普鲁兰多糖/羧甲基壳聚糖复合膜的制备及其对罗氏沼虾的保鲜效果

陈露珠，李念，裴诺，施文正,2，汪之和,2,3*

1(上海海洋大学 食品学院，上海，201306)2(国家淡水水产品加工技术研发分中心(上海)，上海，201306) 3(上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心，上海，201306)

羧甲基壳聚糖(carboxymethyl chitosan，CMC)具有较好的安全性、成膜性、生物相容性、生物降解性和抗菌活性等特性，是一种较好的聚合物基质[1]。为了增强CMC保鲜膜的机械强度和保鲜性能，目前关于CMC与其他成分复配制备复合膜已成为国内外研究的热点。ZIMET等[2]在CMC的膜液中加入乳酸链球菌素，所制成复合膜的理化性能和抗菌性能均得到提升。谭福能等[3]采用CMC/海藻酸钠/纳米二氧化硅复合涂膜保鲜草莓，使草莓水分有效保留并可降低其代谢。

普鲁兰多糖是出芽短梗霉利用糖发酵产生的胞外多糖，又名茁霉多糖[4-5]。普鲁兰多糖具有良好的成膜性、生物相容性以及降解性，最主要的特点是其膜透气性要低于其他的高分子合成材料。近年来其涂膜已广泛应用于食品保鲜[6-9]。胡云峰等[10]研究了普鲁兰多糖对鸡蛋保鲜效果的影响，发现普鲁兰多糖水溶液能较好地在鸡蛋表面形成涂膜层，阻止微生物进入和空气接触，减少失重，延长鸡蛋的货架期。有研究证实普鲁兰多糖在水产品中的保鲜应用也有良好的效果，用普鲁兰多糖保鲜白虾可将保鲜期延长至8～9 d[11]。因此将普鲁兰多糖和CMC进行复配，可以制备出一种可食用、环保、性能优良的多糖复合保鲜膜。

本研究将普鲁兰多糖添加至CMC中，研究不同添加量的普鲁兰多糖对复合膜的理化性能和结构的影响,并用制备的复合膜液对罗氏沼虾进行涂膜保鲜，在(4±1) ℃条件下贮藏，对罗氏沼虾进行感官评价、挥发性盐基氮(total volatile base nitrogen，TVB-N)、pH值、硫代巴比妥酸(thiobarbituric acid，TBA)值和菌落总数的测定，以研究复合膜对罗氏沼虾的保鲜效果。本文可为CMC和普鲁兰多糖复配膜的进一步研究及其在食品中的开发利用提供一定的理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

CMC(取代度≥0.95)，实验室自制；普鲁兰多糖(食品级)，浙江一诺生物科技有限公司；2-TBA、三氯乙酸、氢氧化钾、硼酸、甲基红指示剂、溴甲酚绿指示剂、氧化镁(轻质)，皆为分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

新鲜罗氏沼虾，购于上海市浦东新区南汇新城镇水产品店，30 min内运至实验室。

1.2 仪器与设备

PHS-3CpH计，上海仪电科学仪器股份有限公司；H2050R高速冷冻离心机，长沙湘仪有限公司；UV-2450紫外分光光度计，日本岛津公司；Kjeltec2300全自动凯氏定氮仪，丹麦FOSS公司；XLW(EC)型智能电子拉力试验机，济南兰光机电技术有限公司；JB-1A型磁力搅拌器，上海精密科学仪器有限公司；DZF-6050型真空干燥箱，上海慧泰仪器制造有限公司；Hitachi S-3400 N扫描电子显微镜，日本日立公司。

1.3 试验方法

1.3.1 南极磷虾CMC的制备

将南极磷虾壳粉与5%(质量分数)HCl以1∶10(料液比，下同)比例充分混合，在室温下反应1 h后用蒸馏水洗涤至中性，然后按1∶10比例加入4%(质量分数)NaOH溶液，在100 ℃下反应1 h后用蒸馏水洗涤至中性，再按1∶10的比例加入45% NaOH溶液，150 ℃条件下处理5 h后用蒸馏水洗涤至中性并放置真空干燥箱(60 ℃)烘干，即得到南极磷虾壳聚糖。以上步南极磷虾壳聚糖质量为准，加入异丙醇(料液比1∶12)溶胀1 h，按1∶10比例加入40%NaOH溶液，于30 ℃下搅拌1 h，然后再按1∶10比例加入50%(体积分数)氯乙酸-异丙醇溶液，微波处理(微波功率540 W)25 min后，再按1∶10比例加入40%NaOH溶液，在50 ℃ 条件下反应1 h后用盐酸溶液调pH值至7.0。离心(10 000 r/min)5 min后取上清液并加入无水乙醇静置30 min，使CMC完全沉淀析出，最后用甲醇多次洗涤后放置真空干燥箱(60 ℃)烘干，即得到南极磷虾CMC，取代度为0.95。

