没食子酸对豆腐柴果胶可食膜的影响研究

史 强, 周芳芳, 潘铭楷, 刘 咏, 王军辉

(1.合肥工业大学 农产品生物化工教育部工程研究中心,安徽 合肥 230601; 2.合肥工业大学 安徽省农产品精深加工重点实验室,安徽 合肥 230601; 3.合肥工业大学 食品与生物工程学院,安徽 合肥 230601)

0 引 言

豆腐柴(PremnamicrophyllaTurcz.)是马鞭科豆腐柴属多年生落叶灌木,其叶子不仅具有多种营养成分,还含有大量果胶,占20%左右[1]。豆腐柴作为野生植物资源,对生存环境要求不高,生长迅速,原料丰富,具有极大的开发利用潜力和价值[2]。

豆腐柴果胶(PEP)是一种可食用、可降解、无毒的生物高分子材料,由于其良好的凝胶特性,被认为是生产可食膜的良好原料。果胶薄膜能较好地屏蔽氧气,有良好的硬度和黏着性[3],但也存在水敏感性高、水阻隔性差等缺点[4]。其他成分和果胶混合可以改良果胶基薄膜的品质,从而更适于食品行业的应用,如大豆分离蛋白(soy protein isolate,SPI)和没食子酸(3,4,5-三羟基苯甲酸)(gallic acid,GA)[3]。大豆分离蛋白因其具有良好的起泡性、膨胀性、溶解性、乳化性和凝胶性,被广泛应用于食品工业,并且在食品生产中用于加热制备凝胶和可食膜[5]。没食子酸是一种提取自植物实体的多酚,存在于浆果、果实和茶中,具有多种生物活性,如抗氧化、抗炎和抗癌等[6-7]。

近年来,由不可生物降解的合成包装膜引起的环境问题日趋严重,促使研究人员开发新型的可生物降解和环境友好的包装材料[4]。本文基于课题组前期的研究,选择最佳的配比(PEP的质量分数为0.3%,SPI 的质量分数为2%,Na+的浓度为20 mmol/L)来制备可食膜[8]。通过添加不同质量分数的GA (1%、2%、3%)来提高膜的保鲜性能,为开发利用我国丰富的豆腐柴资源提供了新途径。

1 材料与方法

1.1 材料和试剂

豆腐柴粉购于黄山森林之宝生物科技有限公司;大豆分离蛋白购于郑州鸿科化工产品有限公司;没食子酸购于上海麦克林生化科技有限公司;大肠杆菌(编号为:ATCC 8099)和金黄色葡萄球菌(编号为:ATCC 6538)均由中国工业微生物菌种保藏管理中心提供;其他试剂(分析级)均购于国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

Direct8纯水机(美国Millipore公司);TA-XT Plus质构仪(英国Stable Micro Systems有限公司);STA449F5热重分析仪(德国耐驰);Nicolet6700傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared,FTIR)仪(Thermo Fisher Scientific公司);D/MAX2500V X射线衍射仪(X-ray diffraction,XRD)(日本理学株式会社);Gemini 500扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)(德国卡尔蔡司公司);Multiskan Go 1510酶标仪(Thermo Fisher Scientific公司);CR-300比色仪(柯尼卡美能达集团);752紫外-可见分光光度计(上海菁华科技仪器有限公司);SW-CJ-1F超净工作台(苏州安泰空气技术有限公司)。

1.3 豆腐柴果胶的提取

PEP的提取是根据课题组前期的方法进行的[9],其性质和化学组成参考文献[10]。

1.4 豆腐柴果胶可食膜的制备

称取PEP和SPI粉末溶于超纯水,添加GA、甘油和氯化钠溶液(膜液最终含有20 mmol/L的钠离子)制成复合膜液,使得GA的质量分数为0、1%、2%、3%。将其于25 ℃充分搅拌,再置于直径为90 mm的平板中,室温放置12 h,再于60 ℃烘箱中烘干,最后揭膜于容器中。

1.5 物理性能的测定

1.5.1 颜色和透光性的测定

可食膜的颜色使用比色仪测量。底片颜色的指标为a、b、L,总色差ΔE的计算公式为:

