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壳聚糖可食性果蔬保鲜膜成膜分析

2021年07月09日 盐城机械设备网

壳聚糖可食性果蔬保鲜膜成膜分析

可食性果蔬保鲜膜是一种采用天然糖类、淀粉、蛋白质、油脂等可食材料为主要原料,通过添加成膜助剂、控制成膜条件,在果蔬表面涂覆或直接成膜而形成的一层极薄、均匀透明和具有多微孔通道的保鲜膜。调节膜的组成成分和成膜工艺条件可获得一定的透氧气、透二氧化碳、透水蒸气的性能,从而控制果蔬的呼吸环境,达到自发气调保鲜的目的。

可食性膜成膜方式有两种:一种是涂布法,即将融溶态脂质涂布于已形成的多糖或蛋白膜之上,形成双层复合膜;第二种是乳化法,即将脂质与多糖、蛋白等混溶于乙醇溶液,干燥成膜时,随乙醇挥发,脂相与多糖相分离,形成了双层膜。研究表明,乳化法复合膜的阻水性优于涂层法复合膜,而乳化法简便易行,膜的机械性能也较优。

氧气是维持果蔬呼吸的重要因素,经研究表明,当氧气浓度低于3%时,果蔬正常呼吸将受到抑制,所以包装体系内部含氧浓度不应低于3%。二氧化碳浓度也不能太高,二氧化碳与氧气的透过率之比为4∶1左右较为适宜。对涂覆膜水蒸气透过率也不能忽视,过大的透过率会导致产品失水萎蔫,而膜内过高的相对湿度会引起细菌滋生而发生腐烂。所以,选择果蔬保鲜膜的考虑因素主要是膜对二氧化碳和

水蒸气的渗透率。可食性膜对氧气的渗透率均低于塑料薄膜,其二氧化碳与氧气渗透比也高于塑料薄膜,而二氧化碳/氧气渗透比率对于设计适宜的可食性果蔬涂膜具有重要作用,渗透比率越大说明二氧化碳积累得越少,既能有效地防止膜内由于二氧化碳积累太多而导致的无氧呼吸,又能减缓水果的呼吸速率,因此能够达到理想的保鲜效果。

虽然可食性膜对气体的调节性能普遍优于塑料薄膜,但可食性薄膜往往达不到所需的机械强度,并且大多数可食性薄膜对水十分敏感,所以必须对其性能进行改良。与纤维素膜、淀粉膜和蛋白质膜等可食性膜相比,壳聚糖膜的优点在于其成膜性能好,膜机械强度较高,尤其是壳聚糖可在果蔬表面形成不同的半透膜,对气体有选择通透性,可调节果蔬采摘后的生理代谢,而且由于壳聚糖及其衍生物具有防腐抗菌作用,又可诱导果实产生自身抗性,包括活化植物细胞膜上的蛋白质激发酶,使细胞内的酶产生磷酸化反应提高酶活性,启动植物防御系统并产生植物干扰素、酚类复合物等抗病物质,对病原菌产生抑制作用。因此,以壳聚糖为主要原料的涂膜保鲜剂在食品防腐保鲜方面展示了很好的应用前景。

壳聚糖保鲜膜的制备

食品的膜保鲜技术主要有涂膜保鲜和制膜保鲜两种方法。对于壳聚糖,涂膜保鲜的方法是将壳聚糖的低酸溶液喷涂在果蔬或鲜肉制品的表面,干燥后就可在水果表面形成一层聚合物保鲜膜。制膜保鲜可以将壳聚糖制成单一膜,也可以制成壳聚糖与其它物质的复合膜。将一定量的壳聚糖溶解在体积比为1%的乙酸水溶液中,加热搅拌,使其充分溶解,制得壳聚糖溶液。将壳聚糖溶液超声脱气后,定量涂布于铺有聚四氟乙烯的玻璃板上,在一定温度下干燥,便可制得壳聚糖膜。对于高浓度的壳聚糖溶液来说,可以在压力下使壳聚糖溶液通过狭缝机头挤出,在一个转动的光滑的基片上高燥成型。一般用蒸发成膜法制成的膜可以得到良好的气体渗透性的薄膜。