1.3.2 普鲁兰多糖-CMC(pullulan CMC，CP)复合膜的制备

在25 ℃下完全溶解CMC后，加入不同浓度的普鲁兰多糖搅拌至完全溶解；将混合膜液超声20 min去除气泡；利用流延法将超声后的混合膜液(40 mL)在成膜板(17 cm×17 cm×2 cm)上于真空干燥箱中干燥成膜(50 ℃，24 h)，所成膜保存于恒温恒湿(25 ℃，53%)的干燥器中稳定48 h，等待检测。每种类型的薄膜至少制备3片膜。具体见表1。

表1 复合膜中普鲁兰多糖和CMC的添加量及其命名Table 1 The dosage of pullulan polysaccharide and CMC in composite membrane and its naming

1.3.3 拉伸强度与断裂伸长率

根据VUDDANDA等[12]的方法并稍作修改，将膜裁成150 mm×15 mm的长条，设置初始上下夹片距离为50 mm，拉伸速率50 mm/min。记录薄膜的拉伸强度和断裂伸长率，每个样品测定6次，取其平均值。

1.3.4 水蒸气透过系数

取20 mL蒸馏水倒入50 mL烧杯中，用膜包覆杯口并用细皮筋进行固定，在22 ℃条件下，放入含有硅胶的干燥器中。每隔2 h称量，称取6次，每组膜取3个平行样品，按照公式(1)计算水蒸气透过系数[13]。

(1)

式中：x为膜厚，mm；S为有效面积，S=16.61×10-4m2；Δm为水分透过的质量，g；t为间隔时间，s；ΔP为膜两边的压强差，ΔP=3 167 Pa(25 ℃)

1.3.5 透光率

使用紫外可见分光光度计评估薄膜的透明度。选取光滑、平整和洁净的膜，将膜切成矩形，紧贴在比色皿的内侧。以空皿作为空白对照，在600 nm处测定其透光率，用透光率的大小来表征复合膜透明度。透光率越高，表明膜的透明度越高。

1.3.6 傅里叶红外光谱

采用KBr压片法，将膜烘干剪碎后与溴化钾混合，研磨均匀后压片，在400～4 000 cm-1内扫描，扫描速率为4 cm-1，扫描次数为32次。并记录各样品的红外光谱。

1.3.7 扫描电镜观察

将膜在干燥器中干燥一段时间后，将其裁剪成5 mm×5 mm的大小，用导电胶将膜固定在铜板上，真空喷金处理。采用扫描电子显微镜观察膜表面形态。

1.3.8 CP保鲜复合膜罗氏沼虾的保鲜效果

选用最优性能CP复合膜配方对罗氏沼虾进行涂膜处理，研究复合膜对罗氏沼虾保鲜效果的影响。

将鲜活罗氏沼虾浸没在冰水中致其昏死，挑选个体大小一致，虾体完整的罗氏沼虾，在不同膜液中浸渍10 min，处理后快速分装于聚乙烯保鲜袋，并用封口机封口，放置在(4±1) ℃生化培养箱中进行保鲜实验，每隔2 d取样进行指标测定。以未涂膜的罗氏沼虾作为对照组(CK)。

1.3.8.1 感官评价

感官评定由6名有感官评定经验的人员组成，分值由高到低为9～0分，对罗氏沼虾从肌肉组织、体表色泽和气味等方面进行评分，具体评分标准见表2。

表2 罗氏沼虾综合感官评分表Table 2 Sensory evaluation of Macrobrachium rosenbergii

1.3.8.2 TVB-N的测定

按照GB/T 5009.228—2016《食品中挥发性盐基氮的测定》[14]进行测定。

1.3.8.3 肌肉pH值

称取2.00 g样品，加入10 mL蒸馏水，均质 1 min 后进行冷冻离心10 min(10 000 r/min、4 ℃)，过滤后取上清液进行pH值测定[15]。

