杨树花提取物对决明子胶/羧甲基淀粉钠复合膜性能影响的研究

常馨月，吴天宇，刘文华，谭筱萌，沈怡欢，王立娟

(东北林业大学 生物质材料科学与技术教育部重点实验室，哈尔滨 150040)

0 引言

食品包装材料在延长食品货架期、保护食品质量和卫生等方面起着重要的作用。塑料包装材料由于其种类繁多、价格低廉和性质稳定，在食品包装行业得到了普遍的应用。但在实际的使用过程中也存在着一系列的问题，比如：塑料包装材料随意丢弃对环境造成了严重的“白色污染”；在储藏的过程中食品和包装膜长时间的接触，包装膜里的有毒有害物质可能会迁移到食品中，损害消费者的健康等。近年来，新型的可降解、可食用的绿色食品包装材料已经渐渐有取代传统的塑料包装材料的发展趋势[1]。

可食用膜采用人体能够消化分解的生物大分子(脂质、多糖和蛋白质等)为原料，辅以可食用改良剂(如增塑剂)，利用分子间氢键和静电相互作用形成一种具有屏障作用的多孔网络结构薄膜[2]。随着对可食用膜研究开发的深入，逐渐发现单一基质所制得的可食用膜，其性能有一定局限性，较由几种大分子物质复合而成的膜性能弱。为了能更好地提升薄膜的机械性能、抗氧化性等，人们不断地开发着不同高分子材料之间复合制膜，充分利用各组分的有效成分，使其生理活性得到最大程度的发挥[3]。

决明子胶是由决明子的胚乳研磨提纯而来，是亲水性的水溶性胶体。决明子胶与其他种子类胶如瓜尔豆胶、塔拉胶的分子结构非常相似，是以甘露糖为单位通过β-1,4糖苷键链接组成的长链结构。由于其可食性及良好的流变性、稳定性等而用于造纸、染整、食品、医药及化工领域[4]。羧甲基淀粉钠是一种水溶性阴离子淀粉醚，无毒无味，且具有增稠、乳化和黏结等多种性能，可作为乳化剂、增稠剂、稳定剂和成膜剂等[5]。杨树花中的黄酮类化合物是其主要活性成分，杨树花黄酮类化合物的药理作用为调脂、抗氧化、清除自由基、抗菌和抗肿瘤，也对中枢神经系统有一定作用[6]。虽然杨树花提取物可以作为一种天然抗氧化剂，但关于在可食膜中的应用仍未有相关报道。

因此，本实验以决明子胶/羧甲基淀粉钠为成膜基质、以甘油为增塑剂，研究杨树花提取物对薄膜力学性能和阻隔性能的影响，为后续决明子胶可食用薄膜的持续开发利用提供一定的理论依据和科学参考。

1 材料与方法

1.1 材料

决明子胶(Cassia gum，CG，食品级)由河南安利精细化工有限公司提供。羧甲基淀粉钠(Sodium carboxymethyl starch 缩写为CMS，食品级)购自Dymatic Fine Chemical Co.，Ltd.(中国，广州)。甘油和乙醇是从中国天津永达化学试剂有限公司购买的分析试剂级。无水氯化钙由天津天力化学试剂有限公司提供。

1.2 方法

1.2.1 杨树花提取及总黄酮含量测定

杨树花粉碎过60目筛后，准确称取粉末18.0 g，按1 mL∶50 g的料液比加入体积分数为40%的乙醇，在85 ℃下提取3 h，即得杨树花提取粗液。将粗液过滤旋蒸，所得浓缩液移至容量瓶定容至500 mL备用，即记为杨树花提取物(Plant aspen flower extract,PA)。采用硝酸铝显色法制备芦丁标准曲线，杨树花总黄酮提取率为12.9%，PA中总黄酮质量为2.323 g[7-8]。

1.2.2 CG-PA-S薄膜的制备

称取CG粉末5.1 g和CMS粉末0.9 g，加入蒸馏水并混合一定质量分数的PA(2%、4%、6%)，总计1 000 mL，并在60 °C下搅拌混合物60 min后，再加入甘油2.4 g(总粉末质量的40%)，继续搅拌15 min。最后将混合均匀的膜溶液浇注到有机塑料槽(28 cm × 29 cm × 5 cm)中，在65 ℃干燥24 h[9]，制备出CG-PA-S薄膜。

