花青素明胶膜的制备与表征1

2018-07-13孙东山董梓炯谢晓雪彭永宏

惠州学院学报 2018年3期

尹艳，孙东山，董梓炯，谢晓雪，彭永宏

（1.惠州学院生命科学学院，广东惠州 516007；2.华南师范大学生命科学学院，广东广州 510631）

关键字：花青素；明胶；膜材料

塑料包装材料给生活带来便利的同时也带来了严重的环境问题［1］.构建生物可降解的食品包装材料逐渐成为热点问题.以天然生物大分子（蛋白质、脂质和多糖等）为成膜基质，通过分子间相互作用而形成具有多孔网络结构的薄膜［2］，称为可食性膜.蛋白质膜相对于多糖膜和脂质膜，具有更稳定的结构，更优良的性能［3］.明胶因其良好的成膜性，被广泛用于蛋白质膜材料的构建［4-5］.胡二坤等人的研究表明添加溶菌酶纳米氧化锌能够提高膜材料的紫外吸收特性和抗菌功能［6］.花青素能够清除自由基，具有很强的抗氧化活性［7-8］，在紫外区域也有强吸收，我们已经通过超声波辅助提取法［9］和热水浸提法［10］从紫薯中成功提取了花青素.在本论文中，制备了明胶和紫薯花青素复合膜材料，并通过进行表征，以期为环境友好材料赋予紫外吸收特性和抗氧化特性.

1　材料与方法

1.1实验材料

紫罗兰紫薯惠州学院生命科学学院基地种植

1，1-二苯基-2-三硝基苯肼（DPPH）上海麦克林生化科技有限公司

明胶北京澳博星生物技术有限责任公司

其他试剂均为分析纯

1.2实验仪器

ME203电子天平METTLER TOLEDO

DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器巩义市予华仪器有限责任公司

OMNI Sonic Ruptor 4000超声波细胞破碎仪美国Omni International公司

LHS-150HC恒温恒湿箱上海一恒科学仪器有限公司

DHG-9023电热鼓风干燥箱中仪国科（北京）科技有限责任公司

UV-1700PC紫外可见光分光光度计上海美析仪器有限公司

热重分析仪TG 209F1 Libra德国Netzsch

MC1000离子溅射装置日本株式会社日立高新技术那柯事业所

SU8010扫描电子显微镜日本株式会社日立高新技术那柯事业所

1.3实验方法

1.3.1花青素溶液的制备

在之前的研究基础上，采用热水浸提方法制备花青素溶液［10］.

1.3.2花青素明胶膜的制备

准确称取明胶固体颗粒，加入蒸馏水，于60°C水浴温度下溶解3h，制得5%（w/v）的明胶溶液，加入40%甘油（w/w明胶）作为塑化剂，搅拌混合均匀，备用.量取50mL成膜溶液，分别加入花青素溶液，使得最终花青素含量分别为0，1×10-5%，2×10-5%，4×10-5%，8×10-5%，1.6×10-4%，搅拌混合，超声脱气（40kHz，120W），倒入有机玻璃盒（18×20cm）平铺展开，并将中间的小气泡驱赶到四周，在25°C，40%（%RH的恒温恒湿箱干燥24h，取出揭取膜，在相对湿度为58%（%RH）（盛有饱和硝酸镁溶液的干燥器中）的条件下平衡48h，待测.参考莫丽春等的方法，采用pH示差法测定花青素溶液的浓度［11］.

1.3.3膜厚度的测定

膜材料上分别随机取5个点［12］，用螺旋测微器（精确到0.1mm）测量其厚度，取其平均值.

1.3.4膜水分含量（MC）和可溶性固形物（TSM）的测定［13-14］

1.3.5透光性能表征［6］

剪取大小为1×4cm的膜材料，紧贴于石英比色杯，选择波长扫描模式，测量膜材料在波长为190-1100nm的透光率，绘制其图谱.

1.3.6膜的热力学表征

采用热重分析法研究膜材料的热力学性质，称取6-8mg膜材料放入坩埚内，在氮气气流下以20°C/min的速率从30°C加热到700°C，系统研究样品的重量损失率.

1.3.7膜的微观结构

使用HITACHI的SU8010扫描电子显微镜分析膜材料表面的微观结构.将膜材料置于相对湿度为58%（%RH）（盛有饱和硝酸镁溶液的干燥器中）的条件下平衡48h后取出，裁剪成适当大小，用导电胶固定在样品盘上，使用HITACHI的MC1000离子溅射装置喷金100 s，扫描电镜在加速电压为15kv的条件下进行观察.

