陳達(dá)佳，趙 利，袁美蘭，蘇 偉，劉 華

（江西科技師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，國家淡水魚加工技術(shù)研發(fā)分中心，江西 南昌 330013）

阿魏酸改性膠原蛋白-殼聚糖復(fù)合膜工藝優(yōu)化

陳達(dá)佳，趙 利*，袁美蘭，蘇 偉，劉 華

（江西科技師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，國家淡水魚加工技術(shù)研發(fā)分中心，江西 南昌 330013）

以鮰魚皮膠原蛋白與殼聚糖為原料制備可食用復(fù)合膜，用阿魏酸進(jìn)行改性。通過正交試驗考察阿魏酸添加量、熱處理溫度和熱處理時間對復(fù)合膜性能的影響，以期降低復(fù)合膜的水蒸氣透過率和增強復(fù)合膜的機械性能。結(jié)果表明：阿魏酸添加量、熱處理溫度、熱處理時間對復(fù)合膜的性能影響顯著。最佳改性條件為：阿魏酸添加量2%、熱處理溫度70 ℃、熱處理時間30 min。在此條件下，得到復(fù)合膜拉伸強度（24.72±0.86） MPa、斷裂伸長率（102.99±1.58）%、水蒸氣透過率（0.25±0.01） （g·mm）/（h·m2·kPa）、溶解度（27.96±0.76）%、透光率（84.1±0.9）%。

阿魏酸；膠原蛋白；殼聚糖；改性；復(fù)合膜

在過去10 a中，可再生、可降解的天然聚合物在食品包裝膜上的應(yīng)用引起了人們的廣泛關(guān)注。然而用這些天然聚合物做成的包裝膜并不能完全取代合成塑料[1]，原因是可食用膜與合成聚合膜（如低密度聚乙烯膜、高密度聚乙烯膜）相比，其拉伸強度低、水蒸氣透過率高[2]。針對可食用膜的這些缺點，一些可食用膜改良劑逐漸被研究出來，使得可食用膜在一些應(yīng)用上仍然有潛力代替合成聚合膜。

常見可食用膜的基質(zhì)主要有蛋白質(zhì)、多糖、脂質(zhì)及它們之間的混合物[3-4]?？墒秤媚た梢员晃⑸锼到饣蚺c被包裝食品一起食用，也可以作為添加劑的載體，例如抗菌劑、抗氧化劑、維生素、芳香物質(zhì)及色素等[5-8]。此外可以用來制作可食用膜的天然聚合物（如膠原蛋白、殼聚糖）都可以從工業(yè)下腳料中獲得。

蛋白質(zhì)和多糖具有親水性，由這些高分子做成的可食用膜能有效的阻隔氧氣、二氧化碳、香味物質(zhì)和油脂等，但與合成聚合物相比，它們的一些性能（如高水蒸氣透過率、低機械性能）限制了其應(yīng)用[9]。因此，可食用膜常常需要改性，常用改性的方法有化學(xué)改性、物理改性和酶法改性。化學(xué)改性、物理改性和酶法改性分別是通過使用交聯(lián)劑戊二醛、γ射線和轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶交聯(lián)聚合物鏈改變聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而提高生物膜的性能。但戊二醛有細(xì)胞毒性，超聲波、γ射線和轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶成本太高[10]。

阿魏酸是廣泛存在于植物界的一種酚酸，可以交聯(lián)蛋白質(zhì)[11]、多糖[12]、蛋白質(zhì)與多糖[13]、多糖與多糖[14]，安全無毒、價格低廉[15]。阿魏酸能增加蛋白質(zhì)或者多糖的交聯(lián)主要通過以下一些機制：一是通過以醌為媒介反應(yīng)進(jìn)行交聯(lián)[16-17]；二是通過與蛋白質(zhì)或者多糖的羥基進(jìn)行酯化來交聯(lián)；三是以自由基為媒介進(jìn)行交聯(lián)[18]。

