果膠-纖維素-兒茶素可食復合膜的制備及性能

林珺琰，陳建福，費鵬

（1.漳州職業技術學院 食品工程學院，福建 漳州 363000；2.閩南師范大學 生物科學與技術學院，福建 漳州 363000）

以石油基聚合物為主要原料的合成材料因價格低、機械強度高、熱密封性及阻隔性好等優點，被廣泛應用于食品包裝等行業[1]。然而，合成材料因其不可降解性，造成了嚴重的環境污染[2]。近年來，隨著人們環保意識的增強，尋找天然高分子化合物替代傳統合成材料制備“綠色包裝”已成為一種發展趨勢[3-4]。

多糖是一種環保的天然高分子材料，具有良好的生物降解性，且價格低廉、無毒[5]。多糖基薄膜（如淀粉、殼聚糖、纖維素等）具有良好的透明度，能較好地控制油脂、氧氣或其他氣體的滲透。然而，與人工合成的復合材料相比，單一多糖制備的薄膜，其親水性和機械性能往往較弱[6-7]。因此，可選擇兩種或兩種以上的天然大分子制備復合膜，通過分子間相互作用形成致密結構，提高膜的整體性能，滿足不同食品包裝的需求[8-9]。

果膠是一種陰離子性多糖，廣泛存在于綠色植物細胞中，并具有良好的成膜性能，可作為薄膜基底材料[10]。然而，純果膠膜的機械強度較低、透水性較高，限制其在包裝行業的應用[11]。因此，果膠常與不同的大分子共混制備復合膜，以提高薄膜性能。Chaichi 等[12]研究發現，利用納米晶纖維素增強的可食性果膠膜具有較高的防水性能，可作為高強度、生物可降解、可再生食品包裝的良好候選材料。Gao 等[13]以果膠、殼聚糖和茶多酚為原料，通過鈣離子交聯成功制備了一種新型多糖膜，具有良好的保鮮性能。纖維素是一種豐富的天然高分子資源，是由兩個無水葡萄糖環[（C6H10O5）n]通過β-1，4 糖苷鍵共價連接而成的線性大分子，已被廣泛應用于生物可降解薄膜的制備[14]。Mohammadalinejhad 等[15]基于羧甲基纖維素制備的可食用薄膜可作為食品包裝中益生菌菌株的合適載體。?e?lija 等[16]制備的羧甲基纖維素改性的果膠基薄膜，與純果膠薄膜相比，其機械性能有所提高。

兒茶素是從天然植物中提取的一種酚類活性物質，具有抗菌、抗氧化等作用[17-18]，被認為是一種具有重要商業價值的功能性成分，在食品中具有較好的應用前景。研究發現，兒茶素的加入能夠提高薄膜的抗氧化性[19]。Jiang 等[20]用兒茶素/β-環糊精復合納米顆粒制備了玉米醇溶蛋白復合膜，發現復合膜的機械性能和阻隔性能得到了顯著提高，并且具有良好的抗氧化活性。

本研究采用果膠、纖維素與兒茶素共混制備復合膜，研究不同用量的兒茶素對復合膜力學性能、透光率、水蒸氣透過率和抗氧化性能的影響，并利用傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）和掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM）對薄膜進行表征，研究兒茶素濃度對薄膜結構和微觀形貌的影響，以期獲得一種具有抗氧化活性的食品包裝復合膜。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

果膠（來源于柑橘，半乳糖醛酸含量≥74%）：上海阿拉丁生化科技股份有限公司；α-纖維素（粒徑25 μm）：上海麥克林生化科技股份有限公司；兒茶素（食品級）：廣東康達生物科技有限公司；甘油、乙醇、鹽酸、氫氧化鈉、氯化鈣（均為分析純）：西隴科學股份有限公司；2，2’-二苯基-1-苦基肼（2，2’-diphenyl-1-picrylhydrazyl，DPPH）、磷酸緩沖鹽溶液（phosphate buffered saline，PBS）：上海源葉生物科技有限公司。

1.2 儀器與設備

紫外可見分光光度計（T9）：北京普析通用儀器有限公司；質構儀（CT3-10K）：美國博勒飛公司；傅里葉變換紅外光譜儀（NICOLET iS 10）：美國賽默飛世爾公司；掃描電子顯微鏡（JSM-6010LA）：日本電子株式會社。

