柑橘加工过程中,产生大量的废弃物如果皮、果渣和种子,这些废弃物目前未被高价值利用,大多数被填埋或造粒用作动物饲料[1]。中国是柑橘属植物的重要起源中心之一,拥有丰富的种质资源和种植面积[2]。江西省是中国主要的脐橙、马家柚和南丰蜜桔产区之一,随着近年栽种面积逐渐扩大,限制其加工工业发展的皮渣处理问题亟待解决。近年来,开发生物基包装薄膜作为替代环保材料,以减少合成和使用石油基塑料带来的健康和环境问题受到越来越多的关注[3]。柑橘皮渣含有丰富的纤维素、半纤维素、木质素和果胶[4],用作生物基材料具有巨大潜力。李见森等[5]通过单因素及正交试验利用柳橙皮干粉制备有较好力学性能和阻隔性能的可降解复合膜。MERINO等[6]将柑橘皮酸水解后与聚二甲基硅氧烷共混制得复合膜。柑橘废料生产的生物薄膜具有作为食品包装材料的潜力,这促进了资源的循环利用,可以作为有效利用柑橘废弃物的优选方案[7]。壳聚糖是自然界中广泛存在的高分子化合物,具有抗菌性、可降解性和成膜性[8]。关于柑橘皮与壳聚糖混合制备复合膜的研究较少,本试验通过响应面探究脐橙皮/壳聚糖膜力学性能较佳时各组分的配比。使用傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)和扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)对壳聚糖膜、脐橙皮复合膜、马家柚皮复合膜和南丰蜜桔皮复合膜进行表征,并探究薄膜的水蒸气渗透性、光阻隔能力和抗氧化能力。为脐橙皮、南丰蜜桔皮、马家柚果皮资源化利用提供参考。
纽荷尔脐橙,国家脐橙工程技术研究中心;南丰蜜桔,江西博君生态农业有限公司;马家柚,上饶市农垦实业集团有限公司。
壳聚糖(脱乙酰度90%),上海麦克林生化科技股份有限公司;ABTS、2,4,6-三吡啶基三嗪(2,4,6-tripyridin-2-yl-1,3,5-triazine,TPTZ)、DPPH、福林酚试剂、没食子酸标准品,国药集团化学试剂有限公司;NaOH、无水乙醇、无水乙酸钠、FeCl3等(分析纯),西陇科学股份有限公司。
AH1500高压均质机,安拓思纳米技术有限公司;电热鼓风干燥箱,上海博迅实业有限公司;万能试验机,美国INSTRON公司;紫外可见光分光光度计,北京普析通用仪器有限责任公司;傅里叶变换红外光谱仪,珀金埃尔默仪器有限公司;Quanta 450扫描电子显微镜,美国FEI公司。
1.4.1 柑橘皮/壳聚糖复合膜制备
柑橘剥皮,果皮清洗干净,置于水浴锅80 ℃灭酶30 min,鼓风干燥箱60 ℃干燥12 h,随后使用粉碎机粉碎,过100目筛收集柑橘皮粉末待用。
按膜液总质量计将适量壳聚糖溶解于体积分数1%乙酸溶液中,磁力搅拌器搅拌至完全溶解得壳聚糖溶液。同样,将适量柑橘皮粉末和甘油分散于蒸馏水中。随后,将等量的壳聚糖溶液和柑橘皮粉末悬浮液混合倒入高压均质机在40 MPa压力下均质4次。最后将膜液25 g倒入方形培养皿(12 cm×12 cm)中,40 ℃鼓风干燥箱中干燥12 h。所得样品置于25 ℃,相对湿度55%的恒温恒湿箱中。
1.4.2 柑橘皮复合膜力学性能测定
使用电子万能试验机测定薄膜的拉伸强度和断裂伸长率,将薄膜裁成矩形(2 cm×8 cm),夹紧距离设置为40 mm,以15 mm/min拉伸速度进行测试。
1.4.3 单因素试验
以脐橙皮为代表进行单因素和响应面试验优化,选定脐橙皮质量分数(2%、3%、4%、5%、6%)、壳聚糖质量分数(0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%)和甘油质量分数(0%、1%、2%、3%、4%)3个因素进行单因素试验,考察各单因素水平对柑橘皮复合膜拉伸强度和断裂伸长率的影响,以确定相关条件。
1.4.4 响应面试验设计
结合单因素试验结果,运用响应面分析法中的中心组合试验设计(center composite design, CCD),以柑橘皮复合膜拉伸强度和断裂伸长率为响应值设计响应面试验,响应面试验各因素水平见表1。
