碳點/大豆分離蛋白/聚乙烯醇復合膜的制備及其在牛肉獅子頭貯藏中的應用

中圖分類號：TS972.125.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-8730（2025）02-0074-09

碳點（carbondots，CDs）屬于一種碳納米顆粒，其粒徑小于 10nm ，具有優異的水溶性、生物相容性、穩定的熒光特性，以及優良的抗菌和抗氧化活性[1]。在食品包裝領域，CDs被用于提升薄膜的紫外阻隔性、抗氧化性、抗菌性等功能特性，以延長食品儲存期[2-4]。EZATI等[5]制備了添加CDs的果膠基膜，顯著提高了果膠基膜的抗氧化、抗真菌和紫外屏蔽性能。張馨月等[制備的氮摻雜碳點/殼聚糖復合膜具有良好的抑菌性，能夠降低草莓的失重率和減緩其腐爛速度。當前的研究多使用單一的生物聚合物或合成材料來負載CDs，但制備的活性膜不可避免地具有這兩類材料的固有缺陷，如合成材料往往難以降解，生物聚合物材料的機械性能和阻隔性能相對較差。為解決這些問題，研究基于生物聚合物和合成材料的共混膜基質顯得尤為重要。

聚乙烯醇（polyvinylalcohol，PVA）以其良好的耐溶劑性、優良的成膜性能[7]、生物可降解和環境友好型的特質而為人所知。但其耐水性差，易滋生細菌，因此，常與其他膜材料混合或交聯改性[8-9]。大豆分離蛋白（soy protein isolate，SPI）是一種具有生物可降解、成膜性良好等優點的植物蛋白，與PVA混合制成SPI/PVA復合膜具有阻隔性能良好、成本低廉、生物可降解等優勢[10-11]。 。在此基礎上添加碳點，有望進一步提升復合膜的物理和功能特性。

牛肉獅子頭作為新式肉糜類菜肴，具有高蛋白、低脂肪及鐵元素含量高的特性[12]，是預制菜市場中廣受歡迎的品類。然而，牛肉脂肪中的不飽和脂肪酸比例較高，牛肉肌纖維的持水性較差，加工后更易受脂肪氧化、汁液流失等因素制約[13-14]，導致貯藏期短、品質劣變顯著，亟需新型保鮮技術以延長貨架期并保持感官品質。

本研究制備了CDs/SPI/PVA活性復合膜，該復合膜以生物聚合物SPI和合成材料PVA的共混膜基質為載體，負載了不同量的CDs，并深入探究CDs添加量對復合膜的透氣性、抗氧化性等關鍵性能的影響。在此基礎上，以牛肉獅子頭為研究對象，采用菌落總數（totalbacterialcount，TBC） ??pH 值、硫代巴比妥酸值（thiobarbituricacidreactivesubstances，TBARS）等指標，測試復合膜對獅子頭貯藏品質的影響，以期為CDs/SPI/PVA在食品包裝領域的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

牛肉、豬肥膘和香蕉：江蘇省市永輝超市；聚乙烯醇、大豆分離蛋白（純度 gt;90% ）：上海麥克林生化科技有限公司；ABTS、DPPH試劑：合肥千盛生物科技有限公司；三氯乙酸、過硫酸鉀、無水乙醇和甘油：國藥集團化學試劑有限公司；透析袋（ 500Da） ）：南京都萊生物技術有限公司。

1. 2 儀器與設備

PTEE水熱反應釜：南京濱正紅儀器有限公司；FJ2000S高速均質機：上海力辰邦西儀器科技有限公司；SCIENTZ-10N/A冷凍干燥機：北京宏達恒業科技有限公司；TGL-16M臺式高速冷凍離心機：上海盧湘儀離心機儀器有限公司；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器：鞏義市予華儀器有限責任公司；P1紫外可見分光光度計：上海元析儀器有限公司。Cary610/670傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）：美國瓦里安技術中國有限公司；D8AdvanceX射線衍射儀（XRD）：德國Bruker公司；掃描電子顯微鏡（SEM）：蔡司集團。

1.3 試驗方法

1.3.1 CDs的制備

將 30g 香蕉果肉與 100mL30% 乙醇溶液混合，均質 3min 。將勻漿轉移至 50mL 水熱反應釜中，在 180^°C 烘箱中反應 6h 。反應完成后，待溫度降至室溫，從反應釜里取出褐色的生成物。將所得溶液在1 1677g/min 條件下離心 20min ，取上清液，用 0.22μm 的濾膜過濾，并用透析袋透析^48h 。將所得濾液凍干，得CDs粉末。復合膜制備前，稱取一定質量的CDs粉末溶于去離子水中，分別制成 40mg/mL，60mg/mL，80mg/mL 100mg/mL 的CDs溶液。

