天然染色可食胶原膜的制备及表征

（1.四川大学皮革化学与工程教育部重点实验室，四川成都 610065；2.四川大学制革清洁技术国家工程实验室，四川成都 610065）

摘要：为改善胶原膜的使用性能，采用胭脂虫红和高粱红色素复配着色剂对其染色，考察染料质量分数、温度、pH值以及时间等染色条件，确定最佳染色工艺。结果表明：在质量分数3%、温度40 ℃、pH 5的染液中上染8 min染色效果最佳。对染色后胶原膜的天然结构、耐热性能和机械强度进行分析，接触角和吸水率测定显示，染色后胶原膜的亲水性增加；红外光谱分析表明，染料分子与胶原纤维产生了结合；差示扫描量热分析和热重分析表明，染色后胶原膜的热变性温度提高了20 ℃左右，起始分解温度升高了约100 ℃，耐热性得到了较大的改善。拉力测试结果显示，染色后胶原膜的机械强度提高。

关键词：可食胶原膜；复配染料；胭脂虫红色素；高粱红色素；染色性能

胶原蛋白是动物皮的主要构成物质，属于可再生资源。食用胶原一般取自动物皮的真皮层、肌腱和骨胶原 [1]，这种胶原及其水解产物明胶在特定条件下可以成膜，其分子间和分子内的广泛交联保证了成膜的稳定性，并且特殊的氨基酸存在使其具有较强的抗拉强度 [2]。因此胶原膜被广泛用作食品包装材料，例如冻肉和火腿的包装膜、胶原肠衣等。但目前市场上的胶原包装膜存在两方面突出问题：一是膜呈白色半透明状，其较低的透明度影响内容物的原本色泽，导致成品的光泽性差；二是膜在灌装、熏烤等过程中易出现胀破、变形的问题，其耐热性能和机械强度明显不够 [3]。因此，如何提高这种胶原包装材料的使用性能成为市场关注的焦点。本研究采用染色实验，期望得到一种色泽优越，同时耐热性能和机械性能也能得到改善的胶原包装膜。

图1 胭脂虫红酸的分子结构式 [10]（a）、高粱红主要成分的分子结构式 [11]（bb）
Fig.1 Structural formulas of cochineal carmine (a) and sorghum red pigment (b)

在胶原膜的染色研究方面，最初人们发现焦糖在胶原膜的表面有一定的吸附和结合，使得胶原膜表面呈现酱色，但这并不算严格意义上的染色反应。张敏等 [4]采用胭脂虫红色素对胶原膜进行染色，得到了一种性能良好的紫红色胶原膜。其他相关报道很少，因此目前对于胶原膜的染色研究有待扩展和深入。本实验采用天然色素胭脂虫红和高粱红复配着色剂对胶原膜进行染色。胭脂虫红色素的主要成分是胭脂虫红酸，属于蒽醌类衍生物 [5]，其分子式如图1a所示。它是一类应用广泛的红色动物染料，如Mohsen等 [6]研究了胭脂虫红染料对羊毛的染色性能，染色后羊毛呈红色；Voltolini等 [7]报道了胭脂虫红色素在食品行业的应用。高粱红的主要成分是异黄酮半乳糖苷，属于黄酮类化合物 [8]，其主要结构如图1b所示。路艳华等 [9]研究了高粱红色素染色真丝织物的性能，得到了染色牢度优越的棕色真丝织物。为了使胶原膜更接近肉类制品的色调，保证灌装制品的外观，本研究选用以上两种天然色素进行复配，通过胭脂虫红色素的红色调与高粱红色素的棕色调相互中和，期望得到一种无毒无味，安全可食的红棕色染料，并对复配染料的最佳上染工艺及染色后胶原膜的相关性能做了研究。

1 材料与方法

胶原膜（厚度0.02～0.025 mm）实验室自制；胭脂虫红色素和高粱红色素复配着色剂D2-902（本实验简称为“染料”）某天然产物有限公司；磷酸氢二钠、柠檬酸（均为分析纯）成都市科龙化工试剂厂。

