可食性膜通常以多糖、蛋白质、脂质等为原料,以分子互作形成三维网络结构,原料来源丰富、可生物降解,被广泛用于食品、医药等领域[1-2]。薄膜性能的改善主要聚焦于机械性能、阻隔性能、耐水性能等方面[3]。基于生物聚合物和脂质的乳液膜(emulsion film)是可食性膜中的重要一类。脂质提升了乳液膜的水分阻隔和耐水性,有利于食品保鲜应用[4];均匀分散于乳液膜大分子骨架中的乳液提升了气体阻隔性能;多糖、蛋白质和脂质的添加有助于改善乳液膜的机械性能。苏爽等[5]构建的大豆分离蛋白/大豆油乳液膜的拉伸强度提升了33%,水溶性显著下降。Chen等[4]制备的魔芋葡甘聚糖基山茶油乳液膜,断裂伸长率显著升高,溶失率和水蒸气透过率显著下降。周婷婷等[6]以蛋清蛋白和可得然胶为基质,以肉桂油为油相构建的乳液体系强度显著增强,控释效果良好。

魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan,KGM)由β-甘露糖和β-D-葡萄糖通过β-1,4-糖苷键连接,支链由β-1,3-糖苷键连接[4]。KGM资源丰富,成膜性、稳定性、生物相容性和可降解性良好,在食品保鲜中应用广泛[7]。可得然胶(curdlan,Cur)由D-葡萄糖经β-1,3-糖苷键连接,成膜性和生物降解性良好,在食品工业中广泛应用[4]。绿豆蛋白(mung bean protein, MBP)具有良好的乳化性、吸油性及表面疏水性,可作为表面活性剂聚集在油-水界面形成乳状液,提升多糖基薄膜的阻隔性能[8]。山茶油(camellia oil, CO)含油酸、亚油酸和亚麻酸等不饱和脂肪酸,可作为活性剂乳化分散在多糖复合物中,得到的乳液涂层对延长肉类保质期有积极作用[9]。以多糖、蛋白质等为基质研究薄膜结构和性能的报道较多,但与果蔬保鲜相关的生物质基乳液膜阻隔性能的研究较少。

本研究拟以KGM、Cur为基质构建多糖网络,以MBP乳化山茶油分散于多糖网络中,增加分子间通道阻力,构建具有一定阻隔和耐水性能的KGM基乳液膜。研究希望构建可对外阻隔氧气、对内阻隔水分性能良好的乳液膜,为食品保鲜技术提供理论参考和新思路。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

KGM(食品级),湖北武汉力诚生物科技有限公司;Cur(食品级),山东中科生物科技股份有限公司);MBP(食品级),陕西纽芙生物科技有限公司;山茶油(CO)(食品级),上海源叶生物科技有限公司;甘油(分析纯),国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

DK-S22型数显恒温水浴锅,上海精宏仪器设备有限公司;OS20-Pro型电动搅拌器,美国塞洛捷克公司;BGZ-246型电热鼓风干燥箱,上海博迅医疗生物仪器股份有限公司;UPT-Ⅱ-10T型超纯水机,四川优普超纯科技有限公司;VERTEX70型傅里叶变换红外光谱仪,德国布鲁克有限公司;JSM6390LV型扫描电镜,日本电子仪器有限公司;ME204型万分之一分析天平,上海梅特勒-托利多有限公司;DSA25型接触角测量仪,德国克鲁斯公司;TA.XT Plus型质构仪,英国 Stable Micro Systems 公司;W3/031型水蒸气渗透率测试仪,济南Labthink仪器公司;Mastersizer 2000型激光粒度仪,英国马尔文仪器有限公司;TU-1900型紫外可见分光光度计,北京普析通用仪器有限责任公司;WF28型色度仪,深圳威福光电科技有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 KCM-CO乳液和乳液膜的制备

