TG酶/k-卡拉胶协同改性明胶复合膜的工艺优化及表征

应天昊 朱芸杉 胡杨

摘要：为了研制一种性能优良的天然保鲜膜，该研究以明胶为基质，通过k-卡拉胶与谷氨酰胺转氨酶（TG酶）对明胶进行协同改性，采用流延法制备一种新型明胶复合膜，通过单因素试验与正交试验研究k-卡拉胶添加量、TG酶添加量、TG酶反应时间和干燥温度对明胶复合膜物理性能的影响。得出最佳制备工艺为明胶添加量5%、k-卡拉胶添加量0.5%、TG酶添加量0.2%、反应时间60 min、干燥温度45 ℃。在最佳工艺条件下制备的明胶复合膜拉伸强度为14.33 MPa，断裂伸长率为44.24%，水溶性为26.72%，水蒸气透过系数为0.278 g·mm/（kPa·h·m2）。优化制备工艺后，利用X射线衍射、热重分析等手段对不同明胶复合膜的结构进行表征。表征结果表明，k-卡拉胶与 TG酶分别通过静电相互作用与氨基酸异肽键对明胶进行协同改性。该研究为新型明胶复合膜的开发提供了理论依据。

关键词：明胶；k-卡拉胶；TG酶；复合膜；协同改性

中图分类号：TS201.7      文献标志码：A     文章编号：1000-9973（2024）02-0010-09

Process Optimization and Characterization of Gelatin Composite Film Modified by TGase Associated with k-Carrageenan

Abstract： In order to develop a natural preservative film with excellent performance， in this study， with gelatin as the substrate， k-carrageenan and transglutaminase （TGase） are used to modify gelatin， and a new gelatin composite film is prepared by tape casting method. The effects of the addition amount of k-carrageenan， the addition amount of TGase， the reaction time of TGase and the drying temperature on the physical properties of gelatin composite film are investigated by single factor test and orthogonal test. It is determined that the optimum preparation process is 5% gelatin， 0.5% k-carrageenan， 0.2% TGase， reaction time 60 min and drying temperature 45 ℃. The tensile strength of the gelatin composite film prepared under the optimum process conditions is 14.33 MPa， the elongation of break is 44.24%， the water solubility is 26.72% and the water vapor permeability coefficient is 0.278 g·mm/（kPa·h·m2）. After the optimization of preparation process， the structures of different gelatin composite films are characterized by X-ray diffraction and thermogravimetric analysis. The characterization results show that k-carrageenan and TGase synergistically modify gelatin through electrostatic interaction and amino  acid isopeptide bonds respectively. This study has provided a theoretical basis for the development of new gelatin composite film.

Key words： gelatin; k-carrageenan; TGase; composite film; synergistic modification

目前，大量且不受控制地使用源自石油基塑料的食品保鮮膜造成了严重的环境问题[1]，塑料保鲜膜如果处置不当会对环境和人类造成巨大危害[2]。近年来，天然可降解大分子聚合物在食品保鲜领域越来越受欢迎，蛋白质、纤维素、淀粉、壳聚糖和聚乳酸等物质被视为常规食品塑料保鲜膜的替代品[3]。明胶是胶原蛋白部分水解而成的一种大分子蛋白，由于其出色的成膜性与安全性成为理想的成膜基质材料[4]。然而明胶膜在实际制备与应用过程中存在着一些缺陷：首先是其溶解性，由于明胶的三螺旋结构中存在着许多亲水基团，导致其很容易溶解在食品表面[5]；其次是机械性能，单纯的明胶膜强度小、黏度大，难以应用于食品保鲜[6]。因此，研究人员通常选择对明胶进行物理改性、化学改性与酶法改性[7]。例如Jridi等[8]研究发现，果胶的引入通过形成氢键增强了明胶膜的性质。与对照组相比，果胶的引入使得明胶网络更加致密，显著提高了明胶膜的机械强度。目前对于明胶改性已有诸多报道，但以k-卡拉胶与TG酶对明胶进行协同改性，同时改善明胶膜的机械性能与水溶性的研究尚未见报道。

