宋琳璐,單夢圓,唐 艷,胡 熠,楊文鴿,徐大倫,樓喬明,張進(jìn)杰

(寧波大學(xué)海洋學(xué)院,浙江寧波 315211)

近年來,一次性塑料包裝材料引起的食品安全問題日益受到關(guān)注,塑料垃圾在自然界中不易分解腐爛,給生態(tài)環(huán)境造成負(fù)面影響。而且,在食品加工貯藏過程中,塑料中殘留的一些化學(xué)物質(zhì)可能會向袋內(nèi)食品遷移,這刺激了食品包裝產(chǎn)業(yè)研發(fā)安全的可生物降解包裝材料[1]。可生物降解包裝膜具有綠色環(huán)保、無毒無害、能夠提高食品的質(zhì)量和延長食品保質(zhì)期等優(yōu)點,近年來研究較多的可生物降解的膜材料有多糖、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)或這些中性大分子材料的組合物[2-3]。其中蛋白質(zhì)膜的原材料可以來自于植物(麥麩、玉米醇溶蛋白和大豆蛋白),也可來源于動物,如膠原、明膠和乳清蛋白[4-5]。而明膠因具有豐富的來源和良好的成膜性能,在全球受到廣泛重視。明膠是衍生自膠原的蛋白質(zhì)材料,可以用作食品添加劑、可食性包裝膜材料以及作為封裝劑[6]。

羅非魚我國重要的經(jīng)濟(jì)魚類,近年來我國每年加工量高達(dá)60萬噸以上,在加工過程中產(chǎn)生的魚體重4%的魚鱗下腳料,為魚鱗明膠的生產(chǎn)提供了充足的來源[7]。由于魚鱗中沒有血液循環(huán),且水生動物膠原安全性高于陸地動物,因而魚鱗膠原蛋白被認(rèn)為是最安全的膠原蛋白之一[8]。但與哺乳動物明膠相比,魚類明膠中亞氨基酸(脯氨酸和羥脯氨酸)的含量較低,導(dǎo)致魚類明膠的熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度較低[9]。明膠蛋白中含有較多的親水性氨基酸,現(xiàn)有研究報道明膠膜的耐水性能普遍較差,這限制了明膠作為食品包裝的應(yīng)用領(lǐng)域。

桔子為蕓香科植物,用桔皮提取的精油被廣泛應(yīng)用于食品香辛料中,其具有清甜的果香氣味,給人以新鮮感[10]。同時,由于其來源豐富且價格低廉,桔子精油有望作為疏水性物質(zhì),以改善魚鱗明膠膜的水蒸汽阻隔性能。此外,萜烯類(檸檬烯等)、芳香族化合物(芳樟醇、葛縷醇、酮類化合物等)和萜類化合物是桔子精油的主要成分,這使其具有一定的抑菌和抗氧化活性,能夠通過降低脂質(zhì)氧化來延長食物的保質(zhì)期[10-11]。因此,柑橘精油可作為對人體和環(huán)境有害的化學(xué)殺菌劑的天然替代物,在食品應(yīng)用中具有較大的應(yīng)用潛力。

近年來有研究將牛至精油[12]、姜精油[13]添加到魚皮明膠膜中以改善膜的各項性能,而將桔子精油加入魚鱗明膠膜的研究鮮有報道。本文以魚鱗明膠為基質(zhì),通過添加不同濃度的桔子精油制備桔子精油-魚鱗明膠可食性膜,研究桔子精油濃度對魚鱗明膠成膜特性的影響,并從精油作用于魚鱗明膠分子結(jié)構(gòu)的角度進(jìn)行解析桔子精油優(yōu)化魚鱗明膠可食膜性能的機(jī)理。以期為工業(yè)化生產(chǎn)魚鱗明膠可食性膜提供理論基礎(chǔ),提高其在食品包裝上的應(yīng)用范圍。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

羅非魚魚鱗明膠 廣東歐帝瑪生物工程有限公司;甘油 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;桔子精油 上海奇卡商貿(mào)有限公司;Tween-20 北京索萊寶科技有限公司;營養(yǎng)肉湯培養(yǎng)基、營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基 杭州微生物試劑有限公司;金黃色葡萄球菌(ATCC 25923)、大腸桿菌(ATCC 25922) 中國農(nóng)業(yè)微生物菌種保藏管理中心。

