壳聚糖基活性薄膜富集鳕鱼骨架副产物蛋白水解物：开发与表征

《Polysaccharides》：Chitosan-Based Active Films Enriched with Protein Hydrolysates Derived from Cod Backbone By-Products: Development and Characterization

　　

鱼类加工副产物是宝贵生物分子的丰富来源，可通过可持续提取方法实现增值。在本研究中，研究人员将通过亚临界水水解（subcritical water hydrolysis）获得的鳕鱼骨架水解物掺入壳聚糖基薄膜（chitosan-based films）中，用于潜在食品包装应用。水解残留物富含矿物质，尤其是羟基磷灰石（hydroxyapatite，HAp残留物），也被掺入薄膜中，以最大化利用所有水解衍生组分。研究人员评估了水解物和HAp残留物的掺入对薄膜性能的影响。水解物的掺入显著提高了薄膜的拉伸强度（从11.56 MPa提高至24.39 MPa），并降低了水蒸气透过率（water vapor permeability，WVP）（从4.93×10^?11 mol·m·m^?2·s^?1·Pa^?1降至2.89×10^?11 mol·m·m^?2·s^?1·Pa^?1），表明形成了更致密且更具内聚力的聚合物网络。然而，薄膜的溶胀度和溶解度也有所增加（分别增加22–29%和231–561%）。添加HAp残留物后，薄膜表现出较低的可见光透射率和较高的不透明度，显示出改善的光阻隔性能。HAp残留物的添加还降低了溶胀能力，但增加了水蒸气透过率并降低了拉伸强度，表明形成了更不均匀的薄膜结构。总体而言，结果表明鳕鱼骨架水解物可作为一种替代添加剂，用于调节壳聚糖薄膜的功能性能，以适用于食品包装应用。富含羟基磷灰石的残留物的掺入有助于鱼类加工副产物的完全增值，支持在循环经济方法中开发可持续且可生物降解的功能材料。

论文解读：壳聚糖基活性薄膜富集鳕鱼骨架副产物蛋白水解物的开发与表征

随着全球人口持续增长，水产品需求不断攀升，2022年全球渔业和水产养殖产量达到创纪录的2.232亿吨，其中89%用于人类消费。这一增长给加工行业带来了巨大挑战，因为加工过程中会产生大量副产物，占整条鱼的30%至70%，包括鱼头、鱼皮、鱼骨、鱼鳞、碎肉和内脏等。据联合国粮农组织统计，2011年高达35%的副产物被焚烧或丢弃在陆地或海洋中，造成严重的生态污染。这些副产物富含优质蛋白质、长链omega-3脂肪酸和维生素等营养成分，具有很高的利用价值。然而，传统水解方法如酶法和化学法存在效率低、条件苛刻、易降解活性分子等问题。亚临界水（subcritical water，sCW）水解作为一种绿色技术，可在100至274°C和高于饱和压力的条件下，利用水作为酸或碱催化剂，同时提取并水解蛋白质，无需额外试剂，且能回收羟基磷灰石（hydroxyapatite，HAp）等矿物残留物。壳聚糖（chitosan，CH）是一种来源于甲壳素的天然生物聚合物，具有无毒、生物相容性和可生物降解性，是替代传统塑料制备可降解包装膜的理想材料。已有研究将鱿鱼明胶水解物、鳀鱼副产物水解物等掺入壳聚糖膜中，但尚未有将鳕鱼骨架水解物用于壳聚糖复合膜的研究报道。为此，研究人员开展了本研究，旨在利用亚临界水提取的鳕鱼骨架两个级分（水解物和富含HAp的残留物）掺入壳聚糖膜中，评估其对薄膜机械性能和阻隔性能的影响，探索其在食品包装中的应用潜力。

研究人员采用亚临界水提取法，在190°C、90 bar、水固质量比10:1、停留时间15分钟的条件下处理鳕鱼骨架，获得水解物和固体残留物。水解物中蛋白质含量为66%（干重），灰分为12%（干重），主要氨基酸为谷氨酸、丙氨酸、脯氨酸和丝氨酸，且分子量小于4 kDa。残留物中灰分含量为69%（干重），蛋白质为8%（干重），主要矿物质为钙（180.72 mg/g）和磷（95.72 mg/g），二者合计占矿物组分的96%，表明残留物富含羟基磷灰石。随后，研究人员采用溶剂浇铸法制备了三种薄膜：壳聚糖对照膜、壳聚糖+水解物膜（CH+Hy）、壳聚糖+水解物+HAp残留物膜（CH+Hy+HAp）。水解物和HAp残留物的添加量均为壳聚糖质量的25%。对薄膜进行了傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、扫描电子显微镜（SEM）、颜色分析、紫外-可见光（UV-Vis）光谱、水溶性和溶胀度、水蒸气透过率（WVP）、氧气透过率以及力学性能等表征。

