乳清分离蛋白-聚乳酸双层膜的制备及其在猪肉保鲜中的应用

蔡青文，谢　晶，黎　柳，雷　昊

（上海海洋大学食品学院，上海201306）

乳清分离蛋白-聚乳酸双层膜的制备及其在猪肉保鲜中的应用

蔡青文，谢晶*，黎柳，雷昊

（上海海洋大学食品学院，上海201306）

应用浇铸法制备乳清分离蛋白-聚乳酸双层可降解膜，通过膜的机械性能、水溶性、透光率、雾度等指标的测定来表征膜的包装性能，并将其应用在冷却猪肉的保鲜中。结果表明，聚乳酸的添加使单层蛋白膜的抗拉伸强度显著提高（p＜0.05），可由2.08MPa增加到12.15MPa；双层膜在未添加任何黏附剂的条件下仍能紧密粘合且显示出较高的透明度，膜的水溶性及溶胀系数也因聚乳酸的添加有所降低，膜断裂伸长率显著降低（p＜0.05）。该双层膜包装冷却猪肉（4℃），在贮藏期间（10d），猪肉的pH、TBA值、细菌总数均低于聚乙烯膜包装的猪肉，表明双层膜能有效延长冷却猪肉的货架期。

双层膜，机械性能，抗拉伸强度，水溶性，猪肉保鲜

日常生活中当前广泛使用的塑料制品的基料主要是来源于石油、天然气等有机物的合成和半合成的高分子化合物。石油、天然气属于不可再生资源，且大多数塑料包装材料难降解［1］，易导致积累残留，造成环境污染。生物聚合物主要从可再生资源如农作物、动物、细菌等中提取获得，包括糖类、蛋白质类等，如纤维素、淀粉、大豆分离蛋白、乳清分离蛋白等。它们可在自然环境条件下，在一定期限内被微生物分解成低分子的化合物，如水和二氧化碳等［2］。生物聚合物因其可再生、环保、可降解的特性，已在包装领域得到广泛的关注与研究。

乳清分离蛋白（Whey protein isolate，WPI）属于重要的生物聚合物之一，具有良好的成膜性，且成膜透明、富有伸缩性和黏性，在湿度较低的条件下，对油脂、芳香物质、氧气有一定的阻隔性能［3］。但由于乳清蛋白含有较多的亲水性氨基酸，使膜的水汽阻隔性能和机械性能较差。有研究者已通过加热改性［4］、酶改性［5］、添加疏水性物质［6-7］、添加交联剂［8］、共混改性［9］等方法处理乳清蛋白，使其机械性能和阻隔性都得到有效改善。此外，还可以通过与其他聚合材料复合达到目的。聚乳酸（Poly lactic acid，PLA）是一种可降解材料，由可再生资源如玉米、甜菜等农作物发酵生成乳酸后再通过化学聚合而成［10］，因其具有可降解、可再生、热稳定、高强度、易加工等特性而得到广泛的关注与研究［11-13］。

本研究通过可降解材料聚乳酸与乳清分离蛋白的复合，制备双层膜，并对其机械性能、断裂伸长率、热稳定性、水溶性、膜的微观结构等方面进行分析研究，然后将其运用到猪肉保鲜中，通过测定猪肉的pH、TBA值、细菌总数，评定双层膜对猪肉的保鲜效果，以期为可降解包装材料的研究与应用提供理论基础及实验依据。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

乳清分离蛋白（蛋白＞92.0%） 上海福诺食品有限公司；聚乳酸浙江海正生物材料股份有限公司；冷却猪里脊肉购于上海市农工商超市；三氯甲烷、甘油、NaOH国药试剂集团，分析纯；聚乙烯膜上海聚君包装材料有限公司。

BJ2100D型电子天平杭州科晓化工仪器设备有限公司南昌分公司；SJH-4S型数控精密恒温水浴锅宁波天恒仪器厂；DF-101S型集热式磁力加热搅拌器；GX－ZGF101型恒温鼓风干燥箱上海贺德实验设备有限公司；LHS－100CA型恒温恒湿箱上海一恒科学仪器有限公司；DCP－KZ300型电脑测控抗张实验机四川成都名驰仪器有限责任公司；WGT/S型透光率/雾度测定仪上海精科仪器有限公司；Mitutoyo 293-821型数显千分尺苏州量子仪器有限公司；S3400N型扫描电镜日本日立公司。

1.2双层膜制膜工艺

1.2.1蛋白膜溶液的制备将6g乳清分离蛋白加入到100mL去离子水中，搅拌至完全溶解，用1mol/L的NaOH调至pH8.0之后，90℃恒温水浴加热30min，冰浴冷却至室温后，加入50%（占总物质百分比）的甘油，搅拌30min，静置消泡，贮藏在4℃条件下备用［14］。

