二醛基纤维素/羧甲基纤维素复合薄膜的制备及在鸡蛋保鲜中的应用

田玥，徐昊洋，康晓鸥，赵敏孜，阮长晴,2*

1(西南大学 食品科学学院，重庆，400715)2(西南大学食品贮藏与物流研究中心，重庆，400715)

我国是世界上最大的鸡蛋生产与消费的国家。鸡蛋以常温贮藏为主，但鸡蛋在常温下货架期短，有研究表明鸡蛋在冬季常温下货架期为15 d，在夏季常温下货架期为10 d，温度高于32 ℃时仅能存放7 d[1-2]。利用天然高分子材料制得的可食性涂膜剂在鸡蛋表面形成保护膜，能够有效减缓水分损失，减少鸡蛋内外气体交换，抑制细菌生长，在常温下有效延长鸡蛋的货架期[3-5]。天然高分子材料来源于自然，对环境友好，且具有可持续获得性，是包装生态化的重要方向[6]。

近年来，纤维素的应用越来越受到广泛关注。自然界每年能生产数千亿t的纤维素[7]。羧甲基纤维素(carboxymethyl cellulose，CMC)是一种水溶性纤维素衍生物，由纤维素葡萄糖单元中的羟基(—OH)被羧甲基(—CH2COO)取代得到，具有天然可降解性、无毒等优势。在食品工业中应用广泛，常作为增稠剂、稳定剂、分散剂等，也可与其他材料交联聚合，改善膜的性能，制备复合可食用膜[8-9]。由于CMC是亲水性多糖类物质，限制了其在实际生产中的应用，将CMC与不同物质进行交联制成复合膜以改善性能可替代传统食品内包装的塑料膜，在绿色包装研究方面具有良好的应用前景。

二醛基纤维素(dialdehyde cellulose，DAC)也是纤维素的衍生物，通过高碘酸钠选择性氧化纤维素制得。氧化过程中纤维素葡萄糖结构单元中C2—C3键断裂，生成二醛基，新生成的二醛基赋予DAC更高的反应活性。DAC本身不溶于水，经热处理后可溶于水[10]，这将有利于DAC在水溶液中的反应。商业化CMC中通常会有大量的羟基未被羧甲基化，这些羟基可与DAC中的醛基发生反应形成半缩醛，因此DAC有望成为CMC的交联增强剂。有报道证明DAC无细胞毒性[11]，且具有一定的抗菌特性[12]。本文首次将DAC用作CMC的交联剂，探究DAC对CMC性能的增强效果，以及DAC/CMC复合涂膜剂对鸡蛋在常温下的保鲜效果。

1 材料与方法

1.1 实验材料

鸡蛋，重庆市北碚区农贸市场；纤维素粉末，分析纯，上海阿拉丁试剂有限公司；高碘酸钠(分析纯)、CMC(分析纯)，取代度0.7，上海麦克林生化科技有限公司；实验过程中所用的水均为去离子水。

1.2 仪器与设备

08F106-42电子分析天平，艾德姆衡器有限公司；85-2A测速数显恒温磁力搅拌器，常州朗越仪器制造有限公司；TG16.5台式高速离心机，上海卢湘仪离心机仪器有限公司；HWS-28电热恒温水浴锅，上海齐欣科学仪器有限公司；DZF-6021真空干燥箱，绍兴市索域仪器设备有限公司；FE28 pH计，梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司；DHG-9123A电热恒温鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司；LRHS-300-Ⅲ恒温恒湿培养箱，上海跃进医疗器械有限公司；Spectrum100傅立叶变换红外光谱仪，珀金埃尔默公司；SCW-500电子拉力机、W3/060水蒸气透过率测试系统、C230H氧气透过率测试系统，济南兰光机电技术有限公司；Theta-Flex水接触角测定仪，上海大昌华嘉科学有限公司。

