南方农业学报JournalofSouthernAgriculture2018，49（5）：979-9855期2095-1191；ISSNCODENNNXAABhttp://www.nfnyxb.com·979·DOI：10.3969/j.issn.2095-1191.2018.05.22壳聚糖基褐藻多酚可食膜的制备工艺优化
2
史建如1，，孙
3
永1，，刘
3
楠1，，赵
33*
峰1，，周德庆1，
（1中国水产科学研究院黄海水产研究所，山东青岛266071；2上海海洋大学食品学院，上海
3
201306；
海洋国家实验室海洋药物与生物制品功能实验室，山东青岛266235）
摘要：【目的】优化壳聚糖基褐藻多酚可食膜的制备工艺，为可食性包装膜的开发和应用提供参考依据。【方法】以壳聚糖和羧甲基纤维素钠（CMC）为成膜基础材料，采用流延法制备可食膜，以抗拉强度、断裂伸长率和水蒸气透过率为考察指标，通过多指标综合评分结合正交试验的方法确定壳聚糖基褐藻多酚可食膜的最佳制备工艺，并对可食膜进行性能表征。【结果】各因素对壳聚糖基褐藻多酚可食膜物理性能的影响排序为壳聚糖浓度>甘油浓度>CMC浓度>褐藻多酚浓度，其中壳聚糖浓度和甘油浓度对可食膜的物理性能影响显著（P<0.05）。优化后的可食膜制备工艺条件为：壳聚糖浓度1.5%、甘油浓度1.0%、褐藻多酚浓度0.4%、CMC浓度2.0%，在此条件下制得的可食膜物理性能较好，其平均拉伸强度为24.78MPa，断裂伸长率为36.94%，水蒸气透过率为0.445g·mm/（m2·h·kPa），综合评分69.06分。复合膜各组分间相容性较好，膜表面平整致密。【结论】优化工艺制得的壳聚糖基褐藻多酚可食膜具有良好的成膜性能和微观结构，为研发新型可食性包装膜提供了新思路。
关键词：壳聚糖；褐藻多酚；羧甲基纤维素钠；制备工艺；成膜性能中图分类号：S968.42；TS206.4
文献标志码：A
文章编号：2095-1191（2018）05-0979-07
Preparationtechnologyoptimizationofchitosanbased
phlorotanninsediblefilms
23333*
SHIJian-ru1，，SUNYong1，，LIUNan1，，ZHAOFeng1，，ZHOUDe-qing1，
（1YellowSeaFisheryResearchInstitute，ChineseAcademyofFisheryScience，Qingdao，Shangdong266071，
2
China；CollegeofFoodScience&Technology，ShanghaiOceanUniversity，Shanghai201306，China；3
LaboratoryforMarineDrugsandBiologicalProducts，QingdaoNationalLaboratoryforMarineScience
andTechnology，Qingdao，Shandong266235，China）Abstract：【Objective】Thepreparationtechnologyofchitosanbasedphlorotanninsediblefilmswasoptimized，inor-dertoprovidetheoreticalreferencesforthedevelopmentandapplicationofediblefilms.【Method】Usingsodiumcarboxy-methylcellulose（CMC）andchitosanasfilmmaterials，theediblefilmswerepreparedbytapecastingmethod.Withten-silestrength，elongationatbreakandwatervaporpermeabilityasevaluationindexes，theoptimalpreparationconditions
ofediblefilmsofchitosanbasedphlorotanninsweredeterminedbymulti-indexcomprehensivescoringcombinedwithor-thogonaltest，andthepropertiesoftheediblefilmswerecharacterized.【Result】Theeffectsofeachfactoronphysicalpropertiesoftheediblefilmswasrankedasfollows:chitosanconcentration>glycerolconcentration>CMCconcentration>polyacylphenolconcentration，inwhichthechitosanconcentrationandglycerolconcentrationhadsignificanteffectsonthephysicalpropertiesofediblefilms（P<0.05）.Theoptimalpreparationconditionsofediblefilmswereobtainedasfo-llows：chitosanconcentration1.5%，glycerolconcentration1.0%，phlorotanninsconcentration0.4%andCMCconcentra-tion2.0%.Undertheaboveoptimumconditions，theediblefilmsshowedbetterphysicalpropertieswithaveragetensilestrengthof24.78MPa，elongationatbreakof36.94%，watervaporpermeabilityof0.445g·mm/（m2·h·kPa）andcom-prehensivescoreof69.06.Thereweregoodcompatibilitiesbetweencomponentsofthepreparedcompositeediblefilms.Thefilmsurfacewassmoothanddense.【Conclusion】Thechitosanbasedphlorotanninsediblefilmspreparedbyopti-mizedtechnologyhavefilm-formingpropertyandmicrostructure，whichprovidesanewpathfordevelopingediblefilms.
