郭 寬 張 超 趙曉燕 馬 越 李喜宏

(北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心1，北京 100097)

(天津科技大學(xué)食品營(yíng)養(yǎng)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2，天津 300457)

熱處理溫度對(duì)大豆分離蛋白膜功能性質(zhì)的影響

郭 寬1，2張 超1趙曉燕1馬 越1李喜宏2

(北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心1，北京 100097)

(天津科技大學(xué)食品營(yíng)養(yǎng)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2，天津 300457)

研究熱處理溫度對(duì)可食性大豆蛋白膜性能的影響。結(jié)果表明隨著處理溫度升高，大豆蛋白膜抗張強(qiáng)度增大，而斷裂延伸率、水蒸氣透過率和氧氣透過率降低。結(jié)果90℃熱處理的大豆蛋白膜綜合性能較好，其抗張強(qiáng)度為(9.31 ±1.57)MPa，氧氣透過率最小為(1.15 ±0.23)mL·mm·m－2·d－1。相關(guān)性分析結(jié)果表明，熱處理引發(fā)蛋白成膜液中巰基與二硫鍵之間的轉(zhuǎn)化，可能是引起大豆蛋白膜機(jī)械性能和阻隔性能變化的主要因素。

可食性膜 大豆分離蛋白膜 熱處理 二硫鍵 接觸角

大豆蛋白(SPI)膜是以大豆分離蛋白為主要原料的一種包裝材料，具有可食用、可降解和可再生等特點(diǎn)，同時(shí)，其具有較好的機(jī)械性能和氧氣阻隔性能，受到廣泛關(guān)注［1－3］。SPI膜在制備過程中，需要進(jìn)行熱處理，熱處理溫度對(duì)膜的機(jī)械性能和阻隔性會(huì)產(chǎn)生直接的影響。因?yàn)?，熱處理?huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性，不同的熱處理溫度和時(shí)間會(huì)影響蛋白質(zhì)展開的程度，進(jìn)而影響蛋白質(zhì)交聯(lián)的強(qiáng)度和程度，使SPI膜在宏觀上表現(xiàn)出功能性不同［4－6］。但是，系統(tǒng)研究熱處理溫度對(duì)于SPI膜功能性質(zhì)影響的報(bào)道不多。因此，本試驗(yàn)擬研究熱處理對(duì)SPI膜機(jī)械性能、阻隔性能和其蛋白結(jié)構(gòu)的影響，并通過相關(guān)性分析，揭示加熱溫度引起SPI膜機(jī)械和阻隔性能改變的內(nèi)在原因。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

大豆分離蛋白(GS5000)由山東谷神科技股份有限公司提供;甘油(≥99.0%):北京化工廠。

TA·XTplus物性測(cè)試儀:英國(guó)Stable Micro Systems公司;OX－TRAN Model 2/61氧氣透過率測(cè)試儀、PERMA TRAN－W Model 1/50G水蒸汽透過率測(cè)試儀:美國(guó)MCON公司;SM－112型測(cè)厚儀:日本TECLCK公司;BM－1型生物混合儀:日本Nihonseiki公司;KYOWA型接觸角測(cè)定儀:日本協(xié)和科學(xué)株式會(huì)社;DZKW－4型電子恒溫水浴鍋:中國(guó)中興偉業(yè)儀器有限公司;DH－201型電熱恒溫干燥箱:天津市中環(huán)實(shí)驗(yàn)電爐有限公司。

1.2 膜的制備方法

蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%(蛋白/成膜水溶液)，添加甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%(甘油/蛋白)，水浴溫度分別為60、70、80、90和100 ℃，時(shí)間30 min。倒膜后于35 ℃恒溫干燥箱中烘干成膜。揭膜后于溫度25℃、RH 50%的干燥器中平衡。

1.3 膜厚度

根據(jù) GB/T 6672—2001［7］，每張膜對(duì)稱取 9 個(gè)點(diǎn)(其中1點(diǎn)為膜中心點(diǎn))用測(cè)厚儀測(cè)定厚度，以平均值作為膜的厚度。重復(fù)測(cè)定3次取平均值。

1.4 機(jī)械性能測(cè)定

根據(jù)ASTM D 882－01方法［8］，用 TA·XTplus型物性測(cè)試儀測(cè)定抗張強(qiáng)度(TS)和斷裂延伸率(E)，初始夾距設(shè)定為40 mm，拉引速度設(shè)定為1 mm/s。

式中:F為膜斷裂時(shí)承受的最大拉力/N;S為膜的橫截面積/m2;L0為膜樣品的長(zhǎng)度/mm;L1為膜斷裂時(shí)的長(zhǎng)度/mm。

