茶多酚改性胶原蛋白-壳聚糖复合膜工艺优化

陈达佳，赵 利*，袁美兰，苏 伟，刘 华，温慧芳

（江西科技师范大学生命科学学院，国家淡水鱼加工技术研发分中心，江西 南昌 330013）

摘 要：以鮰鱼皮胶原蛋白与壳聚糖为原料制备可食用复合膜，用茶多酚进行改性。通过正交试验，考察茶多酚添加量、热处理温度和热处理时间对复合膜性能的影响，以期降低复合膜的水蒸气透过率和增强复合膜的机械性能。结果表明：茶多酚添加量、热处理温度、热处理时间对复合膜的性能影响显著。最佳改性条件为：茶多酚添加量2%、热处理温度80 ℃、热处理时间30 min。在此条件下，得到的复合膜拉伸强度为（29.39±0.96） MPa，断裂伸长率为（84.22±0.05）%，水蒸气透过率为（0.20±0.01） （g•mm）/（h•m2•kPa），溶解度为（32.06±1.23）%，透光率为（82.4±1.10）%。

关键词：茶多酚；胶原蛋白；壳聚糖；改性；复合膜

Effect of Tea Polyphenols on Properties of Collagen-Chitosan Based Composite Films

CHEN Da-jia, ZHAO Li*, YUAN Mei-lan, SU Wei, LIU Hua, WEN Hui-fang

(National R&D Branch Center for Conventional Freshwater Fish Processing, School of Life Science,

Jiangxi Science and Technology Normal University, Nanchang 330013, China)

Abstract: The aim of this work was to develop edible composite film based on Amiurus nebulosus skin collagen and chitosan by using tea polyphenols to modify the functional properties of the composite film. Through orthogonal experiments, the effects of technological parameters including the concentration of tea polyphenols, temperature and heating time on film properties were investigated in order to reduce the water vapor transmittance and improve the mechanical properties of the composite film. The results showed that all these three parameters significantly affected the properties of the films. The optimal conditions for modification were achieved by adding 2% tea polyphenols and subsequently heating at 80 ℃ for 30 min. Under these conditions, the tensile strength, elongation at break, water vapor penetration rate, solubility and light transmittance of the composite film were (29.39 ± 0.96) MPa, (84.22 ± 0.05)%, (0.20 ± 0.01) (g•mm)/(h•m2•kPa), (32.06 ± 1.23)% and (82.4 ± 1.10)%, respectively.

Key words: tea polyphenols; collagen; chitosan; modification; composite film

中图分类号：TS254.4 文献标志码：A 文章编号：1002-6630（2014）24-0063-06

doi:10.7506/spkx1002-6630-201424012

在过去10 a中，一种可再生、可降解的天然聚合物在食品包装膜的应用上引起了广泛的兴趣。然而用这些天然聚合物做成的可食用膜并不能完全取代合成聚合膜[1-2]，
原因是可食用膜与合成聚合膜（如低密度聚乙烯膜、高密度聚乙烯膜）相比，其拉伸强度低，水蒸气透过率高[3-4]。针对可食用膜的缺点，可食用膜改良剂逐渐被研究出来，使得可食用膜在一些应用上仍然有潜力代替合成聚合膜。

常见可食用膜的底物主要有蛋白质、多糖、脂质及它们之间的混合物[5-7]。可食用膜可以被微生物所降解或与被包装食品一起食用，也可以作为添加剂的载体，例如抗菌剂、抗氧化剂、维生素、芳香物质及色素等[8-11]。此外可以用来制作可食用膜的天然聚合物（如胶原蛋白、壳聚糖）都可以从工业下脚料中获得。

蛋白质和多糖具有亲水性，由这些高分子做成的可食用膜能有效的阻隔氧气、二氧化碳、香味、油脂等，但与合成聚合物相比，它们的一些性能（如高水蒸气透过率、低机械性能）限制了其应用[12]。因此，可食用膜常常需要改性，常用改性的方法有化学改性、物理改性和酶法改性。化学改性、物理改性和酶法改性分别是通过使用交联剂戊二醛、γ射线和转谷氨酰胺酶交联聚合物链改变聚合物网络结构，从而提高可食用膜的性能。化学改性法常用戊二醛，但戊二醛不仅有细胞毒性而且容易引起组织钙化，物理改性（超声波、γ射线）和酶法改性（转谷氨酰胺酶）成本太高[13]。