1.3 試驗方法

1.3.1 果膠-纖維素-兒茶素可食復合膜的制備

參考Ye 等[21]的方法，采用流延法制備果膠-纖維素-兒茶素可食復合膜。將乙醇濕潤的果膠粉溶于去離子水中，在室溫下攪拌20 min，使果膠完全溶解，得到質量分數4% 的果膠溶液。同時，將纖維素粉末以質量分數2%比例溶于去離子水中，室溫攪拌10 min，使其分散均勻，加入甘油作為增塑劑。將一定質量的兒茶素粉末加入到纖維素溶液中進行磁力攪拌（兒茶素的濃度以果膠-纖維素的質量為基準）。將兒茶素添加量為0%、3%、6%、9%、12%的樣品，分別標記為PC0、PC3、PC6、PC9 和PC12。將等體積的果膠溶液（與纖維素溶液相比）加入到纖維素-兒茶素混合溶液中，不斷攪拌，超聲去除氣泡后，得到果膠-纖維素-兒茶素復合膜溶液。最后，量取復合膜溶液20 mL，注入圓形塑料平皿中（直徑9 cm），流延均勻后在40 ℃恒溫干燥箱中干燥24 h，形成果膠-纖維素-兒茶素可食復合膜，揭膜后保存于自封袋中。

1.3.2 復合膜厚度的測定

復合膜的厚度采用電子數顯千分尺（精度為0.001 mm）進行測量，每張復合膜取6 個不同位置，測厚度后取平均值。

1.3.3 復合膜紫外光譜及透光性的測定

參考Chen 等[22]的方法，采用紫外可見分光光度計分析復合膜的透光性。將復合膜切為矩形，貼于比色皿表面，以空比色皿作為空白對照。用紫外可見分光光度計在波長200～800 nm 內測定吸光度，間接表示膜的透光性。

1.3.4 復合膜水蒸氣透過率的測定

參照GB/T 1037—2021《塑料薄膜與薄片水蒸氣透過性能測定杯式增重與減重法》測定復合膜的水蒸氣透過率（water vapor permeation，WVP）。將復合膜切割成矩形，用于密封直徑為3.2 cm 的稱量瓶（稱量瓶內放置三分之一厚度的無水氯化鈣作為干燥劑），稱量其質量并記錄。然后將稱量瓶放置于25 ℃，相對濕度70%的環境中，每隔1 h 測量1 次稱量瓶的質量。每次測量均使用3 個重復樣本。根據公式計算水蒸氣透過率（W，g/cm2）。

式中：△m 為樣品質量的變化，g；A 為復合膜的有效面積（稱量瓶口面積），cm2。

1.3.5 復合膜機械性能的測定

參考Ye 等[21]的方法，采用配備TA-RT-LIT 探針的質構儀對復合膜的力學性能進行表征。采用4 mm×50 mm 啞鈴刀將復合膜切成啞鈴型，將復合膜樣品夾入質構儀夾具中進行測試，初始距離為50 mm，拉伸速度為0.5 mm/s。每一種膜重復測定6 個樣品。根據下述公式計算復合膜拉伸強度（σT，MPa）。

式中：P 為復合膜的最大載荷，N；b 為復合膜的寬度，mm；d 為復合膜的厚度，mm。

1.3.6 復合膜抗氧化活性的測定

采用DPPH 法，利用紫外可見分光光度計測定復合膜的抗氧化活性。準確稱取一定量的DPPH，加入80 mL 無水乙醇，配成0.1 mmol /L 的DPPH-無水乙醇溶液。分別量取4 mL pH7.4 的PBS 和4 mL 的0.1 mmol/L DPPH-無水乙醇溶液于10 mL 的離心管中，將復合膜裁成35 mm×15 mm 的樣條置于離心管中，25 ℃恒溫振蕩搖勻，避光反應0.5 h，在517 nm 測定吸光度，DPPH自由基的清除率（k，%）的計算公式如下。

