鱼皮明胶_羧甲基壳聚糖复合膜的制备工艺优化_郑彦钊.pdf

第 14 卷 第 2 期 食 品 安 全 质 量 检 测 学 报 Vol.14 No.2 2023 年 1 月 Journal of Food Safety and Quality Jan.,2023 基金项目:国家自然科学基金区域创新发展联合基金重点支持项目(U21A20270)Fund:Supported by the National Natural Science Foundation of China Regional Innovation and Development Joint Fund Key Support Project(U21A20270)*通信作者:陈复生,博士,教授,主要研究方向为蛋白质资源开发与利用。E-mail:*Corresponding author:CHEN Fu-Sheng,Ph.D,Professor,College of Food Science and Engineering,Henan University of Technology,No.100 Lianhua Street,High-tech Zone,Zhengzhou 450001,China.E-mail: 鱼皮明胶/羧甲基壳聚糖复合膜的制备工艺优化 郑彦钊,陈复生*,李新欣(河南工业大学粮油食品学院,郑州 450001)摘摘 要要:目的目的 优化鱼皮明胶/羧甲基壳聚糖复合膜的制备工艺。方法方法 选择成膜液浓度、鱼皮明胶:羧甲基壳聚糖质量比、甘油:山梨醇质量比、pH、增塑剂比例、增塑剂浓度、加热温度、加热时间等因素,以拉伸强度、断裂伸长率为优化指标,结合单因素和正交实验,得到最佳制备工艺参数。结果结果 成膜液浓度为 5%、鱼皮明胶与羧甲基壳聚糖质量比 8:2、pH 7.9、增塑剂浓度 40%、甘油和山梨醇质量比 1:1、加热温度 60、加热时间 80 min 为最佳制备工艺,复合膜拉伸强度为(22.830.80)MPa,断裂伸长率为 138.36%1.53%。结论结论 本研究确定了复合膜的最佳制备工艺条件,得到满足 GB/T 213022007包装用复合膜、袋通则食品内包装强度要求的复合膜,拉断力达到国家 4 级要求,断裂伸长率达到国家 3 级要求,为保护生态环境和水产资源副产物的开发利用提供新的参考。关键词关键词:鱼皮明胶;复合膜;拉伸强度;断裂伸长率 Optimization of preparation process of fish gelatin/carboxymethyl chitosan composite film ZHENG Yan-Zhao,CHEN Fu-Sheng*,LI Xin-Xin(College of Food Science and Engineering,Hennan University of Technology,Zhengzhou 450001,China)ABSTRACT:Objective To optimize the preparation process of fish gelatin/carboxymethyl chitosan composite film.Methods The film forming solution concentration,the mass ratio of fish gelatin to carboxymethyl chitosan,the mass ratio of glycerol to sorbitol,pH,plasticizer ratio,plasticizer concentration,heating temperature,heating time and other factors were selected,and the optimal preparation process parameters were obtained by taking the tensile strength and elongation at break as the optimization indexes,combining single factor and orthogonal test.Results The concentration of the film forming solution was 5%,the mass ratio of fish gelatin to carboxymethyl chitosan was 8:2,pH 7.9,the concentration of plasticizer was 40%,the mass ratio of glycerol and sorbitol was 1:1,and the heating under the conditions of temperature 60 and heating time of 80 min,the tensile strength of the composite film was(22.830.80)MPa,and the elongation at break was 138.36%1.53%.Conclusion In this study,the optimum preparation process conditions of the composite film are determined,and the composite film meeting the strength requirements of the food inner packaging in GB/T 213022007 General principles of composite film and bag for packaging is obtained.The breaking force