海藻酸钠-鱼明胶复合可食膜的制备及特性研究

董宇豪 陈 浩 吴志宇 乔 鹏 刘子菁

（山东大学（威海）海洋学院 山东威海 264200）

目前，以石油基聚合物为原料的塑料保鲜膜，因具有良好的阻隔性能，而被大量生产并广泛应用于食品行业，然而，其不可降解性也导致严重的环境问题相伴而生。随着石油资源的日益枯竭，以及食品包装材料引发的食品安全问题日益频发，新型绿色、环保的食品包装材料亟待开发。可食用膜是以天然可食生物大分子物质（如蛋白质、脂质、糖类等）为原料，经混合、涂布、烘干等步骤制得的可食用，可用于食品保鲜，并具有包装保护功能的多孔网络结构的薄膜[1-2]。可食材料良好的生物相容性，亦可作为抗氧化剂、抗菌剂、风味剂、益生菌等功能性物质的良好载体，不仅能延长食品的保质期，而且可以提高其营养价值，具有良好的应用前景[3]。

依据成膜基质，可将可食膜分为单网络膜和复合膜两种。单网络可食膜是利用一种成膜基质制作而成，成膜工艺简单。由于网络结构单一，会导致其存在质地粗糙，吸潮变质严重，机械性能差等问题。为改善单网络可食膜的各项性能，往往将两种或以上的成膜基质复合使用，制备复合可食膜。相较于单网络膜，复合可食膜利用不同成膜材料间的协同增效作用，提高了可食膜的流变学、力学及热稳定性等各项性能。例如，汤秋冶等[4]以海藻酸钠为基材，研究ε-聚赖氨酸的添加量对ε-聚赖氨酸-海藻酸钠膜的物理特性及抗菌性能的影响，发现复合膜热稳定性较单一膜有所提高（融化温度由195.83℃升至198.71℃），且其抑菌性能随ε-聚赖氨酸浓度的增大而得到显著改善。然而，目前作为可食膜制备基质的生物大分子材料仍相对匮乏，亟待开发新型的可食膜成膜体系。

鱼明胶是经鱼皮、鱼骨、鱼头等水产品加工副产物中水解，提取获得的高分子多肽物质，具有良好的乳化、凝胶及成膜特性。将其作为可食膜制备原料，可充分利用水产品加工下脚料，减少资源浪费和环境污染，延长水产品加工产业链条，提高水产加工业经济效益[5]。海藻酸钠是一种天然阴离子多糖，具有可降解性，良好的生物相容性和拉伸性能。研究发现，海藻酸钠分子中存在大量的-COONa和-OH活性基团，可与细菌细胞膜上的蛋白质复合物和脂类发生反应，改变细菌细胞膜的通透性，使细菌不能正常代谢，因而具有一定的抑菌活性。此外，海藻酸钠膜对气体的选择透过性，可以限制膜外氧气的透过，从而获得良好的保鲜效果[6]。

鉴于此，本文以鱼明胶和海藻酸钠两种生物大分子为基质，以甘油为增塑剂，经流延法加工成膜。考察不同海藻酸钠-鱼明胶配比条件下，复合膜的隔水性、水溶性、含水量、机械性能、抗菌能力及保鲜效果等，以期获得较理想的海藻酸钠-鱼明胶复合可食膜成膜条件，为后续研究提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

鱼明胶（500 g/250 BL-60），嘉吉亚太食品系统（北京）有限公司；金黄色葡萄球菌[CMCC（B）26003]、大肠埃希氏菌[ATCC25922]，上海鲁微科技有限公司。

海藻酸钠，郑州鸿瑞食品有限公司；甘油，天津市河东区红岩试剂厂；溴化钠，天津市博迪化工有限公司；无水氯化钙，天津市巴斯夫化工有限公司；甘油、溴化钠、无水氯化钙均为分析纯级。

1.2 仪器与设备

B-260恒温水浴锅，上海亚荣生化仪器厂；RH-KT/C磁力搅拌器，艾卡（广州）仪器设备有限公司；EMS-12磁力搅拌器，天津欧诺仪器仪表有限公司；YP601N电子天平，上海精密科学仪器有限公司；CP224C电子天平，奥豪斯仪器（上海）有限公司；DHG-9140A电热恒温鼓风干燥箱，上海精宏实验设备有限公司；KQ-300B超声波清洗器，江苏省昆山市超声仪器有限公司；NR110精密色差仪，深圳市三恩驰科技有限公司；211-101数显千分尺，东莞市景有模具五金有限公司；LDZM-60KCS-Ⅱ立式压力蒸汽灭菌器，上海申安医疗器械厂；FLC-3超净工作台，哈尔滨市东联公司；GI7-2恒温培养箱，美国SHELLAB制造股份有限公司；SHB-ⅢG台式循环水式多用真空泵，郑州科工贸有限公司；T6新世纪型紫外可见分光光度计，北京普析通用仪器有限责任公司；60D佳能单反相机+50mm F1.8定焦镜头。

