雷會(huì)寧，劉銳，王苗苗，李建，張民

(天津科技大學(xué)食品工程與生物技術(shù)學(xué)院，天津，300457)

可食性蛋白膜作為食品包裝和涂布材料，具有可降解性和可食性，可用于多種食品的包裝保鮮，是一種無(wú)污染的包裝涂布材料，具有很好的開(kāi)發(fā)前景［1］。目前國(guó)內(nèi)對(duì)蛋白膜的研究還不成熟，蛋白膜的機(jī)械強(qiáng)度、透氣透水性無(wú)法達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)的要求，也無(wú)法取代塑料膜而應(yīng)用于商業(yè)生產(chǎn)。因此，國(guó)內(nèi)外可食性包裝膜的研究已經(jīng)從單一基料逐步轉(zhuǎn)向復(fù)合基料包裝膜及對(duì)可食性包裝膜改性的研究上。采用2種或2種以上的材料作為成膜基質(zhì)，各基質(zhì)能夠取長(zhǎng)補(bǔ)短，使可食性膜具有更廣泛的功能性如機(jī)械強(qiáng)度、阻隔性能等。本研究將大豆分離蛋白與卡拉膠復(fù)合成膜，優(yōu)化成膜工藝，提高可食性膜的機(jī)械性能、阻隔性能和熱穩(wěn)定性等性質(zhì)，提高可食性膜的實(shí)用價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大豆分離蛋白:食品級(jí)，山東嘉華植物蛋白有限公司;卡拉膠:食品級(jí)，福建省綠麒食品膠體有限公司;其余試劑均為分析純。

TE32物性測(cè)試儀，英國(guó)Stable Micro System公司;UVmini-1240紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，日本島津公司;DSC 200F3差示掃描量熱儀，德國(guó)耐馳儀器制造有限公司生產(chǎn);XL-3型掃描電鏡，Phlips公司;JSPM-5200原子力顯微鏡，日本電子公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 可食性膜的制備

大豆分離蛋白膜的制備:準(zhǔn)確稱取5.00 g大豆分離蛋白(SPI)，2.50 g甘油(GLY)，加100 mL蒸餾水，70℃磁力攪拌30 min，在0.09 MPa下脫氣，在玻璃板上涂膜(0.5 g SPI/100 cm2)，50℃干燥4h，室溫回軟1 h后揭膜，于RH為50%(硝酸鎂飽和溶液)的干燥器中室溫保存2 d，測(cè)定膜性能［2］。

卡拉膠膜的制備:料液比1∶70(g∶mL)，稱取一定量的卡拉膠(CGN)溶解于蒸餾水中，充分?jǐn)嚢韬笾糜诖帕嚢杵魃?，按?0%的比例邊攪拌邊加入甘油，磁力攪拌30 min，使其充分混合均勻，70℃恒溫磁力攪拌15 min，靜置30 min消泡，氣泡完全消除后趁熱涂膜(0.5 gCGN/100 cm2)，50℃干燥4 h，室溫回軟1 h后揭膜，于RH為50%(硝酸鎂飽和溶液)的干燥器中室溫保存2 d，測(cè)定膜性能［3］。

復(fù)合蛋白膜的制備:準(zhǔn)確稱取5.00 g大豆分離蛋白，按照一定的比例添加卡拉膠和甘油，溶解于150 mL蒸餾水中，磁力攪拌30 min，使其充分混合均勻，調(diào)節(jié)膜液的pH值，一定溫度下恒溫?cái)嚢?0 min，在0.09 MPa下脫氣，在玻璃板上涂膜(0.5 gSPI/100 cm2)，50℃干燥4 h，室溫回軟1 h后揭膜，于RH為50%(硝酸鎂飽和溶液)的干燥器中室溫保存2 d，測(cè)定膜性能。

1.2.2 可食性膜的性質(zhì)測(cè)定

膜厚度及透光率的測(cè)定采用文獻(xiàn)［4］的方法;抗拉強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定采用文獻(xiàn)［5］的方法;水蒸氣透過(guò)系數(shù)的測(cè)定根據(jù)GB1037－1988［6］，采用擬杯子法，按Kaya的方法［7］計(jì)算水蒸氣透過(guò)系數(shù);水溶性的測(cè)定采用文獻(xiàn)［8］的方法;熱穩(wěn)定性的測(cè)定采用文獻(xiàn)［9］的方法;形態(tài)觀察采用文獻(xiàn)［10］的方法;隸屬度值的計(jì)算采用文獻(xiàn)［11］的方法;實(shí)驗(yàn)重復(fù)次數(shù)n=3。