因此，为同时解决明胶膜机械强度不足与溶解性过高的问题，研究以明胶为原料，通过k-卡拉胶与谷氨酰胺转氨酶（TG酶）对明胶进行协同改性，通过流延法制成一种天然明胶复合膜，以单因素试验与正交试验优化其制备工艺，并对所制得的不同明胶复合膜进行X射线衍射、热重分析等化学表征，从机理层面验证k-卡拉胶与TG酶协同改性对明胶复合膜的影响。

1 材料与方法

1.1 材料

药用级明胶：上海阿拉丁生物试剂有限公司；食品级k-卡拉胶：浙江上方生物科技有限公司；食品级TG酶：江苏一鸣生物科技有限公司；食品级甘油：广州康本生物科技有限公司。

1.2 主要仪器与设备

AUY220电子分析天平、TX2202L电子天平 日本岛津公司；DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器 巩义市科瑞仪器有限公司；TA-XT2i质构仪 英国Stable Micro Systems公司；DHG-9240A电热恒温鼓风干燥箱 上海精宏实验设备有限公司；HD-4测厚仪 天津建科试验仪器厂。

1.3 方法

1.3.1 明胶复合膜的制备工艺单因素试验设计

本文采用流延法成膜。准确称取5 g明胶与k-卡拉胶（0，0.25，0.5，0.75，1 g），加入90 mL纯水混匀，60 ℃水浴搅拌30 min后，加入1 mL甘油，60 ℃水浴搅拌10 min。降温至45 ℃，在膜溶液中加入TG酶（0，0.1，0.2，0.3，0.4 g，均提前溶于10 mL纯水中），45 ℃水浴搅拌反应一定时间（0，30，60，90，120，150 min）后，90 ℃水浴10 min滅酶，降温至50 ℃超声脱气15 min后得到均匀成膜液。将成膜液流延至一次性培养皿中（d=90 mm），膜厚度以0.08 mm为宜，置于鼓风干燥箱内，于适当温度（35，40，45，50，55 ℃）干燥6 h，取出培养皿，缓慢揭下膜样品，放入干燥皿中平衡12 h备用，并以流延法分别制备纯明胶膜与最优条件下TG酶与k-卡拉胶单独改性的明胶/k-卡拉胶膜、明胶/TG酶膜。

1.3.2 正交试验设计

在单因素试验的基础上，在明胶添加量5%、TG酶反应时间60 min、干燥时间6 h的条件下，选取k-卡拉胶添加量（A）、TG酶添加量（B）、干燥温度（C）3个因素进行正交试验，对明胶复合膜的制备工艺进行优化。因素水平选取见表1，进行三因素三水平正交试验设计，通过测定拉伸强度、断裂伸长率、水蒸气透过系数、水溶性等指标，探究明胶复合膜最佳成膜条件。

1.3.3 明胶复合膜机械性能测定

机械性能的测定包括拉伸强度（TS）和断裂伸长率（EAB）两个方面。采用质构仪对明胶复合膜的拉伸强度与断裂伸长率进行测定，参考Zou等[9]的方法并稍作修改。选择光滑、无褶皱的膜样品，将其切割成6 cm×2 cm大小的矩形长条后将其置于质构仪A/TG探头上匀速拉伸至膜断裂，设置拉伸速率为10 mm/min，每组重复3次试验，结果取平均值。

拉伸强度计算公式如下：

式中：TS为膜拉伸强度，MPa；Fmax为膜断裂时所需的最大张力，N；d为膜厚度，mm；w为膜宽度，mm。

断裂伸长率计算公式如下：

式中：EAB为膜断裂伸长率，%；L1为膜断裂时的长度，mm；L0为膜原始长度，mm。

1.3.4 明胶复合膜水蒸气透过系数（WVP）测定

参照Zhang等[10]的方法并稍作修改。将明胶复合膜固定在含有10 mL超纯水的锥形瓶口。称重后，将锥形瓶放入含有变色硅胶的干燥皿中，使膜两侧的内外蒸汽压差保持一致。静置24 h后再次称重，每组重复3次试验，结果取平均值。

水蒸气透过系数（WVP）计算公式如下：

式中：WVP为水蒸气透过系数，g·mm/（kPa·h·m2）；Δm为相同时间内锥形瓶质量变化，g；A为明胶复合膜有效面积，m2；t为测定时间间隔，h；d为膜厚度，mm；Δp为试样两侧水蒸气压差，kPa。