1.3 试验方法

1.3.1 膜的制备 称量一定质量的海藻酸钠和鱼明胶溶于50mL去离子水中，海藻酸钠和鱼明胶配比如表1所示。磁力搅拌4～6 h至样品充分溶解后加入甘油（质量分数3%），继续搅拌10min。将混合好的样品置于70℃水浴锅中加热40min（期间不断搅拌），取出后立即放入超声水浴锅中脱气30min。取10 g脱气后的溶液倒入直径为90mm的塑料培养皿中，放入烘箱中（50℃）干燥6 h。将制备好的可食膜放入盛有饱和KBr溶液的干燥皿（RH 60%，室温）中保存，24 h后测定各项膜性能[7-8]。

表1 海藻酸钠-鱼明胶复合可食膜基质添加量Table1 Concentration of sodium alginate and fish gelatin in the composite edible film

1.3.2 复合膜厚度的测定 将可食膜小心地从培养皿中揭下，取中间部位剪出10mm×10mm的正方形。用千分尺测定4个顶点及中心点的厚度，计算平均值，计为该膜的厚度。

1.3.3 复合膜水蒸气透过率的测定 在口径10 mm的玻璃瓶中加入4 g无水氯化钙，取略大于瓶口无破损的复合可食膜，附于瓶口，用凡士林粘合。称重后置于干燥皿中回软，干燥皿内部RH 60%，在20℃环境下保持平衡，4 d后称量质量，每个试样做3组平行[9]。计算水蒸气透过率的公式：

式中，WVP——水分透过率，gm-1d-1MPa-1；Δm——玻璃瓶质量增加量，g；d——膜的厚度，m；A——膜的有效透湿面积，m2；t——透湿时间，d；ΔP——膜两侧水蒸气压力差，MPa。

1.3.4 复合膜溶解率的测定 称量1 g左右膜样品，浸没于100mL去离子水中溶解24 h，用滤纸过滤后，将滤纸置于玻璃培养皿内，在50℃烘箱中干燥6 h至恒重，称得滤纸质量。计算膜的溶解率Q的公式为：

式中，m0——过滤前滤纸质量，g；m1——膜样品质量，g；m2——干燥后滤纸质量，g。

1.3.5 复合膜含水量的测定 称量1 g左右膜样，将其放入一干燥至恒重的铝盒中，称重后在105℃下干燥至恒重，再称重。计算膜含水率H的公式为：

式中，m1——膜样品质量，g；m2——干燥前铝盒及膜样品质量，g；m3——干燥后铝盒及膜样品质量，g。

1.3.6 复合膜外观及色差分析 将样品剪成10 mm×10 mm的正方形，放到白色A4纸上观察其颜色。随后置于一张印满字母“A”的A4纸上，拍照比较其透明度。具体数值用色彩色差计进行测量。色差计算公式为：

1.3.7 复合膜抗拉强度测试 将样品剪裁成40 mm×10mm大小，用质构仪测定样品抗拉强度，设置拉伸速度为5mm/s，模式为拉断模式。

1.3.8 复合膜抗菌性比较 选择大肠杆菌（ATCC25922）和金黄色葡萄球菌[CMCC（B）26003]为代表，将菌种在LB培养基上均匀涂布，将直径为5mm的圆形膜样品置于培养基上，在37°C环境下培养大肠杆菌12 h，培养金黄色葡萄球菌18 h。观察抑菌情况。

试验发现，当膜样品直接接触培养基时会吸水皱缩，影响试验结果。为此，倒膜时在模具中放置一张滤纸，与膜液一起干燥。

1.3.9 复合膜实际保鲜效果测定 取苹果中间部位果肉将其切成20mm×20mm×15mm的立方体，称重后用膜样品完全包被，选无膜包被及塑料保鲜膜包被的苹果作为对照，置于敞口培养皿中，室温下放置8 h后称重，用失重率表示膜的保鲜效果。失重率计算公式为：

式中，R——失重率，%；m1——苹果的初始重量，g；m2——贮存一定时间后的质量，g。

1.4 数据处理

若无特殊说明，试验中每个样品设置3组平行，每个指标平行测定3次，数据用Microsoft Excel 2010处理，使用Origin 9.0作图。

2 结果与分析

2.1 海藻酸钠-鱼明胶配比对复合膜水蒸气透过率的影响

水蒸气透过率是衡量可食膜阻水性的一个重要指标。其数值越小，说明水蒸气越不易透过，复合膜阻隔水的性能越好，防潮防腐效果亦越好，越有利于延长食品的货架期[10]。

不同复合膜基质配比的水蒸气透过性如图1所示，除样品4外，复合膜的水蒸气透过率相较于单一的海藻酸钠膜和鱼明胶膜均有所减小，且随着海藻酸钠浓度的增加，隔水性不断增强，复合膜中样品4的WVP最高，为7.35 gm-1d-1MPa-1，当海藻酸钠-鱼明胶的质量比例为1∶1时，水蒸气透过率最小，为2.80 gm-1d-1MPa-1。

