山梨酸钾对魔芋葡甘聚糖/玉米醇溶蛋白复合膜的性能和抑菌效果的影响

王 凯,李 巍,吴 考,肖 满,姜发堂,倪学文

(湖北工业大学 生物工程与食品学院,湖北武汉 430068)



山梨酸钾对魔芋葡甘聚糖/玉米醇溶蛋白复合膜的性能和抑菌效果的影响

王 凯,李 巍,吴 考,肖 满,姜发堂,倪学文*

(湖北工业大学 生物工程与食品学院,湖北武汉 430068)

本文以魔芋葡甘聚糖和玉米醇溶蛋白为基材,制备了不同山梨酸钾添加量的复合膜,研究了复合膜的理化性能和抑菌效果。结果表明,添加不同含量山梨酸钾对复合膜的膜厚没有显著影响(p>0.05),复合膜的水蒸气透过率和透光性随着山梨酸钾添加量的增加而降低。复合膜的断裂伸长率随着山梨酸钾添加量的增加而显著增大(p<0.05),当其含量为12%时,复合膜的断裂伸长率为36.02%,是未添加山梨酸钾复合膜的1倍;当添加6%的山梨酸钾时,复合膜的拉伸强度最大,为58.78 MPa。随着山梨酸钾添加量的增加,复合膜对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和蜡样芽孢杆菌的抑菌效果明显增强。当山梨酸钾添加量为12%时,鱼肉在4 ℃储藏时的货架期可延长4 d。复合膜适合应用在食品保鲜包装。

复合膜,山梨酸钾,抑菌,理化性能

以天然生物大分子(蛋白质、多糖、脂类等)为基材,经过一系列成膜工序,通过高分子之间的相互作用,可形成性能优良的可降解膜材料[1-2]。魔芋葡甘聚糖(konjac glucanmannan;KGM)是一种水溶性多糖,原料来源丰富,有较好的成膜性能,但是耐水性和阻湿性差。玉米醇溶蛋白(zein)含有大量非极性氨基酸,具有较强的疏水性,但其形成的膜较脆[3-6]。前期研究表明KGM和zein共混制备的复合膜具有优良的力学性能和阻隔性能,在食品包装邻域有较好的应用前景[7]。

将抑菌剂添加到包装膜中,抑菌剂可以缓慢释放,达到长时间抑菌的效果[8];也能够逐渐减少或代替食品中盐、糖或防腐剂等的加入,更好地保持食品的营养和风味[9]。邓雯瑾等[10]将百里香精油抗菌涂层包装膜包装鲜切生菜,与4 ℃的低温贮藏结合时,可将鲜切生菜的货架期延长至5 d。童佩等[11]将五倍子提取物加入到魔芋葡甘聚糖/乙基纤维素复合膜,4 ℃储藏条件下,鱼肉的货架期延长了3 d。将抑菌剂加入到KGM/zein复合膜能够拓宽其应用领域和研究价值。

山梨酸钾(potassium sorbate)是一种不饱和脂肪酸盐,它可以被人体的代谢系统吸收而迅速分解,在人体内基本无残留,其毒性为食盐的1/2,是国际卫生组织和粮农组织推荐的高效安全的酸性防腐保鲜剂,在接近中性(pH=6.0～6.5)的食品环境中仍然具有较好的防腐效果,具备很好的水溶性[12-13]。山梨酸钾对霉菌、酵母菌和好氧性细菌均有较好的抑制效果,其有效浓度对食品的风味没有影响,广泛应用于食品、饮料、烟草、农药、化妆品等行业[14]。本文以魔芋葡甘聚糖和玉米醇溶蛋白为基材,添加不同含量的山梨酸钾制备复合膜,研究了不同山梨酸钾添加量对复合膜的膜厚、透光性、机械性能和水蒸气透过率的影响,考察了复合膜对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和蜡样芽孢杆菌的抑菌效果,以及包裹鱼肉后的保鲜作用,以期为山梨酸钾/魔芋葡甘聚糖/玉米醇溶蛋白复合抗菌膜在食品包装领域的应用提供一定参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