1.2.3 復(fù)合蛋白膜單因素試驗(yàn)

將大豆分離蛋白與卡拉膠進(jìn)行復(fù)合，以復(fù)合蛋白膜的機(jī)械性能、透水性、水溶性及透光性等為指標(biāo)，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)，研究卡拉膠含量(2%、6%、10%、14%、18%)、甘油含量(20%、30%、40%、50%、60%、70%)、成膜液 pH 值(6、7、8、9、10、11、12)及溫度(65、70、75、80、85、90℃)對(duì)復(fù)合蛋白膜性能的影響。

1.2.4 復(fù)合蛋白膜正交試驗(yàn)

根據(jù)上述單因素實(shí)驗(yàn)，選擇卡拉膠含量、甘油含量、成膜液pH值、溫度進(jìn)行4因素3水平L9(34)正交實(shí)驗(yàn)，考察不同工藝條件對(duì)膜性能影響，以隸屬度值為評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定復(fù)合蛋白膜的最佳工藝配方。因素水平表見(jiàn)表1。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

實(shí)驗(yàn)中需要綜合多個(gè)指標(biāo)對(duì)復(fù)合蛋白膜性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，所以在此采用了模糊綜合評(píng)價(jià)法，即引入了隸屬度函數(shù)［11］:

式中，X(u)為待分析點(diǎn)的隸屬度函數(shù)值;Xi為待分析點(diǎn)的數(shù)據(jù)值;Xmax為待分析點(diǎn)所在數(shù)據(jù)列的最大值;Xmin為待分析點(diǎn)所在數(shù)據(jù)列的最小值。

將復(fù)合蛋白膜的多個(gè)指標(biāo)經(jīng)過(guò)模糊變換成綜合評(píng)價(jià)的累加加權(quán)隸屬度值∑X(u)·Y，累加加權(quán)隸屬度值越大，表明膜的性能越好。實(shí)驗(yàn)中需要考慮的指標(biāo)有抗拉強(qiáng)度(正效應(yīng))、斷裂伸長(zhǎng)率(正效應(yīng))、水蒸氣透過(guò)系數(shù)(負(fù)效應(yīng))、水溶性(負(fù)效應(yīng))及透光性(正效應(yīng))，其綜合評(píng)價(jià)的權(quán)重子集Y為{0.2，0.2，0.2，0.2，0.2}。

2 結(jié)果和討論

2.1 復(fù)合蛋白膜單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 卡拉膠含量對(duì)復(fù)合蛋白膜性能的影響

由表2可知，蛋白膜的抗拉強(qiáng)度隨著卡拉膠含量的增加而增大，斷裂伸長(zhǎng)率和透光率隨著卡拉膠含量的增加而減小，水溶性和水蒸氣透過(guò)系數(shù)在卡拉膠含量為10%時(shí)值最小，且在此含量下蛋白膜的隸屬度值最大，表明在此含量下蛋白膜綜合性能好。分析原因可能是卡拉膠和大豆分離蛋白之間通過(guò)羰基或氨基相互作用會(huì)形成氫鍵，分子之間的相互作用增加，分子結(jié)構(gòu)更加致密，而當(dāng)卡拉膠含量過(guò)高時(shí)，膜液流動(dòng)性差，容易快速變成固體凝膠，影響制備膜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成。因此，卡拉膠含量選取6%～14%進(jìn)行后續(xù)正交試驗(yàn)。

表2 卡拉膠含量對(duì)復(fù)合蛋白膜性能的影響(±SD)Table 2 Effects of carrageenan content on properties of composite protein films(±SD)

表2 卡拉膠含量對(duì)復(fù)合蛋白膜性能的影響(±SD)Table 2 Effects of carrageenan content on properties of composite protein films(±SD)

