黑豆皮乙醇提取物/玉米淀粉/卡拉膠復(fù)合膜的物化性質(zhì)及生物活性表征

隨著包裝技術(shù)的不斷發(fā)展，人們愈發(fā)注意到塑料包裝所帶來的危害。傳統(tǒng)的塑料包裝難于降解，容易造成白色污染，且塑料包裝在一定條件下還容易分解出有害物質(zhì)，影響人體健康。因此，開發(fā)以天然聚合物為基礎(chǔ)的環(huán)保型包裝材料以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的塑料包裝已經(jīng)成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。在眾多的天然聚合物之中，玉米淀粉(corn starch, CS)資源豐富，造價(jià)低廉，經(jīng)糊化后具有成膜性，且無毒無害，易于降解，具備開發(fā)可降解包裝的潛力。然而，玉米淀粉單一膜在機(jī)械性能等方面有所欠缺，耐水性較差，因此，可以混入增強(qiáng)劑來改善玉米淀粉膜的機(jī)械性能。

卡拉膠(carrageenan, CA)主要來源于藻類，是一種由部分硫化半乳聚糖組成的線性鏈的水溶性聚合物，在食品膠凝、乳化和增稠等方面具有廣泛應(yīng)用。此外，卡拉膠還具有優(yōu)良的凝膠性和高黏度特性，具有良好的成膜性能，與淀粉共混，可改善淀粉膜的機(jī)械性能[1]。SANDHU等[2]將珍珠米淀粉和卡拉膠共混制備復(fù)合膜，發(fā)現(xiàn)卡拉膠的加入可提高薄膜的抗拉強(qiáng)度，降低水蒸氣透過率，對(duì)薄膜的物理學(xué)性能有所改善。然而，淀粉卡拉膠復(fù)合膜在生物活性方面有所欠缺，因此，可以引入天然活性劑來改善復(fù)合膜的抗氧化及抑菌性能，以便擴(kuò)大復(fù)合膜的應(yīng)用范圍。

黑豆為一年生草本豆科植物，富含多種營養(yǎng)物質(zhì)。相比其他豆類植物，黑豆具有更多的酚類化合物，而這些酚類化合物主要集中在黑豆的表皮中。YUAN等[3]以蝦殼廢蛋白為基材，與黑豆皮提取物共混制備復(fù)合膜，發(fā)現(xiàn)黑豆皮提取物可改善薄膜的抗氧化活性。WANG等[4]將黑豆皮提取物添加到殼聚糖薄膜中，發(fā)現(xiàn)制備出的復(fù)合膜具有pH響應(yīng)作用，且改善了復(fù)合膜的抗氧化活性。然而，目前對(duì)于將黑豆皮提取物與玉米淀粉和卡拉膠共混，制備復(fù)合膜的研究還鮮有報(bào)道。

因此，本文以玉米淀粉為基材，卡拉膠為增強(qiáng)劑，與黑豆皮乙醇提取物(ethanol extract of black soybean coat, EBSC)共混，制備復(fù)合膜，從物化性質(zhì)及生物活性2個(gè)方面探討EBSC對(duì)CS/CA復(fù)合膜的影響，為玉米淀粉膜的生產(chǎn)及應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

黑豆、豬板油，齊齊哈爾市瀏園市場(chǎng)；食品級(jí)卡拉膠，青島德慧海洋生物技術(shù)有限公司；玉米淀粉，黑龍江玉鳳玉米開發(fā)有限公司；牛肉膏、胰蛋白胨(生化試劑)，北京奧博星生物技術(shù)有限公司；金黃色葡萄球菌(ATCC29213)、大腸桿菌(ATCC25922)，齊齊哈爾大學(xué)食品與生物工程學(xué)院；其他化學(xué)試劑(分析純)，天津凱通化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

2.5 L freezePrysystem型真空冷凍干燥機(jī)，美國Labconco公司；Gemini 300型掃描電子顯微鏡，德國Carl Zeiss公司；Spectrum-100型紅外光譜儀，美國PerkinElmer公司；Ultima IV型X-射線衍射儀，日本理學(xué)株式會(huì)社；UPG-722可見分光光度計(jì)，北京優(yōu)譜通用科技有限公司；TA.XT plus型質(zhì)構(gòu)儀，英國Stable Micro System公司；Q20型差示掃描量熱儀，美國TA公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 EBSC的制備

