豬肝蛋白復合膜性能及其在肉品保鮮中的應用

楊 樂

劉麗莉1,2,3,4

王浩陽1

陳 卉1

丁 玥1,2,3,4

(1. 河南科技大學食品與生物工程學院,河南 洛陽 471023;2. 食品加工與安全國家級教學示范中心,河南 洛陽 471023;3. 河南省食品加工與質量安全控制河南省國際聯合實驗室,河南 洛陽 471023;4. 食品微生物河南省工程技術研究中心,河南 洛陽 471023)

可食性涂膜是將天然高分子材料當作成膜基材,均勻涂抹或覆蓋在食品表面,使食物表面形成一層較為薄透的薄膜,用于防止食品腐敗變質[1],被廣泛應用于肉類加工和保鮮、食品包裝等領域。一般來說,單一蛋白質膜的機械性能差,防水性不足,通常需要進行改性。其中,共混改性是近年來的研究熱點[2],可以將蛋白質與多糖進行復合,通過優勢互補改善膜的性能[3]。陳龍等[4]開發了一種綠色環保海藻酸鈉—淀粉—茶末復合膜,當茶多糖質量分數為5.00%時,復合膜具有最佳的力學性能、阻濕性能及抑菌性能。Oliveira等[5]評估了羧甲基纖維素和大豆分離蛋白之間的相互作用,揭示了二者相互作用對薄膜的形成和性能有著顯著的積極影響。李志明等[6]以卡拉膠等為成膜基材,納他霉素、納米MgO為抗菌劑制備了具有廣譜抗菌作用的復合薄膜,能夠延長葡萄的保質期。

從飲食的角度來看,動物蛋白相比于植物蛋白含有更多人體必需氨基酸,其構成與人體相似,吸收效果更好,被稱作優質蛋白,但鮮有用于涂膜保鮮。較為常見的可食膜基材主要有蛋清蛋白、膠原蛋白和乳清蛋白。劉喜鑫等[8]向海藻酸鈉、卡拉膠中添加蛋清蛋白以及蘋果多酚進行改性,有效提升了多糖基可食膜的機械性能以及抗氧化性能。公維潔等[9]以馬面魚皮膠原蛋白為成膜基材,制備出可食性膠原蛋白膜,得到了最佳的成膜條件。劉津延[10]有效利用了過剩的藍鯊魚皮資源,從中提取出藍鯊魚皮膠原蛋白,并添加殼聚糖與其復合,提高了膜的抗氧化性能,制成可食性涂膜用于魚肉的保鮮,實現了動物副產物的再利用。汪敏等[11]將乳清分離蛋白、竹葉抗氧化物和酪蛋白酸鈉三者進行結合,制備出竹葉抗氧化物—酪蛋白酸鈉—乳清分離蛋白可食性膜,具有良好的微生物抑制作用和抗氧化作用。豬肝是優質的動物蛋白來源,其氨基酸組成與人體接近,營養價值高,但天然豬肝蛋白的功能特性較差。郭晨晨等[12]以琥珀酸酐酰化豬肝蛋白,隨著琥珀酸酐添加量的增加,豬肝蛋白的酰化度、乳化活性總體呈上升趨勢,琥珀酸酐通過共價結合與豬肝蛋白發生反應,引起蛋白質結構的改變,能顯著改善豬肝蛋白的乳化活性。唐永欣等[13]將物理改性和化學改性方法相結合,改善豬肝蛋白的功能特性。采取溫和熱輔助pH堿性偏移處理對豬肝蛋白進行改性。在溫度和pH向堿性較大幅度偏移的共同影響下,豬肝蛋白的溶解度和乳化活性大幅度提高。康夢瑤等[14]利用超聲波法對水溶性豬肝蛋白進行處理,有效改善了蛋白質在水溶液中的分散效果和蛋白質的分子作用力,處理后的水溶性豬肝蛋白乳化特性更好。Borrajo等[15]從豬肝中提取了不同水解物并用于豬肉餅的保鮮,結果表明,豬肝水解產物具有良好的抗氧化活性,可作為天然抗氧化劑延長豬肉漢堡的保質期。以上文獻為豬肝蛋白可食膜的研究提供了充足的理論基礎。

