可食用膜是一种以不同可食用生物聚合物（如多糖、脂类和蛋白质）为成膜基质，形成的具有一定阻隔能力和机械性能的薄膜[1-2]。同时为增加其柔韧性并降低脆性，常使用甘油、山梨糖醇等作为增塑剂[3-4]，降低聚合物分子间的内聚力，增加聚合物链的流动性[5]。将各类可食用的材料应用于食物保鲜上具有非常悠久的历史。古代，中国便将蜂蜡涂抹在水果上[6]，使其形成一层可食用薄膜，用来保鲜。二十世纪九十年代，将蜡作为一种商业可食用涂料，应用于水果中[7]。但这些材料对于食品的保鲜效果欠佳，而且其应用范围不是很广。
随着科技的发展，塑料材料（如聚丙烯、聚乙烯等）因其具有良好的保鲜性能和机械强度，在食品工业领域和日常生活中被广泛应用[8-9]。但这些材料缺乏良好的回收性和可降解性[10]，造成资源的大量浪费和环境污染。近些年，由于消费者对环境保护和食品安全意识的不断提高，以可食用并且易降解的材料作为基础所制作出来的可食用膜受到了很大的关注[11]。可食用膜可以通过阻断水、氧气以及溶质等与食物腐烂有关的物质和被保鲜物的接触[12]，减少包括物理、化学和酶等不良反应，在食品制造、保藏和延长食品材料保质期等方面发挥着至关重要的作用。可食用膜的材料来源广泛，并且可以搭载各种天然功能物质[13-14]，使膜的功能特性更加丰富，应用范围更加广泛，具有巨大的发展潜力。Echeverría等[15]以大豆蛋白和丁香精油为基质制成的复合薄膜具有显著的抗氧化和抗菌性能。阳晖[16]研究仙草胶对蛋白膜的改善效果，发现将仙草胶与蛋白混合可以改变蛋白膜的网络微观结构，从而影响膜的宏观性质。
大豆分离蛋白（soybean protein isolate，SPI）是一种全价粉状食品原料和食品添加剂，其蛋白质含量在90%以上[17]，且含有的氨基酸种类有20种[18-19]。SPI因其具有生物降解和可再生性，并具有良好的成膜能力[20-21]，被广泛用作可食用膜的成膜基质[22]。但是单一的SPI膜存在物理-机械强度不足、功能性较差等问题[23]，从而导致其应用范围受到限制。因此，在以SPI为成膜基质的基础上，需要添加其他具有功能性的物质，提高膜的物理-机械强度，增加功能性。亚麻籽胶（flaxseed gun，FG）是一种源于亚麻籽，具有亲水性的胶体[24]，其主要成分为酸性多糖（75%）和中性多糖（25%）。在食品工业中，因其具有良好的增稠性、乳化性和乳化稳定性[25-27]，被广泛用作增稠剂、乳化剂和稳定剂[28-30]。FG还具有降血糖、降低胆固醇等生理功能[25，31]以及抗氧化和抑菌特性[32]。
本研究以SPI作为成膜基质，探究不同FG添加量对可食用膜的物理-机械性能、阻氧性、阻水性和光学性能的影响，参考模糊综合评价法对其进行累计加权。为FG扩大在食品中的应用，尤其是食品包装保鲜方向提供一定的参考，同时本研究也为今后研究多糖与SPI的作用机制提供一定的参考。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
SPI（蛋白质含量78.95%，食品级）：山东万得福生物科技有限公司；FG（纯度≥99%，食品级）：浙江一诺生物科技有限公司；大豆油（食品级）：益海嘉里金龙鱼粮油食品股份有限公司；甘油（食品级）：天津津东天正精细化学试剂厂；磷酸氢二钠、磷酸二氢钠（均为分析纯）：北京鼎国生物技术有限公司；无水氯化钙（分析纯）：上海国药集团化学试剂有限公司；其余试剂均为分析纯；亚克力平板：福建御涂达建材商贸有限公司。
1.2 仪器与设备
恒温磁力搅拌器（HJ-6A）：上海易友仪器有限公司；电热鼓风干燥箱（GZX-9030MBE）：上海博旭医疗生物仪器股份有限公司；高剪切分散均质机（D-500）：德国维根技术（北京）有限公司；通风橱（FGG1800）：武汉贝科科技股份有限公司；紫外分光光度计（U120Pro）：上海翱艺仪器有限公司；质构仪（TA.XT2i）：英国Stable Micro System公司；螺旋测微仪（SONGQI）：佛山市立发五金工具有限公司。
1.3 可食用膜的制备方法
准确称取SPI 5 g，溶于100 mL蒸馏水中，磁力搅拌10min至蛋白完全溶解，调节pH值至10，加入2 mL甘油，放入80℃水浴锅搅拌加热30 min后，分别加入0%、1%、2%、3%、4%、5%的FG（以SPI质量计，质量比）充分混合（不同FG添加量的膜分别用FG-0、FG-1、FG-2、FG-3、FG-4、FG-5表示），继续加热30 min，然后均质5 min，冷却至室温（25℃），静置30 min，将成膜液倒入20 cm×20 cm的亚克力平板上，铺匀，放入通风橱内干燥24 h后取出揭膜。将膜放入装有饱和NaBr溶液的干燥器中，平衡2 d后做测定。
