漂白紫膠/海藻酸鈉復合膜的制備及其在冷鮮肉保鮮中的應用

楊潔茹，劉海波，張雯雯，邢淑婕，張加研，張 弘，朱 靜，李 坤,

（1.信陽農林學院，農產品分析與檢測實驗室，河南信陽 464000；2.西南林業大學化學工程學院，云南昆明 650233；3.中國林業科學研究院高原林業研究所，國家林業和草原局特色森林資源工程技術研究中心，云南昆明 650233）

相比傳統鮮肉，冷鮮肉具有安全衛生、汁液流失少、營養價值高的優點[1]。目前冷鮮肉的冷藏保質期不到一周，限制了冷鮮肉行業的快速發展[2]。國內外對冷鮮肉的保鮮主要采用低溫冷藏和真空包裝的方法，但存在設備成本高，貨架期短，汁液流失率高等缺點[3]。可食用膜用于肉類加工行業，可以滿足消費者對高質量、低成本、可持續、天然且安全的食品包裝的要求。可食性包裝膜材料種類多樣，包括多糖、動植物蛋白和脂類等，可用于肉及肉制品的包裝，具有減少水分蒸發、抑制變色、抑菌、抗氧化等功能[4-6]，其效果取決于生物聚合物類型和生物活性化合物，因此目前研究的重點是將不同膜材料合理進行復配，以改善膜的功能特性[7]。

漂白紫膠是由紫膠蟲分泌物提取的一種天然樹脂，它具有防潮、防腐、易成膜、無毒無害、化學性能穩定等特性[8]，但水溶性差、耐熱性能差，導致其應用受到限制。海藻酸鈉具有良好的成膜性，成膜后具有優良的透明度和抗拉強度，但機械性能和阻隔性能不足[9]。僅使用成膜基材制成的包裝膜往往保鮮效果不夠理想，通常會添加防腐劑或抗氧化劑等活性物質輔助保鮮，例如添加精油[10-11]、多酚[12-13]和生育酚[14]等。謝菁等[15]發現α-生育酚能顯著抑制冷鮮豬肉脂肪氧化，同時可以改善肉色、降低汁液流失率。目前，鮮有紫膠基復合膜在冷鮮肉中應用的相關研究報道，本文將紫膠、海藻酸鈉和生育酚三者有序復合，通過紫膠改良海藻酸鈉的膜性能，從而彌補海藻酸鈉太過親水的特性，同時添加抗氧化劑生育酚，為冷鮮豬肉復合保鮮膜的制備提供理論基礎，以期延長冷鮮肉的貯藏期并擴大紫膠在食品保鮮領域的應用。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

冷鮮豬肉、PE 保鮮膜 購自超市；海藻酸鈉分析純，天津市登峰化學試劑廠；漂白紫膠 分析純，鄭州億之源化工產品有限公司；丙三醇、吐溫80、磷酸氫二鉀、磷酸二氫鉀 分析純，天津市巴斯夫化工有限公司；硼酸、濃硫酸、甲基紅、亞甲基藍、氧化鎂分析純，鄭州派尼化學試劑廠；α-生育酚 分析純，安徽酷爾生物工程有限公司；95%乙醇 分析純，天津市恒興化學試劑制造有限公司；無水氯化鈣、氫氧化鈉 分析純，天津市大茂化學試劑廠；溴化鉀 光譜純，天津市科密歐化學試劑有限公司。

TDL-40B 低速離心機 上海安亭科學儀器廠；雷磁PHS-3C 型pH 計 上海儀電科學儀器有限公司；IKA-T25 高速分散機 德國IKA 公司；MS-PA磁力攪拌器 大龍興創實驗儀器（北京）股份公司；CP214 分析天平 奧豪斯儀器（上海）；ST-04 凱氏定氮儀 山東盛泰儀器有限公司；TMS-PRO 質構儀北京盈盛恒泰科技有限責任公司；LS182 太陽膜測試儀 深圳市林上科技有限公司；TC600 覆層檢測儀

