余國(guó)賢 高 佳 康 欣 吳賀君 黎杉珊 申光輝 張志清
(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,雅安 625014)
小麥麩質(zhì)蛋白,又稱小麥面筋蛋白、谷朊粉(wheat gluten,WG)其膜因優(yōu)良的熱封性、阻氧性、阻油性且安全可降解,受到廣泛關(guān)注[1]。但小麥麩質(zhì)蛋白膜的機(jī)械強(qiáng)度低、阻水性差,限制了其在食品工業(yè)中的應(yīng)用[2]。因此,改善小麥麩質(zhì)蛋白膜的機(jī)械性能、阻水性能是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。植物纖維素作為天然高分子,擁有良好的生物相容性和降解性,且機(jī)械強(qiáng)度高,通常被用作天然增強(qiáng)材料。國(guó)內(nèi)外研究表明,添加纖維素的可提高植物蛋白基膜的機(jī)械性能[3-5]。但是,纖維素分子擁有豐富的親水性基團(tuán)—OH,與小麥麩質(zhì)蛋白復(fù)合成膜,其阻水性能仍與實(shí)際應(yīng)用存在一定的差距。
脂類物質(zhì)疏水性好,可有效阻止水分的吸附和傳遞,在改善蛋白膜阻水性能方面具有良好的應(yīng)用潛力。常南[6]利用石蠟、蜂蠟和月桂酸分別對(duì)小麥麩質(zhì)蛋白膜進(jìn)行復(fù)合改性,結(jié)果表明添加適量脂質(zhì)可有效地提高小麥麩質(zhì)蛋白膜的阻水性和阻氧性。Kowalczyk等[7]將乳脂、小燭樹(shù)蠟、卵磷脂和油酸與豌豆分離蛋白復(fù)合成膜,結(jié)果顯示乳脂與小燭樹(shù)蠟?zāi)茱@著降低復(fù)合膜水蒸氣透過(guò)系數(shù)。Gontard等[8]研究表明,蜂蠟?zāi)茉鰪?qiáng)小麥麩質(zhì)蛋白膜的阻水性,但會(huì)降低其機(jī)械性能。
液體石蠟屬于強(qiáng)疏水性脂質(zhì),具有穩(wěn)定性好、黏度低、乳化性能優(yōu)良及密度適中等優(yōu)點(diǎn),與蛋白或多糖復(fù)合成膜結(jié)構(gòu)致密,阻水性能強(qiáng)[9-10]。目前對(duì)蛋白基膜性能的改善,大部分為向單一蛋白基質(zhì)中添加多糖或者脂質(zhì)以改善其性能,而向多糖/蛋白復(fù)合膜液中添加脂質(zhì)以改善膜阻水性能的研究還較少。因此,為進(jìn)一步提高麥麩纖維/小麥麩質(zhì)蛋白復(fù)合膜阻水性能,本研究通過(guò)向麥麩纖維/小麥麩質(zhì)蛋白復(fù)合成膜系統(tǒng)中添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的液體石蠟,運(yùn)用數(shù)學(xué)模型對(duì)復(fù)合膜的等溫吸濕曲線進(jìn)行擬合,考察添加液體石蠟對(duì)復(fù)合膜的吸濕動(dòng)力學(xué)過(guò)程和吸濕性能的影響,并比較所制備的復(fù)合膜透水性能、力學(xué)性能及光學(xué)性能等指標(biāo)的差異。
小麥麩質(zhì)蛋白,粗蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥75%;麥麩;單甘酯(食品級(jí));高效切片石蠟;其他化學(xué)試劑均為分析純。
ST16R冷凍離心機(jī);ZNC-300超微粉碎機(jī);FJ200-SH高速分散機(jī);GJJ高壓均質(zhì)機(jī);TA-XT Plus質(zhì)構(gòu)儀;UV-3100紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì);NR10QC便攜式色差儀;OCAH-200視頻接觸角測(cè)試儀。
1.3.1 麥麩纖維素的制備