78-1磁力加熱攪拌器 常州國華電器有限公司;HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋 國華電器有限公司;XHF-D高速分散器 寧波新芝生物科技股份有限公司;DHG-9070AS電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 寧波江南儀器廠;JASCO傅立葉紅外光譜儀 日本分光公司;HZQ-100A回旋振蕩器 上海一恒科學(xué)儀器有限公司;數(shù)顯千分測厚規(guī) 上海川陸量具有限公司;CR400色差儀 日本柯尼卡美能達(dá);DSC200F3差示掃描量熱儀 德國NETZSCH公司;INSTRON 5567萬能材料實驗機(jī) 美國英斯特朗公司;恒溫恒濕培養(yǎng)箱 上海發(fā)瑞儀器科技有限公司。

1.2 桔子精油明膠復(fù)合膜的制備

參考Tongnuanchan等人[14]的方法略有修改,稱取1.5 g干樣羅非魚鱗明膠,溶于50 mL去離子水中,靜置溶脹20 min,再于50 ℃水浴20 min至充分溶解;將25%、50%、75%、100%(w/w,基于明膠的質(zhì)量)的桔子精油與0.25 g/g(吐溫/精油)的Tween-20混合均勻,加入明膠溶液中;在22000 r/min條件下均質(zhì)3 min;再加入0.3 g/g(甘油/明膠)的甘油,磁力攪拌5 min混合均勻;成膜液在4000 r/min條件下離心1 min脫除氣泡;再倒入10 cm×10 cm的平板中,放置于4 ℃冰箱中,凝膠狀時放入25 ℃的鼓風(fēng)干燥箱中干燥24 h,取出揭膜;測定前將干燥后的可食性膜放在25 ℃(相對濕度50%(1%)恒溫恒濕箱中平衡48 h,再進(jìn)行各項性能指標(biāo)測試。

1.3 膜厚度檢測

用千分測厚規(guī)(精確到0.001 mm)在每張膜上均勻取9個點,測厚度,取平均值。

1.4 膜機(jī)械性能

將可食性膜剪成2 cm×5 cm的樣品,用萬能材料實驗機(jī)測定膜的抗拉伸強(qiáng)度(TS)、斷裂伸長率(EAB)和彈性模量(EM)。測試的夾具間距為30 mm,拉伸速度為30 mm/min。每個樣品重復(fù)測定5次,計算平均值[15]。

1.5 含水量

將膜剪成1 cm×4 cm的樣品,稱量膜質(zhì)量Wi;放入105 ℃鼓風(fēng)干燥箱中烘干至恒重,稱量膜質(zhì)量Wf[16]。每個樣品重復(fù)測定三次。

水分含量(Moisture Content)計算公式如下:

1.6 溶解性

將膜剪成1 cm×4 cm的樣品,放入105 ℃鼓風(fēng)干燥箱中烘干至恒重,稱量膜質(zhì)量Wi;將樣品浸沒在30 mL蒸餾水中,室溫下浸泡24 h;溶液用濾紙過濾,將濾紙和膜不溶部分在105 ℃鼓風(fēng)干燥箱中烘干至恒重,稱量膜質(zhì)量Wf[15]。每個樣品重復(fù)測定三次。

水溶性(Water Solubility)計算公式如下:

1.7 水蒸汽透過率(WVP)

將膜剪成4 cm×4 cm的樣品,在5 mL的小燒杯中加入5 mL去離子水,用膜封口,置于含有硅膠的干燥器中,用±0.0001 g分析天平稱重,10 h內(nèi)每2 h稱量一次。通過線性回歸獲得質(zhì)量相對于時間變化的斜率。每個樣品重復(fù)測定三次。

水汽滲透性(Water Vapor Permeability)計算公式[15]如下:

式中:WVTR(Water Vapor Transmission Rate)為膜的水蒸汽透過率(g/h·m2),由質(zhì)量隨時間變化率除以封口膜面積(m2)得到；L是平均膜厚度(mm);ΔP為膜兩側(cè)水蒸汽分壓差(kPa)。