將黑豆置于清水中浸泡24 h后，去皮。將剝好的黑豆皮放置于通風(fēng)處自然晾干。取處理好的黑豆皮100 g進(jìn)行粉碎，加入70%的(體積分?jǐn)?shù))乙醇200 mL，在25 ℃下浸提12 h。將浸提液在6 000 r/min 下離心10 min，取上清液備用。將沉淀物重復(fù)浸提、離心操作，合并2次離心上清液。將上清液轉(zhuǎn)移到旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中，置于50 ℃下進(jìn)行濃縮，再將濃縮液冷凍干燥得到黑豆皮乙醇提取物(得率為9.24%)，貯藏于4 ℃冰箱中備用。

1.3.2 EBSC/CS/CA復(fù)合膜的制備

取一定質(zhì)量的玉米淀粉，加入蒸餾水配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的玉米淀粉懸濁液，在90 ℃下糊化30 min。加入30%的卡拉膠(質(zhì)量分?jǐn)?shù),卡拉膠/淀粉干基)，繼續(xù)在90 ℃下加熱攪拌30 min。分別加入1%、3%、5%的黑豆皮提取物(質(zhì)量分?jǐn)?shù),提取物/淀粉干基)，繼續(xù)攪拌30 min，加入25%的甘油(質(zhì)量分?jǐn)?shù),甘油/淀粉干基)，繼續(xù)在90 ℃下加熱攪拌30 min，并用熱水補(bǔ)足蒸發(fā)掉的水分。將溶液在80 ℃下超聲30 min以除去氣泡，制得復(fù)合膜液。將直徑為120 mm的聚乙烯環(huán)固定在鋪有離型紙的玻璃板上，將25 g膜液傾倒在聚乙烯環(huán)內(nèi)，在40 ℃下烘干12 h，揭膜，置于25 ℃ 相對(duì)濕度為56.8%(NaBr飽和溶液)的干燥器中，平衡72 h后測(cè)定薄膜的各項(xiàng)指標(biāo)。

1.3.3 厚度的測(cè)定

參照GB/T 6672—2001的方法略作修改，用螺旋測(cè)微計(jì)(測(cè)量精度為0.001 mm)在薄膜上隨機(jī)選取10個(gè)點(diǎn)測(cè)其厚度，計(jì)算平均值作為膜的厚度。在計(jì)算膜透明度、機(jī)械性能、水蒸氣透過率時(shí)，均采用厚度平均值。

1.3.4 色澤的測(cè)定

采用色差計(jì)測(cè)定薄膜樣品的L*值(亮度)、a*值(紅/綠)和b*值(黃/藍(lán))。測(cè)量前，采用標(biāo)準(zhǔn)板校準(zhǔn)(L*=103.98，a*=-5.80，b*=9.25)，每種樣品測(cè)量3次，結(jié)果取平均值。

1.3.5 不透明度的測(cè)定

參照SUKHIJA等[5]方法略作修改，將薄膜樣品剪切成10 mm×45 mm的矩形，緊貼于空比色皿內(nèi)壁，空比色皿作為參比，在600 nm處測(cè)定樣品吸光度值，每種樣品測(cè)量3次，結(jié)果取平均值。不透明度的計(jì)算如公式(1)所示：

不透明度

(1)

式中：A600，600 nm下吸光度值；X，薄膜厚度，mm。

1.3.6 掃描電子顯微鏡

將復(fù)合膜樣品剪裁成4 cm×6 cm的長(zhǎng)方形，利用液氮脆斷。采用Gemini 300型掃描電子顯微鏡進(jìn)行顯微掃描，掃描電壓2.00 kV，電流64.0 μA。觀察并拍照薄膜的表面和截面。

1.3.7 傅里葉變換紅外光譜的測(cè)定

將平衡干燥后的薄膜置于ATR附件上，測(cè)試溫度為25 ℃，波數(shù)4 000～650 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)為32次。

