肉桂醛对明胶基肠衣膜的性能影响

包俊青，唐亚丽,2,*，卢立新,2，丘晓琳,2，王 军,2

（1.江南大学机械工程学院，江苏 无锡 214122；2.江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏 无锡 214122）

肠衣在肉制品加工中具有重要地位，由于天然动物肠衣资源有限，聚偏二氯乙烯等塑料肠衣存在不安全性和环境污染性，欧盟等一些发达国家已明文规定禁止生产使用[1]。因此，人造可食性肠衣数量持续增长。人造可食性肠衣主要使用蛋白类如胶原蛋白、小麦面筋蛋白、大豆蛋白以及乳清分离蛋白等可食性材料[2-7]，由于生物可降解性，都存在力学性能低、阻隔性和耐水性差等缺陷，降低了肠衣的质量和安全性[8]。

明胶是胶原在酸碱、酶或光、高温等作用下，打破氢键和共价键的变性产物[9-10]，相对分子质量分布从几千到几万[11]。明胶膜具有良好的机械性能和阻隔性能，但其质脆，存在的羟基、羧基等亲水性基团导致其吸水率较高，限制了在包装中的应用[12]。研究表明，明胶成本低廉，是适合生产可生物降解的理想包装材料[13-14]，目前共混是最为常见的改性方式。Hosseini等[15]利用壳聚糖共混改性明胶以制备复合膜，研究发现复合膜的拉伸强度和断裂伸长率均大于纯膜，壳聚糖的加入改善了膜的力学性能。裴莹等[16]以纳米纤维素晶须作为分散相增强明胶膜，结果表明，纳米纤维素晶须的加入使复合膜的溶胀度比纯膜降低了75%，增强了明胶膜在水中的稳定性，同时提高了韧性和强度。

壳聚糖又名聚氨基葡萄糖，是由多个氨基葡萄糖单体通过β-1,4-糖苷键连接而成的聚合物，也是迄今为止发现的唯一阳离子动物纤维和碱性多糖[17]。壳聚糖无毒可食、生物可降解，具有较强的机械特性、疏水性以及较好的抗氧化性和广谱杀菌性[18-19]。壳聚糖和明胶具有良好的相容性，可通过氢键、离子键等作用稳定网络结构，起到增强效果[20-22]。Krkic等[23]把胶原蛋白和壳聚糖复合成膜应用于发酵香肠肠衣，壳聚糖显著改善了膜的阻隔性和抗菌性。刘莉莉[24]研究了明胶/壳聚糖膜作为方便面调料包的应用，研究表明壳聚糖的添加提高了膜的力学性能和热稳定性，基本满足了应用要求。

肉桂醛是由肉桂树的树皮经过CO2超临界萃取所获得香精油的主要成分，其化学名称为三苯基丙烯醛，也可被人工合成[25]。肉桂醛是国标[26]中规定允许使用的食品用合成香料，也是美国食品和药物管理局[27]公认的安全物质，被食品工业广泛用作食品添加剂和调味剂。肉桂醛可用于交联生物聚合物基质[28]，是被广泛用于食品、化妆品、医药领域的防腐剂[29]。Adzaly等[30]将肉桂醛和壳聚糖按照一定比例混合以开发新型壳聚糖基肠衣，结果显示肉桂醛降低了肠衣水溶性，其优异的物理机械性能和紫外光阻隔性可与商业胶原蛋白肠衣相媲美。张赟彬等[31]制备了壳聚糖-肉桂醛复合膜用以保鲜酱卤牛肉，发现该复合膜能延缓酱卤牛肉水分的蒸发和腐败变质，延长保质期。

本实验以明胶为膜基质，加入壳聚糖和肉桂醛作交联剂以求增强肠衣膜物理性能，提高耐蒸煮性，以期为制备新型低成本可食性肠衣提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

壳聚糖（脱乙酰度80.0%～95.0%，生化试剂），肉桂醛（纯度95%），吐温-80、明胶（均为化学纯） 国药集团化学试剂有限公司；甘油、冰醋酸均为分析纯。

1.2 仪器与设备

E43.104微机控制万能材料试验机 美斯特工业系统（中国）有限公司；HGJR-02红外加热炉 河南中良科学仪器有限公司；VAC-V2压差法气体渗透仪、W3/060水蒸气透过率测试系统 济南兰光机电技术有限公司；FJ300-SH数显高速分散均质机 上海精密科学仪器有限公司；SHZ-D（III）循环水式真空泵 上海贝伦仪器设备有限公司；高温鼓风干燥箱、HWS12型电热恒温水浴锅 上海一恒科学仪器有限公司；千分台式薄膜测厚仪 常州三丰仪器科技有限公司；Nicolrtis10红外光谱仪 德国Bruker公司；TA Q500热重分析仪 美国TA Instruments公司；HS4恒温数显磁力搅拌器上海思乐仪器有限公司；SU1510扫描电子显微镜 日本日立公司；JYD-900智能型超声波细胞粉碎机 上海之信仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 膜的制备

