鱼皮明胶膜水分吸附特性的研究

王书展，陈复生，赖少娟，康莎莎，殷丽君

（河南工业大学 1.粮油食品学院；2.生物工程学院，河南 郑州 450001）

0 前言

随着人们生活水平的提高和环保意识的增强，越来越多的人开始关注可食性包装[1].研究表明，利用蛋白质制备的可食性膜的机械性能和气体透过性比其他材料制成的可食性膜好[2]，其中由鱼类加工副产物鱼皮制得的鱼皮明胶，由于其资源丰富、价格低廉、安全环保、成膜性能良好等原因，越来越多地被作为制备蛋白膜的原料[3-4].但单一的鱼皮明胶膜质脆，机械性能较差，为了弥补这些缺点，需要对其进行改性[5].研究表明[6]，生物催化剂谷氨酰胺转移酶可以催化蛋白质分子中谷氨酰胺残基和赖氨酸残基，形成ε（r-谷氨酸）赖氨酸键，在分子内或分子间产生交联，从而改善了蛋白膜的抗拉强度和亲水性能.

近年来，国内外学者对改性鱼皮明胶膜的机械性能和热稳定性等研究较多，而对其水分吸附特性的研究相对较少.而水分吸附特性可以帮助人们了解可食性膜的传质机理以及溶质和聚合物之间的相互作用.所以，随着可食性包装膜的广泛应用，研究其水分吸附特性也变得越来越重要.Bertuzzi 等[7]研究了甘油和厚度对淀粉制备的可食性膜水蒸气透过性的影响，发现甘油可以提高膜的水蒸气透过性.Su 等[8]在研究大豆分离蛋白膜水分吸附特性时，观察到当膜贮藏在50%以上的湿度条件下时，其水分含量显著提高.而鱼皮明胶膜的亲水性与鱼皮明胶本身的性质和增塑剂（甘油）的添加量密切相关.

作者以鱼皮明胶为成膜材料，通过谷氨酰胺转移酶（TGase）的改性，制备可食性鱼皮明胶膜，研究了甘油添加量、相对湿度等条件对改性鱼皮明胶膜水分吸附特性的影响，并从二级吸附动力学方面对其吸附特性进行了描述.

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

鱼皮明胶（冻力160）：江西可生生物有限公司；甘油：分析纯，天津市天力化学试剂有限公司；谷氨酰胺转移酶：广西南宁东恒华道生物科技有限责任公司；氯化镁、硝酸镁、氯化钠、五氧化二磷：分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司；硫酸钾：分析纯，洛阳市化学试剂厂.

1.2 仪器与设备

电子天平：赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；HH-6 数显恒温水浴锅：常州普天仪器制造有限公司；101 型电热鼓风干燥箱：北京中兴伟业仪器有限公司；涂层测厚仪：郑州长城仪器有限公司.

1.3 方法

1.3.1 改性鱼皮明胶膜的制备

称取一定量的鱼皮明胶配置成5%（W/V）的溶液4 份，在60 ℃下加热30 min 使其全部溶解，取出冷却至室温.加入0.2%（占鱼皮明胶质量）的谷氨酰胺转移酶，35 ℃下反应1 h，80 ℃下灭酶5 min.分别加入20%、30%、40%、50%的甘油（占鱼皮明胶质量），搅拌均匀.将制备好的成膜液（8 g）倒入直径为90 mm 的塑料培养皿内，在25 ℃下干燥24 h 后揭膜.

1.3.2 各种饱和盐溶液的配置

并发症发生率：研究组（5.00%）显著较对照组（25.00%）低，差异有统计学意义（P<0.05），见表 2。

配置试验所需各种饱和盐溶液MgCl2、Mg（NO3）2、NaCl、K2SO4，相 对 湿 度 分 别 为33%、50%、75%、97%.

1.3.3 水分吸附特性的测定

首先，测定改性鱼皮明胶膜的厚度，选取厚度为0.08 cm 左右的膜.将选取的膜裁成2 cm×2 cm大小的试样若干，放入底部置有五氧化二磷的干燥器中，干燥7 d 以上，至质量基本不变.然后将这些试样置于25 ℃、相对湿度[8-9]不同的干燥器内.最后，每隔一定时间快速称量一次试样，记录其质量随时间的变化.最初质量变化比较显著，1 h 称量一次，12 h 后质量变化放缓慢，改为12 h 称量一次.本试验中得到的水分吸附量指的是平均水分吸附量，即同一张模上裁取的3 个试样进行单独测量得到的平均值.

水分吸附量的计算公式如下：

式中：Mb为试样处于一定湿度条件t 小时后的质量；M0为试样在五氧化二磷干燥器中干燥平衡时的质量.

1.3.4 二级吸附动力学模型

二级速率模型通常被用来描述有共价键参与的化学吸附，二级动力学方程整理后可表述为：

式中：Mt为试样处于一定湿度条件t 小时后的质量；a，b 为模型参数，

1.3.5 数据处理分析

试验重复3 次，试验结果采用Original 8.5 作图和进行统计分析.

2 结果与讨论

2.1 鱼皮明胶膜水分吸附特性的动态研究

2.1.1 相对湿度和甘油含量对鱼皮明胶膜水分吸附特性的影响

在没有增塑剂的条件下，鱼皮明胶膜质脆、易断裂、易吸附水分.鱼皮明胶膜质脆是由分子之间的外延作用力引起的.而增塑剂能有效地延伸、稀释和软化结构，从而提高气体或水分在膜上的迁移率和扩散系数.大量研究表明，在水溶性聚合物中，甘油是最好的增塑剂[7].

