姜黄素-明胶-酪蛋白钙复合膜理化特性研究

张乐，马玲，刘安军，*，韩悦，滕安国

（1.天津科技大学食品工程与生物技术学院，天津300457；2.天津现代职业技术学院，天津300350）

姜黄素-明胶-酪蛋白钙复合膜理化特性研究

张乐1，2，马玲1，刘安军1，*，韩悦1，滕安国1

（1.天津科技大学食品工程与生物技术学院，天津300457；2.天津现代职业技术学院，天津300350）

本研究将不同浓度的姜黄素添加到明胶-酪蛋白钙中，开发出一系列姜黄素-明胶-酪蛋白钙抗氧化复合膜，并对其力学特性、光学特性、表面形貌、抗氧化活性和保鲜效果进行分析。结果表明：加入姜黄素后，姜黄素中的成分物质与明胶相互作用，导致复合膜的厚度和断裂伸长率逐渐增大，外观颜色变深，抗拉强度、水溶性和水蒸气透过系数逐渐降低，对食物中脂类的氧化有明显抑制作用且逐渐增强，原子力显微镜观测其表面粗糙程度逐渐增大，对冷藏肉的抗氧化效果越来越好。因此，姜黄素-明胶-酪蛋白钙复合膜的开发在食品包装和保鲜等方面表现出潜在的应用价值。

姜黄素；明胶；酪蛋白钙；复合膜；抗氧化

可生物降解和生物相容性高的可再生资源已成为国际关注和研究的热点［1］。多糖［2］、蛋白质［3］和脂类［4］等高分子聚合物正被用于开发可食用的复合膜材料，在一定程度上，减少了非可再生资源的消耗和温室气体的排放。明胶是由动物皮肤、骨、肌膜等结缔组织中的胶原部分降解而成为白色或淡黄色、半透明、微带光泽的薄片或粉粒，具有良好的成膜性，可与壳聚糖［5］、乳清蛋白［6］、大豆蛋白［6］、纳米材料［7］等物质结合形成有功能的可食用复合膜［8］，已广泛应用于食品、化妆品和制药工业［9］。

钙是是组成人体骨骼、牙齿等组织的重要成分［10］，在人体中执行重要功能［11］。酪蛋白钙是源自牛奶，具有补钙和蛋白营养功能的新型化合物，其在人体中的吸收率高达92%，且吸收过程不需任何辅助物质，已被添加到可食复合膜中，进行复合膜功能的改良［12］。

姜黄素是从姜科、天南星科等植物的根茎中提取的一种多酚类物质，属极为稀少的二酮类天然化合物［13］。姜黄素结构中的酚羟基和二酮基，可以提供质子，从而阻断自由基反应，具有显著的抗氧化功能［14］。医学研究表明，姜黄素还具有降血脂、抗肿瘤、抗炎、利胆等作用，已被广泛用于食物的着色和多种食物的防腐、调味添加剂［14］。

本研究通过将抗氧化效果良好的不同浓度的姜黄素添加到明胶-酪蛋白钙可食膜中，以提高明胶-酪蛋白钙新型复合膜的抗氧化活性，并对可食膜的厚度、机械性能、水溶性、水蒸气透过系数、色泽、透光率、透明度、抗氧化活性和表面粗糙度等方面进行宏观特性和微观特性的评价和分析，开发出了具有一定应用价值的可食、生物降解包装材料。

1材料方法

1.1试验材料

明胶：阿拉丁试剂公司；酪蛋白钙：郑州瑞普生物工程有限公司；甘油：天津大学科威公司；姜黄素：成都义浩化工产品有限公司。

枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureas）、沙门氏菌（Salmonella）、大肠杆菌（Escherichia coli）：天津科技大学为生物菌种保藏管理中心。

1.2试验设备

XW-80A微型漩涡混合仪：海门市其林贝尔仪器公司；TA-XT 2i质构仪：英国Stable Meiro System公司；DC-p3全自动测色色差计：北京市兴光测色仪器公司；752紫外-可见分光光度计：天津市普瑞斯仪器有限公司；JSPM-5200原子力显微镜：日本电子株式会社；0-10-30型测厚仪：上海川陆量具有限公司。

