任 聰，王 雪，石長碩，董夢飛，趙方園，郭興鳳

河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001

玉米醇溶蛋白主要分為α-玉米醇溶蛋白和β-玉米醇溶蛋白，含有大量的脯氨酸、亮氨酸和丙氨酸等疏水性氨基酸。玉米醇溶蛋白的氨基酸組成與溶解性密切相關(guān)，其不溶于水和無水乙醇，可溶于60%～95%乙醇溶液、強堿和丙酮溶液等[1]。研究表明，玉米醇溶蛋白具有良好的成膜性，制成的玉米醇溶蛋白膜有較好的阻濕、阻氣、保香性能，但純玉米醇溶蛋白膜機械性能較差，限制了它的應(yīng)用，現(xiàn)有的研究主要通過優(yōu)化膜制備工藝、添加增塑劑、交聯(lián)劑等方法改善玉米醇溶蛋白膜的性能[2-3]。目前，對于玉米醇溶蛋白作為包裝材料的應(yīng)用研究主要是涂膜保鮮和食品內(nèi)包裝袋。研究表明，玉米醇溶蛋白用作水果涂膜保鮮劑有明顯的減少水果褐變、降低失重率的效果[4-5]；用于肉制品的涂膜保鮮有明顯的抑制細(xì)菌生長、延緩食品氧化的效果[6-8]。玉米醇溶蛋白包裝袋對油脂氧化有明顯的延緩作用，包裝脫水蔬菜和調(diào)味料時在防止內(nèi)容物吸水方面有較好的效果[9-10]。由此可見，玉米醇溶蛋白膜良好的阻濕、阻氣特性使其在食品包裝方面具有巨大的應(yīng)用潛力。再者，與傳統(tǒng)的石油基塑料薄膜相比，玉米醇溶蛋白膜能夠在自然條件下降解，對環(huán)境無污染，蛋白膜所用的增塑劑多為多元醇、有機酸等，綠色安全，因此玉米醇溶蛋白膜在食品包裝領(lǐng)域有較高的應(yīng)用價值[11-14]。

河南省谷物資源轉(zhuǎn)化與利用省級重點實驗室前期通過響應(yīng)面試驗，對玉米醇溶蛋白膜的制備工藝進(jìn)行了優(yōu)化，得到了低吸濕膜、高阻濕膜和高阻油膜[15]，作者根據(jù)此工藝條件制備不同種類的蛋白膜進(jìn)行吸濕性、阻濕性和阻油性的測定，并制成包裝袋進(jìn)行調(diào)料粉和植物油的應(yīng)用試驗，探討其作為包裝食品材料的儲藏穩(wěn)定性。

1 材料與方法

1.1 材料

玉米醇溶蛋白粉：江蘇省高郵市日星藥用輔料公司；一級大豆油：河南陽光油脂集團(tuán)；調(diào)味料包：河南省南街村集團(tuán)有限公司；無水乙醇、甘油、檸檬酸、氯化鎂、碳酸鉀等化學(xué)試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

AY-120電子分析天平：日本島津公司；81-2型磁力攪拌器：上海市司樂儀器有限公司；HH-2型電熱恒溫水浴鍋：金壇市樂峰儀器有限公司；DZ-400/2 L多功能真空包裝機：諸城市龍邦食品機械有限公司。

1.3 方法

1.3.1 玉米醇溶蛋白膜的制備

玉米醇溶蛋白膜的制備參考王雪等[15]的方法并稍加改動，制備條件見表1。稱取4 g玉米醇溶蛋白粉溶于50 mL一定體積分?jǐn)?shù)的乙醇溶液中，用保鮮膜密封，在室溫條件下用磁力攪拌器快速攪拌15 min，然后加入一定量的甘油和檸檬酸(以蛋白粉質(zhì)量計)，繼續(xù)攪拌20 min。最后，將蛋白溶液在80 ℃水浴中加熱15 min，取出后再用磁力攪拌器中速攪拌15 min，制成均勻澄清的蛋白成膜液，靜置消泡3 min。移取10 mL成膜溶液(蛋白含量約為0.073 8 g/mL)于直徑90 mm的塑料培養(yǎng)皿中，在一定溫度條件下水浴干燥2.5 h，揭膜，并將膜置于相對濕度43%的環(huán)境(底部置有飽和碳酸鉀溶液的干燥器)中平衡48 h，待用。

