壳聚糖-植酸复合膜的制备及其对鲈鱼片保鲜品质的影响

马晓璐，张 振，郭雪松，王晓权，朱永乐，李丹丹

（1.锦州医科大学食品与健康学院，辽宁 锦州 121000；2.锦州医科大学生物信息工程学院，辽宁 锦州 121000）

新型包装是在保持食品品质的情况下，通过一些途径提高包装保鲜性能和安全性能的包装形式[1]。市场上销售的保鲜膜主要有3种，分别是聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）和聚偏二氯乙烯（PVDC）。这3种保鲜膜虽有一定的保鲜功能，但不具备生物可降解性和抗菌性，是造成白色污染的原因之一。当前，石油化工塑料对环境造成很大污染，开发生物可降解新型包装材料已经成为了研究热点，市场上先后出现了微孔保鲜膜、抗菌保鲜膜、防雾保鲜膜、可降解保鲜膜、可食性保鲜膜、纳米复合型保鲜膜等新型保鲜膜，这些包装材料在保持食品的品质方面发挥重要作用，尤其是一些易腐食品（鱼类、肉类、奶制品、果蔬）。在这些食品中，鱼类非常容易变质，因此需要一种新型包装来有效地对其进行保鲜[2-3]。然而传统的鱼类保存方法（冷藏、冷冻、干燥等）受微生物污染较严重，效果不佳，并且在光、热、水分的作用下易发生氧化及酸败，影响鱼肉品质[4]。

壳聚糖作为一种极高相容性的生物聚合物，具有生物黏附性、降解性等特点，且成膜性能优良[5]。但是，单独应用壳聚糖并不能满足新型包装膜的标准，壳聚糖膜有限的抗氧化性能，使研究人员的注意力转向了对壳聚糖进行复配以获得更好的性能。植酸是从谷物种籽加工副产品中提取纯化而得[6]，是一种很好的抗氧化剂，同时具有很强的鳌合能力，能够有效防止品质劣变。

基于此，本研究将壳聚糖与植酸进行复配，并添加丙三醇制成复合膜。在单因素试验的基础上，通过响应面试验优化壳聚糖-植酸复合膜的配方，并将该复合膜应用于鲈鱼片的保鲜研究中，为新型包装材料的研发提供思路。

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，河南洪鑫食化有限公司；冰乙酸、丙三醇等其他试剂均为分析纯。

1.1.2 仪器与设备

PEN3型电子鼻、TMS-PRO型质构仪，北京盈盛恒泰科技有限公司；CR-400色差仪，日本Konica Minolta公司；WGT-S透光率雾度测试仪，济南兰光机电技术有限公司；DHG-9030A电热鼓风干燥箱，上海一恒仪器有限公司；BSM电子分析天平，北京奥多利斯天平有限公司；MYP11-2A磁力搅拌器，上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司。

1.2 方法

1.2.1 壳聚糖-植酸复合膜的制备

参考张乾等[7]的方法。将植酸溶于蒸馏水中制成植酸溶液，壳聚糖溶于1%冰乙酸溶液中，配制壳聚糖溶液，再加入丙三醇（按照壳聚糖溶液和植酸溶液总体积的百分比添加），3种液体搅拌均匀后进行脱气，将35 mL混合液倒入直径90 mm塑料培养皿中，于55℃烘干至少7 h，成膜后揭膜，放入干燥器中备用。

1.2.2 单因素试验设计

固定植酸添加量0.06 g/100 mL，丙三醇添加量0.225%，比较不同壳聚糖添加量（1.1、1.3、1.5、1.7、1.9 g/100 mL）对复合膜性能的影响；固定壳聚糖添加量1.5 g/100 mL，丙三醇添加量0.225%，比较不同植酸添加量（0.01、0.06、0.11、0.16、0.21 g/100 mL）对复合膜性能的影响；固定壳聚糖添加量1.5 g/100 mL，植酸添加量0.06 g/100 mL，比较不同丙三醇添加量（0.175%、0.200%、0.225%、0.250%、0.275%）对复合膜性能的影响。

1.2.3 响应面优化试验设计

在单因素试验的基础上进行响应面优化试验，以拉伸强度作为响应值，使用Design Expert 10对其进行分析，响应面试验因素水平设计见表1。

表1 响应面试验因素水平设计Table 1 Factors and levels design of response surface experiment

1.2.4 壳聚糖-植酸复合膜对鲈鱼片保鲜品质的影响

将市场买来的鲈鱼用无菌水洗净，在超净工作台里进行处理，去除头、尾、皮，剔除刺，然后将其切成片，每片均匀分成5 g大小（约4 cm×2 cm），分别使用两种不同的膜进行包裹（PE保鲜膜和壳聚糖-植酸复合膜），于4℃下保鲜，同时做平行试验。以PE保鲜膜为对照，分别在储藏的0、3、6、9、12 d时取出样品进行感官品质、色差和电子鼻分析测定。