1.3.8 X射線衍射分析

采用Cu靶，石墨單色器，測(cè)試參數(shù)為：電壓為45 kV、電流為20 mA，掃描范圍為5°～80°(2θ)，掃描速率為2 °/min。

1.3.9 力學(xué)性能的測(cè)定

薄膜的力學(xué)性能參考MU等[6]方法略作修改。將薄膜裁剪成6 cm×2 cm的矩形，測(cè)試速度2 mm/s，初始夾距20 mm。測(cè)量薄膜樣品的拉伸強(qiáng)度(MPa)及斷裂伸長(zhǎng)率(%)，每種樣品測(cè)量3次，結(jié)果取平均值?？ɡz薄膜的力學(xué)性能的計(jì)算如公式(2)、公式(3)所示：

(2)

式中：Ts，拉伸強(qiáng)度，MPa；Fmax，膜斷裂時(shí)最大負(fù)載，N；S，膜橫截面積，mm2。

斷裂伸長(zhǎng)率

(3)

式中：l1，膜拉伸后長(zhǎng)度，mm；l0，膜初始長(zhǎng)度，20 mm。

1.3.10 水蒸氣透過率的測(cè)定

參照郭開紅等[7]的擬杯子法，并略作修改。將10 g無水CaCl2置于鼓風(fēng)干燥箱中，在110 ℃下烘干2 h，并放置在35 mm×90 mm的稱量瓶中，將制備好的薄膜樣品覆蓋在稱量瓶口，密封，放入底部裝有蒸餾水的干燥器中。每隔24 h稱取稱量瓶的質(zhì)量，連續(xù)測(cè)量10 d。每種樣品測(cè)量3次，結(jié)果取平均值。薄膜的水蒸氣透過率的計(jì)算如按公式(4)所示：

水蒸氣透過率

(4)

式中：W，薄膜密封后稱量瓶總質(zhì)量，g；t，時(shí)間，d；A，薄膜透水面積，m2；X，薄膜厚度，mm；ΔP，薄膜兩側(cè)水蒸氣壓力差，1.583 kPa。

1.3.11 熱力學(xué)性質(zhì)

熱穩(wěn)定性分析采用差示掃描量熱法，參照徐晶[8]的方法，并略作修改。稱取4 mg經(jīng)干燥器干燥后的薄膜樣品，密封于鋁坩堝中，以空鋁坩堝為參比，以氮?dú)鉃楸Ｗo(hù)氣，保護(hù)氣流量為20 mL/min。升溫速率為10 ℃/min，在溫度20～250 ℃進(jìn)行差式掃描量熱分析。

1.3.12 總酚含量

復(fù)合膜的總酚含量測(cè)定采用福林酚比色法，參考王麗巖[9]的方法并略作修改。將125 mg的薄膜樣品放入15 mL的蒸餾水中浸泡24 h，獲得薄膜浸泡液。向50 mL錐形瓶中依次加入0.1 mL薄膜浸泡液、7 mL 蒸餾水和0.5 mL福林酚并輕輕搖晃，靜置8 min后，再依次加入1.5 mL 10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的碳酸鈉溶液和0.9 mL蒸餾水，將復(fù)合液放入暗室中避光2 h，然后用紫外分光光度計(jì)在765 nm處測(cè)定混合液的吸光度。配制一系列質(zhì)量濃度在0～15 μg/mL的沒食子酸(gallic acid equivalents，GAE)水溶液，并按上述步驟測(cè)定其在765 nm處的吸光度，以沒食子酸水溶液的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，以其在765 nm處的吸光度為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到y=0.117x+0.017 1的方程(R2=0.999 5)。依照此方程，利用測(cè)得的復(fù)合膜浸泡液在765 nm處的吸光度計(jì)算總酚含量。樣品的總酚含量表示成毫克GAE當(dāng)量每克干物質(zhì)(dry weight,DW)，即mg GAE/g DW。每種樣品測(cè)量3次，結(jié)果取平均值。