1.3.5 明胶复合膜水溶性（WS）测定

参考Sahraee等[11]的方法并作适当的修改。在待测明胶复合膜上切割一块2 cm×2 cm大小的膜。于105 ℃烘箱中干燥24 h后，称重为W1。将其置于盛有15 mL纯水的烧杯中，并在温度为25 ℃的摇床中水浴振摇24 h。倒掉水溶液，将不溶物重新在105 ℃烘箱中干燥至恒重W2。每组重复3次试验，结果取平均值。

水溶性计算公式如下：

式中：WS为明胶复合膜水溶性，%；W1为溶解前明胶复合膜质量，g；W2为溶解后明胶复合膜质量，g。

1.3.6 物理性能综合分计算

参考赵然[12]的研究方法，根据明胶复合膜的性能需求设定拉伸强度、断裂伸长率、水蒸气透过系数和水溶性的权重分别为a、b、c、d。在此基础上，结合隶属度分析法算出正交试验中复合膜物理性能综合得分，从而获得明胶复合膜的最佳成膜配方。

隶属度根据下式计算，其中水蒸气透过系数与水溶性的隶属度计算公式见式（5），拉伸强度与断裂伸长率的隶属度计算公式见式（6）。

式中：P为指标隶属度；Ai为指标值；Amin为相同指标最小值；Amax为相同指标最大值。

明胶复合膜物理性能综合分S计算公式如下：

S=a×P1+b×P2+c×P3+d×P4。（7）

式中：S为明胶复合膜物理性能综合分；a、b、c、d分别为拉伸强度、断裂伸长率、水蒸气透过系数与水溶性的权重；P1、P2、P3、P4分别为拉伸强度、断裂伸长率、水蒸气透过系数与水溶性的隶属度。

1.3.7 明胶复合膜X射线衍射测试（XRD）

利用X-射线衍射仪对4种明胶复合膜（明胶膜、明胶/k-卡拉胶膜、明胶/TG酶膜、明胶/k-卡拉胶/TG酶膜）的晶体结构进行分析。参考廖伟[13]的实验条件，设置2θ角度范围为5°～50°，扫描速度为6°/min，测试电压和电流分别为40 kV与40 mA。

1.3.8 明胶复合膜热重分析（TGA）

参考Barreto等[14]的方法并稍作修改，分别称取 5～8 mg干燥后的不同明胶复合膜（明胶膜、明胶/k-卡拉胶膜、明胶/TG酶膜、明胶/k-卡拉胶/TG酶膜）于氧化铝坩埚中进行热重分析，测试条件：在N2环境下，设置起始温度为50 ℃，升温速率为10 ℃/min，终止温度为500 ℃，保存数据进行后续分析。

1.3.9 明胶复合膜扫描电镜观察（SEM）

将4种不同明胶复合膜样品放置在干燥器中，使其保持干燥。在经过液氮脆断所得到的薄膜的截面处进行喷金处理，再将其固定在样品台上进行扫描电镜观察，加速电压为20 kV。

1.3.10 数据分析

试验数据采用SPSS软件进行处理及显著性分析，显著性分析取95%置信度（P＜0.05），并使用Origin 2021软件作图。

2 结果与分析

2.1 k-卡拉胶添加量对明胶复合膜性能的影响

食品保鲜膜应当具备一定的机械强度，能够承受食品运输过程中所受到的压力、摩擦力等[15]。由图1中a可知，随着k-卡拉胶添加量的增加，明胶复合膜的拉伸强度呈先增大后减小的趋势。当k-卡拉胶添加量为0.50%时，明胶复合膜的拉伸强度达到最大值14.56 MPa，随后逐渐减小。这是由于明胶分子链上的氨基带有正电荷，而k-卡拉胶分子链上的硫酸基带负电荷，在一定添加量范围内二者会发生静电相互作用，且在明胶三螺旋构象出现之前，由静电相互作用引导的其局部结构的重组，会使明胶与k-卡拉胶之间形成氢键，产生更强的复合凝聚，使得膜的拉伸强度增大[16] 。宋佳明等[17]也发现k-卡拉胶的加入能够显著提高明胶复合膜的拉伸强度。但当k-卡拉胶的添加量过高时，会导致k-卡拉胶-明胶复合体系中的负电荷过多，使得分子间的静电斥力增大，因此膜的拉伸强度降低。

