亚硫酸钠-壳聚糖微粒对明胶膜结构和性能的影响

黄燃; 鲍士宝

doi:10.13386/j.issn1002-0306.2023090280

亚硫酸钠-壳聚糖微粒对明胶膜结构和性能的影响

黄燃^1,,
鲍士宝^{1, 2, ,}

1.
安徽师范大学生命科学学院，安徽芜湖 241002
2.
安徽省重要生物资源保护与利用研究重点实验室，安徽芜湖 241002

基金项目: 烹饪科学四川省高等学校重点实验室开放基金项目（PRKX2020Z20）。

详细信息

作者简介:
黄燃（1997−），女，硕士研究生，研究方向：生物学，E-mail：1936162911@qq.com

通讯作者:
鲍士宝（1980−），男，博士，副教授，研究方向：功能性食品配料，E-mail：116348044@qq.com。

中图分类号: TS206.4
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出版历程
- 收稿日期: 2023-09-24
- 网络出版日期: 2024-05-05
- 刊出日期: 2024-06-30

Effect of Chitosan Particles Loaded with Sodium Sulfite on the Structure and Properties of Gelatin Films

HUANG Ran^1,,
BAO Shibao^{1, 2, ,}

1.
College of Life Sciences, Anhui Normal University, Wuhu 241002, China
2.
Anhui Provincial Key Laboratory of the Conservation and Exploitation of Biological Resources, Wuhu 241002, China

摘要

摘要: 本研究以明胶为成膜基质，添加亚硫酸钠-壳聚糖微粒制备亚硫酸钠-壳聚糖微粒/复合明胶膜，探究亚硫酸钠-壳聚糖微粒对明胶膜结构和性能的影响。对明胶膜进行厚度、水合性能、阻隔性能、力学性能、光学性能、热稳定性和抗氧化性的测定，并对其进行结构表征。结果表明，添加亚硫酸钠-壳聚糖微粒的明胶膜厚度显著降低（P<0.05）、溶胀率显著提高（P<0.05）、溶蚀率从79.41%降低至18.21%、抗拉强度由79.10 MPa提高至128.96 MPa、不透明度由3.75提高至6.77、热稳定性提高以及DPPH自由基清除率由14.41%提高至65.05%，而膜的水蒸气透过率和断裂伸长率未发生明显变化。此外，亚硫酸钠-壳聚糖微粒与明胶分子之间具有较高的相容性，亚硫酸钠-壳聚糖微粒的加入改变了明胶膜的结构。综上所述，亚硫酸钠-壳聚糖微粒的加入能够在一定程度上改变明胶膜的结构、提高明胶膜的性能。本研究为抗氧化复合明胶膜的制备和应用提供一定的理论指导和数据参考。
- 明胶 /
- 壳聚糖 /
- 亚硫酸钠 /
- 微粒 /
- 复合明胶膜
Abstract: The study aimed to investigate the influence of chitosan particles loaded with sodium sulfate on the structure and properties of the gelatin films by using gelatin as the film-forming matrix and adding chitosan particles loaded with sodium sulfate to prepare composite gelatin films. The thickness, hydration properties, barrier properties, mechanical properties, optical properties, thermal stability and oxidation resistance of the gelatin films were measured, and its structure was characterized. The results showed that the addition of chitosan particles loaded with sodium sulfate significantly decreased the thickness (P<0.05), significantly increased the swelling rate (P<0.05), decreased the dissolution rate from 79.41% to 18.21%, increased the tensile strength from 79.10 MPa to 128.96 MPa, increased the opacity from 3.75 to 6.77, improved the thermal stability, and increased the DPPH radical scavenging capacity from 14.41% to 65.05% of the gelatin films. However, there were no significant changes in the water vapor permeability and elongation at break of the gelatin films. In addition, there was a high compatibility between chitosan particles loaded with sodium sulfate and gelatin molecules, and the addition of chitosan particles loaded with sodium sulfate changed the structure of gelatin films. In conclusion, the incorporation of chitosan particles loaded with sodium sulfate can change the structure of gelatin films to some extent and improve the properties of gelatin films. This study provides theoretical guidance and data reference for the preparation and application of antioxidant composite gelatin films.
- gelatin /
- chitosan /
- sodium sulfite /
- particles /
- composite gelatin films