KGM 湖北强森魔芋有限公司;zein 北京百灵威科技有限公司;山梨酸钾、甘油、乙醇(AR)、司盘-80(CP) 国药集团化学试剂有限公司;白鲢 武汉市南湖菜市场,挑选1.5～2 kg的无病、大小相近的鲜活白鲢;大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和蜡样芽孢杆菌 2代菌种,上海鲁微科技有限公司。

CH-1-S型质构分析仪 美国FTC;千分手式薄膜测厚仪 上海六菱仪器厂;UV2550紫外可见分光光度计 日本岛津;FE20酸度计 上海METTLER TOLEDO;SW-CJ-1FD型洁净工作台 苏州安泰空气技术有限公司;YX280A型灭菌锅 上海三申医疗器械有限公司;HH-2型数显恒温水浴锅 国华电器有限公司;JJ-1型增力电动搅拌器 江苏省金坛市医疗仪器厂;GZX-9030MBE鼓风干燥箱 上海博迅实业有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 复合膜的制备 称取0.9 g的KGM,加入到100 mL双蒸水中,在60 ℃水浴搅拌1.5 h后,司盘-80按zein质量的25%(w/w)加入,继续搅拌30 min,得到KGM水溶胶。将0.1 g的zein加入到20 mL的80%(v/v)乙醇中,甘油按总固形物质量(1 g)的20%(w/w)加入,在25 ℃搅拌15 min,得到zein溶液。将zein溶液缓慢加入到高速搅拌(1000 r/min)的KGM水溶胶中,在60 ℃水浴搅拌30 min,得到共混成膜液[7]。待成膜液冷却到50 ℃,分别按总固形物质量加入3%、6%、9%和12%(w/w)山梨酸钾,继续共混30 min,将成膜液倒入直径为14 cm×14 cm的玻璃平板中,置于50 ℃的烘箱中干燥12～15 h,揭膜。将制备好的复合膜置于(25±1) ℃的干燥器中平衡48 h,备用。

1.2.2 复合膜性能测定

1.2.2.1 膜厚度 含3%,6%,9%和12%的山梨酸钾复合膜和空白对照组(不含山梨酸钾)的复合膜裁成10 mm×50 mm的长条,在待测膜上均匀选取5个点,用千分尺测量其厚度,取其平均值。

1.2.2.2 水蒸气透过率 参考文献[11]的方法,称取3 g无水CaCl2置于25 mm×40 mm称量瓶中,用复合膜密封,放入底部有饱和NaCl溶液(提供环境相对湿度75%)的干燥器中,温度为25 ℃。为确保溶液一直处于饱和状态,应有少量未溶的NaCl固体。每24 h测称量瓶的重量,直至达到平衡(最后两次测量的增重<5%)。水蒸汽透过率(WVP;mg·cm-2·d-1)按照下面公式计算:

4.塑造科研团队文化，为科技创新营造良好氛围。一是突出创新导向，构建提高创新能力和创新效率的长效机制，相继出台学习型激励制度、科研奖励办法、职称量化评审制度等，发挥政策导向作用，充分激励科研人员投身科技创新的积极性和主动性。二是突出制度导向。采油院对原有的各项规章制度进行梳理，把文化理念融入到具体的规章制度中。三是突出基层导向，营造良好的基层家文化氛围，推进文化落地，提升科研团队的凝聚力和战斗力。四是突出品牌导向。实施品牌战略是推进企业文化与经营管理相融合、提高综合竞争力的最佳着力点。

式(1)

式(1)中:wf和w0分别为称量瓶最终和起始质量,mg;d为天数,d;s为膜片的有效面积,s=4.5216 cm2。

1.2.2.3 透光性 复合膜裁成10 mm×50 mm的长条,贴于可见分光光度计的比色皿内壁上,在600 nm波长下测定复合膜的吸光度。不透明度的计算公式:Op=A600/a,式中:A600为膜在600 nm处的吸光度,a为膜厚度(mm)[15]。

1.2.2.4 力学性能 复合膜力学性能按国标 《GB/T 13022-1991 塑料薄膜拉伸强度性能实验方法》 进行测定,测定复合膜的拉伸强度(TS)和断裂伸长率(EAB)。测试速度为5 mm/min,夹具间距离为30 mm,每个试样重复测量5次,取平均值。按下列公式计算复合膜的TS和EAB:

式(2)

式(2)中:TS为拉伸强度,MPa;P为最大负荷即拉力,N;b为试样宽度,mm;d为试样厚度,mm。

式(3)

式(3)中:EAB为断裂伸长率,%;L0为试样原始标线距离,mm;L为试样断裂时标线间的距离,mm。

1.2.3 复合膜抑菌性能测定 抑菌效果通过抑菌圈法测定[14],在无菌操作下将膜裁剪成直径7 mm的圆片待用。将含菌量约106cfu/mL的细菌培养液0.1 mL(金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、蜡样芽孢杆菌)倒入牛肉膏蛋白胨固体培养基上,在培养基表面涂抹均匀后放置5 min;然后将裁剪好的复合膜放置在培养基表面,在37 ℃培养24 h,用十字交叉法测定抑菌圈大小。

1.2.4 鱼肉储藏实验 选取鲜活白鲢鱼5条,用75%乙醇擦净刀具和案板,取其脊背上的白肉。每份20 g,用复合膜密封包装鱼肉,并用无膜包装的鱼肉作为对照。置于4 ℃冰箱中保存,取样测定鱼肉在不同储存时间的pH和菌落总数。

1.2.4.1 pH测定 参考文献[16]的方法,称取5 g肉样并切碎,加入10 mL生理盐水,混合后用均质机处理3～5 min,测定其pH。

1.2.4.2 菌落总数测定 按照GB 4789.2-2010进行稀释平板计数法测定。使用琼脂培养基,取5 g鱼肉,加入45 mL无菌生理盐水,混合后用均质机均质2 min,取1 mL再加入9 mL无菌生理盐水,制成1∶100的样液。同理进行10倍递增稀释,依次制成10-3、10-4、10-5、10-6、10-7和10-8的样品匀液。选择10-6、10-7和10-8浓度的样液,吸取1 mL到灭菌的牛肉膏蛋白胨固体培养基上。同时,吸取1 mL无菌生理盐水加入到培养基中作空白对照组。将所有的培养基置于25 ℃的培养箱中培养,24 h后,选取菌落数在30～300 CFU的样品,计算菌落总数。

1.3 数据处理

每组实验至少重复测定3次,取平均值±SD。采用Origin 9和SPSS 19.0软件进行数据统计分析。

2 结果与讨论

2.1 山梨酸钾添加量对复合膜机械性能的影响

图1 不同山梨酸钾添加量的复合膜的膜厚(a)、断裂伸长率和拉伸强度(b)Fig.1 Thickness(a),EAB and TS(b)of blend films with different potassium sorbate content

由图1a可知,膜厚随着山梨酸钾含量的增加而不断增大,这可能是因为随着山梨酸钾含量的增大使膜液中固形物含量的增多引起膜的厚度增加[17],但数据无显著性差异(p>0.05)。山梨酸钾对膜TS和EAB的影响见图1b,随着山梨酸钾含量的增加,TS先上升后降低。当添加6%的山梨酸钾时,复合膜TS最大,为58.78 MPa,与未添加山梨酸钾的复合膜相比增加了38.34%,这可能是小分子物质山梨酸钾的加入使分子间交联更加紧密,膜TS也随之增大,但添加量增加到一定程度会破坏分子间相互作用,使膜TS降低[8]。而复合膜的EAB则随着山梨酸钾含量的增加显著性增大(p<0.05),当添加12%的山梨酸钾时,复合膜的EAB为36.02%,与未添加山梨酸钾的复合膜相比增大1倍,这可能是因为小分子的山梨酸钾加入,打乱了原有大分子链KGM和zein之间紧密的连接,使膜的结构松散;同时,山梨酸钾的易吸潮性使得增塑的作用更加明显,导致EAB增大[18]。