上海高致精密儀器有限公司；VYJG-9920 鼓風干燥箱 杭州億捷科技有限公司；A390 紫外分光光度計 翱藝儀器（上海）有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 漂白紫膠/海藻酸鈉復合膜的制備 稱取一定質量的漂白紫膠溶于95%乙醇中配制2%漂白紫膠溶液，過濾后備用，再將0.2 mL 生育酚和漂白紫膠溶液先后用注射器分散到150 mL 含0.15g 吐溫80 的水體系中，用高速分散機15000 r/min 進行乳化，分別配制濃度為4%、5%、6%、7%、8%的漂白紫膠乳液。再稱取1.5 g 的海藻酸鈉（sodium alginate，SA），加入100 mL 蒸餾水，用注射器吸取0.4 mL 甘油加入其中，用磁力攪拌器45 ℃下800 r/min 攪拌1 h至完全溶解，配制成1.5%的SA 溶液。將1.5%的SA 溶液分別與不同濃度的漂白紫膠乳液以質量比3:1 進行復配，充分攪拌后超聲去除泡沫，制備出五組不同濃度配比的漂白紫膠/海藻酸鈉復合膜液，以PE 保鮮膜作為對照。取復合膜液涂布于20 cm×20 cm的玻璃板上，置于無菌工作臺中室溫干燥48 h，待膜液完全干透后，將薄膜掀下，放入封袋內以備后續理化指標的測定。本研究技術路線如圖1 所示。

圖1 漂白紫膠/海藻酸鈉復合膜制備的技術路線Fig.1 Technology roadmap for preparation of bleached shellac/sodium alginate composite film

1.2.2 漂白紫膠/海藻酸鈉復合膜性能的測定

1.2.2.1 透光性測定 取1.2.1 中制備的五組漂白紫膠/海藻酸鈉復合膜，并以PE 保鮮膜作為對照組，用太陽膜測試儀測定紫外線阻隔率和可見光透過率。

1.2.2.2 厚度測定 使用覆層檢測儀（0.1 μm）依次測量五組復合膜厚度。將膜平鋪在方形鐵板上，用非磁性探頭取若干位置測量厚度，取平均值S，該值用來計算水蒸氣透過率和拉伸強度。

1.2.2.3 水蒸氣透過率（water vapor permeability，WVP）的測定 參考郭開紅等[16]的擬杯式法并稍作修改，對五組復合膜依次測定。室溫條件下，將烘干至恒重的無水氯化鈣粉末加入到稱量瓶中，至瓶口5 mm 左右處。剪取膜光滑平整的部分，將膜放置在瓶口上，石蠟封口，然后迅速稱重。將已稱重的稱量瓶放入底部為蒸餾水的干燥器內，25 ℃恒溫靜置，每隔2 h取出稱量瓶稱質量，連續測定5 次，每個樣品做三個平行取平均值。水蒸氣透過率根據式（1）計算。

式中：WVP—水蒸氣透過系數，g·mm/（m2·d·kPa）；Δm 表示穩定后膜的質量增量，g；S 表示復合膜的厚度，mm；S'表示有效透過水蒸氣的膜的面積，m2；Δt 表示質量增量穩定后的兩次時間間隔，d；Δp 表示膜內外水蒸氣壓差，kPa，該方法Δp 取2.3763 kPa。

1.2.2.4 氧氣透過率的測定 根據Wang 等[17]的方法稍作修改，對五組復合膜依次測定。將膜均裁剪成5 cm×5 cm 的方形，在稱量杯中加入5 mL 食用油，1 mL 亞油酸，隨后將膜固定在稱量杯口，稱取杯子初始重量后，室溫下放置2 d 后取出立即稱重。按式（2）計算氧氣透過率。

式中：Δm1表示杯子增加的重量，g；S 表示復合膜的厚度，mm；t 表示時間，d；A 表示杯口的面積，m2。

1.2.2.5 二氧化碳透過率測定 用強堿吸收法對五組復合膜依次測定[18]。在杯子中加入濃氫氧化鈉溶液，然后依次將五組復合膜固定在杯子口，2 d 后取出，立即稱重。按式（3）計算二氧化碳透過率。