表1 玉米醇溶蛋白膜的制備條件

1.3.2 玉米醇溶蛋白膜吸濕率的測定

玉米醇溶蛋白膜吸濕率的測定參考Raj等[16]的方法稍加改動，將膜裁成20 mm×20 mm，置于干燥器(底部置有硅膠)中平衡48 h并稱質(zhì)量m1(g)，然后將膜放在相對濕度65%的干燥器(底部置有飽和亞硝酸鈉溶液)中72 h后稱質(zhì)量m2(g)。膜的吸濕率(rate of moisture absorption,Ra)計算公式：

(1)

1.3.3 玉米醇溶蛋白膜水蒸氣透過率的測定

參照GB 1037—1988透濕杯法并稍加改動，將平衡過的膜裁成50 mm×50 mm，選用直徑3.0 cm、高6.0 cm的稱量瓶，在瓶中放置3.0 g無水CaCl2，用裁好的膜密封瓶口，稱質(zhì)量，于室溫、RH90%的干燥器(底部置有KNO3飽和溶液)中放置48 h，稱瓶子和CaCl2的質(zhì)量，測試前后質(zhì)量差即為CaCl2吸收的水的質(zhì)量。水蒸氣透過率(water vapor permeability,WVP)的計算公式[15]：

(2)

式中：WVP為水蒸氣透過率，g·mm·m-2·d-1·kPa-1；W為瓶子增加的質(zhì)量，g；L為膜厚度，mm；t為測試時間，d；A為膜的測試面積，m2；ΔP為膜內(nèi)外水蒸氣壓差，該試驗中ΔP為2.529 36 kPa。

1.3.4 玉米醇溶蛋白膜透油系數(shù)的測定

參考李鴻梅等[17]的方法稍加改動，將平衡過的膜裁成30 mm×30 mm，取干燥潔凈、直徑為1.5 cm的試管，加入3 mL植物油，用裁好的膜密封試管口，將試管倒置在已干燥稱質(zhì)量的潔凈濾紙上，于室溫、RH54%條件下靜置，放置一周，測試前后濾紙的質(zhì)量差即為透過膜的油的質(zhì)量。膜的透油系數(shù)(oil permeability,Po)計算公式：

(3)

式中：Po為膜的透油系數(shù)，g·mm·m-2·d-1；Δm為濾紙質(zhì)量變化，g；L為膜的厚度，mm；A為膜的測試面積，m2；t為時間，d。

1.3.5 玉米醇溶蛋白膜包裝袋的制備及包裝物特性的測定

參考魯亞楠等[10]的方法，取厚度均勻、無破損的蛋白膜裁成40 mm×50 mm，兩張膜疊加用封口機三面封口，裝入市購調(diào)料(南德：食用鹽、胡椒、花椒、雞肉粉等)，封口，油包的制作與調(diào)料包相同，同時制備未裝調(diào)料和大豆油的空包作為對照。將制備好的空包、調(diào)料包和油包置于相對濕度為32%(底部為氯化鎂飽和溶液)的密閉容器內(nèi)室溫儲藏，每隔15 d取出測定。

1.3.6 調(diào)味料水分含量的測定

水分含量的測定參照GB 5009.3—2016。

1.3.7 植物油酸價和過氧化值的測定

酸價的測定參照GB 5009.229—2016；過氧化值的測定參照GB 5009.227—2016。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用IBM SPSS Statistics 20和Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖，每個樣品進(jìn)行3次平行試驗，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。

