黄原胶对壳聚糖精油复合膜的性能及精油释放的影响

连 欢,石晶盈,彭 勇

(山东农业大学食品科学与工程学院,山东泰安 271018)

活性包装是目前国内外食品包装领域的研究热点之一,它是将抗菌、抗氧化的活性成分或保鲜剂活性成分等加入到包装材料中,制备得到具有特殊功能的包装材料,通过活性成分的挥发、吸附等方式,延长食品的货架期[1]。壳聚糖作为一种带正电荷氨基的多糖,具有良好的成膜性、抑菌性和生物可降解性,是一种优良的可食性全降解包装原料[2]。为了改善壳聚糖基膜的性能,通常采用蛋白质、纤维素、淀粉、明胶和植物胶等多种可生物降解材料进行复合,制备复合膜[3-4]。黄原胶是一种由黄单胞杆菌发酵产生的细胞外酸性杂多糖,由于它的大分子的特殊结构和胶体特性,可作为乳化剂、稳定剂、成膜剂等。研究发现,带负电荷的黄原胶,可与带正电荷的壳聚糖通过聚电解质络合作用形成共凝胶,生成物具有特殊的物理和化学性质,使得分子链间的作用力更强[5]。但这两种多糖之间的强相互作用是否影响活性成分从复合膜中的释放仍不清楚。

为了提高包装薄膜的抗菌活性,植物精油因其安全性和较强的抗菌活性而被认为是活性包装的最佳选择[6-8]。但植物精油不稳定,易从膜基质中挥发。研究表明,将精油添加到壳聚糖中,由于壳聚糖成膜溶液的正电荷和粘滞效应,有助于提高精油在膜中的稳定性[9]。并且,精油种类和浓度、均质条件、乳化剂等因素也会影响植物精油在膜中的保留及挥发释放。近年来,不同种类精油在壳聚糖膜中的保留和释放一直是研究的热点之一,柠檬精油、肉桂精油、百里香精油等均会提高复合膜的抗菌抗氧化能力,改善壳聚糖膜的性能[9-10]。相比于非糖类物质,由于结构的相似性,多糖类物质更容易与壳聚糖结合,形成均匀紧凑的膜结构。Maria等[20]报道了壳聚糖和黄原胶中存在电荷相互作用,可以提高膜的拉伸强度。然而,壳聚糖膜中添加黄原胶是否会对复合膜中植物精油的保留和释放产生影响,其具体的释放规律仍不清楚。并且,利用黄原胶与壳聚糖之间的静电相互作用是否有可能改善精油和壳聚糖之间的相容性,提高复合膜的物理性能,也需要深入探究。

本研究的目的是以壳聚糖为基材,通过添加不同配比的黄原胶于壳聚糖精油复合膜中,分析黄原胶对复合膜的物理性能和结构的影响,以及在不同食品模拟物中研究黄原胶对复合膜中精油保留和释放的影响,以期为控释型活性包装材料的开发提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

壳聚糖(脱乙酰度:90%)、黄原胶 上海源叶生物科技有限公司提供;百里香精油(萜烯类:47.58%,酚类:30.09%,醇类2.82%,其他:19.51%) 广州文玲贸易有限公司;冰醋酸、无水氯化钙、95%乙醇、丙三醇 天津凯通化学试剂有限公司;吐温80 天津市永大化学试剂有限公司;1%冰醋酸溶液的配制:1.5 mL冰醋酸和148.5 mL的蒸馏水混合。

78-1磁力加热搅拌器 常州国华电器有限公司;T18高速均质分散机 德国IKA公司;SHB-III循环水式多用真空泵 郑州长城科工有限公司;WSC-S色差计 上海精密科学仪器有限公司;UV-5100B紫外可见分光光度计 上海元析仪器有限公司;JSM-6610扫描电子显微镜 日本电子株式会社;螺旋测微器 南京苏测计量仪器有限公司;XLW智能电子拉力试验机 中国济南兰光仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 复合膜的制备 壳聚糖和黄原胶的总质量浓度为1.8%(w/v)。将壳聚糖粉末溶于150 mL冰醋酸溶液(1%,v/v)中,室温下用磁力搅拌器搅拌4 h,得到壳聚糖溶液。将一定量的黄原胶粉缓慢加入150 mL蒸馏水中,在磁力搅拌器上搅拌12 h,使其完全溶解。将两者混合后,加入20%(w/w)甘油,搅拌0.5 h,将百里香精油(1%,w/v)和吐温80(0.1%,w/v)混合均匀,然后倒入膜溶液中搅拌。使用均质机在12000 r/min条件下均质5 min,之后,真空泵脱气30 min以去除气泡。最后,将200 mL薄膜溶液倒入玻璃板(25 cm×25 cm×1 cm)上,室温干燥后,在25 ℃和50%湿度下条件下至少放置48 h后,测定膜性能指标。

