孙 瑶，王 瑞，腾 飞，夏秀芳，* ，孔保华

(1.黑龙江出入境检验检疫局，黑龙江哈尔滨150001;2.东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨150030)

海藻酸钠(sodiumalginate，NaAlg)是从褐藻中提取、由糖醛酸单体组成的线性高分子多糖，因具有良好的成膜性、生物降解性和生物相容性而被广泛应用于肉类食品涂膜保鲜中［1-3］。但单一海藻酸钠膜质脆、耐水性差、抑菌效果不明显，限制其在食品保鲜方面的应用。为了解决这一问题有许多学者研究制备了复合共混膜。共混膜是提高可食性膜材料性能的有效方法，不仅改善单一海藻酸钠膜的理化性能，也提高海藻酸钠膜的抑菌、阻氧、防湿的性能。常与海藻酸钠复合的成膜基料有明胶［4］、羧甲基葡甘聚 糖［5］、羧 甲 基 纤 维 素(sodium carboxymethyl cellulose，CMC)、卡拉胶等。其中羧甲基纤维素具有成膜特性而被开发用于肉类制品、蛋、水果、蔬菜等的涂膜保鲜上。张良英［5］研究表明含有羧甲基基团的物质不仅与海藻酸钠有良好的相容性，而且能改善膜的性能。羧甲基纤维素膜具有阻止水分、油脂及流质的迁移，防止氧及二氧化碳的逸散、保留食品的风味物质、提高机械强度、保持食品结构和携带添加剂等功效［6］。本实验选择海藻酸钠和羧甲基纤维素作为共混膜原料，添加山梨酸钾，确定复合抗菌共混膜的最佳组成，为可食性抗菌膜的研制、在肉类食品保鲜中的应用提供一些理论性参考和可行性措施。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

海藻酸钠(NaAlg) 青岛明月海藻集团有限公司;羧甲基纤维素钠 上海长光企业发展有限公司;山梨酸钾 南通醋酸化工股份有限公司;甘油 四川天宇油脂化学有限公司;氯化钙 天津勤达威化工有限公司 购于哈尔滨市某食品添加剂公司，均为食用级。

HH-4 型电热恒温水浴锅 常州国华电器有限公司;JJ-1 精密增力电动搅拌器江苏省金坛市金城国胜实验仪器厂;TU-1800 紫外可见光分光光度计 北京普希通用仪器有限公司;TA-XT plus 质构分析仪 英国Stable Micro System 公司。

1.2 实验方法

1.2.1 成膜液的制备

1.2.1.1 海藻酸钠浓度的确定 分别将1、2、3、4、5g的海藻酸钠溶解于200mL 蒸馏水，60℃水浴条件下用电动搅拌器搅拌至充分溶胀制成浓度为0.5%、1%、1.5%、2%、2.5% 的成膜液后，流涎于玻璃板上制得膜，根据测定膜的厚度、透明度、吸水率、水蒸气透过系数、抗拉强度、断裂伸长率等指标，确定最佳的海藻酸钠浓度。

1.2.1.2 甘油浓度对海藻酸钠膜的特性的影响 已确定的海藻酸钠浓度的膜液中，分别添加0、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%的甘油，根据测定膜的厚度、透明度、吸水率、水蒸气透过系数、抗拉强度、断裂伸长率等指标，筛选出最合适的甘油浓度。

1.2.1.3 羧甲基纤维素钠溶液制备 将羧甲基纤维素钠溶解于蒸馏水中，制备成浓度为1.5%的溶液。

1.2.1.4 海藻酸钠溶液和羧甲基纤维素钠溶液混合比例的确定 海藻酸钠溶液(3.0%)与羧甲基纤维素钠溶液(3.0%)按10∶0、9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、5∶5 的比例混合，制成膜，测定膜的各性质，确定复合膜组成最佳比例。

1.2.2 膜的制备工艺 将准备好的膜液趁热涂于自制的玻璃板上，冷却至室温，然后用2%的CaCl2交联2min，二者反应原理是海藻酸阴离子与氯化钙产生二价钙离子，发生静电作用而吸引，从而团聚而沉淀。放在60℃烘箱干燥24h。揭膜，将膜标好记号后，放入预先装有硝酸镁饱和溶液(相对湿度RH 为50%)的干燥器中均衡至少48h，测定膜厚度、透明度、抗拉强度、断裂伸长率、水蒸气透过性等性能。

1.2.3 实验测定指标和方法

1.2.3.1 膜厚度(Film Thickness，FT)的测定 将膜裁成长条(3cm ×2cm)，任取10 条叠放在一起，取5点测其厚度，取其平均值为膜的厚度。

1.2.3.2 透明度的测定 用透光率近似地表示膜的透明度。将膜裁成长条(3cm ×1cm)，紧贴于比色皿的一侧，在600nm 的波长下测定其透光率，以空比色皿为对照，每个样测三次取平均值。