Keywords：chitosan；phlorotannins；sodiumcarboxymethylcellulose；preparationtechnology；film-formingpro-perty
收稿日期：2018-01-19基金项目：中央级公益性科研院所基本科研业务费专项项目（20603022017009）；山东省农业重大应用技术创新项目（2016）作者简介：*为通讯作者，周德庆（1962-），博士，研究员，主要从事水产品加工与综合利用研究工作，E-mail：zhoudq@ysfri.ac.cn。
史建如（1991-），研究方向为海洋功能性食品，E-mail：hudashijianyu@163.com
·980·南方农业学报49卷0引言
【研究意义】壳聚糖是甲壳素部分脱乙酰后的产物，是少数存在于自然界中的天然碱性多糖，具有无毒、来源广泛、可降解及成膜性好等特点（闫岩等，2012）。相关研究表明，壳聚糖薄膜能抑制被包装食品表面微生物的生长和繁殖（王亚珍，2015；Wangetal.，2016），但单一壳聚糖膜在阻隔性能和抑菌性能上存在一定缺陷（Xuetal.，2005）。羧甲基纤维素钠（CMC）是纤维素的衍生物之一，成膜性好，透明度高，机械性能好，但易吸湿（王卉等，2016；Jahitetal.，2016）。褐藻多酚属褐藻类的次生代谢产物，具有抑菌、抗氧化及降血脂等生物活性功能（林超等，2006；许亚如，2014）。采用流延法制备具有抑菌和抗氧化性能的壳聚糖基褐藻多酚可食膜，并优化其制备工艺，对新型可食包装材料的研究和应用具有重要意义。【前人研究进展】以壳聚糖为成膜材料，制备性能各异的改性复合膜已成为食品包装与保鲜领域的研究热点。吴晓霞等（2008）制备了壳聚糖/CMC复合膜，发现其能明显改善壳聚糖膜的机械性能和阻隔性能。Sindhu和Temilia（2008）制备了壳聚糖/淀粉复合膜，适量淀粉的添加可增加复合膜的拉伸强度和断裂伸长率。王丽岩（2013）对制备的壳聚糖/茶多酚复合膜和壳聚糖/金银花提取物复合膜进行性能表征，发现茶多酚和金银花提取物对壳聚糖膜的抗氧化活性有协同增效作用。Bonilla和Sobral2016）研究了添加肉桂、瓜拉纳和迭迭香等提取物的壳聚糖/明胶复合膜的理化性质及抑菌和抗氧化性能，结果表明，添加一定比例的壳聚糖能增加膜的柔韧性，降低水蒸气透过率，复合膜表现出良好的理化性质和抗氧化活性，且对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌生长有较强的抑制能力。陈红等（2017）采用流延法制备了壳聚糖/微晶甾醇可食性复合膜，甾醇添加量为9%的复合膜综合性能较好，抑菌能力随着甾醇添加量的增加而明显增强。匡衡峰等（2017）研制了纳米ZnO/壳聚糖复合膜，发现其作为包装衬垫对冷藏猪肉的鲜度控制有显著效果。【本研究切入点】油脂氧化是食品腐败的重要原因之一，目前已有关于抗氧化可食膜制备的研究（彭勇等，2013；李鹏等，2014；Sadykova，2017），得出茶多酚、牛至精油等含有酚类化合物的天然提取物能提高可食膜的抗氧化性能。褐藻多酚具有较强的自由基清除活性，是一种天然的抗氧化剂（许亚如，2014），但至今未见将褐藻多酚应用于可食性包装膜的研究报道。【拟解决的
关键问题】采用流延法制备壳聚糖基褐藻多酚可食
膜，通过单因素试验和正交试验考察壳聚糖浓度、甘油浓度、褐藻多酚浓度和CMC浓度等因素对可食膜的物理性能影响，优化制膜工艺，并对可食膜进行性能表征，为可食性包装膜的开发和应用提供参考依据。
1材料与方法
1.1
试验材料