2.2 山梨酸钾添加量对复合膜水蒸汽透过率的影响

低的水蒸气透过率是延长食品货架期的重要条件。由图2可知,随山梨酸钾含量的增加,复合膜的水蒸气透过率显著下降(p<0.05)。未添加山梨酸钾的复合膜WVP为8.35 mg·cm-2·d-1,而山梨酸钾含量12%的复合膜WVP降至5.16 mg·cm-2·d-1,降低了38.2%。这可能是由于山梨酸钾分子中的羧基与zein蛋白质分子中的氨基通过氢键结合,增加了复合膜的致密性,使水分子难以在膜中扩散,从而提高了对水蒸气的阻隔性[19]。因此,山梨酸钾的加入能够降低复合膜的水蒸气透过率,使其对食品起到更好的保护作用。

图2 不同山梨酸钾添加量的复合膜的水蒸气透过率Fig.2 Water vapor permeability of blend films with different potassium sorbate content

2.3 山梨酸钾添加量对复合膜透光性的影响

包装材料的透光性是反映包装产品外观的重要指标,通过不透明度反应膜的透光性,不透明度越大其透光性越差。由表1可知,随着山梨酸钾含量的增加,膜的透光性显著性降低(p<0.05)。这可能是因为,复合膜透光性受到山梨酸钾添加量的影响,随着山梨酸钾含量的增加,山梨酸钾会相互聚集,使光线无法通过,从而导致复合膜透光性的下降[20]。

表1 不同山梨酸钾含量复合膜的透光性Table 1 Transparency of blend films with different potassium sorbate content

注:a、b、c、d、e表示不同山梨酸钾含量条件下各指标的差异性,相同表示差异不显著,不同则表示差异显著(p<0.05)，表2同。

2.4 复合膜的抑菌效果

包载不同含量山梨酸钾的复合膜对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和蜡样芽胞杆菌的抑菌效果如表2,抑菌圈大小为7 mm表示没有抑菌效果(样品直径d=7 mm)。不添加山梨酸钾的复合膜对三种菌完全没有抑菌作用。随着山梨酸钾含量的增大,复合膜抑菌圈直径不断增大,说明山梨酸钾和KGM/zein共混成膜后是具有抑菌活性的[14]。当山梨酸钾含量为12%时,24 h后对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和蜡样芽胞杆菌的抑菌圈可达11.52、9.22、26.34 mm,这是因为山梨酸钾能与微生物酶系统中的巯基结合,破坏重要酶系的作用,达到抑制微生物增殖和防腐的效果[13]。复合膜对三种菌的抑菌效果依次是蜡样芽孢杆菌>大肠杆菌>金黄色葡萄球菌。因为山梨酸钾极易吸潮,更多含量山梨酸钾的复合膜成膜后不能使用,因此本研究的山梨酸钾最大含量为12%[9]。

表2 不同山梨酸钾含量复合膜的抑菌效果Table 2 Antibacterial activity of blend films with different potassium sorbate content

2.5 包裹鱼肉储藏期品质变化

图3 不同山梨酸钾添加量的复合膜包装鱼肉4 ℃储藏的pH变化Fig.3 pH of different packaging films with different potassium sorbate content during 4 ℃ storage

2.5.1 pH pH是判断肉腐败程度的一项重要参考指标,肉类产品腐败越快其pH上升会越快。如图3所示,在冷藏期内,鱼肉的pH均呈现出先降低后升高的趋势,这是因为鱼体死亡后糖原酵解成乳酸,使pH逐渐降低,达到最低点,随着蛋白质等分解产生的碱性物质,pH会不断上升[16]。如图3可知,新鲜宰杀的鱼肉pH为6.87,空白组pH在第2 d达到最低值,而复合膜包裹的鱼肉在第4 d达到最低值,复合膜中山梨酸钾的含量越高,鱼肉的pH越低。pH最小值出现的时间不同是因为微生物生长速率不一样,微生物生长快会产生较多的氨以及胺类等碱性物质,可以中和鱼肉产生的乳酸,表现为pH高[11]。用含有山梨酸钾复合膜包裹的鱼肉,既有山梨酸钾的抑菌作用,又有复合膜隔绝环境作为屏障,微生物生长速度慢,其分解蛋白而产生的碱性物质不足以和乳酸中和,所以pH明显低于空白组。山梨酸钾含量为12%的复合膜包裹的鱼肉pH最低,抑菌效果最好。