制膜过程为:

壳聚糖溶于烯酸溶液→搅拌→抽滤→脱泡→涂覆→室温晾置→置入恒温恒湿箱进行彻底干燥→揭膜

壳聚糖保鲜膜的性能

一、机械性能

壳聚糖膜有一定的机械性能。例如,壳聚糖-淀粉膜改善了淀粉膜强度低的特性,使其适合包装半固体或液体食品。国内有科研人员用壳聚糖与甘油复合制成可食膜,其拉伸强度可超过LDPE(低密度聚乙烯)的水平,略低于HDPE(高密度聚乙烯)。

薄膜拉伸强度与壳聚糖浓度有很大关系,在一定条件下,薄膜的拉伸强度随壳聚糖浓度的增加而增加。因为影响拉伸性能的有关因素是聚合物的结构、平均分子量和聚合物的分子排列。当分子量一定时,壳聚糖浓度越大,即单位体积内的分子数越多,成膜时高分子链间的相互作用力越强,分子间氢键越强,膜的强度就越大。当壳聚糖浓度太小时,由于成膜液流动性大,形成的膜很薄,因而不便揭膜;而当壳聚糖浓度太大时,由于成膜液较粘稠,不容易脱气,在制膜时易形成气泡,使膜不平整。

二、润湿性能

壳聚糖涂膜保鲜水果时,须达到成膜均匀,即要求壳聚糖溶液的润湿性要好。壳聚糖溶液的润湿性能可通过接触角法测定,在不同介质上溶液的接触角不同,接触角越大则润湿性越差。分别在干净玻片、毛玻片、涂蜡的玻片上,滴一滴2%的壳聚糖溶液,稍后,用透影仪投影到纸上,量出接触角。结果表明,壳聚糖溶液在涂蜡玻片上的接触角为105°,润湿性很差。由于果皮大多有蜡质层,因此用来处理果品,不易均匀地润湿表面,这必定会影响到保鲜的效果。为此需添加适量的润湿剂来改善润湿性能。

业内人士通过几种表面活性剂的性能比较发现:在壳聚糖溶液中加入表面活性剂Tween20,可有效改善壳聚糖涂膜保鲜水果时润湿性差的现状,界面接触角从原来的105°降低到52°。

三、抗菌性

早在1979年,Allan等就提出壳聚糖具有广谱抗菌性。此后有许多学者对壳聚糖的抗菌机理进行了研究,根据壳聚糖在细胞上的作用靶位不同,学术界将其抗菌机理推测为两类:一类是Young等提出的以细菌带有负电荷的细胞膜为作用靶的机理:在酸性条件下,壳聚糖分子中的质子化铵-NH3+具有正电性,吸引带有负电荷的细菌,使细菌细胞壁和细胞膜上的负电荷分布不均,干扰细胞壁的合成,打破了在自然状态下的细胞壁合成与溶解平衡,使细胞壁趋向于溶解,细胞膜因不能承受渗透压而变形破裂,细胞的内容物如水、蛋白质等渗出,发生细菌溶解而死亡;另一类是Hadwiger提出的以细菌分子中DNA为作用靶的抗菌机理:模型上壳聚糖齐聚物(MW-8000)吸引细菌后,穿过大肠杆菌的多孔细胞壁进入到细菌细胞内,可能与DNA形成稳定的复合物,干扰DNA聚合酶或RNA聚合酶的作用,阻碍了DNA或RNA的合成,从而抑制了细菌的繁殖。

壳聚糖保鲜膜抗菌性与壳聚糖浓度、壳聚糖脱乙酰度、壳聚糖分子量及环境pH值

有关。

四、可食性与安全性

基于人体安全性和生态环保的考虑,毒性较大的抗菌剂已被逐渐淘汰,壳聚糖以其良好的身体安全性和广谱抗菌性已引起人们极大的关注。高分子量的壳聚糖通过-NH3+与微生物细胞壁的唾液酸磷脂等阴离子的相互吸引作束缚微生物的自由度,从而阻碍微生物代谢和繁殖。对壳聚糖进行化学修饰,增加结构单元抗菌因子-NH3+的密度,可以合成出具有良好人体安全性和抗菌性能的壳聚糖衍生物。壳聚糖与生物体具有良好的亲和相容性,对人体具有一定的生理保健功能,为可食性物质。