其中:L*=97.63;a*=-0.53;b*=2.27。

将可食膜切成40 mm×10 mm的条块,贴在比色皿上,使用紫外可见分光光度计测量其在300～700 nm范围内的UV-Vis光谱,以空气为参照得出其透光性。

1.5.2 厚度和密度的测定

在可食膜上随机取3点,用螺旋测微仪测量其厚度(取平均值精确到0.001 mm)计算出其体积;规范称取可食膜矩块质量,然后用质量与体积之比得出可食膜的密度。

1.5.3 水分质量分数的测定

取1 cm×1 cm的可食膜薄片称其质量,记为m1,然后在100 ℃下干燥24 h再称其质量,记为m2。水分质量分数(wM)的计算公式为:

wM=[(m1-m2)/m1]×100%。

1.5.4 水溶解性的测定

将可食膜(1 cm×1 cm)在60 ℃下干燥12 h并称其质量,记为m3。将干膜浸入25 mL超纯水中,室温下缓缓摇晃24 h,然后在100 ℃下干燥24 h并称其质量,记为m4。可食膜水溶解性(SW)的计算公式为:

SW=[(m3-m4)/m3]×100%。

1.5.5 溶胀率的测定

可食膜的溶胀率(RS)以重量法得出。称取1 cm×1 cm的可食膜,记为m5。将其浸入25 mL超纯水中1 h,取出,用吸水纸除去膜表面水分并称质量,记为m6。可食膜RS的计算公式为:

RS=[(m6-m5)/m5]×100%。

1.6 机械性能的测定

切取10 mm×70 mm的可食膜矩块,用质构仪测定膜的断裂伸长率和拉伸强度。质构仪夹距为50 mm,拉引速度为1 mm/s。

1.7 热重分析

称取5 mg 可食膜样品于坩埚中。在氮气的环境下,测定样品在35～800 ℃范围内的质量变化,升温速率为10 ℃/min。

1.8 FTIR分析

称取可食膜样品3 mg与溴化钾充分混合压片,采用FTIR仪进行检测,扫描范围为4 000～400 cm-1,分辨率为4 cm-1。

1.9 XRD分析

XRD测试条件为:CuKα靶,2θ扫描范围5°～60°,扫描速率2 (°)/min。

1.10 SEM分析

用ETD-3000离子溅射设备对可食膜样品进行喷金;用Gemini 500 SEM在1 kV的加速电压下放大500倍观察每个样品的微观结构。

1.11 抗氧化活性分析

可食膜的抗氧化活性由DPPH自由基清除方法测定。将50 mg可食膜样品加入10 mL DPPH/甲醇溶液(100 μmol/L)中,在25 ℃下培养30 min,然后于517 nm处测量吸光度。对照组为未添加可食膜的DPPH溶液。可食膜抗氧化活性的计算公式为:

其中,Ac、As分别为对照组和可食膜的吸光度。

1.12 抗菌活性分析

本实验使用大肠杆菌和金黄色葡萄球菌对可食膜进行体外抗菌活性评价。在胰蛋白胨琼脂培养基上接种200 μL的细菌培养物(细胞密度为104个/mL);然后在培养基表面放置半径为6 mm的圆形可食膜薄片,并在37 ℃下培养24 h;最后测量抑菌圈的直径。

1.13 数据分析

采用Origin 2021软件绘制图表,利用SPSS 21.0软件处理数据。实验数据重复3次,结果以(平均值±标准差)形式表示。

2 结果分析

2.1 豆腐柴果胶可食膜的物理特性分析

2.1.1 颜色特性和透光率

可食膜的颜色和透明度是衡量消费者接受程度和产品外观的重要指标[11]。颜色测量过程中,L*值越大样品越亮;a*值代表红绿色,绿(-)/红(+);b*值代表黄蓝色,蓝(-)/黄(+)[12]。可食膜的颜色指标L、a、b、ΔE见表1所列。由表1可知:GA的加入使L值显著减小(P<0.05),表明添加GA使可食膜逐渐变暗;a值和b值均显著增加(P<0.05),说明可食膜逐渐变红;ΔE值显著升高(P<0.05),由23.37上升到40.06,表明可食膜的颜色由浅变深。

表1 豆腐柴果胶可食膜的颜色参数

可食膜的透光率如图1所示。由图1可知,未添加GA的可食膜透光性最好,GA加入可食膜液后,透光性变差,这与文献[13]的研究结果一致。文献[13]发现,魔芋葡甘聚糖膜的透光率随GA的加入而逐渐降低,这是由于GA填补了成膜基质的分子间隙,阻挡了光线穿过。当GA的质量分数为3%时,可食膜的透光率在700 nm处从88.17%减小到81.44%。由此可见,GA的加入使豆腐柴果胶可食膜光阻隔性能增强,可以应用于某些食品行业以防止由光线诱导的脂质过氧化。

