茶多酚对明胶CaCO3复合膜特性影响的研究

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(天津科技大学食品工程与生物技术学院,天津 300457)

可食膜是指由可食性材料形成的膜,主要通过防止气体、水汽和溶质等的迁移来保证食品的质量,延长食品的货架期。可食膜作为一种新型包装材料,具有绿色环保、生物降解、无毒无害、能够提高食品的保质期和提高食品的质量等优点[1]。这种创新性的包装材料不但可以增强食品包装的阻隔性能,还具有一些其他的功能[2]。这种新型包装中可以加入抗氧化剂、抑菌剂、和(或)营养物质等活性成分,提供传统包装所不具备的功能。此外,由于关系到消费者的健康问题和环境问题,目前的研究主要集中在天然防腐剂在生物可降解材料的使用[3]。

由于氧化是影响食品质量的主要问题之一,食品包装中加入抗氧化剂已经越来越广泛。目前在活性包装中最常用的抗氧化剂是丁基羟基茴香醚(BHA)和二丁基羟基甲苯(BHT)。虽然这种抗氧化剂稳定性好、成本低、效率高,但这种合成的抗氧化剂对健康有潜在的风险。因此,这种合成的抗氧化剂的使用受到了严格的调控[4]。根据以往进行的广泛研究,采用一些天然的抗氧化剂,如酚类化合物作为合成抗氧化剂的替代品已经得到了广泛的应用[5 - 6]。

茶多酚(TP)是茶叶提取物,含有儿茶素,黄酮类,花青素和酚酸。TP已显示出良好的抗氧化活性和对各类食品的非毒性,因此TP作为抗氧化剂具有良好的使用前景[7]。多酚化合物的抗氧化机理主要是由于它们具有捕捉活性氧和螯合金属离子能力,这种活性氧和金属离子可以通过芬顿反应产生自由基,具有极强的氧化性[8 - 9]。

本研究的目的是通过在明胶 - 碳酸钙复合膜中加入天然抗氧化剂TP,开发出一种新型的活性食品包装材料,提高明胶 - 碳酸钙新型包装材料的抗氧化活性,降低复合膜表面孔隙的大小,进而降低了水蒸气透过系数等性能,能够进一步提高产品的货架期。并且通过DPPH自由基清除能力系统的评价复合膜的抗氧化性能。还对复合膜的光学、机械性能和阻隔性能进行了表征,还通过AFM对明胶和TP的相互作用进行了讨论,此外对冷鲜肉进行了保鲜实验。

1 材料与方法

1. 1 材料与仪器

明胶 阿拉丁试剂公司;碳酸钙 天津大学科威公司;甘油 天津大学科威公司;茶多酚 成都麦卡希试剂公司;DPPH 成都麦卡希试剂公司,所用试剂均为分析纯。

XW - 80A微型旋蜗混合仪 上海沪西分析仪器厂;TA - XT 2i质构仪 英国 Stable Mciro System公司;DC - P3型全自动测色色差计 北京市兴光测色仪器公司;752型紫外 - 可见分光光度计 天津市普瑞斯仪器有限公司;JSPM - 5200原子力显微镜 日本电子公司。

1. 2 实验方法

1. 2. 1 膜的制备 复合膜的制作采用流延法。首先将明胶、碳酸钙、甘油溶于蒸馏水中,于50℃水浴中不断搅拌至胶液混合均匀。同时制备不同浓度的TP水溶液,待胶液混合均匀后分别加入不同浓度的TP水溶液,得到均匀的成膜溶液(最终浓度分别为明胶5%w/v、碳酸钙0. 5%w/v、甘油40%w/w(以明胶计)、TP 0. 1%、0. 2%、0. 4%w/v),然后将混合均匀的成膜溶液超声脱气后迅速薄摊在玻璃平板(11cm×11cm)上,25℃鼓风干燥箱中处理10h,揭膜[10]。测定前,干燥后的复合膜放在装有饱和MgNO3溶液(相对湿度RH=50%)的干燥器处理48h。同样方法制备不含TP的对照膜。