2 結(jié)果與討論

2.1 高阻隔性玉米醇溶蛋白膜的性能

對低吸濕膜、高阻濕膜和高阻油膜的吸濕性、阻濕性和阻油性分別進(jìn)行了測定，結(jié)果見圖1。3種蛋白膜的吸濕率從大到小為高阻油膜、高阻濕膜、低吸濕膜，即低吸濕膜對水分的吸附能力最弱，Ra最低為(1.81±0.19)%；3種蛋白膜的水蒸氣透過率從大到小為高阻油膜、低吸濕膜、高阻濕膜，即高阻濕膜對水分的透過能力最弱，WVP最低為(7.58±0.78) g·mm·m-2·d-1·kPa-1。整體而言，低吸濕膜和高阻濕膜的阻濕、抗吸濕性能顯著優(yōu)于高阻油膜。從蛋白膜的成分來看，高阻油膜的檸檬酸添加量小于其他兩種膜，添加檸檬酸使得聚合物中有效極性基團(tuán)的數(shù)量發(fā)生變化，膜內(nèi)部親水羥基被疏水酯基取代使得膜的整體親水性降低，從而不利于水分的吸附和滲透，這可能是導(dǎo)致較高檸檬酸含量的蛋白膜Ra和WVP較低的原因[18]，故較高含量檸檬酸的膜阻濕、抗吸濕能力更好。從蛋白膜的制備條件來看，低吸濕膜與高阻濕膜分別采用了70.5%與65.0%的乙醇，而高阻油膜則采用了75.0%的乙醇，乙醇體積分?jǐn)?shù)與玉米醇溶蛋白的溶解度密切相關(guān)，溶解度不同使得膜滲透性有所差異[15]，較高體積分?jǐn)?shù)的乙醇溶液使蛋白膜結(jié)構(gòu)均勻性變差，從而有利于水分在蛋白膜中的傳遞，這可能是造成高阻油膜的水蒸氣透過率較大的原因[19]。3種膜的阻油性與吸濕、阻濕性能的結(jié)果不同，高阻油膜的阻油性顯著優(yōu)于其他兩種蛋白膜，Po最低為(0.435±0.030) g·mm·m-2·d-1，這可能歸因于干燥溫度的差異，高阻油膜采用了較高的干燥溫度有利于致密膜結(jié)構(gòu)的形成，使得油脂大分子難以透過。陳佳林[20]在研究絲素/海藻酸鈉膜時也得出較高干燥溫度下的蛋白膜阻油性更好的結(jié)論，在較高的干燥溫度條件下，成膜液中的大分子和小分子處于最佳的共混態(tài)，使得膜的致密性更好，這將不利于油脂大分子向膜外滲透，最終導(dǎo)致蛋白膜的透油系數(shù)減小，阻油性能更好。

注：同一圖中的不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

2.2 儲藏期間蛋白膜包裝袋的變化

2.2.1 空包的質(zhì)量變化

圖2 儲藏期間玉米醇溶蛋白膜空包的質(zhì)量變化

儲藏期間不同包裝膜袋的質(zhì)量變化如圖2所示，隨著儲藏時間的延長，低吸濕膜、高阻濕膜和高阻油膜制成的包裝袋質(zhì)量均有增加。低吸濕膜和高阻濕膜整體變化趨勢相近，其質(zhì)量在儲藏至第105天時無顯著增加，而后則呈增加趨勢；高阻油膜在儲藏至第60天時質(zhì)量無顯著增加，而后呈不斷增加趨勢。整體而言，高阻油膜比低吸濕膜和高阻濕膜質(zhì)量變化幅度更大，儲藏至第135天時，高阻油膜袋的質(zhì)量較儲藏初期增加了26%，而低吸濕膜和高阻濕膜制成的包裝袋質(zhì)量分別增加了8%和11%。由此表明，與低吸濕膜和高阻濕膜相比，高阻油膜對環(huán)境中的水分有更強的吸附和透過能力，從而導(dǎo)致了包裝袋質(zhì)量的大幅度增加。這可能是由于制備高阻油膜時采用了比其他兩種膜更高的成膜溫度和更低的檸檬酸添加量，較高的成膜溫度使得蛋白成膜液中的溶劑蒸發(fā)過快，蛋白質(zhì)分子過早沉積不利于穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，而較低的有機酸濃度導(dǎo)致增塑效果不佳，使得膜網(wǎng)絡(luò)的空隙率增加，這不利于形成致密的膜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，蛋白膜更易吸附環(huán)境中的水分導(dǎo)致膜的質(zhì)量大幅度增加[15,21-22]。因此，3種膜對水分的吸附和透過能力從大到小為高阻油膜、高阻濕膜、低吸濕膜，這也間接驗證了前期通過響應(yīng)面試驗優(yōu)化得到的低吸濕膜和高阻濕膜具有良好的抗吸濕、阻濕性能[15]。