reaches the national level 4 requirements,and the elongation at break reaches the national level 3 requirements,which provides a new reference for the protection of the ecological environment and DOI:10.19812/ki.jfsq11-5956/ts.2023.02.026第 2 期 郑彦钊,等:鱼皮明胶/羧甲基壳聚糖复合膜的制备工艺优化 115 the development and utilization of the by-products of aquatic resources.KEY WORDS:fish gelatin;composite film;tensile strength;elongation at break 0 引 言 当前,以石油等不可再生资源为原料的包装材料在各个领域被广泛使用。塑料包装在给人们日常生活带来方便的同时,也带来一系列问题,如环境污染、资源枯竭、资源浪费等。除此之外,塑料包装中使用的邻苯二甲酸酯类增塑剂可能带来潜在的食品安全问题12。根据相关报道,以天然生物大分子为原料的薄膜不仅在减少环境影响方面显示出巨大的潜力,且具有可食性,能够被动物和人类所消化,在食品、医药、化妆品等不同领域具有广泛应用前景36。目前,研究并开发一种以蛋白质、多糖、脂类等为原料的新型食品包装材料作为石油基塑料包装薄膜的替代品成为热点问题79。胶原蛋白由 3 条螺旋的 多肽链通过右手螺旋形成,同时含有多种氨基酸,在人体中可作为保护和支撑人体肌腱、皮肤、骨骼等部位的重要结构蛋白10。胶原蛋白部分降解获得的明胶是研究最多的生物聚合物之一,其成膜能力和适用性作为保护食品免受干燥、光和氧气侵害的外部覆盖物。从水生动物如鱼骨、鱼皮等提取得到的鱼皮明胶(fish gelatin,FG)还具有优良的氨基酸组成和较高的生物效价,因其良好的相容性、生物降解性以及成膜性等作为可食性薄膜备受关注1112。我国水产加工供应链增长的同时,鱼类或甲壳类生物的产量可占到水产品副产物的 70%,FG 的广泛使用能够极大地提高水产品副产物的利用率,而且能够减少因宗教信仰、动物疾病以及致敏性等带来的不良影响。壳聚糖在 pH 低于 6 的稀酸中可溶,但不溶于中性水以及一般有机溶剂,这大大限制了其应用13。将壳聚糖通过羧甲基化反应得到的羧甲基壳聚糖(carboxymethyl chitosan,CMCS)是一种具有线性大分子结构的水溶性壳聚糖衍生物14,室温下具有较好的溶解能力,具有高黏度、良好的生物相容性和生物降解性,是一种极具吸引力的包装成膜材料。单一蛋白质或者多糖为成膜基质所形成的薄膜往往在机械性能方面较差,限制其应用15。天然明胶膜在较干燥的条件下变得易碎,也极大地限制其应用范围16。采用两种或两种以上天然大分子物质作为成膜基质,各基质间可以优势互补,在合适的配比条件下,添加少量增塑剂从而得到机械性能、阻隔性能优良的复合膜。目前研究多集中于使用蛋白质、碳水化合物和酚类等来改善复合膜的物理和生物学特性1719。例如,HOSSEINI 等20研究发现,FG和壳聚糖配比为 60:40 时,复合膜的拉伸强度(tensile strength,TS)为(16.601.19)MPa、断裂伸长率(elongation at break,EAB)为 25.3%5.0%,此时蛋白质与多糖之间的相互作用最好。而以 FG、CMCS 为原料制备复合膜的研究较少。因此,本研究将 FG 和 CMCS 复合成膜,并优化成膜工艺,以期得到机械性能较好的复合膜,提高复合膜的使用价值,同时提高水产品副产物综合利用价值,为“绿色生活”“低碳环保”的发展方式提供新的思路。1 材料与方法 1.1 材料与试剂 FG(蛋白含量 94%,越南永和股份有限公司);CMCS(取代度80%,上海麦克林生化科技有限公司);甘油(分析纯,天津市天力化学试剂有限公司);山梨醇(分析纯,上海阿拉丁生化科技有限公司)。1.2 仪器与设备 QUINTIX224 型 分 析 天 平(精 度 0.0001 g,德 国Sartorius 公司);DZF-1 型真空干燥箱(北京市永光明医疗仪器有限公司);HJ-6 型六联磁力加热搅拌器(金坛华峰仪器有限公司);DHG-9246A 型电热恒温鼓风干燥箱(上海精宏实验设备有限公司);HH6SC 型恒温数显磁力搅拌水浴锅(常州普天仪器制造有限公司);GM-280F 型测厚仪(测量精度为0.0001 mm,华清仪器仪表深圳有限公司);TA-TX PlusC 型物性测定仪(英国 Surface Measurement Systems 公司)。1.3 实验方法 1.3.1 FG/CMCS 复合膜的制备 以 FG 和 CMCS 为主要成膜基质,流延法为成膜方式。参考李新欣等18的实验方法并改进。先称取合适质量的甘油和山梨醇,加入 100 mL 去离子水缓慢搅拌混匀。根据原料的溶解度差异,再称取合适质量的 CMCS,室温条件下搅拌 2 h 直至原料完全溶解为透明微黄的溶液,然后再加入一定质量的 FG,继续搅拌溶胀 2 h。随后在不同加热温度下加热搅拌不同时间,得到溶解完全且蛋白浓度不同的成膜液。将成膜液置于 0.09 MPa 的真空干燥箱中脱气15 min 后倒入一次性聚碳酸酯培养皿(90 mm)中,在室温条件下水平静止 2 h 后,放入 50烘箱中干燥 12 h 成膜,该过程需继续保持培养皿水平放置。烘干后在相对湿度(50%3%)的恒温恒湿箱中平衡 48 h 揭膜,储存在盛有饱和 Mg(NO3)6H2O 溶液的干燥器中待测。1.3.2 单因素实验 确定成膜液浓度、FG:CMCS 质量比(m:m)、pH、增塑剂比例(甘油:山梨醇质量比)(Gly:Sorb,m:m)、增塑剂浓度、加热温度、加热