壳聚糖/氧化石墨烯复合涂膜食品包装纸的研究

2019-08-07施昌谷邵明聪李文娟黄建颖

中国食品学报 2019年7期

施昌谷邵明聪李文娟黄建颖方嫱

（浙江工商大学食品与生物工程学院浙江省食品安全重点实验室杭州310018）

目前，广泛应用于食品包装和保鲜的材料大多数为不易降解的塑料制品[1-3]，对食品质量问题构成严重的挑战。研发易降解，无污染，有机和“绿色”的包装材料具有重要的理论和实践意义。氧化石墨稀含有羟基、环氧树脂、羧基等官能团[4]，可以形成比表面积高的层状结构，且大层间距结构可以容纳阳离子、无机纳米离子、负载聚合物，容易在水中分散。壳聚糖[5-6]是一种多糖生物高分子材料，具有良好的生物降解能力、抗菌特性和金属螯合能力，是一种应用广泛的模型聚合物且资源十分丰富，在自然界中分布仅次于纤维素；然而，其机械性能不强，结构不完整，并且因分子内和分子间氢键的作用而在水中的溶解性较差。氧化石墨烯作为一种理想的填料，与壳聚糖混匀涂膜可以提高壳聚糖的机械性能，增加水溶性[7-11]。目前已有关于壳聚糖与氧化石墨烯复配材料在吸附以及抑菌作用[12-14]等方面的报道。例如，能够有效抑制大肠杆菌生长且显示最小细胞毒性的石墨烯衍生物纳米材料[15]，新型抗癌药物载体GO-CMC-FIHA[16]，多抗菌机制混合纳米材料（chit-AgNPs-GO）[17]以及用于葡萄糖氧化酶固定的绿色生物传感模型[18]等。综合国内外的研究成果，本研究将壳聚糖与氧化石墨稀复配涂膜制备得到复合涂膜食品包装纸，研究此包装纸的理化性能，并将其应用于生鲜猪肉的保鲜贮藏中，为肉制品的保鲜提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试剂与材料

水溶性壳聚糖【Chitosan，脱乙酰度91.0%，黏度45 mPa·s （1%，20 ℃）】、酸溶性壳聚糖【Chitosan，脱乙酰度90.0%，黏度≦150 mPa·s（1%，20℃）】均为食品级，青岛弘海生物技术有限公司；石墨粉，青岛晨阳石墨有限公司；食品包装纸（普通纤维质纸）为食品级。肉品，中国杭州联购超市。

1.2 仪器与设备

ZNHW 型电子智能控温仪，浙江杭州市创惠仪器有限公司；LGJ-10B 真空冷冻干燥机，北京四环科学仪器厂有限公司；CR-400 色差仪，杭州柯盛行仪器有限公司；TA-XT2i 质构仪，英国STABLE MICRO SYSTEM 有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 复合涂膜食品包装纸的制备氧化石墨烯的合成，如图1所示，以石墨粉为原料，采用Hummers[19-20]强酸氧化法制备氧化石墨烯。称取3.0 g石墨粉至1 000 mL 圆底烧瓶，缓慢加入69 mL 预冷后的浓硫酸，再加入1.5 g 硝酸钠，冰浴搅拌30 min 后缓慢加入9.0 g 高锰酸钾，继续冰浴搅拌5 min 后于35 ℃油浴搅拌2 h。在烧瓶中缓慢加入138 mL 蒸馏水后于100 ℃加热15 min。再向烧瓶中缓慢加入420 mL H2O2，于100 ℃反应5 min。反应结束后，再以800 mL 10%稀盐酸、蒸馏水依次洗涤，得到的固体沉淀干燥后加入蒸馏水中，搅拌约20 min，再选择温和频率超声处理30 min，形成均匀的悬浮液后[21]加入到壳聚糖溶液中，在35 ℃恒温下搅拌2 h，然后混合液超声处理2 h。将悬浮液均匀地涂至基材-食品包装纸（普通纤维质纸）上，大气压下常温干燥36 h 成膜。此外，以未涂的食品包装纸（0-1）及涂水处理的食品包装纸（0-2）作对照（图1）。

图1 氧化石墨烯的合成示意图Fig.1 Schematic illustration of GO

1.3.2 复合涂膜食品包装纸的性能研究

1.3.2.1 拉伸强度复合涂膜食品包装纸的拉伸强度按照GB/T 1040.3-2006 测定。TA-XT2i 质构仪的初始夹距设定为50 mm，拉引速度1 mm/s，将涂膜食品包装纸裁成100 mm×10 mm 长条，固定于夹具的两端，拉伸。记录涂膜食品包装纸断裂时的最大张力Fm 的数值。每组样品测定10 次，取平均值。按照公式1 计算涂膜食品包装纸的拉伸强度。

