猪肝蛋白复合膜性能及其在肉品保鲜中的应用

杨 乐

刘丽莉1,2,3,4

王浩阳1

陈 卉1

丁 玥1,2,3,4

(1. 河南科技大学食品与生物工程学院,河南 洛阳 471023;2. 食品加工与安全国家级教学示范中心,河南 洛阳 471023;3. 河南省食品加工与质量安全控制河南省国际联合实验室,河南 洛阳 471023;4. 食品微生物河南省工程技术研究中心,河南 洛阳 471023)

可食性涂膜是将天然高分子材料当作成膜基材,均匀涂抹或覆盖在食品表面,使食物表面形成一层较为薄透的薄膜,用于防止食品腐败变质[1],被广泛应用于肉类加工和保鲜、食品包装等领域。一般来说,单一蛋白质膜的机械性能差,防水性不足,通常需要进行改性。其中,共混改性是近年来的研究热点[2],可以将蛋白质与多糖进行复合,通过优势互补改善膜的性能[3]。陈龙等[4]开发了一种绿色环保海藻酸钠—淀粉—茶末复合膜,当茶多糖质量分数为5.00%时,复合膜具有最佳的力学性能、阻湿性能及抑菌性能。Oliveira等[5]评估了羧甲基纤维素和大豆分离蛋白之间的相互作用,揭示了二者相互作用对薄膜的形成和性能有着显著的积极影响。李志明等[6]以卡拉胶等为成膜基材,纳他霉素、纳米MgO为抗菌剂制备了具有广谱抗菌作用的复合薄膜,能够延长葡萄的保质期。

从饮食的角度来看,动物蛋白相比于植物蛋白含有更多人体必需氨基酸,其构成与人体相似,吸收效果更好,被称作优质蛋白,但鲜有用于涂膜保鲜。较为常见的可食膜基材主要有蛋清蛋白、胶原蛋白和乳清蛋白。刘喜鑫等[8]向海藻酸钠、卡拉胶中添加蛋清蛋白以及苹果多酚进行改性,有效提升了多糖基可食膜的机械性能以及抗氧化性能。公维洁等[9]以马面鱼皮胶原蛋白为成膜基材,制备出可食性胶原蛋白膜,得到了最佳的成膜条件。刘津延[10]有效利用了过剩的蓝鲨鱼皮资源,从中提取出蓝鲨鱼皮胶原蛋白,并添加壳聚糖与其复合,提高了膜的抗氧化性能,制成可食性涂膜用于鱼肉的保鲜,实现了动物副产物的再利用。汪敏等[11]将乳清分离蛋白、竹叶抗氧化物和酪蛋白酸钠三者进行结合,制备出竹叶抗氧化物—酪蛋白酸钠—乳清分离蛋白可食性膜,具有良好的微生物抑制作用和抗氧化作用。猪肝是优质的动物蛋白来源,其氨基酸组成与人体接近,营养价值高,但天然猪肝蛋白的功能特性较差。郭晨晨等[12]以琥珀酸酐酰化猪肝蛋白,随着琥珀酸酐添加量的增加,猪肝蛋白的酰化度、乳化活性总体呈上升趋势,琥珀酸酐通过共价结合与猪肝蛋白发生反应,引起蛋白质结构的改变,能显著改善猪肝蛋白的乳化活性。唐永欣等[13]将物理改性和化学改性方法相结合,改善猪肝蛋白的功能特性。采取温和热辅助pH碱性偏移处理对猪肝蛋白进行改性。在温度和pH向碱性较大幅度偏移的共同影响下,猪肝蛋白的溶解度和乳化活性大幅度提高。康梦瑶等[14]利用超声波法对水溶性猪肝蛋白进行处理,有效改善了蛋白质在水溶液中的分散效果和蛋白质的分子作用力,处理后的水溶性猪肝蛋白乳化特性更好。Borrajo等[15]从猪肝中提取了不同水解物并用于猪肉饼的保鲜,结果表明,猪肝水解产物具有良好的抗氧化活性,可作为天然抗氧化剂延长猪肉汉堡的保质期。以上文献为猪肝蛋白可食膜的研究提供了充足的理论基础。

