不同浓度KOH 溶液预处理对罗非鱼皮明胶膜性能的影响

王爱玲,安祥生,段殳珺,陈苏南,闫鸣艳

(青岛科技大学 海洋科学与生物工程学院;山东省生物化学工程重点实验室,山东 青岛 266042)

明胶是动物结缔组织中胶原蛋白的变性产物,主要来源于猪、牛等陆生哺乳动物,具有资源丰富、价格低廉等特点,广泛应用于食品领域。近些年来,由于疯牛病和口蹄疫等人畜交叉疾病的频发,陆生哺乳动物产品的应用受到了限制,因此明胶来源提取逐渐转向水产动物[1]。罗非鱼是世界性的主要养殖鱼种,我国已成为全球最大的罗非鱼养殖加工国。然而由于加工方式的局限,在加工过程中产生大量的鱼皮、鱼鳞、鱼骨等副产物,约占鱼体重量的40%～55%[2],这类副产物大部分被加工成鱼粉或掩埋丢弃,造成资源浪费和环境污染。鱼皮中含有大量明胶,充分利用这一主要成分,不仅可以减少环境污染和资源浪费,而且还可以提高水产品加工的附加值,推动了养殖加工产业的发展。

明胶的制备方法已比较明确,主要包括酸法、碱法和酸碱法等。然而,不同制备方法和制备条件对明胶性能影响显著。目前,该方面研究逐渐受到重视。如SHA等[3]研究了提取温度对猪皮明胶凝胶性的影响,发现随着温度的升高,明胶的凝胶强度显著降低,并且不同温度下提取的明胶经胰蛋白酶降解后所得特征肽段也不同;TAN等[4]研究发现随着提取温度的升高,黑罗非鱼皮明胶的表面疏水性增加了,但是乳化性降低了;LIAO等[5]的研究也表明了提取温度和p H 对罗非鱼皮明胶凝胶性和乳化性能具有显著影响。

明胶具有良好的成膜性,所形成的明胶膜具有环境友好、可降解、可食性等特点,有望在食品、药品等领域部分代替塑料包装,缓解“白色污染”。然而,明胶膜的性能受到多方面因素影响,如明胶来源、制备方法和交联剂等[6]。目前对于明胶膜的研究,大部分集中于交联剂对明胶膜性能的改善作用[7-9],而针对明胶制备方法对膜性能影响的研究较少。工业上为了简化步骤、降低成本多采用碱法制备明胶,主要包括碱液预处理和水提等步骤。其中碱液预处理主要通过碱液浸泡原料以除去杂质,这是提高明胶膜品质的关键。特别是鱼皮含有黑色素和腥味物质等,碱液预处理尤其重要。在工业上,明胶原料主要采用2%～5%的Ca(OH)2悬浊液对其进行预处理[10],但是该方法处理时间长,且产生大量的碱液,易造成环境污染。针对此问题,本研究拟采用KOH 溶液预处理罗非鱼皮,通过对明胶膜的厚度、色度、透光率、水蒸气透过率、机械性能、微观结构、红外光谱、X 射线衍射光谱等进行研究,明确KOH溶液预处理浓度对鱼皮明胶膜性能的影响。

1 实验部分

1.1 材料与试剂

罗非鱼皮由广东水产品加工厂提供,-20℃保存,实验时4℃解冻;KOH,国药集团化学试剂有限公司;丙三醇,天津市北联精细化学品开发有限公司;变色硅胶,青岛胜海精细硅胶化工有限公司。所用试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

紫外可见分光光度计,UV-6000PC 型,上海元析仪器有限公司;冷冻干燥机,FD-1A-50型,上海比朗仪器制造有限公司;扫描电子显微镜,JSM7500F型,日本电子公司;X-射线衍射仪,D/MAX/2500PC型,日本理学株式会社;傅里叶变换红外光谱仪,VERTEX 70型,德国BRUKER 公司;电子万能试验机,深圳三思纵横科技股份有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 罗非鱼皮明胶的制备