1.8 顏色和透明度以及透光性

利用全自動色差儀測定可食性膜的色澤,以白板作為色差測定參比,在每張膜上選擇五處位置測量L*、a*、b*值,一個點從中央選取,另外沿著膜四周取4個點,計算平均值;顏色參數(shù)L*,a*,b*使用CIELAB色標(biāo)測量:L*=0(黑色)至L*=100(白色),-a*(綠色)到+a*(紅色)和-b*(藍(lán)色)到+b*(黃色)。

利用紫外-可見分光光度計測定200～800 nm范圍內(nèi)可食膜對紫外光和可見光的阻隔性能,將膜剪成1 cm×4 cm的樣品,貼于比色皿一側(cè),用空白比色皿做參比。在600 nm波長條件下測量吸光度確定膜的透明度[15]。每個樣品重復(fù)測定三次。

透明度計算公式如下:

透明度=-log T600/x

式中:T600:600 nm處可食膜的透光率;x:膜的厚度(mm)。

1.9 差示掃描量熱法

將待測膜放置在含有硅膠的干燥器中干燥2周。用±0.0001 g分析天平準(zhǔn)確稱量10 mg左右樣品,置于鋁制坩堝中并壓片封口,放入DSC儀器中,以空鋁皿作為參比。N2作為保護(hù)氣和吹掃氣,流量分別為60 mL/min和20 mL/min,以10 ℃/min的速率從20 ℃加熱到120 ℃[15]。

利用DSC配套的數(shù)據(jù)處理軟件對DSC曲線進(jìn)行分析,可食性膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)為轉(zhuǎn)變斜線的中點所對應(yīng)的溫度。

1.10 傅里葉變換紅外光譜和二級結(jié)構(gòu)分析

將可食性膜放置在含有硅膠的干燥器中干燥2周,在20%相對濕度環(huán)境下,取剪碎的膜片0.2 mg,加入2 mg KBr在研缽中研磨,取適量進(jìn)行壓片,然后固定于樣品架上,用傅立葉紅外光譜儀以4 cm-1的分辨率在400～4000 cm-1的波數(shù)范圍測定膜的紅外光譜。每個光譜掃描32次。

對可食性膜1600～1700 cm-1范圍內(nèi)的紅外光譜進(jìn)行傅立葉變換去卷積,并利用PeakFit4.12進(jìn)行二階導(dǎo)數(shù)擬合,得到的子峰數(shù)目在8～12之間,其殘差(R2)大于0.99。確認(rèn)峰位歸屬,計算各分峰面積的相對百分含量。

1.11 抑菌活性測定

通過常規(guī)液體培養(yǎng)實驗研究桔子精油明膠膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌活性。將0.18～0.20 g的樣品放入玻璃試管中,加入10 mL營養(yǎng)肉湯培養(yǎng)基,然后,將0.1 mL菌種接種到培養(yǎng)基中。在相同條件下用不含明膠膜培養(yǎng)的試管作為空白對照組。通過觀察細(xì)菌生長測定桔子精油明膠膜的抑菌活性。在統(tǒng)計分析之前,將細(xì)菌數(shù)轉(zhuǎn)化為log10菌落形成單位/克(CFU/g)。每個樣品重復(fù)3次,計算平均值[17]。

1.12 數(shù)據(jù)分析

所得數(shù)據(jù)使用SPSS 21.0(IBM SPSS Statistics)軟件處理,ANOVA法進(jìn)行方差分析,Duncan多重比較檢驗法進(jìn)行顯著性分析(p<0.05)。用Origin Pro9.0(Origin Lab)作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 桔子精油對魚鱗明膠膜厚度的影響

由表1可知,隨著桔子精油質(zhì)量濃度的增加,明膠膜的厚度逐漸上升,當(dāng)精油濃度為75%時,與對照膜相比顯著增加(p<0.05)。純魚鱗明膠膜的厚度為(0.101±0.007) mm,當(dāng)桔子精油濃度從25%增加到100%(w/w)時,膜的厚度從(0.105±0.007) mm升高到0.117±0.003 mm。Tongnuanchan等人[14]也發(fā)現(xiàn)與生姜、姜黃、姜參精油結(jié)合的魚皮明膠膜的厚度隨著精油含量的增加而增加。

