果胶-纤维素-儿茶素可食复合膜的制备及性能

林珺琰，陈建福，费鹏

（1.漳州职业技术学院 食品工程学院，福建 漳州 363000；2.闽南师范大学 生物科学与技术学院，福建 漳州 363000）

以石油基聚合物为主要原料的合成材料因价格低、机械强度高、热密封性及阻隔性好等优点，被广泛应用于食品包装等行业[1]。然而，合成材料因其不可降解性，造成了严重的环境污染[2]。近年来，随着人们环保意识的增强，寻找天然高分子化合物替代传统合成材料制备“绿色包装”已成为一种发展趋势[3-4]。

多糖是一种环保的天然高分子材料，具有良好的生物降解性，且价格低廉、无毒[5]。多糖基薄膜（如淀粉、壳聚糖、纤维素等）具有良好的透明度，能较好地控制油脂、氧气或其他气体的渗透。然而，与人工合成的复合材料相比，单一多糖制备的薄膜，其亲水性和机械性能往往较弱[6-7]。因此，可选择两种或两种以上的天然大分子制备复合膜，通过分子间相互作用形成致密结构，提高膜的整体性能，满足不同食品包装的需求[8-9]。

果胶是一种阴离子性多糖，广泛存在于绿色植物细胞中，并具有良好的成膜性能，可作为薄膜基底材料[10]。然而，纯果胶膜的机械强度较低、透水性较高，限制其在包装行业的应用[11]。因此，果胶常与不同的大分子共混制备复合膜，以提高薄膜性能。Chaichi 等[12]研究发现，利用纳米晶纤维素增强的可食性果胶膜具有较高的防水性能，可作为高强度、生物可降解、可再生食品包装的良好候选材料。Gao 等[13]以果胶、壳聚糖和茶多酚为原料，通过钙离子交联成功制备了一种新型多糖膜，具有良好的保鲜性能。纤维素是一种丰富的天然高分子资源，是由两个无水葡萄糖环[（C6H10O5）n]通过β-1，4 糖苷键共价连接而成的线性大分子，已被广泛应用于生物可降解薄膜的制备[14]。Mohammadalinejhad 等[15]基于羧甲基纤维素制备的可食用薄膜可作为食品包装中益生菌菌株的合适载体。Šešlija 等[16]制备的羧甲基纤维素改性的果胶基薄膜，与纯果胶薄膜相比，其机械性能有所提高。

儿茶素是从天然植物中提取的一种酚类活性物质，具有抗菌、抗氧化等作用[17-18]，被认为是一种具有重要商业价值的功能性成分，在食品中具有较好的应用前景。研究发现，儿茶素的加入能够提高薄膜的抗氧化性[19]。Jiang 等[20]用儿茶素/β-环糊精复合纳米颗粒制备了玉米醇溶蛋白复合膜，发现复合膜的机械性能和阻隔性能得到了显著提高，并且具有良好的抗氧化活性。

本研究采用果胶、纤维素与儿茶素共混制备复合膜，研究不同用量的儿茶素对复合膜力学性能、透光率、水蒸气透过率和抗氧化性能的影响，并利用傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）和扫描电镜（scanning electron microscope，SEM）对薄膜进行表征，研究儿茶素浓度对薄膜结构和微观形貌的影响，以期获得一种具有抗氧化活性的食品包装复合膜。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

果胶（来源于柑橘，半乳糖醛酸含量≥74%）：上海阿拉丁生化科技股份有限公司；α-纤维素（粒径25 μm）：上海麦克林生化科技股份有限公司；儿茶素（食品级）：广东康达生物科技有限公司；甘油、乙醇、盐酸、氢氧化钠、氯化钙（均为分析纯）：西陇科学股份有限公司；2，2’-二苯基-1-苦基肼（2，2’-diphenyl-1-picrylhydrazyl，DPPH）、磷酸缓冲盐溶液（phosphate buffered saline，PBS）：上海源叶生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