式中，Fm——试样断裂时的最大张力，N；T——膜的厚度，mm；W——膜的宽度，mm。

1.3.2.2 水蒸气透过率采用GB1037-88 透水蒸

气性试验方法-杯式法测定。将CaCl2粉碎，并于200 ℃条件下干燥2 h，冷却备用。在50 mL 广口瓶底均匀地铺上一层3 g 的无水CaCl2粉末，采用涂膜食品包装纸密封瓶口，以封口膜封住包装纸与瓶间空隙。瓶初次称重，作为原始质量。将广口瓶置于装有硫酸钾饱和溶液（RH 为90%）的干燥器内，广口瓶每24 h 称重1 次，直至质量不变。WVP的计算公式2 如下所示：

式中，Δm——广口瓶每天增加的质量，g；T——膜厚，mm；A——水气通过的膜面积，即瓶口面积，m2；t——称重的时间间隔，h；Δp——膜两侧的水蒸气分压，kPa。

1.3.2.3 油脂透过率在直径为4 cm 的管中，加入3 mL 大豆油，采用涂膜食品包装纸密封，倒置在已知原始质量的滤纸上，放置在25 ℃，RH 为40%的环境中。滤纸每天称重，连续测量一周。油脂透过率计算公式3 如下式：

式中，Δm——滤纸质量变化，g；d——膜厚，mm；A——膜面积，m2；t——时间，d。

1.3.2.4 抗氧化性能测定移取3 mL 左右的大豆油置于50 mL 瓶中，用制备的涂膜食品包装纸封口，周边用封口膜密封。于45 ℃恒温箱中放置，每天揭膜取油样，依据GB/T 5538-2005 测定过氧化值（Peroxide Value，PV），同时以未涂膜食品包装纸封口的油样作为对照。其中，过氧化值以每千克样品中活性氧的含量来表示。

式中，V——标定样品的硫代硫酸钠溶液的体积，mL；V0——标定空白的硫代硫酸钠溶液的体积，mL；C——硫代硫酸钠溶液的浓度，mol/mL；m——油脂的取样量，g。

图2 壳聚糖与不同质量浓度氧化石墨烯复合涂膜食品包装纸的水蒸气透过率柱形图Fig.2 Column charts of water vapor permeability of chitosan/different mass concentration GO coating food papers

1.3.3 复合涂膜食品包装纸的初步应用肉样经急速冷却后无菌切分成方形整块，用复合涂膜食品包装纸包装肉块，同时设置壳聚糖涂膜对照组。分别于特定时间取样，测定颜色、弹性、球蛋白沉淀、汁液流失率、蒸煮损失率等指标。

参照GB2706-2005 进行不同复合涂膜食品包装纸包装肉品的感官指标-色泽[23-24]、弹性（组织状态）的测定[25-26]。

测定球蛋白沉淀方法：从待测肉样中剪取肌肉组织4 g，破碎后置于锥形瓶内加入40 mL 蒸馏水，振荡、过滤，取滤液、滴加10%CuSO4溶液，观察管内滤液颜色变化[27]。

采用称重法测量肉样的汁液流失率、蒸煮损失率[27]。

2 结果与分析

2.1 氧化石墨烯质量浓度的确定

将1 mL 不同质量浓度（0.1，0.5，1.0，1.5，2.0 mg/mL）的氧化石墨烯悬浮液加入到19 mL 酸溶性壳聚糖（10 mg/mL）溶液中，混合均匀。将不同的涂膜液通过流延涂膜至食品包装纸，并测定其性质。

图3 壳聚糖与不同质量浓度氧化石墨烯复合涂膜食品包装纸的油脂透过率柱形图Fig.3 Column chart of permeability coefficient of oil of chitosan/ different mass concentration GO coating food papers

不同质量浓度氧化石墨烯与酸溶性壳聚糖复配制得的涂膜食品包装纸的水蒸气及油脂透过率，随氧化石墨烯质量浓度的升高而减弱，如图2、图3所示，拉伸强度则随氧化石墨烯质量浓度的升高而升高。如图4所示，当质量浓度为2.0 mg/mL 时，可拉伸强度为1.2 MPa。试验发现不同质量浓度的氧化石墨烯与壳聚糖复配制得的涂膜食品包装纸，封口保藏的油样氧化程度在前4 d内基本无差别，第5 天开始，氧化石墨烯质量浓度越低，油脂的氧化程度越高。第7 天增至4.1 mg/kg（图5所示）。

结果表明，在一定范围内，氧化石墨烯的质量浓度越高，复合涂膜食品包装纸的拉伸强度越高，水蒸气及油脂透过率小，油脂氧化程度低。考虑残留问题，选择与壳聚糖复配的氧化石墨烯最优质量浓度为1.0 mg/mL。

