海藻酸钠对鱼皮明胶膜理化特性的影响

刘全娇，陆剑锋，吕 顺，姜绍通，林 琳*

（合肥工业大学食品与生物工程学院，安徽省农产品精深加工重点实验室，安徽 合肥 230009）

包装是保护食品不受不利的化学及微生物因素影响的重要而有效的方法[1-2]。随着普通塑料包装材料造成的环境问题日趋严重，人们对食品包装可食用膜的开发兴趣日益增加[3-4]。多糖和蛋白质等天然大分子材料因其具有良好的结构和机械特性，成为制备可食用包装膜的良好选择[5]。

明胶是由动物结缔组织中的天然胶原质在适当条件下其三级、二级和部分一级结构被破坏，胶原的三股螺旋结构松开，相互缠绕的链解开以后得来的产物[6]。明胶具有凝胶特性，成膜性能良好，与其他蛋白膜相比[7]，明胶膜具有机械性能强、阻隔性能好、透明度高等特点，在可食性包装膜的应用方面有不可替代的优越性[8]。海藻酸钠是白色或淡黄色粉末状的一种聚阴离子的电解质[9]，一定浓度的海藻酸钠溶液通过干燥的方法，可以制得水溶、透明、阻氧性和机械性能较为优良的膜。但单纯的明胶膜质脆，而海藻酸钠由于亲水性使其在湿度较高的环境中容易吸潮发黏，形成的膜热性能较差，机械性能也有待改善。将明胶与海藻酸钠共混制膜可以制备出集二者优点，具有更加广泛功能特性的复合膜。两种成膜材料依赖分子之间的氢键交联以及链之间的缠绕形成复杂的三维结构，这样的三维构象使得复合膜的阻隔性好、强度及热稳定性高[6,10]。

罗非鱼（Oreochromis niloticus）是我国重要的淡水养殖品种，主要用于加工冷冻鱼片。罗非鱼在加工过程中产生大量的副产物（约50%以上），其中鱼皮中富含胶原蛋白，从鱼皮中提取胶原蛋白和明胶可大幅提高鱼加工副产物的经济价值，并可减少环境污染[11]。本实验利用罗非鱼鱼皮明胶和海藻酸钠共混制备复合膜，考察海藻酸钠的添加比例对鱼皮明胶膜的力学性质、吸湿性、水溶性和透光性的影响，并通过流变学分析和X射线衍射对鱼皮明胶与海藻酸钠复合的成膜机理进行分析。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

罗非鱼皮明胶（纯度＞85%）由实验室自制，参考汲聪玲等[12]的方法稍作修改；海藻酸钠、甘油、硫酸铵（均为分析纯） 国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

分析天平 上海民桥精密科学仪器公司；恒温恒湿箱 上海一恒科学仪器有限公司；SP-752紫外-可见分光光度计 上海光谱仪器有限公司；DISICOVERY HR-3流变仪 美国TA公司；DHG-9123J精密恒温鼓风干燥箱 上海三发科学仪器有限公司；TA-XT Plus物性测试仪 英国Stable Micro System公司；D/MAX2500V型X射线衍射仪 日本理学仪器株式会社。

1.3 方法

1.3.1 明胶-海藻酸钠复合膜的制备

室温条件下，在烧杯中以去离子水溶解一定量的经研磨的海藻酸钠粉末，在恒温水浴下电动搅拌使其充分溶解，制备2 g/100 mL的海藻酸钠溶液。罗非鱼皮明胶实验室自制，选取明胶热水提取温度50 ℃、pH 4.5，其余均参考汲聪玲等[12]的方法。称取实验室自制的罗非鱼皮明胶，以蒸馏水为溶剂静置溶胀30 min，之后在60 ℃水浴中持续搅拌使之完全溶解，配制成10%的明胶溶液。

将已制备的2 g/100 mL海藻酸钠溶液与10 g/100 mL溶液按一定比例混合，混合后使明胶溶液和海藻酸钠溶液的质量比分别为0∶100（单一海藻酸钠膜）、20∶80、40∶60、60∶40、80∶20、100∶0（单一明胶膜），将膜编号为Gel∶Alg 0∶100、Gel∶Alg 20∶80、Gel∶Alg 40∶60、Gel∶Alg 60∶40、Gel∶Alg 100∶0，然后加入4%甘油增塑，将混合溶液于40 ℃搅拌均匀，静置脱除气泡后，在塑料平皿中流延成膜，置于恒温恒湿箱（条件控制为温度20 ℃、相对湿度60%）中干燥48 h，揭膜备用。