复合膜选用响应面优化后的最佳工艺：即壳聚糖添加量1.5 g/100 mL，植酸添加量0.06 g/100 mL，丙三醇添加量0.225%；复合膜厚度为0.041 mm，直径90 mm。

1.2.5 测定项目与方法

1.2.5.1 机械性能

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（△L）和拉伸强度（TS），计算公式如下：

式中：L1代表拉伸后长度，mm；L0代表初始长度，mm；FN代表拉力，N；S代表膜的面积，mm2。

1.2.5.2 水蒸气透过系数

参考阳晖[8]的方法。选用统一量程为50 mL的小锥形瓶，向其中放入干燥完全的硅胶粒，将复合膜剪成略大于玻璃瓶口的大小，用封口膜或橡皮筋扎紧，确保无水分进入。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代表水蒸气透过系数，g·mm/（cm2·h·Pa）；△m代表前后质量差，g；d代表膜样品的厚度，mm；△t代表质量变化稳定后的两次时间间隔，h；S代表封口处膜的面积，cm2；△P代表内外水蒸气压差，20℃时的水蒸气压差为2 337 Pa。

1.2.5.3 透光率

使用透光率雾度测试仪进行测定。将测试仪开机预热20 min，选取光滑平整的膜样品，将其放在薄膜样品夹具上，置于通光孔处并按下测试按钮。每个膜样品进行3次平行试验，结果取平均值。

1.2.5.4 感官品质评价

由5名经过专业培训的学生组成感官评定小组。将样品从冰箱中取出，接近室温时观察其外观、色泽、气味和质地，具体评价标准见表2。

表2 鲈鱼片的感官评分标准Table 2 Sensory evaluation standards of perch slices 单位：分

1.2.5.5 色差

参考余小亮[9]的方法，稍作修改。使用色差仪在自然光充足的地方测定鲈鱼片的色泽。先校正色差仪，并将其垂直置于肉样之上，分别记录肉样的L*、a*、b*值，测定3次，结果取平均值。

1.2.5.6 电子鼻分析

参考赵洪雷等[10]的方法，使用PEN3型电子鼻对PE保鲜膜和壳聚糖-植酸复合膜包裹的鲈鱼片进行气味检测。将5 g绞碎的肉样置于烧杯中，用2层封口膜将烧杯密封。电子鼻测定条件：传感器清洗时间100 s，检测时间设定为100 s。利用电子鼻软件Winmuster进行数据处理，对其PCA图及雷达图进行分析。

1.2.6 数据处理

使用Excel软件进行数据处理，利用Origin 2018作图。鲈鱼片的挥发性成分测定利用PEN3型电子鼻配套软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 壳聚糖添加量对复合膜性能的影响

由表3可知，壳聚糖添加量为1.5 g/100 mL时，拉伸强度和断裂拉伸率达到最大值，水蒸气透过系数指标较好。随着壳聚糖添加量的增多，单位体积中线性结构增多[11]，复合膜的机械强度增大，壳聚糖添加量大于1.5 g/100 mL时，复合膜表观厚且硬，透光率降低，这可能是由于膜液的黏度会产生淀粉老化作用，导致性能下降[12]。综合考虑，选用壳聚糖添加量1.5 g/100 mL为宜。

表3 壳聚糖添加量对复合膜性能的影响Table 3 Effects of chitosan additions on composite films properties

2.1.2 植酸添加量对复合膜性能的影响

由表4可知，随着植酸添加量的增多，膜的断裂拉伸率和拉伸强度均呈先增大后减小的趋势。植酸添加量为0.06 g/100 mL时有着较明显的分界，超过0.06 g/100 mL，植酸和壳聚糖分子间的交联密度降低，打乱了壳聚糖的有序晶体结构，分子间氢键被减弱。植酸添加量为0.06 g/100 mL时，水蒸气透过系数最低，为1.967 g·mm/（cm2·h·Pa)，阻湿性最好。复合膜的色泽随着植酸的添加，逐渐变成浅黄色，透光率降低。综合考虑，选用植酸添加量0.06 g/100 mL为宜。

表4 植酸添加量对复合膜性能的影响Table 4 Effects of phytic acid additions on composite films properties

