CN107513172A - 一种可食用胶原膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的是一种可食用胶原膜的制备方法，该方法是先将醋酸溶液溶解的动物胶原与羟基羧酸‑N‑羟基琥珀酰亚胺酯进行反应，脱去气泡、成膜干燥得到透明胶原膜，然后再将得到的透明胶原膜浸泡在含有氧化酶的溶液中进行反应，反应结束后用水冲洗、干燥即可。本发明采用分步交联改性胶原膜，不仅使体系交联均一，膜片更加均匀、致密，且交联度更高，可大大提高膜片的拉伸强度，同时膜片色泽透明，更适合用作凸显被包装物色泽的包装材料。本发明方法简单，操作容易，易于推广应用。

Description

一种可食用胶原膜的制备方法
技术领域
本发明属于胶原膜的制备技术领域，具体涉及一种可食用胶原膜的制备方法。
背景技术
近年来，人们一直致力于开发新型可降解的、成本低廉的食品包装材料。由于胶原膜具有其他材料无可比拟的优越性，逐渐引起了人们的注意。胶原膜是根据胶原具有优良的成膜性而制成的，由于胶原蛋白不仅分子具有紧密的三股螺旋结构，成膜后能够赋予胶原膜一定的韧性和强度，而且胶原蛋白本身还具有固定化酶的功能，在一定程度上能够改善食品的风味和品质，加之胶原蛋白膜富含有人体所需的氨基酸，人们在食用的同时也能补充各种丰富的氨基酸以及胶原膜的原材料来源于动物胶原，具有良好的生物可降解性，因而它的出现使得食品包装膜几乎可以出现零污染，使得胶原膜制成可食性食品包装材料或胶原肠衣成为可能。
虽然胶原蛋白膜具有上述独特的优点，但是目前市场上的胶原膜普遍存在机械性能差，降解速率过快且遇水易溶胀等不足，因此在很大程度上限制了胶原膜的实际应用，通常需要经过物理或化学的方法对其进行改性处理，以优化其性能来满足实际市场的需求。
现有的物理交联方法包括：赵红霞(赵红霞，丁珊.热交联对胶原材料性能的影响[J].广州化工，2003,32(3):29～31.)等人采用热交联处理猪皮胶原海绵，结果发现当温度在120℃条件下需要反应3天，并可使其机械强度(103KPa)和断裂伸长率(98.6％)均达到最大值；Wedock等人(Weadock K S.,Miller E.J., Bellincampi L.D.,et al.Physicalcrosslinking of collagen fibers:Comparison of ultraviolet irradiation anddehydrothermal treatment[J].J Biomed Mater Res A,2009, 89(2):1373～1379.)研究比较了紫外照射和热交联对牛皮纤维的交联效果，发现将胶原纤维用紫外照射15min后达到的抗张强度(54MPa)和弹性模量(184MPa) 大于或相当于热交联3～5天的强度，也就是说，紫外灯照射的效果要明显高于热交联的效果。尽管物理交联的方法未引入其他的外源性物质，但是交联不均匀，难以达到理想的交联强度，而且物理交联因为温度都较高，往往都伴随一定程度的胶原变性，因此物理改性的应用无疑存在一定的限制，通常只是将其用来作为辅助改性手段。