1.3.13 體外抗氧化性能的測(cè)定

將10 mg薄膜樣品與甲醇DPPH溶液(0.2 mmol/L，1.5 mL)混合。將混合液放入暗室反應(yīng)在室溫下避光30 min，然后用紫外分光光度計(jì)在517 nm處測(cè)定混合液的吸光度，甲醇DPPH溶液作為對(duì)照[10]。每種樣品測(cè)量3次，結(jié)果取平均值。自由基清除率的計(jì)算如公式(5)所示：

(5)

式中：k，自由基清除能力，%；Ac，對(duì)照組的吸光度；As，樣品的吸光度。

將10 mg薄膜樣品與ABTS陽離子自由基工作液混合，室溫下避光6 min，用紫外分光光度計(jì)在734 nm 處測(cè)定混合液的吸光度，以醋酸緩沖溶液代替提取物樣品溶液作為空白對(duì)照[11]。每種樣品測(cè)量3次，結(jié)果取平均值。自由基清除率的計(jì)算如公式(5)所示。

1.3.14 油脂抗氧化性能的測(cè)定

將5 g固體豬油包裹于薄膜上，將薄膜進(jìn)行熱封，置于60 ℃的鼓風(fēng)干燥箱中加速氧化。每隔24 h定時(shí)取樣，按GB 5009.227—2016中的方法測(cè)定其過氧化值(peroxide value, POV)值，連續(xù)測(cè)定7 d。每種樣品測(cè)量3次，結(jié)果取平均值。

1.3.15 抑菌性的測(cè)定

參照PELISSARI等[12]方法，并略作修改。將擴(kuò)培好的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌用無菌生理鹽水稀釋10倍，作為初始菌液。用取樣器將薄膜樣品剪裁成直徑為7 mm的圓片，紫外線滅菌后，分別放入含有0.1 mL目標(biāo)菌液的培養(yǎng)基中，置于(37±1) ℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h。用游標(biāo)卡尺測(cè)量薄膜抑菌圈的直徑，根據(jù)抑菌圈的大小來判定薄膜的抑菌活性。每種樣品測(cè)量3次，結(jié)果取平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)結(jié)果用均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，通過軟件SPSS 25 系統(tǒng)中的Duncan′s進(jìn)行差異顯著性分析，采用Origin 8.0軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 光學(xué)性質(zhì)

天然聚合物包裝材料的光學(xué)性質(zhì)對(duì)消費(fèi)者的可接受程度具有很大的影響。EBSC/CS/CA復(fù)合膜的光學(xué)性質(zhì)如表1所示。未添加EBSC的CS/CA復(fù)合膜無色透明，而隨著EBSC添加量的增加，復(fù)合膜的a*值、b*值和不透明度逐漸增大，而復(fù)合膜的L*值逐漸降低，表明復(fù)合膜的顏色逐漸加深，亮度逐漸降低。黑豆皮中富含花色苷等活性成分，這些成分使得EBSC呈現(xiàn)出紫紅色。而當(dāng)EBSC的添加量逐漸增大，含有花青素等活性成分的復(fù)合膜顏色也逐漸加深，亮度降低。

研究表明，薄膜不透明度的增大可使食品減少或免受紫外線及可見光的照射，從而抑制氧化，提高食品品質(zhì)[13]。未添加EBSC的復(fù)合膜的光學(xué)性能較差，對(duì)可見光的阻隔性能較弱。當(dāng)添加了EBSC后，復(fù)合膜的光學(xué)性能得到顯著改善，且不透明度隨著EBSC添加量的增加而逐漸增大，表明復(fù)合膜對(duì)可見光的阻隔性能不斷提高。

表1 EBSC/CS/CA復(fù)合膜的光學(xué)性質(zhì)
Table 1 Optical properties of the EBSC/CS/CA composite films

注：不同字母表示差異顯著(P<0.05)(下同)