取適量經(jīng)預(yù)處理的麥麩以1∶10(g/mL)混合,煮沸10 min,用NaOH調(diào)節(jié)pH至13左右,并于80 ℃水浴中浸提4 h,洗滌至中性;再用HCl調(diào)節(jié)pH至1~2,于60 ℃水浴中浸提2~3 h,洗滌至中性。用75%的乙醇脫水后干燥,經(jīng)超微粉碎機(jī)粉碎至120目以上備用[11-12]。
1.3.2 復(fù)合膜的制備
稱取25.6 g小麥麩質(zhì)蛋白粉溶于154 mL體積分?jǐn)?shù)為35%的乙醇溶液中,于45 ℃水浴加熱攪拌,使其分散均勻,調(diào)節(jié)pH值至11.5,于80 ℃水浴反應(yīng)15 min進(jìn)行熱堿改性,45 ℃保溫備用。取14.4 g麥麩纖維素分散于160 mL蒸餾水中,高速分散10 min備用。將麥麩纖維素液緩慢加入小麥麩質(zhì)蛋白液中,電動(dòng)攪拌器不斷攪拌使之混合均勻,取86 mL無(wú)水乙醇使小麥麩質(zhì)蛋白液補(bǔ)齊到相同乙醇體積分?jǐn)?shù),調(diào)節(jié)pH值至11.5,加入8 g甘油和0.06 g黃原膠,高速分散5 min,25~30 MPa高壓均質(zhì)10 min,45 ℃下保溫備用。同時(shí),分別稱取質(zhì)量分?jǐn)?shù)0%、5%、10%、15%、20%的液體石蠟(以小麥麩質(zhì)蛋白和麥麩纖維素干粉總量計(jì)),并加入總質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的乳化劑單甘酯和吐溫-80(以液體石蠟質(zhì)量計(jì),其中單甘酯與吐溫-80質(zhì)量比為2∶3)于50 ℃水浴中乳化均勻。將乳化好的液體石蠟倒入保溫待用的麥麩纖維素/小麥麩質(zhì)蛋白復(fù)合膜液中,高速分散15 min,真空脫氣至無(wú)氣泡。取22.5 mL膜液倒入自制有機(jī)玻璃框(15 cm×15 cm)均勻流延,靜置30 min,于55 ℃下干燥成膜。復(fù)合膜置于相對(duì)濕度(RH)53% ±1% (內(nèi)裝飽和硝酸鎂溶液保持其濕度)的干燥器中,(25±1) ℃下平衡48 h后測(cè)定性能指標(biāo)[12]。
1.3.3 復(fù)合膜性能指標(biāo)測(cè)定
1.3.3.1 膜厚度的測(cè)定
根據(jù)GB/T 6672—2001《塑料薄膜和薄片厚度測(cè)定-機(jī)械測(cè)量法》,采用電子數(shù)顯千分尺測(cè)量膜的四個(gè)頂點(diǎn)和中心點(diǎn),取其平均值,用于各項(xiàng)性能計(jì)算。
1.3.3.2 膜吸濕性能的測(cè)定
復(fù)合膜裁剪成3 cm×3 cm的正方形片,于真空干燥箱中干燥24 h至恒重(-0.09 MPa,45 ℃),然后放于(25±1) ℃下RH為11%、22%、43%、58%、75%、81%和92%(分別用氯化鋰、醋酸鉀、碳酸鉀、溴化鈉、氯化鈉、溴化鉀、硝酸鉀的飽和鹽溶液控制)的干燥器中,定時(shí)稱重,至吸濕平衡。吸濕率M按式(1)計(jì)算。每個(gè)試樣重復(fù)3次取平均值。
(1)
式中:M1、M2分別表示吸濕前、后試樣的質(zhì)量/g。
利用Peleg數(shù)學(xué)模型[13]對(duì)RH為43%、58%、75%的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,見(jiàn)式(2)。
(2)
式中:Mt為吸濕t小時(shí)后的吸濕率/%;M0為最初的含濕量/%;k1、k2為速率常數(shù),k1越大,初始吸濕速率越小,k2越大,吸濕速率越小。
用決定系數(shù)(R2)和相對(duì)平均偏差(E)評(píng)定模型擬合效果。相對(duì)平均偏差模量E按式(3)計(jì)算[14]。
