张永杰，潘明，张薇

1. 四川轻化工大学生物工程学院（宜宾 644000）；2. 江苏大学生命科学学院（镇江 212013）

柚为芸香科柑桔属植物，分布在热带和亚热带区域，目前已成为广泛栽培的一种经济作物[1]。我国柚子年产量可达200万 t以上，但柚皮利用率却十分低下。现代医学研究表明，柚皮提取物具有抗氧化、抗微生物、抗癌、抗衰老、降血糖、降血压等活性[2]。因此，解决柚皮再利用的问题意义重大。而柚皮精油是存在于柚表皮油泡层中的一类具有芳香气味且在常温下能挥发的油状液体物质的总称，由萜烯类、醇类、醛类和酯类组成[3]。柚皮精油天然、无毒、抑菌作用显著，在可食性抗菌膜中将柚皮精油作为天然抗菌剂日益成为食品保鲜领域研究的新方向。

植物精油可食性抗菌膜主要采用流延、喷涂和浸涂的方式成形，精油较高的抗菌活性和广谱抑菌性大大弥补了单一壳聚糖抗菌膜抗菌活性低和抗菌谱窄的缺点。已有研究表明，将壳聚糖和生姜精油涂膜甜椒和银耳，发现壳聚糖生姜精油处理显著降低了甜椒和银耳的发病率及病情指数，附着在银耳和甜椒表面，隔绝外界微生物的侵染，防止鲜银耳和甜椒的水分及营养成分流失[4-5]。此次试验以壳聚糖为成膜剂，甘油为增塑剂，玉米淀粉为增稠剂，在溶液中添加柚皮精油，通过对力学性能的检测，来确定各成分的最佳添加量，以得到性能最佳的复合膜，并对复合膜的表征和外观进行检测。

1 材料与方法

1.1 材料及主要试剂

壳聚糖（源叶生物有限公司）；冰醋酸、无水乙醇（成都市科龙化工试剂厂）；甘油（天津市富宇精细化工有限公司）；柚皮精油（铭仁生物有限责任公司）；玉米淀粉（上海枫末实业有限公司）。

1.2 试验仪器

数显恒温水浴锅（常州智博瑞仪器制造有限公司）；SW-CJ-2F超净工作台（苏州净化设备有限公司）；游标卡尺（深圳市吉田贸易有限公司）；TA.XT. Plus质构仪（英国Stable Micro Systems公司）；色差仪（北京冠远科技有限公司）；10 cm×10 cm成膜板（东莞市俊艺塑胶材料有限公司）；PH-050A干燥烘箱（上海一恒科学仪器有限公司）；移液枪（上海汉林实验仪器有限公司）；CP114分析天平（奥豪斯仪器有限公司）。

1.3 试验方法

1.3.1 柚皮精油-壳聚糖保鲜复合膜的制备

壳聚糖溶液配制：首先配制1%的乙酸溶液，再加入脱乙酰度大于90%的壳聚糖，在50 ℃条件下，用玻璃棒搅拌1 h，使壳聚糖完全溶解形成壳聚糖溶液，再往壳聚糖溶液中加入一定量的玉米淀粉，待其充分溶解后，滴加一定量的柚皮精油与甘油，于50 ℃水浴锅中搅拌20 min，使其混合均匀，用量筒量100 mL样液倒入10 cm×10 cm成膜板上，并在55 ℃干燥烘箱烘9 h，待其烘干后，取出模具在常温下冷却回湿，揭膜，置于25 ℃条件下保存备用[6-9]。

1.3.2 单因素试验设计

选取柚皮精油添加量、甘油添加量、玉米淀粉添加量、壳聚糖添加量4个因素进行试验。柚皮精油添加量设定为0.10%，0.15%，0.2%和0.25%；甘油添加量设定为0.4%，0.6%，0.8%和1.0%；壳聚糖添加量设定为0.50%，0.75%，1.0%和1.25%；玉米淀粉添加量设定为0.4%，0.6%，0.8%和1.0%。试验基础设定条件为柚皮精油添加量0.15%，甘油添加量0.6%，玉米淀粉添加量0.6%，壳聚糖添加量1.0%，干燥温度55 ℃，干燥时间9 h。