茶多酚是多酚结构的天然产物，具有能够形成稳定的氢键结构的潜能。Madhan等[14]研究了茶多酚对胶原蛋白稳定性的作用，经过茶多酚处理后的胶原蛋白热收缩温度可提高10 ℃。茶多酚价格便宜，常被广泛用作于天然抗氧化剂。在临床应用和作为食品添加剂，被证明是安全的，其无毒性己经在老鼠实验中得到证明[15]。可见茶多酚是一种新型高效、安全的天然交联剂。本研究旨在利用茶多酚改性胶原蛋白-壳聚糖复合膜，以期增强其机械性质、降低水蒸气透过率。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

胶原蛋白由农业部淡水鱼加工技术研发分中心（南昌）提供[16]；壳聚糖 北京索莱宝科技有限公司；茶
多酚 西亚试剂公司；甘油、冰乙酸等均为分析纯。

1.2 仪器与设备

CT3 质构仪 美国Brookfield公司；N-1100旋转蒸发仪 东京理化器械公司；79HW-1恒温磁力搅拌器 江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司；烘箱 上海一恒科学仪器有限公司；UV-1100紫外分光光度计 上海美谱达仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 复合膜的制备

将壳聚糖溶于2%的乙酸溶液中，加热搅拌后得到质量分数为2%的壳聚糖溶液。用0.5mol/L的乙酸提取鮰鱼皮中的胶原蛋白3 g，取一定量旋转蒸发浓缩至质量分数为6.67%。

将上述胶原蛋白溶液与壳聚糖溶液按质量比6∶4混合，加入占总溶质质量分数20%的甘油，然后加入一定量的茶多酚，在一定温度条件下加热搅拌一段时间，去除气泡，流延于聚乙烯盘内，在50 ℃条件下干燥24 h，移出后揭膜，将膜置于盛有饱和Mg(NO3)2•6H2O溶液的干燥器中，25 ℃条件下，保持相对湿度（50±3）%，48 h后测定膜的各项性能指标。

1.3.2 机械性能测定

按照Arvanitoyannis等[17]的方法，采用TA-XT2i质构仪测定各膜的抗拉伸强度（tensile strength，TS）和断裂拉伸率（elongation at break，EAB）。每种膜测定5 个平行样，每个样品大小为1.5 cm×8 cm。

拉伸强度指膜在轴向拉伸力作用下，破裂前所承受的最大应力，按式（1）计算：

（1）

式中：TS为膜的抗拉伸强度/MPa；F为轴向拉伸力/N；L为膜的宽度/mm；d为膜的厚度/mm。

断裂伸长率是评价膜在拉伸测试中破裂时的延伸能力的指标，按式（2）计算：

（2）

式中：EAB为断裂伸长率/%；E为膜样品在断裂时所达到的长度/mm；E0为膜的初始长度/mm。

1.3.3 水蒸气透过率（water vapor permeability，WVP）的测定

采用修正的ASTM[18]方法测定。干燥器底部加入蒸馏水，25 ℃条件下，蒸馏水使干燥器内的相对湿度保持在100%。透湿杯内装无水氯化钙，透湿杯上覆盖待测膜，置于相对湿度为50%的干燥器内，每隔1 h称量透湿杯的质量。水蒸气透过率按式（3）计算：

（3）

式中：WVP为水蒸气透过率/（（g•mm）/（h•m2•kPa））；q/t为单位时间内透湿杯增加质量的算术平均值/（g/h）；d为样品膜厚度/mm；S为样品膜实验面积/m2；ΔP为试样两侧的蒸汽压/kPa，由于膜两侧的相对湿度梯度为50%、测定温度为25 ℃，故ΔP为1.58 kPa。

1.3.4 溶解度（solubility，S）的测定

按照Gontard等[19]的方法，将膜样（2 cm×2 cm）在100 ℃条件下干燥至恒质量，称质量m1，然后将样品直接放入盛有50 mL蒸馏水的离心管中，在室温25 ℃条件下浸泡24h，隔一段时间搅动一下离心管。将没有溶解的膜取出来，用滤纸吸干表面的水分，在100℃条件下干燥至恒质量，称质量m2。溶解度按式（4）计算：