由图1中b可知，随着k-卡拉胶添加量的增加，明胶复合膜的断裂伸长率呈现先快速下降后缓慢下降的趋势。这是因为引入k-卡拉胶后，明胶体系刚性结构快速增加，断裂伸长率随之显著下降。随着k-卡拉胶添加量的继续增加，干燥后的明胶复合膜脆性增大，断裂伸长率进一步下降。k-卡拉胶添加量的变化对明胶复合膜拉伸强度、断裂伸长率的变化影响显著。

由图1中c和d可知，由于明膠中含有较多氨基、羟基、羧基等亲水基团[18]，因此纯明胶膜的水溶性与水蒸气透过系数都较高。加入k-卡拉胶后，明胶复合膜的水溶性与水蒸气透过系数均呈现先下降后上升的趋势。当k-卡拉胶添加量为0.50%时，明胶复合膜的水溶性和水蒸气透过系数都达到最小值，分别为25.20%和0.303 g·mm/（kPa·h·m2）。明胶复合膜的水溶性与水蒸气透过系数降低是因为明胶上的氨基与k-卡拉胶上的硫酸基相互作用，导致明胶与水分子的相互作用受阻。但随着k-卡拉胶添加量的增加，二者可能会发生缔合相互作用[19]，形成部分可溶性聚电解质复合物，膜的水溶性与水蒸气透过系数反而升高。k-卡拉胶添加量的变化对明胶复合膜的水溶性、水蒸气透过系数的影响并不显著。综上所述，选择k-卡拉胶添加量为0.25%～0.75%进行后续正交试验。

2.2 TG酶添加量对明胶复合膜性能的影响

由图2中a和b可知，随着TG酶添加量的不断增加，明胶复合膜的拉伸强度与断裂伸长率均呈现先增大后减小的趋势。当TG酶添加量为0.3%时，明胶复合膜的拉伸强度达到最大值，为14.56 MPa，随后逐渐减小。当TG酶添加量为0.2%时，明胶复合膜的断裂伸长率达到最大值，为44.42%，随后逐渐减小。明胶复合膜机械性能的提升主要是由于TG酶能催化明胶分子链上谷氨酰胺的γ-羟酰胺基与赖氨酸上的ε-氨基发生酰基转移反应生成ε-（γ-Glutanyl）-Lys 异肽键，诱导明胶交联形成致密的三维网络结构，改善明胶复合膜的机械性能[20]。而随着TG酶添加量进一步提高，明胶产生过交联现象，膜中蛋白分子链的自由度减小，流延成膜难度增大，导致明胶复合膜的机械性能逐渐下降。

由图2中c和d可知，随着TG酶添加量的不断增加，明胶复合膜的水溶性与水蒸气透过系数均呈现先下降后上升的趋势，且加入TG酶后明胶复合膜的水溶性显著下降。当TG酶添加量为0.3%时，明胶复合膜的水溶性达到最小值，为25.20%。当TG酶添加量为0.2%时，明胶复合膜的水蒸气透过系数达到最小值，为0.278 g·mm/（kPa·h·m2）。明胶复合膜的水溶性与水蒸气透过系数的降低主要是因为TG酶能够诱导明胶分子链上的氨基反应，生成氨基酸异肽键，使得膜网络结构更加致密，亲水性基团减少，处于自由状态的明胶分子数减少，致使明胶膜在水中的溶出率降低且水分子不易透过。但随着TG酶添加量的进一步增加，过多的酶会导致明胶过度交联[21]，过快的反应速度形成大量的分子内共价键，阻碍了分子间的聚集。因此，明胶复合膜的水溶性与水蒸气透过系数反而升高。综上所述，选择TG酶添加量为0.1%～0.3%进行后续正交试验。

2.3 TG酶反应时间对明胶复合膜性能的影响

由图3中a和b可知，随着反应时间的增加，明胶复合膜的拉伸强度与断裂伸长率都呈先增大后减小的趋势。当反应时间为60 min时，明胶复合膜的拉伸强度与断裂伸长率都达到最大值，分别为14.56 MPa和39.01%，随后逐渐减小。TG酶能够催化明胶发生交联，生成异肽交联键，形成致密的三维网络结构，以此改善明胶复合膜的机械性能。当反应时间过短时，TG酶无法完全诱导明胶分子交联，使得明胶复合膜的机械性能较差。当反应时间过长时，会因为明胶分子间过度交联而降低膜的流动性，造成流延困难且气泡难以去除，影响明胶复合膜的机械性能。