褐藻多酚（纯度90%）由陕西斯诺特生物技术有限公司提供，壳聚糖（脱乙酰度94%）和CMC（黏度300~800mPa·s）购自国药集团化学试剂有限公司，甘油和乳酸均为国产分析纯，试验用水为去离子水；有机玻璃［聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）］板由青岛维亚克塑胶有限公司订制。主要仪器设备：IKAMAG-RT5power加热恒温磁力搅拌器（德国IKA公司）、数显恒温水浴锅（北京长风仪器仪表有限公司）、SB25-12DTD型数控超声波清洗机（宁波新芝生物科技股份有限公司）、XT5118L-OV50电热恒温鼓风干燥箱、TA.XT.Plus型物性测试仪（英国StableMicroSystems公司）、JSM-840型扫描电子显微镜（日本东京电子公司）。1.2可食膜制备
壳聚糖膜液：称取一定量壳聚糖和褐藻多酚，溶于100mL2%（v/v）乳酸水溶液中，磁力搅拌至完全溶解，加入一定量甘油继续搅拌，超声波处理脱气，静置备用。CMC膜液：称取一定量CMC，溶于100mL去离子水中，60℃水浴下不断搅拌至完全溶解，超声波处理脱气，静置备用。
采用流延法将24gCMC膜液均匀涂布于自制PMMA模具（12.0cm×16.0cm×0.6cm）中，将24g壳聚糖膜液涂布于CMC湿膜上层，制备双层复合膜；50℃干燥约5h成膜，将其冷却后小心揭下，置于相对湿度50%的干燥器平衡48h，备用。1.3可食膜制备工艺优化
1.3.1单因素试验以拉伸强度（Tensilestrength，TS）、断裂伸长率（Elongationatbreak，EAB）和水蒸气透过率（Watervaporpermeability，WVP）为考察指标，对壳聚糖浓度、甘油浓度、褐藻多酚浓度和CMC浓度4个因素进行单因素试验。壳聚糖浓度分别设为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%，甘油浓度分别设为0、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%，褐藻多酚浓度分别设为0、0.2%、0.4%、0.6%和0.8%，CMC浓度分别设为1.0%、1.5%、2.0%、2.5%和3.0%。1.3.2正交试验以拉伸强度、断裂伸长率和水蒸气透过率为考察指标，依据单因素试验结果进行（（上海精宏实验设备有限公司）5期史建如等：壳聚糖基褐藻多酚可食膜的制备工艺优化
·981·4
L（正交试验，采用加权综合评分法考察壳聚糖基93）
褐藻多酚可食膜的制备工艺。结合该工艺的特点及相关文献（刘莉莉，2014；吴琼，2014；万露等，2015），权衡各指标对可食膜的综合性能影响，设定拉伸强
4表1L（正交试验因素与水平93）
4
Table1FactorandlevelofL（93）orthogonalexperiment
度、断裂伸长率和水蒸气透过率的权重系数分别为
0.4、0.4和0.2，对正交试验数据进行综合分析，综合评分=100×0.4×XTS/XTSmax+100×0.4×XEAB/XEABmax-100×0.2×XWVP/XWVPmax。正交试验因素与水平见表1。
水平Level123
因素Factor
A：壳聚糖浓度（%）Chitosanconcentration
1.01.52.0
B：甘油浓度（%）Glycerolconcentration
0.51.01.5
C：褐藻多酚浓度（%）Phlorotanninsconcentration
0.20.40.6
D：CMC浓度（%）CMCconcentration
1.52.02.5
1.4
成膜性能考察
采用TA.XT.Plus型物性测试仪测定拉伸强度和断裂伸长率，样品裁成3cm×10cm，初始间距60mm，拉伸速度60mm/min，测试前先在温度25℃、相对湿度50%的条件下平衡72h，试验重复5次以保证重现性（王亚珍，2015；王丽媛等，2016）；拟杯子法测定水蒸气透过率（Fabraetal.，2010）；采用JSM-840型扫描电子显微镜在不同放大倍数下观察膜样品的表面和断面微观结构。1.5统计分析