1.3.8.4 TBA值测定

准确称取1.00 g样品，加入4 mL蒸馏水和5 mL三氯乙酸溶液(20%，质量分数)，均质1 min，静置1 h 后冷冻离心10 min(8 000 r/min，4 ℃)。过滤取其上清液定容至10 mL，取其5 mL并加入5 mL TBA溶液(0.02 mol/L)，迅速摇匀并置于沸水中加热20 min后，进行流水冷却5 min，测其吸光度A(532 nm)。用蒸馏水作空白实验，每组样品平行测定3次。TBA值=A×7.8，以mg/100g表示[16]。

1.3.8.5 菌落总数

按照GB 4789.2—2016《食品微生物学检验-菌落总数测定》[17]进行测定。

1.3.9 数据处理与分析

每组实验进行3个平行，实验数据采用Excel软件进行计算，以SPSS 23.0进行统计分析，在单因素方差分析(ANOVA)的基础上，采用Duncan法多重比较。运用Origin 9.1绘图。

2 结果与分析

2.1 抗拉伸强度和断裂伸长率

复合膜的机械性能用抗拉强度和断裂伸长率这2个指标来表征。其中抗拉强度反映了膜的力学强度，而断裂伸长率是反映膜的柔韧性的指标[18]。图1显示了不同配比复合膜的抗拉强度和断裂伸长率。

图1 不同配比对复合膜抗拉伸强度和断裂伸长率的影响Fig.1 The effect of different ratios on the tensile strength and elongation at break of the compositefilm注：抗拉伸强度的平均值间不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，断裂伸长率的平均值间不同大写字母表示差异显著(P<0.05)

随着普鲁兰多糖含量的增加，复合膜的抗拉强度呈现先增加后减少的趋势。其中CP2组的抗拉强度最大，为14.36 MPa，显著高于其他组复合膜(P<0.05)，比CMC膜高98.34%。说明具有较强的抗拉强度，这为CMC中的羧基与普鲁兰多糖中的羟基之间所形成氢键作用所致，随着复合膜中普鲁兰多糖比例的增加，羟基的数目也相应增加了，从而增强了多糖分子间的氢键作用。CP组复合膜的断裂伸长率均高于CMC膜，说明普鲁兰多糖的加入可以增强CMC膜的柔韧性。其中CP1，CP2和CP4组的断裂伸长率无显著性差异(P>0.05)。综合考虑，CP2组的机械性能较好。

2.2 水蒸气透过系数

水蒸气透过系数的大小反应了复合膜透湿性的高低，而透湿性的高低会直接影响到对产品的包装效果，透湿性越低，即水蒸气透过系数越小，说明膜的阻水性越好，则越有利于食品的保鲜[19-20]。图2为不同配比复合膜的水蒸气透过系数。随着普鲁兰多糖添加量增加，复合膜的水蒸气透过系数先降低后增大，其中CP2组复合膜的水蒸气透过率最小，为2.32×10-12g/(m·s·Pa)，显著低于其他组复合膜(P<0.05)，且比CMC膜的水蒸气透过系数低12.5%，说明CP2组复合膜的透湿性最低，最有利于食品保鲜。

图2 不同配比对复合膜水蒸气透过系数的影响Fig.2 The effect of different ratios on the water vapor transmission coefficient of composite membranes注：图中不同复合膜配比的不同小写字母表示差异显著(P<0.05)(下同)

2.3 透光率

复合膜的透光率通常是判断共混高分子材料相容性好坏的辅助手段，若复合膜中2种多糖相容性很差，则在相界面上由于光的散射或反射而使膜的透光率降低[21]。图3为不同配比复合膜的透光率的变化。随着普鲁兰多糖添加量的增加，复合膜的透光率增大，并呈现显著上升的趋势(P<0.05)，这是因为普鲁兰多糖为白色物质，CMC为淡黄色物质，普鲁兰多糖比例的增加会提高复合膜液透明度。所有复合膜的透光率均大于90%，显著高于CMC膜，说明复合膜中2种多糖有较好的相容性。

图3 不同配比对复合膜透光率的影响Fig.3 The influence of different ratios on the light transmittance of the composite film

2.4 红外光谱分析

红外光谱可以反映出各组分的特征基团和相互作用，尤其是氢键的作用，已被广泛地应用于表征共混物之间的相容性。相容的共混物之间有强相互作用，其产生的光谱相对于各组分的光谱产生较大的偏差，由此体现物质的相容性[22]。