KCM-CO乳液膜配制方法见表1。准确称取样品,将KGM与MBP分散于超纯水中,加入山茶油和甘油后,60 ℃、600 r/min搅拌1 h,使其充分溶胀,制得KGM-MBP分散液。将Cur冷水分散30 min,随后在90 ℃、600 r/min条件下搅拌30 min得到Cur分散液。将Cur分散液缓慢加入KGM-MBP分散液中,在10 000 r/min条件下均质3 min,最后90 ℃、900 r/min搅拌1 h,即获得KCM-CO乳液[10-11]。将乳液缓慢倒入圆形塑料板(d=15 cm),置于烘箱中60 ℃干燥成膜,相对湿度50%±2%环境温度(25±1)℃的条件下平衡48 h后使用。

表1 KCM-CO乳液膜配制
Tab.1 Preparation of KCM-CO emulsion films

样品m(KGM)/gm(Cur)/gm(甘油)/gm(山茶油)/gm(MBP)/gV(水)/mLKC-CO0.60.40.150.100100K58C40M2-CO0.580.40.150.100.02100K56C40M4-CO0.560.40.150.100.04100K54C40M6-CO0.540.40.150.100.06100K52C40M8-CO0.520.40.150.100.08100 K50C40M10-CO0.50.40.150.100.1100

1.3.2 KCM-CO乳液粒径分布测定

将KCM-CO乳液快速摇匀,用去离子水稀释,使用粒度仪检测粒径,泵速为2 000 r/min,折射率设置为1.46[10]。

1.3.3 KCM-CO乳液膜微观形貌观察

将乳液膜裁剪成4 mm×4 mm尺寸的样品用于观察膜表面形貌,另将乳液膜在液氮中冷冻脆断后用于观察截面形貌,以KC-CO膜为对照组。用导电胶黏贴在扫描电子显微镜(scanning electron microscopy, SEM)样品台上,喷金处理(压力7.5 Pa、厚度20 nm、时间90 s、加速电压30 kV),观察倍数为600倍。

1.3.4 乳液膜结构测定

将乳液膜裁剪成2 cm×2 cm(大小)用于红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)扫描。实验温度为25 ℃,扫描波数为750～4 000 cm-1,分辨率为0.5 cm-1。

1.3.5 KCM-CO乳液膜机械性能测定

利用质构仪测试乳液膜的拉伸强度(TS)和断裂伸长率(EAB)。将膜裁剪成0.5 cm×5 cm的长条,两端分别预留1 cm用于拉伸固定,随机取3个点使用数显千分尺测量样品膜厚,计算平均值。采用Tension模式,记录力和形变,平行测试30次。测试条件:初始夹具间隔为3 cm,测试速度为0.5 mm/s,触发力为5.0 N。TS(MPa)和EAB(%)计算见式(1)、式(2)。

TS=F/(T×W);

(1)

EAB=(L-L0)/L0×100%。

(2)

式(1)、式(2)中,F为最大负荷即拉力,N;W为膜的宽度,mm;T为膜的平均厚度,mm;L为膜断裂前的最大长度,cm;L0为膜的起始长度,cm。

1.3.6 KCM-CO乳液膜静态水接触角测定

用双面胶带将乳液膜样品(3 cm×3 cm)固定在载玻片上,用精密注射器在膜上滴入3.0 μL去离子水,稳定30 s后记录水接触角(WCA)。

1.3.7 KCM-CO乳液膜水蒸气透过系数测定

采用W3/031型水蒸气渗透性测试仪检测乳液膜的水蒸气透过系数(WVP)。将盛有去离子水的测试杯用乳液膜样品密封,测试箱条件设置为温度25 ℃、相对湿度60%,该方法遵循GB/T 1037—2021。

