骨胶原蛋白壳聚糖共混膜中分子间作用红外光谱

0 引 言

近年来，塑料包装材料的不可降解性和不可循环性已经引起了严重的环境问题。同时，随着消费者对营养健康的关注，研究开发生物可降解膜已经成为食品包装领域的重要趋势。胶原蛋白具有良好的成膜特性和生物相容性，是可食性生物膜的重要材料来源。

胶原蛋白是动物体内含量最多、分布最广的蛋白质，占动物总蛋白的 30%左右，主要存在于动物的肌腱、软骨、骨和皮等结缔组织中[1-3]。我国畜禽骨副产物产量巨大，但加工利用率低，造成了极大了资源浪费。胶原蛋白作为骨的主要组成物质，具有极高的可开发利用价值。另外，胶原蛋白膜可以作为抗氧化剂和抗菌剂的载体应用于食品包装中[4-5]。然而，纯胶原蛋白膜的表面粗糙、易变性且机械特性较差，一定程度上限制了它的应用。壳聚糖是甲壳素经脱乙酰化反应后得到的一种天然多聚物，含量丰富，具有良好的抑菌性和成膜性和机械特性[6]。目前研究发现，胶原蛋白和壳聚糖共混膜的成膜特性优于单一组分膜，使得共混膜更适用于食品包装[7-8]。在成膜过程中，胶原蛋白和壳聚糖可能通过分子构象变化和分子间相互作用形成复杂的复合物。胶原蛋白的-OH、-NH2、-COOH基团等可能与壳聚糖的-NH2和-COOH等基团形成分子间氢键相互作用[9]。壳聚糖的-NH2在酸性环境下容易被质子化形成-NH3+，并与呈阴离子性的胶原蛋白形成静电作用。因此，明确成膜过程中胶原蛋白和壳聚糖分子间的相互作用情况对优化共混膜的成膜特性十分重要。目前，已有研究通过共混膜红外光谱中吸收峰峰位和强度变化，初步探讨了成膜过程中 2种物质的相互作用情况，并推断胶原蛋白与壳聚糖分子间形成了氢键和静电相互作用[9-11]。

二维红外相关光谱法是将数学相关分析技术用于红外光谱中，研究在外源因素的干扰下分子内官能团间相互作用和分子间相互作用的方法[12-13]。二维红外相关光谱还可以获得分子中官能团对外扰因素的敏感程度和响应顺序。二维红外相关光谱法被广泛用于物质的结构变化和分子间相互作用研究等[13-16]。然而，目前通过二维红外相关光谱法研究骨胶原蛋白和壳聚糖之间的相互作用情况的研究报道较少。因此，本文以骨胶原蛋白和壳聚糖混合比例为外扰，通过分峰拟合和二维相关分析方法，明确成膜过程中骨胶原蛋白与壳聚糖分子间的相互作用情况，为共混膜分子间相互作用的应用提供新思路，进而为胶原蛋白-壳聚糖膜的生产应用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

羊骨购买自内蒙古锡林郭勒盟额尔敦肉类食品有限公司；胃蛋白酶（美国Amresco公司）；壳聚糖（国药集团化学试剂有限公司）；甘油（美国 Amresco公司）；乙酸、氯化钠（国药集团化学试剂有限公司）。

1.2 仪器与设备

冻干机（北京四环科学仪器厂有限公司 LGJ-25型冷阱温度：≤-62 ℃极限真空度：≤10 Pa（空载））

磁力搅拌器（EMS-19天津欧诺仪器仪表有限公司搅拌容量(10-3000)×6（10 L），加热功率(50-300)×6）

烘箱（宁波江南仪器厂 控温范围：室温+10~200 ℃温度波动：±1 ℃）

水浴锅（上海精宏实验设备有限公司 DK-S26 控温范围+5～100 ℃温度波动：±1 ℃）

超声波清洗器（昆山禾创超声波仪器有限公司KH7200DE 超声频率40控温范围 常温~80 ℃）

红外光谱仪（德国Bruker Tensor 27分辨率：0.5 cm–1光谱范围：7500~370 cm–1）。

1.3 羊骨胶原蛋白提取

骨胶原蛋白提取方法参考Ruili zhang等[1]的方法，修改提取时的料液比和胃蛋白酶用量。新鲜乌珠穆沁羊骨购买自内蒙古锡林郭勒盟，–20℃保存。清洗破碎后，进行除杂蛋白、脱脂和脱钙处理。采用胃蛋白酶-乙酸法提取羊骨胶原蛋白，取脱钙骨粉以1:10（w/v）料液比置于胃蛋白酶-乙酸溶液中，胃蛋白酶与骨粉的用量比为20 U/g，磁力搅拌3 d提取骨胶原蛋白。通过盐析和透析纯化并冻干得到酶溶性羊骨胶原蛋白。

1.4 胶原蛋白-壳聚糖共混膜制备

取骨胶原蛋白和壳聚糖分别溶于0.5 M乙酸中，制成浓度为 1.5%骨胶原蛋白和 1.5%壳聚糖（w/v）的成膜液，搅拌均匀。将骨胶原蛋白（BC）和壳聚糖（CS）的乙酸成膜液分别按照100:0、60:40、50:50、40:60和0:100体积比混合均匀，40 ℃恒温水浴搅拌30 min。冷却后，加入 25%（以溶质质量计）的甘油作为增塑剂，搅拌均匀后超声脱气30 min形成铸膜液。将铸膜液均匀倒在塑料成膜器内，50 ℃干燥18 h，再于室温放置6 h后揭膜。膜样品置于25 ± 0.5 ℃、50% ± 5%相对湿度（饱和溴化钠溶液）的干燥器中保存待分析。按照不同混合比例，各处理组分别命名为：100 BC:0 CS、60 BC:40 CS、50 BC:50 CS、40 BC:60 CS和0 BC:100 CS。

文章来源：《分子科学学报》 网址: http://www.fzkxxbzz.cn/qikandaodu/2021/0322/713.html