绿茶多酚对马铃薯淀粉壳聚糖复合膜影响研究

张小燕,赵翔宇,国德贤,彭 勇

(山东农业大学食品科学与工程学院,山东泰安 271018)

绿茶多酚对马铃薯淀粉壳聚糖复合膜影响研究

张小燕,赵翔宇,国德贤,彭 勇*

(山东农业大学食品科学与工程学院,山东泰安 271018)

为开发新型抗氧化活性包装材料,以马铃薯淀粉壳聚糖复合膜为基材,研究添加绿茶多酚对复合膜抗氧化能力、物理性能和化学结构影响。结果表明:添加绿茶多酚显著(p<0.05)提高了复合膜DPPH自由基清除能力,添加2%绿茶多酚的复合膜在3 min内自由基清除率达到94.48%,绿茶多酚添加也显著(p<0.05)地增强了复合膜的阻湿性。但添加绿茶多酚增加了复合膜红色和黄色、水溶性,降低了膜的柔韧性,红外光谱显示添加绿茶多酚影响了-O-H键的弯曲和伸缩振动,干扰了复合膜体间的氢键相互作用。研究结果表明添加0.5%绿茶多酚既能提高复合膜的抗氧化能力,又可使复合膜拥有较好的柔韧性。

绿茶多酚,马铃薯淀粉,壳聚糖,活性包装膜,抗氧化

近年来,随着人们食品安全意识的增强,天然活性包装材料研发成为关注热点[1-3]。其中,天然高分子生物降解包装材料主要以天然高分子为基材制造而来,如植物型的淀粉、纤维素、木质素等,动物型的甲壳素、壳聚糖、明胶等,这些物质通过分子间的交联作用可以形成结构致密的薄膜材料,完全生物降解,安全性高,可预防聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯等普通塑料制品造成的环境污染[4-5]。其中,淀粉和壳聚糖等多糖类物质来源广泛、成膜性好,是生物活性包装膜基材的首选材料[4]。然而,单一的淀粉制成的膜亲水性强、膨胀程度高,易受水分影响,干燥后容易碎裂[6],单一的壳聚糖制备的膜成本较高,同时壳聚糖溶于酸溶剂才能成膜的特性使得壳聚糖的应用也受到一定限制[7-8]。因此,为了改善单一膜材料性能的不足,复合两种或两种以上膜材料成为学者们探索的方向之一[9-10]。Vásconez等[11]研究表明壳聚糖和木薯淀粉可以形成性能较好的膜,壳聚糖可以增加复合膜的抗菌能力。Shen[12]和Cyras[13]研究也表明淀粉的结构、甘油和壳聚糖的含量均会影响膜的性能,壳聚糖与淀粉之间主要通过氢键起作用。但关于添加马铃薯淀粉以及绿茶多酚对复合膜产生的影响的研究较少。

绿茶多酚是绿茶提取物中的活性成分,具有极强的抗氧化能力,可清除有害自由基,具有预防衰老、解毒和抗辐射等多种生理活性[14-15]。绿茶多酚添加至膜中研究处于起步阶段,研究表明添加绿茶多酚可以提高壳聚糖膜的抗氧化能力[2],也可以改善聚乙烯醇膜的吸湿特性[3]。然而,对于复合膜来讲,不同膜材料之间存在着相互作用,添加绿茶多酚在淀粉壳聚糖复合膜中的作用还未见报道。本研究以马铃薯淀粉和壳聚糖复合膜为基材,制备含不同质量分数的绿茶多酚复合活性包装膜,以期为马铃薯淀粉的开发利用和活性抗氧化包装膜的研制提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

壳聚糖(食品级,脱乙酰度:90.2%) 山东奥康生物科技有限公司：马铃薯淀粉 内蒙古蒙森农业科技股份有限公司;甘油、吐温80、乙酸、氯化钙、氯化钠、1,1-二苯基-2-苦基肼(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl,DPPH),均为分析纯 国药集团有限公司;绿茶多酚(茶多酚≥98%) 陕西藤迈生物科技有限责任公司。