式中：Δm2表示杯子增加的重量，g；S 表示復合膜的厚度，mm；t'表示時間，d；A'表示杯口的面積，m2。

1.2.2.6 機械性能測定 參考李彤等[19]的方法，略作改動。將裁剪好的五組復合膜依次夾于兩個探頭之間，有效拉伸長度為50 mm，探頭速率為15 mm/min。記錄膜樣品斷裂時的最大作用力和長度。每個測試至少重復3 次，分別按照式（4）、式（5）計算膜的拉伸強度和斷裂伸長率。

式中：T 表示樣品的拉伸強度，MPa；F 表示樣品斷裂時承受的最大作用力，N；S 表示樣品的橫截面積，mm2；

式中：E 表示樣品的斷裂伸長率；L 表示樣品斷裂時的長度，mm；L0表示樣品的初始長度，mm。

1.2.3 漂白紫膠/海藻酸鈉復合膜結構的表征

1.2.3.1 傅里葉變換紅外光譜分析 根據1.2.1 的方法配制5%漂白紫膠乳液和1.5%的海藻酸鈉溶液，涂布干燥制膜，對漂白紫膠膜、海藻酸鈉膜和不同濃度的漂白紫膠/海藻酸鈉復合膜進行掃描分析。將溴化鉀和待測樣品按1:100 質量比均勻研磨并進行壓片處理。掃描范圍在4000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描次數為32 次[20]。

1.2.3.2 掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM）分析 用SEM 對不同濃度的漂白紫膠/海藻酸鈉膜的表面形貌進行分析。將樣品用剪刀剪成5 mm×5 mm 的方形，放置在貼有導電膠的小圓臺上，進行噴金處理后放進顯微鏡中測試，儀器加速度電壓15 kV，放大倍數為1000 倍。

1.2.4 漂白紫膠/海藻酸鈉復合膜對冷鮮豬肉的保鮮效果 原料預處理：選取在屠宰場經過冷卻、排酸處理后的豬外脊，在超凈工作臺中剔除肉樣可見筋膜及脂肪，將豬肉等量分割成180 g 左右的若干等份，然后分別用五組復合膜包裹后置于無菌培養皿中，對照組用PE 保鮮膜包裹，所有樣品4 ℃冷藏12 d。分別在第0、3、6、9、12 d 對豬肉的理化指標進行測定。

1.2.4.1 汁液流失率的測定 在第0 d 分別稱量對照組、4%、5%、6%、7%、8%組的肉樣初始質量，在第3、6、9、12 d 再次稱量各組肉樣的重量，每次稱量均重復三次，取平均值。計算公式見式（6）：

1.2.4.2 揮發性鹽基氮（TVB-N）含量測定 參照 GB 5009.228 中《食品中揮發性鹽基氮的測定》半微量定氮法測定。評價標準為：一級鮮度≤15 mg/100 g，二級鮮度15～20 mg/100 g，變質肉＞20 mg/100 g。

1.2.4.3 pH 測定 稱取10 g 肉樣剪碎，置于錐形瓶中，加入100 mL 的蒸餾水，振蕩錐形瓶使肉分散開，浸泡30 min 后用漏斗過濾，用pH 計測定濾液pH[21]。

1.2.4.4 高鐵肌紅蛋白的測定 取5 g 肉樣，研磨成糜狀，加入50 mL 磷酸鹽緩沖溶液（K2HPO4、KH2PO4，4 ℃，40 mmol/L，pH6.8），勻漿。然后在4℃環境中靜置30 min，再以4000 r/min 離心10 min，過濾，取濾液。以磷酸鹽緩沖溶液為空白對照，分別在525、572、700 nm 測得吸光度值，高鐵肌紅蛋白含量按照式（7）進行計算[22]：

