基于高静压处理魔芋葡甘聚糖/大豆分离蛋白/辣椒素复合辣味膜的贮藏性能研究

郭筱晨，刘缘勤，杨韵琳，胡艳，张甫生，陈厚荣

(西南大学 食品科学学院，重庆，400715)

可食用薄膜是利用可食性物质,辅以可食性添加剂，由分子内和分子间作用力形成的具有网状结构的可降解薄膜。目前的食品行业包装仍大多数使用石油基类薄膜，但这类薄膜具有污染危害大和难以降解等环境问题。反观可食用薄膜则可以通过人体的消化系统进行分解吸收，能够避免降解石油基膜产生的环境危害[1]。将可食用薄膜涂至新鲜水果表面能够显著提高水果的品质并延长货架期[2-3]，包装在肉类表面可以控制其贮藏期间的抗氧化活性[4]和微生物数量[5]等。当今的食品领域研究中，向复合膜内添加某类小分子物质，提升其综合性能也是一大尝试。有研究向明胶/聚乙烯醇淀粉复合膜中加入花青素，利用pH变化来检测食品的新鲜度[6]；而在壳聚糖/羧甲基纤维素复合膜中添加茶多酚，可以提高其抗氧化性能，保证食品质量[7]。

复合膜的改性处理也是当下复合膜在食品包装和保鲜方面的创新热点。有研究利用超声波、微波及其协同改性制备大豆分离蛋白/壳聚糖/黑木耳多糖复合膜时，发现超声波作用能够增强目标分子间的质量传递和相互作用力，而微波作用能够增强分子间交联作用，所以利用超声波微波协同可以显著增强复合膜的机械和阻隔等贮藏性能[8]。ZHANG等[9]研究利用超声静电纺丝法制备聚乳酸/氧化锌抗菌纤维复合膜时，通过控制改性时间缩小复合膜的纤维直径并获得其最佳形态，从而提升复合膜的热、紫外光屏障与抗菌性能。

高静压(high hydrostatic pressure，HHP)技术是一种非热巴氏杀菌方法，可以最大限度地减少食品的不良变化，并控制微生物生长和不良酶的活性。HHP技术可以加强膜内分子间的化学键作用，从而稳定其性能[10-11]。由于可食用的薄膜的原材料会随着时间变化发生物理和化学反应，如氧化、降解和相互作用等，导致复合膜的性能下降，将HHP应用于改善膜的贮藏性能具有可行性。目前对HHP改性膜的研究仍集中于处理前后性能的改变，根据MOLINARO等[12]和GONÇALVES等[13]的研究结果，在300 MPa的环境下处理10 min可以更大限度地改良膜的机械性能和阻隔性能[12-13]。已有研究对聚乳酸/纳米银复合膜进行处理时发现HHP可以使复合膜形成更加致密的网状结构，提高复合膜的拉伸强度等机械性能和阻隔性能，并降低银在复合膜中的迁移量[10]，但仍未涉及到对膜贮藏性能的研究。同时，目前国内外对富含风味物质膜的贮藏性能的研究更是不多见，因此对于复合膜改性后贮藏性的变化尚待研究。本实验利用魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan,KGM)/大豆分离蛋白(soybean protein isolate,SPI)为成膜基质，加入辣椒素(capsaicin,CAP)为风味小分子物质，利用HHP技术，制成辣味复合膜，探究贮藏时间对HHP技术处理的辣味复合膜的机械性能和阻隔性能及风味变化的影响，为可食用复合膜的应用提供后续参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

食品级KGM，浙江上方生物科技有限公司；食品级SPI，北京索莱宝科技有限公司；CAP，萨恩化学技术(上海)有限公司；纯水(实验室自制)；无水乙醇，重庆川东化工(集团)有限公司。