鱼皮明胶的制备方法参考文献 [11]的方法。将冷冻的罗非鱼皮在室温下解冻,除去多余的鱼鳞和脂肪,水洗干净,剪成3 cm×5 cm 的长条状备用。称取30 g鱼皮,按照料液比1∶30加入不同浓度的KOH 溶液(0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 和0.9 mol·L-1),25℃水浴搅拌12 h,水洗至中性。然后按照1∶5(m/V)的比例于60℃下用蒸馏水搅拌提取4 h,纱布过滤,离心收集上清液,减压浓缩后冻干得鱼皮明胶。计算明胶得率。

1.3.2 明胶的色泽和透明度

参考文献 [12]的方法。将明胶配制成1.5%溶液,分别在450和630 nm 波长处测定其吸光度。

1.3.3 明胶膜的制备

明胶膜的制备参考文献 [13]的方法。取一定量的罗非鱼皮明胶,以蒸馏水为溶剂,60℃水浴中持续搅拌溶解,配制成5%的明胶溶液。添加明胶质量20%的甘油制备成膜液,超声脱气10 min,取5 mL倒入塑料培养皿(d=90 mm)。在室温下平衡干燥48 h,揭膜备用。

1.3.4 明胶膜的厚度

采用平头测厚规测定膜的厚度。每个样品取10个点进行测量,取平均值[14]。

1.3.5 明胶膜的色度

用色度计测量明胶膜的L*(亮度)、a*(红绿度)、b*(黄蓝度)、c*(饱和度)和ΔE(总色差值)[15]。将明胶膜放在标准白板(L*=97.24,a*=-0.35,b*=0.17,c*=0.39)上进行测定。

1.3.6 明胶膜的透光率

参考文献 [15]的方法。将制备好的明胶膜剪切成10 mm×50 mm 的长条状,贴在石英比色皿内侧,以空白比色皿为对照,用紫外-可见分光光度计在波长200～800 nm 下进行扫描。

1.3.7 明胶膜的水蒸气透过率

明胶膜的水蒸气透过率参考文献 [16]的方法。室温条件下,将无水硅胶加入到50 mm×30 mm 的称量瓶中,明胶膜封口,并用封口膜将其封好,称其初始质量。将该瓶放入底部装有蒸馏水的干燥器中(相对湿度100%),测试时间为8 h,每1 h取出测量称量瓶质量。水蒸气透过率(PWV)由公式(1)计算:

式中:Δm为t时间间隔称量瓶质量增加量,g;d为膜的厚度,mm;T为测量时间间隔,h;A为膜的封口面积,实验中膜的封口面积相同,为1.962 5×10-5m2;Δp为膜内外大气压差,k Pa。

1.3.8 明胶膜的含水量

精确称量明胶膜初始质量,将其放置到105℃烘箱中,烘干至恒重[17]。根据公式(2)计算含水量:

式中:wc为膜的含水量,%;m0为膜的初始质量,g;m1为膜烘干至恒重质量,g。

1.3.9 明胶膜的水溶性

参考文献 [18]的方法。精确称量明胶膜初始质量,于室温下完全浸没在50 mL 的蒸馏水中,静置24 h,用事先干燥至恒重的滤纸过滤回收剩余未溶解部分,并将其在105℃烘箱烘干至恒重。按照公式(3)计算水溶性:

式中:ws为溶解度,%;m0为膜的初始质量,g;m1为干燥至恒重滤纸的质量,g;m2为膜和滤纸烘干至恒重的质量,g。

1.3.10 明胶膜的机械性能

明胶膜的机械性能测定参照文献[19]的方法。将明胶膜裁剪成50 mm×10 mm 的长条,用电子万能试验机测定膜的断裂伸长率(BEA)和拉伸强度(ST),设定仪器的起始间距为30 mm,拉伸速率为5 mm·min-1。拉伸强度和断裂伸长率分别按照公式(4)和(5)计算:

式中:F为膜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;L0为膜的原始长度,mm;L1为膜断裂时达到的最大长度,mm。

1.3.11 明胶膜的微观结构

取适量待测膜,用液氮淬断,真空状态下喷金,采用SEM 观察膜的表面和横截面结构,设定电子束的加速电压为10 kV。

1.3.12 X 射线衍射分析(XRD)

采用X 射线衍射仪测定明胶膜结构,X 射线源设置为Cu Ka,电压为40 kV,电流为150 m A,扫描角度(2θ)设置为3°～50°,扫描速度设置为0.02(°)·s-1[13]。