五、气体选择渗透性和阻湿性

壳聚糖膜的氧气透过率和二氧化碳透过率的比值均小于1,故可用此膜保鲜水果蔬菜。果蔬呼吸作用会消耗氧气,放出二氧化碳。当用此膜包装水果和蔬菜时,由于膜对二氧化碳透过能力差,果蔬放出的二氧化碳渗透出去少,导致膜内部二氧化碳浓度高,从而控制了果蔬周围的微环境中的气体浓度,使果蔬呼吸强度下降,达到保鲜目的。此膜对水蒸汽也有良好的阻隔性,因此,在食品表面可以阻止水分的转移,对果蔬可阻止水分蒸发,延缓萎蔫。因此,用壳聚糖膜包装果蔬可起到保湿、护色、延长储存期的保鲜效果。

壳聚糖膜对二氧化碳和氧气的透过率较小,且随厚度的增加而下降。成膜温度的升高,薄膜的透气率增大。因为随着成膜温度的升高,溶剂蒸发速度加快,分子运动速度快,高分子之间氢键网络不致密,所成膜的结构较疏松,所以出现透气系数增大的现象。

应用研究

以壳聚糖为主成分制成保鲜剂,以涂膜形式用于彭柑保鲜的研究,结果表明,壳聚糖保鲜膜能有效控制与调节彭柑的呼吸作用、失水程度和化学成分含量变化,保鲜期长达6个月。此外,壳聚糖浓度不同,保鲜膜厚度不同,保鲜效果不同。当壳聚糖浓度为2%时,保鲜效果最好。低于2%,形成的膜厚度小,保鲜作用不明显;浓度太高,膜层过厚,则可能几乎完全阻碍氧气的进入,彭柑内部形成无氧呼吸,致使代谢产物二氧化碳和酒精排出困难,因而引起彭柑内部发酵、腐败变质。

采用不同浓度壳聚糖溶液在不同温度条件下对羊角椒进行涂膜保鲜处理,与常用防腐剂苯甲酸纳进行对照试验,寻求最佳保鲜技术。试验结果表明:当壳聚糖浓度为0.5%时,进行一次涂膜处理保鲜效果最佳。

用壳聚糖作为辣椒的保鲜膜剂,对其涂膜方式、成膜条件及防霉剂筛选进行试验,结果表明,采用2次浸涂效果最好;最佳成膜条件:壳聚糖用量2.44%~2.93%,涂膜液pH5.01~5.71,涂膜温度23.5~28.5℃;选择脱氢醋酸钠作为保鲜膜剂中的防霉剂。最后得到的保鲜膜剂配方为壳聚糖2.5%,涂膜液pH5.5,涂膜液温度25℃,乙醇适量,吐温80两滴,脱氢醋酸钠适量。用该配方的保鲜膜剂处理辣椒,结合低温条件,可有效降低失重率和腐烂指数,明显控制后熟,抑制呼吸作用,并减缓VC及糖的损失。

复合型壳聚糖保鲜膜

现在的可食用保鲜膜,由过去的单一组分制成的膜发展成具有多种功能性质的,由多种生物大分子、脂类等制成的复合膜。通常,复合膜以脂质作为阻水成分,而蛋白或多糖在发挥自身具有的阻隔性能的同时,作为脂质的支持介质,保持膜的良好完整性,脂类中的疏水成分通过与蛋白质或多糖等成分中的疏水基团的相互作用而形成具有一定阻湿性、阻气性的薄膜,克服了可食用膜在应用中的许多问题,如机械强度、膜的阻隔能力稳定性等。

虽然壳聚糖膜涂覆在果蔬表面能调节气体环境,有效地防止微生物的侵染,但壳聚糖膜对水敏感,隔水能力较差,所以对其进行复合改良,提高膜的抗水能力是研究的重点。可将壳聚糖与聚乙烯醇混合制得复合膜,另外加入醋酸溶剂,可有效地将壳聚糖膜对水蒸气的透过率降低到0.14

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