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明胶（Gelatin，GEL）是胶原降解的产物，在食品、药品等领域应用广泛，因其胶凝性能优良、生物降解性较好及安全性较高，常作为可食性成膜材料用于食品包装的研究与开发^[1−3]。单一明胶基质膜在机械性能、通透性能及热稳定性能等方面存在缺陷，为改善和提高明胶膜性能和实际应用性，可采用物理、化学和生物方法对其改性，开发复合明胶膜^[4−6]。壳聚糖（Chitosan，CS）是甲壳类动物外部结构中的几丁质经脱乙酰基反应得到的一类阳性多糖，具有良好的生物降解性、胶凝性和抑菌作用，常用作成膜基质和微胶囊壁材^[7−9]。研究表明，以壳聚糖为壁材，封装如抗氧化剂和抗菌素等物质制备微胶囊，具有一定的缓释作用，能够长时间维持相对较高的抗氧化和抗菌活性，延长食品产品的货架期^[9]。Tavassoli等^[10]利用壳聚糖封装槲皮素、乳铁蛋白制备壳聚糖纳米微粒并掺入明胶膜，发现其提高了明胶膜的理化性能、抗菌性能和抗氧化性能。Du等^[11]将装载柠檬醛纳米乳的壳聚糖溶液加入明胶膜制备明胶-壳聚糖双层膜，发现其具较好的阻隔性能、力学性能和抗菌性能。亚硫酸钠（Sodium sulfite，SS）是一种常见的食品添加剂，具有抗菌、抗氧化效果，可抑制酶促及非酶促褐变、用作果蔬原料漂白^[12]。虽然亚硫酸钠常作为食品添加剂使用，但至今未有研究将其应用于食品包装，探究其对包装材料各项性能的影响。

本研究以明胶为成膜基质，制备添加亚硫酸钠-壳聚糖微粒的复合明胶膜，通过载抗氧化性芯材微胶囊的引入，改善明胶膜的性能。主要探究亚硫酸钠-壳聚糖微粒对明胶膜力学性能、阻隔性能、光学性能、热稳定性以及抗氧化性等影响，并对其进行结构表征，阐明膜性能改变机制，为复合明胶膜的研究与开发提供数据参考。

1. 材料与方法

1.1 材料与仪器

明胶、壳聚糖（脱乙酰度≥95%）、三聚磷酸钠　分析纯，酷尔化学科技（北京）有限公司；无水亚硫酸钠　分析纯，上海泰坦科技股份有限公司；甘油　分析纯，生工生物工程（上海）股份有限公司；冰乙酸、氢氧化钠　分析纯，无锡市展望化工试剂有限公司。

RW20悬臂式搅拌机　德国IKA公司；JRA-6数显磁力搅拌水浴锅　金坛市杰瑞尔电器有限公司；KQ5200E超声波清洗器　昆山市超声仪器有限公司；Thermo Fisher Scientific Apreo 2S+扫描电镜　赛默飞世尔科技公司；FTIR-650傅里叶变换红外光谱仪　天津港东科技股份有限公司；DSC Q20差示扫描量热仪　美国TA仪器；HP-C220精密色差仪　深圳汉谱光彩科技有限公司；UV-1700紫外可见分光光度计、XRD-6000X射线衍射仪　日本岛津公司；TA-XT plus物性质构仪　英国Stable Micro System公司； IP54螺旋测微仪　青海量具刃具有限责任公司。

1.2 实验方法

1.2.1 明胶膜的制备

1.2.1.1 空白明胶膜的制备

准确称取20 g明胶置于500 mL去离子水中溶胀30 min，50 ℃水浴、搅拌溶解，加入6 mL甘油，搅拌混匀后超声脱气，得明胶成膜液Y。用移液管取8 mL成膜液Y置于100 mm×100 mm的有机玻璃板上，室温下流涎成膜，20 h后揭膜置于相对湿度60%的干燥器中平衡（时间大于等于48 h），得空白明胶膜备用，记为G。