本研究旨在利用阿魏酸交聯(lián)膠原蛋白與殼聚糖復(fù)合成膜，以期在維持良好的機械性質(zhì)、溶解度、透光率性質(zhì)的基礎(chǔ)上降低水蒸氣透過率性質(zhì)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

膠原蛋白由農(nóng)業(yè)部淡水魚加工技術(shù)研發(fā)分中心（南昌）提供[8]；殼聚糖 北京索萊寶科技有限公司；阿魏酸、甘油、冰乙酸等均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

CT3質(zhì)構(gòu)儀 美國BrookField公司；N-1100旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 東京理化器械公司；79HW-1恒溫磁力攪拌器江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司；烘箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司；UV-1100紫外分光光度計 上海美譜達(dá)儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 復(fù)合膜的制備

將殼聚糖溶于2%的乙酸溶液中，加熱攪拌后得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的殼聚糖溶液。用0.5 mol/L的乙酸提取鮰魚皮中的膠原蛋白3 d，取一定量旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.67%。

將上述膠原蛋白溶液與殼聚糖溶液按質(zhì)量比6∶4混合，加入占總?cè)苜|(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的甘油，然后加入一定量的阿魏酸，在一定溫度條件下加熱攪拌一段時間，去除氣泡，流延于聚乙烯盤內(nèi)，在50 ℃條件下干燥24 h，移出后揭膜，將膜置于盛有飽和Mg(NO3)2·6H2O溶液的干燥器中，25 ℃條件下，保持相對濕度（50±3）%，48 h后測定膜的各項性能指標(biāo)。

1.3.2 機械性能的測定

按照Arvanitoyannis等[19]的方法，采用質(zhì)構(gòu)儀TAXT2i測定各膜的抗拉伸強度（tensile strength，TS）和斷裂拉伸率（elongation at break，EAB）。每種膜測定5 個平行樣，每個樣品大小為1.5 cm×8 cm。

TS指膜在軸向拉伸力作用下，破裂前所承受的最大應(yīng)力，按式（1）計算：

式中：TS為膜的抗拉伸強度/MPa；F為軸向拉伸力/ N；L為膜的寬度/mm；X為膜的厚度/mm。

EAB是評價膜在拉伸測試中破裂時延伸能力的指標(biāo)，按式（2）計算：

式中：EAB為斷裂伸長率/%；E為膜樣品在斷裂時所達(dá)到的長度/mm；E0為膜的初始長度/mm。

1.3.3 水蒸氣透過率（water vapor permeability，WVP）的測定

采用修正的ASTM[20]方法測定。干燥器底部加入蒸餾水，25 ℃條件下，蒸餾水使干燥器內(nèi)的相對濕度保持在100%。透濕杯內(nèi)裝無水氯化鈣，透濕杯上覆蓋待測膜，置于相對濕度為50%的干燥器內(nèi)，每隔1 h稱量透濕杯的質(zhì)量。水蒸氣透過率按式（3）計算：

式中：WVP為水蒸氣透過率/（（g·mm）/（h·m2·kPa））；q/t為單位時間內(nèi)透濕杯增加質(zhì)量的算術(shù)平均值/（g/h）；d為樣品膜厚度/mm；S為樣品膜實驗面積/m2；ΔP為試樣兩側(cè)的蒸汽壓/kPa，由于膜兩側(cè)的相對濕度梯度為50%、測定溫度為25℃，故Δ P為1.58 kPa。

1.3.4 溶解度的測定

按照Gontard等[21]的方法，將膜樣（2 cm×2 cm）在100 ℃條件下干燥至質(zhì)量恒定，稱質(zhì)量M1，然后將樣品直接放入盛有50 mL蒸餾水的離心管中，在室溫25 ℃條件下浸泡24 h，隔一段時間攪動離心管。將沒有溶解的膜取出來，用濾紙吸干表面的水分，在100 ℃條件下干燥至質(zhì)量恒定，稱質(zhì)量M2。溶解度（S）按式（4）計算：

