沒食子酸對(duì)豆腐柴果膠可食膜的影響研究

史 強(qiáng), 周芳芳, 潘銘楷, 劉 詠, 王軍輝

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 農(nóng)產(chǎn)品生物化工教育部工程研究中心,安徽 合肥 230601; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 安徽省農(nóng)產(chǎn)品精深加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230601; 3.合肥工業(yè)大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)

0 引 言

豆腐柴(PremnamicrophyllaTurcz.)是馬鞭科豆腐柴屬多年生落葉灌木,其葉子不僅具有多種營(yíng)養(yǎng)成分,還含有大量果膠,占20%左右[1]。豆腐柴作為野生植物資源,對(duì)生存環(huán)境要求不高,生長(zhǎng)迅速,原料豐富,具有極大的開發(fā)利用潛力和價(jià)值[2]。

豆腐柴果膠(PEP)是一種可食用、可降解、無毒的生物高分子材料,由于其良好的凝膠特性,被認(rèn)為是生產(chǎn)可食膜的良好原料。果膠薄膜能較好地屏蔽氧氣,有良好的硬度和黏著性[3],但也存在水敏感性高、水阻隔性差等缺點(diǎn)[4]。其他成分和果膠混合可以改良果膠基薄膜的品質(zhì),從而更適于食品行業(yè)的應(yīng)用,如大豆分離蛋白(soy protein isolate,SPI)和沒食子酸(3,4,5-三羥基苯甲酸)(gallic acid,GA)[3]。大豆分離蛋白因其具有良好的起泡性、膨脹性、溶解性、乳化性和凝膠性,被廣泛應(yīng)用于食品工業(yè),并且在食品生產(chǎn)中用于加熱制備凝膠和可食膜[5]。沒食子酸是一種提取自植物實(shí)體的多酚,存在于漿果、果實(shí)和茶中,具有多種生物活性,如抗氧化、抗炎和抗癌等[6-7]。

近年來,由不可生物降解的合成包裝膜引起的環(huán)境問題日趨嚴(yán)重,促使研究人員開發(fā)新型的可生物降解和環(huán)境友好的包裝材料[4]。本文基于課題組前期的研究,選擇最佳的配比(PEP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%,SPI 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%,Na+的濃度為20 mmol/L)來制備可食膜[8]。通過添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的GA (1%、2%、3%)來提高膜的保鮮性能,為開發(fā)利用我國(guó)豐富的豆腐柴資源提供了新途徑。

1 材料與方法

1.1 材料和試劑

豆腐柴粉購(gòu)于黃山森林之寶生物科技有限公司;大豆分離蛋白購(gòu)于鄭州鴻科化工產(chǎn)品有限公司;沒食子酸購(gòu)于上海麥克林生化科技有限公司;大腸桿菌(編號(hào)為:ATCC 8099)和金黃色葡萄球菌(編號(hào)為:ATCC 6538)均由中國(guó)工業(yè)微生物菌種保藏管理中心提供;其他試劑(分析級(jí))均購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

Direct8純水機(jī)(美國(guó)Millipore公司);TA-XT Plus質(zhì)構(gòu)儀(英國(guó)Stable Micro Systems有限公司);STA449F5熱重分析儀(德國(guó)耐馳);Nicolet6700傅里葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared,FTIR)儀(Thermo Fisher Scientific公司);D/MAX2500V X射線衍射儀(X-ray diffraction,XRD)(日本理學(xué)株式會(huì)社);Gemini 500掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)(德國(guó)卡爾蔡司公司);Multiskan Go 1510酶標(biāo)儀(Thermo Fisher Scientific公司);CR-300比色儀(柯尼卡美能達(dá)集團(tuán));752紫外-可見分光光度計(jì)(上海菁華科技儀器有限公司);SW-CJ-1F超凈工作臺(tái)(蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司)。

1.3 豆腐柴果膠的提取

PEP的提取是根據(jù)課題組前期的方法進(jìn)行的[9],其性質(zhì)和化學(xué)組成參考文獻(xiàn)[10]。

1.4 豆腐柴果膠可食膜的制備

稱取PEP和SPI粉末溶于超純水,添加GA、甘油和氯化鈉溶液(膜液最終含有20 mmol/L的鈉離子)制成復(fù)合膜液,使得GA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、1%、2%、3%。將其于25 ℃充分?jǐn)嚢?再置于直徑為90 mm的平板中,室溫放置12 h,再于60 ℃烘箱中烘干,最后揭膜于容器中。