1.2.1.2 亚硫酸钠-壳聚糖微粒悬浮液的制备

准确称取2 g壳聚糖溶于100 mL 1%（v/v）冰乙酸溶液中，得20 g/L壳聚糖溶液，调pH至5.5，备用。称取5 g无水亚硫酸钠溶于100 mL去离子水中制成母液，然后稀释得10、15、20 g/L的亚硫酸钠溶液，备用。采用离子交联法制备亚硫酸钠-壳聚糖微粒悬浮液：取30 mL壳聚糖溶液，400 r/min搅拌2 min后，用注射器将20 mL的三聚磷酸钠溶液（2.5 g/L）缓慢、匀速注入其中，室温下水合30 min，得壳聚糖微粒悬浮液，记为X0。另外，分别取1 mL相应浓度的亚硫酸钠溶液与29 mL的壳聚糖溶液混合，然后同制备壳聚糖微粒悬浮液的步骤操作，得载亚硫酸钠量分别为10、15、20 mg的亚硫酸钠-壳聚糖微粒悬浮液，分别记为X10、X15、X20。

1.2.1.3 复合明胶膜的制备

取明胶成膜液Y四份，分别与X0、X10、X15、X20按3:2的体积比混合，得复合成膜液Y0、Y10、Y15、Y20。后续操作同1.2.1.1，制备四种复合明胶膜，分别记为GC、GC-10、GC-15和GC-20。

1.2.2 膜性能测定

1.2.2.1 厚度

在膜的中心和四周部位随机取10个点，用螺旋测微仪测定各点的厚度，取平均值。

1.2.2.2 溶胀率和溶蚀率

将膜称重（m₁）后置于室温去离子水中浸润24 h，取出后用滤纸吸干表面水分，称重（m₂）。按下式计算膜的溶胀率：

溶 胀 率

$\rm\mathrm{溶}\mathrm{胀}\mathrm{率}({\text{%}})=\frac{{m}_{2}-{m}_{1}}{{m}_{1}}\times 100$

(1)

将膜置于98 ℃的去离子水中，10 min后用漏斗过滤，滤纸和滤渣一同放入烘箱内105 ℃干燥、称重。按下式计算膜的溶蚀率：

溶 蚀 率

$\rm \mathrm{溶}\mathrm{蚀}\mathrm{率}({\text{%}})=\frac{{m}_{2}-({m}_{4}-{m}_{3})}{{m}_{2}}\times 100$

(2)

式中：m₂，干燥膜的质量，g；m₃，干燥滤纸的质量，g；m₄，滤纸和滤渣干燥后的质量，g。

1.2.2.3 水蒸气透过率

参照GB/T 1037-2021的杯式增重法^[13]测定，计算公式如下^[14]：

$\rm WVP=\frac{\Delta m\times d}{A\times t\times \Delta p}$

(3)

式中：WVP，水蒸气透过率，g/（mm·h·kPa）；Δm，水蒸气迁移量，g；d，膜厚度，mm；t，测量时间，h；A，锥形瓶瓶口面积，mm²；Δp，25 ℃膜两侧水蒸气压差，kPa。

1.2.2.4 力学性能

用物性质构仪测试膜的抗拉强度（Tensile stress，TS）和断裂伸长率（Elongation at break，EAB）。将膜裁成19 mm×100 mm的长条形，测试条件：触发力为5 g，夹具上下距离为60 mm，拉伸速度为0.8 mm/min。按下式计算膜的抗拉强度和断裂伸长率：

$\rm TS(\mathrm{M}\mathrm{P}\mathrm{a})=\frac{F\times 1000}{d\times b}$

(4)

式中：F，膜样品在断裂时所能承受的最大应力，N；d，膜的厚度，μm；b，膜的宽度，mm。

$\rm EAB({\text{%}})=\frac{L-{L}_{0}}{{L}_{0}}\times 100$

(5)

式中：L，膜在断裂时所达到的长度，mm；L₀，膜初始长度，mm。

1.2.2.5 光学性能

将膜裁成10 mm×40 mm的大小，置于光径1 cm比色皿一侧，以空白比色皿为对照，测定膜在200～700 nm波长范围内吸收光谱^[15]，用600 nm处吸光度计算膜的不透明度^[16]，公式如下：

$\rm \mathrm{不}\mathrm{透}\mathrm{明}\mathrm{度}=\frac{A}{d}$

(6)

式中：A，膜在600 nm处的吸光度；d，膜厚度，mm。

将膜平铺在白色校正背景板（L^*=93.43、a^*=0.47、b^*=－0.35）上，用校正后的色差仪测定膜的L、a、b。膜的色差值（ΔE）按下式计算：

$\Delta E=\sqrt{{(L-{L}^{*})}^{2}+{(a-{a}^{*})}^{2}+{(b-{b}^{*})}^{2}}$

(7)