表1 中心组合试验因素与水平
Table 1 Control factors and levels of independent variables used in the central composite design
因素水平 -1.5-10+1+1.5壳聚糖质量分数(x1)/%0.40.611.41.6甘油质量分数(x2)/%0.10.411.61.9脐橙皮质量分数(x3)/%23578
以响应面优化后的配方分别制备脐橙皮复合膜、马家柚皮复合膜和南丰蜜桔皮复合膜,并进行以下性能测定。
1.4.5 柑橘膜厚度、含水率、水溶性测定
使用数显测厚仪随机测定薄膜5个位置取平均值,以确定每种薄膜厚度。
薄膜样品先称重(m1),然后在105 ℃下干燥24 h,再称重(m2),含水率计算如公式(1)所示。
含水率
薄膜样品先在105 ℃下干燥至恒重,称重(m1),室温下将其置于蒸馏水中振荡24 h,随后再在105 ℃干燥至恒重,称重(m2),水溶性计算如公式(2)所示。
水溶性
1.4.6 复合膜结构表征
用液氮将样品淬断得到样品截面,使用扫描电子显微镜在20 kV电压下扫描薄膜横截面;将样品破碎均匀,用KBr压片法,通过FTIR仪在500~4 000 cm-1扫描样品的FTIR光谱。
1.4.7 复合膜阻隔性能测定
将薄膜(1 cm×4 cm)置于石英比色皿中,通过紫外可见分光光度计在200~800 nm进行透射率扫描评估薄膜光学特性。
参考文献[9]并略有修改,将薄膜包裹在装有干燥硅胶的玻璃小瓶口并密封。所有玻璃小瓶放置在恒温恒湿培养箱(25 ℃,相对湿度68%)中,每12 h称重1次,持续72 h。柑橘皮复合膜的水蒸气渗透性(water vapor permeability, WVP)的计算如公式(3)所示。
式中:Δm,测试玻璃瓶重量变化,g;x,膜厚,mm;S,有效面积,m2;ΔP,薄膜两侧水蒸气压差,2 154.92 Pa;t,间隔时间,s。
1.4.8 复合膜抗氧化能力测定
参考文献[9]的方法测定壳聚糖膜和柑橘皮复合膜在两种模拟食物环境(体积分数10%和95%乙醇,下同)对自由基清除效果和铁离子还原能力。将200 mg薄膜分别置于10%和95%乙醇溶液(20 mL)的锥形瓶中,25 ℃ 100 r/min下振荡3 h后对提取液进行抗氧化和还原能力测定。
DPPH自由基清除能力测定:取1 mL提取液和1 mL DPPH溶液(0.2 mmol/L)混合均匀,暗处反应30 min,在517 nm处测定吸光值,分别用1 mL 10%和95%乙醇代替提取液与1 mL DPPH溶液混合均匀做对照,其计算如公式(4)所示。
DPPH自由基清除率
ABTS阳离子自由基清除能力测定:取0.1 mL柑橘皮复合膜提取液与2 mL ABTS工作液混合均匀后静置6 min,在734 nm处测定其吸光值,分别用0.1 mL 10%和95%乙醇代替提取液与2 mL ABTS工作液混合均匀做对照,其计算如公式(5)所示。
ABTS阳离子自由基清除率
(5)
铁离子还原能力测定(ferric reducing antioxidant power, FRAP):取1 mL样品提取液加入2 mL FRAP工作液混合均匀后避光反应15 min,在593 nm测吸光度。用不同浓度FeSO4溶液代替样品做标准曲线,y=5.250 7x+0.079 6,R2=0.999 2。
使用Design-Expert 12.0进行响应面试验设计,SPSS 22.0进行差异显著性分析,通过OriginPro 2021进行制图。
由图1-a可知,当壳聚糖和甘油质量分数不变,脐橙皮质量分数由2%增至6%时,所制得柑橘皮复合膜拉伸强度和断裂伸长率均先升高后降低,且均在脐橙皮含量为5%时较高。适量的柑橘皮加入薄膜可以增加壳聚糖间相互作用使其结构更加致密,提高薄膜拉伸强度[10],柑橘皮中多糖还具有增塑作用,可增加薄膜的断裂伸长率。随着柑橘皮含量继续增大,团聚和微孔出现增多,降低聚合物分子间的作用力[11],从而导致薄膜拉伸强度和断裂伸长率降低。选择脐橙皮质量分数为5%进行下一步响应面试验。