1.3 力学性能

自动拉伸测试仪(XLW-PC，PARAM，中国济南)用于分析拉伸强度(TS)和断裂伸长率(EB)。每个样品制备6个15 mm × 80 mm的薄条，并选择应变率为300 mm/min。测试之前，将CG-PA-S薄膜放置于25 ℃和53%相对湿度的环境中恒湿16 h。

1.4 扫描电镜表征及红外光谱(FTIR)

通过液氮脆性断裂获得薄膜的横截面，在真空环境下样品上溅射一层金膜后用JEOL JEM-2100透射电镜(Quanta 200，荷兰Philips-FEI公司)对复合膜的微观形貌进行观察。

通过使用Frontier光谱仪(PerkinElmer，美国)在4 000～600 cm-1内获得的红外光谱，分辨率为4 cm-1，并扫描32次。

1.5 色度测定

使用(Datacolor 800)选择色度仪对共混膜的色度、色差进行测定，平行测定3次取平均值。根据公式(1)作为人肉眼所能判断的色差变化。

ΔΕ=(Δa2+Δb2+ΔL2)1/2。

(1)

式中：ΔΕ表示总色差，一般ΔΕ>5时，可以通过肉眼观察到明显的色差变化;ΔL表示黑白，即亮暗，+表示偏白，-表示偏暗；Δa表示红绿，+表示偏红，-表示偏绿；Δb表示黄蓝，+表示偏黄，-表示偏蓝.

1.6 阻隔性能

1.6.1 阻光性能

将CG-PA-S薄膜均匀切成4 cm × 3 cm，并用紫外可见分光光度计(UV-2600，岛津，京都，日本)分析了CG-PA-S薄膜在200～800 nm范围内的透光性。

1.6.2 阻氧性能

在薄膜试样的中间处随机取6个点测量厚度并取平均值，根据国家标准GB/T 19789—2005以氧气透过量测试仪(OX2/230)测定薄膜氧气透过率。

1.7 CG-PA-S薄膜抗氧化能力测试

1.7.1 CG-PA-S薄膜总酚含量测定

准确裁剪0.1 g薄膜，每组薄膜制备2份，分别以15 mL的50%与95%乙醇作为食品模拟物，将盛有薄膜与食品模拟物的锥形瓶置于恒湿摇床震荡24 h，用移液枪取出1 mL震荡液，加入4 mL的0.1 mol/L福林酚试剂和5 mL的0.7 mol/L碳酸钠溶液。避光反应2 h后于765 nm处测量吸光度，总酚含量以相对于没食子酸当量的含量表示mg/g[10]。

1.7.2 CG-PA-S薄膜对ABTS+自由基清除能力测定

将7 mmol/L的ABTS+(2,2'-联氮-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸,2, 2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid))原液与2.45 mmol/L的过硫酸钾(K2S2O8)溶液等体积混合，室温避光反应12～15 h，稀释上述自由基溶液使其在751 nm处的吸光度为0.75 ± 0.2，即得到ABTS+工作液。取1 mL上述膜震荡液，用95%(50%)乙醇稀释10倍，再取2 mL稀释液与3 mL ABTS+工作液混合于试管中，室温下避光反应15 min，并在751 nm处测量吸光度，记为As，以95%(50%)乙醇做空白试验，吸光度记为Ac[11]。ABTS+自由基清除率公式为:

(2)