1.3.2 明胶-海藻酸钠复合膜的理化性质测定

1.3.2.1 力学性能测定

膜的力学性能的测定参考王京[13]的方法。用物性测试仪测定共混膜的力学性能，选取质地均匀光滑的薄膜，将其切成长条形状（1 cm×8 cm），设定仪器的起始间距为40 mm，拉引速率为 60 mm/min。每个样品重复测定5 次。分别按照公式（1）和（2）计算复合膜的抗拉强度和断裂伸长率：

式中：TS为抗拉强度/MPa；Fm为试样断裂时承受的最大张力/N；L为膜的厚度/mm；W为膜的宽度/mm。

式中：E为断裂伸长率/%；L0为膜的原始长度/mm；ΔL为膜断裂时被拉伸的长度/mm；L1为膜断裂时达到的最大长度/mm。

1.3.2.2 水溶性的测定

参考Sahraee等[14]的方法。称取0.5 g膜，在恒温干燥箱（105 ℃）中干燥至质量恒定，称量后将其于室温完全浸于50 mL的蒸馏水中，静置24 h，之后将混合液在9 000 r/min离心10 min，倒掉液体部分，将剩余的固体再次干燥至质量恒定，每个样品重复测量3 次，按公式（3）计算膜的溶解度：

式中：WS为溶解度/%；M0为膜的初始质量/g；M为膜溶解后膜的质量/g。

1.3.2.3 吸湿性测定

参考李东华[15]的方法。称量0.5 g膜于规格（直径×高）为50 mm×30 mm的称量瓶中，于105 ℃条件下烘干至质量恒定，然后将其移至于底部盛有饱和硫酸铵溶液（相对湿度81%）的干燥器中敞口放置，密封干燥器，室温放置。每间隔 6 h称量样品放置前后的质量，每个样品重复测量3 次，根据公式（4）计算吸湿率：

式中：M0为放置前样品的质量/g；Mn为放置后样品的质量/g。

1.3.2.4 透光率的测定

透光率是用来衡量复合膜相容性的有效方法之一[16]。如果两种成膜基质不能很好地融和，那么在两相界面上光的散射或反射会使共混膜的透光率降低[17]。参考Etxabide等[18]的方法。选择均匀、光滑的膜样品，将其切成条形（50 mm×10 mm）贴在石英比色皿一边，以空皿为空白参比，用紫外-可见分光光度计测定其透光率，波长的扫描范围为200～800 nm。

1.3.2.5 复合膜液的静态流变学特性测定

参考王利强等[19]的方法。将不同配比的明胶-海藻酸钠复合膜液冷却至室温，加一定量膜液到25 ℃流变仪锥板台上进行静态流变性测定，擦去平板外多余样品，使用直径为40 mm的2°锥形测量板，设定板间距为1 000 μm。设定剪切速率变化范围为0～700 s－1。复合膜的静态流变行为采用Ostwald-de-Waele模型进行拟合，公式如下：

式中：σ为剪切压力/Pa；Κ为稠度系数/（Pa•s）；γ为剪切速率/s－1；n为幂律指数（流动行为指数）。

1.3.2.6 X射线衍射分析

参考Chetouani等[20]的方法。采用X射线衍射仪测定膜的结晶性能，扫描范围为5°～70°，用分峰法计算复合膜样品的结晶度。

2 结果与分析

2.1 复合膜的力学性能分析

从图1可以看出，复合膜中海藻酸钠添加比例低于40%时，随着复合膜中海藻酸钠添加比例的提高，复合膜的抗拉强度逐渐增加，断裂伸长率也较单一的明胶膜有明显增加，说明加入海藻酸钠有利于改善明胶膜的力学性质，纯明胶膜的抗拉强度和断裂伸长率分别为5.5 MPa和64%，纯海藻酸钠膜抗拉强度和断裂伸长率分别为4.6 MPa和88%，当复合膜中Gel∶Alg 60∶40时，复合膜的抗拉强度和断裂伸长率均达到最大值，分别为6.6 MPa和120%，抗拉强度相对于纯明胶膜和纯海藻酸钠膜分别增加了20%和43%，断裂伸长率分别增加了87.5%和26.7%。

图1 海藻酸钠对复合膜力学性能的影响Fig. 1 Effect of sodium alginate on mechanical properties of composite films