复合膜的WVP随着海藻酸钠的增加大致呈下降趋势。分析其原因可能是：（1）海藻酸钠是一种酸性阴离子多糖，在水溶液中呈电负性，而鱼明胶在水溶液中带正电性，随着海藻酸钠浓度的增加，海藻酸钠与鱼明胶分子形成静电复合物，使膜分子间紧密排列，网络结构更加致密，改善了薄膜对水蒸气的阻隔性[11]。（2）相较复合膜来说，单一膜的分子间隔较大，网络结构单一，水分子则较容易透过。单一海藻酸钠膜的隔水性最差，推测原因可能是由于海藻酸钠本身含有大量亲水基团，容易吸水导致[12-13]。

2.2 海藻酸钠-鱼明胶配比对复合膜溶解性的影响

如图2所示为不同可食膜的溶解率，可以看出海藻酸钠单一膜在水中的溶解率最大为93.59%，而鱼明胶单一膜的溶解率最小为45.24%。复合膜的溶解率在60%～70%之间，且其溶解性随海藻酸钠配比增加而增大，其中样品6的溶解率最大为73.92%。

呈现这一趋势的原因有两方面：（1）海藻酸钠中含大量-COOH（Na）和-OH，可与水形成氢键，在海藻酸钠分子表面形成一层水化膜，是良好的亲水胶体；（2）随着海藻酸钠浓度的增加，与鱼明胶之间形成的静电复合物增加，海藻酸钠分子链伸展，暴露出更多亲水基团。因此随着海藻酸钠比例的增加，复合膜溶解性随之增加。

图1 海藻酸钠-鱼明胶配比对复合膜水蒸气透过率的影响Fig.1 Effect of sodium alginate-fish gelatin ratio on WVP of composite films

图2 海藻酸钠-鱼明胶配比对复合膜溶解性的影响Fig.2 Effect of sodium alginate-fish gelatin ratio on the solubility of composite films

2.3 海藻酸钠-鱼明胶配比对复合膜含水率的影响

含水量可以反映可食膜样品保持水分的能力。由图3可以看出海藻酸钠单一膜的含水率最高，为25.80%，鱼明胶单一膜的含水率最低，为14.75%。而鱼明胶-海藻酸钠复合膜的含水率随配比改变的变化不显著，含水率在15%～19%之间。一般在常温下保存干燥食品时，较低的含水量对食品长期保存比较有利[14]。从这个角度来看，样品5和样品6是最好的食品包装材料。而对于水果、水产品、肉类等水分含量较高的鲜食食品，则需要保持一定的水分含量。

图3 海藻酸钠-鱼明胶配比对复合膜含水率的影响Fig.3 Effect of sodium alginate-fish gelatin ratio on the moisture content of composite films

2.4 海藻酸钠-鱼明胶配比对复合膜外观及色差值的影响

据肉眼观察，鱼明胶单一膜呈无色透明状，表面较光滑；海藻酸钠单一膜呈淡黄色透明状，表面略微有颗粒状突起，并有极细小气泡混杂在膜中，可能由于其溶液黏度较大所致。随海藻酸钠配比增加，复合膜的颜色由无色透明逐渐变为浅淡鹅黄色。

由于复合膜膜液的黏度随海藻酸钠配比增加而不断提高，搅拌过程产生的气泡随之增多。脱气后仍有一些极细小的气泡，成膜后混杂在膜中，使膜表面变得粗糙。总体来看，透过各个样品观察背景字母都比较清晰，透明度均较良好（图4）。

表2所示为不同样品的色差值。以样品1为对照计算色差值ΔE*ab，可见ΔE*ab随着复合膜中海藻酸钠比例的增加呈上升趋势，表明复合膜样品的颜色随海藻酸钠比例的增加逐渐加深，样品6的ΔE*ab最高为6.53，即与样品1呈现出肉眼可见的差别。这可能是因为在加热搅拌过程中，鱼明胶与海藻酸钠发生了缓慢的美拉德反应，而在该比例（1∶1）下，反应发生的速率最快，生成的褐色物质最多，因而可食膜的颜色最深。另外，海藻酸钠单一膜的L*值最高，复合膜样品中随着海藻酸钠比例的增加，a*和b*均呈增加趋势，因此出现图4中膜逐渐偏黄色的变化。

