李 超,王卫东

(徐州工程学院食品工程学院,江苏徐州 221008)

多糖类可食性食品药物膜的开发与应用

李 超,王卫东＊

(徐州工程学院食品工程学院,江苏徐州 221008)

首先介绍了可食性膜的特性要求及特点,然后对多糖类可食性膜的种类和应用进行了综述,最后讨论了其存在的问题及发展趋势。

多糖类可食性食品药物膜,开发,应用

可食性膜和传统不可食用多聚物包装材料相比,具有以下的特点：a.有良好的阻隔性,可延缓食品中水和油及其它成分的迁移和扩散,也可作多层异质食品 (如馅饼、烘馅饼、糖果)的间隔层,以预防各层食品间水分及溶质相互转移而导致质变;b.可选择的透气性和抗渗透能力,阻止食品中风味物质的挥发,可以作为食品色、香、味、营养强化和抗氧化物质等的载体,也可在食品表面控制防腐剂、吸氧剂由表及里的扩散速度;c.有较好的物理机械性能,如拉伸强度、撕裂强度、破裂强度、抗折强度等,可提高食品表面机械强度使其易于加工处理;d.可生物降解,食用安全无毒性,可与被包装食品一起食用,对食品和环境无污染,环境友好,适应了环保生态的要求。e.可方便地对食品进行单体包装,应用于塑料包装膜的内层,可减少塑料中有害残留物向食品的迁移,同时也迎合了现代消费快捷方便的趋势。f.可将风味剂、膨松剂制成微粒胶囊(胶丸)也可作为药物囊材,以精确控制对食品添加量或药物含量及其释放速率。因此在食品、医药行业具有广阔的应用前景,基于这些特点,国际国内食品科学界正掀起对可食性膜的研究高潮。

2 多糖类可食性膜的种类

多糖类可食性膜主要是利用多糖食物的凝胶作用,以多糖食品原料为基料所制得的包装材料。以植物多糖或动物多糖为基质的可食用膜主要有淀粉膜、改性纤维素膜、动植物胶膜、壳聚糖膜和葡甘聚糖膜等。

2.1 淀粉可食性膜

淀粉及变性淀粉是使用量最大的一种多糖。在可食性膜的制备材料中,淀粉是研究开发最早的成膜材料,也是迄今为止研究开发最多的成膜材料。但由于淀粉膜的强度低,使其用途受到很大的限制。过去主要是在成膜技术上存在难题,近年在成膜工艺与方法上通过淀粉变性而取得突破。在以玉米、土豆、小麦、豆类、薯类等农作物为基材的可食性膜材料中,以玉米淀粉改性加工成可食性包装材料最为典型。不同的淀粉由于其分子量和分子形状的差异,在成膜性和膜性能方面有显著的差别。一般来说,分子量大、直链淀粉含量高的淀粉成膜性比较好。淀粉的分子量、分子形状以及淀粉分子上连接的化学基团都是影响薄膜物理性能的主要因素。某些品种的变性淀粉,如醋酸酯淀粉、羟丙基淀粉,由于在淀粉分子上接上了醋酸基或羟丙基,因而阻止或减少了淀粉分子的氢键聚合,也因此使得这些变性淀粉分子的性质发生变化,如糊化温度降低、糊化容易,糊稳定性增加,凝沉性减弱,透明度增加,膜柔软光亮,机械强度增加等[5]。夏杨毅、阚健全[6]等对提高淀粉可食包装膜的机械强度研究表明,以三氯氧磷交联后的淀粉膜,其断裂伸长率随交联剂用量的增大而递减,抗拉强度和直解撕裂强度先增后减。增塑可提高淀粉膜的断裂伸长率。含脂淀粉膜的机械强度随脂用量的增加而降低,在贮藏过程中(25℃,相对湿度 65%),其机械强度先递减后趋于稳定。Austin H.Yang等[7]以淀粉,特别是直链淀粉 (普通淀粉可用异淀粉酶脱支改性,提高直链淀粉含量)为基质,多元醇(如甘油、山梨醇、甘油衍生物及聚乙二醇等)及脂类原料(如脂肪酸、单甘油脂、表面活性剂等)为增塑剂,同时加入少量动-植物胶为增强剂,经过流延等方法制的各种淀粉可食性包装膜具有拉伸性、透明度、耐折性、水不溶性良好和透气率低的特点。美国开发的“Ediflex”是一种改性淀粉和甘油基的薄膜成型材料,这种膜完全溶解于温水中,它在高相对湿度时伸长而且相对柔软,拉延长度大于它初始长度的 10%,有良好的阻隔氧、二氧化碳和脂肪等作用[8-9]。