1.3 DAC/CMC膜的制备

1.3.1 DAC水溶液的制备

称取20 g纤维素粉放置于棕瓶，在避光条件下取31.68 g高碘酸钠(高碘酸钠与纤维素葡萄糖单元摩尔比为1.2∶1)溶解于300 mL去离子水，磁力搅拌均匀后倒入装有纤维素粉的棕瓶中，遮光反应72 h。将所得产物用去离子水离心洗涤至少4次。将上述反应得到的DAC悬浮液在100 ℃下进行水浴加热至溶液变得透明，得到DAC水溶液。

1.3.2 DAC/CMC膜的制备

(1)不同pH复合膜制备：将上述DAC水溶液加入到质量分数1%的CMC溶液中(DAC占CMC的质量10%)，调节pH，分为3组，分别为pH自然(pH 7)、pH 5、pH 2，在室温下磁力搅拌进行1 h交联反应，得到DAC/CMC混合液。使用流延法成膜，将DAC/CMC混合液倒入12 cm×12 cm方形塑料培养皿中，放入电热恒温鼓风干燥箱，在40 ℃下烘干分别得到DAC/CMC-pH 7、DAC/CMC-pH 5、DAC/CMC-pH 2复合膜。

测试不同pH条件下DAC/CMC复合膜的力学性能及溶解性能，选取性能最优的pH进行后续实验。

(2)最优pH条件下制备不同DAC含量的复合膜：向CMC分散液中加入一定量的DAC水溶液，使得DAC的添加量为0%、8%、12%、20%(占CMC干重的比例)。将混合溶液调节最优pH，室温磁力搅拌1 h后得到不同配比的DAC/CMC混合液。使用流延法成膜，40 ℃烘干分别得到相应复合膜。

1.4 DAC/CMC膜的表征

1.4.1 力学性能

参照GB/T 1040.1—2018 《塑料 拉伸性能的测定》，用电子拉力机测量薄膜的拉伸强度(tensile strength，TS)和断裂伸长率(elongation at break，EAB)。

1.4.2 溶胀度

裁取10 mm×10 mm膜样品，称定质量，然后浸入去离子水中1 h使其充分溶胀，用滤纸快速吸去样品表面水分，再次称定膜的质量，溶胀度按公式(1)计算：

(1)

式中：md，膜样品干质量，g；mw，膜样品湿质量，g。

1.4.3 傅里叶红外光谱(Fourier transform infrared spectrometer，FTIR)分析

参照GB/T 6040—2019 《红外光谱分析方法通则》，采用FTIR仪的衰减全反射模式在室温下测定，扫描4 000～600 cm-1，以空气为背景。

1.4.4 水蒸气透过系数(water vapor permeability，WVP)

参照GB 1037—2021《塑料薄膜与薄片水蒸气透过性能测定 杯式增重与减重法》，使用水蒸气透过率测试系统(W3/060，济南兰光机电技术有限公司)进行薄膜水蒸气透过测试。

1.4.5 氧气透过系数(oxygen permeability，OP)

根据GB/T 19789—2021《包装材料 塑料薄膜和薄片氧气透过性试验 库仑计检测法》，使用氧气透过率测试系统进行测定。

1.4.6 水溶性

裁取15 mm×15 mm的方形样品，40 ℃真空干燥至恒重，将薄膜样品置于密封管中，加入足量去离子水使其浸没，24 h后取出，再次放入40 ℃真空干燥箱中充分干燥后称取其质量。水溶性按公式(2)计算：

水溶性/%=(m1-m2)/m1×100

(2)

式中：m1，第1次干燥后的质量，g；m2，第2次干燥后的质量，g。

1.4.7 水接触角

采用水静态接触角测量法。使用光学水接触角测量仪对薄膜进行水接触角测试，测量水滴与样品表面形成的夹角。薄膜样品尺寸为1 cm×5 cm，测试时水滴体积为1 μL。

1.5 鸡蛋保鲜效果测定

1.5.1 鸡蛋涂膜处理

涂膜液制备：采用1.3的方法制备1%CMC溶液和DAC溶液，分别混合配制不调节pH的CMC、DAC/CMC复合涂膜液和最优pH的DAC/CMC复合涂膜液。DAC/CMC复合涂膜液中DAC的比例及最优pH均根据1.4的性能表征结果确定。对照组为蒸馏水。