研究擬以水溶性豬肝蛋白(WSLP)和鹽溶性豬肝蛋白(SSLP)為成膜基材,并添加殼聚糖,分別共混制備水溶性豬肝蛋白—殼聚糖可食膜(WLSP-CS)和鹽溶性豬肝蛋白—殼聚糖可食膜(SSLP-CS),考察膜材料比例對膜各項性能的影響,并將其應用于豬肉保鮮,為高效安全的新型可食膜的生產及實際應用提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮豬肝、豬背最長肌:市售;

殼聚糖:分析純,西安康諾化工有限公司;

十二烷基磺酸鈉(SDS):分析純,無錫市亞泰聯合化工有限公司;

四甲基乙二胺(TEMED):分析純,上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2 儀器與設備

pH計:PH-3E型,浙江譜析儀器有限公司;

冷凍離心機:H1-16TR型,杭州旌斐儀器科技有限公司;

真空冷凍干燥機:FD1200型,北京菲爾普科技有限公司;

熒光分光光度計:Cary eclipse型,美國Aglient公司;

紫外—可見光光度計:UV2600型,日本Shimadzu公司;

傅立葉中遠紅外光譜儀:ALPHA型,德國布魯克公司;

掃描電鏡:EM-30Plus型,韓國COXEM公司;

電子天平:AR214型,美國Mettler Toledo公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 復合膜制備 參照Steen等[16]的方法并改進。稱取一定質量的新鮮豬肝,去血水、筋膜,加入4倍體積的磷酸鹽緩沖溶液(0.05 mol/L,pH 7.4),10 000 r/min勻漿,4 ℃、10 000 r/min離心30 min,取上清液,透析脫鹽,冷凍干燥即為水溶性豬肝蛋白(WSLP)。收集上述沉淀并加入0.4 mol/L的NaCl溶液,混勻,調整pH至8,4 ℃靜置15 h,初濾,離心,得到上層溶液即為SSLP溶液,透析脫鹽,冷凍干燥即為鹽溶性豬肝蛋白(SSLP)。

用蒸餾水將提取的豬肝蛋白稀釋至2%,10 000 r/min離心10 min,收集上清液。將豬肝蛋白溶液與殼聚糖溶液按一定比例共混,m豬肝蛋白∶m殼聚糖分別為0∶100,20∶80,40∶60,60∶40,80∶20,并添加6%的甘油增塑,50 ℃攪拌30 min。超聲脫氣10 min,得到成膜液。將40 mL成膜液倒入成膜器中,50 ℃干燥,流延成型。

1.3.2 復合膜機械性能測定

(1) 膜厚:參照殷獻華等[17]的方法。

(2) 拉伸強度和斷裂延伸率:參照殷獻華等[17]的方法稍作修改。選擇厚度均勻、無破損的膜片,將待測薄膜試樣剪成10 mm×50 mm的3段,使用質構儀分別測定拉伸強度和斷裂延伸率,結果取三者的平均值。

1.3.3 傅里葉紅外光譜(FT-IR)分析 參照成曉祎等[18]的方法稍作修改。將干燥處理后的膜置于傅里葉紅外光譜儀中,掃描范圍為400～4 000 cm-1,分辨率為4 cm-1。

1.3.4 微觀結構分析 參照Machida等[19]的方法稍作修改。采用掃描電鏡觀察膜的微觀結構,加速電壓為10 kV,取1 cm×1 cm表面平整均勻的薄膜用于掃描電鏡觀察。

1.3.5 豬背最長肌冷藏過程中理化指標測定

(1) pH值:參照Taakma等[20]的方法。

(2) 菌落總數:按GB 4789.2—2016執行。

(3) TVB-N含量:按GB 5009.228—2016執行。

(4) TBARS含量:參照藍蔚青等[21]的方法。

1.3.6 數據處理 所有試驗重復3次,采用Origin 2018軟件作圖,SPSS軟件進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 豬肝蛋白添加量對復合膜機械性能的影響