由图3中c可知，随着反应时间的不断增加，明胶复合膜的水溶性呈现不断下降的趋势。当反应时间为120 min时，明胶复合膜的水溶性达到最小值23.1%。这是因为随着反应时间的增加，在TG酶的作用下，明胶分子内与分子间的交联变得越发紧密，导致明胶复合膜的水溶性不断降低。但反应时间过长，又会因为明胶分子间过度交联而降低膜的流动性[22]，造成流延困难，无法流延成膜。

由图3中d可知，随着反应时间的不断增加，明胶复合膜的水蒸气透过系数呈现先下降后上升的趋势。当反应时间为90 min时，明胶复合膜的水蒸气透过系数达到最小值，为0.286 g·mm/（kPa·h·m2），随后逐渐上升。当反应时间增加时，TG酶逐步诱导明胶分子交联，使得明胶复合膜结构越发致密，水分难以透过薄膜，但当反应时间过长时，明胶分子间过度交联，造成流延困难且气泡难以去除，此时的薄膜厚度不均且存在大量难以去除的气泡，影响了明胶复合膜的水蒸气透过系数。综上所述，不选择TG酶反应时间为正交试验因素，确定TG酶反应时间为60 min。

2.4 干燥温度对明胶复合膜性能的影响

由图4中a和b可知，随着干燥温度的升高，明胶复合膜的拉伸强度与断裂伸长率均呈先增大后减小的趋势，且干燥温度对明胶复合膜机械强度的影响较显著。当干燥温度为45 ℃时，明胶复合膜的拉伸强度达到最大值，为14.56 MPa，随后逐渐减小。当干燥温度为50 ℃时，明胶复合膜的断裂伸长率达到最大值，为41.81%，随后逐渐减小。水分蒸发的速度直接影响膜的致密程度。干燥温度过低，水分不易蒸发逸出，干燥后膜中残留的水分较多。而干燥温度过高，水分蒸发的速度过快，导致膜的致密性下降，干燥后明胶复合膜变得较脆。干燥温度为45～50 ℃时，明胶复合膜具有较好的机械强度。

由图4中c和d可知，随着干燥温度的不断升高，明胶复合膜的水溶性与水蒸气透过系数均呈现先下降后上升的趋势。当干燥温度为45 ℃时，明胶复合膜的水溶性和水蒸气透过系数都达到最小值，分别为25.20%和0.303 g·mm/（kPa·h·m2），这种趋势也是膜的致密程度改变所造成的。干燥温度过低，水分不易蒸发逸出，干燥后膜中残留的水分较多。而干燥温度过高，水分蒸发的速度过快，导致膜的致密性下降，干燥后明胶复合膜的结构变得疏松。综上所述，选择干燥温度为40～50 ℃进行后续正交试验。

2.5 正交试验结果分析

根据表1制备了不同配比的明胶复合膜，并对所制得的明胶复合膜的机械强度、水溶性、水蒸气透过系数进行测定，结果见表2。

对表2的4個指标分别进行极差分析，结果见表3～表6。

由表3可知，通过对k-卡拉胶添加量（A）、TG酶添加量（B）与干燥温度（C）3个因素对明胶复合膜拉伸强度变化结果的影响程度（R值与K值）进行分析，发现影响明胶复合膜拉伸强度的因素主次顺序为A>B>C，且拉伸强度最优的成膜条件为A3B1C1，即k-卡拉胶添加量为0.75%，TG酶添加量为0.1%，干燥温度为40 ℃，此结果不在正交试验设计的9组试验中，需再做验证试验。

由表4可知：通过对k-卡拉胶添加量（A）、TG酶添加量（B）与干燥温度（C）3个因素对明胶复合膜断裂伸长率变化结果的影响程度（R值与K值）进行分析，发现影响明胶复合膜断裂伸长率的因素主次顺序为A>B>C，且断裂伸长率最大的成膜条件为A1B2C2，即k-卡拉胶添加量为0.25%，TG酶添加量为0.2%，干燥温度为45 ℃，即正交试验中的2号试验组。