紫外可见分光光度计（T9）：北京普析通用仪器有限公司；质构仪（CT3-10K）：美国博勒飞公司；傅里叶变换红外光谱仪（NICOLET iS 10）：美国赛默飞世尔公司；扫描电子显微镜（JSM-6010LA）：日本电子株式会社。

1.3 试验方法

1.3.1 果胶-纤维素-儿茶素可食复合膜的制备

参考Ye 等[21]的方法，采用流延法制备果胶-纤维素-儿茶素可食复合膜。将乙醇湿润的果胶粉溶于去离子水中，在室温下搅拌20 min，使果胶完全溶解，得到质量分数4% 的果胶溶液。同时，将纤维素粉末以质量分数2%比例溶于去离子水中，室温搅拌10 min，使其分散均匀，加入甘油作为增塑剂。将一定质量的儿茶素粉末加入到纤维素溶液中进行磁力搅拌（儿茶素的浓度以果胶-纤维素的质量为基准）。将儿茶素添加量为0%、3%、6%、9%、12%的样品，分别标记为PC0、PC3、PC6、PC9 和PC12。将等体积的果胶溶液（与纤维素溶液相比）加入到纤维素-儿茶素混合溶液中，不断搅拌，超声去除气泡后，得到果胶-纤维素-儿茶素复合膜溶液。最后，量取复合膜溶液20 mL，注入圆形塑料平皿中（直径9 cm），流延均匀后在40 ℃恒温干燥箱中干燥24 h，形成果胶-纤维素-儿茶素可食复合膜，揭膜后保存于自封袋中。

1.3.2 复合膜厚度的测定

复合膜的厚度采用电子数显千分尺（精度为0.001 mm）进行测量，每张复合膜取6 个不同位置，测厚度后取平均值。

1.3.3 复合膜紫外光谱及透光性的测定

参考Chen 等[22]的方法，采用紫外可见分光光度计分析复合膜的透光性。将复合膜切为矩形，贴于比色皿表面，以空比色皿作为空白对照。用紫外可见分光光度计在波长200～800 nm 内测定吸光度，间接表示膜的透光性。

1.3.4 复合膜水蒸气透过率的测定

参照GB/T 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》测定复合膜的水蒸气透过率（water vapor permeation，WVP）。将复合膜切割成矩形，用于密封直径为3.2 cm 的称量瓶（称量瓶内放置三分之一厚度的无水氯化钙作为干燥剂），称量其质量并记录。然后将称量瓶放置于25 ℃，相对湿度70%的环境中，每隔1 h 测量1 次称量瓶的质量。每次测量均使用3 个重复样本。根据公式计算水蒸气透过率（W，g/cm2）。

式中：△m 为样品质量的变化，g；A 为复合膜的有效面积（称量瓶口面积），cm2。

1.3.5 复合膜机械性能的测定

参考Ye 等[21]的方法，采用配备TA-RT-LIT 探针的质构仪对复合膜的力学性能进行表征。采用4 mm×50 mm 哑铃刀将复合膜切成哑铃型，将复合膜样品夹入质构仪夹具中进行测试，初始距离为50 mm，拉伸速度为0.5 mm/s。每一种膜重复测定6 个样品。根据下述公式计算复合膜拉伸强度（σT，MPa）。

式中：P 为复合膜的最大载荷，N；b 为复合膜的宽度，mm；d 为复合膜的厚度，mm。

1.3.6 复合膜抗氧化活性的测定

采用DPPH 法，利用紫外可见分光光度计测定复合膜的抗氧化活性。准确称取一定量的DPPH，加入80 mL 无水乙醇，配成0.1 mmol /L 的DPPH-无水乙醇溶液。分别量取4 mL pH7.4 的PBS 和4 mL 的0.1 mmol/L DPPH-无水乙醇溶液于10 mL 的离心管中，将复合膜裁成35 mm×15 mm 的样条置于离心管中，25 ℃恒温振荡摇匀，避光反应0.5 h，在517 nm 测定吸光度，DPPH自由基的清除率（k，%）的计算公式如下。