1.2.3.3 吸水率的测定 共混膜的吸水率的测定参考闻燕的方法［7］，将膜样剪成2.0 ×2.0cm 膜片，浸入蒸馏水的称量瓶中室温静置24h，小心取出膜片，用滤纸吸干表面的水分后称重(W1)，重复此操作至恒重，然后将湿膜于60℃下减压干燥24h 至恒重(W2)，吸水率(Q)按式(1)计算:

1.2.3.4 水蒸气透过系数(Water Vapor Transmission Rate，WVTR)的测定 参照拟重量法:将膜材料密封于装有5g 无水氯化钙(要求称量至恒重)的小锥形瓶中，称重记为T1，然后将小锥瓶放置于相对湿度为90% ±2%，温度为(25 ±2)℃的干燥器中，定时取出测定到前后两次质量的增加量相差不超过5%时，其增重记T2。其计算方法如式(2):

式中:WVTR-水蒸气透过速率(%);T1为未吸水时小锥形瓶的初始重量(g);T2为定时吸水后小锥形瓶的重量(g)。

1.2.3.5抗拉强度的测定 参照GB/T 1040.3-2006［8］的方法进行测定。

1.2.3.6 断裂伸长率的测定 将膜裁切成长2.0cm ×5.0cm 的长条，用质构仪测定，初始夹距设定为50mm，拉伸速度为5mm/s，有效拉伸距离为100mm，记录膜受到张力至断裂时的膜长(L1)［9］。根据公式(3)计算膜的断裂伸长率:

式中:E-断裂伸长率(%);L1-膜断裂时的长度(cm);L0-膜的原长(cm)。

1.2.4 统计分析 所得数据均为多次重复的平均值，用Statistix 8.0(分析软件，St Paul，MN)进行数据分析，平均数之间显著性差异(p ＜0.05)通过Turkey test 程序进行，用Sigmaplot 9.0 作图。

2 结果与分析

2.1 海藻酸钠浓度对膜特性的影响

从表1 可以看出，随着海藻酸钠成膜溶液浓度的升高，膜的厚度不断增大、膜的透光率不断降低，且差异显著(p ＜0.05)。当海藻酸钠成膜液浓度为0.5%时，成膜液稀薄制备膜干燥后形成的膜薄、且难形成完整的膜，但透明度达到96%。当浓度增大到2%时，膜液成粘度大、色泽黄，流涎成膜不均匀。

水蒸气透过性是衡量膜性能的重要指标之一，随着海藻酸钠浓度的增加，其水蒸气透过率逐渐降低(p ＜0.05)，低的水蒸气透过率是延长食品货架期的基本条件。

膜的抗拉强度和断裂伸长率是膜的力学性能的体现，它表明了材料在各种使用条件下的强度和抵抗破坏的能力。随着海藻酸钠浓度的增加，膜的抗拉强度增大(p ＜0.05)，这是因为海藻酸钠浓度越大，单位体积内的分子数越多，成膜时高分子链间的相互作用力越强，分子间交联更加紧密，膜的强度也随之增大［10］。膜的断裂伸长率随海藻酸钠浓度的增加，呈现先增大后减小的趋势，在浓度为2.5%时，达到最大。这是因为海藻酸钠浓度增加到一定程度时，膜延展性降低、强度增加，从而导致伸长率减小。综合海藻酸钠膜的性能，为了达到高透明度、低水蒸气透过率、高抗拉强度，以及降低成本考虑，确定海藻酸钠成膜液的浓度为1.5%。

表1 海藻酸钠浓度对膜特性的影响Table 1 Effect of sodium alginate concentration on the properties of film

表2 甘油对膜特性的影响Table 2 Effect of glycerol concentration on the properties of film

2.2 甘油浓度对海藻酸钠膜特性的影响

单一使用海藻酸钠膜的质地比较脆、韧性较差，在食品中的应用受到明显的限制。可以通过添加小分子的增塑剂，使其在大分子蛋白质聚合链之间起到增塑的作用，避免膜产生大的孔洞和裂缝，加强膜的完整性，并改善膜的机械性能。增塑剂增塑作用的主要原理是，增塑剂分子与聚合物之间相互作用，削弱大分子之间的相互作用力，使得分子内部氢键作用减弱［11-13］。有研究发现，增塑剂的加入改变膜的微观结构，降低膜的结晶区与无定形区的比例，从而提高膜的渗水蒸气透过率［14］。

从表2 可以看出，在1.5%的海藻酸钠成膜液中，随着甘油添加量的增加，海藻酸钠膜厚度、透明度和抗拉强度逐渐下降、膜的水蒸气透过率呈现显著的上升趋势，且差异明显(p ＜0.05)，特别是当甘油浓度从0.5%增加到2%时，膜的水蒸气透过率从15.88%增加到34.66%，这是由于甘油分子与海藻酸钠相互作用，使海藻酸钠分子内部的作用力减弱，使分子的排列松散，引起海藻酸钠膜的水蒸气透过率增大。随着甘油浓度的增加，膜的伸长率先增加后降低，断裂伸长率增加表明其的柔软性增加，当浓度为1.5%时达到最大值(52.16%)。为使膜有一定的柔韧性和较高的强度，并保证不使膜的水蒸气透过率太大，确定甘油的添加量为1.5%。