乌式粘度计 规格0.8 mm,上海鲁玟科学仪器有限公司;TA-XT2i 质构分析仪 英国Stable Micro Systems有限公司;WSC-S色差仪 上海精密科学仪器有限公司;Nicolet IS5 傅里叶变换红外光谱仪 美国热电科学仪器公司;恒温数显磁力搅拌器 常州国华电器有限公司;TW-2A循环水真空泵 上海亚荣生化仪器厂;KBF115恒温恒湿箱 德国Binder仪器有限公司;游标卡尺 上海量具刃具厂有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 膜制备 参照钟宇[6]的方法,将2 g壳聚糖溶于100 mL的质量分数为1%乙酸溶液中,25 ℃下磁力搅拌4 h,至壳聚糖完全溶解后,静置待用。将2 g马铃薯淀粉溶于100 mL蒸馏水中,80 ℃水浴加热15 min,至糊化完全,冷却。之后,将马铃薯淀粉倒入壳聚糖溶液中,再在混合溶液中加入质量分数为0.5%的甘油、0.5%的吐温80,以不添加绿茶多酚作为对照(Control),以质量分数分别为0.5%、1%、2%的绿茶多酚作为处理组(0.5%GTP、1%GTP、2%GTP),混合后再次磁力搅拌至混合均匀,随后转移至真空抽气瓶中真空抽气0.5 h,去除气泡。将200 mL复合膜溶液倒在25 cm×25 cm×1 cm的水平玻璃板上,室温下干燥48 h成膜,将膜揭下贮藏于53%相对湿度和25 ℃的恒温恒湿箱中备用。

1.2.2 膜溶液粘度测定 用乌式粘度计测定复合膜溶液的粘度,膜溶液注入管中,用秒表准确记录液面自玻璃球上部刻度线流至下部刻度线的时间,重复3次操作,取平均值。

按下式计算比浓粘度:

式(1)

式(1)中,η为比浓粘度(mL/g),T1为样品液流出时间(s),T0为溶剂水流出时间(s),c为样品液的浓度(g/mL)。

1.2.3 膜的厚度、含水量、水蒸汽透过系数、膨胀和水溶性测定 膜的厚度用精度为0.01 mm的游标卡尺测定;含水量为在105 ℃条件下烘干24 h的干基含水量来表示,每组膜3次重复测定。

水蒸汽透过系数的测定参照GB/T 1037-1988《塑料薄膜和片材透水蒸汽性实验方法》[16],采用杯式法并加以改进,膜片(60 mm×60 mm)被固定在含有无水氯化钙(粒径小于2 mm)的测试杯杯口,氯化钙与杯口距离小于6 mm。将称重后的测试杯放入装有饱和氯化钠溶液(25 ℃、75%的相对湿度)的干燥器中,使膜内外两侧保持一定的蒸汽压差,每隔1 d取出称重,直到质量变化小于0.001 g,每组样品做3次重复。按下式计算水蒸汽透过系数:

式(2)

式(2)中,WVP为水蒸气透过系数(g/(m·s·Pa)),m为透过膜的水分的质量(g);L为膜的厚度(m);A为膜的有效面积(m2);t为水分透过时间(s);,ΔP为膜两侧水分蒸汽压差(Pa)。

膜的膨胀和水溶性参照Silva等[17]的方法,膜(20 mm×20 mm)放入盛有100 mL蒸馏水的烧杯中2 min取出称重,以膜质量的增加量占原始膜质量的比值来表示膨胀程度。膜的水溶性测定以膜(20 mm×20 mm)在70 ℃的真空干燥箱中干燥24 h,作为膜的初始干重m0,然后将膜放入30 mL蒸馏水中放置24 h,擦去膜表面水分后将残留的膜继续放入70 ℃的真空干燥箱中干燥24 h,确定最终的膜干重m1,以(m0-m1)×100/m0来表示膜的水溶性。

1.2.4 膜颜色测定 采用色差仪测定,以白板作为色差测定参比,每个处理测定4次,分别记录膜的L*、a*、b*值。颜色指数为L=0(黑色)到L=100(白色),-a(绿色)到+a(红色),-b(蓝色)到+b(黄色)。

1.2.5 膜力学性能测定 参照GB/T 1040.3-2006《塑料拉伸性能的测定》方法[18],并适当调整。膜样品(20 mm×80 mm)以TA 96装置测定抗拉强度和断裂伸长率,初始夹距为50 mm,拉伸速率为0.8 mm/s。每组膜6次重复测定。