2.2 复合涂膜食品包装纸的表征

按照表1制备不同复合涂膜液，以流延法涂膜至食品包装纸，并对不同类型、不同质量浓度的壳聚糖与氧化石墨烯复配涂膜食品包装纸的各项理化性质进行测定及对比。

图4 壳聚糖与不同质量浓度氧化石墨烯复合涂膜食品包装纸的拉伸强度柱形图Fig.4 Column chart of tensile strength of chitosan/different mass concentration GO coating food papers

图5 壳聚糖与不同质量浓度氧化石墨烯复合涂膜食品包装纸的抗氧化性折线图Fig.5 Line chart of antioxidative activity of chitosan/different mass concentration GO coating food papers

表1 不同复合涂膜液试剂的加入量Table 1 Addition amount of different reagents for different composite coating food papers

2.2.1 拉伸强度在食品加工处理以及运输过程中，为有效保护食品可以承受各种冲击，涂膜食品包装纸需要具有一定的拉伸强度。不同复合涂膜食品包装纸的拉伸强度值如图6所示，涂膜后食品包装纸的拉伸强度均高于对照0-2 组（0.43 MPa）。相同壳聚糖质量浓度及类型条件下，壳聚糖/氧化石墨烯复合涂膜食品包装纸的拉伸强度高于纯壳聚糖，水溶性壳聚糖/氧化石墨烯复合涂膜食品包装纸高于酸溶性壳聚糖/氧化石墨烯复合涂膜食品包装纸。结果表明，氧化石墨烯的加入，能有效增强复合涂膜食品包装纸条的拉伸强度。

2.2.2 水蒸气、油脂透过率从图7可以看出，壳聚糖、氧化石墨烯的加入有助于减弱复合涂膜食品包装纸的水蒸气、油脂透过率。这可能是因为纯壳聚糖涂膜后能够覆盖食品包装纸本身的空隙，氧化石墨烯与壳聚糖复配后形成了强烈的氢键相互作用，氧化剂BHT 的加入对涂膜食品包装纸的水蒸气、油脂透过率影响不大。

图6 不同复合涂膜食品包装纸的拉伸强度柱形图Fig.6 Column chart of tensile strength of different composite coating food papers

图7 不同复合涂膜食品包装纸的水蒸气透过率、油脂透过率柱形图Fig.7 Column chart of water vapor and oil permeability of different composite coating food papers

2.2.3 抗氧化性能不饱和脂肪酸容易与空气中的氧气反应，生成过氧化物，通过测定油脂的过氧化值（PV），可以推断出不同复合涂膜食品包装纸的抗氧化性，间接反映各复合涂膜食品包装纸的氧气透过率，为测定各食品包装纸的抗氧化性能，将包装纸用于大豆油的贮藏，所得抗氧化性质结果如图8所示，油脂的氧化程度随时间的延长而增加。贮藏7 d 后，未封口处理的大豆油氧化最严重，为28.9 meq/kg。以食品包装纸或者复合涂膜食品包装纸封口的植物油氧化结果均有不同程度的减弱，而壳聚糖/氧化石墨烯复合涂膜食品包装纸封口包装组（如2-3 组9.01 meq/kg）以及壳聚糖/GO/BHT 复合涂膜食品包装纸（如2-4 组5.13 meq/kg）过氧化值相对很低。结果表明，壳聚糖、氧化石墨烯以及抗氧化剂均能减弱油脂的氧化进而增强食品包装纸的抗氧化性质。

2.3 复合涂膜食品包装纸在生鲜肉品中的应用

综上所述，当采用18 mL 酸溶性壳聚糖（10 mg/mL）与1 mL 氧化石墨烯（1 mg/mL）混合，再加入1 mL 氧化剂（1 mg/mL）制备得到的涂膜液，复合涂膜食品包装纸具有良好的保鲜功能。所以将该复合涂膜食品包装纸应用于生鲜肉品的贮藏中，并与仅用壳聚糖处理的食品包装纸的保鲜功能进行比较。

图8 不同复合涂膜食品包装纸的抗氧化性折线图Fig.8 Line chart of antioxidative activity of different composite coating food papers

2.3.1 生鲜肉品的表面颜色鲜肉的颜色不仅取决于肌红蛋白的类型、数量，而且还与其化学性质有关[26]，是肉品的内部生理学、生物化学以及微生物学变化的外部体现。如猪肉中的肌红蛋白本身是紫红色，与氧结合后可生成鲜红色的氧合肌红蛋白（新鲜肉），肌红蛋白和氧合肌红蛋白被氧化后会生成褐色的高铁肌红蛋白，肉的色泽变暗；肉品腐败后，有硫化物存在时，肌红蛋白还可被氧化生成绿色的硫化肌红蛋白[22]。因此，肉色可以作为生鲜肉的感观评定指标之一。表面颜色的感官结果和色差仪测定结果如表2所示。