挑选大小适中的鸡蛋，剔除有裂纹、有血斑的瑕疵鸡蛋，清除表面污物，用蒸馏水清洗干净并晾干后的鸡蛋分为4组，在室温下浸泡在上述3组涂膜液及对照组蒸馏水中，浸泡时间为1 min，捞出并风干，置于25 ℃下贮藏，每隔15 d测定鸡蛋的感官品质，每隔5 d测定鸡蛋的失重率、哈氏单位(Huff unit，HU)、蛋黄系数(yolk index，YI)、蛋白pH各项指标，总贮藏期为60 d，因到后期鸡蛋品质变化不显著，最后1批隔10 d测试。

1.5.2 感官品质

随机选取5枚鸡蛋测定感官品质，参照SB/T 10638—2011《鲜鸡蛋、鲜鸭蛋分级》，从蛋白、蛋黄和细带的外观对鸡蛋内容物进行感官评定(表1)。

表1 感官评定指标及各等级相应表示符号[3]Table 1 Grades of sensory index and their symbols[3]

1.5.3 失重率、HU、YI及蛋清pH

每组随机选取10枚鸡蛋，做好标记，每5 d检测失重率，按公式(3)计算：

(3)

式中：m0，贮前质量，g；mt，贮后质量，g。

每隔5 d，每组随机选取5枚鸡蛋，称取其质量后将鸡蛋打开置于平板上，用游标卡尺测量浓厚蛋白高度(距蛋黄边缘1 cm，避开卵黄系带)、蛋黄直径(横径和纵径的平均值)及蛋黄的高度。再将蛋黄和蛋清分离，将蛋清充分搅拌均匀，用pH计测量其值，精确到0.01。HU和YI计算如公式(4)(5)所示：

HU=100×lg(H-1.7×m0.37+7.6)

(4)

式中：H，蛋白高度，mm；m，鸡蛋质量，g。

(5)

式中：H，蛋黄高度，mm；D，蛋黄直径，mm。

1.6 数据处理

采用SPSS 18软件处理试验数据，并通过Duncan多重检验法检验显著性，显著性水平为0.05。数据以平均值±标准误差表示，采用Origin 2019软件制图，图中竖线代表标准误差，不同字母表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 DAC/CMC膜的表征

2.1.1 pH对DAC/CMC膜的影响

2.1.1.1 力学性能分析

由图1-a可见，DAC/CMC-pH 7、DAC/CMC-pH 5、DAC/CMC-pH 2复合膜的TS分别为62.07、52.59和48.84 MPa，EAB分别为14.64%、11.55%和12.05%。可见调节pH后，TS随pH值降低而降低(P<0.05)，EAB无显著性差异(P>0.05)。这可能是由于低pH影响了DAC在CMC膜中的分散性，发生团聚现象[13]，减少了氢键的键合，削弱了分子间作用。

a-力学性能；b-溶胀度图1 pH对DAC/CMC膜的力学性能和溶胀度的影响Fig.1 Effect of pH on the mechanical properties and swelling degree of DAC/CMC films注：不同小写字母表示不同组间拉伸强度具有显著差异；不同 大写字母表示不同组间断裂伸长率具有显著差异(P<0.05)

2.1.1.2 溶胀度分析

如图1-b可知，随着pH的降低，各组DAC/CMC复合膜的溶胀度也降低，pH为2和5制备的复合膜溶胀度差异不显著(P>0.05)，中性条件下制备的复合膜溶胀度显著大于低pH值的溶胀度(35倍胀大)，这可能是低pH下CMC的解离度降低，导致其溶胀度降低，此时复合膜在水中的稳定性增强。

综合力学性能和溶胀度分析，后续探究DAC含量对DAC/CMC膜的影响均在pH 5的条件下进行。

2.1.2 DAC含量对DAC/CMC膜的影响

在最优pH条件下DAC质量分数为0%、8%、12%、20%制得的膜分别记为：CMC、8%DAC/CMC-pH 5、12%DAC/CMC-pH 5及20%DAC/CMC-pH 5。