1.3 數據處理

本文所有實驗重復至少三次，數據采用Excel和SPSS24.0 計算分析，使用Origin 2021 繪圖。

2 結果與分析

2.1 漂白紫膠添加量對復合膜性能的影響

2.1.1 對透過性能的影響 紫外線和可見光都會加速食品成分的降解和氧化，造成食品營養物質的流失、品質劣變并產生有毒物質[23]。如圖2A 所示，隨著漂白紫膠濃度的增加，復合薄膜的透光率先降低后增加，復合膜的紫外阻隔率呈現先增大后減小的趨勢，并且樣品組與PE 保鮮膜組存在顯著性差異（P＜0.05）。在漂白紫膠濃度為5%時，透光率最低，為52.43%，紫外阻隔率最高，為60.90%，濃度為4%、6%、7%時透光率之間差異并不顯著，故當濃度為5%時的復合膜呈現最好的可見光和紫外線阻隔率，原因可能是漂白紫膠添加入SA 中，二者通過協同作用形成了更為致密的結構，使復合膜的透光率降低，比PE 保鮮膜空白對照組降低了37.37%，紫外阻隔率比PE 保鮮膜高了43.00%。結果表明該膜具有紫外可見光阻隔性能，能有效保護包裝食品免受光輻射的影響。

圖2 不同漂白紫膠添加量對復合膜性能的影響Fig.2 Effects of different bleached shellac additions on the properties of composite films

具有高CO2/O2選擇性和合適H2O 滲透性的透氣膜可以維持低O2濃度和高CO2濃度的理想氣體環境，抑制細菌的增殖[24]。漂白紫膠微粒通過改變SA與水結合的程度而降低復合膜WVP，結果見圖2B。可以看出，隨著漂白紫膠添加量的增加，復合膜的WVP 呈現先降低后升高的趨勢，漂白紫膠含量5%和6%復合膜的WVP 較低，漂白紫膠含量6%時，復合膜WVP 達到最小值8.12 g·mm/（m2·d·kPa）。WVP由膜的厚度及水分子的擴散速率決定，結果表明，漂白紫膠的加入并不會對SA 的鏈條結構造成破壞，而是與SA 通過協同作用形成了更為致密的結構。漂白紫膠和SA 通過氫鍵結合，加強了分子之間的交聯作用，使阻水率增加。當漂白紫膠添加量大于6%時，復合膜干燥過程中出現了析出、團聚的現象，造成膜不均勻、不平整，影響了成膜的致密程度，從而導致成膜的WVP 上升。因此，使用漂白紫膠含量5%和6%的復合膜可以對覆膜冷鮮肉起到較好的保水作用，同時也防止環境中的水分滲透到薄膜內部。

漂白紫膠添加量的不同導致復合膜對O2和CO2表現出不同的滲透性，結果見圖2C。隨著漂白紫膠用量的增加，復合膜的O2透過率先降低再升高，復合膜的CO2透過率先上升后下降，且不同漂白紫膠添加量之間均存在顯著性差異（P＜0.05）。可以看出，5%的復合膜的對氧氣阻隔效果最好。說明漂白紫膠微粒可以提高復合膜的CO2/O2選擇性，Zhou 等[25]制備的含有聚乳酸/殼聚糖微粒的漂白紫膠基復合膜用于保鮮水果的研究也有類似結論。

2.1.2 對復合膜機械性能的影響 薄膜的力學性能與聚合物薄膜形成的網絡中分子間和分子內的相互作用力有關[26]。拉伸強度（TS）可以描述薄膜抵抗拉伸的能力（圖3A）。斷裂伸長率（Eb）可以顯示薄膜的彈性和柔韌性（圖3B）[27]。從圖3 可以看出，當漂白紫膠的含量增加時，復合薄膜的拉伸強度和斷裂伸長率先增大后減小。當漂白紫膠的添加量為5%時，兩者都達到了最大值，TS 為27.11 MPa，Eb 為26.01%。漂白紫膠的加入，增強了復合膜之間的分子間作用力，復合膜拉伸強度提高；當復合膜含量超過5%時，紫膠析出，使復合膜的結構發生松散，導致基體海藻酸鈉大分子間的相互作用力減弱，使薄膜的拉伸強度降低。因此，從機械強度最大的角度來看，漂白紫膠的最適添加量為5%。