1.3.8 KCM-CO乳液膜氧气透过性测定

将20 mL大豆油注入加厚聚碳酸酯塑料杯中,用乳液膜密封,置于50 ℃的烘箱中放置7 d,根据GB 5009.227—2023,测定大豆油的过氧化值[12]。

1.3.9 KCM-CO乳液膜色度和透明度测定

色度:使用色度仪测定乳液膜的色度,每个平行取 6 个点,记录亮度(L*)、红绿度(a*)、黄蓝度(b*),以标准白色背景(L0=86.91,a0=0.15,b0=6.98)为参照。总色差(ΔE)计算见式(3)。

(3)

透明度:使用紫外可见分光光度计在波长300～800 nm扫描乳液膜样品,获得透光光谱[13]。

1.4 数据处理

所有样品均进行3次以上平行测试,结果以平均值±标准偏差表示,方差分析采用SPSS 20.0软件(P<0.05),绘制图表采用 Origin 2018软件。

2 结果与分析

2.1 KCM-CO乳液粒径分布分析

乳液粒径分布是体现乳化性、乳液稳定性和质量的重要指标,对分析乳液体系和乳液膜的微观结构、阻隔性能和气体透过性具有重要作用[9]。KCM-CO乳液的粒径分布见图1。由图1可知,各配比KCM-CO样品中的大部分液滴的粒径分布于尖而窄的单峰处,平均粒径位于30～55 μm,少数液滴粒径较大。结果表明,各乳液体系整体上乳液分布均一,KGM、Cur、MBP及山茶油间能够较好地结合分布。随着MBP的添加,乳液平均粒径相较于KC-CO明显下降,表明MBP对山茶油的乳化具有促进作用,MBP充当了油-水界面的表面活性剂,阻止了油滴聚集,降低了表面张力。适当含量的MBP可使液滴密度增大、粒径减小,这有利于提升乳液的稳定性以及乳液膜的阻隔性能[14]。其中,K54C40M6-CO的平均粒径最小,是因为MBP含量继续增加引起蛋白质的絮凝聚集而形成更大的乳液液滴。相较于KC-CO,K54C40M6-CO的平均粒径减小了35.1%。

图1 KCM-CO乳液的粒径分布
Fig.1 Size distribution of KCM-CO emulsions

2.2 KCM-CO乳液膜的微观结构观察结果

前期研究发现,KGM与Cur质量比为3∶2时,复合膜具有较佳相容性,结构和性能较优,本研究在小幅度改变二者质量比的前提下逐渐添加MBP,研究KCM-CO乳液膜的结构和性能[15]。KCM-CO乳液膜的微观结构见图2。由图2可知,整体上,KC-CO和KCM-CO乳液膜的截面和表面均表现出连续性和致密性,表明体系分子间相容性良好。随着MBP的添加,KCM-CO膜与KC-CO膜相比,截面更加平滑均一,K54C40M6-CO和K52C40M8-CO的截面最为平整,结果与粒径分布相符,归因于液滴的粒径减小和密度增大,增强了乳液膜中的均一性分布。乳液膜表面可见少量圆形凹陷,是由于乳液中油滴单元结合于KGM和Cur的分子矩阵中,在成膜过程中部分油滴酪化于膜表面形成凹陷,此现象与前人研究一致[9]。

放大倍数为600倍。
图2 KCM-CO乳液膜的扫描电镜结果
Fig.2 Results of SEM of KCM-CO emulsion films

2.3 KCM-CO乳液膜结构分析

KCM-CO乳液膜的红外光谱见图3。纯KGM膜在3 314、2 877、1 018 cm-1处的特征峰分别为O—H拉伸振动、C—H拉伸振动和C—O—C拉伸振动[16]。1 641 cm-1处的峰为O—H弯曲,806 cm-1和872 cm-1是KGM中的甘露糖的特征峰[15]。纯Cur在3 290和1 626 cm-1处的特征峰与分子间和分子内的氢键有关。MBP在1 638 cm-1处为酰胺Ⅰ(主要与C—O的拉伸振动有关)的特征峰[17]。由图3可知,随着蛋白质添加量逐渐升高,特征峰波数从1 638 cm-1增大到1 652 cm-1,表明随着蛋白质含量的升高,蛋白质多肽键与多糖分子间相互作用形成氢键[18]。1 024～1 013 cm-1处的峰形变化是由 C—O伸缩振动或甘油的O—H形变引起[4,9]。KCM-CO乳液膜的红外光谱中含有 KGM、Cur、MBP各自的特征吸收峰,且没有新的吸收峰的出现,表明各组分间未发生化学反应,未形成共价键[19]。