海藻酸钠加入明胶膜后使复合膜的抗拉强度增大，是由于海藻酸钠的正电荷与明胶带的负电荷之间能形成聚两性电解质，使两种成膜材料之间产生较强的分子间作用力[21-22]，从而提高了其抗拉强度，但继续提高复合膜中海藻酸钠的比例（＞40%），膜的拉伸强度有一定程度降低，表明过多的海藻酸钠用量不利于提高共混膜样品的拉伸强度，这可能是因为海藻酸钠含量过多，不能完全充分地与明胶分子间生成离子键以及氢键。另一方面，纯明胶膜的断裂伸长率最小，低于纯海藻酸钠膜，说明其韧性较差。海藻酸钠含量较低时，复合膜的性质与纯明胶膜的性质相似，膜较脆，断裂伸长率低。海藻酸钠的加入可提高复合膜的韧性，复合膜的断裂伸长率均高于单一明胶膜。这是由于海藻酸钠分子中含有较多的极性基团（—OH），在同等湿度的条件下，海藻酸钠含量高的复合膜吸湿率较大，水分子在膜中有增塑的作用，使得共混膜的自由体积增加，改善了分子链段的运动性[23]，从而提高其断裂伸长率。

2.2 复合膜的水溶性分析

图2 海藻酸钠对复合膜水溶性的影响Fig. 2 Effect of sodium alginate on water solubility of composite films

不同比例海藻酸钠溶液与明胶溶液共混后制得的复合膜的水溶性如图2所示。常温下，单一海藻酸钠膜在24 h内的水溶性接近100%，即几乎完全溶解，这是海藻酸钠膜在可食性食品包装膜上应用受到限制的主要原因，而单一明胶膜的水溶性最小。海藻酸钠与明胶共混后形成的复合膜水溶性显著降低，达到55%以下，主要是因为2 种成膜物质之间发生较强烈的分子之间离子键和氢键键合作用，形成新的复合物，导致复合膜的水溶性低于单一海藻酸钠膜。

2.3 复合膜的吸湿性分析

图3 海藻酸钠对复合膜吸湿性的影响Fig. 3 Effect of sodium alginate on hygroscopicity of composite films

由图3可见，随着时间的延长，膜的吸湿率逐渐增大，在前20 h各样品膜的吸湿速率升高很快，40 h以后已基本到达平衡的状态。单一海藻酸钠膜吸湿率最高，平衡后达50%，单一明胶膜平衡后吸湿率最低。复合膜的吸湿率介于两种单一膜之间，在25%～40%之间，且吸湿程度随着复合膜中海藻酸钠含量的增加而增大，这是由于2 种膜材料混合后，海藻酸钠的亲水基团与明胶分子间产生氢键作用，使明胶所形成的胶原纤维渐渐分散开，大部分亲水基团被暴露在外，使膜的吸湿性有一定程度的提高[24]。

2.4 复合膜的透光率分析

图4 海藻酸钠对复合膜透光率的影响Fig. 4 Effect of sodium alginate on transmittance of composite films

从膜的外观可知，不同配比的混合膜外观均呈现透明状。由图4可以看出，当海藻酸钠质量分数低于80%时，复合膜的透光率皆在80%以上，呈现较好的透光性。当复合膜中海藻酸钠质量分数高于80%时，复合膜的透光率降低至70%左右，这可能是因为海藻酸钠本身是乳白色，随复合膜中海藻酸钠含量的升高，其自身的颜色对共混膜的颜色产生的影响逐渐增大。

2.5 复合膜液的流变学特性分析

图5 不同剪切速率下复合膜液黏度（a）和剪切应力（b）的变化Fig. 5 Change in viscosity (a) and shear stress (b) of composite films at different shear rates

由图5a可知，除单一明胶溶液黏度不随剪切速率改变外，其他样品（包括单一海藻酸钠溶液）的黏度均随着剪切速率的增加而降低，特别是当剪切速率在0.1～400 s－1范围内时，复合膜液和海藻酸钠溶液的黏度迅速降低，表明复合膜液和单一海藻酸钠溶液皆为剪切稀化体系。在同一剪切速率下，复合膜液中海藻酸钠溶液比例的提高使溶液的黏度增大。当剪切速率高于400 s－1时各膜液的黏度均趋于平稳，但各溶液的黏度依然存在明显的差异，说明海藻酸钠对复合膜液的黏度影响较大。复合膜液会剪切稀化是由于海藻酸钠与明胶分子链端相互缠结，大分子之间产生的链间作用结构较稳定，分子的自由流动受到阻碍造成的[25]；当外加剪切力作用时，分子间稳定结构被破坏，分子便能自由流动，黏度急剧下降[26]；当剪切速率达到一定限度，分子结构再次变得平稳，此时分子链已充分取向，就不会有太大的黏度变化[27]。