2.2.2 調(diào)料粉包的質(zhì)量變化

圖3 儲藏期間玉米醇溶蛋白膜調(diào)料粉包的質(zhì)量變化

儲藏期間不同調(diào)料粉包的質(zhì)量變化如圖3所示，低吸濕膜、高阻濕膜和高阻油膜制成的調(diào)料粉包的質(zhì)量隨著時間變化不顯著。儲藏135 d后，低吸濕膜和高阻濕膜調(diào)料包質(zhì)量分別增加了5.2%和2.0%，高阻油膜調(diào)料包質(zhì)量增加了8.6%，3種調(diào)料包的質(zhì)量增加幅度從大到小為高阻油膜、低吸濕膜、高阻濕膜，而同樣條件下儲藏135 d時，不含內(nèi)容物的空包質(zhì)量變化幅度從大到小為高阻油膜、高阻濕膜、低吸濕膜，這表明低吸濕膜和高阻濕膜比高阻油膜具有更好的阻濕性。與不含內(nèi)容物時不同，在包裝了等量的調(diào)料粉以后，低吸濕膜包裝袋質(zhì)量變化幅度反而大于高阻濕膜。調(diào)料粉包質(zhì)量的增加一方面是蛋白膜吸收了環(huán)境中水分的緣故，另一方面是外界環(huán)境中的水分透過蛋白膜被包裝袋內(nèi)的調(diào)料粉吸收所致，由此可見，水分向膜內(nèi)滲透是造成調(diào)料包質(zhì)量增加的主要原因，即透過低吸濕膜的水分量大于透過高阻濕膜的水分量，這也正是以水蒸氣透過率為優(yōu)化指標(biāo)得到的高阻濕膜的優(yōu)勢所在，由此驗證了高阻濕膜比其他兩種蛋白膜具有更好的阻濕特性[15]。

2.2.3 油包的質(zhì)量變化

儲藏期間不同油包的質(zhì)量變化如圖4所示，3種油包在儲藏至第90天時質(zhì)量無顯著變化，而后呈逐漸下降趨勢。儲藏135 d后，低吸濕膜、高阻濕膜和高阻油膜制備的油包質(zhì)量分別減少了4.9%、3.9%和2.2%，3種油包的質(zhì)量變化幅度從大到小為低吸濕膜、高阻濕膜、高阻油膜，這與不含內(nèi)容物的空包質(zhì)量變化情況正好相反，油包整體質(zhì)量變化一方面是水分吸附和遷入到膜包裝內(nèi)的影響，另一方面是膜包裝內(nèi)油脂的遷出所致。由此看出，油脂的遷出是油包質(zhì)量變化的主要原因。油包的應(yīng)用試驗驗證了高阻油膜較其他兩種膜具有更好的阻油性。因此，玉米醇溶蛋白膜適用于植物油的短期儲藏，且不會發(fā)生明顯的漏油現(xiàn)象。