式中：S為膜的溶解度/%；M1為膜溶解前干燥后的質(zhì)量/g；M2為未溶物干燥后的質(zhì)量/g。

1.3.5 透光率的測定

將待測樣品裁剪成10 mm×50 mm矩形，貼于比色皿內(nèi)側(cè)，采用修正過的ASTM[22]方法在800 nm波長處測定透光率，以空比色皿作為對照，用透光率（T）大小間接表示膜的透明度。

1.3.6 單因素試驗

1.3.6.1 阿魏酸添加量對復(fù)合膜性質(zhì)的影響

分別添加占總?cè)苜|(zhì)質(zhì)量1%、2%、3%、4%、5%的阿魏酸，在70 ℃條件下加熱攪拌30 min，按照1.3.1節(jié)所述制備復(fù)合膜后測定各項指標(biāo)。

1.3.6.2 熱處理溫度對復(fù)合膜性質(zhì)的影響

了空法師輕輕地嘆了口氣，看來這孩子塵緣未了，暫時不給他受戒看來是對的。佛門修身更修心，若只受戒而不持戒，又有何用？說來這寺院也氣象莊嚴(yán)，進(jìn)了這佛門凈地，遁入了空門，應(yīng)當(dāng)四大皆空，六根清凈的，可人心偏偏既不清也不靜，消除不了世俗欲念，連一個小和尚也不例外。了空法師又沉沉地嘆息了一聲，離開佛殿，穿過天井，進(jìn)自己的禪房去了。

加入占總?cè)苜|(zhì)質(zhì)量2%的阿魏酸，分別在50、60、70、80、90 ℃條件下加熱攪拌30 min，按照1.3.1節(jié)所述制備復(fù)合膜后測定各項指標(biāo)。

1.3.6.3 熱處理時間對復(fù)合膜性質(zhì)的影響

加入占總?cè)苜|(zhì)質(zhì)量2%的阿魏酸，分別在70 ℃條件下加熱攪拌10、30、50、70、90 min，按照1.3.1節(jié)所述制備復(fù)合膜后測定各項指標(biāo)。

1.3.7 正交試驗

綜合考慮阿魏酸添加量、熱處理溫度、熱處理時間對復(fù)合模制備的影響，按照L9（34）進(jìn)行正交試驗設(shè)計，以拉伸強度、斷裂伸長率、水蒸氣透過率為表觀特征評分指標(biāo)，表觀評分標(biāo)準(zhǔn)公式：評分=A＋B＋2C（A代表TS表觀特征得分，B代表EAB表觀特征得分，C代表WVP表觀特征評分）。相應(yīng)正交試驗的因素和水平、復(fù)合膜表觀特征評分標(biāo)準(zhǔn)分列在表1、2。

表1 正交試驗因素水平Table1 Factors and levels used in orthogonal array design

表2 復(fù)合膜表觀特征評分標(biāo)準(zhǔn)Table2 Grading criteria for apparent characteristics of the composite film

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 阿魏酸添加量對復(fù)合膜性質(zhì)的影響

圖1 阿魏酸添加量對復(fù)合膜機械性質(zhì)的影響Fig.1 Effect of ferulic acid concentration on mechanical properties of the composite film

由圖1可知，復(fù)合膜的TS隨著阿魏酸添加量的增加先增加后減小。當(dāng)阿魏酸添加量開始增加，復(fù)合膜的抗拉伸強度增加，阿魏酸的含量為2%時，TS值達(dá)到最大（24.69±1.04） MPa，這可能是由于阿魏酸的交聯(lián)作用使CO—CH形成穩(wěn)定化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得膜更加致密，從而使得復(fù)合膜TS值增加[13]。但隨著阿魏酸添加量的進(jìn)一步增加，多余的阿魏酸不能與CO—CH反應(yīng)而游離于復(fù)合膜中，形成相分離，從而降低了復(fù)合膜的TS，這與Ou Shiyi等[11]的研究結(jié)果相似。復(fù)合膜的EAB值隨著阿魏酸添加量的增加先減小后增加。當(dāng)阿魏酸添加量開始增加時，EAB值減小，阿魏酸添加量為2%時，EAB達(dá)到最小值（101.03±2. 51）%，這可能是由于阿魏酸增加了CO—CH分子間的交聯(lián)，減小了其分子間的距離，使得EAB值降低。但當(dāng)阿魏酸含量進(jìn)一步增加時，EAB值開始增加，這可能是由于多余的阿魏酸減弱了CO—CH分子之間的相互作用，使得成膜分子間的距離增加。