表1 桔子精油魚鱗明膠膜的機(jī)械性能和厚度Table 1 Mechanical properties and thickness of fish scale gelatin films containing orange oil

明膠分子與桔子精油為互不相融成分,本實驗中隨著桔子精油量的增加,桔子精油-魚鱗明膠膜厚度的逐漸增加,這主要是由于精油成分增加了明膠膜結(jié)構(gòu)的疏松度,從而增加了膜的厚度[18]。同時,桔子精油油滴分布在蛋白質(zhì)鏈之間,降低了魚鱗明膠膜內(nèi)明膠分子網(wǎng)絡(luò)的致密性[14]。精油的存在也會阻礙明膠分子肽鏈之間的相互作用,導(dǎo)致明膠膜致密網(wǎng)絡(luò)的損失和明膠分子鏈有序排列的減少,從而會對魚鱗明膠膜的結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能有一定影響。

2.2 桔子精油對魚鱗明膠膜機(jī)械性能的影響

可食性膜在加工、運(yùn)輸、應(yīng)用過程中需要保持完整性以保護(hù)產(chǎn)品免受外界損傷?？墒承阅ぷ銐虻臋C(jī)械強(qiáng)度可以保證包裝的完整性。桔子精油魚鱗明膠膜的機(jī)械性能如表1所示,甘油增塑后的魚鱗明膠膜的抗拉強(qiáng)度(TS)為(12.83±1.10) MPa,斷裂伸長率(EAB)為50.42%±5.88%,彈性膜量值(EM)為(160.45±10.97) MPa。隨著桔子精油濃度的增加,魚鱗明膠膜的TS和EM值不斷降低,EAB逐漸增大。當(dāng)加入桔子精油的濃度較高(75%～100%)時,復(fù)合膜的TS和EM值與對照膜相比差異顯著(p<0.05)。

吳菲菲等[8]測得含有2%(w/v)明膠蛋白和0.3 g/g甘油的魚鱗明膠膜的TS為(27.55±1.67) MPa,EAB為57.82%±4.60%。與之相比,本實驗測得的明膠膜的拉伸強(qiáng)度相對較低,可能與制膜的厚度和成膜明膠蛋白的分子量分布相關(guān),通常情況是,高分子量成分含量越多膜越厚,膜的拉伸強(qiáng)度越高[19]。Qin等人[17]制備聚乳酸活性包裝膜,加入0.9%(w/w)香檸檬、檸檬草、迷迭香和丁香精油,結(jié)果顯示:添加植物精油的復(fù)合膜TS和EM隨著濃度增加而降低,EAB隨濃度增加而升高,和本實驗得到的結(jié)果一致。在實際應(yīng)用中,包裝膜的TS值必須大于3.5 MPa[20],并且聚合物膜必須能夠抵抗相當(dāng)大的應(yīng)力而不斷裂。因此,具有較高的EAB值和適當(dāng)?shù)腡S值的復(fù)合膜適用于食品包裝,由上可知,50%～75%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的桔子精油比較適宜。

2.3 桔子精油對魚鱗明膠膜含水量的影響

水分含量值用以評估可食性膜產(chǎn)品保持水分的能力。水分含量不僅能反映膜內(nèi)部明膠和精油的相互作用,而且還可以反映蛋白膜的吸濕性和親水性[21-22]。

從表2可以看出,經(jīng)甘油增塑之后的魚鱗明膠膜的水分含量為39.78%。當(dāng)明膠膜加入25%的桔子精油之后,水分含量顯著降低到29.29%。之后,隨著精油含量的增加,膜的含水量不斷降低,最低達(dá)到16.60%。Ansorena等人[23]在小麥面筋蛋白膜中加入百里香精油發(fā)現(xiàn)含有高濃度精油的活性膜與對照膜相比,水分含量顯著降低(63.4%～55.4%)。這反映了疏水脂質(zhì)成分對膜組成的影響,導(dǎo)致樣品的親水性總體降低,有助于延長膜的保質(zhì)期。由上可知,添加桔子精油后顯著改善了明膠膜的平衡水含量,加入75%～100%的桔子精油比較適宜。

