將市售的牛肉干和豬肉脯隨機平均分為2 組（對照組和實驗組），每組100 g樣品，均預先噴涂3 g/100 mL抗壞血酸溶液。TGase添加量為30 U/g的GAMs的NaNO2包埋率為46%，TGase添加量為30 U/g的GBMs的NaNO2包埋率為31%。根據GB 5009.33—2016《食品安全國家標準 食品中亞硝酸鹽與硝酸鹽的測定》中規定的限值0.15 g NaNO2/kg肉，實驗組添加0.42 g GAMs、0.62 g GBMs，添加15 mg NaNO2的樣品為對照組，確保實驗組與對照組的NaNO2含量相同。噴涂微球后的樣品于45 ℃鼓風干燥箱中風干10 min，以除去表面水分，確保干燥前與干燥后水分含量相同，牛肉干水分含量16%，豬肉脯水分含量18%。干燥的樣品真空包裝后，置于25 ℃條件下進行貯藏。每隔4 d取樣1 次，測定菌落總數（total viable colony，TVC）。

TVC測定：牛肉干與豬肉脯中TVC的測定參考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》中的方法進行測定。

1.4 數據處理

每個處理進行3 次重復實驗，通過SPSS 24.0軟件進行統計分析。使用單因素方差分析比較樣品間的顯著性差異（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 明膠微球的表征

2.1.1 明膠微球的微觀形態

由圖1可知，不加入TGase交聯的明膠能成球但成球率低。經過TGase交聯的明膠微球顯示出接近球形的形態。隨著TGase添加量增加（0～30 U/g），微球粒徑減小，原因可能是隨著交聯度的增加，明膠具有較高的致密結構。這一現象可以解釋為TGase能催化肽鏈中谷氨酰胺殘基的γ-羧酰胺基團與有機胺中的伯胺基團交聯[20-21]，進而導致分子內和分子間交聯，提高明膠的乳化性能[22]。因此，上升的明膠蛋白乳化能力提高了微球的形成速率。但是，當明膠微球中TGase的添加量為40 U/g時，微球粒徑迅速增加，平均粒徑為25～40 μm。分析原因主要是添加過量的交聯劑可能生成了明膠聚合物，導致微球的粒徑增大，一定程度上也會影響NaNO2的負載和NO的釋放。與等濃度TGase交聯的GAMs（圖A）相比，GBMs（圖B）的粒徑略大些，這可能是因為B型明膠分子經交聯后其凝膠強度增加，分子間發生聚集，形成的微球粒徑較大。無論是GAMs還是GBMs，各個球體之間都沒有表現出明顯的黏連，這表明明膠微球具有良好的分散性能。

圖1 TGase交聯、包埋NaNO2的GAMs（A）和GBMs（B）的SEM圖Fig.1 SEM images of GAMs (A) and GBMs (B) cross-linked with TGase loaded with NaNO2

2.1.2 明膠微球的粒徑

由圖2可知，當TGase添加量為0～30 U/g時，微球的粒徑隨著TGase添加量的增加而減小，粒徑范圍為5～35 μm。原因可能是在增大交聯劑的量時，明膠大分子在更多的位點以更快的速率發生交聯，從而得到粒徑逐漸減小的微球[23]。隨著TGase添加量進一步增加至40 U/g，微球的粒徑迅速增加至39.2 μm，這與SEM觀察到的結果相一致。分析原因可能是40 U/g的TGase添加量較高，引起明膠分子過度交聯，乳化過程不能夠使過度交聯的明膠分散成均勻且粒徑較小的微球，導致交聯效果較差。值得注意的是，沒有經過TGase交聯的明膠微球，其粒徑小于TGase交聯的樣品，這可能是由于未交聯的明膠分子質量小于交聯的明膠，導致其粒徑較小[24]，并且明膠分子碎片較多。與等量的TGase交聯，GBMs的粒徑比GAMs略大些，這可能是由于A型明膠與TGase交聯度較高，在TGase的作用下GAMs分子間和分子內形成更多的氫鍵和酰胺鍵，使微球內部結構更加緊密，從而降低了GAMs的溶脹率[25]。