相较于对照0-2 组，经壳聚糖/氧化石墨烯复合涂膜食品包装纸包装的肉品颜色变化较缓慢。贮藏5 d，肉品颜色和红度值的差异不显著，而与对照组的肉品红度值存在显著差异。壳聚糖/氧化石墨烯复合涂膜食品包装纸在生鲜猪肉保鲜应用中表现出良好的护色效果。

表2 贮藏期间肉品颜色、红度值a*的变化情况Table 2 Variation of meat color，a*during storage

2.3.2 生鲜肉品的弹性生鲜肉品中含有较多蛋白质，这些蛋白质与其水化层构成了十分重要的网状结构，能够抵抗一定的外力，这种抵抗力的外在表现即为肉品的弹性。弹性的大小与加工和贮藏中生鲜肉品蛋白质理化性质改变有关，即肉品的新鲜程度有关。在肉品成熟后期，蛋白质会逐渐被水解成一些小分子物质，导致网状结构遭到破坏，弹性丧失。因此生鲜肉品弹性的测定能够直接判断品质以及新鲜程度。生鲜肉品弹性的感官结果和质构仪测定结果如表3所示。

表3 贮藏期间肉品弹性的变化Table 3 Variation of meat springiness during storage

由表3可知，相比于对照组，壳聚糖/氧化石墨烯复合涂膜食品包装纸的试验组对生鲜肉品弹性的保护效果较好。贮藏至第15 天时，0-2 组肉样降至0.6 N，而2-8 组保留为1.3 N，壳聚糖/氧化石墨烯复合涂膜食品包装纸能有效保持生鲜猪肉的弹性。

2.3.3 生鲜肉品的其它性质进一步研究发现壳聚糖/氧化石墨烯复合涂膜食品包装纸包装的新鲜猪肉与对照组相比，在贮藏过程中球蛋白沉淀慢，汁液流失率小，蒸煮损失率变化不明显。说明壳聚糖/氧化石墨烯涂膜对肉品的蛋白质以及蛋白胶体结构等具有一定的保护作用。

表4 贮藏期间肉品的球蛋白沉淀（G）、汁液流失率（R1，%）、蒸煮损失率（R2，%）的变化情况Table 4 Variation of globulin precipitation （G），juice leakage rate （R1，%），cooking lose rate （R2，%） of meat

3 讨论

氧化石墨烯的高比表面积以及大量含氧官能团可以将阳离子嵌入层间，为负载聚合物和无机纳米离子提供良好的条件。壳聚糖具有无毒，无抗原性，可生物降解等独特的性质和生理功能，在食品与营养、农业与环境保护等多个领域都有广泛应用[28-30]。目前已有关于壳聚糖与氧化石墨烯复配材料，在材料的吸附[12-13]以及抑菌作用[14-15]等方面的报道。如，新型抗癌药物载体GO-CMC-FI-HA[16]，多抗菌机制混合纳米材料（chit-AgNPs-GO）[17]，绿色生物传感模型[18]等。利用氧化石墨烯低质量，热稳定性，易于在水中分散等物理性质，以弥补壳聚糖自身机械性能不强，结构不完整，溶解性较差等缺陷将壳聚糖与氧化石墨烯通过流延法涂膜至食品包装纸的研究未见报道。本研究通过测定不同质量浓度氧化石墨烯与壳聚糖复配涂膜食品包装纸的拉伸强度、水蒸气及油脂透过率、抗氧化性等指标，综合考虑氧化石墨烯在水中的分散情况、残留、成本以及自身的颜色，发现采用18 mL 酸溶性壳聚糖（10 mg/mL）与1 mL 氧化石墨烯（1 mg/mL）再加入1 mL 氧化剂（1 mg/mL）制备得到的涂膜液复合涂膜食品包装纸具有良好的保鲜功能，该复合涂膜食品包装纸比未经复配的壳聚糖涂膜食品包装纸的拉伸强度高，水蒸气及油脂透过率小，油脂氧化程度低，同时复配后涂膜能显著增强食品包装纸的机械强度以及抗氧化性。研究进一步将得到的新型复合涂膜包装纸应用于新鲜猪肉贮藏中，通过猪肉在贮藏期间肉品颜色、弹性以及蛋白沉淀、汁液流失率、蒸煮损失率的测定，与仅用壳聚糖涂膜包装纸保鲜组对照发现，新型食品包装纸可以有效延缓肉品变质。这可能是因为壳聚糖和氧化石墨烯复配涂膜后，食品包装纸本身的水蒸气、油脂以及氧气透过性降低，肉品中微生物的生长繁殖受到抑制进而起到保鲜的作用[29-30]。