1.5 水蒸氣透過系數(shù)的測(cè)定

根據(jù) ASTM F 1249－05方法［9］，在常壓、室溫(23℃)條件下應(yīng)用水蒸氣透過率測(cè)試儀測(cè)定膜的

水蒸氣透過系數(shù)。透濕面積為5 cm2，膜兩側(cè)相對(duì)濕度分別設(shè)定為50%和15%。載氣為高純氮?dú)狻?/p>

1.6 氧氣透過系數(shù)

根據(jù)ASTM D 3985－95方法［10］，在常壓、室溫(23℃)條件下應(yīng)用氧氣透過率測(cè)試儀測(cè)定大豆分離蛋白膜的氧氣透過系數(shù)。測(cè)試面積為10 cm2，測(cè)試腔相對(duì)濕度控制在50%。測(cè)試氣體和吹掃氣體分別為高純氧氣和氮?dú)?混有2%氫氣)。

1.7 膜表面接觸角測(cè)定

按照Larré等［11］的方法進(jìn)行測(cè)定。采用接觸角測(cè)定儀測(cè)定接觸角，先將被測(cè)液體由微量注射器取1滴，滴在所需的固體平面上，再通過光學(xué)反光系統(tǒng)及放大系統(tǒng)將液滴放大于觀察鏡內(nèi)，然后用鏡頭內(nèi)測(cè)角器測(cè)定其接觸角大小。

1.8 巰基和二硫鍵含量測(cè)定方法

根據(jù)歐仕益等［12］的方法進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 機(jī)械性能變化

隨著加熱溫度的升高，SPI膜抗張強(qiáng)度逐漸增大，并且在70℃到90℃內(nèi)抗張強(qiáng)度增幅最大，升高36.2%;90 ℃ 時(shí) SPI膜抗張強(qiáng)度為(9.31±1.57)MPa，比60℃處理制得的SPI膜抗張強(qiáng)度升高37%(圖1)。熱處理溫度超過90℃，SPI膜抗張強(qiáng)度變化不明顯。蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)靠二硫鍵、疏水力、范德華力、氫鍵等維持［13］。適當(dāng)?shù)臒崽幚硎沟鞍踪|(zhì)分子從原來有序的緊密結(jié)構(gòu)變?yōu)闊o序的松散結(jié)構(gòu)，使原來藏在分子內(nèi)部的巰基和疏水性氨基酸側(cè)鏈殘基暴露出來，蛋白質(zhì)分子則通過疏水相互作用、二硫鍵等的結(jié)合形成均勻的立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高膜機(jī)械性能［14］。但若加熱溫度過高，時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)造成蛋白質(zhì)分子過度變性、分子鏈斷裂，不利于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成［15］。因此不同熱處理?xiàng)l件對(duì)SPI膜機(jī)械性能的影響是不同的。

加熱溫度對(duì)于SPI膜的斷裂延伸率影響不顯著。

圖1 熱處理溫度對(duì)SPI膜機(jī)械性能的影響

2.2 水蒸氣透過率及接觸角變化

SPI膜的接觸角可直觀地顯示其疏水能力，隨著加熱溫度升高，接觸角不斷增加，在90℃達(dá)到最大值74.2°(圖2)，表明SPI膜在此溫度下疏水能力最強(qiáng)。而SPI膜水蒸氣透過率隨著熱處理溫度升高而略微降低。這表明適當(dāng)?shù)臒崽幚砟艽龠M(jìn)蛋白質(zhì)分子中的氫鍵和二硫鍵斷裂，結(jié)構(gòu)展開，疏水性基團(tuán)暴露出來，提高大豆蛋白疏水性，加強(qiáng)了分子間相互作用和二硫鍵重新分布，形成堅(jiān)固的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高其阻水性能。但是，不同處理溫度間SPI膜水蒸氣透過率差異并不明顯，這表明熱處理溫度并不是影響SPI膜水蒸氣透過率的主要因素。

圖2 熱處理溫度對(duì)SPI膜水蒸氣透過率和膜表面接觸角的影響

2.3 氧氣透過率變化

圖3顯示隨著加熱溫度升高，SPI膜氧氣透過率逐漸降低，在90℃氧氣透過率最小為(1.15 ±0.23)mL·mm·m－2·d－1。適當(dāng)?shù)臒崽幚硎勾蠖沟鞍椎慕Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，SPI膜結(jié)構(gòu)更加致密緊湊，從而使氧氣分子在膜表面溶解吸附及在膜中的遷移擴(kuò)散速率降低，SPI膜阻氣性能提高。