化学交联方法包括：黄任远等人(黄任远，胡云龙，沈树宝.胶原蛋白膜改性技术[J].南京工业大学学报，2004,26(4):23～26.)将天然的动物胶原肠衣加入到50mL由25％戊二醛6g/L，氯化钠2g/L组成的改性剂中，在30℃，pH为7.2-7.4 的条件下浸渍6h，反应结束后用清水洗去表面改性剂，然后在高温下(121℃， 0.1MPa)湿热灭菌处理，结果使得天然动物肠衣的变性温度从46℃提升到了 96℃。虽然戊二醛改性与热交联相结合的方式大幅度提高了胶原肠衣的变性温度，但是戊二醛作为外源性物质具有一定的细胞毒性，并且改性后的胶原膜会呈现淡黄色，进而影响包装膜的外观。谢树忠等人(谢树忠，李国英.一种丙二酸衍生物的制备及其对胶原膜的改性应用[J].中国皮革，2011,40(15):32～34.)将牛皮胶原膜浸泡于不同浓度(5g/L，10g/L，15g/L)的pH为7.0的丙二酸NHS 酯的溶液中浸泡反应1h，反应结束后用水冲洗表面，干燥后的测试结果表明，当浓度为15g/L时，胶原膜的拉伸强度提升最大，可达到未改性胶原膜的1.98 倍，但由于采用是浸泡交联的方法，使得交联剂大多结合在胶原膜的表面，很难进入胶原膜的内部，从而导致交联度也不高，对胶原膜拉伸强度的贡献有限；Tetsushi Taguchi等人(Tetsushi Taguchi,Hirofuimi Saito,Yoshiyuki Uchida,et al. Bonding of s oft tissues using a novel tissueadhesive consisting of a citric acid derivative and collagen[J].MaterialsScience and Engieering,2004,24:775～780.)采用柠檬酸衍生物(即柠檬酸-N-羟基琥珀酰亚胺酯)与猪软骨组织反应，随着交联剂浓度的增加，粘结强度也在增加，最终只能够达到传统交联剂改性后80％的强度，而且测试得到改性剂的细胞毒性仅为戊二醛、甲醛的十分之一，并且在活的动物体内7天就能降解。虽然柠檬酸衍生物作为一种毒性很低的交联剂，在人体内能降解，可以用来作为医学领域的植入材料，但是对于材料机械性能的提升没有常规交联剂大。Jeevithan Elango等人(Jeevithan Elango,Yongshi Bu,Bao Bin,etal.Effect of chemical and biological cross-linkers on mechanical andfunctional properties of shark catfish skin collage films[J].Food Bioscience,2017,17:42～51.)用0.3M的醋酸配成1％的鲶鱼皮胶原，然后向两个相同的胶原溶液中各自加入溶液质量0.55％的谷氨酰胺转氨酶和0.55％的戊二醛，搅拌反应，然后于30℃条件下成膜，干燥得酶改性的膜和戊二醛改性的膜，结果表明戊二醛改性的膜呈现淡黄色，拉伸强度从2.3MPa增加到3.8MPa，而谷氨酰胺转氨酶改性的膜呈现白色透明，拉伸强度从2.3MPa增加到6.4MPa，也就是说食品级的谷氨酰胺转氨酶交联鲶鱼皮胶原可使胶原膜拉伸强度提升2.78倍，比戊二醛改性的膜提升的更高，但是单一的酶改性对于胶原膜性能的提升仍然有限，不能完全满足对胶原膜拉伸强度的要求。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术不足而提供一种可食用胶原膜的制备方法，该方法不仅采用的均是低毒、无毒的材料，且还采用了分步交联来制备可食用原膜，通过该交联改性不仅在提高了胶原膜的力学性能的同时没有改变胶原膜本身的颜色，而且以动物胶原为主要原料，能够被生物降解，降低环境的污染，可以适用于多种情况下的食品包装领域。
本发明提供的一种可食用胶原膜的制备方法，其特征在于该方法是先将醋酸溶液溶解的动物胶原与羟基羧酸-N-羟基琥珀酰亚胺酯进行反应，脱去气泡、成膜干燥得到透明胶原膜，然后再将得到的透明胶原膜浸泡在含有氧化酶的溶液中进行反应，反应结束后用水冲洗、干燥即可。