2.5.2 菌落总数 鱼肉中细菌总数可以反映鱼类的腐败程度。从图4可知,复合膜的抑菌效果随山梨酸钾含量的增加而越来越明显,未用复合膜包装的鱼肉菌落总数明显高于采用复合膜处理的样品。出现上述结果首先是由于复合膜对鱼肉起到一层保护屏障的作用,避免了细菌对鱼肉的侵害;另外复合膜中山梨酸钾添加量越多鱼肉菌落总数越少,说明山梨酸钾表现出明显的抑菌作用,有效控制了细菌的繁殖[15]。随着储藏时间的延长,各组鱼肉的细菌总数逐渐上升。如图4所示,新鲜鱼肉的菌落总数为(2.92±0.05) lg(CFU/g),储藏至第6 d时,空白对照组的鱼肉组菌落总数超过GB 18406.4-2001规定的细菌总数应不大于6 lg(CFU/g)的标准。山梨酸钾含量12%的复合膜在储藏10 d时菌落总数(6.201±0.13) lg(CFU/g)才超过标准,与对照组相比,菌落总数超标时间延迟了4 d。

图4 不同山梨酸钾添加量的复合膜包装鱼肉4 ℃储藏时的菌落总数变化Fig.4 Total number of colonies of different packaging films with different potassium sorbate content during 4 ℃ storage

3 结论

KGM/zein复合膜中加入山梨酸钾后,对复合膜的膜厚没有显著影响,山梨酸钾的加入对水蒸气和光线增加了膜的阻隔作用,水蒸气透过率和透光性随山梨酸钾含量的增加而降低,复合膜的拉伸强度在6%山梨酸钾添加量时达到最大,为58.78 MPa,复合膜的EAB则随着山梨酸钾添加量的增加显著增大(p<0.05),当山梨酸钾含量为12%时,复合膜的EAB为36.02%。山梨酸钾的添加量对复合膜的抑菌效果有明显影响,随着山梨酸钾含量的增加,复合膜对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和蜡样芽孢杆菌的抑菌效果显著增强。将含有山梨酸钾的复合膜用于鱼肉冷藏保鲜,以菌落总数为参考指标,山梨酸钾含量为12%时,与空白对照组相比,4 ℃储藏条件下菌落总数超标时间延迟了4 d。因此山梨酸钾/魔芋葡甘聚糖/玉米醇溶蛋白复合抗菌膜在食品保鲜上具有一定的应用前景。

[1]Azeredo H M C,Waldron K W. Crosslinking in polysaccharide and protein films and coatings for food contact-A review[J]. Trends in Food Science & Technology,2016(52):109-122.

[2]姜楠楠,陈小亮. 抗菌膜在食品包装中的应用及发展趋势[J]. 塑料包装,2016,26(4):21-24.

[3]Yu Hao,Li Wei,Liu Xing,et al. Improvement of functionality after chitosan-modified zein biocomposites[J]. Journal of Biomaterials Science,Polymer Edition. 2017,28(3):227-239.

[4]Serna C P,Filho J F. Biodegradable zein-based blend films:structural,mechanical and barrier properties[J]. Food Technology & Biotechnology,2015,53(3):348-353.

[5]Gao Pingping,Wang Feng,Gu Fengying,et al. Preparation and characterization of zein thermo-modified starch films[J]. Carbohydrate Polymers,2016(157):1254-1260.

[6]张慧芸,郭新宇,吴静娟. 添加丁香精油对玉米醇溶蛋白膜性能及结构的影响[J]. 食品科学,2016,37(12):7-12.

[7]王凯,胥诗滔,肖满,等. 司盘-80对魔芋葡甘聚糖-玉米醇溶蛋白复合膜性能的影响[J]. 食品工业科技,2016,37(23):267-271.

[8]王卉,孙宏元,何节玉,等. 羧甲基纤维素钠纳米抗菌复合膜的制备及其性能研究[J]. 食品工业科技,2016,37(5):277-280.

[9]王国军. 山梨酸(钾)的性能及其应用[J]. 中国食品,2011,579(11):56-58.

[10]邓雯瑾,蒋汶龙,陈安均,等. 百里香精油抗菌涂层包装对鲜切生菜货架期内理化品质及微生物的影响[J]. 食品与发酵工业,2016,42(7):247-253.