1.5 物理性能的測(cè)定

1.5.1 顏色和透光性的測(cè)定

可食膜的顏色使用比色儀測(cè)量。底片顏色的指標(biāo)為a、b、L,總色差ΔE的計(jì)算公式為:

其中:L*=97.63;a*=-0.53;b*=2.27。

將可食膜切成40 mm×10 mm的條塊,貼在比色皿上,使用紫外可見分光光度計(jì)測(cè)量其在300～700 nm范圍內(nèi)的UV-Vis光譜,以空氣為參照得出其透光性。

1.5.2 厚度和密度的測(cè)定

在可食膜上隨機(jī)取3點(diǎn),用螺旋測(cè)微儀測(cè)量其厚度(取平均值精確到0.001 mm)計(jì)算出其體積;規(guī)范稱取可食膜矩塊質(zhì)量,然后用質(zhì)量與體積之比得出可食膜的密度。

1.5.3 水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定

取1 cm×1 cm的可食膜薄片稱其質(zhì)量,記為m1,然后在100 ℃下干燥24 h再稱其質(zhì)量,記為m2。水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wM)的計(jì)算公式為:

wM=[(m1-m2)/m1]×100%。

1.5.4 水溶解性的測(cè)定

將可食膜(1 cm×1 cm)在60 ℃下干燥12 h并稱其質(zhì)量,記為m3。將干膜浸入25 mL超純水中,室溫下緩緩搖晃24 h,然后在100 ℃下干燥24 h并稱其質(zhì)量,記為m4。可食膜水溶解性(SW)的計(jì)算公式為:

SW=[(m3-m4)/m3]×100%。

1.5.5 溶脹率的測(cè)定

可食膜的溶脹率(RS)以重量法得出。稱取1 cm×1 cm的可食膜,記為m5。將其浸入25 mL超純水中1 h,取出,用吸水紙除去膜表面水分并稱質(zhì)量,記為m6。可食膜RS的計(jì)算公式為:

RS=[(m6-m5)/m5]×100%。

1.6 機(jī)械性能的測(cè)定

切取10 mm×70 mm的可食膜矩塊,用質(zhì)構(gòu)儀測(cè)定膜的斷裂伸長(zhǎng)率和拉伸強(qiáng)度。質(zhì)構(gòu)儀夾距為50 mm,拉引速度為1 mm/s。

1.7 熱重分析

稱取5 mg 可食膜樣品于坩堝中。在氮?dú)獾沫h(huán)境下,測(cè)定樣品在35～800 ℃范圍內(nèi)的質(zhì)量變化,升溫速率為10 ℃/min。

1.8 FTIR分析

稱取可食膜樣品3 mg與溴化鉀充分混合壓片,采用FTIR儀進(jìn)行檢測(cè),掃描范圍為4 000～400 cm-1,分辨率為4 cm-1。

1.9 XRD分析

XRD測(cè)試條件為:CuKα靶,2θ掃描范圍5°～60°,掃描速率2 (°)/min。

1.10 SEM分析

用ETD-3000離子濺射設(shè)備對(duì)可食膜樣品進(jìn)行噴金;用Gemini 500 SEM在1 kV的加速電壓下放大500倍觀察每個(gè)樣品的微觀結(jié)構(gòu)。

1.11 抗氧化活性分析

可食膜的抗氧化活性由DPPH自由基清除方法測(cè)定。將50 mg可食膜樣品加入10 mL DPPH/甲醇溶液(100 μmol/L)中,在25 ℃下培養(yǎng)30 min,然后于517 nm處測(cè)量吸光度。對(duì)照組為未添加可食膜的DPPH溶液。可食膜抗氧化活性的計(jì)算公式為:

其中,Ac、As分別為對(duì)照組和可食膜的吸光度。

1.12 抗菌活性分析

本實(shí)驗(yàn)使用大腸桿菌和金黃色葡萄球菌對(duì)可食膜進(jìn)行體外抗菌活性評(píng)價(jià)。在胰蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基上接種200 μL的細(xì)菌培養(yǎng)物(細(xì)胞密度為104個(gè)/mL);然后在培養(yǎng)基表面放置半徑為6 mm的圓形可食膜薄片,并在37 ℃下培養(yǎng)24 h;最后測(cè)量抑菌圈的直徑。