式中：A0為純DPPH 溶液的吸光度；A1為復合膜溶液的吸光度。

1.3.7 復合膜紅外光譜的測定

將復合膜制成1 cm×1 cm 的樣品，在50 °C 的烘箱中放置24 h 后，采用傅里葉紅外光譜儀進行測定，掃描32 次，波長范圍為4 000～400 cm-1，分辨率為1 cm-1。

1.3.8 復合膜微觀結構的測定

對干燥復合膜樣品的表面和斷裂部分進行噴金處理，后采用掃描電鏡進行微觀結構觀察。

1.4 數據分析

采用DPSv7.05 軟件進行數據處理，用單因素的Duncan's 多重比較法進行方差分析，p＜0.05，試驗重復3 次。

2 結果與分析

2.1 兒茶素用量對可食復合膜透光性的影響

透光率是表征復合膜光學性能的重要指標之一，結果如圖1 所示。

圖1 兒茶素用量對可食復合膜透光性的影響Fig.1 Effect of catechin concentration on the light transmittance of edible composite films

由圖1 可知，在可見光波長范圍（400～800 nm）內，隨著兒茶素用量的增加，復合膜的透光率逐漸降低。當波長為400 nm 時，PC0 的透光率為50%，而PC12的透光率低于20%。與Lei 等[23]和Wang 等[24]的研究結果類似。這是因為兒茶素嵌入到復合膜基質的分子間隙，阻礙了光的透射，使得復合膜的透光率降低[23]，從而影響到包裝內容物的可視性，有利于光敏性較差食物的包裝應用。

2.2 兒茶素用量對可食復合膜的水蒸氣滲透性的影響

食品包裝材料的主要作用之一是減少食品水分流失，延長食品保質期，因此包裝膜的水蒸氣透過率（WVP）應盡可能降低。兒茶素用量對果膠-纖維素可食復合膜水蒸氣透過率的影響如圖2 所示。

圖2 兒茶素用量對可食復合膜的水蒸氣滲透性的影響Fig.2 Effect of catechin concentration on WVP of edible composite films

由圖2 可知，隨著兒茶素用量的增加，復合膜的水蒸氣透過率先增大后減小。未添加兒茶素的果膠-纖維素復合膜WVP 為13.7 g/cm2。當添加3%兒茶素時，果膠-纖維素-兒茶素復合膜的WVP 為14.17 g/cm2。這可能因為在較低的兒茶素濃度下，兒茶素填充于果膠和纖維素分子間，增大了分子間的間隙，使水分子更容易通過，在一定程度上提高了復合膜的水蒸氣透過率[21]。但當兒茶素添加量繼續增加時，復合膜的水蒸氣透過率下降，改善了復合膜透水性高的缺點。這是因為一定用量的兒茶素會加強兒茶素與果膠和纖維素之間的氫鍵作用，使兒茶素與復合膜中果膠、纖維素分子的多鏈結構結合，阻隔膜外的水分子，降低復合膜的WVP[25-26]。

2.3 兒茶素用量對可食復合膜力學性能的影響

力學性能是評價包裝膜材料機械性能的一個重要指標，復合膜的機械強度與各組分的相互作用有關[27]，兒茶素用量對可食復合膜力學性能的影響結果如圖3 所示。

圖3 兒茶素用量對可食復合膜力學性能的影響Fig.3 Effects of catechin concentration on mechanical properties of edible composite films

由圖3 可知，未添加兒茶素的復合膜在拉伸強度為（6.74±0.21）MPa、拉伸模量為（1.37±0.08）GPa 時發生斷裂。添加3%兒茶素時，復合膜的拉伸強度提高至（8.39±0.18）MPa，當兒茶素用量繼續增加至12%時，拉伸強度下降至（5.24±0.09）MPa。這是因為兒茶素分子與果膠、纖維素分子中的羥基結合，形成氫鍵，填補了果膠和纖維素分子之間的空隙，提高了果膠和纖維素分子之間的相容性，導致膜的拉伸強度上升[28]。而當兒茶素用量進一步增加時，過量的兒茶素積聚，破壞了果膠與纖維素之間的交聯，導致復合膜結構不均勻，拉伸強度下降。同時，隨著兒茶素用量的增加，可食復合膜的拉伸模量逐漸下降至（0.67±0.04）GPa，這是因為果膠通過凝膠作用為可食復合膜提供延展性，而隨著兒茶素用量的增加，果膠濃度降低，導致復合膜的拉伸模量下降。