式中：L，膜的白度；a，膜的红/绿度；b，膜的黄/蓝度。

1.2.2.6 差示扫描量热分析

称取5～10 mg膜置于铝锅中压片封口，放入差示扫描量热仪中进行热能分析。以空铝锅为参考，测试条件：N₂作为吹扫气，以5 ℃/min的速率从30 ℃加热至300 ℃。

1.2.2.7 DPPH自由基清除率

用95%乙醇配制DPPH溶液（0.1 mmol/L），4 ℃避光储存备用。准确称取10 mg膜，置于100 mL去离子水中煮沸30 min，4000 r/min离心10 min，取2 mL离心清液与5 mL DPPH溶液混合，避光静置1 h，作为样品组；2 mL离心清液与5 mL 95%乙醇混合均匀，作为空白组；2 mL去离子水与5 mL DPPH溶液混合均匀，作为对照组。以乙醇调零，测定样品组、空白组及对照组在517 nm处的吸光度，分别记为A₁、A₂及A₃，然后按下式计算^[17]：

$\rm \mathrm{D}\mathrm{P}\mathrm{P}\mathrm{H}\cdot \mathrm{清}\mathrm{除}\mathrm{率}({\text{%}})=\frac{{A}_{3}-({A}_{1}-{A}_{2})}{{A}_{3}}\times 100$

(8)

1.2.3 膜结构表征

1.2.3.1 扫描电子显微镜测定

将膜样品用液氮浸泡后人工折断，取截面固定在样品台上，测试条件：喷金80 s，加速电压为2 kV，放大倍数×10000。

1.2.3.2 红外光谱测定

膜与溴化钾按1:200的比例混合研磨制备成样品，置于傅里叶变换红外光谱仪中，测试条件：扫描范围为4000～400 cm⁻¹，扫描次数32，分辨率4 cm⁻¹。利用Peak Fit 4.12对膜红外光谱酰胺Ⅰ带（1600～1700 cm⁻¹）进行傅里叶变换去卷积及二阶导数拟合，残差（r²）大于0.99，确认峰位归属，计算各分峰面积的相对含量^[18]。

1.2.3.3 X射线衍射测定

测试电压为40 kV，电流为30 mA，模式为2θ/θ，步长为0.02°/min，扫描范围为5°～50°。

1.3 数据处理

采用Origin 2018软件进行绘图，IBM SPSS statistics 20软件进行单因素方差分析，LSD法检验组间差异显著性（P<0.05）。结果用“平均值±标准差”的形式表示，试验次数≥3。

2. 结果与分析

2.1 水合性能、阻隔性能和力学性能分析

表1结果显示，亚硫酸钠-壳聚糖微粒的加入降低了明胶膜的厚度。空白明胶膜在室温去离子水中溶胀24 h后已完全溶解，添加亚硫酸钠-壳聚糖微粒的明胶膜发生了不同程度的溶胀，其溶胀程度受亚硫酸钠载量的影响。其中，GC-15和GC-20的溶胀率显著高于GC和GC-10（P<0.05），这可能是因为亚硫酸钠水合能力的增加，导致了复合明胶膜溶胀能力的增大。与空白明胶膜相比，亚硫酸钠-壳聚糖微粒的加入能够显著降低明胶膜的溶蚀率（P<0.05），尤其是 GC-20 的溶蚀率由原先的 79.41%降至 18.21%，说明亚硫酸钠-壳聚糖微粒促进了明胶膜内部形成了更加牢固的作用，提高了明胶膜的热稳定性。亚硫酸钠-壳聚糖微粒的加入，并没有显著改变明胶膜的水蒸气透过率（P>0.05）。

表 1 明胶膜的厚度、溶胀率、溶蚀率、水蒸气透过率及力学性能

Table 1. Thickness, swelling ratio, corrosion ratio, water vapor permeability and mechanical properties of the gelatin films

指标	G	GC	GC-10	GC-15	GC-20
厚度（μm）	18.47±2.72^a	16.40±0.80^ab	15.53±0.90^b	15.73±0.12^b	14.87±1.33^b
溶胀率（%）	溶解	138.91±10.50^b	144.85±9.29^b	180.71±8.35^a	179.75±11.75^a
溶蚀率（%）	79.41±12.40^a	49.09±9.01^ab	30.60±9.83^b	19.83±24.62^b	18.21±24.94^b
水蒸气透过率（×10⁻⁶ g/（mm·h·kPa））	5.98±1.34^a	5.66±1.60^a	6.20±1.62^a	6.04±1.54^a	5.94±1.48^a
抗拉强度（MPa）	79.10±12.62^b	92.72±14.43^ab	128.96±2.46^a	103.60±4.95^ab	100.12±22.26^ab
断裂伸长率（%）	2.86±0.93^a	4.24±0.97^a	5.83±1.91^a	5.95±5.01^a	4.95±1.17^a
注：同行数据后不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。