2.2 微觀結(jié)構(gòu)分析

利用掃描電子顯微鏡可進(jìn)一步觀察探究膜的微觀結(jié)構(gòu)以及與添加物之間的相互作用影響。EBSC/CS/CA復(fù)合膜表面和截面的掃描電鏡如圖1所示。CS/CA復(fù)合膜的表面和截面結(jié)構(gòu)較為光滑，這是由于淀粉分子之間存在相互作用，所形成的薄膜結(jié)構(gòu)較為致密，且玉米淀粉與卡拉膠之間具有較好的相容性。當(dāng)添加了EBSC后，薄膜的表面開始變得粗糙，出現(xiàn)不溶性顆粒，且隨著添加量的增加，粗糙程度逐漸增加；與表面結(jié)構(gòu)類似，薄膜的截面結(jié)構(gòu)也隨著EBSC的出現(xiàn)而逐漸變得粗糙，表明EBSC與玉米淀粉及卡拉膠之間發(fā)生了相互作用，使得薄膜變得粗糙。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)可能歸因于花青素在復(fù)合膜中的聚集[14]。

a～d依次為0%、1%、3%、5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))EBSC/CS/CA復(fù)合膜表面；e～h依次為0%、1%、3%、5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))EBSC/CS/CA復(fù)合膜截面
圖1 EBSC/CS/CA復(fù)合膜的掃描電子顯微鏡圖像
Fig.1 SEM images of the EBSC/CS/CA composite films

2.3 傅里葉變換紅外光譜分析

紅外光譜是指分子在紅外線照射下選擇性地吸收某些頻率后所形成的吸收譜帶。使用傅里葉紅外光譜進(jìn)一步分析了EBSC與CS/CA復(fù)合膜之間的相互作用。圖2為EBSC/CS/CA復(fù)合膜在4 000～520 cm-1內(nèi)的紅外光譜圖。對(duì)于CS/CA復(fù)合膜，3 304 cm-1處出現(xiàn)的峰為O—H的振動(dòng)伸縮峰，在2 926 cm-1處出現(xiàn)的肩峰為C—H的伸縮振動(dòng)峰；在1 645 cm-1附近有因淀粉無定形區(qū)域中吸附水的彎曲振動(dòng)而引起的吸收峰出現(xiàn)。薄膜在1 150和1 104 cm-1處均出現(xiàn)吸收峰，此為淀粉C—O—C吡喃糖環(huán)骨架振動(dòng)和C—C鍵吸收峰[15-16]。當(dāng)添加EBSC后，復(fù)合膜的紅外光譜曲線并沒有發(fā)生較大的變化，這可能和EBSC的添加量有關(guān)。紅外光譜分析可以鑒別體系的氫鍵作用大小，其吸收峰的波數(shù)越大，說明氫鍵相互作用越弱[17]。而O—H的振動(dòng)伸縮峰略向高波段移動(dòng)，這可能是由于EBSC的加入在一定程度上抑制了淀粉分子間的重結(jié)晶現(xiàn)象，使得氫鍵的作用力變?nèi)酢?/p>

圖2 EBSC/CS/CA復(fù)合膜的傅里葉變換紅外光譜圖
Fig.2 FTIR spectra of the EBSC/CS/CA composite films

2.4 X射線衍射分析

利用X-射線衍射可分析聚合物的結(jié)晶度。EBSC/CS/CA復(fù)合膜的X-射線衍射圖譜如圖3所示。其中，CS/CA復(fù)合膜在10.5°、17.7°、19.9°以及22.4°處出現(xiàn)衍射峰。淀粉復(fù)合膜在貯藏過程中，直鏈淀粉和支鏈淀粉會(huì)發(fā)生重結(jié)晶現(xiàn)象，而17.7°和19.9°的衍射峰和重結(jié)晶現(xiàn)象有關(guān)[18]。當(dāng)加入了EBSC后，復(fù)合膜在10.5°處的衍射峰消失；隨著EBSC 添加量的增加，17.7°和22.4°處的衍射峰逐漸減小直至消失；當(dāng)EBSC的添加量達(dá)到5%時(shí)，復(fù)合膜只在19.9°處顯示出了1個(gè)尖峰。這一結(jié)果表明EBSC的加入影響了復(fù)合膜的晶體結(jié)構(gòu)，這歸因于EBSC中含有的多酚類物質(zhì)與淀粉分子之間形成了氫鍵，影響了淀粉分子結(jié)構(gòu)的有序性，抑制了重結(jié)晶的發(fā)生。淀粉的重結(jié)晶現(xiàn)象會(huì)使得淀粉制品在貯藏過程中逐漸變硬、發(fā)脆[19]，而EBSC的加入在一定程度上抑制了淀粉重結(jié)晶的發(fā)生，這對(duì)復(fù)合膜在貯藏過程中保持良好的機(jī)械性能具有積極作用。這與KOWALCZYK等[20]的研究結(jié)果相似。