表2 海藻酸钠-鱼明胶配比对复合膜色差值的影响Table2 Effect of sodium alginate-fish gelatin ratio on the chromatism of composite films

图4 海藻酸钠-鱼明胶配比复合膜外观的影响Fig.4 Effect of sodium alginate-fish gelatin ratioon the appearance of composite films

2.5 海藻酸钠-鱼明胶配比对复合膜机械性能的影响

抗拉强度（TS）是描述膜机械性能的参数，代表外力拉扯下膜断裂的难易程度，高TS的膜更有利于保持其在实际应用过程中的完整性[15]。单一膜样品1和样品7比较，样品1的抗拉强度大于样品7，分析其原因可能是：（1）样品7的基质浓度低于样品1的基质浓度；（2）海藻酸钠成膜的韧性较鱼明胶差，所以样品7的抗拉强度最小，为173.50 g·f。随海藻酸钠配比的增加，抗拉强度呈下降趋势，样品2的抗拉强度最大，为458.00 g·f。可能由于样品2中鱼明胶含量较高，蛋白之间相互作用较强，从而使复合膜的机械性能得到提高[16]。当海藻酸钠配比继续增加时，样品6的抗拉强度增大至397.00 g·f。海藻酸钠是线性多糖，其分子与鱼明胶分子发生作用，随着海藻酸钠比例的提高，复合膜两基质之间形成稳定的网络结构，网络结构越紧密，其所能承受的形变程度越高，即抗拉强度会随之提高[17]。此外，样品2的抗拉强度较鱼明胶单一膜增加了14.5%，且所有复合膜样品的强度都在300 g·f以上，均可用作干果或调味品等食品的内包装[7]。

2.6 海藻酸钠-鱼明胶配比对复合膜抗菌性的影响

金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和大肠杆菌（Escherichia coli）是两种常见的微生物。人体食用受这两种细菌污染的食物后，会产生食物中毒现象。我国各种食品安全标准都严格限制这两种微生物在食品中的数量。

试验发现所有样品在布满大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的培养基上都没有出现抑菌圈，而样品膜覆盖下的培养基也没有出现菌落。可见鱼明胶和海藻酸钠的单一与复合膜均具有抑菌效果，与之前研究一致[10]。

2.7 海藻酸钠-鱼明胶配比对复合膜保鲜效果的影响

实际保鲜效果是衡量复合可食膜应用性的重要指标之一，苹果作为日常食用的水果之一，可作为判断复合膜的保鲜效果的样品。为方便对照，另外设置空白和保鲜膜覆盖两组试验。

由图6可以发现，苹果样品的失重率与海藻酸钠的配比之间并无明显规律。由于苹果表面水分较多，而膜样品吸水后，膜的结构发生变化。膜吸水后分子之间的空隙变大，使膜出现褶皱，并使其隔水、隔氧能力下降，因此苹果的失重情况比较严重，然而均优于空白对照组，且褐变情况改善明显。此外，可食膜对苹果的水分散失抑制情况尚远不如保鲜膜。

3 结论

本文对海藻酸钠-鱼明胶复合可食膜的特性进行研究，结果表明：

1）海藻酸钠-鱼明胶复合可食膜的水气透过率、溶解性、含水量、抗拉强度和外观特征与鱼明胶和海藻酸钠的浓度比例密切相关。

图5 海藻酸钠-鱼明胶配比对抗拉强度的影响Fig.5 Effect of sodium alginate-fish gelatin ratio on the tensile strength of composite films

图6 海藻酸钠-鱼明胶配比对失重率的影响Fig.6 Effect of sodium alginate-fish gelatin ratio on the weight-loss ratio of composite films

2）随着海藻酸钠浓度的增加，膜的隔水性、溶解性增强，含水量减小，随着鱼明胶浓度的增加，拉伸强度显著增加，不同比例的复合膜均有抗菌能力。在对苹果的保鲜试验中发现，复合膜对表面潮湿的食品保藏效果不理想。

3）与单一膜相比，通过复合，可食膜的各项性质较单一膜均有优化。

4）从持水能力、抗拉强度及外观构象来看，质量浓度为5 g/L海藻酸钠+45 g/L鱼明胶的复合膜性能最优；从隔水性来看，各个配比的复合膜相差不大，均具有较强的隔水性，其中以质量浓度为25 g/L海藻酸钠+25 g/L鱼明胶的复合膜最优。综合比较，质量浓度5 g/L海藻酸钠+45 g/L鱼明胶是最佳的复合膜配比，其抗拉强度为397.00 g·f，水蒸气透过率为2.80 gm-1d-1MPa-1，含水率为16.00%，溶解率为73.92%，比较适宜干燥食品的保存。