1.4 膜的物理-机械性能的测定
1.4.1 膜厚的测定
参考GB/T 6672—2001《塑料薄膜和薄片厚度测定机械测量法》，使用螺旋测微仪，在平衡后的膜上选取4个点进行膜厚测定，4个点应对称，每个样品重复3次。
1.4.2 膜的机械性能测定
将膜样品用剪刀裁成15mm×60mm的长方形后，将其置于质构仪上，将质构仪的初始夹距设定为30 mm，用来测定膜在断裂时的抗拉强度（tensile strength，TS）和断裂伸长率（elongation at break，EAB），每个样品重复3次。
1.4.3 膜的水蒸气透过量的测定
参考GB/T 1037—2021《塑料薄膜与薄片水蒸气透过性能测定杯式增重与减重法》，均匀地在称量瓶内铺上粉碎且干燥至恒重的4 g无水氯化钙粉末，将膜剪裁成适合的大小，盖在称量瓶口，并使用石蜡将缝隙填满封住。将覆盖有膜的称量瓶放置于干燥器内，干燥器内部相对湿度为50%，间隔12 h对其进行称重，当前后两次的质量差小于5%时，结束称重。每个样品重复3次测定，水蒸气透过量（water vapor transmission，WVT）计算公式如下。
式中：WVT为水蒸气透过量，g/m2·24 h；△m为经过t时间后瓶增重，g；A为水蒸气透过膜的面积，m2；t为称重时间间隔，h。
1.4.4 膜的水溶性测定
将膜裁成30 mm×30 mm大小，将裁好的膜与烧杯放入干燥箱中干燥至恒重后称重。向烧杯中加入一定量的蒸馏水，放在室温（25℃）下24 h后，保留剩余的膜，将水倒掉，并将其干燥至恒重，记录其质量。每个样品重复3次，水溶性系数计算公式如下。
式中：WS为水溶性系数，%；m为初始膜的质量，g；m1为初始膜与烧杯的质量，g；m2为干燥后膜与烧杯的质量，g。
1.4.5 膜的透光率测定
将膜裁成与比色皿一侧大小一致的长条，贴在一侧，使用紫外分光光度计在500 nm下以未贴膜的空白比色皿作为对照，测定膜的透光率，每个样品重复测定3次。透光率计算公式如下。
T/%=0.1A
式中：T为透光率，%；A为吸光度。
1.4.6 膜的氧气透过性测定
将5 g的大豆油倒入烧杯中，将膜剪裁成合适的大小，覆于烧杯口上方，并将不覆盖膜的烧杯中的大豆油做空白组。将所制样品放入干燥箱中保存7 d，设定温度为60℃。7 d后每个样品各称取2 g，检测其过氧化值，每个样品重复测定3次，用来判断膜的氧气透过性，过氧化值（peroxide value，POV）计算公式如下。
式中：POV为过氧化值，g/100 g；V为试样消耗的硫代硫酸钠标准溶液体积，mL；V0为空白试剂消耗的硫代硫酸钠标准溶液体积，mL；c为硫代硫酸钠标准溶液的浓度，mol/L；0.126 9为与1.00 mL硫代硫酸钠标准滴定溶液[c（Na2S2O3）=1.000 mol/L]相当的碘的质量，g；m为试样质量，g。
1.5 膜的综合性能判定
膜的综合性能判断选取模糊综合评价法，即隶属度函数。本研究的膜所需要考虑的指标为水蒸气透过量（负效应）、抗拉强度（正效应）、断裂伸长率（正效应）、氧气透过性（负效应）、水溶性（正效应）、透光性（正效应），综合评价的权重子集为Y{0.15，0.2，0.2，0.2，0.1，0.15}。
累加加权隶属度值∑X（u）·Y为膜的多个指标经过计算所得的数值，其值越大，证明膜的综合能力越好。隶属度函数值计算公式如下。
正效应X（u）=（Xi-Xmin）/（Xmax-Xmin）
负效应X（u）=1-（Xi-Xmin）/（Xmax-Xmin）
式中：X（u）为分析指标的隶属度函数值；Xi为分析样品指标的数据值；Xmax为分析样品指标在数据列的最大值；Xmin为分析样品指标所在数据列的最小值。
1.6 数据处理
采用SPSS 23软件进行方差分析和差异显著性分析。试验所得数据利用Excel进行数据整理，通过Origin 2018软件对试验数据进行绘图。
2 结果与讨论
2.1 FG添加量对膜的阻隔性能影响
可食用膜作为应用到食品保鲜的包装材料，WVT和POV可以在一定程度上表示膜的保鲜效果。FG添加量对膜的WVT和POV的影响见图1。
图1 FG添加量对膜的WVT和POV影响