将3 g壳聚糖均匀分散在体积分数2%的150 mL冰醋酸溶液中，50 ℃以600 r/min的速率磁力搅拌12 h，得到质量浓度为2 g/100 mL的壳聚糖溶液；将6 g明胶加入150 mL去离子水中溶胀12 h后50 ℃水浴加热30 min，得到均一的明胶溶液；两种溶液按体积比1∶1混合均匀，分别添加明胶和壳聚糖总质量的0%、13%、13.5%、14%、14.5%和15%肉桂醛，再加入与明胶和壳聚糖总质量之比分别为35%和0.75%的甘油和吐温-80。将配制好的溶液10 000 r/min均质10 min后再使用超声细胞破碎仪超声处理，设置功率360 W，超声4 s间隔5 s的条件下超声12 min，得到均一透明的膜液，最后利用真空抽滤循环泵脱去气泡，将成膜液均匀流延在玻璃板上，室温下干燥成膜。揭好的膜置于23 ℃、50%相对湿度条件下平衡处理48 h后再进行性能测试。

1.3.2 力学性能的测试

参照GB/T 1040.3—2006《塑料 拉伸性能的测定第3部分：薄膜和薄片的试验条件》[32]测试方法，将薄膜裁切成长150 mm，宽15 mm的长条试样，每个试样随机取5 个点，使用测厚仪测量厚度并取平均值作为试样厚度，将试样放在气动夹具中夹紧，使试样的长轴线与试验机的轴线在同一条直线上，夹具间距100 mm，加载速率50 mm/s试样拉伸至断裂停止检测，每种样品测试5 个平行样，测量的平均值为最后的拉伸强度和断裂伸长率。拉伸强度为试样在实验过程中承受的最大拉伸应力，断裂伸长率为原始标距单位长度的增量，即拉伸应变。

拉伸强度按式（1）计算：

式中：σ为拉伸强度/MPa；F为所测的最大负荷/N；A为试样原始横截面积/mm2。

断裂伸长率按式（2）计算：

式中：ε为断裂伸长率/%；L0为试样的标距/mm；ΔL0为试样标记间长度的增量/mm。

1.3.3 耐蒸煮性能的测试

1.3.3.1 吸水率

参照文献[5]和文献[33]方法，取30 mm×20 mm的试样，在50 ℃条件下烘干24 h后取出，在干燥器中冷却后称得质量记为m0，置于25 ℃蒸馏水中浸泡2 h后取出，滤纸吸干表面水分，称得质量记为m1。根据膜前后质量的变化计算吸水率。吸水率按式（3）计算：

式中：A为吸水率/%；m0为未浸泡前干燥冷却后的质量/g；m1为浸泡后的质量/g。

1.3.3.2 耐水性

取150 mm×15 mm的长条试样于蒸馏水中，于红外加热炉上煮沸30 min后取出，擦干表面水分后测试其拉伸强度，加载速率10 mm/s，方法参照1.3.2节。耐水性按式（4）计算[34]：

式中：R为耐水性/%；σw为蒸煮0.5 h后试样拉伸强度/MPa；σd为未蒸煮的试样拉伸强度/N；A为试样原始横截面积/mm2。

1.3.4 阻隔性能的测试

1.3.4.1 透氧性

参照GB/T 1038—2000《塑料薄膜和薄片气体透过性试验方法 压差法》[35]进行。将经过平衡处理的试样裁切为120 mm×120 mm形状，使用VAC-V2压差法气体渗透仪进行透氧测试，得到透氧量和透氧系数。透氧量和透氧系数按式（5）、（6）计算：

式中：Qg为材料的透氧量/（cm3/（m2·d·Pa））；pg为材料的透氧系数/（（cm3·cm）/（cm2·s·Pa））；ΔP/Δt为稳定透过时，单位时间内低压室气体压力变化算术平均值/（Pa/h）；V为低压室体积/cm2；S为试样的实验面积/m2；T为实验温度/K；p1-p2为试样两侧的压差/Pa；T0、p0为标准状态下的温度（273.15 K）和压力（1.0133×105Pa）；D为试样厚度/cm。