表2 桔子精油魚鱗明膠膜的含水量、溶解度和WVPTable 2 The water content,solubility and WVP of fish scale gelatin films containing orange oil

2.4 桔子精油對魚鱗明膠膜溶解度的影響

膜的水不溶性或水抗性是食品保護(hù)過程中一個重要的特性,膜溶解度可以被看作是膜的耐水性和完整性的量度[21]。當(dāng)膜包裹的食品水分活度很高時或當(dāng)膜要與水接觸時,要避免新鮮或冷凍成分的滲出[24]。

由表2可以看出,純明膠膜的溶解度最高,達(dá)到53.66%;添加25%桔子精油的魚鱗明膠膜的溶解度與對照膜相比顯著降低(p<0.05);之后,隨著精油的濃度提高,膜的溶解度不斷下降,最低達(dá)15.01%。翁武銀等[25]加入20%的甘油制得的魚皮明膠膜的膜溶解度為57.62%±1.59%,Hosseini等[15]用4%魚皮明膠和30%甘油制備的可食膜的溶解度為63.81%,本實驗中明膠膜溶解度略低于這兩位研究者的結(jié)果。通常,蛋白溶解率的降低可用于判斷交聯(lián)改性的效果[21]。添加精油的魚鱗明膠膜的溶解度降低可能是因為桔子精油的非極性組分有利地與明膠的疏水結(jié)構(gòu)域相互作用[26],也可能是桔子精油在低濃度下分散,作為明膠分子之間間隙的填充,在更高的桔子精油濃度下誘導(dǎo)蛋白鏈之間的更強(qiáng)的相互作用[25],導(dǎo)致隨著精油含量的增加膜的水溶性降低。膜水溶性變化趨勢和水分含量變化具有一定的相關(guān)性,所以,桔子精油能夠改善魚鱗明膠膜對水的抗性,添加75%～100%的桔子精油比較適宜。

2.5 桔子精油對魚鱗明膠膜水蒸汽透過率的影響

水蒸汽透過率是可食性膜的一項重要性能指標(biāo),反映膜對水蒸汽的阻隔性能?？墒承阅さ闹匾δ苤皇菧p少包裝產(chǎn)品與環(huán)境之間的水分交換,從而減少產(chǎn)品的水分損失[27]。因為包裝內(nèi)的水會導(dǎo)致變質(zhì)反應(yīng)和微生物生長,所以WVP值應(yīng)該盡量低。然而,包裝膜的高WVP可允許更多的水蒸汽透過并降低包裝內(nèi)的相對濕度,因此,對于新鮮產(chǎn)品的保存,優(yōu)選適當(dāng)?shù)腤VP值。

由表2可以看出,魚鱗明膠膜的水蒸汽透過率為0.569 g·mm/kPa·h·m2,當(dāng)加入25%(w/w)精油時,其水蒸汽透過率與對照膜相比增大,達(dá)到0.607 g·mm/kPa·h·m2,之后隨著精油濃度的增加,水蒸汽透過率逐漸減小,最低達(dá)0.463 g·mm/kPa·h·m2。這可能是因為加入精油的含量低時,增加水分子轉(zhuǎn)移的曲折因子脂質(zhì)的不連續(xù)性是有限的,并且不能補(bǔ)償由桔子精油引入活性膜中的破壞。由于水蒸汽傳輸通常通過膜網(wǎng)絡(luò)的親水部分發(fā)生,因此水蒸汽透過率的高低也取決于膜組分的親水/疏水比[28],此外,精油摻入明膠中同時還伴隨著甘油含量的減少,所以,對于含有較高精油濃度的復(fù)合膜,其水蒸汽透過率隨著精油濃度的增加而減小。結(jié)合實際應(yīng)用,選擇濃度為75%～100%桔子精油較為適宜。