1.2.6 DPPH自由基清除实验 参照Mayachiew等[19]的方法,并略做修改。膜样品(20 mm×20 mm)放入盛有100 mL蒸馏水的烧杯中,置恒温磁力搅拌器上,调节搅拌器转速为150 r/min,温度为(25±0.5) ℃。以蒸馏水为空白对照,于0.5、1、2、3、6、9、15、20 min取样1 mL溶液加入到4 mL的DPPH甲醇(150 μmol/L)溶液中混匀,避光静置30 min使清除自由基反应充分发生,用紫外分光光度计测定516 nm处的吸光度值。按下式计算DPPH自由基清除率:

式(3)

式(3)中,A1为样品的吸光值,A2为空白的吸光值。

1.2.7 膜化学结构测定 膜样品剪成20 mm×20 mm的方形,在干燥器中干燥2周,用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)的全反射模式进行红外扫描,以观察膜的化学结构和基团的变化。光谱分辨率为4 cm-1,在4000～500 cm-1范围内扫描32次获取红外光谱曲线。

表1 不同处理马铃薯淀粉壳聚糖复合膜物理性能参数Table 1 Physical properties of potato starch and chitosan composite films in different treatments

注：表中a,b,c,d等表示用邓肯氏新复极差法检验同一性能在0.05水平上的差异性,字母相同表示差异不显著,字母不同表示差异显著。表2同。

1.3 数据处理

所有实验最少重复3次,数据采用Excel软件和SPSS 17.0软件处理,结果以平均值±标准差来表示。

2 结果与分析

2.1 绿茶多酚对复合膜溶液粘度的影响

膜溶液黏度是影响薄膜性能重要指标之一。从图1中可以看出,低浓度(0.5%)绿茶多酚降低了复合膜溶液粘度,而高浓度的绿茶多酚增加了复合膜溶液粘度,2% GTP处理粘度比对照增加46.6%,并且,处理和对照间差异显著(p<0.05)。膜溶液的粘度与膜组分分子间的作用力有关,取决于膜的浓度、pH、溶剂性质[7],也取决于膜溶液的组分[2]。淀粉和壳聚糖构成的复合膜溶液主要作用力是分子间氢键,当添加绿茶多酚于淀粉壳聚糖复合膜溶液中,绿茶多酚可以插入到淀粉和壳聚糖分子链之间,绿茶多酚的羟基干扰分子间原有的氢键作用力,会导致膜性能的变化[3,10]。本实验中,复合膜溶液的粘度并不随着绿茶多酚添加量的增加而增加,可能由于低浓度的绿茶多酚打破了分子间固有的氢键作用力,导致了膜溶液组分间的结合力变弱、粘度下降,而高浓度的绿茶多酚重新构建了膜溶液的氢键作用,从而导致了粘度的增加。

图1 不同处理马铃薯淀粉壳聚糖复合膜的比浓粘度Fig.1 The viscosity of potato starch and chitosan composite films in different treatments注:图中a,b,c,d等表示用邓肯氏新复极差法检验同一性能在0.05水平上的差异性,字母相同表示差异不显著,字母不同表示差异显著。图2～图3同。

2.2 绿茶多酚对复合膜物理性能的影响

从表1可以看出,绿茶多酚加入壳聚糖淀粉复合膜后,显著地增加了膜厚度、膨胀程度和水溶性。2%处理组的膜膨胀程度和水溶性分别比对照增加了2.36倍和1.38倍,然而,却降低了膜的含水量和水蒸气透过系数,2%GTP处理组的水蒸气透过系数仅为对照膜的37.09%。通常情况下,膜的亲水性与膜中分子间的氢键以及水蒸气在膜中扩散有关[2-3],淀粉壳聚糖复合膜中主要是亲水性较强的羟基集团,而添加的绿茶多酚自身含有疏水性的苯环基团,苯环的存在使得膜亲水性降低,含水量下降,并且,绿茶多酚的苯环插入到复合膜分子链之间,也增加了水蒸气透过膜的距离,使得水蒸气透过系数下降。而膜的膨胀程度和水溶性增加,可能涉及水分在膜中的扩散、氨基或羧基的电离、氢键相互作用,水溶液中由于水分子的进入,重新构建了分子间的氢键,衰弱了绿茶多酚中苯环的作用,暴露了更多的羟基位点,导致膜的吸水膨胀,而膜的吸水膨胀进一步加剧了膜的水溶性[20-21]。因此,综合考虑膜的水溶性和水蒸气透过系数,以添加低浓度的绿茶多酚有助于提高膜的稳定性,尤其在高湿度条件下的稳定性。