圖3 EBSC/CS/CA復(fù)合膜的X-射線衍射光譜圖
Fig.3 XRD spectra of the EBSC/CS/CA composite films

2.5 力學(xué)性能

機(jī)械性能是復(fù)合膜的一個(gè)重要屬性，通常由抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率2個(gè)指標(biāo)來評(píng)定，其反映了復(fù)合膜的強(qiáng)度和柔韌性。在包裝、運(yùn)輸及貯藏過程中，機(jī)械性能的優(yōu)劣對(duì)于復(fù)合膜的完整性具有重要影響。EBSC/CS/CA復(fù)合膜的機(jī)械性能如圖4所示。當(dāng)添加了EBSC后，復(fù)合膜的抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)；當(dāng)EBSC添加量為5%時(shí)，抗拉強(qiáng)度從原有的9.07下降為4.59 MPa。這表明EBSC的加入影響了原有淀粉的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。并且在前文中所提到的，在SEM的觀察中發(fā)現(xiàn)，隨著EBSC添加量的增加，復(fù)合膜表面會(huì)有少量的不溶性顆粒出現(xiàn)，從而影響了復(fù)合膜的致密性，使得抗拉強(qiáng)度下降。而當(dāng)提取物添加量為1%和3%時(shí)，復(fù)合膜的抗拉強(qiáng)度變化并不顯著，這可能和EBSC的添加量有關(guān)。而復(fù)合膜的斷裂伸長(zhǎng)率隨著EBSC添加量的增加而逐漸增加，這可能是由于黑豆皮中所富含的花色苷和槲皮素等化合物具有一定的增塑作用，使得復(fù)合膜的斷裂伸長(zhǎng)率在一定的范圍內(nèi)有所提高。

圖4 EBSC/CS/CA復(fù)合膜的力學(xué)性能
Fig.4 Mechanical properties of the EBSC/CS/CA composite films

2.6 水蒸氣透過率

EBSC/CS/CA復(fù)合膜的水蒸氣透過率如圖5所示。當(dāng)EBSC添加量為1%，復(fù)合膜的水蒸氣透過率最低，為0.697 g·mm/(m2·d·kPa)；當(dāng)添加量為3%時(shí)，復(fù)合膜的水蒸氣透過率略有上升，但仍小于CS/CA復(fù)合膜；當(dāng)添加量為5%時(shí)，復(fù)合膜的水蒸氣透過率繼續(xù)上升，達(dá)到1.198 g·mm/(m2·d·kPa)，結(jié)果大于CS/CA復(fù)合膜。這可能由于EBSC的強(qiáng)吸水性使得復(fù)合膜更容易吸附水分子，但EBSC的強(qiáng)吸水性不容易釋放水分子，從而導(dǎo)致水蒸氣透過率降低。然而，EBSC的加入也影響了復(fù)合膜結(jié)構(gòu)的致密性，這又使得復(fù)合膜的水蒸氣透過率逐漸上升，當(dāng)EBSC的添加量達(dá)到5%時(shí)，復(fù)合膜的水蒸氣透過率大于CS/CA復(fù)合膜。而OTHMAN等[21]的研究表明，添加了百里香酚的納米纖維素/玉米淀粉復(fù)合膜的水蒸氣透過率顯著增加，這種差異可能由于提取物的來源不同。

圖5 EBSC/CS/CA復(fù)合膜的水蒸氣透過率
Fig.5 Water vapour permeability of the EBSC/CS/CA composite films

2.7 熱力學(xué)性質(zhì)