圖3 熱處理溫度對(duì)SPI膜氧氣透過率的影響

2.4 蛋白成膜液二硫鍵和巰基變化

二硫鍵由兩個(gè)巰基形成，可以把肽鏈的不同區(qū)段牢固地連接在一起，形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而加強(qiáng)膜性能。圖4顯示隨加熱溫度升高，巰基數(shù)量逐漸增加，二硫鍵數(shù)量降低。這是由于加熱使蛋白質(zhì)發(fā)生變性，蛋白中原有的二硫鍵受熱分解形成巰基，因而在加熱后的成膜液中測(cè)得巰基的數(shù)量顯著升高，90 ℃時(shí)巰基含量為(14.86 ±1.24)μmol/g。二硫鍵的形成，主要是在干燥成膜的過程中進(jìn)行的。伴隨著水分的蒸發(fā)，成膜液中展開的蛋白質(zhì)分子首先通過疏水相互作用發(fā)生聚集，二硫鍵是隨著聚集過程中局部蛋白質(zhì)含量的增加而開始形成的［16］。因此，成膜液中含有的巰基數(shù)量越多，亦即熱處理過程中受熱分解的二硫鍵越多，在成膜過程中能夠重新形成更多分子間二硫鍵，形成更為致密緊湊的網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)，提高SPI膜的強(qiáng)度和阻隔性能。

表1 膜性能參數(shù)的相關(guān)性

圖4 熱處理溫度對(duì)成膜液巰基和二硫鍵含量的影響

2.5 熱處理溫度與各測(cè)定指標(biāo)間的相關(guān)性

由表1可以得出，制膜過程中熱處理溫度與SPI膜的抗張強(qiáng)度和接觸角呈顯著的正相關(guān)(P＜0.05)，與成膜液中形成的巰基數(shù)量具有顯著的正相關(guān)性(P＜0.05)，而與成膜液中二硫鍵含量呈極顯著的負(fù)相關(guān)(P＜0.01)。熱處理溫度對(duì)于SPI膜抗張強(qiáng)度的影響效果，主要取決于加熱過程在成膜液中形成的巰基和二硫鍵數(shù)量，而蛋白膜成膜過程中形成二硫鍵是決定SPI膜抗張強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。

成膜液中二硫鍵數(shù)量與SPI膜水蒸氣透過率呈顯著的正相關(guān)(P＜0.05)，而與膜表面接觸角呈顯著的負(fù)相關(guān)(P＜0.05);巰基含量與膜氧氣透過率呈極顯著的負(fù)相關(guān)(P＜0.01)，與膜表面接觸角呈顯著的正相關(guān)(P＜0.05)。因此，二硫鍵充分展開有助于提高SPI膜的致密性和表面疏水性，提高SPI膜的阻隔性能。

3 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，蛋白成膜液在90℃加熱處理，制得的SPI膜綜合性能較好。熱處理可以促進(jìn)蛋白質(zhì)分子中的氫鍵和二硫鍵斷裂，疏水性基團(tuán)暴露，提高SPI膜的機(jī)械強(qiáng)度和阻隔性能。相關(guān)性分析顯示熱處理引發(fā)的蛋白成膜液中巰基與二硫鍵之間的轉(zhuǎn)化，是影響SPI膜強(qiáng)度和阻隔性能的根本因素。

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Effects of Thermal Treatment on Functional Properties of Edible Films Based on Soybean Protein Isolate

Guo Kuan1，2Zhang Chao1Zhao Xiaoyan1Ma Yue1Li Xihong2
(Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Vegetable Research Center1，Beijing 100097)
(Key Laboratory of Food Nutrition and Safety of Ministry of Education，Tianjin University of Science ＆ Technology2，Tianjin 300457)

The effect of temperature on properties of edible films based on soy protein isolate was evaluated.The tensile strength of soy protein isolate increased，while percentage elongation at break，water vapor permeability and oxygen permeability decreased when the temperature of the heat treatment increased.The tensile strength(9.31 ±1.57)MPa and oxygen permeability(1.15 ±0.23)mL·mm·m－2·d－1of the films were the best after the heat treatment at 90℃.The correlation analysis showed the transformation between sulfhydryl and disulfide bonds in films was main factor inducing the property varieties of the soy protein isolate films.

edible film，soy protein isolate film，heat treatment，disulfide bonds，contact angle

TS201.9

A

1003－0174(2011)07－0027－04

2010－09－02

郭寬，男，1980年出生，博士，食品深加工

趙曉燕，女，1969年出生，研究員，食品中功能性因子