圖4 儲藏期間玉米醇溶蛋白膜油包的質(zhì)量變化

2.3 儲藏期間蛋白膜包裝的內(nèi)容物的品質(zhì)變化

2.3.1 料包中調(diào)味料水分含量變化

從表2可以看出，儲藏至第135天時，無論是3種玉米醇溶蛋白膜，還是塑料薄膜制備的調(diào)料包，其包裝的調(diào)料粉的水分含量均有增加，且蛋白膜包裝的調(diào)料粉的水分含量均高于塑料薄膜組。其中，低吸濕膜內(nèi)的調(diào)料粉水分含量較儲藏初期增加了8.3%，相同條件下高阻濕膜和高阻油膜內(nèi)的調(diào)料粉水分含量分別增加了7.2%和10.6%，而塑料薄膜內(nèi)的調(diào)料水分含量僅增加了4.3%，因此，不同調(diào)料包內(nèi)的調(diào)料水分含量增加幅度從大到小為高阻油膜、低吸濕膜、高阻濕膜、塑料薄膜，這證實了前面對調(diào)料粉包質(zhì)量變化的分析，即高阻濕膜較其他兩種蛋白膜具有更好的水分阻隔能力，在作為調(diào)料粉包裝的試驗中應(yīng)用效果相對更好。表明玉米醇溶蛋白膜代替塑料薄膜作為調(diào)料粉包裝在短期儲藏內(nèi)的應(yīng)用可能性。

表2 調(diào)味料水分含量變化

2.3.2 料包中油的酸價和過氧化值變化

植物油的酸價和過氧化值在一定程度上可以反映其包裝膜的阻水、阻氣性能。酸價和過氧化值變化越小，說明包裝膜的阻隔性能越好。蛋白膜油包中油脂酸價和過氧化值含量變化如表3所示，儲藏135 d后，3種玉米醇溶蛋白膜和塑料薄膜包裝的大豆油的酸價均有增加，蛋白膜油包中油的酸價均大于塑料薄膜組，但仍符合國標(biāo)規(guī)定的食用植物油酸價指標(biāo)(≤3 mg/g)。3種蛋白膜包裝的油脂酸價變化幅度從大到小為高阻油膜、低吸濕膜、高阻濕膜，這與前面的調(diào)料包質(zhì)量變化、調(diào)料粉的水分變化情況相同，且高阻濕膜中的油脂酸價是3種蛋白膜中最低的，這可能與其膜中的水分含量較低有關(guān)。儲藏至第135天時，蛋白膜和塑料薄膜包裝的大豆油的過氧化值均有增加，蛋白膜包裝內(nèi)油脂的過氧化值大于塑料薄膜組，但仍符合國標(biāo)規(guī)定的食用植物油過氧化值指標(biāo)(≤9.85 mmol/kg)。3種蛋白膜包裝內(nèi)油脂的過氧化值無顯著差異，說明玉米醇溶蛋白膜具有較好的阻氣性，作為植物油包裝材料在延緩油脂品質(zhì)劣變方面有良好的效果，可作為包裝材料用于植物油的短期儲藏。

表3 大豆油酸價和過氧化值的變化

3 結(jié)論

對3種玉米醇溶蛋白膜的性能測定表明，低吸濕膜的吸濕率最低，高阻濕膜的水蒸氣透過率最低，高阻油膜的透油系數(shù)最低。在蛋白膜的包裝應(yīng)用試驗中，通過對儲藏期間玉米醇溶蛋白膜袋的質(zhì)量變化、調(diào)料粉的水分含量變化測定，驗證了低吸濕膜和高阻濕膜的阻濕性能優(yōu)于高阻油膜，尤其是高阻濕膜的阻隔水分效果最佳；通過對油包的質(zhì)量變化和包裝內(nèi)油脂的酸價和過氧化值測定，驗證了高阻油膜的阻油性最佳，并且間接驗證了玉米醇溶蛋白膜有較好的阻濕性和阻氣性，儲藏至第135天時，3種包裝袋內(nèi)油的酸價和過氧化值仍符合國家標(biāo)準(zhǔn)。因此，這3種玉米醇溶蛋白膜可短期內(nèi)代替塑料薄膜作為調(diào)料粉和植物油的包裝材料。