1.3.4.2 透湿性

参照GB 1037—1988《塑料薄膜透水蒸气性试验方法杯式法》[36]中的环境条件，将试样用模具裁切成圆形，使用W3/060水蒸气透过率测试系统在温度38 ℃，相对湿度90%环境条件下测试得到透湿量和透湿系数。透湿量和透湿系数按式（7）、（8）计算：

式中：WVT为透湿量/（g/（m2·24 h））；Pv为透湿系数/（（g·cm）/（cm2·s·Pa））；t为质量增量稳定后的两次间隔时间/h；A为试样透水蒸气的面积/m2；d为试样厚度/cm；Δp为试样两侧的水蒸气压差/Pa。

1.3.5 微观结构分析

利用扫描电镜对薄膜进行微观形貌的观察，分析共混物的分布及相容性。选用SU1510型扫描电子显微镜，放大倍数为10 000 倍将试样裁成5 mm×1 mm，液氮处理后得到脆断断面，用导电胶固定好试样，在5 kV的加速电压下采用扫描电子显微镜观察试样的断面构造。

1.3.6 红外光谱分析

选取肉桂醛、肉桂醛添加量13%（占明胶与壳聚糖总质量）的薄膜以及空白薄膜，使用红外光谱仪进行红外光谱的测定和对比。

1.3.7 热稳定性能的测试

使用TA Q500热重分析仪检测肉桂醛质量为占明胶和壳聚糖总质量13%的薄膜以及空白薄膜的热稳定性，称取试样3～10 mg测试，起始温度30 ℃，以10 ℃/min的速率升温至600 ℃。

1.4 数据及图像处理方法

计算薄膜各项性能的平均值，并使用Origin 9.1绘制成条形图或折线图，以便分析和观察。

2 结果与分析

2.1 肉桂醛添加量对肠衣膜机械性能的影响

从图1可以看出，肉桂醛的添加显著提高了肠衣膜的拉伸强度，随肉桂醛添加量的增加，拉伸强度先增大后减小，断裂伸长率先下降后上升。当肉桂醛含量占明胶和壳聚糖两者总质量的13%时，拉伸强度达到40.2 MPa，比空白提高了195%。因为肉桂醛可以与明胶和壳聚糖的氨基发生一定的交联作用，有效增加分子链间的联系，小分子的填入使网络结构更加致密，同时降低了明胶基质的流动性[37]。当添加量达到饱和状态后，过量的肉桂醛会使聚合物基质的内聚力降低，导致强度降低，流动性增加。

图1 肉桂醛添加量对肠衣膜机械性能的影响Fig. 1 Mechanical properties of casings with different contents of cinnamaldehyde

2.2 肉桂醛添加量对耐蒸煮性能的影响

图2 肉桂醛添加量对肠衣膜耐蒸煮性能的影响Fig. 2 Cooking stability of casings with differentcontents of cinnamaldehyde

从图2可以看出，未添加肉桂醛的薄膜在蒸煮过程中完全溶解，不具有耐水性，这是由于明胶具有较强的亲水性，高温条件下亲水性侧链残基充分暴露，破坏了网络结构导致膜解体。随肉桂醛添加量的增加，肠衣膜吸水率降低，耐水性能逐渐提高。交联效应引起明胶和壳聚糖链中的氨基和肉桂醛的羰基之间形成席夫碱，另外肉桂醛中的芳香族化合物具有较强的疏水性以及产生的非共价相互作用共同降低了固体物的损失，提高了疏水性和耐水性[38]。

2.3 肉桂醛添加量阻隔性能的影响

从图3和图4可以看出，肉桂醛添加量的增加逐渐提高了薄膜的阻隔性，当肉桂醛添加量较多时，透氧性有所变差，透湿性基本保持稳定。当肉桂醛达到明胶和壳聚糖两者总质量的13%时，透氧性和透湿性分别提高了约17%和10%。由于明胶和壳聚糖两种大分子可以充分与肉桂醛相互作用，提高了分子作用力和内部结构的紧密度，从而会使水蒸气和氧气分子的扩散途径变得更加曲折，扩散时间延长，使得复合膜的阻隔性能增加[39]。当肉桂醛添加量与基质反应完全后，阻隔性保持稳定。过多的肉桂醛会减弱分子间作用力，则可能导致阻隔性降低。

图3 肉桂醛添加量对肠衣膜透氧性能的影响Fig. 3 Oxygen permeability of casings with different contents of cinnamaldehyde

图4 肉桂醛添加量对肠衣膜透湿性能的影响Fig. 4 Moisture permeability of casings with different contents of cinnamaldehyde