1.2.2聚乳酸膜溶液的制备分别配制浓度为1.5%、2%、2.5%的聚乳酸三氯甲烷溶液使其与乳清分离蛋白的比为12∶3、12∶4、12∶5（w/w），25℃搅拌4h至其完全溶解，超声消泡30min后备用。

1.2.3单层膜的制备先将以上配好的乳清分离蛋白溶液倒在10cm×10cm的塑料板，置于55℃鼓风干燥箱中烘5h后，揭膜，置于温度为25℃，湿度为50%的恒温恒湿箱中平衡48h后进行指标测定［14］。

1.2.4双层膜的制备参照Rhim等［15］的方法，略有改动。先将以上不同浓度的聚乳酸溶液倒在30cm× 30cm的玻璃板，干燥后将配好的乳清蛋白膜液倒入玻璃板，置于55℃鼓风干燥箱中烘5h后，揭膜，置于温度为25℃，湿度为50%的恒温恒湿箱中平衡48h后进行指标测定。

1.3双层膜性能指标的测定

1.3.1膜厚度的测定用电子数显千分尺在每个样品上任取6个点测试，取平均值。

1.3.2机械性能测试使用电脑测控抗张实验机测试膜的拉伸性能［16］，分别计算如下：

式中，TS—为样品的抗拉强度，单位MPa；F—为样品承受的最大张力，单位N；a—为样品的厚度，单位μm；b—为样品的宽度，单位mm。

式中，L—为样品断裂时的长度，单位mm，L0—为样品初始长度，单位mm。

1.3.3透光度和雾度测定通过透光率/雾度测度仪测定样品的透光度和雾度［17］。

1.3.4溶胀指数的测定将已知重量的干燥的样品裁成2cm×2cm大小，浸入30mL的去离子水中，并在室温下浸泡30min后取出，用滤纸轻轻吸走样品表面的水分，称重。每个样品3次平行。溶胀系数计算如下：

式中，S—为溶胀系数；mh—为样品浸泡后的质量，单位g；mi—为样品干重，单位g。

1.3.5水溶性测试参照陈桂云等［6］方法，略有改动。将干燥的样品切成40mm×40mm大小，置于含有35mL蒸馏水的烧杯中（50mL），使用恒温（25℃）摇床振荡24h，取出，用滤纸擦去样品表面的水分，再次干燥（105℃）至恒重，每个样品4次平行，取平均值。水溶性由以下公式计算得出：

式中，WS为水溶性；W1—为样品首次干燥后的质量，单位g；W2—为样品再次干燥后的质量，单位g。

1.3.6膜的微观结构测定单层和双层膜的结构通过扫描电镜观察分析［15］。用锋利的刀片样品剪切成细条状，固定在样品台上，使横截面朝上。真空状态下镀金10min，加速电压为20kV，垂直观察膜的断截面结构。

1.4双层膜在猪肉保鲜中的应用

1.4.1工艺处理将由上海市农工商购买的冷却猪肉分割成小块，每个样品约100g，随机分成2组。处理组：用制备好的双层膜（WPI∶PLA=12∶5，w/w）包装；对照组：用普通聚乙烯（Polyethylen，PE）保鲜膜包装。处理组和对照组都置于4℃冰箱中储藏，每隔一天进行取样并对其细菌总数、pH、硫代巴比妥酸值等指标进行测定，表征其保鲜效果。

1.4.2细菌总数按GB 4789.2-2010《GB 4789.2-2010食品安全国家标准品微生物学检验菌落总数》［18］的方法进行细菌总数的测定。

1.4.3pH的测定按照GB/T 9695.5-2008《肉与肉制品pH测定》［19］进行测定。评价标准为新鲜冷却肉：pH5.8～6.2；次鲜冷却肉：pH6.3～6.6；变质冷却肉pH6.7以上。

1.4.4硫代巴比妥酸（Thiobarbituric acid，TBA）值的测定参考Kilincceker等［20］方法，并略加修改。用每千克猪肉中丙二醛（Malonaldehyde，MDA）的含量来表示，通过测定不同样品溶液在532nm波长处的吸光值得到TBA值。

1.5数据处理与统计分析

实验数据采用SPSS 19.0（国际商业机器公司）Duncan’s multiple range test进行方差分析，数据结果均采用平均值±标准差形式，取95%置信度（p＜0.05）；用Origin Pro 8.5（美国OriginLab公司）制图。