2.1.2.1 FTIR分析

图2 DAC膜、CMC膜及不同DAC含量下的 DAC/CMC膜的红外光图谱Fig.2 FTIR spectrum of DAC, CMC and DAC/CMC films with different DAC content

2.1.2.2 力学性能分析

如图3所示，随着DAC含量的增加，DAC/CMC复合膜的TS较CMC膜分别提高为5.77%、88.08%和110.93%(P<0.05)。而随着DAC含量的增加，EAB较纯CMC膜分别降低11.18%、38.03%和90.99%(P<0.05)。复合薄膜力学性能的变化与以下因素有关[15,17-18]：(1)DAC中的醛基与CMC中的羟基直接形成半缩醛；(2)DAC的添加使得复合膜中产生了更多的氢键，半缩醛及更多的氢键使得复合膜

图3 不同DAC含量对DAC/CMC膜的力学性能的影响Fig.3 Effect of DAC content on the mechanical properties of DAC/CMC films

的三维网络结构更密集，需要更大的外力破坏这个网络结构，使其TS提高，并且高分子链段的滑移也变得更困难，即EAB降低。

2.1.2.3 阻湿性和阻氧性分析

复合膜的透湿系数随着DAC添加量的增加先升高后降低再升高，复合膜的透氧系数随着DAC含量的增加先减小，后又略微上升(表2)。当DAC含量适中时，DAC在复合膜中分散较均匀，形成了分子间氢键，此时复合膜的孔隙率降低，阻碍了氧气和水蒸气的溶解和扩散[19]。但当DAC含量较低时无法形成均匀的网络，较高时CMC内部发生团聚，影响复合膜的有序排列，使得内部空隙大，水蒸气和氧气更易透过[13,20]。当DAC含量为12%时，复合膜的WVP和OP达到最低值，分别为1.99×10-12g·cm/(cm2·s·Pa)、8.56×10-15cm3·cm/(cm2·s·cmHg)，此时WVP比纯CMC膜降低了4%，OP下降了4个数量级。

表2 DAC含量对DAC/CMC膜的WVP和OP的影响Table 2 Effect of DAC content on WVP and OP of DAC/CMC films

2.1.2.4 亲水性分析

水溶性可以一定程度反映复合膜在水中的稳定性，而水接触角则可以反映复合膜的亲水性[21]。由图4-a可见，随着DAC添加量的增加，DAC/CMC复合膜水溶性降低(P<0.05)，复合膜内部分子间相互作用力增强，形成致密稳定的网络结构，薄膜的耐水性增强[22]，12%DAC/CMC-pH 5膜相比纯CMC膜水溶性降低了46.24%。由图4-b可知，由于DAC中的半缩醛结构具有抗水渗透性[18]，虽然CMC中存在大量的羟基和羧基，属于高亲水性基团，但加入DAC后复合膜的疏水性提升，复合膜的水接触角增大(P<0.05)，20%DAC/CMC-pH 5复合膜的水接触角>90°，已从亲水性薄膜转变成憎水性薄膜。

a-水溶性；b-水接触角图4 不同DAC含量对DAC/CMC膜的水溶性和 水接触角的影响Fig.4 Effect of DAC content on the water solubility and water contact angle of DAC/CMC films注：b图中柱状图上方为测试水接触角图片

2.2 复合涂膜剂对鸡蛋的保鲜效果

根据2.1的结果，选取12%DAC/CMC-pH 5的涂膜液进行鸡蛋涂膜保鲜实验，其他实验组为对照。

2.2.1 鸡蛋的感官品质

从表3可知，各组蛋白、蛋黄和系带的感官品质均在贮藏一定时间后下降，涂膜组与CK组差异明显。在15 d时CK浓蛋白开始稀释，蛋黄弹性降低，系带开始脱落，涂膜组虽然蛋黄品质下降，但此时浓蛋白较多、尚未散流。到45 d时12%DAC/CMC和12%DAC/CMC-pH 5组的浓蛋白才开始散流，到60 d时各组蛋黄弹性降低至几乎没有，球形扁平，除12%DAC/CMC-pH 5组外其他组系带都已脱落。