2 结果与分析

2.1 力学性能

由表1可知，随着PA浓度的增加，与未加入的薄膜相比厚度都有所提高，并呈现出先增大后减小的趋势，并且薄膜拉伸强度及断裂伸长率都呈现出了先减小后增大的趋势。在PA添加量为2%时力学性能为最小值，分别为23.9 MPa(薄膜拉伸强度)、34.92%(断裂伸长率)。在PA添加量为6%时力学性能达到最大值，分别为26.16 MPa(薄膜拉伸强度)、46.07%(断裂伸长率)。且含有PA的薄膜的拉伸强度都低于未添加PA的薄膜(CG-S)，这表明PA的加入在一定程度上降低CG及CMS分子之间的聚合能力，破坏其刚性结构使其力学强度降低。PA中的黄酮类物质的加入会维持薄膜内部分子之间的紧凑结构，使得薄膜不会因为过脆而易折，也不会由于过软而无法进行热封包装。随着PA含量的增加断裂伸长率也呈现出增加的趋势，但皆未超过CG-S，认为PA浓度越大越能改善薄膜柔韧度。此外，CG-S、CG-PA-S薄膜的拉伸强度及断裂伸长率都大于报道中的CG-G(甘油，Glycerin 缩写为G)材料，如一定比例混合的CG-G复合材料力学性能为：TS=16.69 MPa,EB=19.87%[8，12]，所以认为PA对CG/CMS和甘油复合膜的力学性能有增强作用。

表1 PA质量分数对薄膜力学性能影响

2.2 扫描电镜分析(SEM)

图1为添加不同含量PA薄膜断面的微观形貌。观察其断面形貌，随着PA添加量的增大断面出现较多的微小颗粒状结构。说明PA的加入可能破坏了CG与CMS之间的氢键结构，但膜结构仍是紧密结合的，这与CAO等[12]研究结果类似。结合力学性能来看，随着PA的含量增加，逐渐增强了决明子胶与甘油的相容性，提高了薄膜的延展性，可使其包装中不易破裂。

图1 不同含量PA的CG膜断面的微观形貌

2.3 红外分析(FTIR)

CG-PA-S薄膜的FTIR光谱如图2所示。从图2可以看出，未添加PA的薄膜与2组含有不同浓度PA的薄膜的光谱相似，显示出主要的特征吸收带：3 650～3 000 cm-1为—OH的伸缩振动峰，2 930～2 880 cm-1为C—H伸缩振动峰，1 596 cm-1显示出苯环骨架的特征峰，说明薄膜中的PA含有带苯环结构的黄酮类物质；1 460～1 400 cm-1为C—O—H弯曲振动，1 000 cm-1(原醇)～1 120 cm-1(次元醇)为C—O拉伸振动[13]，1 150 cm-1及1 010 cm-1处为醇或酚的峰；与未添加PA的薄膜相比各组特征峰均未出现显著的偏移，仅影响了某些峰的强度。加入后—OH及C—O醇类吸收峰的强度变小，减弱了—OH的吸收，证明了PA可以与决明子胶、CMS与甘油产生较强的相互作用，三者具有良好的相容性。

图2 不同PA添加量薄膜的FTIR

2.4 色度测定

膜材料的色度数据见表2。添加PA后对膜材料的色度值L、a、b影响显著[14]。相比于PA为0% 膜材料，加入PA的膜材料的a、b明显增加，并在PA为6%时有最大值，最大值分别为9.7、37.4，说明红度和黄度增加，这与PA的颜色有直接关系。同时，L明显降低，在6%有最小值为65.9，说明膜材料的白度降低。复合膜的颜色性质不仅能影响薄膜的阻光性能，也影响着人们对其包装的接受程度，PA的加入使CG/CMS复合膜的颜色发生了变化，如图3所示，且随着PA添加量的增加黄色加深。

表2 PA薄膜的色度参数

图3 不同含量PA薄膜的阻氧性能和抗氧化性能

2.5 阻隔性能

2.5.1 阻光性能

通常共混膜的透光率是判断共混高分子相容性是否良好的一种辅助手段，较高的阻光率能提高薄膜进行食品包装的应用价值。图3左侧为CG-PA-S薄膜的紫外透光分析，随着PA添加量的增加，薄膜在200～800 nm范围内整体透光率下降。未添加PA的薄膜在200～400 nm范围内有较低的透光率，当PA添加量为6%时，薄膜能够完全屏蔽200～340 nm范围内的紫外光。在600 nm处，未添加PA的薄膜光透率为43.20%，随着PA添加量增加到2%、4%与6%，薄膜透光率分别下降到39.50%、34.18%与24.42%。造成透光率下降的原因主要有3点：首先，PA中富含黄酮类化合物，其C6-C3-C6的基本骨架中存在共轭结构，因此促进了薄膜对紫外光的吸收并降低透光率[15]；其次，PA本身为黄色，当其与决明子胶共混时，其本身的色泽对薄膜产生了较大影响；最后，当PA添加量较大时，一些黄酮类物质可能以微晶的形式镶嵌在膜内部，通过对入射光的折射与反射而降低透光率。结果表明，PA的引入对紫外光有很强的屏蔽作用，随着PA添加量的增大，膜的紫外阻隔性能增强，说明膜能够通过阻隔紫外线进而抑制食品的氧化与防止营养元素的损失[16]。