1.3.13 傅里叶变换红外光谱分析(FT-IR)

将待测膜与KBr在研钵中研磨,取适量进行压片,放入样品室,用傅里叶变换红外光谱仪进行全波段(4 000～400 cm-1)扫描,波数精度0.01 cm-1,扫描次数64次,分辨率为4 cm-1[13]。

1.3.14 数据分析

采用Excel 2010 进行均值、误差和方差分析,OriginPro 2018作图。

2 结果与讨论

2.1 不同浓度KOH 溶液预处理对鱼皮明胶得率、色泽和透明度的影响

在碱液预处理过程中,碱可以与脂肪发生皂化反应以除去脂肪,同时还可以除去杂蛋白及色素,从而提高明胶的品质[20]。本研究中经预实验发现,KOH 浓度低于0.4 mol·L-1时,杂质、色素等几乎未除去,影响明胶的外观品质,而碱浓度大于0.9 mol·L-1时,在色素完全脱除前鱼皮已完全溶于碱液中,因此KOH 溶液浓度设置为0.4～0.9 mol·L-1。在相同提取时间下,不同浓度的KOH 溶液预处理对明胶得率影响见图1。

图1 KOH 溶液浓度对明胶得率的影响Fig. 1 Effects of KOH concentration on the yield of gelatin

当KOH 溶液浓度为0.4 mol·L-1时,明胶得率最高,达到了32.36%,这可能是因为碱能够结合胶原蛋白分子的酸性基团,断裂分子内或分子间的离子键和氢键,使原胶原分子断裂,原料体积膨胀,组织松散,易于明胶提取[21]。而当其浓度上升到0.7 mol·L-1时,明胶得率缓慢下降到22.78%,原因可能是随着碱浓度的不断增加,明胶因发生水解而溶于碱液中。当KOH 浓度继续增加到0.9 mol·L-1时,明胶得率急剧下降,仅为4.5%,主要是由碱浓度过大,明胶水解严重导致[21]。

根据GB 6783—2013,色泽和透明度是评价明胶外观品质的重要标准。明胶的色泽和透明度可分别通过其溶液在450 和630 nm 处的吸光度表征[12],见图2。

图2 KOH 溶液浓度对色泽和透明度的影响Fig. 2 Effects of KOH concentration on the color and transparency of gelatin

由图2 可知,当KOH 溶液浓度增加到0.7 mol·L-1时,明胶溶液的吸光度下降,表明明胶的色泽和透明度均提高了;而当碱液浓度继续增加到0.9 mol·L-1时,吸光度无显著性差异,说明明胶的色泽和透明度趋于稳定。上述结果表明当KOH溶液浓度增加到0.7 mol·L-1及以上,鱼皮杂质清除效果较好,明胶的色泽和透明度也较高。

2.2 不同浓度KOH 溶液预处理对鱼皮明胶膜色度的影响

明胶膜的厚度与成膜液的体积和成膜模具有着密不可分关系[22]。KOH 溶液浓度对明胶膜厚度和色度影响见表1。由表1可知,本工作中不同浓度KOH 溶液预处理制得的明胶膜厚度没有显著性差异,均在34～36μm,表明KOH 溶液浓度的高低没有显著影响到明胶膜厚度。明胶膜的色度主要取决于明胶的颜色。随着KOH 溶液浓度的增加,明胶膜的亮度先增加后趋于稳定,这与视觉上观察到的明胶膜逐渐无色透明的结果是一致的,从总色差值总色差值来看,当KOH 溶液浓度达到或高于0.7 mol·L-1时,其值无显著性降低,表明鱼皮杂质脱除完全,与由鱼皮明胶色泽和透明度所得结果完全一致。

表1 KOH 溶液浓度对明胶膜厚度和色度影响Table 1 Effect of KOH concentration on the thickness and color of gelatin films

2.3 不同浓度KOH 溶液预处理对鱼皮明胶膜透光率的影响

透光率可以从感官上反映膜的透明度。明胶膜的透明度越高,越能体现食品原有的色泽和外观,有利于食品的销售[23]。图3 为KOH 溶液浓度对明胶膜透光率的影响。在波长200～280 nm 下,其透光率为0,随着波长的增加透光率急剧增大,在600 nm 后趋于稳定。当KOH 溶液浓度由0.4 mol·L-1增加到0.9 mol·L-1时,明胶膜在800 nm 的透光率由82.08%增加到88.19%,表明碱处理能够较好地脱除鱼皮色素和杂质,所得的明胶膜具有较好的透明度,有利于食品包装。