研究表明，相对湿度和增塑剂是影响鱼皮明胶膜水分吸附特性的两大主要因素[10].亲水性增塑剂如甘油通常被用来改善蛋白膜的机械特性[11].相对湿度和甘油含量对鱼皮明胶膜水分吸附特性的影响如图1 所示.

图1 不同湿度条件下改性鱼皮明胶膜的水分吸附曲线Fig.1 Moisture absorption of modified fish gelatin film under different relative humidities

从图1 可以看出，随着环境湿度的增加，水分吸附速率逐渐增大.在初始阶段水分吸附速率较快，随后增长趋势变慢.当湿度为33%和50%时，鱼皮明胶膜4 h 即达到水分吸附平衡状态，湿度为75%时，鱼皮明胶膜42 h 才达到水分吸附平衡，同时水分吸附量也从0.03 g/g 升至0.7 g/g.而随着甘油添加量的增大，水分吸附量也逐渐增大.

图1 表明鱼皮明胶膜的水分吸附达到平衡的时间主要受相对湿度和甘油含量的影响.在初始阶段水分吸附速率较快是因为蛋白膜的水分含量越低，吸收水分的能力就越强[11].甘油是亲水性物质，甘油分子容易进入到明胶蛋白分子链之间，增加蛋白分子之间的间隙；另一方面，甘油可以使蛋白基团的羟基露出，形成氢键，从而使得明胶蛋白分子间的相互作用力减弱，明胶蛋白膜的吸湿性增强[12].

Enrione 等[13]研究发现，在常温贮存过程中，明胶发生的自发的动力学控制松弛现象，导致还原分子的流动性，可以影响明胶分子的物理性质如氧气和水分的渗透性.这从另一角度解释了鱼皮明胶膜水分吸附特性曲线的变化.

另外，通过对比可以发现，湿度对达到平衡所需时间和水分吸附量的影响明显高于甘油添加量.这是因为鱼皮明胶改性后亲水能力虽然有一定的改善，但整体来说亲水性还相对较高，而亲水能力强就容易吸水溶胀.另外，鱼皮明胶膜吸收大量水分后，被吸收的水分还可以起到增塑剂的作用.

2.1.2 酶添加量对鱼皮明胶膜水分吸附特性的影响

谷氨酰胺转移酶（TGase）能够催化酰基转移反应，催化蛋白质分子内、分子间连接交联，蛋白质和氨基酸之间的连接以及蛋白质分子内谷氨酰胺基的水解，同时改善蛋白质的功能和性质[14]，是一种非常优良的蛋白质改良剂.

酶的添加量对鱼皮明胶膜水分吸附特性的影响如图2 所示.由图2（A）和（B）可以看出，随着酶添加量的增加，鱼皮明胶膜的水分吸附量逐渐降低，而达到水分吸附平衡所需要的时间不变.酶的添加量为0.1%和0.2%时，水分吸附规律相同，当酶的添加量增加到0.3%时，水分吸附量急剧下降.但当湿度为75%和97%时，鱼皮明胶膜的水分吸附特性基本一样，与酶添加量的多少没有关系.

当谷氨酰胺转移酶加入到鱼皮明胶溶液后，鱼皮明胶分子内或分子间形成了ε-赖氨酸异肽键，使蛋白交联，降低了其吸水性能.所以，随着谷氨酰胺转移酶添加量的增多，鱼皮明胶膜的水分吸附量逐渐下降[15].该现象与TGase 改性使蛋白质膜的水分含量降低及表面疏水性增高相一致[10].

图2 不同酶添加量时鱼皮明胶膜的水分吸附曲线Fig.2 Moisture absorption of modified fish gelatin film with different amounts of trans-glutaminase

2.2 水分吸附特性的动力学研究

图3 显示改性鱼皮明胶膜的水分吸附特性可以用二级吸附动力学描述，表1 表明当湿度一定时，随着甘油含量的增加，膜的水分吸附曲线与二级动力学拟合效果越来越好.当相对湿度在97%时，拟合效果不是太好，尤其是甘油含量为20%时，R2＜0.950 0，拟合效果较差，说明在该条件下膜的水分吸附特性不符合二级吸附动力学规律.而在其他条件下，拟合效果良好.

图3 不同湿度条件下改性鱼皮明胶膜水分吸附的二级动力学拟合Fig.3 The fitting of moisture adsorption of modified fish gelatin films by secondary-order kinetics in different humidity conditions

表1 不同条件下改性鱼皮明胶膜二级吸附动力学拟合参数R2Table 1 The fitting parameters R2of secondary adsorption kinetics for modified fish gelatin film in different conditions

3 结论

（1）改性鱼皮明胶膜的水分吸附特性主要受甘油含量和湿度的影响，而湿度的影响效果更加显著.随着甘油添加量和相对湿度的增加，膜的水分吸附量逐渐增大，达到吸附平衡所需的时间逐渐增加.

（2）改性鱼皮明胶膜的水分吸附曲线与二级吸附动力学方程拟合良好，而当相对湿度较高，甘油含量较低时，不能用二级吸附动力学方程来描述其水分吸附特性.

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