研究拟以水溶性猪肝蛋白(WSLP)和盐溶性猪肝蛋白(SSLP)为成膜基材,并添加壳聚糖,分别共混制备水溶性猪肝蛋白—壳聚糖可食膜(WLSP-CS)和盐溶性猪肝蛋白—壳聚糖可食膜(SSLP-CS),考察膜材料比例对膜各项性能的影响,并将其应用于猪肉保鲜,为高效安全的新型可食膜的生产及实际应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜猪肝、猪背最长肌:市售;

壳聚糖:分析纯,西安康诺化工有限公司;

十二烷基磺酸钠(SDS):分析纯,无锡市亚泰联合化工有限公司;

四甲基乙二胺(TEMED):分析纯,上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2 仪器与设备

pH计:PH-3E型,浙江谱析仪器有限公司;

冷冻离心机:H1-16TR型,杭州旌斐仪器科技有限公司;

真空冷冻干燥机:FD1200型,北京菲尔普科技有限公司;

荧光分光光度计:Cary eclipse型,美国Aglient公司;

紫外—可见光光度计:UV2600型,日本Shimadzu公司;

傅立叶中远红外光谱仪:ALPHA型,德国布鲁克公司;

扫描电镜:EM-30Plus型,韩国COXEM公司;

电子天平:AR214型,美国Mettler Toledo公司。

1.3 试验方法

1.3.1 复合膜制备 参照Steen等[16]的方法并改进。称取一定质量的新鲜猪肝,去血水、筋膜,加入4倍体积的磷酸盐缓冲溶液(0.05 mol/L,pH 7.4),10 000 r/min匀浆,4 ℃、10 000 r/min离心30 min,取上清液,透析脱盐,冷冻干燥即为水溶性猪肝蛋白(WSLP)。收集上述沉淀并加入0.4 mol/L的NaCl溶液,混匀,调整pH至8,4 ℃静置15 h,初滤,离心,得到上层溶液即为SSLP溶液,透析脱盐,冷冻干燥即为盐溶性猪肝蛋白(SSLP)。

用蒸馏水将提取的猪肝蛋白稀释至2%,10 000 r/min离心10 min,收集上清液。将猪肝蛋白溶液与壳聚糖溶液按一定比例共混,m猪肝蛋白∶m壳聚糖分别为0∶100,20∶80,40∶60,60∶40,80∶20,并添加6%的甘油增塑,50 ℃搅拌30 min。超声脱气10 min,得到成膜液。将40 mL成膜液倒入成膜器中,50 ℃干燥,流延成型。

1.3.2 复合膜机械性能测定

(1) 膜厚:参照殷献华等[17]的方法。

(2) 拉伸强度和断裂延伸率:参照殷献华等[17]的方法稍作修改。选择厚度均匀、无破损的膜片,将待测薄膜试样剪成10 mm×50 mm的3段,使用质构仪分别测定拉伸强度和断裂延伸率,结果取三者的平均值。

1.3.3 傅里叶红外光谱(FT-IR)分析 参照成晓祎等[18]的方法稍作修改。将干燥处理后的膜置于傅里叶红外光谱仪中,扫描范围为400～4 000 cm-1,分辨率为4 cm-1。

1.3.4 微观结构分析 参照Machida等[19]的方法稍作修改。采用扫描电镜观察膜的微观结构,加速电压为10 kV,取1 cm×1 cm表面平整均匀的薄膜用于扫描电镜观察。

1.3.5 猪背最长肌冷藏过程中理化指标测定

(1) pH值:参照Taakma等[20]的方法。

(2) 菌落总数:按GB 4789.2—2016执行。

(3) TVB-N含量:按GB 5009.228—2016执行。

(4) TBARS含量:参照蓝蔚青等[21]的方法。

1.3.6 数据处理 所有试验重复3次,采用Origin 2018软件作图,SPSS软件进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 猪肝蛋白添加量对复合膜机械性能的影响