研究结果分述如下：在薄膜视觉分析中，对照膜和CH+Hy膜表面光滑均匀，而CH+Hy+HAp膜因HAp残留物未能完全均匀分散而呈现颗粒状纹理，且水解物使薄膜颜色变暗。FT-IR分析显示，所有薄膜均呈现典型壳聚糖特征峰，掺入水解物或HAp残留物后未出现新吸收峰或显著位移，表明组分间未形成新的共价键，但可能存在氢键等弱相互作用。扫描电镜（SEM）观察表明，对照膜和CH+Hy膜断面致密均匀，而CH+Hy+HAp膜表面和断面均可见未均匀分散的颗粒，平均粒径为（66±47）μm。颜色分析结果显示，水解物和HAp残留物的掺入使薄膜明度L*逐渐降低，a*从负值变为正值，b*增大，色调角h°从约117°降至79°，色度C*显著增加，表明薄膜变得更暗、更偏棕黄色。UV-Vis阻隔性能测试中，在190–900 nm范围，所有薄膜在UV-C区（190–280 nm）几乎完全阻隔紫外线，但掺入水解物及HAp残留物的薄膜在更宽波长范围内保持极低透射率；在UV-B区（280–315 nm）和UV-A区（315–400 nm），CH+Hy+HAp膜透射率最低，CH+Hy膜次之，对照膜最高。在600 nm可见光波长下，CH+Hy+HAp膜透射率仅约10%，不透明度显著高于前两者，表明HAp残留物增强了光散射，提高了光阻隔性能。水溶性和溶胀度测试表明，水解物的掺入使薄膜溶解度从约22%增加至29–31%，溶胀度从约231%大幅增加至约561%，这归因于水解物引入了更多亲水基团，增强了与水分子的相互作用。HAp残留物的添加使溶胀度降至约428%，但溶解度变化不显著，说明矿物填料部分限制了聚合物链的膨胀。水蒸气透过率（WVP）测定结果显示，水解物的掺入使薄膜厚度从约202 μm降至149 μm，WVP从4.93×10^?11降至2.89×10^?11 mol·m·m^?2·s^?1·Pa^?1，降低了42%，表明形成了更致密的结构，水蒸气扩散受限。然而，HAp残留物的加入使厚度增至约215 μm，WVP回升至接近对照膜水平，这与SEM观察到的结构不均匀性一致。氧气渗透率测试中，所有薄膜在渗透侧的压力变化可忽略不计，氧气渗透率低于设备检测限（约10^?15 m²/s或0.0012 barrer），表明薄膜具有极佳的氧气阻隔性能。力学性能测试表明，水解物的掺入使拉伸强度从11.56 MPa提高至24.39 MPa，杨氏模量从5.84 MPa提高至20.23 MPa，断裂伸长率略有下降但无显著差异，说明薄膜变得更刚硬但仍保持一定的变形能力。HAp残留物的加入则使拉伸强度降至与对照膜相近的水平，断裂伸长率显著增加，杨氏模量降至9.04 MPa，表明HAp残留物破坏了聚合物基质的连续性，导致薄膜抗拉强度下降但柔韧性增加。

讨论部分指出，水解物中的低分子量肽可能通过物理填充作用更均匀地分布机械应力，从而增强薄膜强度。而HAp残留物颗粒较大且分散不均，形成结构缺陷，导致力学性能下降。WVP的改善与薄膜致密化有关，但HAp残留物引起的结构不连续性则削弱了水蒸气阻隔性。研究人员还比较了文献中其他壳聚糖膜或鱼蛋白水解物复合膜的WVP和力学性能，发现这些参数高度依赖于壳聚糖来源、脱乙酰度、分子量、增塑剂浓度以及水解物的来源和提取方法，因此难以直接比较。

研究结论部分翻译如下：本研究表明，通过亚临界水水解获得的鳕鱼骨架水解物可作为富含蛋白质的添加剂，用于壳聚糖基薄膜，具有潜在可持续食品包装应用价值。水解物的掺入显著改变了壳聚糖薄膜的理化性能和功能特性，促进了更致密、更具内聚力的聚合物网络的形成，这体现在水蒸气透过率降低和拉伸强度显著提高，突出了这些薄膜在需要严格氧气阻隔性能以预防食品氧化方面的应用潜力。同时，薄膜表现出更高的溶胀度和溶解度，表明亲水性增强，与水分子的相互作用更强，从而使这些薄膜更适合干燥或低水分产品。富含羟基磷灰石的残留物（HAp残留物）的掺入进一步改变了薄膜性能，尤其是光学行为，形成了不透明度显著更高、可见光透射率更低的薄膜，这可能对需要增强紫外光阻隔性能的应用有利。然而，HAp残留物在薄膜中未能均匀分散，表明形成了更不均匀的基质结构，可能导致薄膜性能出现局部变化。进一步的工作需要改善该残留物的掺入方式。颜色分析显示，加入水解物和HAp残留物后，改性薄膜变得更暗，呈现出更明显的棕色调。总之，这些结果凸显了鳕鱼骨架衍生组分作为可持续功能性成分用于可生物降解壳聚糖薄膜的潜力。此外，水解物和富羟基磷灰石残留物的同时增值有助于鱼类加工副产物的完全利用，符合循环经济框架。目前正在进行的工作是使用掺有鳕鱼骨架组分的壳聚糖薄膜包裹新鲜鱼汉堡，评估其调理和保鲜能力，主要目标是为开发具有应用前景的环境友好型高附加值材料、实现可持续食品包装系统做出贡献。