1.13 數(shù)據(jù)分析

采用Origin 2021軟件繪制圖表,利用SPSS 21.0軟件處理數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重復(fù)3次,結(jié)果以(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)形式表示。

2 結(jié)果分析

2.1 豆腐柴果膠可食膜的物理特性分析

2.1.1 顏色特性和透光率

可食膜的顏色和透明度是衡量消費(fèi)者接受程度和產(chǎn)品外觀的重要指標(biāo)[11]。顏色測(cè)量過程中,L*值越大樣品越亮;a*值代表紅綠色,綠(-)/紅(+);b*值代表黃藍(lán)色,藍(lán)(-)/黃(+)[12]。可食膜的顏色指標(biāo)L、a、b、ΔE見表1所列。由表1可知:GA的加入使L值顯著減小(P<0.05),表明添加GA使可食膜逐漸變暗;a值和b值均顯著增加(P<0.05),說明可食膜逐漸變紅;ΔE值顯著升高(P<0.05),由23.37上升到40.06,表明可食膜的顏色由淺變深。

表1 豆腐柴果膠可食膜的顏色參數(shù)

可食膜的透光率如圖1所示。由圖1可知,未添加GA的可食膜透光性最好,GA加入可食膜液后,透光性變差,這與文獻(xiàn)[13]的研究結(jié)果一致。文獻(xiàn)[13]發(fā)現(xiàn),魔芋葡甘聚糖膜的透光率隨GA的加入而逐漸降低,這是由于GA填補(bǔ)了成膜基質(zhì)的分子間隙,阻擋了光線穿過。當(dāng)GA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí),可食膜的透光率在700 nm處從88.17%減小到81.44%。由此可見,GA的加入使豆腐柴果膠可食膜光阻隔性能增強(qiáng),可以應(yīng)用于某些食品行業(yè)以防止由光線誘導(dǎo)的脂質(zhì)過氧化。

圖1 豆腐柴果膠可食膜的透光率

2.1.2 厚度和密度

薄膜的厚度直接影響其透光率、透氣性、機(jī)械強(qiáng)度等品質(zhì)[14]。可食膜的厚度和密度見表2所列。由表2可知:膜的厚度隨GA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而顯著增加(P<0.05),這可能是成膜溶液中固體含量增多所導(dǎo)致的;GA加入后,膜的密度有所減小,但變化不顯著(P>0.05),這是由于添加GA使得可食膜厚度顯著增加,但其質(zhì)量變化不顯著,導(dǎo)致可食膜密度降低。

表2 豆腐柴果膠可食膜的厚度和密度

2.1.3 水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、水溶性和溶脹率

可食膜的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、水溶性、溶脹率見表3所列。由表3可知,隨GA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,可食膜的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)由39.690%上升到46.597%,顯著增大(P<0.05)。文獻(xiàn)[15]研究發(fā)現(xiàn)馬鈴薯副產(chǎn)品中加入GA后,膜的含水量由原來的18.07%增加至23.11%。這是由于GA中含有羥基,增加了膜的親水性,導(dǎo)致膜的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高。

表3 豆腐柴果膠可食膜的物理特性 %

水溶性是可食膜的一個(gè)重要指標(biāo),這主要是可食膜的水溶性過高會(huì)影響食品的貯藏質(zhì)量[16]。由表3可知,GA質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加使可食膜的水溶性增大,這是由于GA分子含有親水基團(tuán),當(dāng)可食膜與水接觸時(shí),親水基團(tuán)會(huì)結(jié)合水分子,導(dǎo)致可食膜溶于水。

溶脹率可以反映可食膜在基質(zhì)中保持水分的能力,與結(jié)構(gòu)中的羧基、羥基等親水基團(tuán)有關(guān)[17]。由表3可知,未添加GA的可食膜溶脹率最低為75.989%。文獻(xiàn)[8]研究表明,20 mmol/L Na+能增強(qiáng)PEP-SPI凝膠的范德華力,使得分子緊密結(jié)合,PEP-SPI-Na膜不易再次結(jié)合水分子,使得溶脹率低。而添加GA后,可食膜的溶脹率隨GA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大,最終上升到122.715%。文獻(xiàn)[17]指出,殼聚糖-玉米淀粉膜的溶脹率隨GA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低,這是由于膜與GA的結(jié)合在聚合物網(wǎng)絡(luò)中形成額外的交聯(lián),限制水分滲透,抑制膜的膨脹。然而本文是以果膠和蛋白為材料制備的可食膜,材料不同可能導(dǎo)致添加GA產(chǎn)生相反的作用。