圖2 阿魏酸添加量對復(fù)合膜水蒸氣透過率（A）、溶解度（B）、透光率（C）的影響Fig.2 Effect of ferulic acid concentration on WVP (A), S (B), and T (C) properties of the composite film

綜上可知，當(dāng)添加阿魏酸添加量為2%時，復(fù)合膜的TS值達(dá)到最大，WVP值最低，故選擇阿魏酸添加量2%為最佳單因素。

2.1.2 熱處理溫度對復(fù)合膜性質(zhì)的影響

圖3 熱處理溫度對復(fù)合膜機械性質(zhì)的影響Fig.3 Effect of heat treatment temperature on mechanical properties of the composite film

由圖3可知，復(fù)合膜的TS值隨著熱處理溫度的升高先增加后減小。熱處理溫度為70 ℃時TS值達(dá)到最大為（24.69±1.04）MPa，這可能是由于較高的熱處理溫度有助于膠原蛋白與殼聚糖分子的運動速度，提高阿魏酸交聯(lián)兩者的機率，增加了兩種分子相互作用的機會，使得相互作用力逐漸增強，形成膜的結(jié)構(gòu)也趨于致密。當(dāng)熱處理溫度達(dá)到80、90 ℃，TS值顯著降低到（16.53±1.20）、（6.86±0.61）MPa，這可能是由于此加熱溫度導(dǎo)致膠原蛋白與殼聚糖形成的交聯(lián)物質(zhì)熱變性，使得膜的TS值下降。復(fù)合膜的EAB值隨著熱處理溫度的增加而先顯著減小，在熱處理溫度為50～70 ℃時，復(fù)合膜EAB值減小，這可能是由于較高的熱處理溫度有助于提高膠原蛋白與殼聚糖分子的運動速度，增大阿魏酸交聯(lián)兩者的機率，增強了兩種分子之間相互作用的機會，使相互作用力逐漸增強，膜結(jié)構(gòu)趨于致密。當(dāng)熱處理溫度為80、90 ℃，復(fù)合膜EAB值從（101.03±2.51）%降低到（90.06±2.42）%、（62.38±3.42）%，這可能是由于此時加熱溫度導(dǎo)致膠原蛋白與殼聚糖形成的交聯(lián)物質(zhì)熱變性，使得EAB值降低。

由圖4A、B可知，復(fù)合膜WVP值和S值隨著熱處理溫度升高先減小后增加。在70 ℃時，兩者均達(dá)到最低（0.25±0.01）（g·mm）/（h·m2·kPa）、（28.19±1.27）%。這可能是由于較高的熱處理溫度有助于提高膠原蛋白與殼聚糖分子的運動速率，提高了阿魏酸交聯(lián)兩者的機率，增加兩種分子相互作用的機會，使得相互作用力逐漸增強，形成的膜結(jié)構(gòu)也趨于致密，從而降低水蒸氣透過率，并使膜不易破裂和溶解。當(dāng)溫度達(dá)到80、90 ℃，WVP值和S值顯著增加，S值分別顯著增加到（44.66±1.98）%、（56.42±1.58）%，這可能是由于此加熱溫度導(dǎo)致膠原蛋白與殼聚糖形成的交聯(lián)物質(zhì)熱變性。由圖4C可知，熱處理溫度對復(fù)合膜在800 nm波長處的透光率有顯著影響，復(fù)合膜T值隨著熱處理溫度的升高而逐漸增加。