图3 KCM-CO乳液膜的红外光谱
Fig.3 FTIR spectra of KCM-CO emulsion films

2.4 KCM-CO乳液膜机械性能分析

KCM-CO乳液膜的TS和EAB见图4。由图4可知,随着MBP的加入,TS逐渐降低,EAB呈现先增高后降低的趋势。KC-CO乳液膜的TS最高(45.63 MPa),K50C40M10-CO乳液膜的TS最低(26.12 MPa),这是由于MBP的加入引起分布于多糖阵列的乳液液滴的数量增多,乳液膜的内在不连续性加剧,多糖网络与MBP分子间滑移性增加,从而导致TS下降,与前人研究的变化趋势相符[20]。K54C40M6-CO乳液膜的EAB最高(37.6%),K58C40M2-CO乳液膜的EAB最低(26.7%)。结果表明,适当添加MBP能够有效地提升乳液膜的断裂伸长率,这是因为密集的乳化液滴分布于多糖分子间促进了分子链间的滑移性,使乳液膜的韧性增强,但是当MBP添加量达到一定程度后,MBP分子出现聚集现象,降低了多糖三维网络的均一性,造成EAB下降,这与SEM结果较为一致[20]。与KC-CO相比,KCM-CO乳液膜的EAB最高提升了27%。

不同小写字母表示组间差异显著(P<0.05)。
图4 KCM-CO乳液膜的拉伸强度和断裂伸长率
Fig.4 Tensile strength and elongation at break of KCM-CO emulsion films

2.5 KCM-CO乳液膜水接触角分析

WCA是表征膜表面疏水性和水分阻隔性能的重要指标。通常,WCA值越大,膜的表面疏水性越强,WCA大于90°即表现为强疏水性[21]。表面水接触角分为疏水性(θ>65°)和亲水性(θ<65°)[22]。KCM-CO乳液膜的水接触角见图5。由图5可知,KC-CO和KCM-CO乳液膜的水接触角均大于65°,表明制备的乳液膜都具有疏水性表面。当MBP添加量达到一定程度,KCM-CO乳液膜的WCA逐渐升高,表现为强疏水性,这归因于乳化液滴单元在多糖矩阵中的分布情况以及膜表面粗糙度,油相的存在增强了界面的疏水性[23],与KCM-CO乳液膜的微观结构和性能分析结果相符。

图5 KCM-CO乳液膜的水接触角
Fig.5 Water contact angles of KCM-CO emulsion films

2.6 KCM-CO乳液膜气体透过性分析

透气性是表征生物聚合膜阻隔性能的重要指标。KCM-CO乳液膜气体透过性分析结果见图6。由图6(a)可知,随着MBP含量的增加,WVP从13.8×10-13 g·cm/(cm2·s·Pa)下降到7.87×10-13 g·cm/(cm2·s·Pa),降幅约为43%,表明MBP的加入能够显著改善乳液膜的水分阻隔性能,这一现象可以用自由体积模型来解释[24]。薄膜的 WVP 取决于水蒸气在生物聚合膜基体中的吸附和扩散。MBP通过乳化山茶油油滴,镶嵌到多糖网络结构中,减少了KC多糖结构之间的空隙和多糖薄膜网络之间的自由体积,增大了路径的曲折性,同时增加了界面数量和水分子的分散性,从而提高了水分阻隔性能[10]。这与水接触角的结果相符。可以推测,KCM-CO乳液膜有助于抑制果蔬贮运过程中的水分流失,具有潜在的应用价值。