1.3方法

1.3.1膜的制备

采用流延法，将成膜组分明胶和甘油溶于少量蒸馏水，于45℃水浴中静置溶胀，酪蛋白钙溶于蒸馏水后与明胶和甘油混合均匀。同时，配制不同浓度的姜黄素，与明胶-甘油-酪蛋白钙溶液分别混合均匀。成膜液的终浓度：明胶为5%，甘油为2%，酪蛋白钙为0.5%，姜黄素的终浓度分别为0.5%、1.0%、2.0%和4.0%。漩涡混合均匀的成膜液经超声脱气后，迅速铺于玻璃平板上，25℃鼓风干燥箱中干燥处理10 h，揭膜。测定前，将干燥后的复合膜置于相对湿度为50%的盛有饱和Mg（NO3）2溶液的干燥器中处理48 h。同样方法制备不含姜黄素的对照膜。

1.3.2复合膜膜厚度测定

用测厚仪（精确到0.001 mm）在裁切好的膜上均匀选取10个点，测其厚度，计算平均值和标准差。

1.3.3复合膜机械性能测定

测试方法根据GB/T 1040.3-2006《塑料拉伸性能的测定第3部分：薄塑和薄片的试验条件》［15］，测量并计算膜的拉伸强度，断裂伸长率。

1.3.4水溶性测定

将膜切成20mm×40mm的正方形，干燥并称重后放入300 mL去离子水中，于室温（25℃）下溶解24 h。再将膜在60℃的条件下干燥至恒重，称重，计算水溶性：

式中：m1为溶解前膜的质量，g；m2为溶解后膜的质量，g。

1.3.5水蒸气透过系数测定

根据GB 1037-1988《塑料薄膜和片材透水蒸气性试验方法》［16］，计算水蒸气透过系数。

1.3.6抗氧化膜色泽测定

利用全自动测色色差计测定复合膜的色泽，总色差ΔE用公式：

其中，白板标准L*=87.58、a*=-0.84、b*=-8.71。

1.3.7透明性和透光率测定

利用紫外-可见分光光度计测定200 nm～800 nm范围内复合膜对紫外光和可见光的阻隔性能。利用一下方程计算复合膜的透光值：

透光值=-logT600/x

式中：T600为600 nm处复合膜的透光率；x为膜的厚度，mm。

1.3.8抗氧化活性测定

复合膜的抗氧化性采用清除DPPH自由基的能力进行测定，计算公式如下：

式中：ADPPH为DPPH甲醇溶液的吸光度；As为成膜液与DPPH混合液的吸光度。

1.3.9微观结构测定

使用原子力显微镜接触式扫描复合膜，观察复合膜表面的微观结构。

1.3.10复合膜对冷鲜肉抗氧化效果

将从超市中购买新鲜猪肉分别用对照膜和不同浓度的明胶-酪蛋白改复合膜包装，用0.002 mol/L硫代硫酸钠标准滴定溶液滴定，至淡黄色，继续滴定至蓝色消失为终点，同时做试剂空白试验，分别记录消耗的硫代硫酸钠体积为V1、V0。

式中：X为样品的POV（过氧化值）值，meq/kg；V1为样品消耗硫代硫酸钠标准滴定溶液体积，mL；V0为试剂空白消耗硫代硫酸钠标准滴定溶液体积，mL；C为硫代硫酸钠标准滴定溶液浓度，mol/L；m为肉脂样品的质量，g。

2结果与分析

2.1复合膜力学性能分析

添加了不同浓度梯度的姜黄素对明胶-酪蛋白钙复合膜性能参数的影响见表1。

表1　不同浓度姜黄素对明胶-酪蛋白钙复合膜力学性能参数的影响Table 1Effect of different concentration of curcumin on mechanical properties of gelatin-calcium caseinate complex film