圖4 熱處理溫度對復(fù)合膜水蒸氣透過率（A）、溶解度（B）、透光率（C）的影響Fig.4 Effect of heat treatment temperature on WVP (A), S (B) and T (C) properties of the composite film

綜上可知，當(dāng)熱處理溫度為70 ℃時，復(fù)合膜的TS值達(dá)到最大，WVP值最低，故選擇熱處理溫度70 ℃為最佳單因素。

2.1.3 熱處理時間對復(fù)合膜性質(zhì)的影響

由圖5可知，復(fù)合膜TS值隨著熱處理時間的延長先顯著增加后顯著減小。當(dāng)熱處理時間開始增加時，復(fù)合膜TS值增加，熱處理時間為30 min時，TS值達(dá)到最大（24.69±1.04）MPa，這可能是由于熱處理時間較短時，膠原蛋白與殼聚糖在較短時間的磁力攪拌作用下分子間相互作用位點增多，有利于阿魏酸交聯(lián)，使得分子間作用力增強，TS值增加。但在時間進(jìn)一步延長時，攪拌容易打斷部分已形成的膠原蛋白-殼聚糖交聯(lián)結(jié)構(gòu)，從而使得TS值降低。復(fù)合膜的EAB值隨著熱處理時間的延長先增加后顯著減小。當(dāng)熱處理時間開始延長時，復(fù)合膜EAB值增加，這可能是由于在熱處理時間為10 min時，膠原蛋白-殼聚糖混合的不均勻，不利于阿魏酸的交聯(lián)，且阿魏酸可能與膠原蛋白-殼聚糖溶液相分離，有較低EAB值。當(dāng)熱處理時間達(dá)到30 min時，膠原蛋白-殼聚糖混合均勻，開始有利于阿魏酸的交聯(lián)，EAB值增加到（101.03±2.51）%。但當(dāng)熱處理時間進(jìn)一步延長，攪拌容易打斷部分已形成的膠原蛋白-殼聚糖交聯(lián)結(jié)構(gòu)，使得EAB值降低。

圖5 熱處理時間對復(fù)合膜機械性質(zhì)的影響Fig.5 Effect of heat treatment time on mechanical properties of the composite film

由圖6A、B可知，復(fù)合膜WVP值和S值隨著熱處理時間的延長而先減小后緩慢增加。當(dāng)熱處理時間更長時，二者減小，當(dāng)熱處理時間為30 min時，WVP值達(dá)到最?。?.25±0.01）（g·mm）/（h·m2·kPa），S值達(dá)到最?。?8.19±1.27）%。這可能是由于膠原蛋白與殼聚糖在較短時間的磁力攪拌作用下分子間相互作用位點增多，有利于阿魏酸交聯(lián)，使得分子間作用力增強，膜結(jié)構(gòu)更加致密，有利于阻隔水分的遷移，使得膜不易破裂和溶解。當(dāng)熱處理時間進(jìn)一步增加時WVP值沒有顯著的改變，而復(fù)合膜的S值的顯著增加可能是由于攪拌容易打斷部分已形成的膠原蛋白-殼聚糖交聯(lián)結(jié)構(gòu)。由圖6C可知，熱處理溫度對復(fù)合膜在800 nm波長處的透光率有顯著影響，復(fù)合膜T值隨著熱處理溫度的增加而逐漸增加。

圖6 熱處理時間對復(fù)合膜水蒸氣透過率（A）、溶解度（B）、透光率（C）的影響Fig.6 Effect of heat treatment time on WVP (A), S (B) and T (C) properties of the composite film

綜上可知，當(dāng)熱處理時間為30 min時，復(fù)合膜的TS值達(dá)到最大，WVP值最低，故選擇熱處理時間30 min為最佳單因素。

2.2 改性復(fù)合膜制備工藝優(yōu)化

2.2.1 正交試驗

通過單因素試驗表明，阿魏酸添加量、熱處理溫度、熱處理時間對復(fù)合膜的機械性能和水蒸氣透過率性能有不同程度的影響。正交試驗結(jié)果見表3、4。

表3 正交試驗設(shè)計及結(jié)果Table3 Orthogonal array design and results

表4 正交試驗方差分析結(jié)果Table4 Visual analysis of the orthogonal array experimental design