圖2 TGase交聯的GAMs（A）和GBMs（B）的粒徑Fig.2 Particle size of GAMs (A) and GBMs (B) cross-linked with TGase

2.1.3 明膠微球的FTIR譜圖

FTIR可以測定不同添加量TGase交聯微球的條帶及二級結構變化。由圖3可知，經過TGase交聯后，酰胺A帶的波數隨TGase交聯程度的增加而降低，這歸因于TGase交聯明膠形成分子內及分子間氫鍵。與交聯后的GBMs相比，交聯后的GAMs酰胺A帶的波數降低更顯著，形成更多的氫鍵，這表明A型明膠比B型明膠與TGase交聯效果更好，并且GAMs在交聯后的結構更穩定。1 600～1 700 cm-1的酰胺Ⅰ帶是紅外光譜分析蛋白質二級結構最為常用的。1 650 cm-1處的酰胺Ⅰ帶的變化主要是由于C＝O基團的拉伸振動所致。Li Chunyang等[26]的研究也表明，酰胺Ⅰ帶的波長向較低波數的移動與羧基和氨基之間形成的酰胺鍵有關。NaNO2的紅外吸收光譜顯示了2 個明顯的特征吸收峰，將其與標準NaNO2的紅外光譜圖比較后，結果一致。NaNO2在1 270、827 cm-1的光譜區域有2 個特征峰，但在明膠微球光譜中NaNO2的特征峰幾乎消失，這表明NaNO2被包埋在微球顆粒內部，在明膠微球的表面不存在附著的NaNO2。

圖3 TGase交聯的GAMs（A）和GBMs（B）的FTIR圖Fig.3 FTIR spectra of GAMs (A) and GBMs (B) cross-linked with TGase

2.1.4 明膠微球的流變學特性分析

流變學特性對微球的穩定性及物理性能起著至關重要的作用。本研究對微球進行黏度和振蕩頻率掃描，探討微球的流變學和微觀結構之間的關系。由圖4可知，微球的黏度隨剪切速率的增加而降低，表明明膠微球水分散液存在剪切稀化行為，呈現出非牛頓流體的流動特性[27]。剪切力破壞了微球內部明膠經TGase交聯在分子內及分子間形成的穩定結構，導致其黏度降低。且隨著剪切速率的增大，微球結構被破壞的程度增大，因此黏度減小。與未交聯的樣品相比，添加TGase的明膠微球的黏度增加。這可能是由于明膠與TGase相互作用，導致微球內部分子鏈的流體動力學半徑增加，并抑制了高分子鏈的遷移[28]。在相同添加量的TGase交聯下，GAMs（圖4A）比GBMs（圖4B）黏度偏高，這是由于GAMs比GBMs與TGase交聯效果更好，GAMs比GBMs粒徑小，并且在經過TGase交聯后形成的GAMs中分子間和分子內作用力增加，結構更穩定[29]。因此，同添加量的TGase交聯GAMs的黏度更高。

圖4 TGase交聯的GAMs（A）和GBMs（B）黏度隨剪切速率的變化Fig.4 Viscosity versus shear rate curves of GAMs (A) and GBMs (B)cross-linked with TGase

由圖5可知，在0.1～10 Hz的整個測量頻率范圍內，微球的G’均高于相應的G’’，表現出類固體的黏彈性內部結構。TGase添加量的增加導致G’逐漸增加，而凝膠強度增加則歸因于通過TGase介導的?；D移反應形成的強大交聯網絡[30]。在相同添加量的TGase交聯下，GAMs比GBMs的G’和G’’均偏高，這是由于GAMs比GBMs與TGase交聯效果好，形成較強大的交聯網絡，使凝膠強度增加。

圖5 TGase交聯的GAMs（A）和GBMs（B）的G’和G”隨頻率的變化Fig.5 Variation of G’ and G” of GAMs (A) and GBMs (B) crosslinked with TGase with frequency

2.1.5 明膠微球的NaNO2包埋率

由圖6可知，隨著TGase添加量增加至30 U/g，NaNO2的包埋率逐漸增加，最大為46%，GBMs較GAMs低，最大為31%。當TGase添加量增加至40 U/g時，GAMs和GBMs的NaNO2包埋率分別降低21%和10%，這是因為此添加量下微球的粒徑較大，微球中分子間和分子內作用力比粒徑小的微球弱，不易包埋NaNO2，導致其包埋率降低[18]。