(3)
式中:n為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)數(shù);Mi、Mpi分別為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的第i次吸濕率和擬合的第i次吸濕率。E值小于5表示擬合精確,E值小于10表示擬合較好,E值大于10表示擬合效果差。
1.3.3.3 膜的吸附等溫線模擬
BET、GAB理論模型和Oswin經(jīng)驗(yàn)?zāi)P褪菙M合吸附數(shù)據(jù)常用的模型,Lewicki理論模型常用于模擬小麥面粉吸附特性擬合[13]。模型方程式見(jiàn)表1,模型擬合效果評(píng)價(jià)方法同1.3.3.2。
表1 4種吸附等溫模型方程
注:Meq表示為水分活度為aw時(shí)的水分含量(g水/g干重),m0為單分子層吸附值(g水/g干重)。
1.3.3.4 膜透水性能的測(cè)定
參照GB/T 1037—1988《塑料薄膜和片材透水蒸氣性試驗(yàn)方法》,采用擬杯子法測(cè)定其水蒸氣透過(guò)系數(shù)(water vapor permeability,WVP)[12]。每個(gè)膜樣重復(fù)3次取其平均值。WVP單位為g·cm-1·s-1·Pa-1。
1.3.3.5 膜機(jī)械性能的測(cè)定
將待測(cè)膜樣裁成50 mm×10 mm長(zhǎng)方形,參照ASTMD-882(1999)的方法,用質(zhì)構(gòu)儀測(cè)定膜的抗拉強(qiáng)度(tensile strength,TS)和斷裂伸長(zhǎng)率(elongation at break,EAB),夾距間距30 mm,測(cè)試速度1 mm/s[12]。每個(gè)膜樣重復(fù)測(cè)量6次。TS單位為MPa,EAB單位為%。
1.3.3.6 膜光學(xué)性能的測(cè)定
以空白玻璃比色皿為對(duì)照,采用分光光度法測(cè)定膜樣在600 nm處的透光率,并計(jì)算其透明度值[12]。每個(gè)膜樣重復(fù)3次取其平均值。透明度值越大,復(fù)合膜的透明度越小。
使用便攜式色差儀測(cè)定復(fù)合膜顏色變化。將待測(cè)膜樣放在白色A4紙上,A4紙顏色參數(shù)(L=79.51、a=4.82、b=8.83),測(cè)定膜樣的L*、a*、b*和總色差ΔE值。顏色指數(shù)是L=0(黑色)到L=100(白色),-b(藍(lán)色)到+b(黃色),-a(綠色)到+a(紅色)。每個(gè)膜樣重復(fù)3次取其平均值。ΔE按式(4)計(jì)算[15]。
ΔE=[(L*-L)2+(a*-a)2+(b*-b)2]0.5
(4)
式中:L*、a*和b*為復(fù)合膜樣品的顏色參數(shù);L、a和b為標(biāo)準(zhǔn)白板顏色參數(shù)。
1.3.3.7 膜水接觸角的測(cè)定
使用光學(xué)接觸角儀測(cè)試膜樣表面的靜態(tài)水接觸角。取一滴去離子水滴到待測(cè)膜樣表面,1 min后取值。每個(gè)膜樣重復(fù)3次取其平均值。
1.3.4 數(shù)據(jù)處理與分析
所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均以平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示。采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,Origin 9.0軟件進(jìn)行模型擬合和繪圖。ANOVA法進(jìn)行方差分析,Duncan’s多重比較法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。