由表4可以看出，水平2得分最高，所以最優(yōu)工藝條件為阿魏酸添加量2%、熱處理溫度70 ℃、熱處理時間30 min。

2.2.2 驗證實驗

表5 正交試驗驗證結(jié)果Table5 Validation of the orthogonal array experimental design

按照正交試驗篩選出的工藝條件阿魏酸添加量2%、熱處理溫度70 ℃、熱處理時間30 min進(jìn)行3 次驗證實驗。由表5可以看出，3 次驗證實驗的結(jié)果沒有顯著性差異。得到結(jié)果為伸強度（24.72±0.86）MPa、斷裂伸長率（102.99±1.58）%、水蒸氣透過率（0.25±0.01）（g·mm）/（h·m2·kPa）、溶解度（27.96±0.76）%、透光率（84.1±0.9）%。說明所篩選出來的工藝合理可行，穩(wěn)定可靠，具有可重復(fù)性。

3 結(jié) 論

通過阿魏酸改性膠原蛋白-殼聚糖復(fù)合膜實驗表明：阿魏酸添加量、熱處理溫度、熱處理時間對復(fù)合膜的性能影響顯著。最佳改性條件為阿魏酸添加量2%、熱處理溫度70 ℃、熱處理時間30 min，此時得到復(fù)合膜拉伸強度（24.72±0.86）MPa、斷裂伸長率（102.99±1.58）%、水蒸氣透過率（0.25±0.01）（g·mm）/（h·m2·kPa）、溶解度（27.96±0.76）%、透光率（84.1±0.9）%。這些性能的改變說明阿魏酸能夠增加膠原蛋白-殼聚糖復(fù)合膜分子間的交聯(lián)，改善復(fù)合膜的特性。機械性能的增加能夠增強可食用膜的物理包裝性能，水蒸氣透過率的降低能夠減少食品與外部環(huán)境的水分轉(zhuǎn)移速率，不僅能減少食品水分的損失，而且能夠減少食品受到外界環(huán)境的污染，在此基礎(chǔ)上可望開發(fā)出一種具有廣發(fā)應(yīng)用前景的新型可食用膜材料。

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Effect of Modification with Ferulic Acid on Properties of Collagen-Chitosan Edible Films

CHEN Da-jia, ZHAO Li*, YUAN Mei-lan, SU Wei, LIU Hua
(National R&D Branch Center for Conventional Freshwater Fish Processing, School of Life Science, Jiangxi Science and Technology Normal University, Nanchang 330013, China)

The aim of this work was to develop composite edible film based on Amiurus nebulosus skin collagen and chitosan using ferulic acid to modify functional properties of the composite film. The effects of ferulic acid concentration, temperature and heating time on the water vapor permeability and mechanical properties of the edible film were investigated by using an orthogonal array design. The results showed that all the investigated variables could affect significantly the properties of the films. The tensile strength, elongation at break, water vapor permeability, solubility, and light transmittance of the composite film prepared by adding 2% ferulic acid and heating at 70 ℃ for 30 min were (24.72 ± 0.86) MPa, (102.99 ± 1.58)%, (0.25 ± 0.01) (g mm)/(h m2kPa), (2 7.96 ± 0.76)%, and (84.1 ± 0.9)%, respectively.

ferulic acid; collagen; chitosan; modification; composite film

TS254.4

A

1002-6630（2014）20-0073-06

10.7506/spkx1002-6630-201420015

2014-01-11

江西省高等學(xué)校科技落地計劃項目（KJLD12009）

陳達(dá)佳（1986—），男，碩士研究生，研究方向為食品化學(xué)。E-mail：kjchendajia@163.com

*通信作者：趙利（1967—），女，教授，博士，研究方向為食品化學(xué)。E-mail：lizhao618@hotmail.com