1.3.2 CDs/SPI/PVA復合膜的制備

將 5gPVA 溶于 100mL 去離子水中，室溫靜 置 30min 后放入 95°C 水浴中攪拌 ¹h ，得 5%PVA溶液。將 5gSPI 溶于 100mL15% 的乙醇溶液中攪拌 ¹h ，得 5% SPI溶液。將SPI與PVA溶液以1：5的比例充分混勻，然后加人不同濃度的CDs溶液，再常溫攪拌 30min ，靜置消泡。CDs在溶液中的最終濃度分別為 0.0%.0.4% 、0.6%.0.8% 和 1.0% 。以甘油為增塑劑，甘油的添加量為PVA、CDs和SPI總干重的 20% 。取15mL 溶液倒入 10cm×10cm 的平皿中，置于通風櫥內室溫靜置 48h ，得到不同濃度的CDs/SPI/PVA薄膜。根據CDs在溶液中的最終濃度，分別標記為SPI/PVA、 CDs₁ /SPI/PVA、 CDs₂ /SPI/PVA、CDs₃ /SPI/PVA 和 CDs₄ /SPI/PVA。另制備PVA膜作為對照。

1. 3.3 薄膜的表征

1.3.3.1 FTIR分析

參照張莉莉等[15所述的方法，采用FTIR光譜儀測定薄膜的FTIR光譜，光譜掃描范圍為400～4000cm^-1 。

1.3.3.2 XRD分析

參照楊承等[16]所述的方法，采用XRD 衍射儀分析薄膜的衍射圖譜。測定參數：電壓為40kV ;電流為 40mA ;掃描角為 0～40^° ；以 CuKα 為輻射源，掃描速度為 6^°/min 。

1. 3.3.3 薄膜的橫截面形貌

使用掃描電子顯微鏡觀察復合膜截面的微觀結構。

1.3.4 薄膜的性能測定

1.3.4.1 厚度及顏色測定

薄膜的厚度使用手持式數字千分尺（分辨力0.001mm ）測定，不同位置測定3次，取其平均值。

薄膜的顏色測定參照周美玲等[17]的方法，使用色差計測定復合膜的 L^* 值 ?^a* 值和 b^* 值。

1.3.4. 2 吸水性測定

復合膜的吸水率按照《塑料吸水性的測定》（GB/T1034—2008）中所述方法進行測定。

1. 3.4. 3 水蒸氣透過性測定

水蒸氣透過系數（WVP）按照《塑料薄膜與薄片水蒸氣透過性能的測定杯式增重與減重法》（GB/T1037—2020）中所述方法進行測定。

1. 3.4.4 機械性能的測定

使用物性分析儀測量薄膜的拉伸強度（TS）、斷裂伸長率（EB）和彈性模量（EM）。將薄膜樣品剪成條狀（ 1cm×6cm， ），使用探頭 A/TG ，夾具間距為 40mm ，測試前速率為 1mm/s 、運行速率為1mm/s 、運行后速率為 10mm/s 。

1.3.4.5 抗氧化性能測定

將復合膜剪碎，根據ROY等[18]的方法測定ABTS自由基清除率，根據JAMROZ等[19]的方法測定DPPH自由基清除率。

1.3.5 CDs/SPI/PVA復合膜對牛肉獅子頭貯藏 品質的影響

將 2kg 牛肉和 400g 豬肥膘分別切碎，加入400g 純凈水和 38g 食用鹽混合，攪打上勁，制成重量為 50g 的牛肉獅子頭，煮制 15min ，冷卻后分別用SPI/PVA、 CDs₁/SPI/PVA 和 CDs₃/SPI/ PVA復合膜包裹，并以未包裹薄膜的樣品作為對照，置于 4°C 冰箱中冷藏。冷藏 14d 后，測定牛肉獅子頭樣品中TBC、 pH 值、TBARS值和感官評分的變化。