由表5可知，通过对k-卡拉胶添加量（A）、TG酶添加量（B）与干燥温度（C）3个因素对明胶复合膜水蒸气透过系数变化结果的影响程度（R值与K值）进行分析，发现影响明胶复合膜水蒸气透过系数的因素主次顺序为A>B>C，且水蒸气透过系数最小的成膜条件为A2B2C2，即k-卡拉胶添加量为0.5%，TG酶添加量为0.2%，干燥温度为45 ℃，此结果不在正交试验设计的9组试验中，需再做验证试验。

由表6可知，通过对k-卡拉胶添加量（A）、TG酶添加量（B）与干燥温度（C）3个因素对明胶复合膜水溶性变化结果的影响程度（R值与K值）进行分析，发现影响明胶复合膜水溶性的因素主次顺序为B>A>C，且水溶性最小的成膜条件为A3B2C1，即k-卡拉胶添加量为0.75%，TG酶添加量为0.2%，干燥温度为40 ℃，即正交试验中的8号试验组。

根据极差分析结果进行正交试验验证试验，结果见表7。

2.6 正交试验结果综合得分分析

根据明胶复合膜的基本性能要求，设定拉伸强度、断裂伸长率、水蒸气透过系数和水溶性的权重分别为0.3，0.2，0.2，0.3。在此基础上，结合隶属度分析法算出正交试验及验证试验中复合膜物理性能综合得分（见表8），得到明胶复合膜的最佳成膜工艺。

由表8可知，第11组正交试验的得分最高，说明此时的明胶复合膜整体机械性能较好、水蒸气透过系数较小、耐水性较好。因此，确定最佳成膜工艺为明胶添加量5%、k-卡拉胶添加量0.5%、TG酶添加量0.2%、反应时间60 min、干燥温度45 ℃、干燥时间6 h。在最优工艺条件下制备的明胶复合膜的拉伸强度为14.33 MPa，断裂伸长率为44.24%，水蒸气透过系数为0.278 g·mm/（kPa·h·m2），水溶性为26.72%。

2.7 明胶复合膜X射线衍射测试结果分析（XRD）

由图5可知，所有明胶复合膜均在2θ=7.5°和2θ=22°附近出现衍射峰，这也是比较典型的明胶膜的特征衍射峰[23]。其中在2θ=21.5°处出现的宽衍射峰通常代表明胶分子的左旋螺旋结构，属于明胶的无定型结构[24]；而在2θ=7.5°附近出现的衍射尖峰则可归属于明胶中的三螺旋结构 [25] 。

由图5可知，纯明胶膜在2θ=7.5°处有最强的X衍射峰，k-卡拉胶与TG酶加入后，衍射峰强度逐渐降低，且k-卡拉胶与TG酶协同改性后的明胶复合膜衍射峰强度最低。这是因为k-卡拉胶能够与明胶形成静电相互作用，而TG酶促使明胶分子之间形成异肽共价键，使得明胶内部体系更加稳定。在2θ=21.5°处的峰强度也随着k-卡拉胶与TG酶的加入而减弱，这也说明明胶结构经过协同交联后变得更加稳定，这与Liu等[26]的研究结果相似。Liu等使用TG酶對牛明胶膜进行改性，XRD的表征结果也显示出在酶法改性后，2θ=7.5°和2θ=22°处出现的衍射峰强度皆呈降低趋势。

2.8 明胶复合膜热重分析（TGA）结果

热重分析（TGA）是评价膜热稳定性的常用手段之一。4种不同明胶复合膜的TGA曲线见图6，在升温过程中对应不同温度段的失重率，见表9。

在50～600 ℃的温度测试范围内，明胶复合膜的质量损失主要可分为两个阶段：第一阶段是200 ℃前发生的水分蒸发，在此温度段内的质量损失主要是由于膜中的自由水与结合水蒸发；第二阶段主要发生在250～400 ℃区间内，在此温度段内，明胶和k-卡拉胶内部结构发生崩解，进而热分解、气化。由图6可知，4种不同的明胶复合膜在200 ℃之前的TGA曲线无明显差异，而在300～400 ℃范围内，能够明显看到k-卡拉胶与TG酶协同改性的明胶复合膜的热分解温度，有明显向高温方向移动的趋势，这说明经过k-卡拉胶与TG酶协同改性后，明胶复合膜变得更加致密，内部结构更加稳定，表9中数据也能证实这一点，在300～400 ℃范围内，明胶膜的质量损失为35.81%，而k-卡拉胶与TG酶协同改性的明胶复合膜质量损失仅为33.22%，k-卡拉胶与TG酶单独改性的明胶膜在此温度范围内的质量损失分别为33.25%和36.67%。