添加液體石蠟對(duì)麥麩纖維/小麥麩質(zhì)蛋白復(fù)合膜吸濕曲線的影響結(jié)果見(jiàn)圖1。
圖1 不同相對(duì)濕度(RH)下液體石蠟對(duì)麥麩纖維/小麥麩質(zhì)蛋白復(fù)合膜吸濕曲線的影響
由圖1可見(jiàn),復(fù)合膜的吸濕率隨時(shí)間的增加而增加,在吸濕過(guò)程的初始階段(0~10 h),其吸濕率迅速增加,隨后增加緩慢,直至吸濕平衡。相同RH條件下,復(fù)合膜的平衡吸濕率隨液體石蠟添加量的增加而降低,液體石蠟添加量為20%時(shí),43%、58%和75% RH下的平衡吸濕率分別為5.08%、8.44%和12.27%,分別比對(duì)照(5.99%、10.61%和16.58%)降低了約15.2%、20.5%和25.0%。同一液體石蠟添加量下,復(fù)合膜的平衡吸濕率隨環(huán)境相對(duì)濕度的增大而提高。
由表2可知,將不同RH條件下的復(fù)合膜吸濕曲線進(jìn)行Peleg模型擬合,決定系數(shù)R2均大于0.97,相對(duì)平均偏差模量E值均小于5%,模型擬合效果好,表明Peleg模型適用于模擬添加液體石蠟的麥麩纖維/小麥麩質(zhì)蛋白復(fù)合膜吸濕過(guò)程。在RH(43%、58%)較低情況下,添加液體石蠟對(duì)復(fù)合膜吸濕曲線常數(shù)k1和k2均有影響,k1值隨液體石蠟添加量的增加呈上升趨勢(shì),在液體石蠟添加為20%時(shí)達(dá)最大值,為空白對(duì)照組的4.47倍和3.78倍;k2值則表現(xiàn)為先增大后減小。表明添加液體石蠟?zāi)苡行Ы档蛷?fù)合膜的初始吸濕速率和吸濕速率,且液體石蠟的用量越大,復(fù)合膜的初始吸濕速率越小,吸濕速率先降低后增加。其原因?yàn)樵谳^低的RH下,適量液體石蠟的加入而引入大量的疏水基團(tuán),增大了水蒸氣在復(fù)合膜表面吸附擴(kuò)散的阻力[10,16],從而降低吸濕性能。液體石蠟添加量過(guò)大(20%),在成膜體系中均勻分散困難而形成不連續(xù)結(jié)構(gòu),使得吸濕速率增加。RH為75%時(shí),液體石蠟的加入使k1和k2降低,且都在20%液體石蠟添加量下達(dá)最低值,比空白對(duì)照降低了約57.8%和12.0%。表明在高RH條件下,加入液體石蠟提高了復(fù)合膜的初始吸濕速率和吸濕速率,隨著液體石蠟量添加量越大,復(fù)合膜的初始吸濕速率和吸濕速率都呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì),但添加液體石蠟的復(fù)合膜平衡吸濕率均低于未添加液體石蠟的復(fù)合膜。因此,添加液體石蠟的復(fù)合膜在不同RH條件下的吸濕動(dòng)力學(xué)過(guò)程不同。
表2 不同相對(duì)濕度下Peleg模型擬合的吸濕曲線常數(shù)(k1和k2)、決定系數(shù)(R2)及相對(duì)平均偏差模量(E)
吸附等溫線是描述在一定的溫度和壓力下,物料平衡含水率與水活度之間的熱力學(xué)關(guān)系,可用于預(yù)測(cè)親水膜材料的吸濕特性,并深入分析水與親水膜材料組分間的相互作用[17-18]。由圖2可知,25 ℃條件下,隨著水分活度(aw)的增加,麥麩纖維/小麥麩質(zhì)蛋白復(fù)合膜的水分含量呈整體上升的趨勢(shì),且與對(duì)照相比,添加液體石蠟可降低復(fù)合膜的水分含量。在較低水分活度(aw< 0.6)下,復(fù)合膜的水分含量增加緩慢,隨后急劇上升。
圖2 25 ℃條件下液體石蠟對(duì)麥麩纖維/小麥麩質(zhì)蛋白復(fù)合膜吸附等溫曲線的影響