卡拉膠含量/%抗拉強(qiáng)度/MPa斷裂伸長(zhǎng)率/%透光率/%水溶性/%水蒸氣透過(guò)系數(shù)/［g·mm·(m2·d·kPa)－1］隸屬度值2 3.794±0.100 60.95±0.02 85.6±1.8 35.33±0.32 14.081±0.664 0.429 6 5.570±0.337 43.08±1.20 83.1±2.1 35.61±0.31 14.163±0.533 0.362 10 7.342±0.478 32.06±2.39 78.6±1.1 31.23±0.67 13.177±0.284 0.733 14 8.391±0.118 19.75±0.76 72.0±1.0 33.52±0.18 13.538±0.885 0.475 18 9.344±0.452 15.25±0.85 65.0±0.7 33.43±0.02 13.518±0.240 0.430

2.1.2 甘油含量對(duì)復(fù)合蛋白膜性能的影響

由表3可知，隨著甘油含量的增加，復(fù)合蛋白膜抗拉強(qiáng)度逐漸降低，而斷裂伸長(zhǎng)率和水蒸氣透過(guò)系數(shù)逐漸增大。主要是因?yàn)樵鏊軇└视偷募尤霚p少了蛋白分子之間的相互作用，軟化了膜的剛性結(jié)構(gòu)［12］，使膜內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得疏松，增加了鏈的流動(dòng)性。而在50%～60%時(shí)，復(fù)合蛋白膜具有較低的水溶性和較高的透光性。結(jié)合隸屬度值可知，甘油含量選取40%～60%進(jìn)行后續(xù)正交試驗(yàn)。

表3 甘油含量對(duì)復(fù)合蛋白膜性能的影響(±SD)Table 3 Effects of glycerol content on properties of composite protein films( ±SD)

表3 甘油含量對(duì)復(fù)合蛋白膜性能的影響(±SD)Table 3 Effects of glycerol content on properties of composite protein films( ±SD)

甘油含量/%抗拉強(qiáng)度/MPa斷裂伸長(zhǎng)率/%透光率/%水溶性/%水蒸氣透過(guò)系數(shù)/［g·mm·(m2·d·kPa)－1］隸屬度值20 10.522±0.339 2.88±0.23 77.7±0.6 26.84±0.45 4.726±0.053 0.652 30 12.277±0.351 17.07±1.40 77.3±1.5 28.40±0.30 7.104±0.330 0.639 40 9.950±0.256 23.90±2.44 76.9±0.2 28.82±0.49 10.149±0.813 0.537 50 7.580±0.295 24.45±2.15 79.3±1.2 27.53±0.25 13.784±0.128 0.670 60 5.380±0.123 30.69±2.70 77.9±0.4 27.26±0.15 16.560±0.632 0.544 70 3.861±0.260 33.27±2.59 76.3±0.6 30.32±1.04 19.784±0.577 0.200

2.1.3 pH值對(duì)復(fù)合蛋白膜性能的影響

由表4可知，pH值為11時(shí)，隸屬度值最大，復(fù)合蛋白膜綜合性能好。主要是因?yàn)閴A使蛋白質(zhì)變性，內(nèi)部集團(tuán)暴露，有利于堅(jiān)固網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成。使得膜的機(jī)械性能提高。而在極端堿性pH值條件，負(fù)離子之間極強(qiáng)的靜電排斥力作用阻礙了蛋白質(zhì)分子內(nèi)或分子間的連接，從而阻礙了膜的形成［5］。因此，pH值選取9～11進(jìn)行后續(xù)正交試驗(yàn)。

表4 pH值對(duì)復(fù)合蛋白膜性能的影響(±SD)Table 4 Effects of pH on properties of composite protein films(±SD)

表4 pH值對(duì)復(fù)合蛋白膜性能的影響(±SD)Table 4 Effects of pH on properties of composite protein films(±SD)

pH值 抗拉強(qiáng)度/MPa斷裂伸長(zhǎng)率/%透光率/%水溶性/%水蒸氣透過(guò)系數(shù)/［g·mm·(m2·d·kPa)－1］隸屬度值2 12.656±0.529 0.101 7 6.099±0.155 25.64±1.68 51.1±2.1 31.37±0.29 12.546±0.263 0.467 8 6.215±0.205 26.56±1.76 72.7±2.3 30.47±0.63 11.189±0.327 0.668 9 5.717±0.142 23.55±1.34 75.4±1.8 31.79±0.73 12.310±0.566 0.486 10 5.542±0.201 28.63±1.48 78.0±2.3 32.43±0.28 12.372±0.440 0.513 11 7.162±0.255 35.78±2.32 80.8±1.7 33.28±0.76 10.816±0.090 0.824 12 6.945±0.296 31.60±1.94 82.7±0.8 37.08±0.6 4.980±0.218 18.42±1.14 18.5±1.2 33.75±0.3 36 9.416±0.370 0.732