壳聚糖和黄原胶设定6种不同质量比配方:1∶0(壳聚糖∶黄原胶,w/w,命名为c1xg0)、9∶1(c9xg1)、8∶2(c8xg2)、7∶3(c7xg3)、6∶4(c6xg4)和5∶5(c5xg5)。

1.2.2 膜厚度的测定 选择干燥、平整、质地均匀的膜,用精度为0.001 mm的螺旋测微器在膜上随机测定6个点,计算膜的平均厚度。

1.2.3 膜的颜色的测定 参照CIE LAB表色系统来表示颜色,用色差仪来进行测定。白板作为色差测定参比,每组膜做6次重复,分别记录膜的L*、a*、b*值。

1.2.4 膜的含水率(MC)、膨胀程度(SD)和水溶性(WS)的测定 参考Homez-Jara等[11]的测定方法,挑选干燥、平整、质地均匀的薄膜,切成20 mm×20 mm的正方形,称重记为m1。将其放入105 ℃的烘箱中,24 h后取出,放入干燥器中冷却后称重,得到干膜重m2。再将膜放到30 mL蒸馏水中,室温下放置24 h后,取出,擦干膜表面的水分,称重得到m3。再放入烘箱内干燥24 h,得到膜最终的质量m4。每组膜测定3次。

1.2.5 膜的水蒸气透过率的测定 参照GB/T 1037-1988《塑料薄膜和片材透水蒸汽性试验方法》[12],采用杯式法并稍做改进。将薄膜切割成60 mm×60 mm,在小测试杯中加入粒径约为2 mm的无水氯化钙,保证氯化钙与杯口的距离小于6 mm,将膜片固定在杯口。称重(M1)后放入装有饱和氯化钠溶液(25 ℃、75%的相对湿度)的干燥器中,每隔24 h取出称重一次,至前后两次测定质量变化小于0.001 g,得到最终的质量(M2)。每组处理做三次重复。

式中:M2-M1表示膜吸收水分的质量,g;L表示膜厚度,mm;A表示膜的有效测定面积,m2;t表示时间间隔,h;ΔP表示膜两侧水分蒸气压,Pa。

1.2.6 力学性能测定 根据ASTM D 882-2012塑料薄板拉伸性能测定方法[13],采用XLW智能电子拉力试验机测定了薄膜样品(15 mm×150 mm)的拉伸强度(TS)和断裂伸长(EAB)的拉伸性能。试验速度为100 mm/min,初始距离为100 mm。每组处理重复6次。

1.2.7 精油向模拟物中释放 根据Sánchez-González等[4]描述的方法进行精油在模拟物中的迁移研究。采用三种标准食品模拟物:(i)蒸馏水;(ii)50%(v/v)乙醇作为水包油乳状液和含酒精食品的模拟物;(iii)95%(v/v)乙醇作为脂肪食品模拟物。在室温下,将薄膜样品(20 mm×20 mm)浸入含有50 mL食品模拟物的离心管中,每隔一段时间,用移液管吸取1 mL浸泡液加入含有2 mL蒸馏水的离心管中,每次测量后,再次向浸泡液中补充蒸馏水至指定刻度。用紫外分光光度计在276 nm处测定吸光度。以精油占初始量的百分比计算精油的损失量,绘制精油的释放曲线。

1.2.8 抗氧化性测定 根据Siripatrawan等[14]描述的方法测定DPPH,并略有修改。在10 mL甲醇中加入薄膜(20 mm×20 mm),在25 ℃下保存30 min。随后,将400 μL样品溶液与4 mL DPPH溶液(0.025 g/L,甲醇)混合。在黑暗中储存20 min后,在517 nm处测量提取物的吸光度。DPPH自由基清除率(I)计算如下:

式中:Af为样品的吸光值;Ab为空白的吸光值。

1.2.9 膜的微观结构 用扫描电镜观察膜的内部结构,试验前薄膜尽可能干燥,并在液氮中冻裂。然后将样品切成长方形(1 mm×6 mm),贴在金属板上,真空条件下进行离子喷涂。用扫描电子显微镜在30 KV电压下观察了薄膜样品的表面和横截面形貌,放大倍数1000。

1.3 数据处理

试验最少重复3次,所有数据用Microsoft Excel 2010和Sigma Plot 10.0处理并作图,用SPSS 24.0软件Duncan法对多组样本间差异显著性(P<0.05)分析。