如图1-b所示,随壳聚糖质量分数由0.4%增至1.0%,脐橙皮复合膜拉伸强度和断裂伸长率逐渐增大,较高的聚合物浓度,导致交联点增加,增强分子链的缠结程度,提高柑橘皮复合膜的力学性能。选择壳聚糖质量分数为1%进行下一步响应面试验。
a-脐橙皮;b-壳聚糖;c-甘油
图1 脐橙皮质量分数、壳聚糖质量分数和甘油质量分数对拉伸强度和断裂伸长率的影响
Fig.1 Effects of peel content, chitosan content and glycerol content on tensile strength and elongation at break
由图1-c可知,随着甘油质量分数的增加,脐橙皮复合膜拉伸强度呈下降趋势,断裂伸长率呈上升趋势。甘油是应用广泛的塑化剂,可以减小壳聚糖基薄膜的刚度和脆性[12],增大其断裂伸长率。当甘油质量分数超过膜液质量2%时,所制得薄膜样品出现甘油析出现象,选择甘油质量分数为1%进行下一步响应面试验。
2.2.1 响应面试验设计与结果
在单因素试验的基础上,以拉伸强度(Y1)和断裂伸长率(Y2)为响应值,进行响应面中心组合试验优化,试验设计及结果见表2。
表2 中心组合试验设计与结果
Table 2 Experimental design and results of the central composite design
试验组壳聚糖质量分数/%甘油质量分数/%脐橙皮质量分数/%拉伸强度/MPa断裂伸长率/%11.41.675.74±0.358.79±0.41211515.09±0.1718.70±1.40311514.16±0.7519.62±1.0841.61514.32±0.3813.10±0.93511.958.45±0.3723.63±1.0161.40.4320.35±0.515.12±0.46711514.23±1.3117.77±1.4280.61.675.62±0.5312.77±1.10911514.10±1.2923.90±1.50101.41.6312.87±0.6718.78±0.75
续表2
试验组壳聚糖质量分数/%甘油质量分数/%脐橙皮质量分数/%拉伸强度/MPa断裂伸长率/%111.40.4716.38±0.753.75±0.42120.4155.37±0.177.94±0.43131187.96±0.4812.85±0.551411211.01±0.5617.44±0.841511515.96±1.2118.33±1.481610.1521.65±0.764.24±0.06170.61.634.86±0.6318.11±1.31180.60.4713.80±0.955.60±0.46190.60.4313.89±0.9211.70±0.53
2.2.2 模型方程的建立及显著性分析
回归模型方差分析显示(表3),拉伸强度和断裂伸长率的响应值模型决定系数R2分别为0.975 3、0.884 1,校正后分别为0.950 6、0.768 3,模型相关性良好,拉伸强度和断裂伸长率响应模型极显著(P<0.01),失拟项不显著(P>0.05),表明2个模型拟合度均较高[13]。其中,壳聚糖与脐橙皮质量分数的交互作用显著影响拉伸强度(P<0.05)。3个试验因素之间的交互作用对断裂伸长率的影响不显著(P>0.05)。
运用Design-Expert 12软件进行多元回归拟合,剔除不显著参数后得到的模型方程如下。
Y1=14.51+2.45x1-4.41x2-1.20x3-1.47x1x3-1.78x12-1.94x32
Y2=19.73+4.91x2-2.37x3-4.20x12-2.68x22-2.14x32
式中:x1、x2和x3,分别代表壳聚糖、甘油和脐橙皮质量分数。
表3 回归方程方差分析表