2.5.2 阻氧性能分析

透氧性能也是评价膜性能的重要参数，低的氧气透过率能够限制细菌的生长，延长薄膜包装的有效期。由表3可以看出，随PA含量从0%增至6%薄膜氧气系数呈现出逐渐升高的趋势，在6%处增至为3.11×10-12cm3/(mm2·d·Pa)，CG与CMS的共混结构上仍具有较大的空隙，而PA的加入促使结构更加紧凑，阻隔了氧气能够通过的通道。这也与分子的极性有关，由于极性—OH数量的增加使膜材料对非极性氧气分子有较强的阻隔作用[17]。结合阻光性及氧气透过率初步认为，当PA添加量为6%时薄膜良好的阻隔性对于作为包装膜材料是一个增益。

表3 不同含量PA薄膜的阻氧性能和抗氧化性能

2.6 抗氧化能力测试

表3中显示各组膜材料在50%乙醇与95%乙醇环境下的总酚含量及ABTS+自由基清除率。CG本身具有弱的抗氧化性[18]，未添加PA的膜样品在50%乙醇环境下的总酚含量为0.104 mg/g，而在95%时为0.157 mg/g。在50%乙醇环境下，随着膜样品中PA含量的增加，总酚含量呈增加趋势，在PA质量分数为6%时达到最大值，最大值为0.582 mg/g，总酚含量证明了CG-PA-S薄膜中存在酚羟基，这是由于PA中黄酮类物质的结构带有酚羟基而随着溶液共混制膜而进入薄膜中。随着添加量继续增加，95%乙醇环境中薄膜的总酚释放量皆未超过50%乙醇环境，并呈现出下降趋势，在PA质量分数为6%处达到最小值为0.096 mg/g，说明薄膜在高浓度乙醇中难以溶解从而使得其中的酚类不能很好地释放。薄膜所含总酚含量直接影响了薄膜对自由基的清除效率。

ABTS+自由基清除法是由Miller 等[19]建立的，具有很多优点，经常用于生物样品的总抗氧化能力测定。ABTS+自由基清除法测定原理是:ABTS+通过过硫酸铵反应生成ABTS+自由基,这种自由基是稳定的，此时溶液呈现蓝绿色。从表3看出，50%乙醇环境下随着PA增加，CG-PA-S薄膜对于ABTS+自由基的清除率逐渐增大，在0%处有最小值为24.33%，在6%处有最大值为87.83%。总酚含量和抗氧化能力呈正相关，95%乙醇的ABTS+自由基清除率较50%乙醇环境下较低，呈现出随PA含量增大而增大的趋势，因此结合总酚含量结果表明PA中的酚类物质难溶于高浓度乙醇中。PA本身因含有黄酮类物质而具有一定的抗氧化活性，结果表明掺入了PA的薄膜的ABTS+自由基清除活性明显比未添加的薄膜清除活性高。因此认为PA对CG-CMS薄膜抗氧化性的增强对于可食用的抗氧化包装膜具有一定的应用潜力。

3 结论

本研究以CG/CMS为基质，甘油为增塑剂共混了不同质量分数的PA，制备出具有良好力学性能、阻隔性能和抗氧化性能的薄膜。PA的加入增强了纯CG-S的力学性能，当PA质量分数为6%时，展现出最佳的力学性能以及阻光阻氧性能，同时提高了薄膜的抗氧化性。但本文中还未探究CG-PA-S薄膜在食品包装方面的实际应用效果，还可进一步研究其在食品包装中对油脂、方便食品的包装效能以及其可食用性。本研究利用林业废弃物杨树花与CG、CMS复合制备薄膜，为工业上生产食品包装的抗氧化膜材料提供一种新的思路。