1.2 仪器与设备

HHP600MPa/3-5L超高压食品处理试验设备，包头科发高压科技有限责任公司；GL88B旋涡混合器，海门市其林贝尔仪器有限公司；DHG-9070A电热鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司；DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器，巩义市玉华仪器有限责任公司；7327手持测厚仪，日本 MITUTOYO三丰公司；XCW-500数显推拉力计测试机，济南兰光机电技术有限公司；SZ-CAMB3接触角测定仪，上海轩准仪器有限公司；W3/060水蒸气透过率测试系统，济南兰光机电技术有限公司；C230氧气透过率测试系统，济南兰光机电技术有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 KGM/SPI/CAP复合膜的制备和HHP处理

控制膜液的 KGM/SPI 总质量分数为1.1%，KGM/SPI质量比为12∶8，称取以上配比的KGM、SPI，搅拌加入到160 mL 纯水的烧杯中，将0.03%CAP(质量分数)溶解于500 μL 无水乙醇中，于旋涡振荡仪中充分溶解，再加入到 KGM/SPI 膜液中，置于40 ℃恒温水浴锅中搅拌1 h，冷却至室温，真空除去膜液中的气泡。

将复合膜液按 300.0 g/袋装入高温蒸煮袋后真空密封，密封袋全部浸没于超高压设备的介质水中，控制保压时间10 min，压力300 MPa。称取(45.0±0.1) g的 HHP 处理后的膜液倒入大小为13 cm×13 cm×1 cm(长×宽×高)的塑料培养皿中，于 38 ℃ 烘箱中干燥15 h 成膜，烘干。

1.3.2 辣椒素的游离率

称取0.05 g复合膜样品置于5 mL 无水乙醇中浸泡，旋涡振摇1 min 使复合膜表面的辣椒素与乙醇更好地接触，浸泡1 h后取1.0 mL上层清液，进行高效液相色谱分析，谱柱条件为：Zorbax SB-C18(4.6 mm×250 mm，5 μm)；流动相∶乙腈-水(体积比65∶35)；进样量10 μL；流速1 mL/min；紫外检测波长280 nm；色谱柱温30 ℃。

1.3.3 拉伸强度和断裂伸长率测定

测量复合膜的拉伸强度(tensile strength,TS)断裂伸长率(elongation at break,E)时，选择厚度均匀的复合膜，将其剪成长×宽(100 mm×10 mm)长条状后，用智能电子拉力试验机做拉伸测定，直至复合膜拉断，记录拉伸强度和断裂伸长率[14]，设置有效拉伸长度50 mm，拉伸速度25 mm/min，测试条件25 ℃、相对湿度55%～65%。

1.3.4 水接触角和吸湿率的测定

测量水接触角，使用SZ-CAMB3 表面分析仪器，将复合膜裁成100 mm×10 mm 的长条状，通过软件程序自动控制测定接触角大小[15]。相关参数为：液滴体积1.0 μL，升降行程2 mm，升降速度5 mm/s，加液速度5 mm/s，进样器容量50 μL。

测定吸湿率，将复合膜剪裁成 30 mm×30 mm 正方形置于50 ℃环境中烘干至恒重，称其质量作为干膜质量m1，然后在高湿度环境(密闭玻璃容器中放入 3 杯装有80 mL 纯水的烧杯，平衡湿度24 h)的密闭容器中放置24 h，称其质量作为湿膜重量m2[16]。

吸湿率计算如公式(1)所示：

(1)

1.3.5 透湿系数和透氧系数的测定

测定透湿系数，将复合膜裁成直径为 10 cm 正圆形，在样品四周取4个点，中心取一个点，测定薄膜的厚度，取5个点的平均值为样品厚度。在装有10 mL 蒸馏水的渗透杯上覆盖样品薄膜。试验杯置于干燥器箱内，采用透湿杯减重法，测试膜的水蒸气透湿系数[17]。测试温度为25 ℃，相对湿度为70%，测试间隔20 min，循环次数8次。