试验数据采用Excel2003、正交设计助手Ⅱ3.1和SPSS17.0进行统计分析。
２０．００１５．００ｃｅ１０．００５．０００．０００．５壳聚糖浓度（%）Chitosanconcentration图1
2结果与分析
2.1单因素试验结果分析
2.1.1壳聚糖浓度对成膜性能的影响在甘油浓度1.0%、褐藻多酚浓度0.2%、CMC浓度2.0%的条件下，考察不同壳聚糖浓度对成膜性能的影响。由图1可知，壳聚糖浓度对壳聚糖基褐藻多酚可食膜的拉伸强度和断裂伸长率影响显著（P<0.05，下同），随着壳聚糖浓度的增加，可食膜的拉伸强度和断裂伸长率均表现为先增大后减小，当壳聚糖浓度在1.5%~2.0%时，拉伸强度和断裂伸长率相对较好。由图2可知，水蒸气透过率随着壳聚糖浓度的增加先减小后增大，在低浓度条件下，随着壳聚糖浓度增加，壳聚糖与CMC和甘油等分子的相互作用增强，此时分子排列紧密，膜的机械性能有所增强，水蒸气不易通过；当壳聚糖浓度大于2.0%时，壳聚糖分子上携带的氨基斥力增强，分子链伸展，分子不能有序排列，导致膜的致密性下降，拉伸强度下降，且膜液黏度较大，复合膜厚薄不均匀，表面不平整。综合考虑各项指标，壳聚糖浓度在1.0%~1.5%的范围内可食膜性能最佳。
2.1.2甘油浓度对成膜性能的影响在壳聚糖浓
壳聚糖浓度对壳聚糖基褐藻多酚可食膜拉伸强度和断裂伸长率的影响
Fig.1Effectsofchitosanconcentrationontensilestrength（TS）
andelongationatbreak（EAB)ofchitosan-basedphlo-rotannisediblefilms
同一折线上的不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。图2~图8同
Differentlowercaselettersonthepolylinerepresentedsignificantdiffe-rence（P<0.05）.ThesamewasappliedinFig.2-Fig.8
2水蒸气透过率［g·mm（/m·h·kPa）］WVP１．００００．８０００．６０００．２０００．４００ｃｅｄｂａ０．００００．５１．０１．５２．０２．５壳聚糖浓度（%）Chitosanconcentration图2
壳聚糖浓度对壳聚糖基褐藻多酚可食膜水蒸气透过率的影响
Fig.2Effectsofchitosanconcentrationonwatervaporpermea-blilty（WVP）ofchitosanbasedphlorotannisediblefilms
度1.5%、褐藻多酚浓度0.2%、CMC浓度2.0%的条件下，考察不同甘油浓度对成膜性能的影响。由图3和图4可知，在低浓度范围（0~1.5%）内，随着甘油浓度的增加，可食膜的拉伸强度减小，断裂伸长率增大，水蒸气透过率先减小后逐渐增大；甘油浓度2.0%制备的可食膜水蒸气透过率显著高于不添加及其他浓
断裂伸长率（%）EAB拉伸强度（MPa）TS３０．００２５．００ｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈTS拉伸强度Ｔｌｏｎｇａｔｉｏｎ ａｔ ｂｒｅａｋ断裂伸长率ＥEAB断裂伸长率ａ４０．００ａ５．００ｂ３ｂ３０．００２５．００ａ２０．００ｂｃ１５．００ｄ１０．００５．０００．００１．０１．５２．０２．５
___________壳聚糖基褐藻多酚可食膜的制备工艺优化___________