本发明提供一种可食用胶原膜的制备方法，其特征在于该方法的具体工艺步骤和条件如下：
(1)将动物胶原用0.1～2mol/L的醋酸溶液于0～10℃下搅拌至完全溶解，并配制成2.5～10重量/体积的胶原蛋白溶液，然后加入以动物胶原重量计1～5％的羟基羧酸-N-羟基琥珀酰亚胺酯，继续于0～10℃下搅拌反应3～6h，脱除气泡后流延成膜、干燥得透明胶原膜；
(2)先将氧化酶用水配制成重量百分比浓度为1～10％的溶液，然后将干燥的透明胶原膜浸泡于上述溶液中，于20～40℃下反应0.5～4h，反应结束后将胶原膜取出，用水冲洗表面、干燥即得改性胶原膜。
以上方法中步骤(1)所用的动物胶原为牛皮胶原、猪皮胶原或鱼皮胶原中的任一种。
以上方法中步骤(1)所配制的胶原蛋白溶液的浓度优选5～10重量/体积。
以上方法中步骤(1)所用的羟基羧酸-N-羟基琥珀酰亚胺酯为柠檬酸-N-羟基琥珀酰亚胺酯、苹果酸-N-羟基琥珀酰亚胺酯或酒石酸-N-羟基琥珀酰亚胺酯中的任一种。这些羟基羧酸-N-羟基琥珀酰亚胺酯都属于低毒或无毒。
以上方法中步骤(1)的搅拌温度和反应温度优选0～7℃。
以上方法中步骤(2)所用的氧化酶为酪氨酸酶、漆酶、辣根过氧化物酶或赖氨酰氧化酶中的任一种。这些氧化酶均属于食品级，可通过与胶原分子之间形成共价键而形成交联，其反应条件温和、不产生副产物、交联效果好等优点。
以上方法中步骤(2)所用的氧化酶的重量百分比浓度优选为3～8％的溶液。
本发明具有以下积极效果：
1、由于本发明提供的制备方法是采用分步交联改性胶原膜，即首先是在溶液中将胶原蛋白与羟基羧酸-N-羟基琥珀酰亚胺酯进行初步交联反应，这样不仅使体系交联均一，成膜后也使膜片更加均匀、致密，其次用氧化酶进行的二次浸泡交联又进一步提高了胶原膜的交联度，赋予了胶原膜更优良的性能，使其拉伸强度较未改性的胶原膜提升了4.5～7倍。
2、由于本发明提供的方法所制备的胶原膜透明，且二次交联时也未引入其他颜色，因而所得改性胶原膜色泽透明，更适合用作凸显被包装物色泽的包装材料。
3、由于本发明提供的制备方法在交联过程中所采用的改性剂酪氨酸酶、漆酶、辣根过氧化物酶、赖氨酰氧化酶、柠檬酸-N-羟基琥珀酰亚胺酯、苹果酸-N- 羟基琥珀酰亚胺酯、酒石酸-N-羟基琥珀酰亚胺酯都属于低毒、无毒材料，不会对人体产生危害，加之制备胶原膜的主要材料又来源于动物胶原，且能够被生物降解，不会对环境产生白色污染，因而该膜不仅是一种绿色环保的材料，且能够用于食品包装领域。
4、由于本发明提供的制备方法不管是交联过程，还是制膜过程均在低温坏境条件下进行，因而不会对胶原的三股螺旋结构造成破坏，影响成膜后胶原膜的韧性和强度。
5、本发明方法简单，操作容易，易于推广应用。
附图说明
图1为湿状态下未改性的胶原膜和经本发明用柠檬酸-N-羟基琥珀酰亚胺酯改性后的胶原膜的数码电子照片，左边为未改性的胶原膜，右边为经柠檬酸-N- 羟基琥珀酰亚胺酯改性后的胶原膜，由图可见经过柠檬酸-N-羟基琥珀酰亚胺酯改性后的胶原膜在外观上没有发生改变。
具体实施方式
下面给出的实施例是对本发明的技术方案进行进一步说明。有必要在此指出的是，以下实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，这些实施例不能理解为对本发明保护范围的限制，如果该领域的技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明保护范围。
值得说明的是：以下各实施例和对比例制备的胶原膜的拉伸强度和断裂伸长率是参照GB/T 1040.2-2006标准测试的；胶原膜的吸水率是参照HG/T 3856-2006 绝缘漆漆膜吸水率测定标准测试的。