由表3可知,通過(guò)GAB模型擬合的R2均大于0.99,且E值均小于5%,模型擬合精確;通過(guò)BET模型擬合的R2均大于0.98,其最高E值范圍介于5%~10%,可用于復(fù)合膜的吸附等溫曲線模型擬合;通過(guò)Oswin和Lewicki模型擬合的大部分E值大于10%,表明模型擬合效果差。
GAB模型中,單分子層吸附值m0表示每克干復(fù)合膜以單分子層形式排列后的最大吸濕量,可以用于衡量吸附位點(diǎn)的多少[19]。從表3可以看出,液體石蠟的添加降低了m0值,且在添加量為20%時(shí)達(dá)m0值最低,較對(duì)照降低了約40.4%,表明添加液體石蠟有效阻礙了一部分水分子在復(fù)合膜表面的吸附,從而降低復(fù)合膜的吸濕性能。C和k值均為熱力學(xué)比例常數(shù)[20],其中C值隨液體石蠟添加量的增加表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì),添加15%液體石蠟復(fù)合膜的C值最高,比對(duì)照提高了約4.51倍。C值增加,表明單分子層的吸附熱升高,水分子與復(fù)合膜表面吸附點(diǎn)的結(jié)合強(qiáng)度增大,水分子在復(fù)合膜表面吸附后不易解吸,復(fù)合膜具有更強(qiáng)的持水能力。GAB模型相較于BET模型,擬合結(jié)果更精確,因?yàn)镚AB模型中引入了k值,而k值與復(fù)合膜的多分子層吸附熱相關(guān)[21],表明添加液體石蠟的麥麩纖維/小麥麩質(zhì)蛋白復(fù)合膜水分子吸附過(guò)程解釋為多分子層吸附更為準(zhǔn)確。
表3 25 ℃條件下復(fù)合膜吸附等溫模型參數(shù)、決定系數(shù)(R2)及相對(duì)平均偏差模量(E)
注:“—”表示模型無(wú)該參數(shù)。
圖3 液體石蠟添加量對(duì)麥麩纖維/小麥麩質(zhì)蛋白復(fù)合膜抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和水蒸氣透過(guò)率的影響
由圖3可知,添加液體石蠟后,麥麩纖維/小麥麩質(zhì)蛋白復(fù)合膜WVP降低,且隨液體石蠟添加量的增加呈先降低后升高的趨勢(shì)。液體石蠟添加量為15%時(shí),復(fù)合膜的WVP最小,為0.847×10-12g·cm-1·s-1·Pa-1,比對(duì)照(WVP=1.624×10-12g·cm-1·s-1·Pa-1)降低了約47.8%。液體石蠟屬于典型的強(qiáng)疏水性物質(zhì),加入復(fù)合膜液中,減少了水分子與復(fù)合膜中親水基團(tuán)結(jié)合,宏觀表現(xiàn)為WVP的降低。但液體石蠟添加過(guò)量,導(dǎo)致乳化不均,在復(fù)合膜中形成不連續(xù)狀態(tài),而導(dǎo)致復(fù)合膜WVP升高。進(jìn)一步分析,水蒸氣透過(guò)膜的過(guò)程包括吸附—擴(kuò)散—解吸三步[22],根據(jù)表3中GAB模型對(duì)復(fù)合膜吸附等溫線的擬合數(shù)據(jù),與對(duì)照相比,加入15%液體石蠟,使得m0值降低,C值升高,表明水蒸氣在復(fù)合膜表面的吸附量減少,且吸附強(qiáng)度增大,水蒸氣在復(fù)合膜表明解吸更為困難,解吸量降低,從而表明出WVP的下降。
由圖3可見(jiàn),復(fù)合膜TS和EAB均隨液體石蠟添加量的增加而降低,液體石蠟添加量為5%時(shí),和EAB降低都顯著(P<0.05)。隨著添加量繼續(xù)增大,其TS和EAB降低變緩,液體石蠟添加量10%~15%,TS下降不顯著;在添加量為5%~15%時(shí),EAB下降不明顯。這是因?yàn)橐后w石蠟含有大量的疏水基團(tuán),與麥麩纖維和小麥麩質(zhì)蛋白復(fù)合,降低了其原有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的致密程度[23],導(dǎo)致其機(jī)械性能降低。