2.1.3 丙三醇添加量对复合膜性能的影响

由表5可知，随着丙三醇添加量的增多，较强亲水性会使膜的断裂拉伸率升高，质地变得柔软，拉伸强度呈现先升高后降低的趋势。这与Thakhiew等[13]的研究结论一致。丙三醇的加入会增加分子间的空隙，所以复合膜的透光率会随着丙三醇添加量的增大而降低。丙三醇添加量较少时，复合膜较脆；添加量较多时，复合膜的结构变得松散，较黏稠，不易被完整地揭起[14]。综合考虑，选用丙三醇添加量0.225%为宜。

表5 丙三醇添加量对复合膜性能的影响Table 5 Effects of glycerol additions on composite films properties

2.2 响应面试验结果

在单因素试验结果的基础上，利用Box-Behnken设计响应面试验，具体见表6。

表6 响应面试验设计及结果Table 6 Design and results of response surface experiment

采用软件对结果进行分析，得到以壳聚糖添加量（A）、植酸添加量（B）、丙三醇添加量（C）为自变量，拉伸强度（Y）为响应值的多元回归方程。

由表7的方差分析可知，模型P＜0.000 1，方程模型极显著。失拟项P=0.196 0，不显著，模拟效果良好，R2=0.984 7＞0.9，R2adj为0.965 0，方程拟合度较好，说明该模型可以应用于壳聚糖-植酸复合膜最佳工艺条件下响应值变化的预测。植酸含量的增加会使复合膜的拉伸强度呈现下降趋势。一次项A对复合膜的拉伸强度影响显著（P＜0.05），B对复合膜的拉伸强度影响极显著（P＜0.01），交互项AC和BC对复合膜的拉伸强度影响显著（P＜0.05），二次项A2、B2、C2对复合膜的拉伸强度影响极显著（P＜0.01），其他因素影响不显著。

表7 回归模型方差分析Table 7 ANOVA for response surface quadratic model

利用Design Expert 10软件对拟合的响应面图进行分析，各因素之间的交互作用对拉伸强度的影响如图1所示，可以清晰地看出AC和BC响应面图曲面陡峭，说明它们之间的交互作用对拉伸强度的影响显著（P＜0.05）。随着壳聚糖、植酸、丙三醇添加量的增加，复合膜的拉伸强度都呈现先增大后减小的趋势。壳聚糖添加量在1.5 g/100 mL时，响应值（拉伸强度）达到最大，超过这个限值，膜的黏度变大，不易揭膜。加入植酸后，打乱了壳聚糖的有序晶体结构，分子间氢键被减弱，随着添加量的增大，膜的拉伸强度降低，复合膜的综合性能产生变化。丙三醇是一种增塑剂，进入到分子间进行相互作用，可通过增加流动性来提高复合膜的延展性，但是丙三醇过量会减小壳聚糖分子间作用力，所以壳聚糖、植酸、丙三醇的添加量应控制在一定范围内，以保证复合膜较好的拉伸强度。

图1 各因素交互作用对拉伸强度影响的响应面图Fig.1 Response surface diagrams showing the interaction effects of every two factors on tensile strength

2.3 验证试验

壳聚糖-植酸复合膜的最佳配方为：壳聚糖添加量1.5 g/100 mL，植酸添加量0.06 g/100 mL，丙三醇添加量0.225%。在此条件下测定复合膜的拉伸强度为29.281 MPa，接近理论值28.852 MPa，表明该模型可靠。

2.4 壳聚糖-植酸复合膜对鲈鱼片保鲜品质的影响

2.4.1 感官品质

感官指标是从外观、色泽、气味、质地4方面对供试样品进行评价，是最直接且较主观的一项指标[15]。如图2所示，随着冷藏时间的延长，鲈鱼片的感官评分均呈下降趋势。新鲜鲈鱼具有新鲜鱼肉的固有清新味道，鱼体紧实、有弹性，色泽明亮。在整个12 d冷藏周期内，壳聚糖-植酸复合膜组鱼片的感官评分均显著高于PE保鲜膜组（P＜0.05），冷藏第6天开始趋势明显。PE保鲜膜包裹的鲈鱼片首先出现腐败现象，并带有汁液渗出。这种情况在壳聚糖-植酸复合膜组上并不明显。试验发现：壳聚糖-植酸复合膜包裹的鲈鱼片在冷藏后期（10～12 d）才产生了少许黏液，肉色微微变暗；PE保鲜膜组在第6天开始逐渐产生黏液，9 d时品质变坏，冷藏12 d时感官评分降为4.7分，且酸臭气味严重。利用植酸的抗氧化作用可以防止鲈鱼片氧化变质，减少鱼片水分散失，同时抑制细菌性腐败，起到一定的护色、护味、保鲜的作用，说明植酸的加入可以提高壳聚糖膜的保鲜性能，延长鲈鱼片的保鲜时间。