2.6 桔子精油對魚鱗明膠膜色差、透光度和透明度的影響

桔子精油明膠膜的色差如表3所示,加入桔子精油后可食膜的L*、a*、b*值與對照膜相比存在顯著性差異(p<0.05)。本實驗測得單一明膠膜的L*=91.04,a*=-0.97,b*=6.35,與陳書霖等[29]在2%羅非魚鱗明膠溶液,加入20%甘油作為增塑劑,測定的明膠膜L*=91.86,a*=-0.88,b*=1.42的結(jié)果相似。隨著桔子精油含量的增加,魚鱗明膠膜的L*值和a*值逐漸減小,說明膜的明亮度不斷降低,顏色越來越暗。b*值由6.35增加到12.37,說明在加入桔子精油后,明膠膜有變黃的趨勢,且隨著精油濃度的增加，膜的顏色進(jìn)一步加深。

表3 桔子精油魚鱗明膠膜的色差和透明度Table 3 Chromatic aberration and transparency of fish scale gelatin films containing orange oil

由圖1可知，在200～280 nm的紫外輻射范圍內(nèi),所有的膜都顯示出優(yōu)異的紫外阻隔性能。單一魚鱗明膠膜的紫外透光度低至0.01～0.14,加入桔子精油的明膠膜的紫外透光度更低,處在0.01～0.08范圍內(nèi)。這可能是由于在蛋白質(zhì)膜中吸收紫外光的芳香族氨基酸如酪氨酸和色氨酸含量高,也可能與蛋白質(zhì)中的肽鍵相關(guān)[30]。這與Tongnuanchan等[14]測得的羅非魚魚皮明膠膜在200 nm處0.01的透光度相一致,但在280 nm處,3.5%明膠濃度的魚皮明膠膜透光度為40.73,明顯高于本實驗獲得的數(shù)據(jù),這可能是由于成膜方法、測試條件、明膠濃度和組分等因素造成的。

圖1 桔子精油魚鱗明膠膜的透光度Fig.1 Light transmission of the fish scale gelatin films containing orange oil

由圖1可知，在350～800 nm的可見光區(qū),膜的透光性隨著精油濃度的提高逐漸降低。透光度降低可能是與分布在整個膜中的精油導(dǎo)致的不同程度的光散射相關(guān)[31]。此外,Limpan等人[32]提到膜的透光性最有可能由膜網(wǎng)絡(luò)中聚合物的排列來控制。

膜透明值越低,膜的實際透光度越高。在加入25%桔子精油之后,膜的透明值顯著提高(p<0.05),由0.0908升高到0.2548,之后隨著精油濃度的增加而不斷升高。明膠膜透光度的降低與添加精油有關(guān),精油中的著色成分以及有序膜蛋白網(wǎng)絡(luò)的破壞也使得含有精油的明膠膜的透明度降低[14]。因此,添加精油對明膠膜的外觀和光阻隔性質(zhì)具有影響,尤其在加入桔子精油之后明膠膜的紫外阻隔性能得到增強(qiáng),這有利于減緩由于紫外線照射引發(fā)的脂質(zhì)氧化對食品造成的劣變。在實際應(yīng)該中應(yīng)結(jié)合所包裝食品的色澤以及膜顏色的可接受度考慮,從而選擇適合濃度的可食性膜。

2.7 桔子精油對魚鱗明膠膜熱性能的影響

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)是材料從無定形固態(tài)到更粘稠的橡膠狀態(tài)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度,與體系流動性有關(guān)[33]。魚鱗明膠膜的DSC熱分析譜圖如圖2所示。單純添加甘油作為增塑劑的魚鱗明膠膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為59.1 ℃,加入25%桔子精油之后,明膠膜的Tg值降低為53.5 ℃,而當(dāng)精油濃度為50%時,Tg值隨濃度提高到64.1 ℃,之后隨著濃度的增加,Tg值基本維持在66 ℃左右。

圖2 桔子精油魚鱗明膠膜的DSC熱譜圖Fig.2 DSC thermograms of the fish scale gelatin films containing orange oil