Table 3 Analysis results of regression and variance
来源df拉伸强度断裂伸长率平方和FP显著性平方和FP显著性模型9425.0639.56<0.000 1∗∗663.567.63 0.002 9∗∗x1174.9662.79<0.000 1∗∗1.270.131 40.725 4x21243.13203.67<0.000 1∗∗301.2131.180.000 3∗∗x3117.9915.070.003 7∗∗70.497.30.024 3∗x1x210.102 60.0860.776 03.270.338 40.575 1x1x3117.3314.520.004 2∗∗0.000 90.000 10.992 4x2x310.6670.558 80.473 87.710.798 10.394 9x12131.3726.280.000 6∗∗174.3618.050.002 1∗∗x2212.812.350.159 471.117.360.023 9∗x32137.2931.240.000 3∗∗45.474.710.058 2残差910.7486.96失拟项58.122.480.200 062.742.070.249 9纯误差42.6224.21总差18435.8750.52
注:*差异显著(P<0.05);**差异极显著(P<0.01)。
2.2.3 验证试验
以最大拉伸强度和断裂伸长率为目标,通过Design-Expert 12.0软件分析得到脐橙皮复合膜最优条件为壳聚糖质量分数1.119%、脐橙皮质量分数4.074%、甘油质量分数0.929%,预测得到的拉伸强度为15.94 MPa,断裂生长率为19.21%。结合实际条件,脐橙皮复合膜配方调整为壳聚糖质量分数1.10%、脐橙皮质量分数4.10%、甘油质量分数0.90%,进行5次试验,拉伸强度为(15.76±0.66) MPa,断裂伸长率为(19.23±1.52)%。拉伸强度试验值与预测值相对误差为3.40%,断裂伸长率试验值与预测值相对误差为5.01%,说明该响应面模型较为可靠且能较好优化脐橙皮复合膜力学性能。
如表4所示,与壳聚糖膜相比,3种柑橘皮复合膜成膜溶液的固体含量更多使柑橘皮复合膜厚度和溶解度显著增加(P<0.05),柑橘皮复合膜之间厚度和溶解度差异不显著(P>0.05)。柑橘皮复合膜水分含量在16.59%~20.78%,显著低于壳聚糖膜(P<0.05),可能是壳聚糖膜的水分子被柑橘皮颗粒所取代,或者是柑橘皮的存在改变了壳聚糖膜内聚合物网络的结构和性质,从而降低其锁水能力[14]。
生物基复合膜的力学性能是其开发运用于不同场景的关键参数,良好的抗拉强度和断裂伸长率是生物薄膜优化的主要方向。与纯壳聚糖膜相比,柑橘皮复合膜抗拉强度均显著增大,断裂伸长率显著减少(P<0.05),如前文所述,适量的柑橘皮加入薄膜可以增加基体间相互作用使结构致密从而提高抗拉强度。不同柑橘皮复合膜之间,抗拉程度和断裂伸长率存在显著差异(P<0.05)。脐橙皮复合膜具有较好的抗拉强度和最大的断裂伸长率,马家柚皮复合膜抗拉强度最大,断裂伸长率最小,南丰蜜桔皮复合膜的抗拉强度和断裂伸长率均表现较弱。本研究中的柑橘皮复合膜配方根据脐橙皮优化而来,不同品种柑橘皮的物质组成与含量不同[15],根据不同柑橘品种进行配方优化,才能制备力学性能较好的柑橘皮复合膜。
表4 柑橘皮复合膜的厚度、含水率、溶解度、 拉伸强度、断裂伸长率
Table 4 Thickness, moisture content, solubility, tensile strength and elongation at break of citrus peel composite films
种类壳聚糖膜脐橙皮复合膜南丰蜜桔皮复合膜马家柚皮复合膜厚度/μm34±1b98±2a97±1a99±2a含水率/%45.15±0.52a19.20±0.53b20.78±0.57b16.59±0.74c溶解度/%21.87±1.54b35.48±0.57a34.76±0.46a34.67±0.37a拉伸强度/MPa3.17±0.23d15.76±0.66b13.34±0.86c18.54±1.12a断裂伸长率/%70.98±6.95a19.23±1.52b8.55±0.73c5.37±0.59d