（4）

式中：m1为膜溶解前干燥后的质量/g；m2为未溶物干燥后的质量/g。

1.3.5 透光率（light transmittance，T）的测定

将待测样品裁剪成10 mm×50 mm矩形，贴于比色皿内侧，采用修正过的ASTM [20]的方法在800 nm波长处测定透光率，以空比色皿作为对照，用透光率大小间接表示膜的透明度。

1.3.6 单因素试验

1.3.6.1 茶多酚添加量对复合膜性质的影响

胶原蛋白溶液与壳聚糖溶液按质量比6∶4混合，加入20%总溶质的甘油，分别加入1%、2%、3%、4%、5%的茶多酚，在70 ℃条件下加热搅30 min，按照1.3.1节所述制备复合膜后测定各项指标。

1.3.6.2 热处理温度对复合膜性质的影响

胶原蛋白溶液与壳聚糖溶液按质量比6∶4混合，加入20%总溶质的甘油，加入2%的茶多酚，分别在50、60、70、80、90 ℃条件下加热搅30 min，按照1.3.1节所述制备复合膜后测定各项指标。

1.3.6.3 热处理时间对复合膜性质的影响

胶原蛋白溶液与壳聚糖溶液按质量比6∶4混合，分别加入20%总溶质的甘油，加入2%的茶多酚，分别在80 ℃条件下加热搅拌10、30、50、70、90 min，按照1.3.1节所述制备复合膜后测定各项指标。

1.3.7 正交试验设计及表观特征评分标准

通过单因素试验表明，茶多酚添加量、热处理温度、热处理时间对膜的性能均有显著影响。综合考虑，茶多酚添加量、热处理温度、热处理时间按照L9（34）进行正交试验设计见表1，以拉伸强度、断裂伸长率、水蒸气透过率为表观特征评分指标，表观评分标准公式：评分=A＋B＋2C（A代表TS表观特征得分，B代表EAB表观特征得分，C代表WVP表观特征评分）。各表观特征评分标准见表2。

表 1 正交试验因素水平

Table 1 Factors and levels used in orthogonal experiments

表 2 复合膜表观特征评分标准

Table 2 Grading criteria for apparent characteristics of the composite film

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 茶多酚添加量对复合膜性质的影响

大小写字母表示邓肯氏新复极差法检验在0.05水平上的差异显著性，其中大写字母代表TS值的差异性，小写字母代表EAB值的差异性；若字母相同表示两者之间差异不显著
（P＞0.05），字母不同表示差异显著（P＜0.05）。图3、5同。

图 1 茶多酚添加量对复合膜机械性质的影响

Fig.1 Effect of tea polyphenol concentration on mechanical properties of film

由图1可知，复合膜的TS值随着茶多酚添加量的增加先增加再减小。当茶多酚添加量开始增加时，复合膜的抗拉伸强度增加，在茶多酚的含量为2%时，TS值达到最大的（27.62±0.98）MPa，这可能是由于茶多酚交联胶原蛋白-壳聚糖，增加了分子间及分子内的氢键作用，形成稳定化网络结构，使得膜更加致密，从而使得复合膜TS值增加。但当茶多酚添加量进一步增加，TS值降低，这可能是由于过高的茶多酚添加量将引起快速反应，在胶原蛋白表面形成聚合物，妨碍胶原蛋白与壳聚糖进行交联[21]，而且多余的茶多酚不能与胶原蛋白-壳聚糖反应而游离于复合膜中，成颗粒状，影响膜的网络结构稳定性，使得膜易撕裂，从而降低了复合膜的TS值。复合膜的EAB值随着茶多酚添加量增加而减小。当茶多酚含量开始增加，EAB值减小，茶多酚添加量增加到2%和3%时，EAB值分别减小到（88.90±2.43）%和（85.00±2.50）%，这可能是由于茶多酚增加了胶原蛋白分子内和胶原蛋白-壳聚糖分子间的交联，减小其分子间的距离，使得EAB值降低，这与Bravo[22]结论相反。当茶多酚添加量超过3%时，EAB值显著降低，这可能是由于多余的茶多酚不能与胶原蛋白-壳聚糖反应而游离于复合膜中，成颗粒状，影响膜的网络结构稳定性，使得膜易撕裂。

小写字母表示邓肯氏新复极差法检验在0.05水平上的差异显著性。图4、6同。

图 2 茶多酚添加量对复合膜水蒸气透过率（A）、溶解度（B）、
透光率（C）性质的影响

Fig.2 Effect of tea polyphenol concentration on WVP (A), S (B), and
T (C) properties of film