测定透氧系数，将样品膜放置于仪器中，紧密贴合，采用氧气透过率测试系统对复合膜的透氧系数进行测定[18]。试样面积50 cm2，测试温度23 ℃，测试湿度50%。

1.4 数据处理

本试验中所有实验均重复3次，数据采用平均值±标准方差的形式表示，采用 SPSS 17.0 软件与 Design-Expert.V11 对数据进行计算，采用 Duncan 氏法进行显著性分析(P<0.05认为差异显著)，并采用 Origin 8.0 软件对图进行绘制。

2 结果与分析

2.1 KGM/SPI/CAP复合膜贮藏的游离CAP含量分析

将CAP添加至KGM/SPI复合膜中，可以改善复合膜的风味，使复合膜包裹有辣味物质从而减少食品辣味分子的流失，这也能够使复合膜更好使用于风味食物包装领域[19-20]。对照组在0～120 d内游离的CAP含量随着时间的延长缓慢增加，0～120 d内，游离CAP含量提高了8.7%。其中，在0～30 d内，游离CAP增幅达28%，在30～60 d内仍保持该速度增长，增幅19.8%；60～120 d内游离CAP含量高速增长，增幅高达39.1%。结合类似研究结果推测，这是因为在120 d内，复合膜内部的分子相互作用力不断衰弱，导致CAP的结合牢固性减弱，更易脱落释放，并且这种释放伴随时间的推移有加剧的趋势[21]。

HHP组的游离CAP含量呈现阶段性变化。在0～30 d内几乎无变动，数值稳定波动微小；30～60 d内有37.1%的增幅，变化幅度是对照组1.9倍；在60～120 d内游离CAP含量也随时间延长呈较快增长趋势，在120 d时增幅变化量达到36%，是对照组的0.92倍。类似研究表明，造成这种变化的原因可能是在前期HHP处理使得KGM/SPI结构结合CAP的能力提高，由于HHP处理有助于巩固、稳定多糖-蛋白体系结合小分子，KGM和SPI分子排列整齐，CAP分子在膜内的迁移和扩散受到限制[22]。而最终HHP组CAP含量升高是因为KGM与SPI自身的降解变化导致其分子的排列性遭到一定程度的损坏，部分CAP分子从KGM和SPI分子形成的网络中游离至膜表面。但经HHP技术改性的复合膜游离CAP变化结果仍然显著优于对照组。有学者也发现300 MPa 高压处理后活性物质2，6-二叔丁基对甲酚的迁移量低于未HHP处理的材料，这可能是因为高压处理可以使微型粒子与聚合物基体之间发生强烈相互作用从而降低了链的迁移率，最终减少了小分子迁移量[23]。

图1 复合膜游离CAP含量随贮藏时间/的变化Fig.1 Effect of free CAP content in KGM/SPI/CAP composite film surface during storage注:大写字母表示相同贮藏时间下对照组与HHP组的差异显著(P<0.05),小写字母表示同一处理条件下不同贮藏时间的差异显著(P<0.05)(下同)

2.2 KGM/SPI/CAP复合膜贮藏的机械性能分析

复合膜的机械性能直接决定其能否对食品提供完整的物理保护，这也是评价包装材料物理性质的重要指标，这一性质可通过测量复合膜拉伸强度和断裂伸长率进行衡量[24]。如图2和图3所示，对照组中，0～120 d内拉伸强度呈递减趋势。0～30 d，TS从初始逐渐降低23%；在30～60 d内TS降低9.8%；而60～120 d内，TS变动幅度较小，仅减少了10.5%，120 d结束后，对照组的TS最终降低45.5%。断裂伸长率在120 d内呈递增趋势，最终E增加至6.6%，增幅162.5%。其中0～30 d中E大幅增长91.7%，30～60 d内E基本保持不变，在60～90 d增加45.7%，在90～120 d内也几乎保持不变。

