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可食性明胶膜研究新进展
加入时间:2018年4月25日10:26
                                 可食性明胶膜研究新进展
                       孙皎皎1,董文宾1,许先猛1,2,缑敬轩1
    (1.陕西科技大学生命科学与工程学院,西安 710021;2.运城职业技术学院有机食品工程系,运城 044000)
    摘要:可食性明胶膜主要由猪、牛及鱼皮明胶制成,具有营养价值高、生物可降解性及生物相容性好、抑菌、抗氧化等特点,是一种安全的天然生物食用材料,有助于解决部分食品安全问题,可作为优良的天然食品添加剂、食品包装材料来使用,达到避免微生物污染、重金属迁移、能量传递,并延长产品货架期的目的。从原材料来源、制备、复合及应用等方面进行阐述:不同来源的明胶其结构性能有差异,鱼皮明胶受到了广泛的重视;不同加工工艺及试剂的选择对可食性明胶膜的性能影响显著,如:溶液浓度、pH值、增塑剂、交联剂、金属离子等;复合明胶膜可有效改善明胶膜的机械性能和生物性能,降低生产成本,拓宽其应用范围;可食性明胶膜的开发应用正在大力展开,可望成为优良的生物材料。
    关键词:明胶;可食性明胶膜;复合膜;性能;应用
    中图分类号:TS 251.92 文献标志码:A 文章编号:1005-9989(2014)11-0114-04
    近年来,食品安全问题备受关注,毒胶囊、毒大米、毒金针菇吸引了大众的眼球,企业频陷“质量门”,如何保障食品安全被提上了议程,寻找安全可靠的食用材料至关重要。明胶是胶原蛋白部分水解的产物,主要来自于动物的皮、骨、筋腱等。而明胶是由多种氨基酸组成的蛋白质结构的大分子,天然聚合物没有抗原性,在体内能被完全吸收,营养价值较高、透明性好[1],良好的生物可降解性及生物相容性[2]。因此,可食性明胶膜是一种安全的天然生物食用材料,具有很大的开发潜力。
    1· 不同原料对可食性明胶膜性质的影响
    可食性明胶膜的原料主要来源于牛、猪等的皮和骨,现在国内外对鱼皮明胶也进行了大量的研究。皮革制品的下脚料也能制备明胶,但是考虑到其中重金属含量过高,尤其是皮革鞣制时导致铬含量大大超标,因此,一般不用皮革下脚料来制备可食性明胶膜。
    目前市售优质明胶通常来自于猪和牛的加工副产品,然而,对于某些特殊人群,这类畜产来源的明胶不被接受,如穆斯林和犹太人,他们不食用猪肉制品,还有消费者担心牛海绵状脑病、猪流感等的影响,因此也不食用猪明胶和牛明胶。在这种情况下,鱼明胶受到了广泛关注,丰富的鱼类加工行业的副产品,如鱼皮、鱼鳍和鱼骨等,越来越多的国内外专家学者对其进行了研究,并证明了其是一种很好的猪/牛明胶的替代物。
    Saroat Rawdkuen等人[3]对淡水养殖的巨型鲶鱼皮明胶和罗非鱼皮明胶的性质与市售牛皮明胶进行了对比。发现巨型鲶鱼皮明胶比牛皮明胶的乳化能力低,起泡性、持水力和脂肪结合能力强,可以作为理想的食品添加剂来使用。
    对于不同来源的明胶,现在较好的区别其来源的方法就是聚丙烯酰胺凝胶电泳,快速、简单、不需要昂贵的设备,但其对蛋白质分离要求很高,因此,T.Nur Azira等人[4]研究了利用十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)来对样品主要成分分子量进行分析,从而区分猪、牛明胶。鱼明胶中脯氨酸和羟脯氨酸含量比哺乳动物明胶中的含量低,因此,我们同样可以按照上述思路对鱼明胶进行研究,从而使鱼明胶和猪、牛明胶可以区别开来。
    2 ·可食性明胶膜的制备及其影响因素
    常用的制备可食性明胶膜的方法之一就是将明胶置于呈有水的烧杯中,在一定温度下溶胀一段时间,搅拌至完全溶解,添加增塑剂、交联剂或其他物质,搅拌均匀后消泡、静置,然后涂抹或者倾倒于一定的容器上,干燥后揭膜备用。也可直接将食品置于溶液中,拿出干燥后形成膜。