图3 KOH 溶液浓度对明胶膜透光率的影响Fig. 3 Effects of KOH concentration on the transmittance of gelatin films

2.4 不同浓度KOH 溶液预处理对鱼皮明胶膜水蒸气透过率的影响

水蒸气透过率可以反映明胶膜的阻隔性能。水蒸气透过率越低,膜的阻水性能越好,越有利于食品保鲜。KOH 溶液浓度对明胶膜水蒸气透过率的影响见图4。由图4可知,随着KOH 溶液浓度增加,明胶膜的水蒸气透过率从0.45 下降到0.26 g·mm·(h·m2·kPa)-1,在KOH 溶液浓度达到0.7 mol·L-1及以上时,水蒸气透过率达到平衡,表明膜的阻水性能逐渐增大后趋于稳定,原因可能是随着碱浓度增加到0.7 mol·L-1时,明胶的羟基、氨基和羧基等亲水基团暴露出来,相互交联形成了致密的空间结构,导致水蒸气渗透速率缓慢[24]。

图4 KOH 溶液浓度对明胶膜水蒸气透过率的影响Fig. 4 Effects of KOH concentration on the WVP of gelatin films

2.5 不同浓度KOH 溶液预处理对鱼皮明胶膜含水量和水溶性的影响

作为可降解性的食品包装,含水量较低表示对食品的保鲜效果较好,水溶性较高则具有好的降解效率。KOH 溶液浓度对明胶膜水溶性和含水量的影响见图5。

图5 KOH 溶液浓度对明胶膜水溶性和含水量的影响Fig. 5 Effects of KOH concentration on the water-solubility and water content of gelatin films

由图5可以看出,当KOH 溶液浓度在0.4～0.7 mol·L-1时,明胶膜的水溶性和含水量均随其浓度的增大而增大,在0.7 mol·L-1达到最高值,原因可能是随着碱浓度的增加,分子间作用力破坏,亲水基团进一步暴露出来,使明胶膜的含水量增加,并且明胶膜的溶解速率也加快[25]。当KOH 浓度继续增加到0.9 mol·L-1时,明胶膜形成了较为致密的网络结构,其含水量、水溶性以及水蒸气透过率并无显著差异[26]。

2.6 不同浓度KOH 溶液预处理对鱼皮明胶膜机械性能的影响

作为食品包装,明胶膜必须具有良好的机械强度,以便于食品的贮藏和运输。明胶膜的机械性能可通过拉伸强度和断裂伸长率表征,二者分别表示膜的力学强度和柔韧性[27]。KOH 溶液浓度对明胶膜的断裂伸长率和拉伸强度的影响见图6。

图6 KOH 溶液浓度对明胶膜的断裂伸长率和拉伸强度的影响Fig. 6 Effects of KOH concentration on the EAB and TS of gelatin films

由图6可知,随着KOH 溶液浓度的增大,明胶膜的拉伸强度呈现先降低后升高逐渐趋于平缓。原因可能是当KOH 溶液浓度从0.4上升到0.6 mol·L-1时,明胶肽链间破坏程度逐渐增大,相应地分子间作用减弱;随着碱浓度继续增加到0.9 mol·L-1,肽链进一步暴露出来,氨基、羧基和羟基等基团相互之间发生交联,形成致密的网络结构,导致拉伸强度稳定。而明胶膜的断裂伸长率却表现先升高后降低的趋势。当KOH 溶液浓度为0.4～0.7 mol·L-1时,明胶肽链间的破坏导致短肽链增加,一定拉力下更容易下滑,所以断裂伸长率升高[28];当KOH浓度继续增加到0.9 mol·L-1时,致密的空间结构能使与水分子结合能力减弱,可由明胶膜的含水量证实,导致断裂伸长率逐渐减小[29]。