图2 复合膜拉伸强度随贮藏时间的变化Fig.2 Effect of tensile strength in KGM/SPI/CAP composite film during storage

图3 复合膜断裂伸长率贮藏时间的变化Fig.3 Effect of elongation at break in KGM/SPI/CAP composite film during storage

HHP组在0～30 d内TS仅降低4.1%，变化微小，是对照组的0.18倍；在30～60 d内TS呈9.6%的小幅突降，与对照组变幅几乎相同，而60～120 d内TS几乎未发生变化，120 d内TS总体降低16.3%，是对照组的0.36倍。其E在实验期120 d内总体变动幅度较小，变幅仅有7%，是对照组的0.04倍。在0～30 d内，HHP组E在0.1%范围内呈现微弱的先增加后降低的趋势，但最终30 d时E与0 d时数值相等，变化率为0；30～60 d增长较快，增幅13%，60～120 d内E几乎未发生变化，最终E维持在6.9%，但不管是变化范围还是变动速度都远低于对照组。2组平行试验中，TS随贮藏时间延长总体趋势相同，这可能是因为在0～60 d内，由于复合膜成形时间短，膜致密均一，不易受到外界环境因素的影响，而在60 d以后环境因素的影响逐渐加重，在不同程度上损坏了本有的网状结构和结晶度，导致复合膜的机械强度降低；而断裂伸长率总体呈现增长趋势，原因可能是复合膜内材料分子中的羟基和亲水基团可以吸收周围环境中的水分子，导致膜的延展性增强，贮藏后期E的小范围突跃则是由于分子不断分解导致其间距增大，柔性增强[25-26]。而HHP组的力学性质整体优于对照组，因为HHP处理可以减少CAP分子的聚集，使其更加分散在成膜液中，在HHP处理下促使CAP分子与聚合物基质间可能会形成更致密的分子结构，增强膜的机械强度[26-27]。对照组未经高压处理，膜的表面更加不均匀，并且KGM和SPI中的多糖和蛋白物质易随着时间的延长发生分解，其原本的结构发生不同程度的损坏，最终造成膜力学性能的降低。

2.3 KGM/SPI/CAP复合膜贮藏的亲水性分析

复合膜的亲水性是决定包装材料与食物适配性的重要因素，而复合膜的水接触角、吸湿率能够在一定程度上反映出复合膜的亲水性[24]。如图4和图5所示，对照组的水接触角随时间延长逐渐减小，在整个实验周期内下降32.9%。在前30 d内，呈现先增加后减少的趋势，最终降低了5.3%。30～60 d与60～120 d的整体趋势为匀速递减，两个阶段分别降低10%和18.5%。这个变化趋势表明,复合膜的亲水性越来越强，疏水性降低，导致水分子越来越容易进入膜内。这也是由于KGM本身吸水性较好，分子内带有的亲水基团可以与水分子形成分子间氢键造成的[28]。吸湿率在120 d内呈现逐渐增加的趋势。在0～30 d内，吸湿率呈先减小后增加的趋势，最终在30 d时增加率达9.1%。30～60 d中，吸湿率增幅14.3%；60～120 d，对照组吸湿率变化逐渐减缓，最终吸湿率比较最初增长了36.6%。其中的原因可能是由于KGM的亲水性和其膜内分子间的孔隙大，水分子更多的附着在复合膜的孔隙内和分子间，导致复合膜的吸水性增强，吸湿率增加[29]。

图4 复合膜水接触角随贮藏时间的变化Fig.4 Effect of water contact angle in KGM/SPI/CAP composite film during storage

图5 复合膜吸湿率随贮藏时间的变化Fig.5 Effect of moisture absorption rate in KGM/SPI/CAP composite film during storage