2.9 明胶复合膜扫描电镜测试结果分析（SEM）

4种不同明胶复合膜的场发射扫描电镜横截面图像见图7。

由图7中a可知，明胶膜截面整体较均匀，但仍能看到较多细微裂纹，这可能是由于明胶膜在干燥过程中水分逸散过快导致内部结构有少许破坏。

由图7中b可知，加入k-卡拉胶后，明胶膜的裂纹数量减少，但裂纹大小明显增加，虽然k-卡拉胶的加入使得明胶复合膜的强度得到显著提升，但k-卡拉胶与明胶的溶解性差异导致明胶膜内部结构的均匀性有所降低，宏观表现为裂纹大小增加。

由图7中c可知，经过酶法改性后，明胶膜的截面变得较光滑平整，裂纹大小和数量大幅降低，只能从图中找到肉眼几乎不可见的少许裂纹，这是因为明胶经酶法改性后，明胶内部产生大量分子间与分子内的异肽键交联，明胶结构变得致密、紧实。

由图7中d可知，十分光滑平整的明胶膜截面无裂纹、无孔洞，k-卡拉胶与TG酶协同改性后，弥补了之前存在的一些裂纹。Liu等[26]通过扫描电镜观察发现，未改性的明胶膜显示出粗糙的横截面微观结构，而添加TG酶改性后，明胶膜的表面变得更平滑、更紧凑，这可能归因于TG酶交联的明胶基质的内聚力更大。

在存在TG酶的情况下，明胶链之间可能会形成更强的膜网络，从而抑制其表面裂纹和皱纹的形成。对比图7中e～h仍能得出上述结论，图7中e明胶截面图上显示一些细小的裂纹，而在加入k-卡拉胶改性后，裂纹的数量减少，裂纹大小增加（见图7中f），明胶膜改性后趋于平滑，裂纹数量与大小都显著减少，对比图7中h和e可知，k-卡拉胶与TG酶协同改性后明胶复合膜表面变得致密光滑。

3 结论

本文以明胶为基质，以TG酶与k-卡拉胶对明胶进行协同改性，以流延法制成一种明胶复合膜。并通过单因素试验与正交试验，确定明胶复合膜最佳成膜工艺为明胶添加量5%、k-卡拉胶添加量0.5%、TG酶添加量0.2%、TG酶反应时间60 min、干燥温度45 ℃。此时制得的明胶复合膜物理性能为拉伸强度14.33 MPa、断裂伸长率44.42%、水蒸气透过系数0.278 g·mm/（kPa·h·m2）、水溶性26.72%。此外，本文利用X射线衍射、热重分析、扫描电镜等手段对不同明胶复合膜的结构进行表征，结果表明k-卡拉胶与TG酶分别通过静电相互作用与氨基酸异肽键对明胶进行协同改性。本研究为新型明胶复合膜的开发与利用提供了理论依据。

参考文献：

[1]FLREZ M， GUERRA-RODRGUEZ E， CAZN P， et al. Chitosan for food packaging：recent advances in active and intelligent films[J].Food Hydrocolloids，2022，124：107328.

[2]IRFANA A， ULLAH B S， ADIL G， et al.Protein based packaging of plant origin： fabrication， properties， recent advances and future perspectives[J].International Journal of Biological Macromolecules，2020，164：707-716.

[3]ZHANG W， SHU C， CHEN Q， et al. The multi-layer film system improved the release and retention properties of cinnamon essential oil and its application as coating in inhibition to penicillium expansion of apple fruit[J].Food Chemistry，2019，299：125109.

[4]LUO Q， HOSSEN M A， ZENG Y， et al. Gelatin-based composite films and their application in food packaging： a review[J].Journal of Food Engineering，2022，313：110762.

[5]刘安军，王跃猛，王稳航，等.谷氨酰胺转移酶对明胶-CaCO3矿物质膜成膜性的影响[J].现代食品科技，2014，30（5）：18-22.