2.7 不同浓度KOH 溶液预处理对鱼皮明胶膜微观结构的影响

明胶膜的微观形态可以通过SEM 来表征。不同浓度KOH 溶液预处理制得明胶膜表面和横断面的结构如图7所示。当碱浓度较低(0.4～0.6 mol·L-1)时,明胶膜表面比较粗糙,未呈现较好的均一性、致密性和光滑性。当KOH 溶液浓度增加到0.7～0.9 mol·L-1时,明胶膜的表面光滑致密,原因是随着KOH 溶液浓度的增加,明胶暴露的交联基团增加,分子间交联作用增强,明胶膜的有序性增加,导致其结构致密光滑。同时可以观察到所有明胶膜的横断面未出现明显断裂和空隙,横截面上的纹理是由液氮淬断而形成的。

图7 KOH 溶液浓度对明胶膜表面和横截面微观结构的影响Fig. 7 Effects of KOH concentration on the microstructure of surface and cross-section of gelatin films

2.8 不同浓度KOH 溶液预处理对鱼皮明胶膜FTIR的影响

明胶膜的特征峰主要包括酰胺A、酰胺B 和酰胺Ⅰ～Ⅲ(图8),这与RAWDKUEN等[30]的研究结果类似。鱼皮经不同浓度碱液预处理后,所得明胶膜FT-IR 的变化主要表现在酰胺A 和酰胺Ⅰ谱带。一般来说,酰胺A 是由N—H 键的伸缩振动产生的,其位置在3 400～3 440 cm-1,当存在参与氢键形成的N—H 肽段时,酰胺A 谱带向低波数移动[22]。随着KOH 溶液浓度由0.4增加到0.8 mol·L-1时,酰胺A 的波数从3 307.31 cm-1下降到3 293.56 cm-1,表明明胶膜的氢键作用增强,原因可能是随着KOH 溶液浓度升高,对鱼皮破坏增加,使得明胶基团暴露出来,相互之间形成氢键;当KOH 溶液浓度继续增加到0.9 mol·L-1时,酰胺A 带波数又增加到3 307.56 cm-1,表明分子间氢键作用减弱,这是由于较高浓度的碱液对明胶结构破坏严重导致的[21]。酰胺Ⅰ带是由C=O 伸缩振动产生的[14],其变化也表现类似趋势。

图8 KOH 溶液浓度对明胶膜红外光谱的影响Fig. 8 Effects of KOH concentration on the FT-IR of gelatin film

2.9 不同浓度KOH 溶液预处理对鱼皮明胶膜XRD的影响

KOH 溶液浓度对明胶膜XRD 的影响见图9。不同浓度KOH 溶液预处理鱼皮后,所得明胶膜均出现2个峰,分别位于7.5°和20.1°,这与SAHRAEE等[19]研究结果一致。其中7.5°附近的衍射峰比较尖锐,主要是由明胶的结晶区产生;20.1°附近为宽且大的馒头峰,为明胶的无定形结构产生。当KOH 溶液浓度由0.4 mol·L-1增加到0.8 mol·L-1时,7.5°附近的衍射峰不仅强度增大,而且越来越尖锐,表明明胶膜结晶区增加,原因可能是随着KOH 溶液浓度的增加,明胶的氨基、羧基和羟基等交联基团逐渐暴露出来,相互之间发生交联,从而导致膜的有序性增加,结合FT-IR 结果推测明胶膜结晶区的增加可能与氢键作用的增强有关。当KOH溶液浓度继续增大到0.9 mol·L-1时,由于溶液浓度过大,明胶结构破坏严重,导致明胶膜结构不规整,无定形部分增加[24],从而表现该衍射的强度和尖锐度均下降。

图9 KOH 溶液浓度对明胶膜XRD的影响Fig. 9 Effect of KOH concentration on the XRD of gelatin film

3 结论

不同浓度KOH 溶液预处理对罗非鱼皮明胶膜的性能具有显著影响。当用0.7 mol·L-1的KOH 溶液预处理鱼皮12 h后,所得明胶膜表现较好的感官、阻隔性能和机械性能,同时膜的结构比较致密光滑。由此可见在明胶制备过程中,优化碱液预处理参数是提高明胶膜品质和性能的有效途径,在下一步研究中将继续探讨明胶制备条件对鱼皮明胶膜性能的影响。