不同小写字母表示组间差异显著(P<0.05)。
图6 KCM-CO乳液膜的WVP和过氧化值
Fig.6 WVP and peroxide value of KCM-CO emulsion films

过氧化值可用来表示油脂和脂肪酸等被氧化的程度,可间接反映膜对O2的阻隔性能。由图6(b)可知,随着MBP含量的逐渐增加,过氧化值逐渐降低,降幅约为52.9%,表明乳液膜的氧气透过性逐渐下降,KCM-CO的氧气阻隔性能得到显著提升。与WVP类似,这主要归因于MBP乳化液滴在KC多糖网络中的分布,减少了网络间的自由体积,使氧气透过的路径更加曲折,从而降低了氧气透过性。

根据粒径分布、SEM、FTIR结果可推测,MBP的加入有效乳化了山茶油滴,形成的乳化油滴均匀分布于KC的多糖网络结构中,与多糖分子链以氢键作用相结合。KCM-CO乳液膜保鲜机制见图7。一方面,当KCM-CO乳液膜以包装膜或涂膜方式应用于果蔬保鲜时,乳液膜可在果蔬表面形成一道致密的有机屏障,阻隔外界空气中的氧气进入果蔬有机体,仅有少量氧气可透过KCM-CO膜维持果蔬低强度的有氧呼吸。一方面乳化液滴的分布增进了氧气移动路径的曲折度,从而进一步降低了果蔬的呼吸强度[25];另一方面,果蔬呼吸作用产生一定量水蒸气,KCM-CO乳液膜的低WVP阻隔了大部分水蒸气的逃逸,少量水分子经过膜内曲折的孔道以及乳化液滴的疏水作用蒸发至外界,使果蔬贮藏期间的干耗得到抑制[3]。

图7 KCM-CO乳液膜的分子组装结构及作用机制设计
Fig.7 Molecular assembly structure and mechanism design of KCM-CO emulsion films

2.7 KCM-CO乳液膜色度和透明度分析

KCM-CO乳液膜的表面色度见表2。表2结果表明,MBP的添加对乳液膜的色度(L*、a*、ΔE)有显著影响(P<0.05)。随着MBP的添加,乳液膜的亮度(L*)先上升后下降,这是因为低MBP含量的乳液膜表面较为光滑,增强了折射和反射作用;而随着MBP含量升高,乳液膜表面更加粗糙,光反射下降。a*和ΔE显著变化,这是由于MBP与前体系相容改变了组分配比,自身所带颜色也改变了乳液膜色度[26]。

表2 KCM-CO乳液膜的色度变化
Tab.2 Color changes of KCM-CO emulsion films

样品L*a*b*ΔEKC-CO87.61±0.12cd0.55±0.017a8.06±0.168a1.35±0.11cK58C40M2-CO87.82±0.02b0.47±0.05b8.02±0.12a1.59±0.18bK56C40M4-CO88.26±0.06a0.39±0.04c7.8±0.06a1.65±0.04abK54C40M6-CO87.83±0.015bc0.33±0.02d8.43±0.02a1.73±0.03abK52C40M8-CO87.57±0.03d0.27±0.04e8.57±0.01a1.713±0.03abK50C40M10-CO87.39±0.08d0.28±0.04de8.73±0.07a1.820±0.08a

不同小写字母表示同列数据差异显著(P<0.05)。

作为食品包装薄膜,膜的透光率非常重要,透光率越大,膜的透明性越好。KCM-CO乳液膜透光率见图8。由图8可知,相较于KC-CO膜,添加了MBP的乳液膜的透光率下降,因为MBP逐渐乳化山茶油滴,粒径下降,分布于KC网络的液滴密度增大,减小了透光率[27]。