由表1可得出，姜黄素稀释液的添加对复合膜的厚度、抗拉强度、断裂伸长率、水溶性和水蒸气透过系数均有不同程度的影响。

2.1.1厚度

随着复合膜中姜黄素浓度的增加，复合膜的厚度由0.073 mm增加至0.103 mm，但经方差分析结果显示其厚度增加并不显著（P＞0.05），其原因是由于姜黄素在明胶网络结构中存留造成的，同时这些干物质与明胶的相互作用可导致复合膜中的有序结构降低［17］。

2.1.2机械性能

随着复合膜中姜黄素浓度的增加，复合膜的抗拉强度逐渐降低，而断裂伸长率不断增大。其原因是由于姜黄素造成复合膜中非匀相基质增加，增加了明胶网络结构的不连续性，并且这些成分物质的附着也会阻碍明胶肽链间的相互作用，导致其抗拉强度降低，而断裂伸长率增加［18］。

2.1.3水溶性和水蒸气透过系数

随着复合膜中姜黄素浓度的增加，复合膜的水溶性和水蒸气透过系数均有所降低。其中水溶性由38.61降低到33.91，水蒸气透过系数由5.37×10-9降低到3.50×10-9，但影响均不显著。其原因时由于姜黄素结构中含有部分疏水基团［13］，导致复合膜的亲水性降低，使其水溶性和水蒸气透过系数均降低。

2.2复合膜光学性能分析

添加了不同浓度梯度的姜黄素对明胶-酪蛋白钙复合膜光学参数的影响见表2。

表2　不同浓度姜黄素对明胶-酪蛋白钙复合膜光学参数的影响Table 2Effect of different concentration of curcumin on optical parameters of gelatin-calcium caseinate complex film

由表2可得出，姜黄素稀释液的添加对复合膜的色泽和透明度均有不同程度的影响。

2.2.1色泽

视觉观察随着复合膜中姜黄素浓度的提高，复合膜的颜色逐渐加深，测得的色泽参数L*、a*、b*和ΔE*与对照膜相比，均有显著性差异（P＜0.05），其中L*显著性降低，而a*，b*，ΔE*均有显著性提高。由此可见，姜黄素可影响复合膜的色泽，且浓度越高，影响越大。其原因为姜黄素中的有色物质附着在明胶网络结构形成的。

2.2.2透光率和透明度

随着复合膜中姜黄素浓度的提高，复合膜的透明度与对照膜相比，均有显著性提高（P＜0.05）。结果表明，不同浓度姜黄素的加入能够降低其透光率。复合膜透光率的降低，可以减少光线对其所包装食物的影响，形成良好的阻隔作用。其原因为姜黄素中的着色成分的加入影响复合膜内成分对光的散射作用［17］。

2.3复合膜抗氧化性能分析

不同浓度姜黄素的添加对复合膜的抗氧化能力影响如图1所示。

图1　姜黄素对明胶-酪蛋白钙复合膜抗氧化性的影响Fig.1Effect of curcumin on antioxidant activity of gelatin-calcium caseinate composite film

随着膜成分中姜黄素的增加，其DPPH自由基清除率显著提高（P＜0.05）。姜黄素含量为4.0%的复合膜相对于不含姜黄素的对照膜1，其DPPH自由基清除率提高了70.02%，表明姜黄素可显著改善复合膜的抗氧化性。其原因为，姜黄素结构中的酚羟基和二酮基，可以提供质子，从而阻断自由基反应，进而清除自由基，因此可以抑制脂肪的氧化过程［14］。

2.4复合膜微观性能分析

添加了不同浓度梯度的姜黄素对明胶-酪蛋白钙复合膜表面形貌的影响见表3。

对照膜的表面较为光滑，其平均粗糙度Ra为20.34 nm，而随着姜黄素浓度的提高，复合膜的表面粗糙程度逐渐增大，最终其平均粗糙度增至78.28 nm，且不同浓度梯度的姜黄素对复合膜的粗糙程度均表现为显著性影响（P＜0.05）。其原因可能是因为，随着姜黄素中成分物质的增加，使成膜液中不溶性物质的量增加，并且部分影响了明胶网络结构而造成的。同时这种表面形貌的结果规律，可能也与复合膜的水蒸气透过率，和通过改变光粒子的散射作用而影响复合膜的透光性和透明度。