式中：A0为纯DPPH 溶液的吸光度；A1为复合膜溶液的吸光度。

1.3.7 复合膜红外光谱的测定

将复合膜制成1 cm×1 cm 的样品，在50 °C 的烘箱中放置24 h 后，采用傅里叶红外光谱仪进行测定，扫描32 次，波长范围为4 000～400 cm-1，分辨率为1 cm-1。

1.3.8 复合膜微观结构的测定

对干燥复合膜样品的表面和断裂部分进行喷金处理，后采用扫描电镜进行微观结构观察。

1.4 数据分析

采用DPSv7.05 软件进行数据处理，用单因素的Duncan's 多重比较法进行方差分析，p＜0.05，试验重复3 次。

2 结果与分析

2.1 儿茶素用量对可食复合膜透光性的影响

透光率是表征复合膜光学性能的重要指标之一，结果如图1 所示。

图1 儿茶素用量对可食复合膜透光性的影响Fig.1 Effect of catechin concentration on the light transmittance of edible composite films

由图1 可知，在可见光波长范围（400～800 nm）内，随着儿茶素用量的增加，复合膜的透光率逐渐降低。当波长为400 nm 时，PC0 的透光率为50%，而PC12的透光率低于20%。与Lei 等[23]和Wang 等[24]的研究结果类似。这是因为儿茶素嵌入到复合膜基质的分子间隙，阻碍了光的透射，使得复合膜的透光率降低[23]，从而影响到包装内容物的可视性，有利于光敏性较差食物的包装应用。

2.2 儿茶素用量对可食复合膜的水蒸气渗透性的影响

食品包装材料的主要作用之一是减少食品水分流失，延长食品保质期，因此包装膜的水蒸气透过率（WVP）应尽可能降低。儿茶素用量对果胶-纤维素可食复合膜水蒸气透过率的影响如图2 所示。

图2 儿茶素用量对可食复合膜的水蒸气渗透性的影响Fig.2 Effect of catechin concentration on WVP of edible composite films

由图2 可知，随着儿茶素用量的增加，复合膜的水蒸气透过率先增大后减小。未添加儿茶素的果胶-纤维素复合膜WVP 为13.7 g/cm2。当添加3%儿茶素时，果胶-纤维素-儿茶素复合膜的WVP 为14.17 g/cm2。这可能因为在较低的儿茶素浓度下，儿茶素填充于果胶和纤维素分子间，增大了分子间的间隙，使水分子更容易通过，在一定程度上提高了复合膜的水蒸气透过率[21]。但当儿茶素添加量继续增加时，复合膜的水蒸气透过率下降，改善了复合膜透水性高的缺点。这是因为一定用量的儿茶素会加强儿茶素与果胶和纤维素之间的氢键作用，使儿茶素与复合膜中果胶、纤维素分子的多链结构结合，阻隔膜外的水分子，降低复合膜的WVP[25-26]。

2.3 儿茶素用量对可食复合膜力学性能的影响

力学性能是评价包装膜材料机械性能的一个重要指标，复合膜的机械强度与各组分的相互作用有关[27]，儿茶素用量对可食复合膜力学性能的影响结果如图3 所示。

图3 儿茶素用量对可食复合膜力学性能的影响Fig.3 Effects of catechin concentration on mechanical properties of edible composite films

由图3 可知，未添加儿茶素的复合膜在拉伸强度为（6.74±0.21）MPa、拉伸模量为（1.37±0.08）GPa 时发生断裂。添加3%儿茶素时，复合膜的拉伸强度提高至（8.39±0.18）MPa，当儿茶素用量继续增加至12%时，拉伸强度下降至（5.24±0.09）MPa。这是因为儿茶素分子与果胶、纤维素分子中的羟基结合，形成氢键，填补了果胶和纤维素分子之间的空隙，提高了果胶和纤维素分子之间的相容性，导致膜的拉伸强度上升[28]。而当儿茶素用量进一步增加时，过量的儿茶素积聚，破坏了果胶与纤维素之间的交联，导致复合膜结构不均匀，拉伸强度下降。同时，随着儿茶素用量的增加，可食复合膜的拉伸模量逐渐下降至（0.67±0.04）GPa，这是因为果胶通过凝胶作用为可食复合膜提供延展性，而随着儿茶素用量的增加，果胶浓度降低，导致复合膜的拉伸模量下降。

