食品包装中广泛使用的塑料膜因其不易分解和不可再生带来的环境污染和食品安全问题逐渐受到人们的重视，因此急需开发无毒、可降解、可再生的材料来代替传统的塑料包装材料，其中以天然高分子为原料来制备可食性膜已成为近年来国内外研究的热点。根据使用的基质不同，可食膜可以分为多糖膜、蛋白膜、脂质膜和复合型膜，其中蛋白质所形成的可食性蛋白膜具有一定的机械特性和较好的阻气性，可以防止脂肪氧化和挥发性成分挥发[1]，用于食品包装可以保持食品质量和延长食品的货架期[2]，因此蛋白质被认为是最具潜力的可食性膜材料。

明胶是胶原蛋白通过酸法、碱法、酶法、盐碱法或者在加热条件下所得到的变性产物[3]，其来源广泛、价格低廉、无毒，而且具有良好的成膜性和生物兼容性，是一种很好的天然可食性膜材料[4,5]。明胶与胶原蛋白具有相似的氨基酸组成，主要包含甘氨酸 (Gly) 、脯氨酸 (Pro) 和4-羟基脯氨酸，其中Gly-X-Y、Gly-X-Hyp、Gly-Pro-Y的周期性序列对于胶原蛋白三维结构的形成和稳定极为重要[6,7]。在形成明胶的过程中，这种三维螺旋结构被破坏，但是在明胶成膜的过程中，明胶又会逐步向胶原蛋白三维螺旋结构复性，从而使得明胶膜具有很好的机械性能;另一方面，明胶分子间较强作用力 (氢键和疏水作用) 的存在，使得明胶膜具有很大的脆性，限制了它的广泛应用[8]。

增塑剂作为一类非挥发性的小分子化合物，一般是平均分子质量为300～600的高沸点液体，被广泛用于改善膜的柔韧性和可加工性[9]。增塑剂可以渗入到高分子链之间，减少分子移动所需要的能量，并且阻止分子链间氢键的形成，导致分子间的自由体积和移动性增加，从而起到增塑的效果[10]。因此，增塑剂对膜的增塑效果与其理化性质密切相关，包括大小、形状、化学结构、极性和溶解度等[11,12]。此外，增塑剂还被分为外增塑剂和内增塑剂，外增塑剂是指一些易挥发物质，能与聚合物反应，但不能与聚合物分子形成共价键，在蒸发、迁移或者提取的过程中易失去;内增塑剂一般具有很大的结构，它是从聚合物自身衍化而来，能够异物共聚到聚合物分子结构中或者与聚合物反应[10]。

近年来，用于明胶膜的增塑剂主要有多元醇 (甘油和山梨三醇) 、低聚糖 (蔗糖) 、有机酸 (脂肪酸、酒石酸、苹果酸和柠檬酸等) 和不同分子质量的聚乙二醇 (polyethylene glycol, PEG) [10]。Cao等[13]研究蔗糖、油酸、柠檬酸、酒石酸、苹果酸、不同分子质量的PEG (300、400、600、800、1 500、4 000、10 000、20 000) 、山梨三醇、甘露醇、乙二醇、二甘醇、三甘醇、乙醇胺、二乙醇胺和三乙醇胺对明胶膜机械性能的影响，发现低分子质量的PEG (300) 、苹果酸、山梨三醇、乙二醇、二甘醇、三甘醇、乙醇胺、二乙醇胺和三乙醇胺对明胶膜具有很好的增塑效果。Orts等[14]发现氨基酸对淀粉膜有一定的增塑作用，增塑效果取决于氨基酸的种类。氨基酸作为蛋白质的基本组成单位，添加氨基酸是否对明胶膜具有增塑效果，对明胶膜的性能和结构是否有影响尚不清楚。因此，研究不同氨基酸对明胶膜物理机械性质的影响具有一定的意义。本研究以明胶为原料，甘油为共同增塑剂，根据氨基酸的大小、结构、极性、溶解性等性质的差异，选择脯氨酸、亮氨酸、谷氨酸、丝氨酸和甲硫氨酸为添加剂，研究上述氨基酸对明胶膜物理机械性能及结构的影响，旨在发现用于明胶膜的新增塑剂。