2.4 兒茶素用量對可食復合膜抗氧化活性的影響

DPPH 自由基清除能力可以作為評價包裝膜的抗氧化能力的指標，結果如圖4 所示。

圖4 兒茶素用量對可食復合膜抗氧化活性的影響Fig.4 Effects of catechin concentration on antioxidant activities of edible composite films

由圖4 可知，未添加兒茶素的果膠-纖維素復合膜的DPPH 自由基清除率僅為2.17%，表明可食復合膜幾乎沒有抗氧化能力。添加兒茶素后，復合膜的DPPH自由基清除率顯著提高（p＜0.05）。隨著兒茶素用量從3%增加到12%時，可食復合膜的DPPH 自由基清除率從25.18%增加到87.31%。這是因為兒茶素結構中含有大量酚羥基，可以有效地向自由基貢獻氫原子，從而阻斷鏈式反應，起到抗氧化作用[29]。因此，添加兒茶素可以提高復合膜的抗氧化能力，未來可用于水果、蔬菜、肉類等食品的包裝，以保持食品的質量和安全。

2.5 可食復合膜的FTIR 分析

利用傅立葉變換紅外光譜，研究了在復合膜中添加兒茶素對果膠和纖維素分子相互作用的影響。添加不同用量兒茶素的復合膜的FTIR 光譜如圖5 所示。

圖5 可食復合膜的紅外光譜圖Fig.5 FTIR spectra of edible composite films

由圖5 可知，果膠-纖維素復合膜在3 306 cm-1附近出現了較寬的吸收帶，這是由分子間或分子內的O—H 拉伸導致的[22，30]。2 942 cm-1處為甲基的C—H 振動，1 739 cm-1和1 648 cm-1處分別為C O 伸縮振動和C O 伸縮振動[13，31-32]。1 146 cm-1和1 099 cm-1處的吸收峰是由果膠分子中的R—O—R 和C—C 鍵引起的[33]。與果膠-纖維素復合膜相比，添加兒茶素后復合膜沒有產生新的特征峰，這表明復合膜中沒有形成新的共價鍵，因此分子間的相互作用更可能是物理交聯[22]。另外添加兒茶素后，隨著兒茶素濃度的增加，復合膜部分吸收峰發生偏移，其中3 306 cm-1處的譜帶逐漸向較低的波數偏移，表明了添加的兒茶素與果膠、纖維素分子形成了新的氫鍵，具有良好的相容性[23]。

2.6 可食復合膜SEM 分析

通過掃描電鏡觀察復合膜的微觀結構，結果如圖6 所示。

圖6 可食復合膜的表面和截面的掃描電鏡圖Fig.6 SEM images of surface and cross section of edible composite films

由圖6 可知，未添加兒茶素的果膠-纖維素復合膜（PC0），表面較為光滑緊致，而添加兒茶素后，復合膜表面變得粗糙（圖6B～圖6E）。這是因為兒茶素與果膠、纖維素表面的多鏈物質結合，逐漸形成不規則形狀的小顆粒，附著在復合膜表面所致[13]。然而與未添加兒茶素的復合膜（PC0）相比，果膠-纖維素-兒茶素可食復合膜的橫截面均呈現疏松結構，且結構較為均勻穩定并未出現相分離現象，表明兒茶素與果膠、纖維素之間具有高相容性。

3 結論

以果膠-纖維素作為基底材料，添加兒茶素制備可食復合膜，研究兒茶素用量對果膠-纖維素-兒茶素可食復合膜的透光率、水蒸氣透過率、拉伸強度、拉伸模量和DPPH 自由基清除能力的影響。結果表明，兒茶素與果膠、纖維素分子之間發生了相互作用，填補復合膜分子之間的空隙，降低了復合膜的水蒸氣透過率及透光率，并且在一定范圍內提高了復合膜的力學性能。此外，抗氧化試驗結果表明，添加兒茶素可顯著提高復合膜的抗氧化活性。綜合考慮，兒茶素添加量為3%～9%的果膠-纖維素-兒茶素可食復合膜在食品活性包裝行業具有良好的應用潛力。