由图5b可知，各混合膜液的剪切应力随剪切速率的增加而变大，除单一明胶溶液外，其他曲线皆过原点并向上凸出，以此可判断所有除单一明胶溶液外，复合膜液（包括单一海藻酸钠溶液）均属于非牛顿流体[28]，在剪切速率相同的条件下，单一海藻酸钠溶液的剪切应力最大，提高复合膜液中海藻酸钠的比例越高，其剪切应力越大。

根据剪切速率-剪切应力变化曲线，使用Ostwaldde-Waele模型进行静态流变曲线的拟合，计算出不同膜液体系的稠度系数（K值）、流动指数（n）值以及相关系数（R2），结果见表1，其中K值用以表征混合膜液的表观黏度，流体的增稠能力随K值的增大而提高；n表示流体的非牛顿性程度，对于牛顿流体而言，n等于或接近1；对假塑性流体而言，n值小于1，且n值越是偏离1而减小，膜液的非牛顿特性更加明显[19]。

表1 不同配比的复合膜液的幂律方程拟合参数Table 1 Power-law equation parameters for film forming solutions with different ratios between gelatin and sodium alginate

由表1可知，各方程的相关系数R2都高于0.99，可见模型有较好的拟合水平。各参数的计算结果显示单一明胶膜的n值接近1，其他复合膜液n值均小于1，且随着海藻酸钠在复合膜中的比例的增加，n值逐渐降低，单一海藻酸钠溶液的n值最小，结合图5，可以认为单一明胶溶液为牛顿流体，而明胶-海藻酸钠混合溶液以及单一海藻酸钠溶液皆为非牛顿流体。此外，单一明胶溶液的K值最小，增稠能力最弱，随混合膜液中海藻酸钠比例的提高K值逐渐增大，说明当明胶溶液与海藻酸钠溶液混合后会使溶液的增稠能力增大，成膜液增稠能力越大越不利于成膜液流延均匀且更容易产生气泡，这一定程度影响了膜的均匀性和致密性[19]。

2.6 复合膜的X射线衍射分析

图6 复合膜的X射线衍射谱图Fig. 6 X-ray spectra of composite films

由图6可知，单一的海藻酸钠膜没有结晶峰，单一的明胶膜的衍射峰位为7.5°和20.1°，这与Sahraee等[14]的研究结果一致，复合膜的结晶峰位与单一明胶膜一致。明胶膜在7.5°处的衍射强度很高，说明有一部分棒状的胶原蛋白三螺旋结构存在[29]。

从表2可以看出，Gel∶Alg 80∶20的复合膜结晶度最高，且高于单一明胶膜的结晶度，可见海藻酸钠与明胶分子间并不是简单的机械混合，两者间存在一定的化学上的相互作用。随着复合膜中海藻酸钠比例的增加，复合膜的结晶度降低，说明海藻酸钠的增加使明胶与海藻酸钠之间形成了强烈的氢键结合，削减了明胶分子中羟基、氨基与羧基间的氢键结合，使得明胶的规整结构遭到破坏，导致复合膜的无定形区的含量变大，结晶度下降[30]。

表2 复合膜的结晶度Table 2 Crystallinity of composite films

3 结 论

本研究利用海藻酸钠与罗非鱼皮明胶共混制备食品包装复合膜，考察海藻酸钠在复合膜中的添加比例对复合膜理化性质的影响。实验结果表明明胶-海藻酸钠复合膜结构致密、均匀，透光性良好。海藻酸钠的加入使膜的机械性能和延展性得以改善，海藻酸钠添加量在40%时，抗拉强度达最大值6.6 MPa，相对于纯明胶膜和纯海藻酸钠膜分别增加了20%和43%，断裂伸长率也在此时达到最大值120%，相应的分别增加了87.5%和26.7%。经共混后复合膜的水溶性在55%以下，吸湿率介于25%～40%之间，较单纯的海藻酸钠膜完全水溶和高吸湿性有较大改善；流变学分析可知明胶与海藻酸钠形成的复合膜液为非牛顿流体，其黏度和增稠能力较单一明胶膜高；X射线衍射结果显示在复合膜中不同的海藻酸钠添加比例会影响膜的结晶度，表明海藻酸钠和明胶在成膜过程中存在氢键交联作用。本研究结果可进一步拓展鱼皮明胶的应用领域，并为罗非鱼皮的高值化的应用提供参考。