[6]周伟，胡熠，张进杰，等.杨梅素和糖基化协同改性魚鳞明胶可食膜[J].食品与发酵工业，2018，44（6）：58-66.

[7]RATHER J A， AKHTER N， ASHRAF Q S， et al. A comprehensive review on gelatin： understanding impact of the sources， extraction methods， and modifications on potential packaging applications[J].Food Packaging and Shelf Life，2022，34：100945.

[8]JRIDI M， ABDELHEDI O， SALEM A， et al. Physicochemical， antioxidant and antibacterial properties of fish gelatin-based edible films enriched with orange peel pectin： wrapping application[J].Food Hydrocolloids，2020，103：105688.

[9]ZOU Y Y， YUAN C， CUI B， et al. High-amylose corn starch/konjac glucomannan composite film： reinforced by incorporating β-cyclodextrin[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry，2021，69（8）：2493-2500.

[10]ZHANG G， GUAN T， ZHANG J， et al. Theoretical and experimental investigation of sodium alginate composite films containing star anise ethanol extract/hydroxypropyl-β-cyclodextrin inclusion complex[J].Journal of Food Science，2021，86（2）：434-442.

[11]SAHRAEE S， MILANI J M， GHANBARZADEH B， et al. Effect of corn oil on physical， thermal， and antifungal properties of gelatin-based nanocomposite films containing nano chitin[J].LWT-Food Science and Technology，2017，76：33-39.

[12]赵然.植物精油复合花青素可食膜的制备及其保鲜效果研究[D].锦州：渤海大学，2021.

[13]廖伟.基于罗非鱼皮明胶理化性质的花色苷活性智能包装膜的制备[D].海口：海南大学，2018.

[14]BARRETO P L M， PIRES A T N， SOLDI V. Thermal degradation of edible films based on milk proteins and gelatin in inert atmosphere[J].Polymer Degradation and Stability，2003，79（1）：147-152.

[15]阳元梦.鱼明胶抗菌复合膜的制备与理化性能及其对草莓保鲜效果的研究[D].雅安：四川农业大学，2020.

[16]李晓艺，苏现波，韩霜，等.大目金枪鱼皮明胶与k-卡拉胶复配胶凝胶特性探究[J].食品工业科技，2018，39（19）：13-19.

[17]宋佳明，陈海华.响应面法优化k-卡拉胶-明胶复合膜拉伸特性的研究[J].食品与机械，2009，25（6）：169-173.

[18]杨憬，逻辑，蔡倩，等.谷氨酰胺转移酶对明胶纺丝原液及其纤维的影响[J].纺织导报，2017（6）：62-66.

[19]包俊青，唐亚丽，卢立新，等.肉桂醛对明胶基肠衣膜的性能影响[J].食品科学，2019，40（14）：1-6.

[20]AHAMMED S， LIU F， WU J， et al. Effect of transglutaminase crosslinking on solubility property and mechanical strength of gelatin-zein composite films[J].Food Hydrocolloids，2021，116：106649.

[21]葛晓军.鱼皮明胶的壳聚糖与酶法复合改性及其膜性能研究[D].青岛：中国海洋大学，2011.

[22]林海莉，曹静，陈高礼，等.影响明胶膜性能的因素研究[J].淮北煤炭师范学院学报（自然科学版），2007（4）：41-44.

[23]ZHANG F， WANG A， LI Z， et al. Preparation and characterisation of collagen from freshwater fish scales[J].Food and Nutrition Sciences，2011，2（8）：1810-1817.

[24]BIGI A， BORGHI M， COJAZZI G， et al. Structural and mechanical properties of crosslinked drawn gelatin films[J].Journal of Thermal Analysis and Calorimetry，2000，61（2）：451-459.

[25]BIGI A， CANTELLI I， PANZAVOLTA S， et al. Alpha-Tricalcium phosphate-gelatin composite cements[J].Journal of Applied Biomaterials & Biomechanics：JABB，2004，2（2）：81-87.

[26]LIU Y， XIA L， JIA H， et al. Physiochemical and functional properties of chum salmon （Oncorhynchus keta） skin gelatin extracted at different temperatures[J].Journal of the Science of Food and Agriculture，2017，97（15）：5406-5413.