    可食性明胶膜的质量受很多因素的影响,如:溶液浓度、pH值、增塑剂、交联剂、金属离子、酶等。通常评价明胶膜质量的指标有:断裂伸长率、抗拉强度、阻隔性能、水蒸气透过率、溶解度、溶胀和保水能力等。
    不同的前处理对可食性明胶膜的性质影响很大。研究表明,明胶浓度增加,可食性明胶膜的透明度会下降,干燥时间延长。由于明胶分子中含有大量的氨基和羧基,因此pH对可食性明胶膜的影响也比较大,成膜液在酸性条件下制备的明胶膜抗拉强度较低,随着pH值的增大,在中性条件下,可食性明胶膜的抗拉强度达到最大值,然后逐渐减小[5]。
    明胶含有纤维状的三元螺旋结构,由链间的交联和空隙间的水形成了网络结构,当明胶胶凝时,水被挤出蛋白质的矩阵收缩为橡胶态的膜,干燥后即变为玻璃态的明胶膜。为了制备出性能更加优良的可食性明胶膜,需通过添加一些物质来改善明胶的凝胶性能,如增塑剂和交联剂等。通常增塑剂可以改善明胶膜的脆性,减小其机械强度和热稳定性。交联能有效提高明胶膜的机械性能和热稳定性,减缓明胶的降解速率。交联包括化学交联、生物相容性交联和物理交联。常用的增塑剂有如甘油、甘露糖、山梨醇、聚乙二醇、乙二醇等。现在用于可食性明胶膜中的交联主要是酶制剂、天然交联剂和物理交联方法。
    甘油是常用的增塑剂,林海莉等人[5]研究表明,随着甘油用量的增加,明胶膜抗拉强度降低,断裂伸长率相应增加,柔韧性增强。添加乙醇会影响膜的干燥速度,影响明胶分子的网络结构,随着乙醇用量的增加,可食性明胶膜的抗拉强度会先增大后减小,当乙醇用量为明胶的10%时,明胶膜具有最大的抗拉强度。
    醛类是最常用的交联剂,但由于醛类对人体有毒,因此不能大量用于明胶膜改性。生物材料共混改性也是明胶膜改性的一个重要手段,在提高明胶膜机械性能的同时又可赋予其新的生物特性,常用于改性的生物高分子主要包括:壳聚糖、海藻酸、甲壳素等[6]。
    明胶的凝胶强度对其成膜性有直接的影响。可能是由于氨基酸含量低,鱼明胶的凝胶强度比猪/牛明胶较弱,因此,通常磷酸化来对其进行前处理,提高其凝胶强度。磷酸基团可与部分氨基酸结合,然而磷酸化明胶链可能发生聚集,无法形成精细均匀的凝胶网络。Phanngam Kaewruang等人[7]研究证实,在单角革鲀皮明胶溶胀过程中添加0.25%三聚磷酸钠、pH9、65 ℃条件下反应1h,可使明胶带负电荷,增强离子相互作用,获得凝胶强度较高、具有精细有序网络结构的明胶。
    Phanngam Kaewruang等人[8]对磷酸化鱼明胶还进行了进一步的研究,探索了氯化钙和氯化锌对其的影响,研究表明,20 μmol/L CaCl2与磷酸化鱼明胶结合产物可比同浓度ZnCl2与磷酸化鱼明胶结合产物的凝胶强度高,比对照组高15.7%,然而,盐浓度达到40 μmol/L时,凝胶强度会下降。研究还证实了与氯化钙结合后的磷酸化鱼明胶与牛明胶的硬度在一定程度上差异不显著,可在25%的水平上代替牛明胶。因此,改性后的鱼明胶是一种很好的牛明胶的替代品。
    Alexandre da Trindade Alfaro等人[9]对瓦米罗非鱼鱼皮明胶进行了研究。研究表明,当pH值5.0时,其黏度达到最大值;加入MgSO4、蔗糖和转谷氨酰胺酶时,可增加其熔点和凝胶强度;加入MgSO4可改善其流变性能,达到哺乳动物明胶的水平,而添加NaCl、KCl和MgCl2则会降低其流变性能。
    姜燕等人[10]对谷氨酰胺转移酶对明胶成膜特性的影响进行了研究,研究发现在成膜溶液中加入谷氨酰胺转氨酶(8 U/g蛋白),可以使明胶的抗拉强度和表面疏水性有所改善,明显降低了膜的水分含量、总可溶性物量及透光率,提高了断裂伸长率,且蛋白质产生了共价交联。
    3· 复合明胶膜的特点