明胶 (Type B) 、甘油、亮氨酸、丝氨酸、甲硫氨酸、脯氨酸、谷氨酸、精氨酸，国药集团化学试剂有限公司。所有试剂均为国产分析纯。

FA-1004万分之一电子天平，上海精天电子仪器有限公司;8002温控水浴锅，北京永光明医疗仪器厂;99-1磁力搅拌器，金坛市科析仪器有限公司;MGC-350HPY-2恒温恒湿培养箱，上海一恒科学仪器有限公司;UltraScan-PRO测色仪，美国亨特立公司;UV1800PC紫外-可见光分光光度计，上海菁华科技仪器有限公司;S-3400N扫描电子显微镜，日本基恩斯国际贸易有限公司;NEXUS-670傅里叶变换红外光谱仪，美国尼高力仪器公司;Instron-5569A电子万能材料试验机，美国英斯特朗公司。

将6 g明胶溶解于100 m L去离子水中，60℃恒温水浴锅中加热并搅拌30 min，然后加入25% (w/w，甘油/明胶) 的甘油作为增塑剂，室温下磁力搅拌30 min后分别加入1 g亮氨酸、丝氨酸、甲硫氨酸、脯氨酸和谷氨酸，磁力搅拌30 min溶解混合均匀;将成膜液在4 000 r·min-1条件下离心5 min脱除气泡;取10 m L成膜液倾倒入9 cm的塑料培养皿中，放入25℃、相对湿度55%±5%的恒温恒湿箱中干燥48h，取出揭膜。保存于25℃、相对湿度50%的恒温恒湿箱中待测。

通过电子显微镜在4×10放大倍数下观察明胶膜的表观特征。

用千分测厚规在膜上随机选取10个点，测定其厚度并计算平均值，单位mm。

按照GB/T 1040.3-2006[15]中塑料拉伸性能试验方法进行测定。将膜剪切成50mm×20 mm的矩形长条，利用电子万能材料试验机进行测试，试样有效长度为30 mm，拉伸力为100 N，拉伸速度为30 mm·min-1，每组10个重复。

将4 m L去离子水注入5m L烧杯中，分别用膜将杯口包覆并用透明胶固定 (相对湿度100%) ，然后置于含有无水硅胶 (相对湿度0%) 的干燥器中，8 h内每1 h用分析天平称重一次。按照公式计算水蒸汽透过率 (water vapor permeability, WVP) [16]:

式中，W为烧杯质量的变化，g;L为膜的厚度，m;A为膜的表面积，m2;t为烧杯发生质量变化的时间，s;P2-P1为膜两侧水蒸气分压差，kPa，由于膜两侧环境湿度梯度为100%，P2-P1=3.179 kPa (22℃) 。

采用测色仪测定膜的颜色性质，以L* (黑-白) 、a* (红-绿) 、b* (黄-蓝) 和总色差△E*来表示。按照公式计算△E*:

式中，△L*、△a*和△b*为白板参数与测量数值差值;白板参数为L*=93.59、a*=0.98、b*=0.35。

裁剪样品尺寸为10 mm×50mm，将膜样品贴在比色皿外侧，用紫外分光光度计在200～800 nm波长下测定膜的透光率。以空气作为空白对照。选取600 nm波长下的吸光度，并按照公式计算透明度 (transparency, T) :

式中，T600为600 nm处膜的吸光度;x为膜厚度，mm。

将冷冻干燥后的膜置于全反射托盘上，用傅里叶变换红外光谱仪在室温下进行红外扫描。扫描范围为4 000～400 cm-1，扫描次数为32，分辨率为4cm-1，扫描间隔为2 cm-1。

采用PeakFit 4.12软件对波数在1 600～1 700 cm-1范围内的图谱进行基线校正、去卷积和二阶导数拟合，直至残差 (R2) 大于0.999，得到子峰图谱，然后根据各子峰峰位和峰面积计算对应二级结构 (β-折叠、无规卷曲、α-螺旋、β-转角) 的含量。