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空白明胶膜的抗拉强度和断裂伸长率最低，分别为79.10 MPa和2.86%。随着亚硫酸钠载量的增加，亚硫酸钠-壳聚糖微粒的加入使明胶膜的抗拉强度呈先增后减趋势，其中，GC-10的抗拉强度显著高于G（P<0.05），为128.96 MPa。壳聚糖分子的-OH和-NH₂数量较多，与明胶分子侧链基团易形成氢键，增强了明胶膜网络结构的维持力，从而提高了明胶膜均匀塑性变形时的抵抗力，即表现出更高的抗拉强度^[19−21]。随着亚硫酸钠载量的增加，明胶膜的抗拉强度下降，可能是因为亚硫酸钠分子的强水合作用影响了明胶分子间通过水分子氢键的相互作用。与空白明胶膜相比，壳聚糖微粒的加入使得膜的断裂伸长率有所增加，但无显著性差异（P>0.05）。

2.2 光学性能分析

图1结果显示，空白明胶膜和复合明胶膜在200～300 nm范围内均有紫外光吸收现象。明胶含有氨基酸残基，特别是双键芳香环残基即酪氨酸和苯丙氨酸能够吸收紫外光，所以制备的明胶膜都具有良好的紫外光阻挡能力^[22]。

图 1 明胶膜的光吸收特性

Figure 1. Optical absorption properties of the gelatin films

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表2结果显示，空白明胶膜的不透明度最低，亚硫酸钠-壳聚糖微粒的加入使明胶膜的不透明度增加，尤其是GC-10的不透明度显著增加（P<0.05），由原先的3.75增至6.77，可能是因为亚硫酸钠-壳聚糖微粒干扰了光的散射或透过^[16]。空白明胶膜和复合明胶膜的L值均超过90，说明膜的亮度较高，透明度较好。随着亚硫酸钠载量的增加，亚硫酸钠-壳聚糖微粒的加入使明胶膜的a值显著下降（P<0.05），b值显著提高（P<0.05），说明膜的颜色逐渐偏向绿黄。同时，明胶膜的ΔE值因亚硫酸钠-壳聚糖微粒的加入有所降低，其中，GC的ΔE值显著降低（P<0.05），表明复合明胶膜的颜色变化较小，视觉感官品质较好。

表 2 明胶膜的色差和不透明度

Table 2. Color difference and opacity values of the gelatin films

样品	不透明度	L	a	b	ΔE
G	3.75±0.55^a	90.48±0.13^a	0.26±0.18^b	0.88±0.05^a	3.21±0.12^b
GC	4.74±0.28^a	91.01±0.25^c	−0.01±0.06^a	1.19±0.07^b	2.93±0.19^a
GC-10	6.77±1.33^b	90.67±0.03^ab	−0.01±0.15^a	1.29±0.21^bc	3.25±0.15^b
GC-15	5.46±1.01^ab	90.79±0.09^bc	−0.03±0.01^a	1.33±0.09^bc	3.10±0.05^ab
GC-20	5.53±1.33^ab	90.87±0.17^b	−0.12±0.01^a	1.45±0.01^c	3.19±0.14^ab
注：同列数据后不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。

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2.3 热稳定性分析

图2结果显示，空白明胶膜和复合明胶膜在30～300 ℃之间有两个熔点，表明膜样品有两种不同的晶体结构^[23]。空白明胶膜的熔点和热焓值最低，与之相比，GC、GC-10、GC-15和GC-20的第一个熔点由原先的83.90 ℃分别提高至120.68、114.35、92.35和96.68 ℃，热焓值由原先的170.20 J/g分别提高至178.20、198.00、243.20和226.60 J/g；第二个熔点由原先的190.04 ℃分别提高至252.53、253.68、241.71和242.91 ℃，热焓值由原先的18.38 J/g分别提高至43.78、60.23、31.27和29.05 J/g，说明亚硫酸钠-壳聚糖微粒的加入能够提高明胶膜的热稳定性。这可能是因为亚硫酸钠-壳聚糖微粒与明胶分子之间形成了致密的网络结构，提高了明胶膜的交联程度；也可能是因为亚硫酸钠、壳聚糖和明胶分子间的相互作用增强、产生了新的氢键^[23−25]。

