壳聚糖-植酸复合膜性能分析及其对鲈鱼片保鲜效果研究

马晓璐，张 振，倪 荣，齐懿涵，王晓权，郭雪松

（锦州医科大学食品科学与工程学院，辽宁 锦州 121000）

传统的食品包装大部分以塑料包装为主，因其性质稳定，价格低廉被广泛应用。但是目前环境恶化，塑料包装因不具备生物降解性和引发的“白色污染”，对环境和人体产生较大的危害[1]，这种情况引起了社会的高度重视。为了降低塑料安全性和对环境污染的隐患，保护人体身体健康和动植物安全，研究人员将研发方向集中到具有环境友好性和生物降解性的聚合物，将其作为包装行业中广泛使用的塑料替代品[2]。

壳聚糖是一种天然有机化学高分子物质，具有非毒性、成膜性、生物可降解性等特点，但其在抗氧化性和维持食品保鲜方面存在一定缺陷，限制了壳聚糖食品包装的发展[3]。因此，以壳聚糖为基质开发复合膜成为目前包装领域的热点研究方向。植酸从谷物种籽加工副产品中提取纯化而得[4]，是一种很好的抗氧化剂，同时具有很强的鳌合能力，能够有效抑制果蔬品质劣变。

本研究将壳聚糖与植酸两者混合制备复合膜，分析植酸添加量对复合膜物理性能和抗氧化性能的影响，并将复合膜应用于鲈鱼片的保鲜研究中，为鱼类等水产品可降解复合膜的研发提供思路。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 材料与试剂

新鲜鲈鱼，锦州林西路水产市场；壳聚糖，脱乙酰度≥95%，黏度100～200 mPa·s，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；食品级植酸，分子量660.04，河南洪鑫食化有限公司；1,1-二苯基-2-苦肼基（DPPH），合肥博美生物科技有限公司；冰乙酸、丙三醇等其他试剂均为分析纯。

1.1.2 仪器与设备

Varioskan FlashT酶标仪，赛默飞世尔科技公司；KQ5200E型超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司；TMS-PRO型质构仪，北京盈盛恒泰科技有限公司；SSX-550型扫描电子显微镜，日本岛津公司；UV-6300型紫外分光光度计，上海光学仪器厂；TGL16M型离心机，长沙英泰仪器有限公司；MYP11-2A磁力搅拌器，上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司；SYNTEK-59电子数显测厚仪，浙江德清公司。

1.2 方法

1.2.1 单壳聚糖膜和壳聚糖-植酸复合膜的制备

参照李晓雁等[5]的方法稍作修改。称取4.5 g壳聚糖溶于300 mL 1%冰乙酸溶液中，磁力搅拌器搅拌均匀无颗粒状，静置6h待气泡消失（也可超声脱气0.5h）后，加入1.35 mL丙三醇，混合均匀即得1.5%单壳聚糖溶液。然后分别配制浓度为0.01、0.06、0.11、0.16 g/100 mL的植酸溶液，将其与壳聚糖溶液同体积混合，用量筒称取23 mL混合膜液倒入直径为80 mm的一次性培养皿中静置，待气泡消失，放入45℃电热恒温干燥箱中，烘干成浅透明膜，继续平衡培养12 h备用，即得壳聚糖-植酸复合膜。

1.2.2 单壳聚糖膜和壳聚糖-植酸复合膜光学照片分析

将制成的膜在白色背景下成像，分析两种不同膜表观的相同点与不同点。

1.2.3 壳聚糖-植酸复合膜物理性能的测定

1.2.3.1 厚度取壳聚糖-植酸复合膜样品，选用数显测厚仪进行测量，在膜处选取9个点，结果取平均值。

1.2.3.2 水溶性

在无菌条件下将壳聚糖-植酸复合膜剪成15 mm×15 mm的正方形，放在小烧杯里，在95℃烘箱中干燥3～5 h，至样品恒重后取出称重，记为m1；取出后向烧杯里加入超纯水，水溶9 h后取出，擦去表面水分，再完全干燥后称重，记为m2。按下式计算水溶性。