差示掃描量熱法是通過測(cè)量物質(zhì)與參比物之間的能量差隨溫度的變化關(guān)系來研究聚合物分子間的相互作用的1種技術(shù)。而復(fù)合膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度能反映膜組分中分子運(yùn)動(dòng)的情況，其與復(fù)合膜組分分子結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系[8]。當(dāng)聚合物分子運(yùn)動(dòng)受到束縛時(shí)，聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變溫度上升，反之下降。并且，在1個(gè)二元復(fù)合膜體系中，差示掃描量熱曲線若只出現(xiàn)1個(gè)峰，且位于2個(gè)主體之間，則表明兩者之間具有良好的相容性[22]。

EBSC/CS/CA復(fù)合膜的差示掃描量熱如圖6所示。復(fù)合膜在20～250 ℃均出現(xiàn)1個(gè)峰，表明復(fù)合膜具有良好的相容性。添加了EBSC的復(fù)合膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低于CS/CA復(fù)合膜，且隨著EBSC添加量的增加，復(fù)合膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度逐漸降低。添加了EBSC后，復(fù)合膜的分子鏈結(jié)構(gòu)受到了影響，復(fù)合膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低，表明復(fù)合膜中分子鏈的柔韌性變強(qiáng)。這一結(jié)果與斷裂伸長(zhǎng)率所顯示出的結(jié)論一致。

圖6 EBSC/CS/CA復(fù)合膜的熱力學(xué)性質(zhì)
Fig.6 Thermodynamic properties of the EBSC/CS/CA composite films

2.8 總酚含量

黑豆皮中富含花色苷等酚類化合物，而多酚化合物的含量和抗氧化活性密切相關(guān)，因此，可通過總酚含量的測(cè)定來判斷物質(zhì)的抗氧化性能，而福林酚試劑在堿性條件下可被酚類化合物還原呈現(xiàn)出藍(lán)色，因此福林酚比色法是測(cè)定總酚含量最常見的方法[23]。EBSC/CS/CA復(fù)合膜的總酚含量如圖7所示。當(dāng)添加了EBSC后，復(fù)合膜的總酚含量顯著提高，當(dāng)添加量為5%時(shí)，復(fù)合膜的總酚含量達(dá)到8.09 mg GAE/g DW。由此可見黑豆皮中富含酚類化合物，使得復(fù)合膜的總酚含量顯著提高，從而提高了復(fù)合膜的生物活性。

圖7 EBSC/CS/CA復(fù)合膜的總酚含量
Fig.7 Total phenol content of the EBSC/CS/CA composite films

2.9 體外抗氧化性能分析

EBSC/CS/CA復(fù)合膜的自由基清除能力如圖8所示。加入了EBSC后，復(fù)合膜的自由基清除能力顯著提高，但EBSC的添加量為1%和3%的復(fù)合膜DPPH自由基清除率差異并不顯著，而復(fù)合膜的ABTS陽離子自由基清除率隨著EBSC添加量的增加而逐漸增加。當(dāng)EBSC添加量達(dá)到5%時(shí)，復(fù)合膜的DPPH自由基清除率達(dá)到30.50%，而ABTS陽離子自由基清除率達(dá)到51.61%。EBSC中的多酚以花青素為主，其多羥基結(jié)構(gòu)使花青素具有很強(qiáng)的供氫能力[24]。而EBSC中所富含的花青素可提供酚羥基來捕獲自由基，從而彌補(bǔ)了CS/CA復(fù)合膜在這方面的缺陷，提高了薄膜的生物活性。因此，將EBSC添加到復(fù)合膜中制備活性食品包裝膜可保護(hù)食品免受氧化損傷，延長(zhǎng)食品貨架期。

圖8 EBSC/CS/CA復(fù)合膜的體外抗氧化性能
Fig.8 Antioxidant properties in vitro of the EBSC/CS/CA composite films