圖3 不同漂白紫膠添加量對復合膜機械性能的影響Fig.3 Effects of different bleached shellac additions on mechanical properties of composite films

2.2 漂白紫膠添加量對復合膜微觀結構和形貌的影響

2.2.1 傅里葉變換紅外光譜分析 如圖4 所示，在添加了漂白紫膠的復合膜的光譜圖中，根據石小娟等[28]的研究，3600～3100 cm-1為羥基O-H 鍵的伸縮振動吸收峰；2930 和2859 cm-1分別為CH2和CH3的C-H 伸縮振動吸收峰；1735～1704 cm-1為紫膠醛、酮、酸、酯中羰基C=O 鍵的振動吸收峰；1633 cm-1為C=C 組的不對稱伸縮振動峰；1254 cm-1為C-O鍵伸縮振動峰。在未添加紫膠樹脂的海藻酸鈉膜（對照樣品）中，1646 cm-1為C=O 振動吸收峰[29]，復合膜中隨著漂白紫膠添加量的增多，1731 cm-1處吸收峰開始增強，這是漂白紫膠中羰基吸收峰的位置。此外，相對于原料漂白紫膠和海藻酸鈉，復合膜中隨著漂白紫膠添加量的增加，O-H 吸收峰開始向低波數方向移動，這是二者復合后羥基之間氫鍵增強的明顯特征。綜上所述，紅外光譜的特征吸收峰與復合膜的組成變化之間形成了良好的印證關系。

圖4 漂白紫膠膜、海藻酸鈉膜和漂白紫膠/海藻酸鈉復合膜的傅里葉變換紅外光譜圖Fig.4 Fourier transform infrared spectroscopy of bleached shellac film, sodium alginate film, and bleached shellac/sodium alginate composite film

2.2.2 SEM 分析 用SEM 觀察含不同濃度漂白紫膠的復合膜表面形貌。

圖5a～圖5e 分別為含不同濃度漂白紫膠的復合膜，由圖5a 可看出復合膜表面較不平，可能由于放置在室溫使膜發生皺縮。由圖5d 可知漂白紫膠的微粒直徑2.8 μm 左右，隨著漂白紫膠濃度的增加，漂白紫膠/海藻酸鈉復合膜表面出現較多的點狀物。當添加量為8%時尤為明顯，可能是此時漂白紫膠與海藻酸鈉的相容性下降所致。結合2.1.1 中復合膜水蒸氣和氣體透過性能的測試結果可見，維持適當的紫膠樹脂添加量（如6%）更有利于保持復合膜表明平整、致密，從而具有更好的阻隔性。

圖5 漂白紫膠/海藻酸鈉復合膜SEM 圖Fig.5 SEM images of bleached shellac/sodium alginate composite film

2.3 漂白紫膠/海藻酸鈉復合膜對冷鮮豬肉貯藏品質的影響

由圖6A 可知，相比PE 組，復合膜組可有效減緩冷鮮肉在貯藏期間品質下降的情況。這可能是由于SA 的親水性能使得它吸收外界中的水分，避免肉制品水分蒸發而保持適當的濕度，有助于維持肉制品的新鮮度[30]。汁液流失率是評價冷鮮豬肉保水性最直觀的指標，汁液流失不僅會導致營養成分的損失，還會對豬肉的多汁性、風味等造成影響。由圖6A 可知，復合膜組的汁液流失率整體有增加的趨勢。5%的復合膜顯著低于PE 膜組的汁液流失率（P＜0.05）。0～3 d 內，汁液流失率較高，之后的汁液流失率增加的較為緩慢，可能是因為所包裹的復合膜，阻礙了豬肉的水分散失，這與2.1.1 中復合膜提高阻水率的結論相一致。

圖6 不同覆膜冷鮮豬肉貯藏品質的變化Fig.6 Changes in storage quality of chilled pork covered with different membranes