注:数值表示为平均值±标准差,同一行中不同字母表示差异显著(P<0.05)。
如图2所示,所制备的壳聚糖膜截面形貌粗糙且不连续,脐橙皮和马家柚皮制备的复合膜截面整体呈现连续、致密的形态,而南丰蜜桔皮复合膜出现空洞,其连续性和致密性均弱于脐橙皮复合膜和马家柚皮复合膜。由于壳聚糖具有水不溶性[16],而壳聚糖膜和南丰蜜桔皮复合膜含水率较高,水分子增大聚合物间的空隙使得壳聚糖膜和南丰蜜桔皮复合膜的截面微观形态出现明显的空洞。以壳聚糖膜为对照,柑橘皮在横截面上没有聚集,没有出现明显微相分离的迹象,说明柑橘皮粉末均匀分散在薄膜中,这与WU等[17]制备的柚皮粉/茶多酚复合膜横截面形貌研究一致。
a-壳聚糖膜;b-脐橙皮复合膜;c-南丰蜜桔皮复合膜;d-马家柚皮复合膜
图2 复合膜膜横截面的SEM图
Fig.2 SEM image of cross section of composite films
通过柑橘皮粉末的红外光谱(图3)可以观察到3 400 cm-1处有较宽的吸收峰,可能与纤维素、半纤维素和果胶的O—H伸缩振动有关[18]。在2 930 cm-1和2 880 cm-1处出现C—H伸缩振动的吸收峰。1 740 cm-1和1 640 cm-1左右峰型狭窄的峰分别是羧基和羧酸离子的CO伸缩振动引起的[19]。壳聚糖膜在3 000~3 600 cm-1同样出现较宽的吸收峰,反映了O—H和N—H伸缩振动;1 643 cm-1和1 576 cm-1处的吸收峰分别对应CO伸缩振动和N—H弯曲振动[20]。与柑橘皮粉末和壳聚糖膜类似,柑橘皮复合膜O—H和N—H伸缩振动吸收峰出现在3 400 cm-1,C—H伸缩振动的吸收峰出现在2 930 cm-1和2 880 cm-1处,CO伸缩振动吸收峰出现在1 736 cm-1和1 636 cm-1左右。柑橘皮复合膜没有观察到额外的吸收峰和显著的波数偏移,表明柑橘皮和壳聚糖之间没有产生新的共价键[21]。此外,柑橘皮加入使壳聚糖膜1 576 cm-1处的N—H特征峰消失,并且柑橘皮复合膜CO伸缩振动引起的吸收峰与壳聚糖膜相比从1 640 cm-1向较小波数1 630 cm-1偏移,可能是柑橘皮和壳聚糖之间形成氢键等分子间作用力导致[22],表明柑橘皮粉末主要通过影响N—H键和减弱CO伸缩振动来改变壳聚糖膜的结构。
图3 柑橘皮、壳聚糖膜和柑橘复合膜FT-IR图谱
Fig.3 FT-IR spectra of citrus peels, chitosan film and citrus composite films
如图4所示,是柑橘皮复合膜和壳聚糖膜在波长200~800 nm的光透射率情况。食品中的氧化反应速率通常因紫外线的照射而加快,薄膜在特定波长范围内选择性吸收或散射光波有助于保护光敏化合物免受光降解[23]。在紫外光区域(200~380 nm),壳聚糖膜透光率最高可达75%,而柑橘皮复合膜的光透射率接近于0%,具有良好的抗紫外线功能。由于柑橘皮中黄酮类化合物具有吸收光的芳香环[24],纤维素等能够反射和折射光,影响光的通过,从而导致透光率的降低。在可见光范围(400~800 nm)柑橘皮复合膜光透射率也较低,均在10%以下,可能会对观察包装产品的外观造成干扰。
图4 柑橘皮复合膜的透光率
Fig.4 Light transmittance of citrus peel composite films