2.4 扫描电镜分析

图5 明胶/壳聚糖（A）和明胶/壳聚糖/肉桂醛（B）扫描电镜图Fig. 5 SEM of photographs of GA/CH (A) and GA/CH/CA (B)

如图5所示，在放大10 000 倍的状态下观察膜的微观结构，添加肉桂醛后结构差异较为明显。明胶-壳聚糖膜结构粗糙，说明两者之间发生了分子交联和缠绕，形成了致密复杂的空间网络结构。添加肉桂醛后，膜结构发生明显变化，致密均匀，排列有序。膜未出现孔洞现象，也未发生宏观的相分离，说明各组分相容性良好。

2.5 红外光谱分析

从图6可以看出，添加肉桂醛的薄膜与对照组具有极大的相似性，说明相容性良好。酰胺A带峰出现在3 300 cm-1左右，为明胶中O—H键和N—H键的伸缩振动，添加肉桂醛后，该谱带向低波移动，说明形成了较强的氢键[40]，且峰值强度增大，归因于芳环上C—H伸缩振动。1 729.36 cm-1是肉桂醛C＝C伸缩振动和C＝N的伸缩振动造成的，这也证明了肉桂醛的羰基和明胶、壳聚糖的氨基形成了席夫碱。1 651.73、1 545.69 cm-1和1 409.07 cm-1分别归因于明胶和壳聚糖酰胺I（C＝O伸缩振动）、酰胺II（N—H弯曲振动）和酰胺III（C—N伸缩振动）。明胶/壳聚糖/肉桂醛膜在1 145.06 cm-1处出现肩峰1107.34 cm-1，说明壳聚糖和甘油之间氢键数量减少，更多的壳聚糖与肉桂醛反应形成了席夫碱[40]。指纹区显示了C—O键的伸缩振动。图7中1 125.62、750.42 cm-1和689.24 cm-1为苯环单取代时C—H外弯曲振动。肉桂醛在1 678.24 cm-1处醛基的伸缩振动峰在复合膜中显著减小，进一步证明了肉桂醛与明胶和壳聚糖的反应。

图6 明胶/壳聚糖/肉桂醛膜和明胶/壳聚糖膜红外光谱图Fig. 6 Infrared spectra of GA/CH/CA and GA/CH films

图7 明胶/壳聚糖/肉桂醛膜和肉桂醛红外光谱图Fig. 7 Infrared spectra of GA/CH/CA films and cinnamaldehyde

2.6 热稳定性分析

热重分析曲线如图8a所示，在30～240 ℃为质量损失第1阶段，曲线较为平缓，样品质量损失为25%，该温度下主要是薄膜中作用力较弱的化学键断裂，结合水以及挥发性物质的蒸发所造成的。质量损失第2阶段是240～500 ℃，该阶段质量损失台阶显著，质量变化速率明显，从75%降到了20%，说明明胶、壳聚糖、甘油、肉桂醛的主要官能团发生了热分解，壳聚糖结晶度降低[41]，主要是固态的转变和小分子量碎片的损失。添加肉桂醛后的薄膜热分解曲线较纯膜发生了右移，说明肉桂醛的加入提高了薄膜热分解温度，增强了热稳定性。500～600 ℃为质量损失第3阶段，质量变化平缓，变化率降低。

图8 热重分析（a）和微商热重分析（b）曲线图Fig. 8 Thermal gravity analysis (a) and differential thermal gravity curves (b)

微商热重分析曲线如图8b所示，薄膜分解速率随温度的增加先升高后下降，最大值对应质量损失第2阶段。肉桂醛的加入对薄膜的最大分解速率影响不大，但提高了薄膜最大分解速率的温度，相同的分解速率所对应的温度比纯膜高，其原因是肉桂醛与明胶和壳聚糖之间形成紧密的网络结构，强作用力延迟了链的断裂。

3 结 论

本实验以明胶和壳聚糖作为成膜基质制作可食性肠衣，为提高薄膜机械性能和耐蒸煮性，加入肉桂醛发生交联反应，制备了一种新型肠衣膜，极大地拓展了明胶的应用范围，同时降低了肠衣的原料成本。通过对薄膜样品的理化测试与分析可得出以下结论，肉桂醛的添加对薄膜产生了较大的影响，当肉桂醛添加量为明胶和壳聚糖总质量的13%时，薄膜的力学性能和耐水性显著增强，阻隔性和热稳定性得到提高，微观结构致密均一，相容性良好，提高了肠衣的质量和安全性。由于胶原蛋白提取工艺复杂，胶原蛋白肠衣膜成本较高，明胶肠衣膜则弥补了这一缺陷，且性能满足食品要求，具有很大的市场前景和应用价值。