2　结果与讨论

2.1机械性能分析

包装材料应具有一定的机械性能，评价机械性能的主要指标包括拉伸强度（TS）和断裂伸长率（EB）。表1显示了WPI膜、不同比例双层膜的TS、EB值。从表1中结果可以看出，WPI膜的TS值和EB值分别为2.08MPa、12.03%，随着PLA含量的增加，双层膜的抗拉伸强度显著增加，而断裂伸长率显著降低。主要原因可能是PLA属于刚性材料，与WPI复合后，随着PLA含量的增加，PLA层占主导作用，使复合膜的性能倾向于PLA层的性能进行转变。当PLA的浓度为1.5%时，复合膜的抗拉伸强度增至12.15MPa，表明WPIPLA膜具有强的抵抗性，且PLA的添加有效提高了单层WPI膜抗拉伸强度，有利于其在食品包装中的推广及应用。前期研究蛋白-PLA多层膜中也发现了类似的现象［21-22］，González等［22］推测这是PLA中的羰基与蛋白分子间的肽键相互作用的结果。

表1　不同膜的拉伸强度（TS）和断裂伸长率（EB）值Table 1　The tensile strength（TS）and elongation at break（EB）value of different films

2.2溶胀系数（S）和水溶性分析

膜的水溶性是衡量膜对水的阻隔性能的重要指标，它关系到其在食品贮藏过程中的潜在应用。如表2所示，随着聚乳酸的增加，WPI-PLA膜的水溶性逐渐降低，但与WPI膜的水溶性没有显著性差异；WPI-PLA膜的溶胀系数却显著降低。这可能是由于在溶胀系数的测量过程中，WPI-PLA膜仅与蒸馏水接触30min，当膜与水接触时，立即出现软化现象，随着接触时间的延长，膜开始吸水膨胀，且在前2min迅速溶胀，随后溶胀速度减慢，而PLA不溶于水，具有疏水性能，它与WPI层的结合阻碍了WPI层的吸水行为；水溶性测量过程中，膜在水中浸泡24h后，已与PLA层完全分开，在实验结束时发现很多WPI膜的碎片，表明蛋白膜层已部分溶解。

2.3透光率和雾度分析

透光率和雾度会对食品的外观产生影响，较高的透光率和较低的雾度值能更好地体现产品原有的外观，从而增加其商业价值。如表3所示，WPI膜的透光率为91.67%，雾度为4.98%，PLA的添加显著增加了双层膜的透光率，雾度值也显著增加，但对食品外观影响不大。

表2　不同膜的水溶性和溶胀系数（S）值Table 2　The water solubility and swelling index（S）of different films

表3　不同膜的透光率和雾度值Table 3　The light transmittance and haze of different films

2.4膜的微观结构分析

图1所示为乳清分离蛋白膜、双层膜、聚乳酸膜的电镜扫描图，图1（B）中双层膜PLA层与WPI层紧密结合。原因可能是在PLA层干燥后，铺WPI层时，由于WPI含有大量氨基酸，而且添加的增塑剂甘油也有很强的亲水性，它们能够结合水分填补PLA层任何不规则的部位，PLA中的羰基与蛋白分子间的肽键相互作用，使双层膜在一定湿度条件下无法用手撕开，也进一步解释了WPI-PLA膜机械强度显著提高的现象。

图1　WPI膜（A）、WPI-PLA膜（B）、PLA膜（C）的电镜扫描图像（500×）Fig.1　Scanning electron micrographs（SEM）of whey-protein isolate（WPI），multilayer，and poly lactic acid（PLA）films（500×）

2.5贮藏过程中冷却肉pH的变化

图2　贮藏过程中冷却肉pH变化Fig.2　Changes of pH value of pork during storage

贮藏期间猪肉的pH变化如图2所示，随着贮藏时间的延长，各组pH都呈上升的趋势。处理组的pH在整个贮藏期升高较为缓慢且显著低于对照组。主要原因可能是处理组中内层蛋白材料具有吸水性，使冷却肉表面水分含量显著降低，而外层又弥补了内层在水分含量高的肉制品应用时屏障性能差的缺陷（贮藏期间双层膜始终未分离，仍紧密结合），增强了其对CO2、O2、微生物等的阻隔作用，从而限制微生物生长繁殖，使表面微生物分解蛋白质而产生的碱类物质降低，冷却肉的pH也相对较低。