8200色度色差分析仪美国X-RITE公司；OCAH 200光学接触角测定仪德国Dataphysics公司；Nicoletis l0傅里叶变换红外光谱仪美国Thermo Scientific公司；200 PC差示扫描量热（differential scanning calorimeter，DSC）仪德国Netzsch公司；TA 2910热重（thermogravimetric，TG）分析仪美国DuPont公司；CT-AI-7000拉力机高铁检测仪器有限公司。

称取不同质量的染料，用磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液溶解，配制成不同质量分数的染液。取定量（2 cm×2 cm）胶原膜，纵向剪开，吸取5 mL染液于具塞试管中，进行染色反应。上染完全后，用去离子水充分冲洗胶原样，定型干燥12 h，得到染色胶原膜，采用色度色差分析仪测得ΔE，确定不同染料的最佳染料质量分数。用相同方法依次确定最佳染色温度、pH值以及饱和上染时间，每次实验均在前实验确定的最佳条件下进行。最终在所有最佳染色条件下进行染色实验，制成染色胶原膜。

采用色度色差分析仪对染色后胶原膜进行色度色差分析，根据测量结果显示的L、a、b以及ΔE值判断染色膜与原膜的色差大小和偏色方向。本实验以ΔE为指标，每个试样测量3 次，取平均值。其中ΔE是标样与试样之间分项差的平方根，表示CIE-Lab的总色差。其计算见式（1） [12]：

式中：L 0、a 0、b 0为原膜的色度值；L 1、a 1、b 1为染色后胶原膜的色度值。

采用接触角测定仪分别测定原膜和染色膜的接触角。选用去离子水为测试液，每个样品表面取3个点进行测试，最终结果取其平均值。

分别称取定量（2 cm×2 cm）的原膜和染色膜，置于101～105 ℃干燥箱中，重复干燥直至质量差小于2 mg，记录干燥后质量。将干燥后样品置于25 mL烧杯中，加入一定量的去离子水浸泡24 h取出，迅速用滤纸吸干表面的水分，立即称量，计算吸水率。吸水率计算见式（2）：

式中：M 1为浸水前胶原膜的质量/g；M 2为浸水后胶原膜的质量/g。

采用傅里叶变换红外光谱仪直接测定单层膜的吸收光谱。将原膜和染色膜剪成20 mm×20 mm的大小，置于红外光谱仪的样品架上，在4 000～500 cm -1范围内进行红外吸收扫描，采集单层样品的透射红外光谱谱图 [14]。

取染料粉末1～2 mg，将其与磨细的溴化钾粉末按1∶100的比例在研钵中混合均匀，于手动压片机上制成直径13 mm、厚度0.5 mm的透明薄片，置于红外光谱仪的样品架上，在4 000～500 cm -1范围内进行红外吸收扫描，采集染料粉末压片的透射红外光谱谱图 [15]。

分别取2～3 mg原膜和染色膜，剪碎，置于铝坩埚中压片，以空铝坩埚为空白对照，样品室氮气流量20 mL/min，扫描温度范围10～150 ℃，升温速率5 K/min [16]。每个样品重复测量3 次，结果取3 次测量的平均值。

分别取2～3 mg原膜和染色膜，剪碎，置于坩埚中，轻轻放入样品支架内，采用TG分析仪对其进行测定，扫描温度范围为45～800 ℃，升温速率为10 ℃/min。每个样品重复测量3 次，实验结果取3 次测量的平均值。

按照GB/T 13022—199l《塑料拉伸性能试验方法》规定的薄膜Ⅱ型样条规格将原膜和染色膜剪成25 mm×5 mm大小的样条。采用GB/T 16421—1996《塑料拉伸性能小试样试验方法》方法进行力学性能测试。拉力机拉伸速率设定为20 mm/min，夹具间距为30 mm，每批测试3 个试样，结果取其平均值。