由表1可知,WSLP-CS、SSLP-CS復合膜機械性能隨豬肝蛋白添加量的增加呈先上升后下降趨勢。當WSLP、SSLP添加量為40%時,兩種膜的厚度達到最大值(0.267,0.264 mm),與CS基礎膜差異顯著(P<0.05)。這可能是由于復合膜中存在的豬肝蛋白與CS形成交聯或者聚集的穩定結構,減少了膜材料中的孔隙和縫隙,使膜厚度增加。但過量豬肝蛋白的加入可能破壞這種穩定結構,使得整個復合膜表面伴有顆粒、凹凸不平等現象,進而導致膜厚度減小。WSLP-CS與SSLP-CS復合膜的拉伸強度與斷裂延伸率隨WSLP添加量的增加呈先增加后減小趨勢。當WSLP添加量為40%時,拉伸強度與斷裂延伸率最大,分別為9.62 MPa和58.37%(P<0.05);當SSLP添加量為40%時,拉伸強度與斷裂延伸率最大,分別為4.43 MPa和28.23%(P<0.05),機械性能得到提升。這可能是適量蛋白的不斷加入(添加量≤40%)使得整個體系的穩定性逐漸增強,復合膜的拉伸強度和斷裂延伸率增大,而蛋白質的不斷加入直至過量(添加量>40%),其穩定結構被破壞,豬肝蛋白與CS不斷堆積,復合膜的結構變得更加緊密和剛性,進而限制了復合膜的延展性和彎曲性,導致復合膜的拉伸強度和斷裂延伸率下降[22]。

表1 豬肝蛋白添加量對復合膜機械性能的影響?

2.2 FT-IR分析

圖1 豬肝蛋白添加量對復合膜FT-IR的影響

2.3 微觀結構分析

微觀結構對于反映薄膜表面結構和內部特性具有重要意義[27]。由圖2可知,純CS膜存在孔洞等不穩定結構,從而導致其在機械和阻隔性能方面劣于復合膜。通過向CS中添加40%的WSLP,復合膜表面變得更加光滑和連續,致密性也更高,同時未出現相分離現象,其機械性能最佳,表明WSLP與CS具有良好的相容性,其官能團中的羥基能夠相互作用形成氫鍵,分子間通過氫鍵交聯形成了致密的網絡結構,這是復合膜拉伸強度逐漸增加的微觀原因[28]。當豬肝蛋白過量添加時,未結合的蛋白質發生了堆疊,膜的致密結構被破壞,故掃描電鏡中又出現了顆粒與斑點。

圖2 WSLP添加量對復合膜表面微觀結構的影響

由圖3可知,隨著SSLP添加量的增加,復合膜的表面變得更加光滑致密。當添加量為40%時,效果最佳。此時,SSLP與CS的相容性良好,SSLP起到“交聯劑”作用,形成了新的網絡結構,流延成型的復合膜表面表現出更加光滑均一的結構。當SSLP添加量為60%時,復合膜出現SSLP與CS相的分離;當添加量為80%時,表面出現大量孔洞與褶皺,與WSLP的掃描電鏡結果相似。適量添加SSLP可以提高復合膜的表面質量,但超過一定比例則可能影響薄膜性能。

圖3 SSLP添加量對復合膜表面微觀結構的影響

由圖4、圖5可知,隨著WSLP、SSLP添加量的增加,復合膜的斷面出現變化。純CS膜存在孔洞等不穩定結構,與表面微觀結構相一致。隨著豬肝蛋白添加量的增大,膜的斷面先逐漸變得光滑、致密。當添加量為40%時,斷面的微觀結構最佳。當添加量為60%時,蛋白與CS相開始分離,交聯度變差,膜的斷面出現褶皺及堆積的未交聯物質;當添加量為80%時,斷面開始出現大量孔洞與褶皺,與表面掃描電鏡結果相似。因此,斷面微觀結構總體結果符合表面微觀結構所得出的結論。