实施例1
将猪皮胶原用0.1mol/L的醋酸溶液于0℃下搅拌至完全溶解，并配制成 2.5mg/mL胶原蛋白溶液，然后加入以动物胶原重量计的1％柠檬酸-N-羟基琥珀酰亚胺酯，于0℃下搅拌反应6h，脱除气泡后流延成膜、干燥得白色透明胶原膜；先将酪氨酸酶配制成重量百分比浓度为1％的溶液，然后将干燥的胶原膜浸泡于上述溶液中，于20℃下反应4h，反应结束后将胶原膜取出，用水冲洗表面、干燥即得改性胶原膜。
所得胶原膜的拉伸强度为22.401MPa，断裂伸长率为6.57％，吸水率为 151.37％。
实施例2
将猪皮胶原用0.2mol/L的醋酸溶液于2℃下搅拌至完全溶解，并配制成 5mg/mL胶原蛋白溶液，然后加入以动物胶原重量计的2％苹果酸-N-羟基琥珀酰亚胺酯，于2℃下搅拌反应5h，脱除气泡后流延成膜、干燥得白色透明胶原膜；先将酪氨酸酶配制成重量百分比浓度为3％的溶液，然后将干燥的胶原膜浸泡于上述溶液中，于25℃下反应3h，反应结束后将胶原膜取出，用水冲洗表面、干燥即得改性胶原膜。
所得胶原膜的拉伸强度为25.652MPa，断裂伸长率为6.12％，吸水率为 144.57％。
实施例3
将鱼皮胶原用0.5mol/L的醋酸溶液于5℃下搅拌至完全溶解，并配制成 7.5mg/mL胶原蛋白溶液，然后加入以动物胶原重量计的3％酒石酸-N-羟基琥珀酰亚胺酯，于5℃下搅拌反应4.5h，脱除气泡后流延成膜、干燥得白色透明胶原膜；先将漆酶配制成重量百分比浓度为5％的溶液，然后将干燥的胶原膜浸泡于上述溶液中，于30℃下反应2h，反应结束后将胶原膜取出，用水冲洗表面、干燥即得改性胶原膜。
所得胶原膜的拉伸强度为24.02MPa，断裂伸长率为5.71％，吸水率为 138.22％。
实施例4
将鱼皮胶原用1.0mol/L的醋酸溶液于7℃下搅拌至完全溶解，并配制成 6mg/mL胶原蛋白溶液，然后加入以动物胶原重量计的4％酒石酸-N-羟基琥珀酰亚胺酯，于7℃下搅拌反应4h，脱除气泡后流延成膜、干燥得白色透明胶原膜；先将辣根过氧化物酶配制成重量百分比浓度为7％的溶液，然后将干燥的胶原膜浸泡于上述溶液中，于35℃下反应1.5h，反应结束后将胶原膜取出，用水冲洗表面、干燥即得改性胶原膜。
所得胶原膜的拉伸强度为26.652MPa，断裂伸长率为5.25％，吸水率为 132.21％。
实施例5
将牛皮胶原用1.5mol/L的醋酸溶液于10℃下搅拌至完全溶解，并配制成 7.5mg/mL胶原蛋白溶液，然后加入以动物胶原重量计的5％柠檬酸-N-羟基琥珀酰亚胺酯，于10℃下搅拌反应3h，脱除气泡后流延成膜、干燥得白色透明胶原膜；先将赖氨酰氧化酶配制成重量百分比浓度为8％的溶液，然后将干燥的胶原膜浸泡于上述溶液中，于37℃下反应1.0h，反应结束后将胶原膜取出，用水冲洗表面、干燥即得改性胶原膜。
所得胶原膜的拉伸强度为32.084MPa，断裂伸长率为4.38％，吸水率为 129.55％。
实施例6
将牛皮胶原用2.0mol/L的醋酸溶液于9℃下搅拌至完全溶解，并配制成 10mg/mL胶原蛋白溶液，然后加入以动物胶原重量计的5％苹果酸-N-羟基琥珀酰亚胺酯，于9℃下搅拌反应3.5h，脱除气泡后流延成膜、干燥得白色透明胶原膜；先将酪氨酸酶配制成重量百分比浓度为10％的溶液，然后将干燥的胶原膜浸泡于上述溶液中，于40℃下反应0.5h，反应结束后将胶原膜取出，用水冲洗表面、干燥即得改性胶原膜。
所得胶原膜的拉伸强度为35.875MPa，断裂伸长率为4.01％，吸水率为122.91％。
对比例1