2.2 改性纤维素可食性膜

纤维素是制取食品膜的重要物质。很多包装材料的成膜、增粘都离不开纤维素,以纤维素作为主要原料制取包装膜一直是各国研究热点。纤维素特别是易溶的阴离子酯化形式如羟甲基纤维素 (CMC)、非离子甲基纤维素 (MC)、羟丙基甲基纤维素(HP MC)和羟丙基纤维素 (HPC)或羟乙基纤维素(HEC)都有很好的薄膜成型性能,且具有适宜的强度、抗油脂性,柔韧、透明、无臭无味、可溶于水,对湿气和氧气具有一般的阻隔作用等特性。MC和HP MC是热可逆胶体,可溶于水,加热到 50～80℃可形成坚固的胶体,冷却后又可变为溶液,对油脂的迁移阻隔效果好。MC是少亲水性的可溶纤维素的衍生物,MC膜仍非一种良好的湿气阻隔膜,它的水蒸汽渗透率仍相当高。HPC不仅是可食性的,同时也是具有热塑性的生物降解的纤维素衍生聚合物,可浇铸成型和挤压成型。HEC是唯一的热塑性亲水聚合物,可熔化,通过挤塑、注塑或模型成型薄膜。羟丙基甲基纤维素(HP M)美国已有二家公司制成纤维薄膜,它具有许多优异的性能,如对酸碱稳定,能增加肠胃蠕动,不参与人体代谢,具有一定保健作用,同时制成的膜阻隔性也较好,在 50%RH条件下其透氧率比低密度聚乙烯(LDPE)低 10倍左右。但是随着湿度的提高其透氧率也会增大,这是纤维素衍生物膜的不足之处。美国研制的“Edisol-M”和“Methocel”是甲基纤维素薄膜。在 0～55℃温度范围下可溶于水。它的力学性能和阻隔性能良好。法国研制的“Klucel”是一种丙基纤维素薄膜,可用作阻隔氧和脂肪的可食糖衣,以及用作胶囊或微胶囊。“Klucel”与许多高分子量的混合物相容,因而它可用以改善其它薄膜成型材料的性能[8,10]。

2.3 动植物胶可食性膜

胶体可食性包装材料是以各种胶体物质为基料,加入一定的其它成分所制得的薄膜或涂层。这些基料主要是动物胶与植物胶。动物胶基材料有：明胶、骨胶、虫胶等;植物胶基材料有：葡甘聚糖、角叉胶、果胶、海藻酸钠、茁霉多糖等。通常加入甘油、多元醇、山梨酸酯等为增塑剂以便于成膜和增加膜的强度。日本开发的凝胶多糖 (curdlan)生产可食薄膜,这种薄膜高度透明而且在低温下也很坚固,可用于包装各种冷冻、干燥和中等湿度的食品[9]。阿拉伯胶形成的薄膜清晰透明,粘附性好但有脆性和对水敏感。Torres等[11]提出卡拉胶的改进应用,含有卡拉胶与琼脂糖的涂层可使食品表面的 pH比其他部分降低 0.5个单位,有效降低中等食品的金黄色葡萄球菌的繁殖。Arndt等[12]研究了不同浇铸条件,热处理和溶剂化处理制成的高温溶胶、室温凝胶、高温交联的琼脂糖膜,认为琼脂糖溶胶有着局部延伸性,而琼脂糖凝胶有的延伸性较小;Parris等[13]研究了影响果胶或海藻酸盐亲水薄膜水蒸气透过系数(WVP)和拉伸性质的因素,结果表明,海藻酸膜的 WVP比果胶低,乳酸钠是一种有效的增塑剂,含有 50%或更多乳酸钠的海藻酸膜的伸长率 ＞13%,用山梨糖醇作为增塑剂使该膜的WVP最小,但膜较硬、脆,添加全脂乳的膜能有效地将WVP降低 35%。

表 1 多糖类可食性食品药物膜的应用[24]