1.3.5.1 TBC 測定

菌落總數參照《食品安全國家標準食品微生物學檢驗菌落總數測定》（GB4789.2—2022）及丁娟芳等[20]的方法進行測定，結果以 log（CFU/g） 表示。

1.3.5.2 pH值測定

將牛肉獅子頭樣品絞碎，取 10g 樣品和100mL 去離子水混合，進行均質處理，過濾，測定濾液的 pH 值。

1.3.5.3 TBARS 測定

參照WANG等[2I]的方法測定 TBARS值。計算公式如下：

式中：TBARS的單位為 ΔmgMDA/kg;A₅₃ 表示在532nm 波長處的吸光度； A₆₀₀ 表示在 600nm 波長處的吸光度。

1. 3.5.4 感官評價

參照唐建華等[22]的方法并稍做修改。從大學旅游烹飪學院師生中選出10位具有感官評價經驗的人員，分別對牛肉獅子頭的色澤、氣味、組織狀態、持水力進行評分，評分的平均值作為樣品的感官得分。評分標準如表1所示。

1.4 數據處理與分析

除特別指出外，文中指標測定均重復3次，最終結果以平均值 ± 標準差表示。使用IBMSPSS26軟件進行單因素方差分析。顯著性分析采用Duncan多重比較檢驗（ Plt;0.05 。借助Origin2022軟件將所得數據繪制成圖。

2 結果與分析

2.1復合膜的結構特性

2.1. 1 FTIR分析

紅外光譜可分析復合膜的化學組成及結構，其結果如圖1所示。PVA、SPI/PVA與幾種CDs/SPI/PVA復合膜均顯現出相似的特征峰，除了峰的強度略有不同外，沒有其他新的吸收峰出現，表明CDs、SPI、PVA之間沒有形成其他新的化學鍵。PVA膜在3 273cm^-1 和 2918cm^-1 處的吸收峰分別歸屬于O-H的伸縮振動和C-H的伸縮振動，在1419cm^-1 和 1 087cm^-1 處的吸收峰分別代表一 CH₂ 的彎曲振動和C-O鍵的拉伸振動[23]。在SPI/PVA膜中，O-H伸縮振動的吸收峰位于3 277cm^-1 ，而在 CDs₁ /SPI/PVA .CDs₂/SPI/PVA CDs₃ /SPI/PVA和 CDs₄/SPUPVA 薄膜中，吸收峰略向低波數方向移動，分別位于3276、3276、3274和3 268cm^-1 ，這可能是CDs與SPIPVA之間的氫鍵作用所致。

2.1. 2 XRD分析

X-射線衍射可分析復合膜的結晶性，其結果如圖2所示。所有復合膜在 2θ=19.6^° 處均出現了較強的衍射峰，這主要歸因于PVA的晶面[24]。據報道，純CDs 在 2θ=20.8^° 處會呈現出特征峰，與石墨碳的晶格間距有關，代表CDs的類石墨結構[25]。通過對比發現，CDs添加后并沒有出現對應的特征峰。RIAHI等[26]也報道了類似的結果，CDs的添加沒有在CMC復合薄膜中產生新的衍射峰，CMC的晶體結構未受CDs添加的影響，這可能是CDs的濃度較小，且完全分散在聚合物基質中所致。

2.1.3 SEM分析

SEM可分析樣品橫截面的結構，其結果如圖3所示。由圖可知，PVA膜的截面平整且致密、均勻性好，這是因為PVA分子間存在較強的氫鍵作用。而在SPI/PVA復合膜中，薄膜的截面較為粗糙，存在一些較明顯的蜂窩孔洞，說明膜結構較疏松。幾種CDs/SPI/PVA復合膜的截面均勻，無明顯的孔洞及相分離出現，且CDs添加量越多，復合膜的截面越致密。該結果表明，CDs、SPI與PVA三者相容性高，并能形成緊湊的結構，具有良好的成膜性。

注：a表示PAV;b表示 SPI/PVA;c表示 CDs₁/SPUPVA;d 表示 CDs₂/SPI/PVA; e表示 CDs₃ /SPI/PVA;f表示 CDs₄ /SPI/PVA。

2.2 復合膜的物理性質分析

2.2.1 色度及厚度

如表2所示，與PVA膜相比，SPI/PVA膜與

PVA膜的總色差值無顯著差異。隨著CDs濃度的上升，CDs/SPI/PVA復合膜的 L^* 值顯著降低（ Plt;0.05） ）， a^* 和 b^* 值顯著增加 （ Plt;0.05 ），表明顏色偏向紅和黃，與膜照片所示一致，這是CDs固有的棕色和SPI的乳黃色所致。SPI/PVA膜的厚度顯著大于PVA膜（ Plt;0.05， ），這可能是SPI和PVA的交聯程度低[1]，SPI/PVA膜的內部出現了多孔結構，導致結構疏松。幾組CDs/SPLPVA復合膜的厚度與SPI/PVA膜相比無顯著差異（ ∣Pgt;0.05） 。