2.2 豆腐柴果膠可食膜的機(jī)械性能分析

豆腐柴果膠可食膜的機(jī)械性能如圖2所示。

圖2 豆腐柴果膠可食膜的機(jī)械性性能

由圖2a可知,未添加GA的可食膜拉伸強(qiáng)度最大,加入1%GA后,可食膜拉伸強(qiáng)度無顯著變化,但當(dāng)GA質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至3%時(shí),膜的拉伸強(qiáng)度顯著減小(P<0.05)。由圖2b可知,未添加GA的可食膜斷裂伸長(zhǎng)率最小,且膜的斷裂伸長(zhǎng)率隨GA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加逐漸增大。文獻(xiàn)[15]研究發(fā)現(xiàn)不加沒食子酸的馬鈴薯淀粉膜的拉伸強(qiáng)度為3.0 MPa,而添加沒食子酸(沒食子酸與馬鈴薯淀粉的質(zhì)量比為0.3)的膜拉伸強(qiáng)度減小至1.6 MPa。但添加沒食子酸會(huì)增加膜的斷裂伸長(zhǎng)率,最高達(dá)28.2%,這種剛性降低而柔韌性增強(qiáng)的現(xiàn)象被稱為塑化劑效應(yīng)。

2.3 豆腐柴果膠可食膜的熱重分析

豆腐柴果膠可食膜的熱重分析如圖3所示。

圖3 豆腐柴果膠可食膜的熱重分析

從圖3a可知,第1階段的質(zhì)量損失發(fā)生在60～90 ℃之間,這是可食膜水分蒸發(fā)造成的[18]。由圖3b可知,未加GA的可食膜水分蒸發(fā)峰為89.6 ℃,添加GA后,水分蒸發(fā)峰逐漸降低。在125～252 ℃之間發(fā)生了第2階段的質(zhì)量損失,這段質(zhì)量損失最顯著,膜的質(zhì)量減小到40%左右,這是分子鏈的斷裂和降解所致[19]。由圖3b可知,未添加GA的可食膜降解溫度峰為204.1 ℃。隨GA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,降解溫度峰逐漸降低。結(jié)果表明,添加GA后可食膜的熱穩(wěn)定性變差。

2.4 豆腐柴果膠可食膜的FTIR分析

文獻(xiàn)[12]利用FTIR技術(shù)研究可食膜分子間的相互作用和膜基質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化。可食膜的FTIR譜圖如圖4所示。由圖4可知:可食膜中添加GA后,沒有形成額外的峰,說明GA與可食膜之間沒有形成共價(jià)鍵,它們之間的相互作用更可能為物理作用[20];未添加GA的可食膜酰胺Ⅰ鍵峰在1 637.3 cm-1處,隨GA質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,可食膜的酰胺Ⅰ鍵峰波數(shù)逐漸增加,這是SPI分子的氨基與GA分子解離的羧基發(fā)生靜電相互作用導(dǎo)致的;此外,1 048 cm-1處為PEP的糖環(huán)峰,隨GA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,此吸收峰逐漸變?nèi)?這是由于GA分子的羧基、酚羥基與PEP中大量羧酸根形成氫鍵,使PEP分子構(gòu)象發(fā)生改變導(dǎo)致的。

圖4 豆腐柴果膠可食膜的FTIR譜圖

2.5 豆腐柴果膠可食膜的XRD分析

XRD是評(píng)估可食膜樣品結(jié)晶度的有效方法。通常情況下,復(fù)合材料的非結(jié)晶和結(jié)晶組分混溶性良好時(shí),結(jié)晶度降低[21]。豆腐柴果膠可食膜的XRD分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 豆腐柴果膠可食膜的XRD圖譜

從圖5可以看出,所有樣品的衍射峰均在7.5°和22.0°附近,表明在可食膜中存在無定形結(jié)構(gòu),但是隨著GA質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,在7.5°和22.0°處峰的強(qiáng)度變?nèi)酢Ｎ墨I(xiàn)[22]研究發(fā)現(xiàn)添加GA于CS膜液之后,11°和20°處的衍射峰減弱或消失。這說明GA的結(jié)合在一定程度上破壞了可食膜原有的半晶型狀態(tài)。