2.3 绿茶多酚对复合膜颜色的影响

颜色直接影响到人们的可接受程度,从表2中可以看出,相比于对照组,壳聚糖淀粉复合膜加入绿茶多酚后,L*值从93.12降低到58.77,下降了36.9%,L*值反映了膜的亮度,亮度越低,膜的色泽越暗。而添加绿茶多酚后,膜的a*和b*值显著增加,当绿茶多酚浓度达2%时,a*值从-0.90增加到19.80,而b*增加了7.48倍,a*和b*值越大分别代表红色和黄色越深。Bancirova等[15]研究表明绿茶和红茶加工工艺不同,茶叶颜色差异明显。绿茶绿色深,绿茶多酚是从绿茶中提取的多酚类物质,在提取过程中,绿色易被氧化,呈现出红黄色[14,22]。而壳聚糖自身的红色和黄色浅,因此,复合膜颜色的加深主要是由于绿茶多酚本身的色泽造成的。考虑实际应用,降低绿茶多酚的添加量是降低膜颜色的有效途径之一,本实验中,0.5%更易于人们接受。

表2 不同处理马铃薯淀粉壳聚糖复合膜颜色变化Table 2 Colour changes of potato starch and chitosan composite films in different treatments

2.4 绿茶多酚对复合膜力学性能的影响

从图2可以看出,复合膜的抗拉强度随着绿茶多酚浓度的增加而增加。0.5% GTP和1% GTP与对照组差异不明显(p>0.05),2% GTP处理组抗拉强度比对照增加了18.33%,差异显著(p<0.05)。0.5% GTP对复合膜的断裂伸长率影响不大,1% GTP和2% GTP显著地降低了复合膜断裂伸长率,2% GTP处理组比对照下降了62.43%。膜的力学性能与膜结晶结构和分子间的作用力有关,壳聚糖和淀粉复合膜的作用力主要是淀粉和壳聚糖分子链结合力、羟基之间的氢键作用以及与增塑剂等小分子物质间的相互作用,抗拉强度主要与分子链结合力有关,断裂伸长率主要与分子链的移动有关,而分子链的移动主要涉及氢键相互作用[11,23]。添加2%绿茶多酚导致膜抗拉强度增加,可能由于2%浓度较高,改变了淀粉和壳聚糖分子链间的结合位点,增强分子链结合力所致。而断裂伸长率下降可能由于绿茶多酚中苯环的疏水作用,导致了羟基位点较少,氢键作用力下降,膜的断裂伸长率降低。因此,为了稳定膜的力学性能,以添加0.5%绿茶多酚效果较好。

图2 不同处理马铃薯淀粉壳聚糖复合膜的抗拉强度和断裂伸长率Fig.2 Tensile strength and elongation at break of potato starch and chitosan composite films in different treatments

2.5 绿茶多酚对复合膜抗氧化能力的影响

DPPH自由基清除能力评价被认为是测定物质抗氧化能力的标准方法之一[24]。由图3可以看出,对照膜的DPPH自由基清除能力很弱,水溶液中几乎检测不到。而随着绿茶多酚添加量增加,复合膜达到最大DPPH自由基清除率的时间逐渐缩短,2%GTP处理组在3 min即可达到最大DPPH自由基清除率。DPPH自由基清除率的变化反映了复合膜中绿茶多酚向水中的释放情况,而释放程度的差异与复合膜在水中的溶胀密切相关[25]。在15 min时,0.5%GTP处理组的DPPH自由基清除率也达到最大,即添加0.5%绿茶多酚仍有很强的抗氧化能力,但达到最大自由基清除率的时间与绿茶多酚浓度有关。我们之前的研究表明添加0.5%绿茶多酚于单一壳聚糖膜时,5 min达到最大DPPH自由基清除率[2],这种差异可能由于马铃薯淀粉和壳聚糖分子间的结合力比单一壳聚糖的结合力强,分子链更牢固,水分子不容易渗透到膜内,也导致膜中绿茶多酚难以从膜中释放出来。

图3 不同处理马铃薯淀粉壳聚糖复合膜抗氧化能力Fig.3 Antioxidant ability of potato starch and chitosan composite films in different treatments

2.6 绿茶多酚对复合膜分子组成影响

从图4可以看出,复合膜材料的特征光谱主要发生在3286 cm-1处(O-H伸缩振动)、2925 cm-1处(CH2形变和N-H键振动)、1555 cm-1处(C=C键伸缩振动和N-H键弯曲)、1410 cm-1处和1378 cm-1处(-CH2和-CH3的对称形变)、1257 cm-1处(-O-H键弯曲),1027 cm-1处(C-O键伸缩)和指纹区650～900 cm-1处(苯环骨架变形振动)。