圖6 TGase交聯的GAMs和GBMs的NaNO2包埋率Fig.6 Encapsulating rates of NaNO2 in GAMs and GBMs cross-linked with TGase

2.1.6 明膠微球的NO釋放量

由圖7可知，釋放的NO總量為48～62 μg/mL，NaNO2包埋率越高，NO釋放量越大。包埋率低的GBMs，在開始釋放的前1～2 h，NO釋放較快，隨后緩慢釋放；包埋率高的GAMs，在釋放的前1～2 h，NO釋放較快，2～4 h釋放速率減緩，隨后釋放緩慢。無論對于GAMs還是GBMs，前期較快釋放的NO可能來自于微球外層，而后期NO釋放較慢可能是由于內部NO釋放需要跨過外層明膠，導致釋放速率較慢[18,31]。同時，隨著TGase添加量增加至30 U/g，NO釋放量增加，GAMs從53 μg/mL增加至62 μg/mL，GBMs從48 μg/mL增加至56 μg/mL。這種現象與微球的大小密切相關。40 U/g TGase交聯的微球粒徑較大，約為25～40 μm，這使得NO的釋放量比其他樣品低，GAMs為54 μg/mL，GBMs為49 μg/mL。在相同添加量的TGase交聯下，GAMs比GBMs的NO釋放總量高，這是由于GAMs比GBMs與TGase交聯效果好，GAMs的粒徑比GBMs小，并且在經過TGase交聯后形成的GAMs結構更穩定。因此，同添加量的TGase交聯GAMs的包埋率高，NO釋放量高。對照組將NaNO2直接加入到抗壞血酸溶液內，因其瞬間釋放NO，故無法進行測量計算。

圖7 TGase交聯、包埋NaNO2的GAMs（A）和GBMs（B）的NO累積釋放量Fig.7 Cumulative release of NO from GAMs (A) and GBMs (B)cross-linked with TGase encapsulated with NaNO2

2.2 明膠微球對牛肉干和豬肉脯抑菌防腐的影響

由表1～2可知，各組樣品的TVC隨貯藏期延長均顯著增加（P＜0.05）。與空白對照組相比，微球組的增加幅度較小，且GAMs比GBMs效果更好，表明包埋NaNO2的微球具有一定的抑菌效果。與NaNO2組相比，包埋NaNO2微球的TVC增加幅度較小，表明將NaNO2包埋于明膠內實現了較好抑菌效果。同時，實驗結果再次驗證了包埋NaNO2的明膠微球在弱酸性環境下對NO具有緩釋作用，進而延長對牛肉干和豬肉脯的防腐抑菌作用。陽星等[32]報道了相似研究結果，他們通過S-亞硝基海藻酸鈉水凝膠緩慢釋放NO對大腸桿菌與金黃色葡萄球菌都展示了較好的抑菌效果。

表1 牛肉干貯藏過程中的TVC變化Table 1 Changes in TVC of beef jerky at different storage times lg（CFU/g）

表2 豬肉脯貯藏過程中的TVC變化Table 2 Changes in TVC of pork jerky at different storage times lg（CFU/g）

3 結 論

本研究利用不同添加量TGase（0、10、20、30、40 U/g）交聯A型與B型明膠，然后對NaNO2進行包封。結果表明：明膠微球的粒徑約為5～40 μm，紅外光譜實驗表明，TGase交聯使明膠微球的分子質量增加，隨著TGase添加量增加，微球的G’和G”均增加，表現出類固體的黏彈性內部結構；30 U/g的TGase交聯制備的GAMs NaNO2包埋率較高，為46%；NO在前4 h釋放速率較快，后緩慢釋放；將微球應用到牛肉干和豬肉脯的表面進行抑菌，隨著貯藏時間的延長，與對照組相比，微球的TVC增加速率較慢，說明微球對微生物生長具有抑制作用，GAMs效果比GBMs好?？傮w來說，將NaNO2包封于明膠內，可以實現NO的緩慢釋放，進而延長NO的抑菌效果，最終延長肉制品貨架期。