2.1.4 溫度對(duì)復(fù)合蛋白膜性能的影響

由表5可知，溫度為70℃時(shí)，隸屬度值最大，復(fù)合蛋白膜綜合性能好。適當(dāng)?shù)臒崽幚砜梢约訌?qiáng)蛋白質(zhì)分子之間的疏水作用［5］，但是溫度太高，蛋白質(zhì)分子會(huì)過(guò)度變性，分子鏈斷裂，難以形成致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，透水性加強(qiáng)。因此，溫度選取65～75℃進(jìn)行后續(xù)正交試驗(yàn)。

表5 溫度對(duì)復(fù)合蛋白膜性能的影響(±SD)Table 5 Effects oftemperture on properties of composite protein films( ±SD)

表5 溫度對(duì)復(fù)合蛋白膜性能的影響(±SD)Table 5 Effects oftemperture on properties of composite protein films( ±SD)

溫度/℃抗拉強(qiáng)度/MPa斷裂伸長(zhǎng)率/%透光率/%水溶性/%水蒸氣透過(guò)系數(shù)/［g·mm·(m2·d·kPa)－1］隸屬度值64 12.355±0.420 0.624 70 6.856±0.253 30.12±1.62 79.0±0.8 37.48±0.24 12.966±0.500 0.805 75 7.132±0.659 31.41±2.98 78.4±1.0 38.24±0.18 13.069±0.792 0.795 80 6.696±0.088 28.00±0.61 77.8±0.6 38.29±0.08 15.071±0.291 0.421 85 6.661±0.209 29.52±1.06 77.3±1.1 38.42±0.11 14.130±0.683 0.488 90 5.795±0.239 26.50±2.85 76.5±1.2 40.13±0.65 6.650±0.046 25.24±1.84 77.7±0.7 36.15±0.60 14.669±0.196 0.352

2.2 復(fù)合蛋白膜正交試驗(yàn)結(jié)果

由表6和表7可知，各因素對(duì)復(fù)合蛋白膜性能影響的主次順序?yàn)?卡拉膠含量＞甘油含量＞pH值＞溫度;卡拉膠含量對(duì)復(fù)合膜性能具有極顯著性差異(P＜0.01)，甘油含量具有顯著性差異(P＜0.05)，pH值和溫度沒(méi)有顯著性差異;根據(jù)顯著性及經(jīng)濟(jì)合理原則，復(fù)合蛋白膜制備的最優(yōu)組合為A2B1C1D1，即卡拉膠含量 10%、甘油含量 40%、pH值 9、溫度65℃。在此條件下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，測(cè)得復(fù)合蛋白膜的抗拉強(qiáng)度為11.925 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為28.52%，水蒸氣透過(guò)系數(shù)為 13.404 g·mm/(m2·d·kPa)，水溶性33.26%，透光率81.6%。將驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)組與上述正交實(shí)驗(yàn)各組進(jìn)行比較，通過(guò)計(jì)算所得驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)組與正交實(shí)驗(yàn)組中最佳值的隸屬度值分別為0.710和0.648，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)組所得膜綜合性能優(yōu)于正交實(shí)驗(yàn)中最佳值，因此正交實(shí)驗(yàn)得出的工藝條件能夠改善膜的各性能。

表6 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 6 The results of orthogonal test

表7 方差分析結(jié)果Table 7 The results of variance analysis

2.3 復(fù)合蛋白膜熱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

差示掃描量熱法(differential scanning calorimetry，DSC)，是在溫度程序控制下，測(cè)量輸送給被測(cè)物質(zhì)和參比物質(zhì)的能量差值與溫度之間的關(guān)系的一組技術(shù)［13］。食品生產(chǎn)的過(guò)程中，普遍存在著加熱處理，在加熱過(guò)程中，所有的成分都在發(fā)生著變化，除此之外，加熱還可能會(huì)引起食品流變學(xué)性質(zhì)的變化，同時(shí)還會(huì)伴隨能量的變化。