图4为不同配比复合膜的红外光谱图。CMC膜在3 452 cm-1处有强吸收峰，是—OH和—NH2的特征吸收峰，可以反映出—OH和—NH2分子内和分子间氢键。CP1，CP2，CP3和CP4复合膜在此处也有强吸收峰，CP4膜在此处的吸收峰有明显增强，这说明普鲁兰多糖的加入增强了—OH和—NH2分子内和分子间氢键作用。CMC膜在2 830 cm-1处的吸收峰是C—H伸缩振动吸收峰，随着普鲁兰多糖的加入，CP复合膜的吸收峰均向更高波数偏移(CP1膜为2 831 cm-1，CP2膜为2 838 cm-1，CP3膜为2 846 cm-1，CP4膜为2 902 cm-1)，表明普鲁兰多糖和CMC之间存在强烈的氢键作用。CMC膜在1 617 cm-1处的吸收峰为羧基的不对称振动，CP组复合膜发生了偏移。CMC膜在1 369 cm-1处的吸收峰为羧基的对称振动，CP组复合膜的吸收峰发生偏移，可能是因为CMC中的羧基与普鲁兰多糖的羟基之间存在氢键作用。由于普鲁兰多糖添加量的增加，CP4组在1 391 cm-1处出现了1个新峰，这是因为普鲁兰多糖中C—O的伸缩振动。这些基团的变化可能导致复合膜的物理和化学性质的变化。由于从红外图谱中证明普鲁兰多糖和CMC之间存在氢键作用，这可以在一定程度上说明复合膜具有比较良好的相容性。

图4 不同配比复合膜的红外光谱图Fig.4 Infrared spectra of composite films with different ratios

2.5 扫描电镜分析

利用扫描电镜放大500倍观察CMC、CP1、CP2、CP3和CP4的表面形态结构(图5)。纯CMC膜(图5-a)表面平滑，但呈现大量纤维状物质。随着普鲁兰多糖的加入，膜的表面变得光滑，纤维状物质减少。图5-c和图5-d表面光滑，无纤维状；图5-e存在少量微纤维状物质。所有薄膜的表面微观结构不存在任何的裂隙和小孔，为均匀、光滑的表面形态，无明显相分离现象，表现出很好的相容性。

a-CMC；b-CP1；c-CP2；d-CP3；e-CP4图5 不同配比复合膜的扫描电镜图Fig.5 Scanning electron micrographs of composite films with different ratios

2.6 复合膜对罗氏沼虾保鲜效果的分析

2.6.1 感官评价变化

图6为不同处理组的罗氏沼虾在4 ℃低温保鲜过程中感官评分的变化。随着保鲜时间的延长，各处理组罗氏沼虾的感官评分逐渐降低。罗氏沼虾在贮藏过程中产生的气味和色泽黑变，是由于自身内源酶和微生物的作用，导致虾体内的脂质氧化和蛋白质降解所致[23]。在0～8 d的贮藏过程中，CP2组和CMC组的感官评分始终高于CK组。这是因为膜液处理对罗氏沼虾的保鲜起到了一定的作用。在保鲜前4 d，CMC组和CP2组的感官评分并无明显差异(P>0.05)。在保鲜后期(6～8 d)时，CP2组的感官评分显著高于CMC组(P<0.05)。说明CP2组的复合膜液对罗氏沼虾的保鲜效果优于CMC单一膜液。这主要是因为复合膜的机械性能好，水蒸气透过系数低，能有效抑制微生物生长，降低脂质氧化和蛋白质降解的速率，从而抑制罗氏沼虾在贮藏过程中的腐败变质，维持罗氏沼虾的感官质量。

图6 罗氏沼虾保鲜过程中感官评分的变化Fig.6 Changes in sensory scores during the preservation of Macrobrachium rosenbergii注：不同贮藏时间的不同组别间的上标不同小写字母表示差异显著(P<0.05)(下同)

2.6.2 TVB-N变化

TVB-N是在水产品贮藏过程中，由于微生物和酶的作用，蛋白质被分解产生氨气及挥发性胺类物质，是评价水产品新鲜程度的重要指标之一[24]。图7为不同处理组对罗氏沼虾在4 ℃贮藏过程中TVB-N的变化。随着保鲜时间的延长，各处理组的TVB-N值均呈现上升趋势，其中CK组的TVB-N值显著高于CMC组和CP2组(P<0.05)，CK组样品TVB-N值[(20.48±0.25) mg/100g]已超过国家规定的限量值20 mg/100g。在保鲜到第8天时，CMC处理组和CP2处理组的TVB-N值分别为(21.26±0.20)和(19.92±0.31) mg/100g，比CK组延长4 d左右，这不仅因为CMC可以抑制微生物生长，从而降低罗氏沼虾体内蛋白质被分解的速率，还因为CP2膜的机械性能和水蒸气透过系数优于CMC膜，可以更有效地阻止外界空气和水，防止外界微生物的进一步侵染繁殖。