本實驗測得的純明膠膜的Tg值低于吳菲菲[8]等人加入0.4 g/g甘油制得的羅非魚魚鱗明膠膜的Tg值(66.64 ℃),而略高于Hosseini[15]的冷水魚皮明膠膜的Tg值(56.9 ℃)。明膠膜玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的差異主要和明膠的來源、膜的組成和使用的方法有關(guān)。Tg是組分間易混合性的一個重要標(biāo)準(zhǔn),加入25%桔子精油的明膠膜的Tg值的下降反映了體系中精油、甘油與明膠蛋白等組分間的相融程度降低。之后,隨著精油濃度的增加，Tg值提高,表明明膠和精油之間發(fā)生了相互作用并隨濃度提高不斷加強(qiáng),提升了組分相融性,從而使明膠膜物理狀態(tài)的轉(zhuǎn)變需要吸收更多的熱,使得Tg值不斷升高。而當(dāng)精油濃度為100%時,Tg值不再升高,這可能是因為加入的精油過多,與蛋白質(zhì)基膜分離,分布于膜的表面[14]。整體上,添加桔子精油提高了魚鱗明膠膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,只有精油含量為25%時會降低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,可知添加濃度為50%～100%的桔子精油比較適宜。

2.8 桔子精油-魚鱗明膠復(fù)合膜的紅外光譜分析

圖3 桔子精油魚鱗明膠膜的紅外譜圖Fig.3 The FT-IR spectra of the fish scale gelatin films containing orange oil

2875～2879 cm-1和2926～2938 cm-1波數(shù)的峰存在于所有樣品中,分別對應(yīng)CH2和CH3基團(tuán)中的脂肪族C-H亞甲基的不對稱和對稱伸縮振動[37]。在添加精油的膜中這兩個峰的振幅較高,表明在膜基質(zhì)中存在含烴的精油。1732～1734 cm-1吸收峰只存在于含有精油的明膠膜中,代表醛或酯羰基的C=O伸縮振動,且振幅隨著精油含量的增加而增大。此外,923 cm-1和854 cm-1處的兩個帶與C-C鍵骨架伸縮振動相關(guān)[38],在含有精油的膜中更加明顯。這兩個峰的位置和強(qiáng)度隨精油含量的增加有明顯變化,因為精油的較長碳鏈結(jié)構(gòu)比較容易受到多聚物基質(zhì)和精油相互作用的影響[39]。整體來看,在桔子精油-魚鱗明膠膜的FTIR圖中酰胺Ⅰ和酰胺Ⅱ等響應(yīng)峰隨著精油含量的增加而變得更加尖銳,說明精油均勻分布到蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域的內(nèi)部,影響了明膠分子的結(jié)構(gòu),同時明膠與精油的相互作用與精油濃度有一定關(guān)系。

2.9 桔子精油-魚鱗明膠復(fù)合膜的二級結(jié)構(gòu)分析

蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)是通過主鏈上的C=O和N-H間的氫鍵作用維持,酰胺I帶(1600～1700 cm-1)對應(yīng)C=O伸縮振動,且吸收最強(qiáng),在定量分析蛋白二級結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用已十分成熟。各擬合子峰與二級結(jié)構(gòu)對應(yīng)關(guān)系為:1600～1639 cm-1被指認(rèn)為β-折疊,1640～1650 cm-1被指認(rèn)為無規(guī)則卷曲;1651～1660 cm-1被指認(rèn)為α-螺旋結(jié)構(gòu);1661～1700 cm-1被指認(rèn)為β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)[40]。由圖4可見,加入25%的桔子精油后,β-折疊含量由28.02%降低到了25.44%,之后隨著精油含量的提升開始不斷增加,最終在100%精油濃度時達(dá)到最大值36.80%。無規(guī)則卷曲在加入0～50%的桔子精油之后比例變化不大，在加入50%～100%的桔子精油之后比例明顯降低。α-螺旋在加入桔子精油之后比例明顯降低。純明膠膜的β-轉(zhuǎn)角比例為28.93%,在加入25%的桔子精油后提高到44.87%,之后隨著精油濃度的升高略微降低,但整體呈現(xiàn)上升的趨勢。