1.3.3 正交试验设计

采用正交试验，以壳聚糖、玉米淀粉、甘油和柚皮精油的添加量为因素，采用四因素三水平进行正交试验设计，以抗拉强度、断裂伸长率和水蒸气透过量为测定指标，得出此膜的最佳工艺。因素水平如表1所示，采用评分法[10]判断其最佳配比。

表1 因素水平表 单位：%

1.3.4 保鲜复合膜理化性质测定

1.3.4.1 抗拉强度和断裂生长率

按照GB/T 1040.3—2006法[11]（做稍微修改）进行测定：薄膜和薄片裁剪成80 mm×40 mm（长×宽）边缘光滑且无缺口的试样。每组作6个平行。

1.3.4.2 色差值

参照CIELAB表色系统来表示复合膜的颜色，采用全自动测色色差计测定柚子皮基膜的色泽差异。其中L*代表明度，a*代表红绿色度，b*代表黄蓝色度，测试3次取平均值。

1.3.4.3 厚度

按照GB 451.3—2002进行测定[12]，测定3次取平均值，以mm为单位。

1.3.4.4 水蒸气透过量

根据GB/T 1037—1988杯式法并改进[13]，加入5 mL蒸馏水在试管中，用薄膜蒙在管口，用石蜡反复密封好，用天平每隔2 h测量其重量。其中试样透水蒸气面积（0.000 176 m2），m2；单位为g/（m2·24 h）。

1.3.5 柚皮精油-壳聚糖保鲜复合膜傅里叶红外光谱（FTIR）分析

将复合膜经溴化钾压片，用FT-IR仪进行测定。扫描范围为4 000～500 cm-1，分析各物质红外光谱，以判断样品表面基团的变化

1.3.6 柚皮精油-壳聚糖保鲜复合膜热重（DSC）分析

将复合膜置于STA 449 F3同步热分析仪中测定其热稳定性。测试过程中，保护气体为氮气，升温速度为10 K/min，扫描范围为30～400 ℃，记录DSC变化的曲线。

2 结果与讨论

2.1 单因素试验结果

2.1.1 壳聚糖添加量对复合膜性能的影响

壳聚糖添加量对复合膜性能的影响见表2。随着壳聚糖添加量的增大，膜的抗拉强度呈现先增大后减小的趋势。因为壳聚糖分子中的氨基在醋酸溶液作为NH3+，而玉米淀粉中的羧基与NH3+形成氢键，从而使复合膜中分子之间的作用力加大，随着壳聚糖添加量的增大，氢键越来越多，所以膜的抗拉强度不断增大[14]。当壳聚糖添加量为1%时，抗拉强度达到最大为3.29 MPa，之后抗拉强度逐渐衰退，而断裂生长率则在1%时剧增达到19.26%，随后几乎无增长。因为当壳聚糖添加量大于1%时，随着添加量的增大，膜液趋于黏稠，所制得的复合膜硬度持续增大，成膜越来越厚，机械性能反向变差[15]。水蒸气透过量随壳聚糖质量分数的增大呈先增大后缓慢减小的趋势，当壳聚糖添加量达到1%时，水蒸气透过量最大为901 g/m2·24 h，当添加量超过1%后，水蒸气透过量又缓慢减小。故综合膜的各项性能指标，选择1%作为壳聚糖的最佳添加量。