    由于明胶膜高度的亲水性,其机械性能和阻隔性较弱,且会使水分子透过,其不具备很好的包装性能,除了通过化学试剂来改善其性能外,还可通过与其他材料复合的方法。明胶可以与壳聚糖、淀粉、纤维素、脂类等组成复合膜来提高其性能,降低其成本,并且将明胶与高聚物共混、共聚改性,可以改善明胶膜的性能以满足不同领域的应用,充分发挥其优势。
    Gholamreza Kavoosi等人[11]对含多壁碳纳米管的明胶复合膜进行了研究。研究表明,掺入多壁碳纳米管的明胶复合膜,其水中溶解度、吸水率和水蒸气透过系数显著降低,拉伸强度显著增加,物理性能的改变,使其对革兰阴性菌和革兰阳性菌都有显著的抗菌能力。因此,多壁碳纳米管明胶复合膜是一种很好的生物医药和食品包装领域的替代材料。
    Gholamreza Kavoosi等人[12]还对香芹酚-明胶复合膜进行了研究。以甘油为增塑剂、戊二醛为交联剂,加入香芹酚,发现其各方面性能有所提高,且具有了很好的抗氧化和抗菌性能,可作为很好的食品包装材料。
    Paulraj Kanmani等人[13]对银纳米粒子-明胶复合薄膜进行了研究。通过溶剂流延法使银纳米粒子与明胶溶液混合制备复合膜,银纳米粒子的加入影响了膜的物理和机械性能,降低了水蒸气透过率和抗拉强度,对鼠伤寒沙门氏菌、蜡状芽孢杆菌等食源性致病菌的抗菌能力明显增强,可望成为保证食品安全、延长保质期的活性食品包装材料。
    4· 可食性明胶膜的应用
    可食性明胶膜的应用领域比较广泛,不仅可以作为自营养性的覆盖膜和可食性包装膜,还可通过成膜形式发挥更多的功效,如果品蔬菜保鲜、药品缓释、医用载体等。
    白立峰等人[14]采用超声波法和逆向蒸发法来制备奥硝唑纳米囊泡,通过添加羧甲基壳聚糖和少量的戊二醛对明胶进行改性处理,使其机械性能得到了明显的改善,通过共混的方法制备含有奥硝唑纳米囊泡的明胶缓释膜(简称奥硝唑纳米囊泡膜),并研究了载药纳米囊泡的稳定性、体外释药性,载药膜加入囊泡前后体外累积释药性的变化。实验证明,载药纳米囊泡膜同时具有载药膜和载药纳米囊泡的药物释放性能,明显改善了载药膜的药物缓释性和突释现象,扩展了载药膜和载药囊泡的应用范围。
    Phakawat Tongnuanchan等人[15]制备3.5%(w/v)的鱼明胶溶液,70 ℃条件下加热30 min,加入30%(w/w)的甘油作为增塑剂。将叶精油与2 5 % ( w /w)的大豆卵磷脂进行混合,然后按照1:1(w/w)的比例加入到明胶溶液中。在22000 r/min条件下均质3 min,并用真空泵除去溶解在溶液中的空气。将溶液倒于树脂板上,室温下吹12 h,然后在25 ℃、(50±5)% RH条件下进一步干燥,干燥完毕后人工剥离待用。制备所得的叶精油-鱼皮明胶膜机械性能和WVP都得到改善,抗氧化活性明显增强,可作为良好的生物活性包装使用。Phakawat Tongnuanchan等人[16]对根精油-鱼皮明胶膜也进行了研究,发现其具有较高的清除自由基的能力,且抗氧化能力与根精油和明胶的结合有关。
    5 ·前景展望
    可食性明胶膜现已在食品、医学等领域起到了重要的作用,越来越多的学者将目光转向了它。可食性明胶膜的优点在于具有良好的生物相容性和生物降解性;是天然的聚合物,没有抗原性,在体内能被完全吸收;有大量的功能基团能被化学交联,理化性质易被调节。然而,其也存在不足,如机械性能较差、阻隔性能较差、应用单一等。在今后的研究中,可加强对膜的改性、复合方面的研究,拓宽其应用领域;对抗氧化、抑菌等功能性明胶膜要进一步加以探索,明确其作用机制,强化其功效;可加强对双层膜等多种膜形式进行探索,充分发挥其价值。
    参考文献:略
文章来自:中国食品添加剂应用网
文章作者:webmaster
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