TVB-N 含量能反映出豬肉中蛋白質的分解情況，與自身酶的作用和微生物繁殖有關，肉的新鮮度越高TVB-N 含量越低[31]。已有研究表明SA 制備的保鮮膜能有效地延緩肉制品貯藏期間表面微生物的生長繁殖[32-33]。不同覆膜冷鮮肉貯藏期間的TVB-N 含量的變化如圖6B 所示。儲藏期間豬肉的TVB-N 含量均有所增加，用復合膜包裹的肉在0～3 d內TVB-N 含量增長速度緩慢，6～12 d 內TVB-N 含量顯著低于PE 對照組（P＜0.01），在第9 d，PE 組肉的TVB-N 含量已經達到21.00 mg/100 g，為變質肉，而復合膜組肉的TVB-N 含量均未超標，到12 d 時六組均變質。因此復合膜可有效降低肉的TVB-N 含量，不同含量漂白紫膠的影響差異不顯著（P＜0.01），5%漂白紫膠組略優。

pH 可用于判定豬肉新鮮度，儲藏期間由于豬肉無氧呼吸產生乳酸或代謝產生的酸性物質使豬肉的pH 先發生下降，后期由于脂肪的氧化和微生物的生長繁殖pH 上升。由圖6C 可知，復合膜處理組比PE膜顯著地減緩了pH 的上升（P＜0.05），5%的復合膜包裹的冷鮮豬肉pH 變化較為緩慢。這可是因為復合膜具有阻氧性并能釋放出生育酚，抑制了脂肪的氧化，同時SA 膜也有一定的抑制微生物的作用。綜上所述，含5%的漂白紫膠復合膜減緩豬肉品質下降的效果最好。

肉中肌紅蛋白與氧氣結合的情況決定了高鐵肌紅蛋白含量的高低，即冷鮮肉褐變程度[34]。由圖6D可知，各實驗組的高鐵肌紅蛋白含量均呈現先增加后減小再趨于平緩的趨勢，0～3 d，高鐵肌紅蛋白含量迅速升高；3～6 d，低添加量紫膠樹脂復合膜中高鐵肌紅蛋白含量低于PE 組，而高添加量紫膠樹脂復合膜中高鐵肌紅蛋白含量則高于PE 組；6～9 d，復合膜組冷鮮肉中高鐵肌紅蛋白含量顯著低于PE 組（P＜0.05），可能是因為該膜具有一定的氧氣阻隔能力并且能釋放抗氧化劑生育酚，可以把氧化型的褐色高鐵肌紅蛋白還原為紅色的還原型肌紅蛋白，有效保持肉色的鮮艷，但是生育酚的釋放和還原作用需要一定時間。由此可見，用漂白紫膠/海藻酸鈉復合膜可以在貯藏期間抑制豬肉褐變，并且5%的復合膜包裹的豬肉褐變程度最輕，保鮮效果最好，這與2.1.1 中關于阻氧率的結論相符。后期高鐵肌紅蛋白含量趨于平穩是由于肉自身呼吸過程NADH 不斷被消耗，ATP 含量一直減小，貯藏后期NADH 和ATP 都匱乏，使肌紅蛋白發生氧化還原反應的因素達到平穩狀態[35]。

3 結論

本研究以海藻酸鈉為基材，添加漂白紫膠微粒并負載生育酚進行改性，制備出機械性能良好，具有適宜的阻濕性、阻氧性的復合膜，然后探究了不同配比的漂白紫膠/海藻酸鈉復合膜對冷鮮豬肉的保鮮效果及貨架期的影響，結果顯示1.50%的海藻酸鈉和5%的漂白紫膠微粒共混制膜對冷鮮豬肉覆膜保鮮效果最好，有效降低貯藏期間肉的TVB-N 含量、汁液流失率、pH 和高鐵肌紅蛋白含量，延緩腐敗和營養流失，可將冷鮮豬肉的貨架期延長至4 ℃的條件下保存到9 d 以上。盡管可食膜目前很難取代傳統的塑料保鮮膜，但比PE 保鮮膜安全性高，符合綠色可持續發展理念，具有巨大的發展空間。后續還可深入研究紫膠-海藻酸鈉復合膜對豬肉保鮮的機理，例如對于微生物生長繁殖的影響等。還可以結合其他保鮮方式如超高壓技術、輻照技術等協同進行保鮮。