表2 壳聚糖添加量对复合膜性能的影响

2.1.2 甘油添加量对复合膜性能的影响

甘油添加量变化对复合膜的影响见表3。断裂生长率随甘油添加量的增加呈先升后降的趋势。甘油的添加可以使原本硬脆的薄膜变得柔性[16-18]，能使断裂生长率明显增加，当甘油添加量为0.8%时，断裂生长率达到最大为21.07%，超过0.8%，断裂生长率逐渐下降，因为甘油添加量过高导复合膜分子间距过大，严重影响复合膜的性能。出于同样的原因，复合膜的抗拉强度也随着甘油添加量的增大呈先增大后减小的趋势，其最大值3.57 MPa在甘油添加量为0.6%时达到，之后抗拉强度反而变小。水蒸气透过量会随甘油添加量的增加呈先变大后变小的趋势，当甘油添加量为0.8%时，水蒸气透过量最大，为1 184 g/（m2·24 h）。这是由于甘油的加入削弱了分子间作用力，故造成膜结构疏松，阻隔性能降低，导致水蒸气透过量逐渐变大，但当甘油添加量继续增大时，保鲜液变得黏稠，阻隔性能越来越强。综上所述，甘油添加量为0.6%时，所做的保鲜膜性质最佳的。

2.1.3 玉米淀粉添加量对复合膜性能的影响

如表4所示，复合膜的抗拉强度随玉米淀粉添加量的变大呈先升高后降低的趋势，当添加量为0.8%时，抗拉强度最大为2.9 MPa。这是由于直链玉米淀粉同壳聚糖形成氢键增强了薄膜的抗拉强度，但同时玉米淀粉作为增稠剂，添加量变大时，反而使溶液变得过于黏稠，导致抗拉强度变小。断裂生长率则随玉米淀粉添加量的增加呈降低的趋势，原因是直链玉米淀粉自身属于刚性成膜材料。随着玉米淀粉添加量的变大，复合膜的水蒸气透过量出现略微升高，随后逐渐降低的趋势，添加量为0.6%时，水蒸气透过量最大为1 240 g/（m2·24 h），阻水最低。综合考虑以上指标，玉米淀粉添加量为0.8%时，所制的复合膜性质最佳。

表4 玉米淀粉添加量对复合膜性能的影响

2.1.4 柚皮精油添加量对复合膜性能的影响

由表5可知，随着柚皮精油添加量的增加，保鲜膜的抗拉强度呈先增大后降低的趋势，当柚皮精油添加量为0.2%时，抗拉强度达到最大为2.93 MPa，这是因为适量的芳香精油与壳聚糖、玉米淀粉共混后分子之间的相互作用增强，导致保鲜膜的抗拉强度逐渐增强，但由于添加量逐继续增大，保鲜液变为油性，从而导致抗拉强度又降低。复合膜的断裂生长率随柚皮精油添加量的增加，整体呈下降的趋势，当柚皮精油添加量达到0.25%时，断裂生长率减小了2.65%。保鲜膜的水蒸气透过量随着柚皮精油添加量的增加，呈先上升后下降的趋势。当柚皮精油添加量达到0.2%时，水蒸气透过量增大到了910 g/（m2·24 h），而后期水蒸气透过量又随着柚皮精油添加量的增加而降低。综上所述，柚皮精油的添加量为0.2%最合适。

表5 柚皮精油添加量对复合膜性能的影响

2.2 柚皮精油-壳聚糖保鲜复合膜正交试验结果分析

机械性能是包装材料最重要的指标，因此，为了进一步优化复合膜的成膜条件，在单因素试验的基础上，采用正交试验设计法考察不同添加量的壳聚糖、甘油、玉米淀粉和柚皮精油对复合膜性能的影响，并以综合分数为评判标准进行分析。根据表6可知，不同配比下复合膜的抗拉强度、断裂生长率和水蒸气透过量均呈现不同的变化规律，其中抗拉强度最大为4.02 MPa，断裂生长率最大为24.75%，水蒸气透过量最小为865.9 g/（m2·24 h）。由表6可知，对复合膜影响的主次顺序为C＞D＞A＞B，甘油添加量对保鲜膜性能影响最大，其次是壳聚糖添加量和柚皮精油添加量，对复合膜影响最小的是玉米淀粉添加量。保鲜膜的最优配方组合为A2B1C1D3，即柚皮精油添加量0.2%，玉米淀粉添加量0.6%，甘油添加量0.4%，壳聚糖添加量1.25%。