1. 2. 2 复合膜厚度测定 用螺旋测微器(精确到0. 001mm)在裁切好的膜上均匀取10个点,测厚度,取平均值。

1. 2. 3 复合膜机械性能测定

1. 2. 3. 1 成膜液凝胶强度测定 将明胶、碳酸钙、甘油溶于蒸馏水中,于50℃水浴中不断搅拌至胶液混合均匀。同时制备不同浓度的TP水溶液,待胶液混合均匀后分别加入不同浓度的TP水溶液,得到均匀的成膜溶液(最终浓度分别为明胶5%w/v、碳酸钙0. 5%w/v、甘油40%w/w(以明胶计)、TP0. 1%、0. 2%、0. 4%w/v),然后将混合均匀的成膜溶液超声脱气后将其立即冰浴降温,贮于4℃下过夜,测定其凝胶强度,以不加TP的成膜液为对照。

测定仪器使用TA - XT2i型质构分析仪,质构的测定采取压缩模式。探头为P/0. 25S,探头下行速度、测试速度、上行速度均为1. 0mm/s,压缩变形为样品高度的50%,检测温度为室温。凝胶的最大破坏力(即曲线的最高值)作为凝胶强度。

1. 2. 3. 2 抗拉强度和断裂伸长率测定 将膜切成大小为2. 0cm×6. 0cm长条形,用质构仪测定其拉伸性能。触发力设5g,夹具上下距离为30mm,拉伸速度为0. 8mm/min。厚度使用螺旋测微器(精确到0. 001mm)随机测定膜上的10个位置,其平均值作为其厚度。根据 ASTM(2000),计算膜的拉伸强度,断裂伸长率。

拉伸强度

F膜样品在断裂时所能承受的最大应力(N);a膜的厚度(μm);b膜的宽度(mm)。

断裂伸长率

L膜样品在断裂时所达到的长度(mm);L0初始长度(mm)。

1. 2. 4 水溶性测定 将膜切成20mm×40mm的正方形,在干燥器中干燥至恒重。称重后放入300mL去离子水中,于室温(25℃)下溶解24h。再将膜在60℃的条件下干燥至恒重,称重。根据其重量变化计算水溶性。

m1溶解前膜的质量(g);m2溶解后膜的质量(g)。

1. 2. 5 水蒸气透过系数测定 根据GB1037 - 70,采用拟杯子法,在25℃温度条件下,在杯子中放入无水CaCl2。把薄膜蒙在杯口,密封,再把杯子置于底部有一定量水的干燥器中,使试样两侧保持一定的蒸汽压差,测量通过试样的蒸汽量,计算水蒸气透过系数。

水蒸气透过系数WVP按下式计算:

Δm/t:在稳定透过时,单位时间内透湿杯增加重量的算术平均值(g/s);d试样厚度(m),本实验采用同一张膜5个以上不同部位测量值的平均值;S试样的实验面积,本实验中薄膜面积3. 14×10-4m2。ΔP试样两侧的蒸汽压差(Pa)。由于膜两侧的RH梯度为100%。测定温度为25℃。故P为3. 1671×103Pa。

1. 2. 6 复合膜的色泽测定 利用全自动测色色差计测定复合膜的色泽,以白板作为色差测定参比,每个样测定3次,取平均值。分别记录复合膜的L*、a*、b*和ΔE值。色泽指数L*=0(黑色)到L*=100(白色), -a*(绿色)到+a*(红色), -b*(蓝色)到+b*(黄色),总色差ΔE用公式:

其中,ΔL*、Δa*、Δb*为复合膜相应的颜色参数差异,白板标准L*=92. 40、a*= - 0. 10、b*=0. 68。

表1 茶多酚对明胶 - 碳酸钙复合膜各项性能的影响*Table 1 Effects of TP on properties of gelatin - CaCO3 composite films

注:* 每一个数值都是多次重复(n≥3)的平均值加上标准偏差。不同字母表示各性能(同行)之间的差异显著(p≤0. 05),表2、表3同。 1. 2. 7 透明性和透光率测定 利用紫外 - 可见分光光度计测定200 ～ 800nm范围内复合膜对紫外光和可见光的阻隔性能,分光光度计使用前,将空比色杯放入调零、调满,然后将膜剪成一定规格的条状,放入比色杯中,使其贴于比色杯光面的一侧。利用以下方程计算复合膜的透光值:transparency value= - logT600/x

T600600nm处复合膜的透光率;x膜的厚度(mm)。

1. 2. 8 清除DPPH自由基能力测定 复合膜的抗氧化活性利用清除DPPH自由基能力测定。取6mL成膜溶液和2mL甲醇DPPH溶液(0. 7mmol/L)混合均匀后用微型旋蜗混合仪剧烈混合1min,将混合后的DPPH溶液在暗处静置处理30min,利用紫外 - 可见分光光度计测定517nm处的吸光度[2]。清除DPPH自由基能力按下式计算:

ADPPH517nm处DPPH甲醇溶液的吸光度;AS517nm处成膜溶液与DPPH甲醇混合液的吸光度。

1. 2. 9 原子力显微镜测定 将复合膜固定于气垫平衡台上,用原子力显微镜观察复合膜的微观结构,探针悬臂共振频率为32kHz,弹性常数为0. 5nm-1,接触模式进行扫描。

1. 2. 10 复合膜对冷鲜猪肉的保鲜 实验采用4℃的储藏条件,按GB/T 5009. 37 - 2003测定未包装的肉、对照膜包装的肉、加入0. 1%、0. 2%、0. 4%TP复合膜包装的肉在冷藏过程中过氧化值的变化。

1. 2. 11 数据分析 采用 Microcal Origin V6. 1 software 进行方差分析和显著性分析。

2 结果与讨论

2. 1 复合膜性能

从表1可以看出,TP的加入改变了明胶 - 碳酸钙复合膜的各项性能指标。

2. 1. 1 厚度 不同浓度TP添加量的复合膜厚度如表1所示,复合膜的厚度从0. 062mm增长到了0. 073mm,厚度有所增加,但随着TP添加量的增加与对照膜相比差异不显著(p≤0. 05)。有人曾报道[11],加入中草药提取物的明胶膜与对照膜相比差异不显著(p≤0. 05),这一结果与此前的报道一致。

2. 1. 2 机械性能 不同浓度TP添加量的复合膜机械性能如表1所示,对照膜成膜液的凝胶强度为(1. 26±0. 09)N/m2,抗拉强度为(28. 47±3. 94)MPa,断裂伸长率为10. 02%±3. 62%。加入TP后,机械性能与对照组相比均有显著性提高(p≤0. 05)。当TP浓度为0. 4%时,凝胶强度、抗拉强度和断裂伸长率分别增加了21. 43%、41. 87%和296. 71%(p≤0. 05)。

多酚化合物含有大量的疏水基团,可以与明胶分子疏水区域形成疏水相互作用。此外多酚类化合物的羟基可以通过氢键与明胶分子中的氢键受体结合，导致复合膜的机械性能有所提高[12]。

2. 1. 3 水溶性和水蒸气透过系数 TP对复合膜水溶性和水蒸气透过系数的影响如表1所示,对照膜的水溶性和水蒸气透过系数分别为55. 08%±4. 45%和(0. 78±0. 09)gPa-1s-1m-1×10-10,当加入TP后水溶性和水蒸气透过系数有所降低。随着TP浓度的增加,明胶与TP相互作用逐渐增强,形成较强的网络结构,导致复合膜的水溶性和水蒸气透过系数降低[12]。

2. 2 复合膜的色泽

TP对复合膜色泽的影响如表2所示,加入TP后复合膜的L*、a*、b*、ΔE*与对照膜相比均有显著性差异(p≤0. 05)。对照膜的L*值最高,说明对照膜具有较高的亮度。而随着TP浓度的增大,L*值由92. 44±0. 85降低至66. 72±1. 02。但是与对照膜相比,a*显著性增加(p≤0. 05),复合膜的颜色显著变红;b*显著性增加(p≤0. 05),复合膜的颜色也显著变黄,ΔE*显著增加(p≤0. 05),复合膜的总色差显著提高。这一结果可能是因为TP本身的颜色有助于复合膜色泽的改变。

2. 3 复合膜的透明度和透光率

食品包装薄膜需保护食物免受光线的影响,尤其是紫外辐射。200 ～ 800nm范围内在选定的波长处复合膜的透明度和透光率如表3所示。在紫外区,复合膜的透光率较低,尤其是在280nm处透光率为0。与对照膜相比,加入TP的复合膜的透光率更低。这些结果表明,加入TP后复合膜可以有效的防止紫外线引起食品体系中脂肪的氧化。在可见光区(350 ～ 800nm),与对照膜相比,加入TP的复合膜具有较低的透光率。

表2 茶多酚对明胶 - 碳酸钙复合膜色度的影响*Table 2 Effects of TP on color of gelatin - CaCO3 composite films