采用SPSS 13.0中One-Way-ANOVA进行差异性检验，并用DUCAN法进行Post Hoc检验。结果以平均数±标准差表示，P<0.05为差异显著。

由表1可知，明胶膜的厚度在0.074～0.176 mm范围内，添加亮氨酸和谷氨酸显著增加了明胶膜的厚度 (P<0.05) 。膜的厚度主要取决于膜液中的固体含量[17]，添加亮氨酸和谷氨酸导致膜厚度增加可能与它们在水中较低的溶解性有关，当膜被干燥时，固体析出，导致膜表面厚度增加。

由表1可知，对照组明胶膜抗拉伸强度 (tensile strength, TS) 和断裂伸长率 (elongation at break, EAB) 分别为14.76 MPa和16.95%，添加脯氨酸和丝氨酸显著降低了明胶膜的TS (P<0.05) ，并伴随着EAB的显著增加 (P<0.05) ;亮氨酸明胶膜的TS和EAB分别为57.57 MPa和28.18%，较对照分别增加了2.90倍和0.66倍;添加谷氨酸使明胶膜的TS从14.76MPa降至3.38 MPa (P<0.05) ，但对EAB的影响不显著;添加甲硫氨酸对明胶膜的机械性能无显著影响。综上表明，脯氨酸和丝氨酸对明胶膜具有一定的增塑效果，而亮氨酸对明胶膜具有一定的增强效果。

由表1可知，对照组明胶膜水蒸气透过率 (WVP) 为1.18 g·m-1·s-1·Pa-1，添加脯氨酸和丝氨酸后，明胶膜的WVP有一定的升高，但不显著 (P>0.05) ，而添加亮氨酸和谷氨酸后，明胶膜的WVP显著升高 (P<0.05) 。

色泽是衡量消费者对食品包装满意度的一个重要指标。由表2可知，氨基酸的类型对明胶膜的颜色具有显著影响，添加脯氨酸、亮氨酸、谷氨酸、丝氨酸和甲硫氨酸均显著降低了膜的L*值和a*值 (P<0.05) ，并伴随着b*值和ΔE*值的增加;除添加脯氨酸外，添加其他氨基酸均显著增加了b*值和ΔE*值 (P<0.05) 。结果表明，添加氨基酸可以增加明胶膜的黄度。

薄膜的光学性质是影响其外观、适销性和应用的重要属性。清晰的可食用薄膜通常在食品包装系统中具有更高的适用性和可接受性。由表3可知，在紫外光200 nm下，所有的明胶膜均呈现较低的透光率，透光率在0.33%～0.61%范围内。在可见光350～800nm范围内，对照组明胶膜的透光率在71.63%～90.49%范围内，添加甲硫氨酸、谷氨酸、丝氨酸和亮氨酸明显降低了明胶膜透光率，而添加脯氨酸后呈现增加趋势，尤其在500～800 nm波长范围内。

膜的透明度对其外观以及应用等有重要影响，透明度值越高，表明膜的透明度越低。由表3可知，添加脯氨酸降低了明胶膜的透明度值，而添加亮氨酸、谷氨酸、丝氨酸和甲硫氨酸显著增加了明胶膜的透明度值，降低了明胶膜的透明度。

添加不同氨基酸的明胶膜在荧光显微镜下的表面形貌如图1所示。对照组和添加脯氨酸的明胶膜展现出光滑透明的膜表面，而添加亮氨酸和谷氨酸的膜表面粗糙，且具有许多黑洞，这主要是由于在成膜的过程中，有颗粒析出膜表面，当光通过膜表面时被反射，从而形成较多黑洞;而粗糙的膜表面可能是因为这些氨基酸在膜中分散不均匀，这可能也是添加亮氨酸和谷氨酸的明胶膜相对于对照组具有更高的水蒸气的透过率和更低透光率的原因。此外，添加丝氨酸和甲硫氨酸的明胶膜表面形成了许多花纹，从而阻碍了光的透过。不同膜表面形貌可能与氨基酸的溶解度有关，不易溶于水的亮氨酸和谷氨酸在膜干燥的过程中析出表面，极易溶于水的脯氨酸形成了均匀、光滑、透明的薄膜，而丝氨酸和甲硫氨酸处于两者之间。