2.2.2 吸水性及水蒸氣透過性

如表3所示，SPI/PVA復合膜的吸水率高于純PVA膜。隨著CDs濃度的上升，復合膜的吸水率逐漸降低， CDs₄/SPI/PVA 復合膜的吸水率降至158.99% ，顯著低于PVA膜和SPI/PVA膜（ Plt; 0.05）。CDs的加入可能導致CDs與SPI、PVA分子之間形成氫鍵，從而限制SPI、PVA與水分子之間羥基的鍵合，導致膜的吸水率有所降低[27]。這種弱吸水能力對于食品包裝材料來說是有利的，且對微生物在其表面的生長也有一定的抑制作用[28]

SPI/PVA復合膜的水蒸氣透過率明顯高于PVA膜（ Plt;0.05） 。水分子在薄膜中的透過速率是由吸附和擴散共同決定的，膜的結構越疏松，則使其擴散越容易[29]。在幾種CDs/SPI/PVA復合膜中，隨著CDs濃度的上升，水蒸氣的透過能力逐漸減弱，這可能是CDs、SPI與PVA三者間的氫鍵作用，使得薄膜內部結構更加緊密，進而增強了水蒸氣的阻隔性[30] 。

2.2.3 機械性能

PVA膜和不同濃度CDs/SPI/PVA復合膜的厚度和機械性能如表4所示。純SPI/PVA膜具有較好機械性能，拉伸強度（TS）為 17.12MPa ，斷裂伸長率（EB）為 393.10% ，彈性模量（EM）為4.35GPa 。CDs的加入降低了復合膜的TS和EB。有報道稱，在明膠/聚乙烯醇基膜中加入CDs后，復合膜的TS和EB顯著降低，而復合膜的EM無顯著差異[3]，這與本研究結果類似。

2.2.4 抗氧化性能分析

如表5所示，相較于純PVA和SPI/PVA膜，隨著CDs濃度的升高，復合膜對DPPH自由基的清除率逐漸升高。CDs表面的含氧官能團可以貢獻氫原子并與DPPH自由基反應，形成穩定的絡合物，達到清除 DPPH 自由基的效果[31]。SPI 和CDs的加入均使得復合膜對ABTS的清除效果顯著提升（ Plt;0.05） ，且清除率接近 100% 。SPI中含有一些抗氧化活性的氨基酸，對ABTS自由基有一定的清除效果。隨著CDs的加入及其濃度的升高，CDs/SPI/PVA復合膜對ABTS自由基的清除效果進一步增強。

2.3復合膜對牛肉獅子頭貯藏品質的影響

2.3.1 菌落總數和 pH 值的變化

牛肉獅子頭高溫熟制后可達商業無菌狀態，但冷卻包裝時易污染，在 0～4°C 保存時，仍有微生物生長，導致貨架期縮短。在 4°C 冷藏2周后，不同包裝牛肉獅子頭的TBC變化如圖4所示。與原始樣品相比，對照樣品（未包裹薄膜）的TBC值顯著升高（ Plt;0.05， 。而 CDs₁/SPI/PVA 和CDs₃ /SPI/PVA組TBC數值均顯著低于對照樣品（ Plt;0.05） ，說明CDs/SPI/PVA活性薄膜可以有效抑制牛肉獅子頭樣品在貯藏期間微生物的繁殖，其抑菌性能與復合膜中抗菌CDs的含量有關，這與FU等[32]的研究結果類似。

由圖5可知，與原始樣品相比，在 4‰ 冷藏2周后，對照組（未包裹薄膜）牛肉獅子頭的 pH 值下降幅度最大，其次是SPI/PVA 組。樣品 pH 值下降而TBC升高的現象可能與微生物代謝產物的雙重作用相關。貯藏過程中，耐冷菌群（如乳酸菌）主導糖類分解產酸，導致pH值降低；同時，部分腐敗菌通過分解蛋白質釋放堿性物質，但因產酸菌的持續增殖及低溫抑制腐敗菌活性，整體pH 值仍呈下降趨勢[33]。此外，肉類樣品在貯藏期間往往會經歷蛋白質及脂肪氧化過程，兩個氧化反應的產物均會促進肉制品 pH 值的下降，導致產品品質的劣變[34]。 CDs₃/SPI/PVA 組樣品的pH 值降低幅度最小，與原始樣品無顯著差異，說明 0.8% 濃度的CDs復合膜可有效抑制樣品的酸敗。