图 2 明胶膜的差示扫描量热曲线

Figure 2. Differential scanning calorimetry curves of the gelatin films

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2.4 抗氧化性分析

图3结果显示，空白明胶膜对DPPH自由基的清除率最低（14.41%），亚硫酸钠-壳聚糖微粒的加入使明胶膜对DPPH自由基的清除率显著提高（P<0.05），尤其是GC-20对DPPH自由基的清除率相比于空白明胶膜提高到了约4.51倍，达到65.05%。明胶的-COOH和-NH₂能与自由基发生反应，使空白明胶膜具备清除自由基的能力^[26]，而能够螯合金属离子、与脂质形成复合物的壳聚糖以及具有还原性的亚硫酸钠，都具有良好的清除自由基能力^[12,26−27]，提高明胶膜对DPPH自由基的清除率。因此，亚硫酸钠-壳聚糖微粒的加入能够提高明胶膜的抗氧化性。

图 3 明胶膜的DPPH·清除率

注：图中不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。

Figure 3. DPPH radical scavenging performance of the gelatin films

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2.5 扫描电镜分析

图4结果显示，空白明胶膜截面光滑平整、无孔隙和裂缝。相比之下，亚硫酸钠-壳聚糖微粒的加入使明胶膜出现了丝状和片状结构，可能是因为亚硫酸钠、壳聚糖和明胶分子之间生物相容性较好，产生了较强的相互作用力，体现出更高的抗拉强度^[28]。

图 4 明胶膜横截面微观结构图

Figure 4. Microstructure cross section of the gelatin film

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2.6 红外光谱分析

图5（a）结果显示，空白明胶膜在3436 cm⁻¹（酰胺A带，N-H和O-H拉伸振动导致）、2925 cm⁻¹（酰胺B带，C-H伸缩振动导致）、1656 cm⁻¹（酰胺Ⅰ带，C=O伸缩振动和C-N拉伸导致）、1454 cm⁻¹（酰胺Ⅱ带，N-H弯曲和C-N拉伸导致）、1241 cm⁻¹（酰胺Ⅲ带，C-N拉伸和N-H平面弯曲导致）有强吸收峰^[29−32]。添加亚硫酸钠-壳聚糖微粒的明胶膜红外光谱与空白明胶膜相似，未产生新的波峰，但是GC-10和GC-20在酰胺A带的吸收峰向低波数位移，表明亚硫酸钠、壳聚糖和明胶分子之间形成氢键^[29]；GC-15和GC-20在酰胺B带的吸收峰消失，可能是C-H伸缩振动减弱，CH₂消失导致。

图 5 明胶膜的红外光谱（a）和二级结构相对含量（b）

Figure 5. Infrared spectra (a) and relative content of secondary structure (b) of the gelatin films

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空白明胶膜和复合明胶膜在1401 cm⁻¹处出现吸收峰，是CH₃对称变形振动导致，高峰强度表明明胶膜内存在较强的疏水相互作用，与空白明胶膜相比，亚硫酸钠的加入使明胶膜的峰值强度降低，表明亚硫酸钠的加入减少了明胶膜内的疏水相互作用，可能是亚硫酸钠阻止了明胶分子展开^[32−33]。另外，空白明胶膜和复合明胶膜在1041 cm⁻¹处出现吸收峰，可能是增塑剂甘油与明胶分子之间产生的相互作用导致^[30]。