1.2.3.3 不透明度

将壳聚糖-植酸复合膜裁剪成与比色皿一样大小，将膜干燥后放入比色皿内壁，在波长600nm处进行测定，每个膜样品均进行3次平行试验，结果取平均值。式中：OD600为膜在600 nm处的吸光度值；d为膜厚度，mm。

1.2.3.4 水蒸气透过系数

选择统一量程的玻璃瓶，放入干燥完全的硅胶粒，将无气泡无破损的膜样品剪成略大于玻璃瓶口的大小，用封口膜或橡皮筋扎紧，确保其他地方不会进入水分。将玻璃瓶放入底部装有蒸馏水的干燥器内，每3 h称量1次，计算水蒸气透过系数。

式中：WVP为水蒸气透过系数，g·mm/（h·cm2·Pa）；△m为前后质量差，g；T为膜样品的厚度，mm；△t为时间间隔，h；A为封口处膜的面积，cm2；△P为内外水蒸气压差，20℃时水蒸气压差为2 337 Pa。

1.2.3.5 机械强度

将完整膜样品裁剪成85 mm×15 mm的矩形，将其固定在质构仪A/MTG探头上，测定膜的断裂拉伸率和拉伸强度。

式中：L1为拉伸后长度，mm；L0为初始长度，mm；FN为拉力，N；S为膜的面积，mm2。

1.2.4 壳聚糖-植酸复合膜的抗氧化能力评价

DPPH自由基（DPPH·）清除能力的测定参照彭勇等[6]的方法，并稍作调整。将膜样品（25 mm×5 mm）置于研钵中碾碎，然后放入烧杯中，加入60 mL蒸馏水，进行磁力搅拌。然后以3 500 r/min离心10 min，取上清液备用。制备0.2 mol/L DPPH-乙醇溶液，取制备好的DPPH-乙醇溶液400μL，并取100μL膜样品组溶液，将两者混合，混合物在黑暗中反应0.5h，设置酶标仪波长为517nm，同时用蒸馏水作对照。

式中：A1为样品组的吸光度值；A2为乙醇组的吸光度值；A0为空白组的吸光度值。

1.2.5 壳聚糖-植酸复合膜的结构表征

在24℃条件下，将单壳聚糖膜和壳聚糖-植酸复合膜均裁剪成0.75 cm×0.75 cm的正方形，进行干燥处理后，在真空条件下使用SSX-550型扫描电子显微镜对样品表面形貌进行观察。

1.2.6 壳聚糖-植酸复合膜对鲈鱼片的保鲜研究

选用1.5%壳聚糖和0.06 g/100 mL植酸溶液复合成膜，进行鲈鱼片保鲜试验。

1.2.6.1 肉品预处理

新鲜鲈鱼在超净工作台上进行处理，去除头尾皮，剔除鱼刺，每组均匀切分成5 cm×3 cm×1 cm的鱼片，单片质量约（10±2）g，用壳聚糖-植酸复合膜包裹，同时用单壳聚糖膜、实验室PE保鲜膜作为对照组，3个样品组各做2个平行，放入自封袋中，于4℃下保存，定期进行各项指标的测定。

1.2.6.2 感官评价

将样品从冰箱中取出，趋于室温时观察鱼片的组织状态、颜色、气味、肌肉弹性，按照表1对鲈鱼片进行评分[7]，满分为20分。

表1 鲈鱼片感官品质评分标准Table 1 Sensory evaluation criteria of perch slices

1.2.6.3 pH值测定

参考GB 5009.237—2016《食品安全国家标准 食品pH值的测定》[8]中的方法进行测定。

1.2.6.4 挥发性盐基氮（TVB-N）值测定参考GB 5009.228—2016《食品安全国家标准 食品中挥发性盐基氮的测定》[9]中的方法进行测定。

1.2.6.5 汁液流失率测定

采用离心法测定鲈鱼片的汁液流失率。在储藏前称量鲈鱼片的初始质量，之后在储藏3、5、7、9、12 d时取出，用滤纸包裹住置于离心管中，1 500 r/min离心15 min，沥去表面水分并称重。