将牛皮胶原用1.5mol/L的醋酸溶液于10℃下搅拌至完全溶解，并配制成 7.5mg/mL胶原蛋白溶液，然后脱除气泡后流延成膜、干燥得白色透明胶原膜。
所得胶原膜的拉伸强度为4.936Mpa，断裂伸长率为8.15％，吸水率为 161.89％；通过与实施例5所得胶原膜对比可知，通过溶液交联及酶法浸泡交联使得拉伸强度提升了6.5倍，断裂伸长率降低了1.86倍，吸水率降低了32.34％。
对比例2
将牛皮胶原用2.0mol/L的醋酸溶液于9℃下搅拌至完全溶解，并配制成 10mg/mL胶原蛋白溶液，然后加入以动物胶原重量计的5％苹果酸-N-羟基琥珀酰亚胺酯，于9℃条件下搅拌反应3.5h，脱除气泡后流延成膜、干燥得白色透明胶原膜。
所得胶原膜的拉伸强度为19.475MPa，断裂伸长率为6.97％，吸水率为 155.23％；通过与实施例6所得胶原膜对比可知，通过酶法浸泡交联使得拉伸强度提升了1.84倍，断裂伸长率降低了1.75倍，吸水率降低了32.32％。

Claims (10)

1.一种可食用胶原膜的制备方法，其特征在于该方法是先将醋酸溶液溶解的动物胶原与羟基羧酸-N-羟基琥珀酰亚胺酯进行反应，脱去气泡、成膜干燥得到透明胶原膜，然后再将得到的透明胶原膜浸泡在含有氧化酶的溶液中进行反应，反应结束后用水冲洗、干燥即可。
2.根据权利要求1所述的一种可食用胶原膜的制备方法，其特征在于该方法的具体工艺步骤和条件如下：
(1)将动物胶原用0.1～2mol/L的醋酸溶液于0～10℃下搅拌至完全溶解，并配制成2.5～10重量/体积的胶原蛋白溶液，然后加入以动物胶原重量计1～5％的羟基羧酸-N-羟基琥珀酰亚胺酯，继续于0～10℃下搅拌反应3～6h，脱除气泡后流延成膜、干燥得透明胶原膜；
(2)先将氧化酶用水配制成重量百分比浓度为1～10％的溶液，然后将干燥的透明胶原膜浸泡于上述溶液中，于20～40℃下反应0.5～4h，反应结束后将胶原膜取出，用水冲洗表面、干燥即得改性胶原膜。
3.根据权利要求1或2所述的一种可食用胶原膜的制备方法，其特征在于该方法步骤(1)所用的动物胶原为牛皮胶原、猪皮胶原或鱼皮胶原中的任一种。
4.根据权利要求1或2所述的一种可食用胶原膜的制备方法，其特征在于该方法步骤(1)所配制的胶原蛋白溶液的浓度为5～10重量/体积。
5.根据权利要求3所述的一种可食用胶原膜的制备方法，其特征在于该方法步骤(1)所配制的胶原蛋白溶液的浓度为5～10重量/体积。
6.根据权利要求1或2所述的一种可食用胶原膜的制备方法，其特征在于该方法步骤(1)所用的羟基羧酸-N-羟基琥珀酰亚胺酯为柠檬酸-N-羟基琥珀酰亚胺酯、苹果酸-N-羟基琥珀酰亚胺酯或酒石酸-N-羟基琥珀酰亚胺酯中的任一种。
7.根据权利要求5所述的一种可食用胶原膜的制备方法，其特征在于该方法步骤(1)所用的羟基羧酸-N-羟基琥珀酰亚胺酯为柠檬酸-N-羟基琥珀酰亚胺酯、苹果酸-N-羟基琥珀酰亚胺酯或酒石酸-N-羟基琥珀酰亚胺酯中的任一种。
8.根据权利要求1或2所述的一种可食用胶原膜的制备方法，其特征在于该方法步骤(2)所用的氧化酶为酪氨酸酶、漆酶、辣根过氧化物酶或赖氨酰氧化酶中的任一种。
9.根据权利要求5所述的一种可食用胶原膜的制备方法，其特征在于该方法步骤(2)所用的氧化酶为酪氨酸酶、漆酶、辣根过氧化物酶或赖氨酰氧化酶中的任一种。
10.根据权利要求7所述的一种可食用胶原膜的制备方法，其特征在于该方法步骤(2)所用的氧化酶为酪氨酸酶、漆酶、辣根过氧化物酶或赖氨酰氧化酶中的任一种。
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