2.6贮藏过程中冷却肉菌落总数变化

贮藏过程中冷却肉的菌落总数变化如图3所示，处理组和对照组的细菌总数在贮藏过程中均有不同程度的增加，但对照组上升较快，贮藏第6d时，其菌落总数已高达6.8lg cfu/g，已为变质肉（菌落总数大于6lg cfu/g），而处理组在贮藏末期仅为5.8lg cfu/g，在4～6lg cfu/g范围内，为次鲜肉。从微生物角度分析，处理组能将冷却猪肉的保质期延长4d。实验结果验证了上述pH得变化规律，双层膜较PE膜更能有效抑制冷却肉微生物的生长繁殖。

图3　贮藏过程中冷却肉细菌总数变化Fig.3　Changes of TVC in pork during storage

2.7贮藏过程中冷却肉TBA值的变化

肉类食品中脂质的氧化可通过TBA值进行评价，贮藏期间TBA值变化如图4所示，随着贮藏时间的延长，处理组和对照组TBA值均呈上升趋势，但整个贮藏过程中处理组始终低于对照组。一般研究认为，TBA值大于1mg MDA/kg时的肉即为变质肉［23］，而在贮藏末期，对照组TBA值已经达到1.02mg MDA/kg，成为变质肉，处理组TBA值为0.88mg MDA/kg，仍在可接受的范围。说明了双层膜具有良好的阻隔作用，降低猪肉与O2的接触，达到有效抑制猪肉脂肪的氧化酸败的作用，从而延长冷却肉的货架期。

图4　贮藏过程中冷却肉TBA值变化Fig.4　Changes of TBA in pork during storage

3　结论

通过浇铸法制得WPI-PLA双层膜，电镜结果显示，双层膜间紧密结合。PLA的添加显著提高了膜的机械性能、透明度和雾度，当WPI与PLA比例为12∶5时，膜的性能达到最佳效果，且能够满足包装运输要求，其中机械强度双层膜（12.15MPa）为单层蛋白膜（2.08MPa）的6倍，且PLA的添加也有效降低了膜的水溶性和溶胀系数。综合各指标结果，各指标的改善有利于该双层膜在食品包装中推广应用，且具有替代非降解材料的潜能。用乳清分离蛋白和聚乳酸制备的双层膜包裹冷却猪肉在4℃条件下贮藏，其pH、TBA值、细菌总数均优于PE膜。该双层膜不仅突破了单层蛋白膜不能在水分含量高的食品中应用的局限，而且能很好地抑制猪肉表面微生物的生长，有效降低猪肉的pH、TBA值、细菌总数，延长冷却猪肉的货架期。

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表4　胶囊崩解性能比较Table 4　The comparison of capsule disintegrating performance

3　结论

3.1当胶液中淀粉与卡拉胶比例为9∶3时，能够得到表面平整，厚度均一，脆碎度较低的胶囊壳及胶囊膜。

3.2经过2mg异淀粉酶修饰后，玉米淀粉溶胶的粘度降低至3000MPa·S左右，满足蘸胶工艺的要求，有利于胶囊膜厚度和崩解时限的控制，实现了对药物的控制释放时间。

3.3通过加入3.0%卡拉胶、0.2%PVA、0.5%海藻酸钠、1.0%甘油，保证了玉米淀粉溶胶的凝胶性能，在吸水性能稳定的前提下，有效的增加了淀粉胶囊膜材料的拉伸强度和韧性。

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Preparing bilayer films by whey protein isolate-poly lactic acid and applying on the pork preservation

CAI Qing-wen，XIE Jing*，LI Liu，LEI Hao
（College of Food Science and Technology，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China）

The bilayer films of whey protein（WPI）and poly（lactic acid）（PLA）were prepared by a simple solvent casting method in this study.The mechanical properties，water-soluble，light transmittance and haze of the films were measured.Moreover，WPI-PLA was applied to preserve the pork.The results showed that the adding of PLA could improve significantly the tensile strength of bilayer films（p＜0.05）which could be increased from 2.08MPa to 12.15MPa.The films showed strong adhesion between layers without adding any extra component and displayed higher transparency.With the application of PLA，the water soluble，swelling index and elongation at break（EB）were reduced significantly（p＜0.05）.Within 10 days storage at 4℃，pH，TBA and total bacterial count in pork packaged with this bilayer films were lower than control pork packaged with PE films significantly.The results suggested that the bilayer films could prolong the shelf life of pork effectively.

bilayer films；mechanical properties；tensile strength；water solubility；pork preservation

TS251.5

A

1002-0306（2015）12-0282-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.12.051

2014－09－27

蔡青文（1988-），女，在读硕士研究生，研究方向：食品保鲜与包装。

谢晶（1968-），女，博士，教授，研究方向：食品工程。

国家“十二五”支撑计划课题（2013BAD19B06）。