1.3.8膜的抗氧化活性

膜材料的抗氧化活性用膜材料的DPPH自由基清除能力来表征.参考Youngjae Byun等的方法［15］并略有修改.称取0.1g的膜材料样品，剪成碎片，置于离心管中，加入0.06mmol/L的DPPH乙醇溶液4mL，25°C温度下避光反应30min，在570nm波长下测量其吸光值，用乙醇作为对照组.每份样品进行3次平行试验，取其平均值.按照下列公式计算DPPH自由基清除率（%DPPH自由基清除率/100mg膜材料）：

DPPH自由基清除率（%）=1-A/A0

式中：A为膜材料与DPPH溶液混合反应后的吸光值；A0为DPPH溶液的吸光值.

1.3.9数据分析

采用Origin 8.6画图，实验数据均采用平均值±标准差表示，用SPSS 22.0软件进行一维方差分析，以及置信区间为95%的显著性分析，显著性水平被认为是p＜0.05.所有图表中采用相同的字母表示在p＜0.05水平差异不显著，不同的字母表示差异显著.

2　实验结果与分析

2.1膜材料的厚度、水分含量（MC）和固形物含量（TSM）

厚度不仅是膜材料外观的一个指标，对膜材料所包裹的物质的保护作用也至关重要.从表1可以看到，随着膜材料中花青素含量的上升，膜材料的厚度也逐渐增加，但花青素含量对膜材料的厚度的影响并不显著.从表1中还可以看到随着花青素含量的上升，膜材料的固形物含量变化不大，而膜材料的水分含量有上升的趋势，并在花青素含量2×10-5%与4×10-5%之间有显著的增加.这可能是因为花青素是一种水溶性的黄酮化合物，花青素的添加，增加了明胶膜材料中的亲水基团，花青素与明胶分子之间的相互作用也在一定程度上增加了明胶的水溶性.随着花青素含量的增加，花青素与明胶分子之间在作用力增强，提高了明胶膜材料的水溶性，同时也增加了明胶膜材料的厚度.

表1　各紫薯花青素明胶复合膜材料的MC，TSM，厚度

2.2膜材料的透光性能

图1　紫薯花青素明胶复合膜材料的透光曲线

膜材料的透光性能直接影响着包装食品的外观.从图1可以看到没有添加花青素的明胶膜材料在紫外区域的吸收不大，这是由于明胶分子中芳香族氨基酸［14］的含量较低造成的，Wen M.等人的研究也得到相似的结果［13］.添加紫薯花青素之后的明胶膜材料在350 nm以内的紫外区域具有明显的吸收，并随着紫薯花青素添加量的增加，明胶膜材料的紫外吸收显著增加，并具有剂量相关效应.膜材料的紫外吸收能力对光敏感食品的保护至关重要.此外，在600nm处，随着花青素含量的增加，膜材料的透光率依次下降，说明紫薯花青素的添加对明胶膜材料的外观具有一定的影响，但是各膜材料的透光率均高于80%，且不同花青素含量的明胶膜之间的透光率差别不大，说明添加紫薯花青素对明胶膜材料的外观影响不大.

2.3膜材料的热稳定性分析

本文用热重分析方法表征明胶膜材料的热稳定性.图2是紫薯花青素明胶复合膜材料的热重图.每个样品的谱图分为三个阶段，分别是氢键断裂与水分的挥发（120℃以下）、甘油的挥发（120℃以上到 260～270℃）和高分子的解聚和热分解（260～270℃以上）.图2可以看出，紫薯花青素明胶复合膜材料的热重曲线的趋势都很相似.可以观察到，几乎所有的紫薯花青素明胶膜材料的残余量都比不添加紫薯花青素的明胶膜的有所提高，这表明紫薯花青素与明胶的相互作用降低了膜材料的热分解和热降解，提高了明胶膜材料基质的热稳定性.试验证明，紫薯花青素与明胶的相互作用在一定程度上可以提高膜材料结构的热稳定性.图2还可以看到，添加了最少量紫薯花青素的明胶膜材料的残余量比不添加紫薯花青素的明胶膜材料的残余量还要少.可能是因为添加的紫薯花青素太少，紫薯花青素与明胶分子的相互作用不足以抵消对明胶膜材料结构均匀性的破坏.因此，一定量的紫薯花青素的添加能够提高明胶膜材料的热稳定性.

图2　紫薯花青素明胶复合膜材料的热重曲线

2.4膜材料的微观结构分析

膜材料的微观结构决定着膜材料的性能.从图3可以看到，没有添加紫薯花青素的明胶膜材料的表面相对平整，结构相对致密，随着膜材料中紫薯花青素含量的增加，明胶膜材料的表面越来越不平整，从零星小细纹的出现到明显的呈网络状的纹理的出现，再到长条形的大的沟壑的出现，纹理逐渐变粗变强，说明随着紫薯花青素的添加量的增加，紫薯花青素与明胶分子之间的相互作用也逐渐增强，紫薯花青素对明胶膜材料的结构致密性的破坏也更大.结合2.3中膜材料的热稳定性分析，随着紫薯花青素添加了的增加，紫薯花青素与明胶分子之间的相互作用比紫薯花青素对明胶膜材料结构致密性的破坏要大.