式中：DL为汁液流失率，%；m1为储藏前肉样质量，g；m0为储藏一定时间离心后肉样质量，g。

1.2.7 数据处理

采用Excel对试验数据作图，利用SPSS19.0软件对数据进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 壳聚糖-植酸复合膜的表观特征

试验结果显示：单壳聚糖膜（图1）颜色为白色透明状，闻起来有冰乙酸特有的酸味；加入不同浓度的植酸后，随着植酸添加量的增加，冰乙酸味道变淡，壳聚糖-植酸复合膜（图2）的颜色发生变化，为浅黄色半透明状，膜外观状态良好，光滑度提高。

图1 壳聚糖膜光学照片Fig.1 Optical photograph of chitosan membrane

图2 壳聚糖-植酸复合膜光学照片Fig.2 Optical photograph of chitosan phytic acid composite membrane

2.2 壳聚糖-植酸复合膜的性能分析

由表2可知，植酸对壳聚糖膜的物理性质（厚度、水溶性、不透明度、水蒸气透过系数）和机械强度（断裂伸长率和拉伸强度）都有影响。复合膜的厚度比单壳聚糖膜减小，植酸水溶液的加入会稀释溶液，在植酸添加量为0.06 g/100 mL时，复合膜的厚度达到0.041 mm，可能是植酸加入量超过一定限值会破坏复合膜的性质。水溶性是反映膜的抗水性指标[10]。由于壳聚糖本身是由氨基葡萄糖单元通过糖苷键连接成的高分子化合物，不溶于水，所以壳聚糖膜的水溶性最低，植酸的加入使壳聚糖的水溶性提高，这是因为植酸具有良好的亲水性，易溶于水，使得复合膜的水溶性提高。不透明度是指膜的外观颜色，是影响消费者可接受度的重要指标[11]。植酸溶液为透明状，成品膜为浅黄色薄膜，不透明度增加。水蒸气透过率是对膜阻湿性能的考察，对于食品的保存以及微生物腐败都有重要意义[12]。水蒸气透过率数值的高低关系到膜的厚度，在高分子作用形成的网状结构中起作用，水蒸气透过率越低，膜的阻湿性越好。由表2可见，植酸添加量为0.06 g/100 mL时，水蒸气透过系数最低，为1.967×10-8g·mm/（h·cm2·Pa）。断裂伸长率反映复合膜的拉伸能力，复合膜的最大承受力用拉伸强度表示。数据表明：壳聚糖膜的机械性能良好，加入植酸后断裂伸长率和拉伸强度呈现不同程度的下降，有可能是植酸打乱了壳聚糖的有序晶体结构，分子间氢键被减弱，阻碍了相互作用。

表2 植酸添加量对复合膜厚度、水溶性、不透明度、水蒸气透过率及机械强度的影响Table 2 Effect of phytic acid addition on thickness,water solubility,opacity,water vapor transmission rate and mechanical strength of compositemembrane

2.3 壳聚糖-植酸复合膜的抗氧化能力分析

DPPH·作为一种很稳定的自由基，可用来测定抗氧化性能的强弱[13]。由图3可以看出，单壳聚糖膜的DPPH·清除率仅为54%，而加入植酸后，其复合膜对DPPH·的清除率显著提高，最高可达99%，将近单壳聚糖膜的2倍，说明植酸是一种优质的抗氧化原料。植酸添加量为0.06 g/100 mL时制成的复合膜抗氧化能力较稳定，达94%。综合各项指标，确定植酸添加量为0.06 g/100 mL。