2 结果与分析

2.1 黄原胶对壳聚糖精油复合膜厚度和颜色的影响

由表1可知,从膜的厚度来看,对照膜的厚度最小,其值为0.096 mm,添加黄原胶增加了膜的厚度。壳聚糖与黄原胶之间的质量比为9∶1、8∶2以及7∶3时,厚度之间没有显著差异(P>0.05)。然而当壳聚糖与黄原胶之间的质量比为6∶4和5∶5时,膜的厚度相对减少,原因可能是壳聚糖基质中的较多的黄原胶颗粒阻碍了精油分子间的疏水作用,导致薄膜厚度降低[15]。

表1 黄原胶对壳聚糖精油复合膜厚度和颜色的影响Table 1 Effects of xanthan gum on thickness and color of chitosan-essential oil composite films

如表1所示,纯壳聚糖膜L*值为88.68,a*值为-0.98,b*值为16.97,透明稍带黄色,这主要受添加的精油的类型和浓度的影响[16]。随着黄原胶所占比例的增加,膜的L*值逐渐增加,而b*值先增加后降低,这可能由于黄原胶和壳聚糖本身的颜色造成的[17]。

2.2 黄原胶对壳聚糖精油复合膜含水率、膨胀程度、水溶性以及水蒸气透过性的影响

表2显示了薄膜的含水率、膨胀程度、水溶性以及水蒸气透过性。如表2所示,对照膜的含水率最高,其值为22.69%,添加黄原胶使膜的含水率降低,随着黄原胶比例的增加,膜的含水率变化不大,至黄原胶添加量5∶5时,含水率显著低于其他处理(P<0.05)。添加黄原胶导致膜含水率的下降主要由于黄原胶和壳聚糖之间的相互作用,破坏了壳聚糖膜基质中的氢键,氢键作用越弱,水分附着能力越差,含水量越低[18]。

表2 黄原胶对壳聚糖精油复合膜含水率、膨胀程度、水溶性和WVP的影响Table 2 Effects of xanthan gum on moisture content,swelling degree,water solubilityand water vapor permeability of chitosan-essential oil composite films

溶解度和膨胀程度是评价膜性能的两个重要参数,它能反映膜的亲水性能。薄膜的溶解性和膨胀性与水的扩散、氨基或羧基的离子化以及聚合物的松弛有关[19]。如表2所示,对照膜的膨胀程度最大,随着黄原胶含量的增加,膜的膨胀程度逐渐降低,说明壳聚糖与黄原胶之间结合越来越紧密,作用力越来越强。对照膜在浸水24 h后有着较低的水溶性,其值为24.52%,随着黄原胶含量的增加,膜的水溶性逐渐提高。表明黄原胶的亲水性高于壳聚糖,黄原胶促进了膜的溶解,这与Maria表明黄原胶亲水性高于壳聚糖的结果是一致的[20]。

从表2可以看出,纯壳聚糖的WVP最低,其值为1.53×10-10g/(m·s·Pa),添加黄原胶使膜的水蒸气透过性提高。壳聚糖与黄原胶之间的质量比为5∶5时,膜的WVP最高,相对于对照膜增加了64.71%,但是c9xg1、c8xg2、c7xg3以及c6xg4这4个处理之间无显著差异(P>0.05)。黄原胶的亲水性可能是导致膜的水蒸气透过率增加的主要原因,并且,壳聚糖分子间的氢键作用强于壳聚糖与黄原胶的静电作用,导致微观相分离,也影响水蒸气的透过[21]。

2.3 黄原胶对壳聚糖精油复合膜力学性能的影响

图1显示了添加黄原胶对复合膜抗拉强度的影响,对照膜的抗拉强度为22.65 MPa,当添加量为1∶1时,c5xg5的抗拉强度比对照膜降低了19.25%,但各处理之间无显著差异性(P>0.05)。所有处理中对照膜的断裂伸长率最大,其值为29.28%,随着黄原胶添加量的增加,复合膜的断裂伸长率显著降低。膜的机械性能受其结晶结构和分子间的氢键作用力等诸多因素的影响[22]。黄原胶对薄膜力学性能的影响可能是由于成膜组分间强静电相互作用所致,生物高聚物之间的这些相互作用降低了大分子的迁移率,避免了分子链的滑动,从而降低了膜的断裂伸长率[20]。

图1 黄原胶对壳聚糖精油复合膜抗拉强度和断裂伸长率的影响Fig.1 Effects of xanthan gum on tensile strength andelongation at break of chitosan-essential oil composite films注:不同小写字母表示差异显著性(P<0.05);图3同。