2 结果与分析

图2 染料质量分数对胶原膜ΔE的影响
Fig.2 Effect of dye concentration on Δ E of collagen film

如图2所示，随着染料质量分数的梯度升高，ΔE也呈现上升趋势，胶原膜的颜色逐渐加深，当质量分数增加到一定程度后，ΔE变化趋于平缓，上染达到饱和状态。出现这一变化规律的原因是随着反应体系中染料质量分数的增加，染料分子与胶原分子之间的碰撞概率大大提高，有效碰撞次数增加，加速了染色反应，从而使胶原膜色度加深。当染料的质量分数分别达到最佳值后，ΔE不再有明显变化，染料在胶原纤维上的吸附达到饱和，过量的染料不能够有效地吸附在胶原纤维上，反应趋于平缓。当染料的质量分数超过3%后，ΔE变化趋于平缓。因此，反应最佳质量分数选择3%为宜。

图3 染色温度对胶原膜ΔE的影响
Fig.3 Effect of dyeing temperature on ΔE of collagen film

如图3所示，从曲线的变化规律可以看出，温度较低时，胶原膜的Δ E值较低，随着温度的升高，Δ E随之升高。当温度上升到一定程度后，Δ E变化曲线趋于平缓，上染达到最佳状态。这是因为染液内部分子的动能随着温度的增加而增大，分子运动速率加快，染料分子与胶原分子相遇并发生有效碰撞的机会也就会增多，有利于染料与胶原纤维的结合，促进了染色反应。当温度超过40 ℃，虽然Δ E值明显升高，但实验现象明显显示出胶原膜面积缩小，厚度增加，表面出现细小褶皱，胶原膜发生肉眼可见的收缩，说明超过此温度胶原膜已开始变性。因此本实验的最佳染色温度定为40 ℃。

图4 染液pH值对胶原膜ΔE的影响
Fig.4 Effect of pH on Δ E of collagen film

如图4所示，pH值较低时，胶原膜的Δ E值较低，随着pH值的升高，Δ E逐渐升高。当pH值达到一定程度后，曲线趋于平缓，上染达到饱和。根据图中曲线，Δ E值在pH 5以后不再有明显变化。从染料的复配成分来考虑，由于胭脂虫红色素和高粱红色素都是弱酸性染料，当pH值不高于3.5时溶解性很低，在弱酸性条件下溶解性最好 [17-18]。并且胭脂虫红色素和高粱红色素分子含有大量的羟基和羧基（图1） [19]，随着染液酸性的增强，胶原膜氨基酸分子上电离的氨基正离子数目增多，与染料分子中的羧基、羟基负离子结合更加充分。因此，染料的最佳染色pH值选择5为宜。

图5 染色时间对胶原膜ΔE 的影响
Fig.5 Effect of dyeing time on ΔE of collagen film

如图5所示，染料的染色时间曲线变化趋势呈现出随着反应时间的延长，Δ E逐渐升高的趋势，8 min后Δ E不再有明显变化，曲线趋于平缓。从染色反应的一般过程来考虑，吸附阶段有一个饱和值，当染料与胶原分子结合到某一特定时间后，染料吸附量基本达到饱合状态，过量的染料分子游离于染液中不再上染。然后继续进行的是动态平衡的匀染过程，即重复进行的是固着过程，此后染料上染的深度不再明显增加。因此，本实验的最佳时间为8 min。

如表1所示，通过染色，胶原膜的接触角降低，吸水率升高，两项数据均表明染色后胶原膜的亲水性有所提高。这是由于染料配方中的胭脂虫红色素和高粱红色素分子结构中含有大量羟基、羧基等亲水性基团，这些基团引入胶原分子后，能与水形成氢键而吸附水分子，从而增强了胶原膜的亲水性。良好的亲水性一方面是使胶原膜包装与内容物具有良好贴合性，另一方面是保证了内容物通过膜与外界的水分交换，内包装料可以吸收膜中的水分，水分不会从膜中散失，之后膜从外界吸收水分维持平衡 [20]。

表1 胶原膜染色前后的接触角和吸水率
Table 1 Contact angle and water absorption ratio of native film anddyed film

胶原膜接触角/（°）吸水率/%染色前101.2±2.6100.8±16.3染色后98.9±1.9138.0±12.8

图6 染料（a）、原膜（b）和染色膜（c）的红外光谱图
Fig.6 FT-IR spectra of colorants (a), original film (b) and dyed film (c)