圖4 WSLP添加量對復合膜斷面微觀結構的影響

圖5 SSLP添加量對復合膜斷面微觀結構的影響

2.4 成膜液處理對豬背最長肌冷藏過程中理化指標的影響

由圖6可知,經WSLP-CS、SSLP-CS(蛋白質量分數40%)處理的樣品,其各項理化指標相比于空白組(CK)和CS處理組均有不同程度的下降。CK組的pH增長速度最快,到第10天已屬于變質肉,而經WSLP-CS、SSLP-CS處理的豬背最長肌在第12天仍處于次鮮肉范圍;WSLP-CS、SSLP-CS組在第12天仍保持較低的菌落總數;貯藏第10天,CK組的TVB-N含量達到23.21 mg/100 g,已腐敗變質,而CS組的TVB-N含量為18.22 mg/100 g,處于次新鮮肉范圍,WSLP-CS、SSLP-CS組的TVB-N含量僅為14.05,12.59 mg/100 g,仍處于新鮮肉范圍;貯藏期間,CK組的TBARS從0.21 mg/kg升高至1.72 mg/kg,CS組TBARS值從0.21 mg/kg升高至1.09 mg/kg,WSLP-CS組TBARS值從 0.21 mg/kg升高至0.52 mg/kg,SSLP-CS組TBARS值從0.21 mg/kg升高至0.51 mg/kg,SSLP-CS組的效果最佳。綜上,WSLP、SSLP具有一定的抑菌性和抗氧化性,能夠抑制微生物生長,抑制酶的活性,延緩肉的腐敗變質,且SSLP的抑菌性及抗氧化性最強,該結論與王德寶的研究結果一致[29]。

圖6 成膜液處理對豬背最長肌冷藏過程中理化指標的影響

由圖7可知,體系中CS與WSLP、SSLP的總質量固定,隨著WSLP添加量的增加,WSLP-CS復合膜的ABTS自由基清除率從8.96%增加到63.08%,DPPH自由基清除率從27.27%增加到61.61%,二者均在WSLP添加量為80%的復合膜中最高。隨著SSLP添加量的增加,SSLP-CS復合膜的ABTS自由基清除率從8.96%增加到36.44%,DPPH自由基清除率從27.27%增加到51.17%,二者均在SSLP添加量為80%的復合膜中最高。

圖7 豬肝蛋白添加量對復合膜抗氧化性的影響

在復合膜中加入WSLP、SSLP后,抗氧化活性得到了顯著提高,且高于純CS膜,說明豬肝蛋白具有更強的抗氧化、抑菌作用。這些蛋白質具有強大的抗氧化性能,使其能夠清除自由基,保護復合膜免受氧化損傷。此外,蛋白質與殼聚糖之間的相互作用也會改變復合膜的結構和性質,從而影響復合膜中的抗氧化物質的釋放和活性。

3 結論

研究探討了水溶性豬肝蛋白(WSLP)和鹽溶性豬肝蛋白(SSLP)對WSLP-殼聚糖與SSLP-殼聚糖可食性復合膜性能及結構的影響。結果表明,隨著WSLP、SSLP添加量的增大,復合膜的機械性能先上升后下降,當添加量為40%時,膜的厚度、拉伸強度和斷裂延伸率最大(P<0.05),機械性能最佳,最符合可食膜的要求。豬肝蛋白具有一定的抑菌性及抗氧化性,貯藏12 d后,復合膜處理組的pH、菌落總數、揮發性鹽基氮含量和硫代巴比妥酸值等各項理化指標均優于未處理組和純殼聚糖處理組,且SSLP的效果最佳,能夠有效延緩肉品的腐敗變質。綜上,應選擇添加了40%鹽溶性豬肝蛋白的復合膜用于食品包裝。此外,豬肝蛋白復合膜的透氣性還有待進一步研究,后續可以針對膜對氧氣的隔絕性進行深入探討。