2.4 壳聚糖可食性膜

甲壳素 (Chitin)化学名称为 2-乙酰氨基-β-1,4葡聚糖,是一种氨基己糖。甲壳胺即脱乙酰的甲壳素,又称为壳聚糖 (Chitosan),化学名称为 2-氨基-β-1,4葡聚糖,是一种天然多糖。壳聚糖膜强度较高,具有弹性,不易撕裂,这些机械性能相当于许多中等强度的合成高分子膜。美国农业研究所最先研制的壳聚糖可食性膜采用贝类或虾类提取物壳聚糖为主要原料,将壳聚糖与月桂酸结合在一起,生成均匀的可食薄膜、厚度为 0.2～0.3mm,可用标准的包装设备和热封设备进行包装,外观类似普通塑料薄膜,具有质地优、透明度高、抗菌性良好、可连同被包装物食用等特点,可用于食品和药品包装,也可用于切片水果或去皮水果保鲜包装[14]。Shinya等[15]将壳聚糖与树脂一起捏和并挤出制备食品包装容器,能抑制乳酸菌的生长从而延长了食品保质时间。Osamu[16]将壳聚糖的乳酸溶液渗入由再生纤维素制得的无纺布中而形成保鲜材料,可用于包装肉类、鱼类食品。国内也有很多人研究了壳聚糖膜的制备,吉伟之[17]等测定了壳聚糖溶液中加入添加剂后制得的膜的水蒸气透过率,添加甘油能增加透过率,而且随甘油量的增加而增大;添加硬脂酸者相反。壳聚糖具有独特的聚阳离子特性,可以与海藻酸钠(聚阴离子)通过静电相互作用,在海藻酸钠微囊表面复合一层聚电解质半透膜,从而提高微囊的稳定性和载药量,并可调节药物释放速度。微囊中壳聚糖含量越多,其对海藻酸钠的缓释作用越强,而且在 pH14的缓冲液中缓释作用明显大于pH7.2的缓冲液,此研究结果可用于对胃刺激性大的药物的剂型设计[18]。此外,以壳聚糖和羧甲基纤维素钠为主要辅料,采用复凝法和乳液相分离法相结合的工艺,可以制备水溶性药物头孢氨苄的缓释微囊[19]。

2.5 葡甘聚糖可食性膜

葡甘聚糖可食性包装膜是以从魔芋块茎中提取的葡甘聚糖为基料制得。葡甘聚糖具有良好的成膜特性,但直接以魔芋精粉做的膜材料,其缺点是强度低和抗水性差,李波等[20]对魔芋葡甘聚糖溶胶加碱进行化学改性后成膜,与未改性膜相比,改性后膜的强度和抗水性显著提高;李斌等[21]对魔芋葡甘聚糖进行羧甲基化改性条件的研究。结果表明：在 3g魔芋精粉,13%的 NaOH300g,3mol/L一氯醋酸100mL,50℃反应 5h为最佳反应条件。与未改性相比,溶胶稳定性提高 28倍,耐洗擦性提高 11倍,且具有相当的耐沸水能力。罗学刚[22]以魔芋葡甘聚糖为原料,添加 5%～10%的增塑剂 (甘油或山梨糖醇)、3%～5%的补强剂(海藻酸钠或明胶),在微量碱存在下混炼制成粘稠状溶胶流延成膜。制成的可食性魔芋葡甘聚糖薄膜具有良好的耐水性、耐热性、可分解性,较好的拉伸强度,百分伸长率,耐折度和透明度,并可热封,而且可印刷,无毒,今后有望成为一种新的食品包装用膜。

3 多糖类可食性膜的应用

可食性膜和涂层的某些功能和非可食包装薄膜相同,如隔阻水分、气体和溶质的功能。它的功能重要性在于可根据食品类型,使其适合某种特殊应用要求见表 1。例如：某种可食性膜对氧有高阻隔性,可用于食品防氧化;另一种可食薄膜对氧和二氧化碳的渗透有选择性,可用于新鲜果蔬的涂膜。一些新鲜或者冷冻食品可以在表面涂水分阻隔层或水分吸附材料以减少表面脱水。与此同时,冻肉、浸在盐水里的海产品和果蔬脱水时的溶质渗透,可涂上不渗透溶质的薄膜,使溶质渗透缓慢降低[23]。

另外,由于多糖形成的载体系统除了具有良好的缓释或控释效果之外,还因为多糖作为基本生命物质之一,具有高亲合性、生物可降解性、靶向性等多样的生理活性,多糖类可食性膜在药物微胶囊包装及片剂药的被膜包装应用也较多。现在研究的多糖载体囊材,以纤维素、淀粉甲壳质及甲壳胺为主,但是其中通过与药物偶合而充当载体物质的则主要见于甲壳质及其衍生物。

4 存在的问题及发展趋势

目前,多糖类可食性膜的开发在诸如美国、日本等工业相对发达的国家正受到高度重视,有的技术已成功应用并创造出巨大社会和经济效益。我国在可食性包装的系统性研究与开发方面起步较晚,近几年在多糖-脂质双层可食性膜、茁霉多糖膜的研制方面已初见成效。但是,在成膜材料的选择、成膜机理研究与工艺改进、膜性能质量与应用以及可食性膜在方便食品中的应用等诸多方面,仍存在许多亟待解决的问题。从目前国内外的发展情况看,多糖类可食性膜主要存在：a.性能不高。表现在抗拉力不强,耐水性、耐高温能力差。b.成本高。该领域的研究生产尚属于起步阶段,没有形成规模效应。c.工艺不成熟,技术参数不稳定。d.品种单一,种类开发少。可食性膜的未来发展趋势应立足于天然、安全、实用方面,发展适合于食品特性和工业化生产的,满足应用技术与配料要求的产品,同时在膜结构和化学性能的影响,成型的方法以及操作与性能方面应加强进一步的研究,研制开发性能更优良、功能各异的可食性食品药物膜。