由表1可知,WSLP-CS、SSLP-CS复合膜机械性能随猪肝蛋白添加量的增加呈先上升后下降趋势。当WSLP、SSLP添加量为40%时,两种膜的厚度达到最大值(0.267,0.264 mm),与CS基础膜差异显著(P<0.05)。这可能是由于复合膜中存在的猪肝蛋白与CS形成交联或者聚集的稳定结构,减少了膜材料中的孔隙和缝隙,使膜厚度增加。但过量猪肝蛋白的加入可能破坏这种稳定结构,使得整个复合膜表面伴有颗粒、凹凸不平等现象,进而导致膜厚度减小。WSLP-CS与SSLP-CS复合膜的拉伸强度与断裂延伸率随WSLP添加量的增加呈先增加后减小趋势。当WSLP添加量为40%时,拉伸强度与断裂延伸率最大,分别为9.62 MPa和58.37%(P<0.05);当SSLP添加量为40%时,拉伸强度与断裂延伸率最大,分别为4.43 MPa和28.23%(P<0.05),机械性能得到提升。这可能是适量蛋白的不断加入(添加量≤40%)使得整个体系的稳定性逐渐增强,复合膜的拉伸强度和断裂延伸率增大,而蛋白质的不断加入直至过量(添加量>40%),其稳定结构被破坏,猪肝蛋白与CS不断堆积,复合膜的结构变得更加紧密和刚性,进而限制了复合膜的延展性和弯曲性,导致复合膜的拉伸强度和断裂延伸率下降[22]。

表1 猪肝蛋白添加量对复合膜机械性能的影响†

2.2 FT-IR分析

图1 猪肝蛋白添加量对复合膜FT-IR的影响

2.3 微观结构分析

微观结构对于反映薄膜表面结构和内部特性具有重要意义[27]。由图2可知,纯CS膜存在孔洞等不稳定结构,从而导致其在机械和阻隔性能方面劣于复合膜。通过向CS中添加40%的WSLP,复合膜表面变得更加光滑和连续,致密性也更高,同时未出现相分离现象,其机械性能最佳,表明WSLP与CS具有良好的相容性,其官能团中的羟基能够相互作用形成氢键,分子间通过氢键交联形成了致密的网络结构,这是复合膜拉伸强度逐渐增加的微观原因[28]。当猪肝蛋白过量添加时,未结合的蛋白质发生了堆叠,膜的致密结构被破坏,故扫描电镜中又出现了颗粒与斑点。

图2 WSLP添加量对复合膜表面微观结构的影响

由图3可知,随着SSLP添加量的增加,复合膜的表面变得更加光滑致密。当添加量为40%时,效果最佳。此时,SSLP与CS的相容性良好,SSLP起到“交联剂”作用,形成了新的网络结构,流延成型的复合膜表面表现出更加光滑均一的结构。当SSLP添加量为60%时,复合膜出现SSLP与CS相的分离;当添加量为80%时,表面出现大量孔洞与褶皱,与WSLP的扫描电镜结果相似。适量添加SSLP可以提高复合膜的表面质量,但超过一定比例则可能影响薄膜性能。

图3 SSLP添加量对复合膜表面微观结构的影响

由图4、图5可知,随着WSLP、SSLP添加量的增加,复合膜的断面出现变化。纯CS膜存在孔洞等不稳定结构,与表面微观结构相一致。随着猪肝蛋白添加量的增大,膜的断面先逐渐变得光滑、致密。当添加量为40%时,断面的微观结构最佳。当添加量为60%时,蛋白与CS相开始分离,交联度变差,膜的断面出现褶皱及堆积的未交联物质;当添加量为80%时,断面开始出现大量孔洞与褶皱,与表面扫描电镜结果相似。因此,断面微观结构总体结果符合表面微观结构所得出的结论。