表3 鸡蛋感官评定等级表Table 3 The sensory rating scale of egg

2.2.2 鸡蛋保鲜期间理化特性的变化

鸡蛋的失重率、HU、YI和蛋清pH是反映鸡蛋新鲜程度的重要指标。失重率与鸡蛋内部的水分含量有关，HU主要度量鸡蛋白的稳固性与浓厚蛋白高度及质量有关[23]，YI与蛋黄体积、蛋黄膜的强度及鸡蛋内部水分的迁移有关[24-25]。

如图5所示，随着贮藏时间的延长，各组鸡蛋的失重率逐渐增大，HU和YI逐渐减小。如图5-a所示，贮藏60 d，CMC组与CK组无显著性差异(P>0.05)，而复合涂膜组与CK组差异显著(P<0.05)。可见添加DAC后的复合涂膜，可一定程度减缓鸡蛋贮藏过程中的失重。如图5-b和图5-c所示，随着贮藏时间的增加，蛋白稳定性下降，蛋白发生水样化，水分向蛋黄内部扩散，因此HU和YI下降。贮藏到第60天时，CK组因蛋黄散黄无法继续测定，添加DAC两组之间的HU和YI没有明显差异(P>0.05)，但这2组与CMC组存在显著差异(P<0.05)。12%DAC/CMC-pH 5组对失重率、HU、YI的下降减缓效果最佳，可见，DAC的添加提高了涂膜剂阻水性和阻氧性，减少了鸡蛋内外的气体交换，抑制了鸡蛋的呼吸作用，因此减缓了浓厚蛋白水样化速率，抑制了蛋黄对水的吸收，有效维持了蛋白和蛋黄的品质。

如图5-d所示，各组的pH变化趋势基本一致，贮藏初期，随着贮藏时间的延长，鸡蛋内部CO2通过气孔不断向外逸散，导致蛋清pH升高；贮藏后期，由于蛋清中的蛋白质在酶和细菌的作用下逐渐分解为膘和胨等物质，因此蛋清pH下降[26-27]。贮藏35 d内，涂膜各组pH显著低于CK(P<0.05)。涂膜各组pH的上升速率减缓，说明涂膜有效阻碍了CO2的逸出。12%DAC/CMC与12%DAC/CMC-pH 5组的上升速率低于其他组，到50 d后涂膜组之间差异不显著(P>0.05)。因此，加入DAC的涂膜剂能够维持蛋清pH的稳定，防止蛋白质分解。

a-失重率；b-HU；c-YI；d-蛋清pH图5 鸡蛋的失重率、HU、YI、蛋清pH随贮藏时间的变化Fig.5 The variation of WL, HU, YI and pH of egg white during storage

3 结论

本研究通过高碘酸钠选择性氧化得到DAC作为交联剂，制备得到不同pH下进行交联的DAC/CMC复合膜及不同DAC含量的DAC/CMC复合膜，并对其进行表征，发现添加DAC后，低pH条件下复合膜的力学性能和溶胀度较好，复合膜的TS提高，对水蒸气和氧气的阻隔性增强，抗水性和耐水性皆有所提高。将DAC/CMC复合涂膜剂应用到鸡蛋保鲜，结果表明，涂膜处理使得鸡蛋的生理生化指标有明显改善。相较于CMC涂膜剂，添加DAC后复合涂膜剂对鸡蛋的感官品质、失重率、HU、YI、蛋清pH的保持作用更为显著，复合涂膜剂有效减少鸡蛋水分散失，维持蛋清pH值的稳定，减缓浓厚蛋白水样化的速率，降低鸡蛋新陈代谢速率，从而抑制蛋黄对水的吸收，维持了蛋黄的品质，使得鸡蛋贮藏期延长。DAC/CMC是一种天然、绿色、安全的可食用涂膜剂，未来可作为新型可食用涂膜保护剂的发展方向，在食品保鲜方面具有广阔的应用前景。