由图2可知，明胶膜的酰胺A、酰胺B、酰胺Ⅰ、酰胺Ⅱ和酰胺Ⅲ带对应的波数分别出现在3 285.27、3 075.78、1 628.5、1 542.95和1 235.59 cm-1，其中酰胺A代表N-H伸缩振动通过氢键与OH基团结合[18];酰胺B代表=C-H和-NH3的不对称伸缩振动[18];酰胺-Ⅰ振动模式主要与CN拉伸，CCN变形和平面NH弯曲模式耦合的C=O伸缩振动有关[5];酰胺Ⅱ代表N-H基团的弯曲振动和C-N基团的伸缩振动[5];酰胺Ⅲ代表C-N和N-H键的平面振动或甘氨酸CH2基团的振动[19]。波数1 031～1 033 cm-1处代表甘油中的羟基峰[19]。

由图2可知，对照组、脯氨酸、亮氨酸、谷氨酸、丝氨酸和甲硫氨酸明胶膜对应的酰胺Ⅰ带波数分别出现在1 628.50、1 626.89、1 628.21、1 628.09、1 626.52和1 626.36 cm-1;对照组、脯氨酸、亮氨酸、谷氨酸、丝氨酸和甲硫氨酸明胶膜对应的酰胺A带波数分别出现在3 285.27、3 284.91、3 284.15、3 284.48、3 280.85和3 282.25 cm-1。与对照组 (3 074.36 cm-1) 相比，添加脯氨酸、亮氨酸、谷氨酸、丝氨酸和甲硫氨酸的酰胺B带波数分别出现在3 072.78、3 074.34、3 073.76、3 071.57和3 071.99cm-1。结果表明，添加脯氨酸、丝氨酸和甲硫氨酸酰胺A，酰胺B和酰胺Ⅰ向低波数偏移，而亮氨酸和谷氨酸对明胶红外谱图无明显影响。

由于酰胺Ⅰ (1 700～1 600 cm-1) 的构象敏感，所以常被用来确定蛋白质的二级结构[20]。选取波数在1 651～1 660 cm-1范围为α-螺旋结构，在1 600～1 639 cm-1范围为β-折叠结构，1 661～1 700 cm-1范围为β-转角结构，1 640～1 650 cm-1范围为无规卷曲结构[21]。由图3可知，明胶膜主要由β-折叠结构构成。添加氨基酸后，无规则卷曲结构含量减少，α-螺旋结构含量无明显变化，添加脯氨酸、丝氨酸和甲硫氨酸后β-折叠和β-转角结构含量增加，添加谷氨酸和亮氨酸对明胶二级结构影响不明显。

增塑剂对膜的增塑效果取决于增塑剂的理化性质 (大小、形状、化学构成、分子质量和功能基团) 和其与聚合物的兼容性 (极性、氢键、介电常数和溶解度) [13]。本研究结果表明，添加脯氨酸和丝氨酸增加了明胶膜的断裂伸长率，并伴随着拉伸强度的降低，这可能是因为氨基酸中的极性基团能够破坏明胶分子产生的氢键，从而削弱明胶分子间的作用力，导致分子间的自由体积增大，使明胶分子更易移动，因而膜材料柔性增加，拉伸强度下降[22]。本研究还发现，添加亮氨酸和谷氨酸时，膜表面有固体颗粒析出，但是亮氨酸膜质地较硬较脆，而谷氨酸膜相对较软，因而亮氨酸增加了明胶膜的拉伸强度，而谷氨酸降低了膜的拉伸强度，这可能与氨基酸的性质有关。添加亮氨酸可同时增加明胶膜的拉伸强度和断裂伸长率，这与Wu等[23]报道添加5%羟基磷灰石对明胶膜机械性能影响的结果一致。