表6 正交试验结果

2.3 柚皮精油-壳聚糖保鲜复合膜表征特性及稳定性

2.3.1 柚皮精油-壳聚糖保鲜复合膜热重（DSC）分析

壳聚糖复合膜和柚皮精油-壳聚糖复合膜的差式扫描量热线见图1。随着温度的升高，壳聚糖复合膜在128 ℃出现吸收峰，而柚皮精油-壳聚糖复合保鲜膜在165 ℃才出现了吸收峰，说明壳聚糖对精油进行了包埋，使复合膜的稳定性变高，并对精油起到了一定的保护作用。当温度继续升高时，壳聚糖复合膜和柚皮精油-壳聚糖复合膜又出现了吸热峰，可能是由于聚合物链的分解而造成的。之后壳聚糖复合膜在281 ℃出现放热峰，柚皮精油-壳聚糖复合保鲜膜在297 ℃出现放热峰。结果表明，柚皮精油与壳聚糖混合，提高了复合膜的稳定性。

图1 保鲜膜DSC图

2.3.2 柚皮精油-壳聚糖保鲜复合膜傅里叶红外光谱（FT-IR）分析

红外光谱谱图分析可以观察到柚皮精油与壳聚糖官能团之间的相互作用。添加柚皮精油和未添加柚皮精油的壳聚糖复合膜红外光谱图如图2所示。对壳聚糖复合膜而言，3 300 cm-1左右有吸收峰，2 926 cm-1和2 883 cm-1处为C—H的伸缩振动峰，1 553 cm-1处为氨基变形振动吸收峰。1 641 cm-1和1 016 cm-1处分别对应羰氨基中C==O的伸缩振动峰和糖苷键的C—O—C的伸缩振动峰。

图2 保鲜膜FT-IR图

相比壳聚糖复合膜，柚皮精油-壳聚糖复合膜保留了壳聚糖复合膜的所有特征峰，并且由于柚皮精油的添加，柚皮精油-壳聚糖复合膜在3 300 cm-1附近的吸收峰明显弱于壳聚糖复合膜。因为柚皮精油与壳聚糖之间的基团发生了相互作用。由此可知，柚皮精油的功能基团与壳聚糖基质的羟基和氨基发生了反应。

2.3.3 复合保鲜膜外观测定

添加了柚皮精油的复合膜与未添加的复合膜的外观性能如表7，两种复合膜的厚度、色及透光率均无明显变化（p＞0.05），厚度的变化未超过0.01 mm，亮度值的变化未超过10，a值的变化未超过0.10，b值的变化未超过1.00，透光率的变化也未超过5%。说明柚皮精油的加入不会显著影响保鲜膜的厚度、颜色和光学特性。

表7 外观指标

3 结论

通过研究柚皮精油添加量、壳聚糖添加量、玉米淀粉添加量、甘油添加量4种原料对柚皮精油-壳聚糖复合膜的机械性能和外观表征的影响可知：添加一定壳聚糖可适当提高膜的抗拉强度和断裂生长率，却降低了阻水性；添加一定量的甘油有利于提高膜的柔韧性；添加一定量的玉米淀粉可提高膜的抗拉强度；在一定范围内，添加柚皮精油可与溶液中其他成分发生化学反应，从而提高膜的机械性能，但柚皮精油过量会导致膜有异味，因此最终以机械性能来确定最终成分的含量。

植物精油复合膜的制作过程仍存在一些缺陷，因此在今后的应用过程中，要更加深入地考虑多方面因素，如膜液黏稠度的控制，成膜材料与抗菌物质的相容性、稳定性，以及在应用过程中与包装内容物的相互作用等。