图7 罗氏沼虾保鲜过程中TVB-N的变化Fig.7 Changes in TVB-N during the preservation of Macrobrachium rosenbergii

2.6.3 pH变化

图8为不同处理组罗氏沼虾在4 ℃贮藏过程中pH的变化。随着贮藏时间的延长，所有处理组的pH值呈现上升的趋势。这与罗氏沼虾在内源酶和微生物的作用下，体内蛋白质被分解产生一系列碱性化合物有关，如三甲胺，组胺，吲哚等，进而导致各处理组pH值的持续上升[25]。在贮藏过程中，CP2组的pH值始终低于CK组和CMC组。在贮藏到第8天时，CK组的pH值已上升至8.30，与CP2组区别显著(P<0.05)。说明CP2组的复合膜液在贮藏过程中可以更有效地控制内源酶和微生物的作用，抑制pH值上升，从而延长罗氏沼虾的贮藏时间。

2.6.4 TBA值变化

图9为不同处理组罗氏沼虾在4 ℃贮藏过程中TBA值的变化。随着贮藏时间的延长，所有处理组的TBA值呈现上升的趋势。TBA值越大，脂肪氧化程度越高，水产品腐败程度越严重[26-27],因此常根据TBA值的变化来判断水产品脂肪氧化程度。贮藏8 d 时，CK组的TBA值从0.26 mg MDA/100g增加到1.25 mg MDA/100g；而CMC组和CP2组分别增加到0.94和0.83 mg MDA/100g，说明CMC和CP2膜液能够在一定程度上抑制罗氏沼虾的脂肪氧化。其中CP2处理组的TBA值显著低于其他处理组(P<0.05)。这是因为加入的普鲁兰多糖使复合膜液的成膜性能更好，水蒸气透过系数更低，具有了良好的阻氧性，进而抑制虾体的脂质氧化，起到一定的保鲜作用。

图9 罗氏沼虾保鲜过程中TBA值的变化Fig.9 Changes in TBA value during the preservation of Macrobrachium rosenbergii

2.6.5 菌落总数变化

水产品的腐败变质主要是因为微生物的繁殖所导致，所以菌落总数可以作为衡量水产品腐败情况的重要指标之一[28]。图10为不同处理组罗氏沼虾在4 ℃贮藏过程中菌落总数的变化。随着贮藏时间的延长，CK组的菌落总数一直呈现快速上升的趋势，而CMC组和CP2组的菌落总数则呈现先下降后上升的趋势。这可能是因为在保鲜初期，罗氏沼虾本身所携带的细菌受低温和保鲜膜液的双重抑制，生长出现延滞期，而后随着贮藏时间延长，细菌逐渐适应了环境，耐冷微生物不断繁殖，以致菌落总数逐渐上升[29]。在贮藏8 d的过程中，CK组的菌落总数由4.81 lgCFU/g上升至5.86 lgCFU/g，CMC组和CP2组的分别上升至5.50 lgCFU/g和5.37 lgCFU/g。CP2组的菌落总数明显低于CMC组(P<0.05)，说明CP2组的复合膜液对罗氏沼虾的抑菌效果更好，能更有效地延缓腐败变质。

图10 罗氏沼虾保鲜过程中菌落总数的变化Fig.10 Changes in the total number of colonies during the preservation of Macrobrachium rosenbergii

3 结论

普鲁兰多糖和CMC复配能有效改善单一CMC膜的性能。结果显示，加入1%普鲁兰多糖与1%CMC按1∶1复配后，复合膜的抗拉伸强度和断裂伸长率明显增加，水蒸气透过系数显著降低，透光率增高，说明能制备出性能优良的复合膜。将复合膜应用于罗氏沼虾的保鲜试验上，发现复合膜能显著降低其TVB-N、pH值、TBA值和菌落总数，可将罗氏沼虾的货架期由4 d延长至8 d，说明复合膜对罗氏沼虾具有良好的保鲜效果。