如图6所示，染料在3 384 cm -1处出现了一个较强的峰，它归属于染料分子上诸多羟基的伸缩振动吸收峰 [21]。原膜的酰胺A带出现在3 320 cm -1处，归属于N-H伸缩振动，染色膜的酰胺A带出现在3 325 cm -1处，发生轻微蓝移，这可能是由于染料分子上的羧基等吸电子基团与胶原纤维发生反应，吸电子集团的引入使N-H伸缩振动频率升高，吸收峰向高波数移动，即蓝移 [22]。此外，胶原膜的红外光谱特征吸收峰还包括1 663 cm -1（酰胺Ⅰ带）、1 554 cm -1（酰胺Ⅱ带）以及1 241 cm -1（酰胺Ⅲ带），它们分别归属于C＝O对称伸缩振动、N-H摇摆振动和N-H面内变形振动 [23]，根据数据显示部分特征吸收峰向低波数移动，发生了红移，这说明了染料分子与胶原发生了氢键结合 [24]，染料分子成功上染，使得染色膜具有一定的色牢度，作为食品包装材料，在水洗、摩擦过程中，不会轻易脱色。

图7 原膜（a）和染色膜（b）的DSCC曲线
Fig.7 DSC thermograms of original film (a) and dyed film (b)

如图7所示，原膜的热变性温度为49.8 ℃，这与实验过程中染色膜在超过40 ℃出现不同程度收缩的现象相符。染色后，胶原膜的热变性温度为71.9 ℃，提高了20 ℃左右。染色后胶原膜的热变性温度之所以有如此大程度的提高是因为染料配方中的胭脂虫红色素和高粱红色素分子中含有大量的羟基，能与胶原分子的肽键发生多点氢键结合，同时，胶原中不带电荷的氨基和未解离的羧基也能与色素分子上的氧原子形成氢键，使得胶原膜的结构稳定性增强，热稳定性提高 [25]。

图8 原膜和染色膜的TG（a）和DTG（b）曲线
Fig.8 TG and DTG curves of original film and dyed film

从图8a可以看出，胶原膜热质量损失主要分为两个阶段，首先是吸附水及小分子蒸发质量损失，然后是胶原膜分解质量损失。第二阶段中染色后胶原膜的起始分解温度比原膜升高了100 ℃左右，这说明染色后胶原分子的肽键稳定性提高，在热作用下更难发生断裂，胶原膜的热稳定性得到了较大改善。从图8b可以看出，原膜的最大质量损失率所对应的温度为315 ℃，染色膜的最大质量损失率所对应的温度为327 ℃，跟染色前相比提高了12 ℃，这进一步反应了染色后胶原膜在高温下更难发生降解，耐热性有所改善，使得包装食品在蒸煮、熏烤等加热过程中更难变形，具有良好的成形性。

表2 胶原膜染色前后的机械性能分析
Table 2 Mechanical properties of original film and dyed film

胶原膜抗张强度/MPa断裂伸长率/%染色前2.305±0.0236.452±0.018染色后6.103±0.0214.286±0.019

表2显示，染色后胶原膜的抗张强度较染色前有所增加，这主要是因为染料分子中含有羧基和羟基，它们可以与胶原分子相互作用形成强烈的氢键作用力，加强了胶原分子间和分子内的交联，从而使胶原膜的纤维结构更为完整坚固，膜的抗张强度提高。但是，随着交联程度的增大，胶原膜的韧性减弱，膜质硬脆，延伸性降低。这种机械性能的改善保证了肉制品灌装过程中的超量填充，克服了包装膜易出现胀破的现象 [26]。

3 结论

本研究采用由天然色素胭脂虫红和高粱红复配而成的着色剂对胶原膜进行染色，实验结果显示在质量分数3%、温度40 ℃、pH 5的染液中上染8 min染色效果最佳。所得胶原膜为红棕色，且色度较深。对染色后的胶原膜进行表征，结果显示，染色后胶原膜的接触角有所降低，吸水率有所升高，说明通过染色使得胶原膜的亲水性得到改善。染色后胶原膜的热变性温度升高了20 ℃，起始分解温度升高了100 ℃左右，说明胶原膜的耐热性得到很大程度的提高。染色后胶原膜的抗张强度升高，断裂伸长率降低。实验结果与预期相符，得到了耐热性能和机械强度优越的彩色食品包装膜。

[1] 张铭让, 林炜, 穆畅道, 等. 从皮边角料中提取胶原及其在食品中的应用[J]. 四川食品与发酵, 2000(3): 61-65.