图3 壳聚糖-植酸复合膜的抗氧化性能Fig.3 Antioxidant propertiesof chitosan-phytic acid composite membrane

2.4 壳聚糖-植酸复合膜扫描电镜图分析

由图4可以看出，植酸的加入使壳聚糖表面变得更加平整，单壳聚糖表面（图4A）有着轻微的小凸起，可能是少许壳聚糖出现堆积；加入植酸溶液后，复合膜溶液的流动性增强，复合膜表面（图4B）较单壳聚糖膜更为平整；但植酸的加入也降低了壳聚糖的致密性，单壳聚糖膜截面（图4C）结构形成致密紧凑的体系，加入植酸后，复合膜截面（图4D）变得较松散粗糙，这与吴丹[14]和Lozano-Navarro等[15]的研究结果一致。

图4 单壳聚糖膜和壳聚糖-植酸复合膜的扫描电镜图Fig.4 Scanning electron micrographs of chitosan membrane and chitosan-phytic acid composite membrane

2.5 壳聚糖-植酸复合膜对鲈鱼片保鲜效果的影响

2.5.1 感官评价

感官品质是从气味、色泽、肌肉形态、组织状态4方面对鱼肉进行评价，是最直接但较主观的一项指标[16]。在4℃冷藏期间，被不同膜包裹的鱼肉感官评分如图5所示。鲈鱼片的感官评分均呈下降趋势，聚乙烯（PE）保鲜膜包裹组下降最快，单壳聚糖膜组次之，壳聚糖-植酸复合膜组下降最为缓慢。在15 d冷藏期间，壳聚糖-植酸复合膜组的感官评分均显著高于PE保鲜膜和单壳聚糖膜（P＜0.05），在第6天之后差异更明显，PE保鲜膜包裹的鲈鱼片首先出现腐败现象，臭气味浓烈，而壳聚糖-植酸复合膜组和单壳聚糖膜组并不明显。在冷藏期间，由于微生物生长，3种不同膜包裹的鲈鱼片颜色均产生不同程度的变化。PE保鲜膜包裹的鲈鱼片首先出现颜色灰暗无光泽，而壳聚糖-植酸复合膜可以通过抑制微生物生长和脂肪氧化对鲈鱼片的肉色起到保护作用。在储藏期间，鲈鱼片在发生腐败变质的同时会产生黏液，导致变质。综合感官结果可知：壳聚糖-植酸复合膜包裹的鲈鱼片在冷藏期后期（12～15 d）才产生了少许黏液；PE保鲜膜在6 d后逐渐产生黏液，9 d后品质完全变坏；单壳聚糖膜在9 d后逐渐产生黏液，组织开始松散。PE膜组在第12天时感官评分降至4.64分，且气味严重酸臭；单壳聚糖膜组的感官评分为7.57分，样品接近无异味，但鱼肉片干硬，失去食用价值；壳聚糖-植酸复合膜组样品感官评分依然在12分左右，说明植酸的加入可以提高复合膜的保鲜性能，增强其抗氧化能力和抑菌效果，延长鲈鱼片保鲜时间。

图5 不同包装对冷藏期间鲈鱼片感官评分的影响Fig.5 Effectsof different packaging membrane on sensory scores of perch slicesduring cold storage

2.5.2 pH值

通过图6可以看出，所有组鲈鱼片pH均呈先下降再上升的趋势。鲈鱼片的初始pH为6.82，这与余小亮[17]报道的鲈鱼初始pH相近，却明显高于刘晨[18]报道的鲈鱼初始pH，这是因为初始pH受多种因素影响。在储藏初期，鱼肉的pH会因糖酵解反应生成乳酸，糖原含量决定pH下降的程度。PE保鲜膜包裹的鲈鱼片在第6天时pH达到最小值，为6.62，单壳聚糖膜也在第6天达到最小值。冷藏至中后期（7～12d），鱼肉中的蛋白质开始降解为氨和三甲胺等碱性物质，使pH上升[19]。含有植酸的复合膜抑制了腐败菌的生长，储藏第15天时，PE保鲜膜、单壳聚糖膜和壳聚糖-植酸复合膜组鲈鱼片的pH分别7.52、7.29和7.08，说明壳聚糖-植酸复合膜包裹鲈鱼片可以延缓蛋白质的分解。但pH受鱼的种类、包装材料等因素影响，不能准确地反映鱼片的鲜度变化，仅作为辅助指标使用。