图4 不同处理马铃薯淀粉壳聚糖复合膜化学结构Fig.4 Chemical structure of potato starch and chitosan composite films in different treatments

相比于纯壳聚糖膜(Chitosan,CH),马铃薯淀粉壳聚糖复合膜(CH-S)在3286 cm-1处和1027 cm-1处的峰值变大,而在1555 cm-1处、1410 cm-1处、1378 cm-1处和1257 cm-1处的峰值变小,表明壳聚糖和马铃薯淀粉之间存在着氢键的相互作用,并且马铃薯淀粉的加入会影响壳聚糖自身分子链的N-H键[13]。而添加绿茶多酚后,明显影响了复合膜O-H伸缩振动和-O-H键的弯曲,3286 cm-1处和1257 cm-1处的峰发生变化,表明绿茶多酚部分抵消了壳聚糖对淀粉的作用力,绿茶多酚中的苯环可能对-O-H键弯曲起着重要作用,物理性能表现为复合膜水溶性增加,柔韧性下降[21,26]。绿茶多酚加入复合膜后,1555 cm-1处发生明显变化,反映出绿茶多酚影响了复合膜C=C键伸缩振动和N-H键弯曲,而650～900 cm-1处的变化主要涉及苯环变形振动,反映出苯环数量可能是影响复合膜性能的主要因素之一[22]。

3 结论

添加绿茶多酚显著提高了马铃薯淀粉壳聚糖复合膜的抗氧化能力,相比于对照组,添加绿茶多酚提高了膜的DPPH自由基清除率,延缓了膜中抗氧化物质在水中的释放速率。相比于1%和2%的添加量,添加0.5%绿茶多酚达到最大自由基清除率的时间最长,制备的膜性能最稳定,膨胀和水溶性小,膜的柔韧性好。并且,0.5%绿茶多酚对复合膜的亮度、红色和黄色影响最小,但低浓度的绿茶多酚不如高浓度的膜阻湿性好。综合考虑,在马铃薯淀粉/壳聚糖复合膜的制备中,适宜的绿茶多酚添加量0.5%。

膜的化学组成反映出绿茶多酚与马铃薯淀粉和壳聚糖之间存在着相互作用,绿茶多酚的苯环和羟基可能是影响复合膜性能的主要因素,但具体作用机制仍不清楚,将来对复合膜的结晶结构、热学性能进行深入研究。并且,为了降低膜的颜色,进一步研究添加0～0.5%绿茶多酚对复合膜抗氧化性及物理性能的影响尤为必要。

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Effect of green tea polyphenols on properties of potato starch-chitosan composite film

ZHANG Xiao-yan,ZHAO Xiang-yu,GUO De-xian,PENG Yong*

(College of Food Science and Engineering,Shandong Agricultural University,Tai’an 271018,China)

In order to develop a new active antioxidant packaging material,the effects of green tea polyphenols(GTP)on the physical,antioxidant and structural properties of the potato starch-chitosan based films were investigated. The results showed that DPPH radical scavenging rate of composite films were enhanced significantly with the addition of GTP,and DPPH radical scavenging rate achieved 94.48% with 2% GTP treatment in 3 min. The addition of green tea polyphenols also decreased water vapor permeability of composite films. However,green tea polyphenols increased the red and yellow color,water solubility,whereas caused the decrease of film flexibility. The changes in physical properties were attributed to the hydroxyl interaction between chitosan-starch and green tea polyphenols according to the FTIR. The results showed that the addition of 0.5% green tea polyphenols could not only improve the antioxidant quality of films,but also have better flexibility.

green tea polyphenols;potato starch;chitosan;active packaging film;antioxidant

2017-01-13

张小燕(1983-)，女，博士，讲师，研究方向：食品功能性成分研究，E-mail：06zhangxiaoyan@163.com。

*通讯作者:彭勇(1980-)，男，博士，讲师，研究方向：食品贮藏保鲜，E-mail：pengyongxyz@sina.com。

山东农业大学青年科技创新基金(055-24037)；中国博士后科学基金面上资助 (2016M592228)。

TS206.4

A

1002-0306(2017)15-0233-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.15.043