[2] 刘少博, 陈复生, 徐卫河, 等. 胶原蛋白的提取及其可食性膜的研究进展[J]. 食品与机械, 2014, 30(2): 242-246.

[3] 马春辉, 舒子斌, 王碧, 等. 胶原蛋白膜的制作工艺及其对强度性质的影响研究[J]. 中国皮革, 2001, 30(9): 32-34. DOI:10.3969/ j.issn.1001-6813.2001.09.009.

[4] 张敏, 滕文卓, 解朵, 等. 胭脂虫红色素对胶原膜的染色性能研究[J].皮革科学与工程, 2014, 24(5): 22-26; 49.

[5] 张弘, 郑华, 郭元亨, 等. 胭脂虫红色素加工技术与应用研究进展[J]. 大连工业大学学报, 2010, 29(6): 399-405. DOI:10.3969/ j.issn.1674-1404.2010.06.003.

[6] MOHSEN O, NAFICE M, MAHNAZ K F. Investigation of adsorption process and thermodynamics of cochineal dye on wool[J]. 材料科学与工程(中英文B版), 2011, 1(3): 388-393.

[7] VOLTOLINI S, PELLEGRINI S, CONTATORE M. New risks from ancient food dyes: cochineal red allergy[J]. European Annals of Allergy and Clinical Immunology, 2014, 11(6): 232-235.

[8] 王金亭. 天然高粱红色素研究与应用进展[J]. 粮食与油脂, 2012(11): 7-11. DOI:10.3969/j.issn.1008-9578.2012.11.005.

[9] 路艳华, 程万里, 陈宇岳. 高粱红色素的真丝织物染色性能研究[J].印染, 2005, 31(18): 5-8. DOI:10.3321/j.issn:1000-4017.2005.18.002.

[10] BORGES M E, TEJERA R L, DIAZ L. Natural dyes extraction from cochineal (Dactylopius coccus) new extraction methods[J]. Food Chemistry, 2012, 6(4): 1855-1860.

[11] LINNEMANN A R, KAYODE A P P, BARA C A. Extraction of antioxidant pigments from dye sorghum leaf sheaths[J]. LWTFood Science and Technology, 2012, 4(1): 49-55. DOI:10.1016/ j.lwt.2011.11.003.

[12] 陈炳萍, 唐正宁. CIEDE 2000色差公式的研究[J]. 包装工程, 2006, 27(3): 67-69. DOI:10.3969/j.issn.1001-3563.2006.03.026.

[13] 上海开林造漆厂. HG/T 3856—2006 绝缘漆漆膜吸水率测定法[S].

[14] 胡宗智, 赵小蓉, 游敏, 等. 红外光谱在保鲜膜材质快速定性鉴定中的应用[J]. 三峡大学学报(自然科学版), 2006, 28(6): 528-530. DOI:10.3969/j.issn.1672-948X.2006.06.013.

[15] 夏静芬, 钱国英, 陈亮, 等. 傅里叶变换红外光谱法对珍珠粉和贝壳粉的研究[J]. 光谱实验室, 2010, 27(2): 524-528. DOI:10.3969/ j.issn.1004-8138.2010.02.029.

[16] 姜燕, 唐传核, 温其标. 大豆分离蛋白膜的DSC分析[J]. 食品与发酵工业, 2008, 34(1): 28-30.

[17] 王素芳, 俞超, 王忠华. 天然色素: 胭脂虫红色素[J]. 药物生物技术, 2007, 14(2): 153-156.

[18] 陈金娥, 刘丽琴, 张海容. 高粱红色素稳定性研究[J]. 食品研究与开发, 2009, 30(1): 189-192.