由图2A可知，复合膜的WVP值随着茶多酚添加量的增加而先减小而后显著增加。当茶多酚添加量开始增加，复合膜WVP值逐渐降低，茶多酚添加量为2%时，WVP值达到最低（0.24±0.01）（g•mm）/（h•m2•kPa），这可能是由于茶多酚增加胶原蛋白分子内和胶原蛋白-壳聚糖分子间的交联，减小了分子间的距离，使成膜物质之间形成更加紧密的网络结构，这个网络结构显著的减少了水蒸气的转移，这与Rao等[23]的结果一致。然而当茶多酚的含量超过2%时WVP值呈上升趋势，这可能是由于过量的茶多酚不能与胶原蛋白-壳聚糖反应，从而游离于复合膜中，干燥后成颗粒状凸起，破坏了膜的网络结构，使得复合膜气密性下降。

由图2B可知，复合膜的S值随着茶多酚添加量的增加而先减小后增加。当茶多酚添加量开始增加，复合膜S先减小，茶多酚添加量为2%时，S值达到最小（35.91±0.75）%，这可能是由于茶多酚的交联作用使复合膜的网络结构变得致密，表面疏水性增强，导致在水中稳定性的提高，使得膜不易溶解[24-25]。随着茶多酚添加量进一步增加，复合膜的S值开始增加，这可能是由于此时茶多酚含量过高，过多的茶多酚成颗粒状凸起在复合膜中，破坏了复合膜的网络结构。

由图2C可知，茶多酚添加量对复合膜在波长为800 nm的透光率有显著影响，T值随着茶多酚添加量的增加而显著减小，这可能是有两方面原因：一是茶多酚呈棕褐色，随着含量的增加颜色变深，导致复复合膜颜色变深影响透光率；二是多余的茶多酚在复合膜中成颗粒状凸起，导致透光率下降。透光率通常也是判断共混高分子相容性好坏的手段，若共混膜中高分子材料间的相容性较差，则在两相界面上光的散射或反射将使共混膜的透光率降低[26]。从测试结果可以看出茶多酚添加量为1%和2%时，复合膜在800 nm波长处的透光率较好。

综上可知，当茶多酚添加量为2%时，复合膜的TS值达到最大，EAB值下降幅度较小，WVP值最低，故选择茶多酚添加量2%为最佳单因素。

2.1.2 热处理温度对复合膜性质的影响

图 3 热处理温度对复合膜机械性质的影响

Fig.3 Effect of heat treatment temperature on mechanical
properties of film

由图3可知，复合膜的TS值随着热处理温度的升高而先增加后减小。当热处理温度开始升高，复合膜的TS值先增加，热处理温度为80℃时TS值达到最大为（29.04±0.12）MPa；在热处理温度低于80℃时，复合膜的EAB值随着热处理温度的升高而逐渐减小；这可能是由于较高的热处理温度有助于提高胶原蛋白与壳聚糖分子的运动速率，加大胶原蛋白分子内以及胶原蛋白与壳聚糖分子间交联的几率，增加了两种分子相互作用的机会，使得相互作用力逐渐增强，形成的复合膜结构趋于致密。当热处理超过80℃，TS值显著下降到（9.94±1.20）MPa，复合膜EAB值从（80.05±4.24）%显著减小到（44.73±2.915）%，这可能是由于此时的加热温度过高，导致胶原蛋白与壳聚糖形成的交联物质变性。

图 4 热处理温度对复合膜水蒸气透过率（A）、溶解度（B）、
透光率（C）性质的影响

Fig.4 Effect of heat treatment temperature on WVP (A), S (B), and
T (C) of film

由图4A、B可知，复合膜的WVP值和S值随着热处理温度升高而先减小后增加。当热处理温度升高到80 ℃时，复合膜的WVP值减小，达到最低（0.21±0.01） （g•mm）/（h•m2•kPa），S值达到最小（32.83±0.75）%，这可能是由于较高的热处理温度有助于提高胶原蛋白与壳聚糖分子的运动速率，增加茶多酚交联两者的几率，使得膜结构趋于致密，从而降低水蒸气透过率和溶解度。当温度超过80 ℃，WVP值和S值显著增加，这可能是由于此加热温度导致胶原蛋白与壳聚糖形成的交联物质热变性。由图4C可知，热处理温度对复合膜在800 nm波长处T值有显著影响，T值随着热处理温度的升高而显著增加。