表3 茶多酚对明胶 - 碳酸钙复合膜透光率(%)和透明度的影响*Table 3 Effects of TP on light transmission(%)and transparency value of gelatin - CaCO3 composite films

表4 原子力显微镜图像获得的粗糙度参数*Table 4 Roughness parameters obtained from atomic force microscopy images

在所有选定波长进行的测试结果显示,随着TP含量的增加,复合膜的透光率逐渐降低。另一方面,与对照膜相比,加入TP的复合膜透明度有所增加(p≤0. 05),透明度的增加表示复合膜的透明性降低。这些变化可能是由于加入的TP中酚类化合物的存在,酚类化合物中含有的大量苯环、羟基在200 ～400nm范围内可以加速n→π*跃迁,从而导致复合膜透光率和透明性降低。这些结果表明,复合膜与TP混合可能会起到抑制食品体系中由UV光引起的脂质氧化的作用。此外,许多研究表明紫外线辐射是导致皮肤损害,光老化和皮肤癌的主要原因之一。因此,还可以研发一些具有保健作用的复合膜[12]。

2. 4 抗氧化性能

TP对复合膜的抗氧化能力如图1所示。随着TP浓度的增加,复合膜的抗氧化能力有显著性增加(p≤0. 05)。而不加TP的复合膜也显示出一定的抗氧化能力。当TP添加量为0. 4%时,DPPH自由基清除活性为39. 29%,与对照膜相比提高了36. 14%。这表明随着TP浓度的增加,复合膜的抗氧化活性与对照膜相比有了显著改善,其原因可能是加入TP后,总酚含量有所增加。多酚化合物具有一个活多个具羟基芳香环,因此可以通过共振形成稳定的苯氧自由基,从而达到猝灭自由基的目的[13]。

图1 茶多酚对明胶 - 碳酸钙复合膜抗氧化性的影响Fig. 1 Effects of TP on antioxidant activity of gelatin - CaCO3 composite films

2. 5 复合膜微观结构

AFM是研究表面形貌的强大工具,这一工具能够有力地分析生物聚合物表面形貌特征。AFM可以通过计算复合膜表面的粗糙度参数测定复合膜的粗糙度。图2显示了复合膜的表面形貌,相应的粗糙度参数:平均粗糙度(Ra)、均方根粗糙度(Rq)如表4所示。

图2 复合膜表面形貌AFM图Fig. 2 Typical AFM images of the surface topography of the films

对照复合膜具有相对光滑的表面,相应的Ra和Rq值分别为20. 86、27. 03。根据AFM图像所示,随着TP含量的增加,复合膜表面的粗糙度逐渐增加,这可能是因为随着TP浓度的增加,成膜液中不溶性物质有所增加。复合膜在结构上的差异性可能与水蒸气透过系数的不同有关[1,14]。

2. 6 复合膜对冷鲜肉的保鲜效果

本实验采用4℃,对未包装的肉,对照膜包装的肉,加入0. 1%、0. 2%、0. 4%TP复合膜包装的肉进行过氧化值测定,结果如图3所示。

图3 贮藏过程中肉过氧化值的变化Fig. 3 The variations of the meat on peroxide value during the storing

由图3可以看出,所测肉在储藏过程中过氧化值均在增加,未包装的肉过氧化值增加最显著,其次是对照膜包装的肉。而随着TP含量的增加,过氧化值变化较小。这说明加入TP后可以有效的抑制肉样中脂质过氧化,这些结果表明加入TP复合膜可以用作抗氧化剂活性包装材料,以提高肉类产品的货架期。

3 结论

本文通过向明胶 - 碳酸钙复合膜中添加不同浓度的TP,开发出一种具有抗氧化活性的明胶 - 碳酸钙复合膜。对复合膜的厚度、机械性能、水溶性、水蒸气透过系数、色差、透光率、抗氧化活性、原子力显微镜(AFM)等方法表征。研究结果表明:加入TP后,TP与明胶相互作用导致复合膜的外观颜色较暗,水溶性和水蒸气透过系数有所降低。而复合膜的厚度、机械性能、1,1 - 二苯基 - 2 - 三硝基苯肼(DPPH)自由基清除能力均有所提高;原子力显微镜结果表明随着TP浓度的增加,复合膜表面越粗糙,而对冷鲜肉保鲜实验表明TP添加到明胶 - 碳酸钙复合膜中开发出的抗氧化复合膜在食品包装方面具有潜在的开发价值。

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