通過(guò)DSC分析3種膜的熱穩(wěn)定性差異，結(jié)果如表8所示。由表8可以看出，復(fù)合蛋白膜的起始溫度、峰值溫度及終止溫度均高于單一膜，表明經(jīng)大豆分離蛋白和卡拉膠復(fù)合后膜的熱穩(wěn)定性增強(qiáng)，膜的加工性能提高。

表8 單一膜和復(fù)合蛋白膜吸收峰主要參數(shù)Table 8 Heat-trapping parameters of single films and composite protein films

2.4 復(fù)合蛋白膜形態(tài)觀察實(shí)驗(yàn)

2.4.1 掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)

膜的微觀結(jié)構(gòu)反應(yīng)了膜的均一性和致密性，如果膜具有較高的均一性和致密性，就能使膜具有較高的抗拉強(qiáng)度。從圖1中可以看到，卡拉膠膜和復(fù)合蛋白膜的表面微觀結(jié)構(gòu)不存在任何的裂隙，為均勻、光滑的表面形態(tài)，沒(méi)明顯相分離現(xiàn)象。大豆分離蛋白膜表面有白色小顆粒，表面粗糙，可能是因?yàn)榇蠖狗蛛x蛋白溶解不充分。由圖2可知，3種薄膜具有緊密而均一的橫截面形態(tài)，而復(fù)合蛋白膜優(yōu)于單一膜。另外，橫截面上的橫紋和鱗片狀是人工切割和撕裂膜截面造成的。圖4可知，復(fù)合蛋白膜表面更平整，膜更均一，與掃描電鏡結(jié)果相符。說(shuō)明大豆分離蛋白和卡拉膠相容性好。

圖1 大豆分離蛋白膜、卡拉膠膜以及復(fù)合蛋白膜表面掃描電鏡圖Fig.1 The surface scanning electron micrograph of SPI film，CGN film and composite protein film

圖2 大豆分離蛋白膜、卡拉膠膜以及復(fù)合蛋白膜斷面掃描電鏡圖Fig.2 The cross-section scanning electron micrograph of SPI film，CGN film and composite protein film

圖3 大豆分離蛋白膜、卡拉膠膜以及復(fù)合蛋白膜相位圖Fig.3 The phase map of SPIfilm，CGN film and composite protein film

圖4 大豆分離蛋白膜、卡拉膠膜以及復(fù)合蛋白膜的三維生成圖Fig.4 The three-dimension graph of SPI film，CGN film and composite protein film

表9 單一膜和復(fù)合蛋白膜的粗糙度Table 9 Roughness of single films and composite protein films

3 結(jié)論

大豆分離蛋白具有低成本、可降解、高蛋白含量和較好的成膜性等特點(diǎn)，因此以大豆分離蛋白為基質(zhì)的可食性膜的研究已成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。但是，純大豆分離蛋白膜的機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性和阻水性能低，限制了大豆分離蛋白膜的應(yīng)用。將大豆分離蛋白和卡拉膠復(fù)合來(lái)改善大豆分離蛋白性能的不足具有積極的意義。本文在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了正交實(shí)驗(yàn)，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)表明各因素對(duì)復(fù)合蛋白膜性能影響的主次順序?yàn)?卡拉膠含量＞甘油含量＞pH值＞溫度，最佳工藝參數(shù):以大豆分離蛋白為基數(shù)，卡拉膠含量10%、甘油含量40%、pH值9、溫度65℃;最佳工藝條件下測(cè)得復(fù)合蛋白膜的抗拉強(qiáng)度為11.925 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為28.52%，水蒸氣透過(guò)系數(shù)為13.404 g·mm/(m2·d·kPa)，水溶性 33.26%，透光率81.6%。DSC實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)復(fù)合后，復(fù)合蛋白膜熱穩(wěn)定性提高，實(shí)用性加強(qiáng);SEM和AFM實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合蛋白膜比單一膜更加均勻和致密，表明大豆分離蛋白和卡拉膠具有良好的相容性，復(fù)合蛋白膜的綜合性質(zhì)良好。大豆蛋白是大豆榨油產(chǎn)業(yè)的副產(chǎn)品，將其附加值加以利用，具有較大的理論意義和較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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