圖4 桔子精油魚鱗明膠膜的二級結(jié)構(gòu)含量Fig.4 Content of secondary structure of the fish scale gelatin films containing orange oil

結(jié)合紅外光譜內(nèi)部作用變化分析,加入25%的桔子精油后,精油分布在明膠膜基質(zhì)間,打破了原有的明膠膜蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu),導(dǎo)致明膠鏈間氫鍵相互作用減弱,使得與氫鍵有關(guān)的二級結(jié)構(gòu)峰由低波數(shù)向高波數(shù)轉(zhuǎn)變[41],因而較高波數(shù)的β-轉(zhuǎn)角含量明顯增加,而低波數(shù)的β-折疊含量減少。而當(dāng)精油濃度增加到75%之后,由于精油中的羰基和羥基與明膠鏈的羰基和氨基發(fā)生相互作用,導(dǎo)致明膠鏈內(nèi)部的羰基氧和氨基氫的靜電相互作用以及羰基氧和氨基氫的氫鍵受到破壞,使得復(fù)雜的α-螺旋轉(zhuǎn)變?yōu)楦嗪唵涡问降臒o規(guī)則卷曲和β-轉(zhuǎn)角。這與Herrero等人[42]的結(jié)果一致,其研究發(fā)現(xiàn)，由于添加大豆蛋白和熱作用，使得肉糊的α-螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)部氫鍵被破壞,而峰位較高的β-轉(zhuǎn)角比例增加。因此,二級結(jié)構(gòu)變化與紅外光譜分析內(nèi)部作用的變化有著相應(yīng)性。所以FTIR譜圖揭示了加入不同濃度的桔子精油之后膜內(nèi)部相互作用以及魚鱗明膠部分二級結(jié)構(gòu)的變化。

2.10 桔子精油對魚鱗明膠膜抑菌活性的影響

純魚鱗明膠膜和復(fù)合膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌效果如圖5所示。大腸桿菌和金黃色葡萄球菌分別是革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌的典型代表,在食品中較為常見。從圖中可以看出,純魚鱗明膠膜基本無抑菌作用,復(fù)合膜對兩種腐敗菌均有抑制效果,當(dāng)桔子精油濃度為25%時,抑菌效果與純魚鱗明膠膜相比顯著增加(p<0.05),隨著精油濃度的增加,抑菌效果逐漸增強(qiáng),而當(dāng)添加75%和100%的桔子精油時,發(fā)現(xiàn)復(fù)合膜對兩種腐敗菌的抑菌效果無顯著性差異(p>0.05)。復(fù)合膜對腐敗菌的抑制效果主要是因為在桔子精油中發(fā)現(xiàn)的生物活性化合物如萜烯和多酚類物質(zhì)的抑菌作用[43-44];而高濃度時抑制效果無顯著差異，可能是因為復(fù)合膜中精油的含量已達(dá)到飽和,多余的精油分布于明膠膜的表面并且有效成分逐漸揮發(fā)。

圖5 桔子精油添加量對魚鱗明膠膜抑菌性能的影響Fig.5 Effect of OEO content on the antibacterial activity of fish scale gelatin films

同時,發(fā)現(xiàn)添加桔子精油的明膠膜對金黃色葡萄球菌比對大腸桿菌抑制效果更好,因為革蘭氏陰性細(xì)菌的外細(xì)胞壁含有脂多糖和外膜蛋白,可作為保護(hù)膜限制精油中酚類成分的擴(kuò)散[45]。這些結(jié)果證明桔子精油可以固定在魚鱗明膠膜中,然后釋放出來,抑制微生物的生長。由上可知,添加75%～100%桔子精油比較合適。

3 結(jié)論

添加不同濃度的桔子精油對魚鱗明膠膜的機(jī)械、物理、熱性能和抑菌性能有不同程度的影響。隨著精油濃度的增加,明膠復(fù)合膜的抗拉性能和透明度降低,厚度和延展性增加。高濃度(75%～100%)的精油能顯著改善魚鱗明膠膜的水溶性、WVP、熱穩(wěn)定性和抑菌性能。綜合來看,添加75%的桔子精油對明膠膜性能優(yōu)化效果最好。

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