综上可知，当热处理温度为80 ℃时，复合膜的TS值达到最大，EAB值下降幅度较小，WVP值最低，故选择热处理温度为80 ℃为最佳单因素。

2.1.3 热处理时间对复合膜性质的影响

图 5 热处理时间对复合膜机械性质的影响

Fig.5 Effect of heat treatment time on mechanical properties of film

由图5可知，复合膜TS值随着热处理时间的延长先显著增加后显著减小，复合膜的EAB值随着热处理时间的延长先显著减小后缓慢减小。当热处理时间开始延长，复合膜TS值增加，在热处理时间为30 min和50 min时，TS值都在29MPa左右，没有显著差别；当热处理时间开始延长，复合膜EAB值显著减小，处理时间为30 min时EAB值由（105.51±1.67）%减小到（80.05±4.24）%。这可能是由于热处理时间较短时，胶原蛋白与壳聚糖在较短时间的磁力搅拌作用下分子间相互作用位点增多，有利于茶多酚交联，使得分子间作用力增强，从而TS值增加。但在热处理时间进一步延长时，搅拌容易打断部分已形成的胶原蛋白-壳聚糖交联结构，从而使得TS值降低。

图 6 热处理时间对复合膜水蒸气透过率（A）、溶解度（B）、
透光率（C）性质的影响

Fig.6 Effect of heat treatment time on WVP (A), S (B), and T (C) of film

由图6A、B可知，复合膜WVP值和S值随着热处理时间的延长而先减小后增加，当热处理时间为30、50 min和70 min时，WVP值没有显著变化，都在0.21 （g•mm）/（h•m2•kPa）左右，S值没有显著变化，都在32%左右。这可能是由于胶原蛋白与壳聚糖在较短时间的磁力搅拌作用下分子间相互作用位点增多，有利于茶多酚交联，使得分子间作用力增强，膜结构更加致密，有利于阻隔水分的迁移，使得膜不易破裂和溶解。当热处理时间进一步延长时，WVP值没有显著的改变，S值显著增加，这可能是由于搅拌容易打断部分已形成的胶原蛋白-壳聚糖交联结构。由图6C可知，热处理时间对复合膜在800 nm波长处T值有显著影响，复合膜T值随着热处理时间的延长先显著增加后显著减小。

综上可知，当热处理时间为30、50 min时，复合膜的TS值和WVP值没有显著差别，EAB值相对较好，从节约能源方面选择热处理时间30 min为最佳单因素。

2.2 改性复合膜制备工艺优化

2.2.1 正交试验结果

正交试验评分结果及正交试验直观分析结果分列在表3、4。

表 3 正交试验设计及结果

Table 3 The results of orthogonal experiments

由表3可以看出，因素的主次顺序从主到次为：热处理温度、热处理时间、茶多酚添加量。最优工艺条件为茶多酚添加量2%、热处理时间80 ℃、热处理时间30 min。

2.2.2 验证实验

表 4 正交试验验证结果

Table 4 Validation of the optimal conditions obtained by
orthogonal experiments

按照正交试验筛选出的工艺条件茶多酚添加量2%、热处理时间80 ℃、热处理时间为30 min进行3 次验证实验。由表4可以看出，3 次验证实验的结果没有显著性差异，TS值（29.39±0.96）MPa、EAB值（84.22±0.05）%、WVP值（0.20±0.01）（g•mm）/
（h•m2•kPa）、S值（32.06±1.23）%、T值（82.4±1.10）%，说明筛选出的工艺合理可行，稳定可靠，具有可重复性。

3 结 论

茶多酚改性胶原蛋白-壳聚糖复合膜实验表明，未改性膜的TS值21.98 MPa、EAB值127.35%、WVP值0.41（g•mm）/（h•m2•kPa），改性膜与之相比拉伸强度增加了33.71%、断裂伸长率降低了33.86%、水蒸气透过率降低了51.61%，说明茶多酚能够增加胶原蛋白-壳聚糖复合膜的分子间的交联，改善复合膜的特性。机械性能的增加能够增强可食用膜的物理包装性能，水蒸气透过率的降低能够减少食品与外部环境的水分转移速率，不仅能减少食品水分的损失，而且能够减少食品受到外界环境的污染，在此基础上可望开发出一种具有广发应用前景的新型可食用膜材料。

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