图1 豆腐柴果胶可食膜的透光率

2.1.2 厚度和密度

薄膜的厚度直接影响其透光率、透气性、机械强度等品质[14]。可食膜的厚度和密度见表2所列。由表2可知:膜的厚度随GA质量分数的增加而显著增加(P<0.05),这可能是成膜溶液中固体含量增多所导致的;GA加入后,膜的密度有所减小,但变化不显著(P>0.05),这是由于添加GA使得可食膜厚度显著增加,但其质量变化不显著,导致可食膜密度降低。

表2 豆腐柴果胶可食膜的厚度和密度

2.1.3 水分质量分数、水溶性和溶胀率

可食膜的水分质量分数、水溶性、溶胀率见表3所列。由表3可知,随GA质量分数的增加,可食膜的水分质量分数由39.690%上升到46.597%,显著增大(P<0.05)。文献[15]研究发现马铃薯副产品中加入GA后,膜的含水量由原来的18.07%增加至23.11%。这是由于GA中含有羟基,增加了膜的亲水性,导致膜的水分质量分数升高。

表3 豆腐柴果胶可食膜的物理特性 %

水溶性是可食膜的一个重要指标,这主要是可食膜的水溶性过高会影响食品的贮藏质量[16]。由表3可知,GA质量分数增加使可食膜的水溶性增大,这是由于GA分子含有亲水基团,当可食膜与水接触时,亲水基团会结合水分子,导致可食膜溶于水。

溶胀率可以反映可食膜在基质中保持水分的能力,与结构中的羧基、羟基等亲水基团有关[17]。由表3可知,未添加GA的可食膜溶胀率最低为75.989%。文献[8]研究表明,20 mmol/L Na+能增强PEP-SPI凝胶的范德华力,使得分子紧密结合,PEP-SPI-Na膜不易再次结合水分子,使得溶胀率低。而添加GA后,可食膜的溶胀率随GA质量分数的增大而增大,最终上升到122.715%。文献[17]指出,壳聚糖-玉米淀粉膜的溶胀率随GA质量分数的增加而降低,这是由于膜与GA的结合在聚合物网络中形成额外的交联,限制水分渗透,抑制膜的膨胀。然而本文是以果胶和蛋白为材料制备的可食膜,材料不同可能导致添加GA产生相反的作用。

2.2 豆腐柴果胶可食膜的机械性能分析

豆腐柴果胶可食膜的机械性能如图2所示。

图2 豆腐柴果胶可食膜的机械性性能

由图2a可知,未添加GA的可食膜拉伸强度最大,加入1%GA后,可食膜拉伸强度无显著变化,但当GA质量分数增加至3%时,膜的拉伸强度显著减小(P<0.05)。由图2b可知,未添加GA的可食膜断裂伸长率最小,且膜的断裂伸长率随GA质量分数的增加逐渐增大。文献[15]研究发现不加没食子酸的马铃薯淀粉膜的拉伸强度为3.0 MPa,而添加没食子酸(没食子酸与马铃薯淀粉的质量比为0.3)的膜拉伸强度减小至1.6 MPa。但添加没食子酸会增加膜的断裂伸长率,最高达28.2%,这种刚性降低而柔韧性增强的现象被称为塑化剂效应。

2.3 豆腐柴果胶可食膜的热重分析

豆腐柴果胶可食膜的热重分析如图3所示。

图3 豆腐柴果胶可食膜的热重分析

从图3a可知,第1阶段的质量损失发生在60～90 ℃之间,这是可食膜水分蒸发造成的[18]。由图3b可知,未加GA的可食膜水分蒸发峰为89.6 ℃,添加GA后,水分蒸发峰逐渐降低。在125～252 ℃之间发生了第2阶段的质量损失,这段质量损失最显著,膜的质量减小到40%左右,这是分子链的断裂和降解所致[19]。由图3b可知,未添加GA的可食膜降解温度峰为204.1 ℃。随GA质量分数的增加,降解温度峰逐渐降低。结果表明,添加GA后可食膜的热稳定性变差。

2.4 豆腐柴果胶可食膜的FTIR分析

文献[12]利用FTIR技术研究可食膜分子间的相互作用和膜基质的结构变化。可食膜的FTIR谱图如图4所示。由图4可知:可食膜中添加GA后,没有形成额外的峰,说明GA与可食膜之间没有形成共价键,它们之间的相互作用更可能为物理作用[20];未添加GA的可食膜酰胺Ⅰ键峰在1 637.3 cm-1处,随GA质量分数增加,可食膜的酰胺Ⅰ键峰波数逐渐增加,这是SPI分子的氨基与GA分子解离的羧基发生静电相互作用导致的;此外,1 048 cm-1处为PEP的糖环峰,随GA质量分数的增加,此吸收峰逐渐变弱,这是由于GA分子的羧基、酚羟基与PEP中大量羧酸根形成氢键,使PEP分子构象发生改变导致的。