图8 KCM-CO乳液膜的紫外-可见光透光率
Fig.8 UV-vis transmittance of KCM-CO emulsion films

3 结 论

MBP的添加促进了KCM-CO乳液膜的结构和性能改善。MBP乳化了山茶油,阻止了油滴聚集,降低了表面张力。与KC-CO相比,KCM-CO乳液液滴的粒径减小,平均粒径减小了35.1%,乳液体系更为均匀。MBP在乳液体系中相容性良好,所形成的乳液膜连续、致密。MBP乳化山茶油形成的液滴均匀分布于KC多糖网络中,并以氢键相结合,MBP的添加提升了乳液膜的断裂伸长率,增幅达27%,增进了孔道的曲折性和界面数。乳液膜表面粗糙度的增大以及疏水性液滴的分散使乳液膜的WCA明显提高。KCM-CO乳液膜的WVP和过氧化值得以显著改善,分别降低了43%和52.9%,增强了对外阻隔氧气和对内阻隔水分的能力,有利于抑制果蔬呼吸强度。KCM-CO乳液膜在果蔬保鲜中具有一定的应用潜力。

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Effects of Mung Bean Protein on Structure and Properties of Konjac Glucomannan-Based Camellia Oil Emulsion Films

JIANG Jun, LIU Sijia, LI Zhixiong, PIAO Jianhang, WANG Yuehe, XU Wenlin, CHEN Kai*

(School of Life and Health Sciences, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China)

Abstract：To improve the structure and properties of konjac glucomannan (KGM)-based camellia oil emulsion film, mung bean protein (MBP) was added to construct KGM/curdlan (Cur)/MBP-CO emulsion system (KCM-CO). The results of droplet size distribution of KCM-CO emulsions showed that the compatibility of MBP and KC-CO system was good, and the average droplet size decreased by 35.1%, and the average droplet size of K54C40M6-CO was the lowest of 32.73 μm, and the distribution was uniform. Scanning electron microscope and FTIR spectra analysis showed that the microstructure of the KCM-CO emulsion films were continuous and dense, and the MBP emulsified droplets were uniformly distributed in the KGM/Cur (KC) polysaccharide network combined by hydrogen bonds. The addition of MBP resulted in a 27% increase in elongation at break, but a significant decrease in tensile strength. The increase of distribution of hydrophobic droplets on the surface of the emulsion films and the roughness caused the water contact angle to increase significantly, up to 101.4° at most, showing strong hydrophobicity. With the addition of MBP, the water vapor and oxygen barrier properties of KCM-CO emulsion films were significantly improved, and the water vapor permeability and peroxide values decreased by 43% and 52.9%, respectively. These would be conducive to inhibiting the respiratory metabolism of fruits and vegetables during storage and transportation.The light transmittance of KCM-CO emulsion films was decreased, which was conducive to improving the light barrier of food packaging. KCM-CO emulsion films showed certain application potential in food preservation.

Keywords：konjac glucomannan; curdlan; mung bean protein; camellia oil; emulsion film; barrier properties; preservation

中图分类号：TS206.4

文献标志码：A

doi：10.12301/spxb202400156

文章编号：2095-6002(2025)01-0117-09

引用格式：江军,刘思佳,李志雄,等.绿豆蛋白对魔芋葡甘聚糖基山茶油乳液膜结构和性能的影响[J]. 食品科学技术学报,2025,43(1):117-125.

JIANG Jun,LIU Sijia,LI Zhixiong,et al. Effects of mung bean protein on structure and properties of konjac glucomannan-based camellia oil emulsion films[J]. Journal of Food Science and Technology, 2025,43(1):117-125.

收稿日期：2024-03-12

基金项目：湖北省教育厅科研计划项目(Q20211408);大学生创新创业训练项目(S202210500068、202310500044)。

Foundation：Scientific Research Project of Education Department of Hubei Province (Q20211408);College Students’ Innovation and Entrepreneurship Training Program (S202210500068,202310500044).

第一作者：江 军,男,硕士研究生,研究方向为食品软物质结构与功能。

*通信作者：陈 凯,男,副教授,博士,主要从事食品软物质结构与功能方面的研究。

(责任编辑：张逸群)