蛋白质酰胺Ⅰ带（1600～1700 cm⁻¹）吸收峰与蛋白的二级结构有关。其中，1600～1639 cm⁻¹属于β-折叠结构，1640～1650 cm⁻¹属于无规卷曲结构，1651～1660 cm⁻¹属于α-螺旋结构，1661～1700 cm^－1属于β-转角结构^[18]。图5（b）结果显示，亚硫酸钠-壳聚糖微粒的加入能够改变明胶膜的二级结构相对含量。明胶膜的二级结构主要由β-结构组成，随着亚硫酸钠载量的增加，亚硫酸钠-壳聚糖微粒的加入使明胶膜的β-折叠含量呈先增后减趋势，其中，GC-10的β-折叠含量最高（47.65%）。另外，明胶膜的β-转角和无规卷曲含量随着亚硫酸钠-壳聚糖微粒的加入而相对减少，尤其是GC-10无规则卷曲结构消失，出现α-螺旋结构，这可能是GC-10抗拉强度显著增加的原因。复合明胶膜β-折叠和α-螺旋结构含量增加，说明亚硫酸钠-壳聚糖微粒的加入增强了明胶膜的有序结构，可能是因为亚硫酸钠-壳聚糖微粒与明胶链间甘油产生的相互作用增强了明胶膜的氢键作用^[18,34]。

2.7 X射线衍射分析

图6结果显示，空白明胶膜和复合明胶膜在5°～50°（2θ）有两个主要的衍射峰。空白明胶膜的第一个衍射峰约7.66°（2θ），亚硫酸钠-壳聚糖微粒的加入使明胶膜的衍射峰发生位移且强度增加，表明亚硫酸钠-壳聚糖微粒的加入能够改变明胶膜的三螺旋结构直径、增加三螺旋结构含量^[25,35]。GC-10和GC-15的三螺旋结构含量低于GC，可能是因为亚硫酸钠-壳聚糖微粒与明胶交联从而降低了明胶自身的交联程度。空白明胶膜的第二个衍射峰约21.48°（2θ），亚硫酸钠-壳聚糖微粒的加入使明胶膜衍射峰发生位移且强度降低，可能是因为亚硫酸钠、壳聚糖和明胶分子之间产生的相互作用力干扰了明胶膜三螺旋结构的排列^[25,35]。其他尖锐的峰可能是明胶粉的无机杂质造成的。

图 6 明胶膜的X射线衍射图

Figure 6. X-ray diffraction pattern of the gelatin film

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3. 结论

本研究以明胶为成膜基质，添加亚硫酸钠-壳聚糖微粒制备复合明胶膜，研究亚硫酸钠-壳聚糖微粒对明胶膜结构和性能的影响。结果表明，与空白明胶膜相比，添加亚硫酸钠-壳聚糖微粒后，复合明胶膜的溶胀率提高，耐水性增强；溶蚀率降低，由原先的79.41%降低至18.21%，提高了膜的热稳定性；抗拉强度提高，由原先的79.10 MPa提高至128.96 MPa；紫外光吸收增强、不透明度上升；抗氧化性提高，DPPH自由基清除率提高到了约4.51倍，由原先的14.41%提高至65.05%。扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱、X射线衍射和差示扫描量热法测定结果表明，亚硫酸钠-壳聚糖微粒与明胶分子之间形成氢键、生物相容性较好，使其热稳定性提高。然而，复合明胶膜在水蒸气阻隔性方面仍具局限性，所以今后的研究可以通过加入改性剂等方法来改善其阻隔性能。综上所述，亚硫酸钠-壳聚糖微粒的加入在一定程度上改变了明胶膜的结构，并提高了明胶膜的各项性能，实验结果为亚硫酸钠制备明胶膜提供了新的思路和原材料，也有利于拓展亚硫酸钠在食品包装领域的研究，促进了抗氧化材料在食品包装中的使用与发展。

图 1 明胶膜的光吸收特性

Figure 1. Optical absorption properties of the gelatin films

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图 2 明胶膜的差示扫描量热曲线

Figure 2. Differential scanning calorimetry curves of the gelatin films

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图 3 明胶膜的DPPH·清除率

注：图中不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。

Figure 3. DPPH radical scavenging performance of the gelatin films

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图 4 明胶膜横截面微观结构图

Figure 4. Microstructure cross section of the gelatin film

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图 5 明胶膜的红外光谱（a）和二级结构相对含量（b）

Figure 5. Infrared spectra (a) and relative content of secondary structure (b) of the gelatin films

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图 6 明胶膜的X射线衍射图

Figure 6. X-ray diffraction pattern of the gelatin film

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表 1 明胶膜的厚度、溶胀率、溶蚀率、水蒸气透过率及力学性能

Table 1 Thickness, swelling ratio, corrosion ratio, water vapor permeability and mechanical properties of the gelatin films