HHP组的水接触角保持基本不变，120 d内维持在105°左右,吸湿率在120 d内也几乎保持在30%左右不变，贮藏性变动远小于对照组。除此之外，对照组的水接触角均位于90°以下，HHP处理组均位于90°以上，这表明对照组复合膜为亲水属性，液体容易润湿复合膜并有几率透过膜进入膜包裹的物体，而HHP组为疏水属性，液体不易润湿内部物体，只在膜表面移动，防止水分渗入。同时，HHP作用可能会使得复合膜结构更加均一紧致，分子间孔隙较小，能够有效阻止水分子进入膜内[22]。

2.4 KGM/SPI/CAP复合膜贮藏的阻隔性能分析

复合膜的阻隔性能也是衡量食品包装膜的一项重要指标，主要包括透湿系数和透氧系数两部分，而最终也由此来确定该复合膜适用食品的含水量、保质期以及腐败性等[30]。如图6和图7所示，对照组的透湿系数在0～120 d内增长29%。在0～30 d内保持匀速增长，增幅7.5%；30～60 d内仅增长3.5%，60～120 d内增幅增大至15.2%。透湿系数的升高是由于膜基质中相互作用力不断衰弱，变化程度不高则是因为蛋白-多糖体系在发生相互作用时，部分多糖的存在有助于促进蛋白质形成新的稳定构象，膜的空间结构和结晶度更佳[31]。对照组的透氧系数随着时间的延长明显增长，在0～30 d内以缓慢恒定的速度增长8.3%后，在30～60 d内增长9.2%，60～120 d 内以较大速度增长26.8%，最终120 d增长46.7%。透氧系数随贮藏时间延长而增加的原因是由于原料KGM和SPI自身随着时间的延长而降解，二者的作用力减弱，影响复合膜的结构[32]。

图6 复合膜透湿系数随贮藏时间的变化Fig.6 Effect of water vapor permeability in KGM/SPI/CAP composite film during storage

图7 复合膜透氧系数随贮藏时间的变化Fig.7 Effect of oxygen permeability in KGM/SPI/CAP composite film during storage

在HHP组中，透湿系数的总体变化阶段与对照组相似，在0～120 d内呈现一次函数性增长，仅增加15%，是对照组的0.5倍，隔水属性较好。HHP组透氧系数整体上呈现阶段性增长趋势。在0～30 d内先增加后减小，数值0 d与30 d相等；30～60 d，发生突跃，透氧系数增加25%；60～120 d内，变化趋势与0～30 d类似，最终120 d时与60 d数值相同，较初始增长20%，是对照组的0.43倍。2组数据随贮藏时间的延长均呈增加趋势，这是因为膜的组分多糖和蛋白自身不断降解，使得其分子间孔隙增大，导致水分子更易透过复合膜。但HHP组的各项数据均优于对照组，结合其他人的研究结果也可以推测，这可能是因为对照组的成膜条件使得膜的分子间孔隙较大，KGM和SPI相互作用力较弱，因此氧气分子更容易穿过膜间分子移动到膜内物体[10,33]。

3 结论与讨论

在120 d实验期内，由于复合膜成膜基质的材料缘故，对照组的力学性能和阻隔性能均降低，亲水性和CAP分子迁移量增加。当使用HHP处理对复合膜进行改性后，复合膜的贮藏性得到了明显的提升，机械强度增大，阻隔性能增强，复合膜性质由亲水性变为疏水性。HHP处理增强了KGM和SPI之间的分子作用，在一定程度上改善了直接合成复合膜的缺点，提高了复合膜的辣味稳定性，有助于辣味膜在延长食品保质期方面的应用。因此，HHP处理能够提高可食用复合膜在贮藏时的各项性能。

基于目前的研究，无法避免由于原料自身的降解和环境因素所造成的复合膜质量的下降，但使用一些改性方法，如HHP等，可以在很大程度上改善KGM/SPI/CAP复合膜的各项贮藏性质，对于保藏食物有着更大的优势和更加广阔的发展前景。本研究仍存在着不足之处，如未探究的热稳定性和溶解度等指标，仍有待进一步的探索。