由圖6可知，原始樣品的TBARS值為0.52mgMDA/kg 。在 4°C 冷藏2周后，所有樣品的TBARS值均顯著升高（ Plt;0.05） ），各處理組之間差異顯著。這是由于牛肉獅子頭樣品中脂肪含量高，易被氧化，隨著氧化程度加深，產生的次級代謝物逐漸積累，TBARS值也不斷增大。對照樣品（未包裹薄膜）的升高幅度最大，達到11.60mgMDA/kg 。SPI/PVA復合膜雖然也在一定程度上抑制了TBARS值的升高，但其延緩氧化的效果顯著低于 CDs₁/SPI/PVA 和 CDs₃/SPI/ PVA復合膜（ Plt;0.05） 。 CDs₃ /SPI/PVA復合膜包裹的牛肉獅子頭的TBARS值最低，僅為2.80mgMDA/kg 。CDs能夠清除自由基，進而有效阻止脂肪氧化，CDs濃度為 0.8% 的 CDs₃/SPI/ PVA復合膜延緩牛肉獅子頭氧化的效果最佳。

2.3.3 感官評分

由圖7可知，在 4°C 冷藏2周后，不同處理組牛肉獅子頭的感官評分均顯著降低（ Plt;0.05） 。對照組（未包裹薄膜）樣品評分最低，產品表面有大量水分滲出，并且其色澤逐漸黯淡，出現明顯異味。上述現象可能是牛肉獅子頭在長時間貯藏期間，由于脂肪和蛋白質的氧化，以及受微生物共同影響的結果。 CDs₁/SPUPVA 和 CDs₃ /SPI/PVA組樣品的感官評分無顯著差異，且顯著高于對照組和SPI/PVA組（ Plt;0.05 ）。以上結果說明CDs/SPI/PVA復合膜可以有效延緩牛肉獅子頭樣品感官品質的劣變。

3 結論

本試驗制備了CDs/SPI/PVA復合膜，并將其應用于牛肉獅子頭的貯藏保鮮。掃描電鏡和FTIR分析表明，CDs在薄膜中均勻分散，與聚合物基體具有良好的相容性，能形成緊湊的結構。

CD_s 的摻人顯著增強了復合膜的抗氧化活性（ Plt;0.05） ，顯著降低了復合膜的吸水率與水蒸氣透過系數（ Plt;0.05 ），且這種改善效果與CD_s 的添加量呈正相關。與對照樣品和SPI/PVA樣品相比，CDs/SPI/PVA復合膜能有效抑制貯藏期內牛肉獅子頭TBC和TBARS值的升高。貯藏2周試驗表明， 0.8% CDs濃度的 CDs₃ /SPI/PVA復合膜的貯藏效果最好，感官評分最高，說明CDs/SPI/PVA復合膜可以較好地保持牛肉獅子頭的貯藏品質，在肉類預制菜的貯藏保鮮方面具有很好的應用前景。

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Abstract： To develop a composite film with superior preservation properties，this experiment incorporated carbon dots （CDs）as active components into the matrix of soy-protein isolate/polyvinyl alcohol （SPI/PVA） blend films. The study investigated the effcts of varying concentrations of CDs （O.O%，0.4%， 0.6% ， 0.8% ，and 1.0% ）on the performance characteristics of the composite films. These films were subsequently applied to the storage testing of beef meatballs.Results demonstrated that as the concentration of CDs increased，the water absorption rate and water vapor transmission rate of the composite films significantly decreased （ Plt;0.05， ），while the scavenging efficiency for ABTS and DPPH free radicals markedly improved （ Plt;0.05 ）. A two-week refrigeration experiment at 4°C revealed that the active composite films effectively delayed he rise in total viable count and TBARS values，and mitigated the deterioration of sensory quality in samples.These findings indicate that the composite films hold promising application potential in the preservation of prepared meat products.

Key words： carbon dots；composite film； soybean isolate protein；polvinyl alcohol；meatballs；storage quality

（責任編輯：趙 勇）