图2 不同处理对鲈鱼片冷藏期间感官品质的影响Fig.2 Effects of different treatments on sensory qualities of perch slices during storage

2.4.2 色差

色泽是消费者购买的重要指标，直接影响消费者的接受程度[16]。由表8可以看出，在冷藏期间，两组鲈鱼肉均呈现L*值和a*值变小，b*值增大的趋势，原因是在冷藏过程中蛋白质变性使亮度（L*值）降低。使用PE保鲜膜包裹的鲈鱼片在试验期间L*值由53.95降到46.88，壳聚糖-植酸复合膜包裹的鲈鱼片L*值虽也呈现下降趋势，但整体要高一些，证明植酸的加入可抑制蛋白质变形聚集。对于a*值的下降，说明鲈鱼肉内的肌红蛋白参与了氧化反应[17]，状态发生变化。冷藏第12天时显示PE保鲜膜包裹对鲈鱼片的保鲜作用并不佳，鱼片的a*值为负，偏绿。冷藏过程中，鲈鱼片b*值的升高是由于鲈鱼肉的脂肪氧化以及色素降解导致[18]。试验末期（12 d），PE保鲜膜组的b*值已达12.56，而壳聚糖-植酸复合膜组为9.74。由于植酸具有很强的鳌合能力，能有效鳌合金属离子使其失去原有的催化特性，以延缓和防止鱼片的颜色和品质劣变，所以壳聚糖-植酸复合膜对保持鲈鱼片色泽有很好的效果。

表8 不同处理组鲈鱼片冷藏期间色泽的变化Table 8 Color changes of perch slices in different treatment groups during storage

2.4.3 鲈鱼片电子鼻分析结果

电子鼻技术可以高效检测出物品气味的变化，降低感觉主观性，客观地判断样品的新鲜度[19]。PCA分析是电子鼻数据处理中的最常用的方法，是将多维数据进行降维分析，横坐标代表主成分1的贡献率，纵坐标代表主成分2的贡献率。由图3可以看出，对PE保鲜膜包裹的鲈鱼片进行电子鼻分析，得到第一主成分和第二主成分的贡献率分别为98.33%和1.61%。图4显示，对壳聚糖-植酸复合膜包裹的鲈鱼片进行电子鼻分析，得到第一主成分和第二主成分的贡献率分别为99.77%和0.15%。两个处理组样品的主成分1和主成分2的贡献率之和均大于85%，说明样品干扰很小，可以很好地反映出原始数据的信息。PE保鲜膜包裹的鲈鱼片只有在0～3 d气味相近；壳聚糖-植酸复合膜包裹的鲈鱼片在0～6 d气味相近且存在交叉，说明鱼肉的气味差异较小，冷藏第12天时，气味与之前相比差异较大，说明气味变化明显。总体观察图5可见，两组雷达图在轮廓形状上相似，传感器R7响应值变化最为显著，R9和R2响应值也比较强烈，气味轮廓图上存在大小差异明显，说明传感器对PE保鲜膜中产生的无机、有机硫化物（R7、R9）以及氮氧化合物（R2）比复合膜敏感，复合膜中抗氧化剂植酸可以有效抑制鱼片不良气体的产生。

图3 PE保鲜膜包裹鲈鱼片PCA分析Fig.3 PCA analysis of perch slices wrapped with PE plastic film

图4 壳聚糖-植酸复合膜包裹鲈鱼片PCA分析Fig.4 PCA analysis of perch slices coated withchitosan-phytic acid composite film

图5 电子鼻雷达图Fig.5 Electronic nose radar chart

3 结论

本文通过单因素试验结合响应面优化试验得出壳聚糖-植酸复合膜的最佳配方为：壳聚糖添加量1.5 g/100 mL，植酸添加量0.06 g/100 mL，丙三醇添加量0.225%，在此条件下制备的复合膜的各项性能均最佳，拉伸强度可达29.281 MPa。对鲈鱼片进行包裹，与PE保鲜膜相比，其感官品质、色差和电子鼻分析结果表明，壳聚糖-植酸复合膜包裹的鲈鱼片的感官品质、色泽和气味均显著优于PE保鲜膜，证明壳聚糖-植酸复合膜可以有效提高鲈鱼片的品质。但本试验仍需进行优化来提高膜的水蒸气透过系数、拉伸强度，预期可以应用于食品保鲜领域。