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Development and applications of the polysaccharide-based food and drug edible films

L IChao,WANGW ei-dong＊
(College of Food Engineering,Xuzhou Institute of Technology,Xuzhou 221008,China)

The p rop e rty requirem ents and cha rac te ris tics of ed ib le fi lm s we re firs tly introduced,and then the sp ec ies and the app lica tions of the p olysaccha ride-based food and d rug ed ib le fi lm s we re reviewed.A t las t,its exis tent p rob lem s and deve lopm ent trends we re a lso cove red in the p ap e r.

p olysaccha ride-based food and d rug ed ib le fi lm s;deve lopm ent;app lica tion

TS206.4

A

1002-0306(2010)02-0355-04

多糖是由醛糖和(或)酮糖通过糖苷键连接在一起的多聚物,是构成生物体的十分重要的有机化合物,广泛存在于动物、植物和微生物体内,是生命的物质基础。多糖的种类各异、资源丰富、来源广泛,因其安全、无毒、具有可再生、与人体亲合力强、可生物降解等独特理化特性,已越来越受到食品与药物学家的重视。多糖在生物学上的重要意义也决定了其在食品、医学领域有广阔的应用前景。大量研究表明[1-2],多糖是一类重要的生物活性物质,具有多方面的生物活性和保健功能,可以作为各种药物和保健品的有效成分,对于预防和治疗包括癌症在内的多种疾病都有巨大的潜力。随着对多糖研究的深入,对多糖结构、活性功能的进一步了解,多糖作为食品、药品基料的研究已经取得了很大的进展。特别是近年来随着社会经济的高速发展和大众绿色消费意识的增强,以多糖为基料的可食性包装已成为世界食品工业科技发展的一种趋势,也是食品包装业未来发展的主要方向[3]。而在药品的包装上,多糖可食性膜作为胶囊包装及片剂药的被膜包装应用也较多,研究开发可食性包装材料已受到国际社会的广泛关注,是目前发达国家食品、药品包装行业的一大热点。

1 可食性膜的特性要求及特点

可食性包装材料是利用本身可食用的材料成分,经组合 (混合)、加热、加压、涂布、挤出等方法而成型,在其不同的工序与工艺中,分别产生化学的、物理的变化,而从本质上不改变其可食的特性。用于不同物品包装的可食性包装材料,所用的基本材料不尽相同,但都以某种主要原料或成分来加以界定。目前我国尚无可食性包装材料的国家卫生标准,美国食品及医药管理局 FDA认为,可食性包装材料应属于 CRAS级 (即为安全的级别),在可食性膜的研制生产中我们必须要十分重视可食性膜的安全性。作为一种功能性的包装材料,要使食品实现保质保量的技术性要求,可食性膜应包括有以下几方面的特性：a.机械特性：包括抗张强度、延伸度、刚性、撕裂强度;b.物理特性：包括透氧气率、透水蒸汽率、透芳香气率、可湿率、吸水率、抗油性;c.光学特性：包括亮度、浑浊度、光泽度、透明度、色泽;d.加工特性：包括粘性、阻隔性、韧性、封口密封程度、墨汁吸附性。而作为药物囊材用的可食性膜的特性要求是性质稳定,能与药物配伍,不影响药物的药理作用及含量测定而且有适宜的释药速率,另外还要有符合要求的黏度、渗透性、亲水性、溶解性等物理特性。多糖是生物大分子物质,对于作为可食性膜的主要基质材料来说,极性基团在分子链上的均匀分布,增加了高分子间氢键和静电引力的作用,能增加膜的粘性及网络结构的紧密性,从而可形成具有一定可选择透气性的网络结构。关于以多糖为基料的成膜物质中加入一些辅助成分来改善膜功能特性的研究已有开展,加入一些可塑剂如多羟基醇、蜡、油等可以增加膜的柔韧性和延展性[4];加入表面活性剂和乳化剂可以降低产品水分活性,减少水分损失;加入释放剂和润滑剂如矿物油、聚乙二醇、硅树脂等可以阻止产品之间相互粘结。

2009-03-16 ＊通讯联系人

李超(1978-),男,讲师,博士,研究方向：天然产物化学。