Fig.1 Effect of addition amount of FG on WVT and POV of the film
不同小写字母表示差异显著（p＜0.05）。
由图1可知，WVT在FG添加量0%时为15.51g/m2·24 h，随着FG添加量的增加，WVT先减小后增大，FG添加量2%时达到最小值10.64 g/m2·24 h。FG添加量5%时WVT达到最大值22.97g/m2·24h。可能是FG-1和FG-2样品中的FG与SPI结合，在膜表面形成疏水层，阻隔了水蒸气的进入。而FG-4、FG-5的WVT值均比FG-0高，推断是随着FG添加量的不断增加，其结合逐渐饱和，多余的FG不能和蛋白质分子结合，膜中FG的含量上升，使SPI的含量下降，导致膜的结构变得疏松，空隙增大，水分子较易通过[33]，并且FG可以使膜中亲水基团增加，使运输水分子的能力增强[30]，从而导致WVT的升高。
由图1可知，单一SPI膜的阻氧能力较差，其POV为1.22 g/100 g，随着FG添加量的增大，POV先降低至0.96 g/100 g（FG-3），后又升高至1.12 g/100 g（FG-4）。这可能是由于SPI自身含有大量的易吸附氧分子的非极性氨基酸[34]，FG可以与SPI分子链接，形成致密的结构[23]，能够阻挡氧气的透过。但是FG添加量大于4%时，过多的FG使膜原本致密的结构被破坏，结构疏松[35]，POV增大。但在FG添加量达到5%时，POV又有了轻微的下降，为1.04 g/100 g，推断可能是FG添加量过多，使膜厚较FG-0提高了120.00%，对氧气造成了一定的阻隔性。
2.2 FG添加量对膜的机械性能的影响
可食用膜的力学性能在保持可食用膜结构的完整性方面起着重要作用，其中抗拉强度和断裂伸长率是两个重要的参数。FG添加量对膜抗拉强度（TS）和断裂伸长率（EAB）的影响见图2。
图2 FG添加量对膜的TS和EAB的影响
Fig.2 Effect of addition amount of FG on TS and EAB of the film
不同小写字母表示差异显著（p＜0.05）。
由图2可知，FG添加量对膜的TS和EAB均有影响，且随着FG添加量的增加，呈现先上升后下降的趋势。在FG添加量为3%时，TS和EAB最高，分别为12.05 MPa和61.57%。此时FG与SPI分子发生了交联，增强了分子之间的作用力，从而导致膜的机械强度增加。当添加量达到4%和5%时，TS较3%时有一定的下降趋势，分别为9.73 MPa和8.81 MPa；EAB也是同样的趋势，FG-4和FG-5的EAB分别为22.82%、21.59%，推断可能因为FG添加过量，无法与蛋白分子结合，使原本紧密的膜的微观结构变得疏松。阳晖[16]研究发现仙草胶在添加量为0%～30%时，仙草胶/大豆蛋白混合膜的机械强度提升，当仙草胶添加量大于30%时，机械强度低于单一大豆蛋白膜，与本研究的结果相似。
2.3 FG添加量对膜的水溶性的影响
水溶性是判断可食用膜功能的一个重要指标。膜的水溶性受膜的微观结构、分子间作用力等因素的影响。FG添加量对膜的水溶性的影响见图3。
图3 FG添加量对膜的水溶性的影响
Fig.3 Effect of addition amount of FG on water solubility of the film
不同小写字母表示差异显著（p＜0.05）。
由图3可知，当FG添加量0%～3%时，复合膜的水溶性由37.25%降低至16.19%。FG添加量为2%～3%时，水溶性显著降低（p＜0.05）。这可能是因为FG与蛋白质的羟基结合[36]，使膜的空间结构变得致密，使水分子不容易进入膜的内部[37]，并减少了羟基与水分子结合的数量，从而达到阻水和降低水溶性的效果。当FG添加量为4%～5%时，相较于FG-3，水溶性有了一定的提升。当FG添加量大于3%时，过量的FG无法与SPI结合。而FG是一种亲水胶体[38]，在测定水溶性的过程中，FG可以与水反应形成凝胶，导致膜的水溶性的下降。在试验过程中，观察到添加了FG的膜均出现了溶胀现象。
2.4 FG添加量对膜厚和透光率的影响
FG添加量对膜厚和膜在500 nm时的透光率的影响见图4。