图6 不同包装对冷藏期间鲈鱼片pH值的影响Fig.6 Effect of different packaging membrane on pH value of perch slices during cold storage

2.5.3 TVB-N值

TVB-N值是用来评价水产品鲜度的常用指标之一[20]，TVB-N值越大，代表鱼片腐败越严重。前期储藏期间，由于蛋白质分解释放出的胺类物质增长缓慢，鱼体先发生僵直，后期鱼肉僵直结束进行自溶，产生大量微生物，导致TVB-N值明显上升。根据GB/T 18108—2019[21]，鲜海水鱼的优级品TVB-N值≤15 mg/100 g，合格品TVB-N值≤30 mg/100 g。由图7可以看出：新鲜鲈鱼的TVB-N值为8.93 mg/100 g，属于一级鲜度范围，随着储藏时间的延长，PE膜包裹的鲈鱼片最先达到一级鲜度限值，第6天时达到16.57 mg/100 g，高于15 mg/100 g；单壳聚糖膜组包裹的鲈鱼片在9 d时接近一级鲜度限值14.23 mg/100 g，9～15 d鲈鱼片的TVB-N值开始明显升高，但一直为合格品；壳聚糖-植酸复合膜包裹的鲈鱼片在储藏第12天才刚超过优级品标准上限（15 mg/100 g），TVB-N值为15.75 mg/100 g，说明壳聚糖-植酸复合膜能够显著抑制微生物的生长繁殖，明显延长鲈鱼片的保质期。

图7 不同包装对冷藏期间鲈鱼片TVB-N值的影响Fig.7 Effect of different packaging membrane on TVB-Nvalue of perch slicesduring cold storage

2.5.4 汁液流失率

汁液流失率是衡量鱼肉蛋白持水力的主要指标[22]。在储藏过程中，水产品汁液外渗不仅会降低其商品价值，也会造成细菌生长，破坏组织。由图8可知，储藏期间，各组鲈鱼片汁液流失率逐渐上升，以PE组上升最为明显，单壳聚糖膜组其次，壳聚糖-植酸复合膜组的持水力最好，汁液流失最少。但PE组包装的鲈鱼片蛋白质水解严重，鱼肉分解加快，汁液流失率在9～12 d达到峰值（11.46%）；单壳聚糖膜的锁水性能也较差，这是壳聚糖本身性质所致，其汁液流失率上升速度仅次于PE组；而壳聚糖-植酸复合膜则呈现出较强的阻隔性能和锁水性能，储藏第12天时，其汁液流失率远低于PE组，仅为3.87%。

图8 不同包装对冷藏期间鲈鱼片汁液流失率的影响Fig.8 Effectsof different packaging membrane on juice lossrate of perch slicesduring cold storage

3 结论

本试验将壳聚糖与植酸复配制备可降解包装膜，试验结果表明：0.06 g/100 mL植酸与壳聚糖复配成膜的厚度适宜，膜的水蒸气透过率和机械强度最好，抗氧化能力强；将其用于鲈鱼片的保鲜中能显著降低鱼肉的pH、TVB-N值和汁液流失率的升高。由此可见，壳聚糖复配植酸会提高包装膜的性能。但本试验复合膜仍需进一步优化以提高其拉伸强度，以便后期可以投入市场，提高复合膜的使用率，同时为新型食品包装膜的研发提供新的途径。