2.3 羧甲基纤维素和海藻酸钠共混对膜的特性的影响

2.3.1 羧甲基纤维素的添加对膜抗张强度及断裂伸长率的影响 羧甲基纤维素溶液和海藻酸钠溶液以不同的比例共混对膜的抗张强度及断裂伸长率的影响见图1，随羧甲基纤维素所占比例的增加，共混膜的抗拉伸强度增加，当海藻酸钠溶液和羧甲基纤维素溶液的混合比例为8∶2 时，达最大值1.41kg/cm2，比单一海藻酸钠膜的抗拉伸强度提高了15.6%。共混膜的断裂伸长率在海藻酸钠溶液和羧甲基纤维素溶液的混合比例为9∶1 时出现一个小峰，随后随着羧甲基纤维素含量的增加，呈现缓慢下降的趋势。因此，海藻酸钠与羧甲基纤维素共混后影响了共混膜的拉伸强度和断裂伸长率。综合共混膜的特性，海藻酸钠溶液和羧甲基纤维素溶液的混合比例应该介于9∶1 与8∶2 之间。这一结果与Brindle 的研究共混膜的结果相一致［15］。

图1 羧甲基纤维素对共混膜抗张强度和断裂伸长率的影响Fig.1 Effect of CMC concentration on the tensile strength and elongation of the blend film

2.3.2 添加羧甲基纤维素对复合膜的水蒸气透过率和吸水率的影响 如图2 所示，共混膜中当羧甲基纤维素溶液所占比例低于20%时，其吸水率比纯海藻钠酸膜低。当向海藻酸钠溶液中逐渐增加羧甲基纤维素溶液时，共混膜的吸水率先随着羧甲基纤维素含量的增加而减小，当二者混合比例为8∶2 时，降低至最低值，之后再随着羧甲基纤维素含量的增加而增加。这表明向海藻酸钠成膜液中逐渐加入羧甲基纤维素时，两组分分子间作用力逐渐增加，当羧甲基纤维素膜液量约为20%时，两中分子间有较强作用力，这与抗拉强度和断裂伸长率的测定结果相符，此时吸水率降至最低值，之后再增加羧甲基纤维素膜液的量，共混膜的吸水性能又逐渐增大。

随着羧甲基纤维素含量的增加，共混膜的水蒸气透过率出现急剧的下降。当羧甲基葡纤维素溶液的量为10%时，共混膜的水蒸气透过率达到最小值，之后再增加羧甲基纤维素溶液的量，膜水蒸气透过率开始上升，这可能是因为羧甲基纤维素与海藻酸钠分子间强烈的相互作用导致共混膜致密度，结晶度和结构致密程度发生了变化，进而改善了其阻止水蒸气透过性能。

综合考虑各性能，尤其是吸水率和水蒸气透过率的变化，我们选择羧甲基纤维素添加量为15%最佳，及海藻酸钠溶液与羧甲基纤维素溶液比为85∶15。

表3 山梨酸钾的浓度对复合膜特性的影响Table 3 Effect of potassium sorbate on the properties of the blend films

图2 羧甲基纤维素对共混膜水蒸气透过率和吸水率的影响Fig.2 Effect of CMC concentration on the water vapor transmission rate and water absorption of the blend films

2.4 山梨酸钾的浓度对复合膜特性的影响

山梨酸钾的添加量对复合膜特性的影响如表3所示，当山梨酸钾的添加量从3%增加到8%时，复合膜的特性没有发生明显变化(p ＞0.05)。山梨酸钾作为食品中常用的防腐剂，可有效地抑制酵母菌、霉菌等的生长繁殖［17］。但山梨酸钾的使用浓度大必定会导致其摄入量增大，对人体造成不良影响，因此复合抗菌膜中山梨酸钾的添加量为3%。

3 结论

随着海藻酸钠浓度的升高，可食性膜的抗拉强度逐渐上升，膜的断裂伸长率先上升后下降;添加甘油可提高海藻酸钠膜的柔韧性和水蒸气透过性，但添加过量会降低膜的抗拉强度。海藻酸钠、羧甲基纤维素共混后明显提高可食性膜的抗拉强度和断裂伸长率，这是由于两种天然高分子材料具有良好的相容性、分子间存在着静电引力，增强了复合膜的力学特性。防腐剂添加量对共混膜的特性没有明显影响，为了节约能源和食品安全考虑，山梨酸钾在复合抗菌膜中的添加量为3%。因此，复合抗菌膜最佳成膜液的组成为:1.5%海藻酸钠+1.5%羧甲基纤维素钠+1%甘油+3%山梨酸钾，成膜材料海藻酸钠∶羧甲基纤维素钠溶液=85∶15，此时复合抗菌膜的透明度高、膜薄、力学特性强。

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