表3　不同浓度姜黄素对明胶-酪蛋白钙复合膜表面形貌的影响Table 3Effect of different concentration of curcumin on surface topography of gelatin-calcium caseinate complex film

2.5复合膜对冷鲜肉抗氧化性能分析

未包装，对照膜，含0.5%、1.0%、2.0%和4.0%的明胶-酪蛋白钙复合膜所包装的冷鲜肉在贮藏过程中的过氧化值（POV）变化如图2所示。

图2　贮藏过程中肉过氧化值的变化Fig.2The variations of the meat on peroxide value during the storing

在贮藏过程中，所有样品的POV均增加，其中未包装肉样的POV增加最显著，对照膜包装肉样POV增加也较为明显，但含姜黄素的明胶-酪蛋白钙复合膜包装肉样的POV变化相对较小，且随着膜组分中姜黄素含量的增加，肉样POV的变化逐渐减小。该结果表明，明胶-酪蛋白钙复合膜中的姜黄素成分具有抑制肉样中脂类氧化的作用，含有姜黄素的明胶-酪蛋白钙复合膜的抗氧化功能可以延长冷鲜肉的货架期。

3结论

通过对添加不同浓度姜黄素的明胶-酪蛋白钙复合膜的宏观和微光特性测定和分析发现：随着复合膜中姜黄素浓度的提高，复合膜的厚度逐渐增大；机械强度上，抗拉强度逐渐降低，而断裂伸长率逐渐增大；水溶性和水蒸气透过系数逐渐降低；光学性能上，外观颜色越来越深，对光的阻隔性能逐渐增强；抗氧化效果上，对DPPH自由基的清除率逐渐增强；表面形貌上，粗糙度逐渐增大；保鲜效果上，冷鲜肉在贮藏过程中的过氧化值（POV）增速减缓。以上结果表明，通过添加姜黄素而开发出的姜黄素-明胶-酪蛋白钙复合膜，不仅具有较好的力学和阻隔光照的特性，而且能够有效地抑制食品中脂类物质的氧化作用，从而增强对食物的保鲜效果，具有一定的应用价值，并为新型包装材料的研发和减轻环境压力，提供了理论基础。

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Research of Physico-Chemical Properties on Curcumin-Gelatin-Calcium Caseinate Composite Films

ZHANG Le1，2，MA Ling1，LIU An-jun1，*，HAN Yue1，TENG An-guo1
（1.College of Food Science and Biotechnology，Tianjin University of Science and Technology，Tianjin 300457，China；2.Tianjin Modern Vocational Technology College，Tianjin 300350，China）

In order to develop gelatin-calcium caseinate composite films with antioxidant activity，different concentration of curcumin was added to it.In addition，the mechanical properties，optical properties，surface topography，antioxidant activity and preservation effect of curcumin-gelatin-calcium caseinate were also investigated and analyzed.The results indicated that the incorporation of curcumin caused interactions between gelatin and ingredients in curcumin，and the films showed increased thickness and elongation.After the addition of curcumin，the films showed darker appearance，and decreased tensile strength，water solubility and water vapor permeability.Meanwhile，the inhibition to food spoilage microorganisms and preservation effect on chilled fresh pork enhanced，and the surfaces became rougher by AFM with the increase of concentration of curcumin. In summary，gelatin-calcium caseinate composite films incorporated with curcumin presented application capacity in food packing and preservation.

curcumin；gelatin；calciumcaseinate；compositefilm；antioxidant

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.19.047

2015-09-20

国家高技术研究发展计划（863计划）（2013AA102204）；天津市科技支撑计划项目（14ZCZDNC00015）；国家自然基金面上项目（31271975）

张乐（1985—），女（汉），博士研究生，研究方向：功能性食品的研究与开发。

刘安军（1963—），男，教授，博士生导师，主要从事水产品、畜产（副产）品高附加值的开发利用及功能性食品研究。