2.6 豆腐柴果膠可食膜的微觀結(jié)構(gòu)分析

通過SEM觀察到的可食膜截面微觀結(jié)構(gòu)如圖6所示。由圖6可知,未添加GA的可食膜橫截面光滑致密,添加GA后,GA質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大可食膜表面越粗糙。文獻(xiàn)[23]研究指出,CS膜和添加0.5%GA后的膜橫截面光滑、平坦,緊湊性良好,而增加GA質(zhì)量分?jǐn)?shù)后,出現(xiàn)白點(diǎn)表明殼聚糖基質(zhì)中存在異質(zhì)性,并出現(xiàn)明顯的孔隙,這些孔隙破壞了膜的結(jié)構(gòu)。SEM的結(jié)果印證了物理特性和機(jī)械性能的結(jié)果,因?yàn)镚A質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,膜的含水量升高,生成很多粗糙的裂紋和縫隙,所以膜的抗拉強(qiáng)度下降。綜上所述,添加低質(zhì)量分?jǐn)?shù)(1%)GA的可食膜具有較好的物理特性和機(jī)械性能。

圖6 豆腐柴果膠可食膜的SEM圖

2.7 豆腐柴果膠可食膜的抗氧化活性分析

可食膜的抗氧化能力是通過測(cè)定DPPH自由基清除活性來評(píng)估的。DPPH自由基清除率如圖7所示。

圖7 豆腐柴果膠可食膜的抗氧化活性

圖7中不同小寫字母表示在P<0.05水平上有顯著性差異。由圖7可知:未添加GA的可食膜DPPH自由基清除率為55.75%,這是由于豆腐柴果膠本身具有一定的抗氧化活性;加入GA之后,可食膜抗氧化活性增強(qiáng)(P< 0.05),GA質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大,膜的抗氧化活性越強(qiáng);當(dāng)GA質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至2%時(shí),抗氧化活性基本穩(wěn)定在91.34%左右。文獻(xiàn)[24]指出,未添加GA的殼聚糖膜抗氧化活性為51.4%,而添加10%和20%的GA后,膜的抗氧化活性分別上升到96.2%和96.4%。這些結(jié)果說明,添加GA能顯著提高可食膜的抗氧化活性。

2.8 豆腐柴果膠可食膜的抗菌活性分析

選用食品中最常見的致病菌金黃色葡萄球菌(S.aureus)和大腸桿菌(E.coli),通過測(cè)量可食膜對(duì)這2種病菌的抑菌圈直徑大小,研究可食膜的抗菌活性,結(jié)果如圖8所示。

圖8 豆腐柴果膠可食膜的抗菌活性

圖8中:不同小寫字母表示抗E.coli活性在P<0.05水平上有顯著性差異;不同大寫字母標(biāo)注表示抗S.aureus活性在P<0.05水平上有顯著性差異。由圖8可知,添加GA顯著增強(qiáng)了可食膜的抗菌活性(P<0.05),GA質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高可食膜的抗菌活性越強(qiáng)。此外,E.coli的抑菌圈顯著大于S.aureus,表明可食膜對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌的抑制作用弱于對(duì)革蘭氏陰性菌的抑制作用。文獻(xiàn)[16]報(bào)道,加入GA后的GA-CS膜和GA-g-CS膜的抗菌活性顯著提高。但本研究中,CS基可食膜對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌(B.cereus或S.aureus)的抑制作用大于對(duì)革蘭氏陰性菌(E.coli或S.typhimurium)的抑制作用。這是本研究的成膜材料與其有所差異導(dǎo)致的。

3 結(jié) 論

本文制備豆腐柴果膠可食膜,并研究了GA對(duì)可食膜的物理特性、機(jī)械特性、微觀結(jié)構(gòu)和功能特性的影響。結(jié)果表明,加入適量的GA能改善豆腐柴果膠可食膜的品質(zhì),當(dāng)GA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí),可食膜即具有良好的機(jī)械特性和物理結(jié)構(gòu),又顯示出較強(qiáng)的抗氧化和抗菌活性。添加GA的豆腐柴果膠可食膜具有良好的可食性、生物降解性和生物活性,是一種很有應(yīng)用前景的食品包裝材料。