[11]童佩,倪学文,匡映,等. 含五倍子水提物的魔芋葡甘聚糖/乙基纤维素膜理化性和抗菌性研究[J]. 食品工业科技,2016,37(16):318-322.

[12]Kowalczyk D,Kordowska-Wiater M,Soowiej B,et al. Physicochemical and antimicrobial properties of biopolymer-candelilla wax emulsion films containing potassium sorbate-a comparative study[J]. Food & Bioprocess Technology,2014,8(3):1-13.

[13]Pérez L M,Soazo M D V,Balagué C E,et al. Effect of pH on the effectiveness of whey protein/glycerol edible filmscontaining potassium sorbate to control non-O157 shiga toxin-producing Escherichia coli,in ready-to-eat foods[J]. Food Control,2014,37(1):298-304.

[14]Dariusz Kowalczyk,Monika Kordowska-Wiater,Bartosz Soowiej,et al. Physicochemical and antimicrobial properties of biopolymer-candelilla wax emulsion films containing potassium sorbate-a comparative study[J]. Food Bioprocess Technol,2015,8(3):567-579.

[15]王卫东,曹泽虹,孙月娥,等. 复合抗菌膜对腊肉品质的影响[J]. 食品科学,2012,33(2):276-279.

[16]Lacey A M L D,López-Caballero M E,Montero P. Agar films containing green tea extract and probiotic bacteria for extending fish shelf-life[J]. Food Science and Technology,2014,55(2):559-564.

[17]张赟彬,王景文,王一非,等. Florida橘油-壳聚糖复合膜的制备及表征[J]. 现代食品科技,2014,30(2):147-152.

[18]Sayanjali S,Ghanbarzadeh B,Ghiassifar S. Evaluation of antimicrobial and physical properties of edible film based on carboxymethyl cellulose containing potassium sorbate on some mycotoxigenic Aspergillus species in fresh pistachios[J]. Food Science and Technology,2011,44(4):1133-1138.

[19]郭丛珊,张丽叶. 含茶多酚大豆分离蛋白抗菌膜的制备及其性能和保鲜效果[J]. 北京化工大学学报(自然科学版),2011,38(4):104-109.

[20]马中苏,隋思瑶,张宁,等. 肉桂醛浓度对浓缩乳清蛋白/壳聚糖复合膜性能的影响[J]. 现代食品科技,2015,31(2):113-118.

Effect of potassium sorbate on properties and antibacterial effect of konjac glucomannan/zein composite films

WANG Kai,LI Wei,WU Kao,XIAO Man,JIANG Fa-tang,NI Xue-wen*

(Food and Pharmaceutical Engineering Department,Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China)

In this paper,konjac glucomannan and zein were used as the substrate,together with additions of antimicrobial agent(potassium sorbate)at different content to prepare composite films,and the physicochemical properties and antibacterial effect of the composite films were studied. The results showed that the addition of potassium sorbate had no significant effect on the composite films thickness(p>0.05)and the water vapor transmission rate and transparency of the composite films decreased with the increased potassium sorbate content. The elongation at break of the composite films increased significantly with the increased potassium sorbate content(p<0.05),and when the content of the composite film was 12%,the elongation at break was 36.02%,one times larger than that of composite film without potassium sorbate. When the addition of potassium sorbate was 6%,the tensile strength of the composite film was the highest,which was 58.78 MPa. With the increased the potassium sorbate content,the antibacterial effect of the composite films onEscherichiacoli,StaphylococcusaureusandBacilluscereuswas significantly enhanced. When the potassium sorbate content was 12%,it could prolong the shelf life of fish for 4 days at 4 ℃. The composite films was suitable to be used in food fresh-keeping packaging.

composite films;potassium sorbate;bacteriostasis;physicochemical properties

2017-01-16

王凯(1991-)，男，硕士，研究方向：食品化学及天然高分子材料，E-mail:18062693368@163.com。

*通讯作者:倪学文(1977-)，女，博士，副教授，研究方向：食品化学及天然高分子材料，E-mail:nixuewen@126.com。

湖北省自然科学基金面上项目(2014CFB587)；湖北省科技支撑计划项目(2014BBB019)。

TS255.3

A

1002-0306(2017)11-0276-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.11.044