[19] 路艳华, 程万里, 陈宇岳. 高粱红天然染料对棉织物的染色性能研究[J]. 印染助剂, 2005, 22(11): 30-33. DOI:10.3969/ j.issn.1004-0439.2005.11.008.

[20] 彭珊珊, 江松坚. 调味料膜包装的研究[J]. 包装工程, 2005, 26(5): 93-94. DOI:10.3969/j.issn.1001-3563.2005.05.033.

[21] 卢晓蕊, 路金丽, 武彦文, 等. 红外光谱法研究花色苷色素的酯化修饰[J]. 光谱学与光谱分析, 2010, 30(1): 38-41. DOI:10.3964/j.is sn.1000-0593(2010)01-0038-04.

[22] 蒋红波. 氨基和羧基偶氮苯功能化聚合物的合成及性能研究[D]. 重庆: 西南大学, 2013.

[23] 谭擎天, 田振华, 李国英. 利用二维红外相关光谱研究胶原/透明质酸共混物的相互作用[J]. 光谱学与光谱分析, 2011, 31(4): 970-974. DOI:10.3964/j.issn.1000-0593(2011)04-0970-05.

[24] 白炳莲, 韦珏, 王海涛, 等. 用红外光谱技术研究氢键的键合方式[J].化学通报, 2013, 76(2): 167-170.

[25] 张敏, 李从虎, 甘贻迪, 等. 儿茶素对胶原膜的染色性能研究[J]. 中国皮革, 2014, 43(15): 9-12.

[26] 王乾乾, 王全杰. 氧化石墨烯/水性聚氨酯共混膜的性能研究[J]. 皮革科学与工程, 2012, 22(5): 27-30.

Preparation and Characterization of Edible Collagen Film Dyed By Natural Colorants

TENG Wenzhuo 1, ZHANG Min 2, LI Guoying 1,2,*
(1. Key Laboratory of Leather Chemistry and Engineering, Ministry of Education, Sichuan University, Chengdu 610065, China; 2. National Engineering Laboratory for Clean Technology of Leather Manufacture, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

Abstract：In order to improve the performance of collagen film, a colorant consisting of cochineal carmine and sorghum red pigment was used to dye the collagen film. The optimum dyeing process was determined with respect to different dyeing conditions such as colorant concentration, temperature, pH value and time. The results showed that the best dyeing efficiency could be obtained by using 3% colorant at 40 ℃ and pH 5.0 for 8 min. The measurement of contact angle and water absorption ratio indicated that the surface hydrophilicity of the dyed collagen film was improved obviously. The Fourier transform infrared spectrum showed that the dyed molecules reacted with collagen film. The differential scanning calorimetry (DSC) and thermogr avimetric (TG) analysis suggested that the denaturation temperature and initial decomposition temperature of the dyed collagen film were increased by 20 ℃ and 100 ℃ or so, respectively. Mechanical tests confirmed that the tensile strength of the dyed collagen film was higher than that of native collagen film.

Key words：edible collagen film; composite colorants; cochineal carmine; sorghum red pigment; dyeing properties

滕文卓, 张敏, 李国英. 天然染色可食胶原膜的制备及表征[J]. 食品科学, 2016, 37(2): 7-12. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201602002. http://www.spkx.net.cn

TENG Wenzhuo, ZHANG Min, LI Guoying. Preparation and characterization of edible collagen film dyed by natural colorants[J]. Food Science, 2016, 37(2): 7-12. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201602002. http://www.spkx.net.cn

基金项目：国家自然科学基金面上项目（21276167；21476147）

作者简介：滕文卓（1993—），女，本科，研究方向为哺乳动物皮包括水产动物皮胶原化学性质及其生物学利用。E-mail：tengwenzhuo93@sina.com

*通信作者：李国英（1967—），女，教授，博士，研究方向为哺乳动物皮包括水产动物皮胶原化学性质及其生物学利用。E-mail：liguoyings@163.com

天然染色可食胶原膜的制备及表征

1 材料与方法

2 结果与分析

3 结 论

3 结论