为延长食品保质期，一般要求保鲜膜具有较低的水蒸气透过率[24]。本研究结果表明，添加脯氨酸和丝氨酸增加了明胶膜的水蒸气透过率，可能是因为这2种氨基酸对明胶膜具有一定的增塑效果，增加了明胶链间的自由体积，加快了水的扩散。此外，添加亮氨酸和谷氨酸时，明胶膜水蒸气透过率较对照组分别提升了1.14和1.12倍，这可能与氨基酸的溶解度有关。不溶于水的增塑剂在膜干燥过程中容易析出，形成不连续区，导致水蒸气透过率增加[25]。

膜的色泽和光学性质是消费者评定膜食品包装的两个重要因素。本研究发现，添加氨基酸增加了明胶膜的黄度值 (b*值) ，这与Nuanmano等[26]研究明胶水解物对肌原纤维蛋白膜颜色影响的结果相似，这主要是因为膜干燥过程中-NH3与C=O发生了美拉德反应，添加氨基酸增加膜液中游离氨基含量，在膜干燥过程中的美拉德反应更明显。此外，本研究结果还表明，在200 nm紫外光下，明胶膜都具有很低的透光率，这与Ahmad等[27]报道的鱼皮明胶/米粉复合膜透光率结果一致，主要是因为明胶中含有大量的芳香氨基酸能吸收紫外光。本研究还发现，添加脯氨酸、亮氨酸、谷氨酸、丝氨酸和甲硫氨酸均会降低明胶膜紫外光透过率，尤其是添加甲硫氨酸，表明在紫外光范围内，添加甲硫氨酸更有助于降低光透过率。在350～800 nm可见光范围内，膜的透光率主要取决于固体颗粒在膜中的分散程度[28]。亮氨酸和谷氨酸在膜干燥过程中有固体物质析出，具有反射光的作用，从而阻碍了可见光的透过，降低了明胶膜的透光率;而甲硫氨酸和丝氨酸降低膜的可见光透光率主要是因为在膜的表面形成了花纹。

红外光谱图中酰胺Ⅰ带向低波数偏移表明氨基酸中的活性基团能与明胶反应，减弱明胶膜链间的作用力[27];酰胺A带向低波数移动表明氨基酸明胶分子反应是通过氢键作用的[29];酰胺B带向低波数移动表明明胶官能团的构象发生了变化[28]，这可能与明胶二级结构变化有关。蛋白质二级结构的稳定性大部分依靠非共价键力，如氢键、范德华力、静电相互作用和疏水相互作用。本研究中，明胶二级结构以β折叠为主，这与史洲铭等[30]的研究结果相似。本研究还发现，添加脯氨酸、丝氨酸和甲硫氨酸使得无规则卷曲转向β-折叠，这可能是因为脯氨酸、丝氨酸和甲硫氨酸与明胶反应形成了氢键，使得较高波数的无规卷曲向低波数的β-折叠转变[21]，这与红外光谱中酰胺Ⅰ带的变化结果一致。郑雅爻等[31]研究鲢鱼皮明胶提取方法对明胶膜性能的影响，发现明胶膜的机械强度与明胶的α-螺旋结构含量存在显著正相关，与其他二级结构不存在显著相关性，这也解释了氨基酸的添加使明胶中的无规则卷曲结构减少，未增加明胶膜机械强度，反而导致断裂伸长率的增加，因此不同氨基酸影响明胶膜机械性能的机制不同，仍有待进一步深入研究。

明胶膜的厚度、机械性能、颜色、水蒸气透过率、透光率等性能的变化取决于添加的氨基酸种类。本研究所用的5种氨基酸，除了甲硫氨酸外，脯氨酸、亮氨酸、丝氨酸和谷氨酸都可以作为明胶膜的天然增塑剂，增加明胶膜柔韧性;添加脯氨酸的明胶膜的柔韧性最好，具有更好的表观特征，表面光滑紧致，同时具有更高的透明度、透光率和相对较低的水蒸气透过率。综上所述，脯氨酸最适合作为明胶膜的天然增塑剂。