由图4可知，随着FG添加量的增加，膜厚逐渐增加，FG-0、FG-1、FG-2、FG-3、FG-4、FG-5的膜厚分别为0.057、0.065、0.083、0.098、0.102、0.111 mm。在预试验中发现，FG虽不能单独成膜，但其溶液颜色基本无色；FG-SPI复合膜的颜色为淡黄色。FG-0的透光率最佳，为82.92%，随着FG添加量的增加，透光率逐渐下降，FG-1、FG-2、FG-3、FG-4、FG-5分别77.80%、76.80%、75.34%、69.24%、64.61%。这个现象与膜厚的增加有一定的关系，且多糖可以和蛋白发生交联反应[16,37,39]，从而对光的通路有一定的影响。FG作为一种多糖与SPI分子反应，从而导致透光性的降低。
图4 FG添加量对膜厚和透光率的影响
Fig.4 Effect of addition amount of FG on thickness and light transmittance of the film
不同小写字母表示差异显著（p＜0.05）。
2.5 FG添加量对SPI膜性能的影响
将膜的6项品质指标经过模糊综合评价法变换为加权隶属度值，其累加隶属度值越大，证明膜的综合性能越好。FG添加量对膜性能的影响如表1所示。
表1 FG添加量对膜性能的影响
Table 1 Effect of FG addition amount on properties of soy protein isolate film
注：同列不同小写字母表示差异显著（p＜0.05）。
组别 膜厚/mm 水蒸气透过量/（g/m2·24 h）TS/MPaEAB/%POV/（g/100 g）水溶性/%透光率/%隶属度值FG-0 0.057±0.001e 15.51±0.52c 6.50±0.16e 15.96±1.02d 1.22±0.01a 37.25±1.14a 82.92±1.28a 0.059 2 FG-1 0.065±0.003d 11.84±0.46e 8.28±0.16d 22.43±1.42c 1.17±0.02b 34.34±1.02b 77.80±1.26b 0.0413 FG-2 0.083±0.002c 10.64±0.28f 8.54±0.19cd 29.71±0.98b 1.12±0.02c 27.04±0.77d 76.80±1.20b 0.055 1 FG-3 0.098±0.003b 14.33±0.21d 12.05±0.14a 61.57±1.75a 0.96±0.02e 16.19±0.95f 75.34±1.42b 0.282 7 FG-4 0.102±0.005b 17.35±0.32b 9.73±0.12b 22.82±1.26c 1.12±0.01ab 30.07±1.21c 69.24±1.16c 0.127 9 FG-5 0.111±0.004a 22.97±0.16a 8.81±0.14c 21.59±0.95c 1.04±0.02d 24.26±1.09e 64.61±1.06d 0.017 5
SPI膜作为应用于食品包装等领域的可食用膜，需要有良好的机械性能、阻氧性、阻水性以及外观[23，37，39]。WVT和POV较低，证明膜具有比较好的阻隔性能，可以阻止氧气和水接触食品，减少微生物滋生，能够更好地应用于食品包装领域；而膜的透光率从一定程度上可以影响消费者对其喜好程度；TS和EAB可以判定膜是否具有良好的机械性能[1]。TS为膜保持结构完整的最大负载耐受量，EAB可以表示膜的柔韧程度；在此试验中，使用多个指标的加权隶属度值对膜进行综合评价，加权隶属度值越大，表明膜的综合性能越好[2]。对这些指标进行模糊综合评价，即隶属度函数。发现在FG添加量为3%时，其综合隶属度值最大，为0.282 7，此时FG/SPI复合膜综合性能较好。
3 结论
研究不同添加量（0%～5%）的FG对SPI膜功能特性的影响，随着FG添加量的增加，膜厚逐渐增加，透光率下降。WVT出现了先降低后升高的现象，TS和EAB则与之相反。在FG添加量为3%时，TS和EAB分别达到12.05 MPa和61.57%，POV达到最小值为0.96 g/100 g，水溶性也达到最低值为16.19%。发现FG添加量为2%时，膜的WVT减小到最小值10.64 g/m2·24 h；对以上指标进行模糊综合评价，当FG添加量为3%即FG-3的复合膜性能最佳，具有良好的机械性能和阻隔性。本研究可以为今后深入探讨多糖/蛋白复合膜提供一定的参考。
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