图4 WSLP添加量对复合膜断面微观结构的影响

图5 SSLP添加量对复合膜断面微观结构的影响

2.4 成膜液处理对猪背最长肌冷藏过程中理化指标的影响

由图6可知,经WSLP-CS、SSLP-CS(蛋白质量分数40%)处理的样品,其各项理化指标相比于空白组(CK)和CS处理组均有不同程度的下降。CK组的pH增长速度最快,到第10天已属于变质肉,而经WSLP-CS、SSLP-CS处理的猪背最长肌在第12天仍处于次鲜肉范围;WSLP-CS、SSLP-CS组在第12天仍保持较低的菌落总数;贮藏第10天,CK组的TVB-N含量达到23.21 mg/100 g,已腐败变质,而CS组的TVB-N含量为18.22 mg/100 g,处于次新鲜肉范围,WSLP-CS、SSLP-CS组的TVB-N含量仅为14.05,12.59 mg/100 g,仍处于新鲜肉范围;贮藏期间,CK组的TBARS从0.21 mg/kg升高至1.72 mg/kg,CS组TBARS值从0.21 mg/kg升高至1.09 mg/kg,WSLP-CS组TBARS值从 0.21 mg/kg升高至0.52 mg/kg,SSLP-CS组TBARS值从0.21 mg/kg升高至0.51 mg/kg,SSLP-CS组的效果最佳。综上,WSLP、SSLP具有一定的抑菌性和抗氧化性,能够抑制微生物生长,抑制酶的活性,延缓肉的腐败变质,且SSLP的抑菌性及抗氧化性最强,该结论与王德宝的研究结果一致[29]。

图6 成膜液处理对猪背最长肌冷藏过程中理化指标的影响

由图7可知,体系中CS与WSLP、SSLP的总质量固定,随着WSLP添加量的增加,WSLP-CS复合膜的ABTS自由基清除率从8.96%增加到63.08%,DPPH自由基清除率从27.27%增加到61.61%,二者均在WSLP添加量为80%的复合膜中最高。随着SSLP添加量的增加,SSLP-CS复合膜的ABTS自由基清除率从8.96%增加到36.44%,DPPH自由基清除率从27.27%增加到51.17%,二者均在SSLP添加量为80%的复合膜中最高。

图7 猪肝蛋白添加量对复合膜抗氧化性的影响

在复合膜中加入WSLP、SSLP后,抗氧化活性得到了显著提高,且高于纯CS膜,说明猪肝蛋白具有更强的抗氧化、抑菌作用。这些蛋白质具有强大的抗氧化性能,使其能够清除自由基,保护复合膜免受氧化损伤。此外,蛋白质与壳聚糖之间的相互作用也会改变复合膜的结构和性质,从而影响复合膜中的抗氧化物质的释放和活性。

3 结论

研究探讨了水溶性猪肝蛋白(WSLP)和盐溶性猪肝蛋白(SSLP)对WSLP-壳聚糖与SSLP-壳聚糖可食性复合膜性能及结构的影响。结果表明,随着WSLP、SSLP添加量的增大,复合膜的机械性能先上升后下降,当添加量为40%时,膜的厚度、拉伸强度和断裂延伸率最大(P<0.05),机械性能最佳,最符合可食膜的要求。猪肝蛋白具有一定的抑菌性及抗氧化性,贮藏12 d后,复合膜处理组的pH、菌落总数、挥发性盐基氮含量和硫代巴比妥酸值等各项理化指标均优于未处理组和纯壳聚糖处理组,且SSLP的效果最佳,能够有效延缓肉品的腐败变质。综上,应选择添加了40%盐溶性猪肝蛋白的复合膜用于食品包装。此外,猪肝蛋白复合膜的透气性还有待进一步研究,后续可以针对膜对氧气的隔绝性进行深入探讨。