指标	G	GC	GC-10	GC-15	GC-20
厚度（μm）	18.47±2.72^a	16.40±0.80^ab	15.53±0.90^b	15.73±0.12^b	14.87±1.33^b
溶胀率（%）	溶解	138.91±10.50^b	144.85±9.29^b	180.71±8.35^a	179.75±11.75^a
溶蚀率（%）	79.41±12.40^a	49.09±9.01^ab	30.60±9.83^b	19.83±24.62^b	18.21±24.94^b
水蒸气透过率（×10⁻⁶ g/（mm·h·kPa））	5.98±1.34^a	5.66±1.60^a	6.20±1.62^a	6.04±1.54^a	5.94±1.48^a
抗拉强度（MPa）	79.10±12.62^b	92.72±14.43^ab	128.96±2.46^a	103.60±4.95^ab	100.12±22.26^ab
断裂伸长率（%）	2.86±0.93^a	4.24±0.97^a	5.83±1.91^a	5.95±5.01^a	4.95±1.17^a
注：同行数据后不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。

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表 2 明胶膜的色差和不透明度

Table 2 Color difference and opacity values of the gelatin films

样品	不透明度	L	a	b	ΔE
G	3.75±0.55^a	90.48±0.13^a	0.26±0.18^b	0.88±0.05^a	3.21±0.12^b
GC	4.74±0.28^a	91.01±0.25^c	−0.01±0.06^a	1.19±0.07^b	2.93±0.19^a
GC-10	6.77±1.33^b	90.67±0.03^ab	−0.01±0.15^a	1.29±0.21^bc	3.25±0.15^b
GC-15	5.46±1.01^ab	90.79±0.09^bc	−0.03±0.01^a	1.33±0.09^bc	3.10±0.05^ab
GC-20	5.53±1.33^ab	90.87±0.17^b	−0.12±0.01^a	1.45±0.01^c	3.19±0.14^ab
注：同列数据后不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。

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1. 材料与方法
1.1 材料与仪器
1.2 实验方法
1.2.1 明胶膜的制备
1.2.1.1 空白明胶膜的制备
1.2.1.2 亚硫酸钠-壳聚糖微粒悬浮液的制备
1.2.1.3 复合明胶膜的制备
1.2.2 膜性能测定
1.2.2.1 厚度
1.2.2.2 溶胀率和溶蚀率
1.2.2.3 水蒸气透过率
1.2.2.4 力学性能
1.2.2.5 光学性能
1.2.2.6 差示扫描量热分析
1.2.2.7 DPPH自由基清除率
1.2.3 膜结构表征
1.2.3.1 扫描电子显微镜测定
1.2.3.2 红外光谱测定
1.2.3.3 X射线衍射测定
1.3 数据处理
2. 结果与分析
2.1 水合性能、阻隔性能和力学性能分析
2.2 光学性能分析
2.3 热稳定性分析
2.4 抗氧化性分析
2.5 扫描电镜分析
2.6 红外光谱分析
2.7 X射线衍射分析
3. 结论

1. 材料与方法
1.1 材料与仪器
1.2 实验方法
1.2.1 明胶膜的制备
1.2.1.1 空白明胶膜的制备
1.2.1.2 亚硫酸钠-壳聚糖微粒悬浮液的制备
1.2.1.3 复合明胶膜的制备
1.2.2 膜性能测定
1.2.2.1 厚度
1.2.2.2 溶胀率和溶蚀率
1.2.2.3 水蒸气透过率
1.2.2.4 力学性能
1.2.2.5 光学性能
1.2.2.6 差示扫描量热分析
1.2.2.7 DPPH自由基清除率
1.2.3 膜结构表征
1.2.3.1 扫描电子显微镜测定
1.2.3.2 红外光谱测定
1.2.3.3 X射线衍射测定
1.3 数据处理
2. 结果与分析
2.1 水合性能、阻隔性能和力学性能分析
2.2 光学性能分析
2.3 热稳定性分析
2.4 抗氧化性分析
2.5 扫描电镜分析
2.6 红外光谱分析
2.7 X射线衍射分析
3. 结论

参考文献(35)

施引文献

资源附件(1)

亚硫酸钠-壳聚糖微粒对明胶膜结构和性能的影响

作者简介: 黄燃（1997−），女，硕士研究生，研究方向：生物学，E-mail：1936162911@qq.com

通讯作者: 鲍士宝（1980−），男，博士，副教授，研究方向：功能性食品配料，E-mail：116348044@qq.com。

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