2.4 儿茶素用量对可食复合膜抗氧化活性的影响

DPPH 自由基清除能力可以作为评价包装膜的抗氧化能力的指标，结果如图4 所示。

图4 儿茶素用量对可食复合膜抗氧化活性的影响Fig.4 Effects of catechin concentration on antioxidant activities of edible composite films

由图4 可知，未添加儿茶素的果胶-纤维素复合膜的DPPH 自由基清除率仅为2.17%，表明可食复合膜几乎没有抗氧化能力。添加儿茶素后，复合膜的DPPH自由基清除率显著提高（p＜0.05）。随着儿茶素用量从3%增加到12%时，可食复合膜的DPPH 自由基清除率从25.18%增加到87.31%。这是因为儿茶素结构中含有大量酚羟基，可以有效地向自由基贡献氢原子，从而阻断链式反应，起到抗氧化作用[29]。因此，添加儿茶素可以提高复合膜的抗氧化能力，未来可用于水果、蔬菜、肉类等食品的包装，以保持食品的质量和安全。

2.5 可食复合膜的FTIR 分析

利用傅立叶变换红外光谱，研究了在复合膜中添加儿茶素对果胶和纤维素分子相互作用的影响。添加不同用量儿茶素的复合膜的FTIR 光谱如图5 所示。

图5 可食复合膜的红外光谱图Fig.5 FTIR spectra of edible composite films

由图5 可知，果胶-纤维素复合膜在3 306 cm-1附近出现了较宽的吸收带，这是由分子间或分子内的O—H 拉伸导致的[22，30]。2 942 cm-1处为甲基的C—H 振动，1 739 cm-1和1 648 cm-1处分别为C O 伸缩振动和C O 伸缩振动[13，31-32]。1 146 cm-1和1 099 cm-1处的吸收峰是由果胶分子中的R—O—R 和C—C 键引起的[33]。与果胶-纤维素复合膜相比，添加儿茶素后复合膜没有产生新的特征峰，这表明复合膜中没有形成新的共价键，因此分子间的相互作用更可能是物理交联[22]。另外添加儿茶素后，随着儿茶素浓度的增加，复合膜部分吸收峰发生偏移，其中3 306 cm-1处的谱带逐渐向较低的波数偏移，表明了添加的儿茶素与果胶、纤维素分子形成了新的氢键，具有良好的相容性[23]。

2.6 可食复合膜SEM 分析

通过扫描电镜观察复合膜的微观结构，结果如图6 所示。

图6 可食复合膜的表面和截面的扫描电镜图Fig.6 SEM images of surface and cross section of edible composite films

由图6 可知，未添加儿茶素的果胶-纤维素复合膜（PC0），表面较为光滑紧致，而添加儿茶素后，复合膜表面变得粗糙（图6B～图6E）。这是因为儿茶素与果胶、纤维素表面的多链物质结合，逐渐形成不规则形状的小颗粒，附着在复合膜表面所致[13]。然而与未添加儿茶素的复合膜（PC0）相比，果胶-纤维素-儿茶素可食复合膜的横截面均呈现疏松结构，且结构较为均匀稳定并未出现相分离现象，表明儿茶素与果胶、纤维素之间具有高相容性。

3 结论

以果胶-纤维素作为基底材料，添加儿茶素制备可食复合膜，研究儿茶素用量对果胶-纤维素-儿茶素可食复合膜的透光率、水蒸气透过率、拉伸强度、拉伸模量和DPPH 自由基清除能力的影响。结果表明，儿茶素与果胶、纤维素分子之间发生了相互作用，填补复合膜分子之间的空隙，降低了复合膜的水蒸气透过率及透光率，并且在一定范围内提高了复合膜的力学性能。此外，抗氧化试验结果表明，添加儿茶素可显著提高复合膜的抗氧化活性。综合考虑，儿茶素添加量为3%～9%的果胶-纤维素-儿茶素可食复合膜在食品活性包装行业具有良好的应用潜力。