2.4 精油向模拟物中释放结果

为了确定抗菌活性物质从膜中到食品中的迁移,通常采用食品表面模拟物来代替真实的食品表面条件。如图2所示,在95%乙醇中精油释放速率最慢,需要200 min才能达到最大释放量,而50%乙醇和蒸馏水中的精油释放速度非常快,达到最大释放量仅需要20 min。Lee等[15]的研究中也发现了相似的结果,壳聚糖-纳米黏土膜中丁香精油的最快释放出现在50%乙醇模拟物中,比10%和95%乙醇的释放快3倍,其将这一现象归因于精油的溶解性和薄膜的膨胀性。然而,这一结果和Sanchez-Gonzalez等[4]的研究结果相反,他们发现越高的乙醇浓度,极性越低,活性物质从膜中释放速率越慢。因此,释放似乎是一个复杂的过程,可能与和膜的膨胀程度和水溶性、溶液的极性以及精油的类型均有关。

图2 复合膜中精油在三种不同食品模拟物中的释放情况Fig.2 Release of essential oil from composite filmsin three different food simulants注:A表示95%乙醇,B表示50%乙醇,C表示蒸馏水。

从不同处理来看,由图2A可知,对照膜中精油释放速率最慢,添加黄原胶的壳聚糖复合膜释放速率增加,c8xg2释放速率最快,随着黄原胶含量的增加,精油的释放速率逐渐降低,但是仍高于对照膜。从图2B可以看出,50%乙醇条件下精油释放非常快,各处理间差异不显著,这可能与膜的水溶性较高有关。由图2C可以看出,对于c5xg5而言,精油的释放速率最快,对照膜精油释放速率最慢,这与95%乙醇条件下的情况略有不同,表明不但溶剂类型会影响精油的释放,而且黄原胶所占比例也影响膜中精油的释放。

聚合物基质中活性成分的释放取决于几个因素:薄膜结构和组成、氢键、溶剂类型和处理时间[4,23]。在释放的初始阶段,水分子逐渐进入膜基质,导致膜的膨胀和溶解,精油从膜向外逐渐释放。随着时间的延长,膜结构变得越来越松散,膜基质间的主要作用力被破坏,导致精油释放量急剧增加。

2.5 黄原胶对壳聚糖精油复合膜抗氧化性的影响

壳聚糖精油复合膜的抗氧化性主要与百里香精油中的主要萜烯类和酚类成分有关。如图3所示,对照膜的抗氧化性为93.06%,c5xg5膜的抗氧化性相对于对照膜降低,其他处理之间差异性不显著(P>0.05)。c5xg5膜中壳聚糖与黄原胶的作用力较弱,束缚了较少的精油,从而导致了较低的抗氧化能力。

图3 黄原胶对壳聚糖精油复合膜抗氧化性的影响Fig.3 Effects of xanthan gum on antioxidant activity ofchitosan-essential oil composite films

2.6 扫描电镜结果

图4显示了c1xg0和c7xg3复合膜的表面和横截面的扫描电子显微镜(SEM)图像以及膜的外观图片。加入黄原胶的复合膜(c)相对于对照组(C)而言,膜的颜色变白、亮度增加,具有凸起的线条状表面。干燥后,薄膜的微观结构主要与薄膜中不同成分的排列有关[24]。对照膜和c7xg3膜的平面出现空洞,有精油挥发的痕迹。横截面形态显示了内部结构,c1xg0膜中精油分布均匀,c7xg3的截面存在较大的颗粒,形成不连续的结构特征,可能是与黄原胶多糖的线性结构有关。膜的内部结构与精油的释放速率和WVP相对应,与黄原胶和壳聚糖的相互作用有关。

图4 膜的电镜扫描图与照片Fig.4 Electron microscope scans and photos of membranes注:A与a分别代表c1xg0膜扫描电镜表面和横截面;B与b分别代表c7xg3膜扫描电镜表面图像和横截面;C与c分别代表c1xg0和c7xg3膜的图像。

3 结论

精油从多糖复合膜中的释放涉及到很多因素,例如膜的膨胀程度、溶解性、精油类型及溶剂类型。本文发现在亲水性多糖膜中,精油在不同食品模拟物中的释放主要取决于薄膜的溶解性和溶剂类型。在蒸馏水和乙醇溶液中,百里香精油从壳聚糖复合膜中的释放特性是不同的,其中,在50%的乙醇溶液中释放速率最快。黄原胶的加入造成了复合膜较低的含水率和膨胀程度,但使复合膜的水溶性和水蒸气透过率上升,促进了复合膜中精油向溶剂中的释放。添加不同质量的黄原胶到壳聚糖-百里香精油复合膜中,对复合膜的性能和结构都产生了一定的影响,但这种影响存在不稳定性,黄原胶与壳聚糖、精油等之间的作用机理仍是不清楚的,需要进行进一步研究。并且,精油复合膜抗菌效应及在食品中的应用也需要深入研究。本研究为人们研究壳聚糖基多糖材料性能和结构及其在活性包装和控释方面的应用提供了参考。