2.10 油脂抗氧化分析

EBSC/CS/CA復(fù)合膜的抗油脂氧化性能如圖9所示。未經(jīng)包裹的豬油在7 d內(nèi)的氧化成度最為明顯，在第7天時(shí)，POV值達(dá)到2.61 g/100g。經(jīng)復(fù)合膜包裹后，豬油樣品在7 d內(nèi)的氧化程度明顯降低。其中，未添加EBSC的復(fù)合膜所包裹的豬油樣品在第7天時(shí)的POV值達(dá)到0.608 g/100g，高于添加了EBSC的復(fù)合膜；而隨著EBSC添加量的增加，豬油的氧化程度逐漸得到抑制，在第7天時(shí)，含有5% EBSC的復(fù)合膜所包裹的豬油的POV值最低，為0.306 g/100g。一方面復(fù)合膜對(duì)于氧氣起到了阻隔效果，降低了樣品與氧氣之間的接觸，另一方面，黑豆皮中所富含的花色苷可釋放出氫質(zhì)子，清除鏈引發(fā)階段產(chǎn)生的自由基，達(dá)到抑制油脂氧化的效果。由此可見，EBSC的加入提高了復(fù)合膜抑制油脂氧化的能力，起到了一定的協(xié)同效果。

圖9 EBSC/CS/CA復(fù)合膜的油脂抗氧化性能
Fig.9 Antioxidant Properties in axunge of the EBSC/CS/CA composite films

2.11 抑菌性分析

食源性病原體嚴(yán)重影響著食品品質(zhì)安全和人體健康，因此，活性包裝薄膜應(yīng)具備抑菌活性來保證食品不被微生物侵害。EBSC/CS/CA復(fù)合膜對(duì)大腸桿菌和金黃葡萄球菌的抑菌圈直徑如表2所示。CS/CA復(fù)合膜對(duì)大腸桿菌和金黃葡萄球菌幾乎不顯示抑制作用，當(dāng)添加了EBSC后，復(fù)合膜的抑菌圈直徑顯著提高，并且隨著EBSC添加量的增加，抑菌圈的直徑逐漸增大，表明復(fù)合膜的抑菌活性得到了明顯改善。而復(fù)合膜對(duì)金黃葡萄球菌的抑菌圈直徑大于大腸桿菌，表明復(fù)合膜對(duì)革蘭氏陽性菌的抑菌效果優(yōu)于革蘭氏陰性菌。這是由于2種受試菌的細(xì)胞結(jié)構(gòu)不同，革蘭氏陽性菌的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，而革蘭氏陰性菌的細(xì)胞壁除了肽聚糖和磷壁酸以外還具有1層脂多糖，因此革蘭氏陽性菌更容易受到抑菌劑的抑制作用。這與盧俊宇等[25]的研究結(jié)果一致。研究表明，EBSC中酚類化合物存在的不僅可以增加細(xì)胞膜的通透性，還可干擾微生物遺傳物質(zhì)的合成，從而抑制微生物的生長(zhǎng)改善CS/CA復(fù)合膜的抑菌性能[26]。

表2 EBSC/CS/CA復(fù)合膜對(duì)微生物的抑菌圈直徑
Table 2 Diameter of bacteriostasis circle of the EBSC/CS/CA composite films

3 結(jié)論

本文探討了EBSC作為天然生物活性劑混入玉米淀粉/卡拉膠復(fù)合膜，對(duì)其物化性質(zhì)及生物活性的影響。研究表明，EBSC的加入使得復(fù)合膜的顏色加深，不透明度增大；掃描電子顯微鏡顯示,EBSC的加入使得復(fù)合膜的表面及截面變得粗糙；紅外光譜和X-射線衍射結(jié)果表明,EBSC的加入可在一定程度上抑制淀粉的重結(jié)晶現(xiàn)象；隨著EBSC添加量的增加，復(fù)合膜的抗拉強(qiáng)度逐漸減小，斷裂伸長(zhǎng)率逐漸增大，并影響了復(fù)合膜的水蒸氣透過率；差示掃描量熱法結(jié)果顯示,EBSC的加入降低了復(fù)合膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；生物活性方面，EBSC的加入提高了復(fù)合膜的抗氧化性能及抑菌性能，并對(duì)豬油的氧化起到了抑制作用。綜合來看，當(dāng)EBSC添加量為5%時(shí)，雖然抗拉強(qiáng)度較弱，但斷裂伸長(zhǎng)率較高，此時(shí)的復(fù)合膜具有較好的柔韌性，并且在生物活性方面表現(xiàn)較好。因此，EBSC的最佳添加量為5%，所制備的復(fù)合膜在食品包裝領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。