图4 豆腐柴果胶可食膜的FTIR谱图

2.5 豆腐柴果胶可食膜的XRD分析

XRD是评估可食膜样品结晶度的有效方法。通常情况下,复合材料的非结晶和结晶组分混溶性良好时,结晶度降低[21]。豆腐柴果胶可食膜的XRD分析结果如图5所示。

图5 豆腐柴果胶可食膜的XRD图谱

从图5可以看出,所有样品的衍射峰均在7.5°和22.0°附近,表明在可食膜中存在无定形结构,但是随着GA质量分数增加,在7.5°和22.0°处峰的强度变弱。文献[22]研究发现添加GA于CS膜液之后,11°和20°处的衍射峰减弱或消失。这说明GA的结合在一定程度上破坏了可食膜原有的半晶型状态。

2.6 豆腐柴果胶可食膜的微观结构分析

通过SEM观察到的可食膜截面微观结构如图6所示。由图6可知,未添加GA的可食膜横截面光滑致密,添加GA后,GA质量分数越大可食膜表面越粗糙。文献[23]研究指出,CS膜和添加0.5%GA后的膜横截面光滑、平坦,紧凑性良好,而增加GA质量分数后,出现白点表明壳聚糖基质中存在异质性,并出现明显的孔隙,这些孔隙破坏了膜的结构。SEM的结果印证了物理特性和机械性能的结果,因为GA质量分数的增加,膜的含水量升高,生成很多粗糙的裂纹和缝隙,所以膜的抗拉强度下降。综上所述,添加低质量分数(1%)GA的可食膜具有较好的物理特性和机械性能。

图6 豆腐柴果胶可食膜的SEM图

2.7 豆腐柴果胶可食膜的抗氧化活性分析

可食膜的抗氧化能力是通过测定DPPH自由基清除活性来评估的。DPPH自由基清除率如图7所示。

图7 豆腐柴果胶可食膜的抗氧化活性

图7中不同小写字母表示在P<0.05水平上有显著性差异。由图7可知:未添加GA的可食膜DPPH自由基清除率为55.75%,这是由于豆腐柴果胶本身具有一定的抗氧化活性;加入GA之后,可食膜抗氧化活性增强(P< 0.05),GA质量分数越大,膜的抗氧化活性越强;当GA质量分数增加至2%时,抗氧化活性基本稳定在91.34%左右。文献[24]指出,未添加GA的壳聚糖膜抗氧化活性为51.4%,而添加10%和20%的GA后,膜的抗氧化活性分别上升到96.2%和96.4%。这些结果说明,添加GA能显著提高可食膜的抗氧化活性。

2.8 豆腐柴果胶可食膜的抗菌活性分析

选用食品中最常见的致病菌金黄色葡萄球菌(S.aureus)和大肠杆菌(E.coli),通过测量可食膜对这2种病菌的抑菌圈直径大小,研究可食膜的抗菌活性,结果如图8所示。

图8 豆腐柴果胶可食膜的抗菌活性

图8中:不同小写字母表示抗E.coli活性在P<0.05水平上有显著性差异;不同大写字母标注表示抗S.aureus活性在P<0.05水平上有显著性差异。由图8可知,添加GA显著增强了可食膜的抗菌活性(P<0.05),GA质量分数越高可食膜的抗菌活性越强。此外,E.coli的抑菌圈显著大于S.aureus,表明可食膜对革兰氏阳性菌的抑制作用弱于对革兰氏阴性菌的抑制作用。文献[16]报道,加入GA后的GA-CS膜和GA-g-CS膜的抗菌活性显著提高。但本研究中,CS基可食膜对革兰氏阳性菌(B.cereus或S.aureus)的抑制作用大于对革兰氏阴性菌(E.coli或S.typhimurium)的抑制作用。这是本研究的成膜材料与其有所差异导致的。

3 结 论

本文制备豆腐柴果胶可食膜,并研究了GA对可食膜的物理特性、机械特性、微观结构和功能特性的影响。结果表明,加入适量的GA能改善豆腐柴果胶可食膜的品质,当GA的质量分数为1%时,可食膜即具有良好的机械特性和物理结构,又显示出较强的抗氧化和抗菌活性。添加GA的豆腐柴果胶可食膜具有良好的可食性、生物降解性和生物活性,是一种很有应用前景的食品包装材料。