图5是柑橘皮复合膜水蒸气渗透性情况。WVP是评价食品包装薄膜综合性能的重要指标之一,可以影响包装产品的保质期。一般而言,薄膜水蒸气渗透性越低,用于食品包装越有利[25]。壳聚糖的WVP为0.66×10-10 g/(s·m·Pa),3种柑橘皮复合膜的WVP在2.75×10-10~3.12×10-10 g/(s·m·Pa),远低于MATHEUS等[26]使用柿子、果胶和甘油制成的抗菌膜1.60×10-9~1.84×10-9 g/(s·m·Pa),而稍高于JRIDI等[27]制备的橙皮果胶可食膜1.54×10-10~2.05×10-10 g/(s·m·Pa)。WVP受薄膜的微观结构、厚度、湿度以及溶解度等多种因素的影响[28],本研究中壳聚糖膜的WVP显著低于柑橘皮复合膜(P<0.05),可能是添加柑橘皮的复合膜在水中溶解度增大,使得WVP升高。南丰蜜桔皮复合膜的WVP显著高于其他两种柑橘皮复合膜(P<0.05),可能是由于南丰蜜桔皮复合膜的结构致密性和连续性相对较差。
图5 柑橘皮复合膜的水蒸气渗透性
Fig.5 Water vapor permeability of citrus peel composite films 注:不同小写字母代表差异显著,P<0.05(下同)。
根据GB 31604.1—2015《食品安全国家标准 食品接触材料及制品迁移试验通则》,10%乙醇溶液作为乙醇含量小于10%的食品或不含乙醇的非酸性食品的首选模拟物,95%乙醇溶液可以作为油脂类食品模拟物。
图6反映壳聚糖膜和柑橘皮复合膜在2种食品模拟物中清除DPPH自由基和ABTS阳离子自由基的能力以及铁离子还原能力。结果表明,壳聚糖膜在模拟环境中不能清除DPPH和ABTS阳离子自由基,在10%乙醇中有较弱的铁离子还原能力。黄宸等[29]研究表明壳聚糖膜有较弱的DPPH自由基清除能力,与本研究有所差异,可能与本试验所用壳聚糖浓度较低有关。果皮富含酚类化合物等天然抗氧化剂,可以用作活性成分或合成防腐剂的替代品[30]。NURHANANI等[31]通过测定添加石榴、木瓜和波罗蜜果皮的明胶/聚乙烯双层活性膜对DPPH和ABTS阳离子自由基的清除能力,证明果皮粉末的加入使薄膜具有良好的抗氧化潜力,与本研究结果一致。柑橘皮复合膜在10%乙醇溶液中对2种自由基的清除能力和铁离子还原能力均高于在95%乙醇溶液。这可能与溶剂的极性有关,乙醇浓度越低极性越大,水分子容易渗透到薄膜中,促使活性物质释放[32]。不同柑橘皮复合膜的抗氧化活性存在差异,与其余2种柑橘膜相比,马家柚皮复合膜在两种模拟环境中的抗氧化能力显著增强(P<0.05),说明其在延缓食品氧化变质,保持食品稳定性中具有更大潜力。柑橘皮的抗氧化活性与其酚类物质、萜类化合物和柠檬苦素等生物活性物质有关[33],要了解不同柑橘皮复合膜的抗氧化能力差异,有待进一步研究柑橘皮复合膜中生物活性物质的成分以及其在食品模拟物中的释放情况。
a-DPPH自由基清除能力;b-ABTS阳离子自由基清除能力;c-铁离子还原能力
图6 柑橘皮复合膜的DPPH自由基和ABTS阳离子自由基清除能力以及铁离子还原能力
Fig.6 DPPH and ABTS free radical scavenging ability and Iron ion reduction ability of citrus peel composite films
通过响应面试验同时优化拉伸强度和断裂伸长率得到脐橙皮/壳聚糖复合膜力学性能较佳的配方,即1.10%壳聚糖,4.10%脐橙皮,0.90%甘油。优化后复合膜拉伸强度为15.76 MPa,断裂伸长率为19.23%。本文还对脐橙、南丰蜜桔和马家柚3种柑橘果皮制备的复合膜进行表征,表明柑橘皮均匀分散在薄膜结构中,与壳聚糖具有良好的混溶性,两者可能通过氢键进行结合。与壳聚糖膜相比,柑橘皮/壳聚糖复合膜在紫外光区和可见光区的光透射率显著降低,具有良好的抗光氧化功能。此外,在食品模拟物中柑橘皮复合膜表现出较好的抗氧化和还原能力,具有延缓食品氧化变质的潜力。综上所述,柑橘皮与壳聚糖能够加工成具有一定力学性能、良好光阻隔性和抗氧化能力的生物基复合薄膜,符合当前绿色环保包装需要,为脐橙皮、南丰蜜桔皮和马家柚皮资源化利用提供参考。
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