由表4可知,在液體石蠟添加量為0%~15%時(shí),b*未有顯著變化,表明復(fù)合膜的顏色向黃色方向變化不明顯。添加液體石蠟使得復(fù)合膜的L*、a*和總色差ΔE變化顯著(P<0.05),其中L*隨液體石蠟添加量的增加而降低,a*和總色差ΔE均隨著液體石蠟添加量的增加而升高,表明復(fù)合膜的顏色在往黑色和紅色方向變化,這可能與液體石蠟的添加增加了麥麩纖維素和小麥麩質(zhì)蛋白中的脂溶性色素溶出量有關(guān)[24]。復(fù)合膜的透明度值隨液體石蠟添加量的增加而增大,當(dāng)液體石蠟添加量為20%時(shí),其透明度值最高,比對(duì)照膜樣增加了約71.6%,說(shuō)明添加液體石蠟的復(fù)合膜能有效阻擋部分自然光線的透射,但又仍然保持著一定的透明性,適用于一些光敏性物質(zhì)的包裝。
表4 液體石蠟添加量對(duì)麥麩纖維/小麥麩質(zhì)蛋白復(fù)合膜色澤和透明度值的影響
注:同列不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05),下同。
由表5可知,添加液體石蠟?zāi)茱@著增大復(fù)合膜的水接觸角(P<0.05),且隨液體石蠟添加量的增加呈現(xiàn)出先增加后降低的變化規(guī)律。未添加液體石蠟的復(fù)合膜水接觸角為54.2°,親水性較強(qiáng),當(dāng)添加15%液體石蠟時(shí)達(dá)最大,比對(duì)照膜樣增加了約63.9%。結(jié)果表明添加液體石蠟?zāi)苡行г鰪?qiáng)復(fù)合膜的疏水性,且在添加量為15%時(shí),疏水性最強(qiáng)。這一結(jié)果主要是因?yàn)橐后w石蠟本身為強(qiáng)疏水性物質(zhì),加入復(fù)合膜液成膜可以阻礙一部分親水基團(tuán)與水分子結(jié)合,這也與復(fù)合膜吸附等溫線的分析結(jié)果相吻合。
表5 液體石蠟添加量對(duì)麥麩纖維/小麥麩質(zhì)蛋白復(fù)合膜水接觸角的影響
添加液體石蠟可降低麥麩纖維/小麥麩質(zhì)蛋白復(fù)合膜的平衡吸濕率,改善復(fù)合膜的吸濕性能。通過(guò)Peleg模型研究RH為43%、58%和75%的吸濕動(dòng)力學(xué)發(fā)現(xiàn),不同RH條件下,添加液體石蠟的復(fù)合膜吸濕動(dòng)力學(xué)過(guò)程不同。在低相對(duì)濕度下,添加液體石蠟會(huì)使復(fù)合膜的初始吸濕速率和吸濕速率降低;高相對(duì)濕度下,添加液體石蠟會(huì)提高復(fù)合膜的初始吸濕速率和吸濕速率。等溫吸附曲線模型擬合結(jié)果表明,GAB模型對(duì)麥麩纖維/小麥麩質(zhì)蛋白復(fù)合膜吸附等溫線的擬合效果最好(R2>0.99,E<5%),液體石蠟?zāi)芙档蛷?fù)合膜的單分子層吸附值,增大水分子與復(fù)合膜大分子間的結(jié)合強(qiáng)度。液體石蠟作為強(qiáng)疏水性脂質(zhì),可大幅度降低麥麩纖維/小麥麩質(zhì)蛋白復(fù)合膜的透水性,增大復(fù)合膜的水接觸角,添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的液體石蠟可使復(fù)合膜的WVP值降低約47.8%,水接觸角從54.2°增大至88.9°。此外,添加液體石蠟降低了復(fù)合膜的抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和透明度,加深了復(fù)合膜的色澤。綜合添加液體石蠟對(duì)復(fù)合膜的各項(xiàng)性能影響,15%液體石蠟添加量所制備的液體石蠟/麥麩纖維/小麥麩質(zhì)蛋白復(fù)合膜具有良好的阻水性能,并保持一定的機(jī)械強(qiáng)度和透光性。