谷朊粉 -大豆分離蛋白復合膜成膜條件研究

王章存 趙學偉 鄭堅強 李昌文 王吉中

(鄭州輕工業學院食品與生物工程學院,鄭州 450002)

谷朊粉 -大豆分離蛋白復合膜成膜條件研究

王章存 趙學偉 鄭堅強 李昌文 王吉中

(鄭州輕工業學院食品與生物工程學院,鄭州 450002)

以谷朊粉為主要原料并添加適量的大豆分離蛋白 (SPI)制備復合蛋白膜,研究了不同成膜條件(如 SPI、甘油、亞硫酸鈉和硫酸鈣添加量等)對膜性能的影響,并考查了亞硫酸鈉的作用。結果表明,在成膜過程中,增加 SPI的比例可提高膜的抗張強度,但降低膜的延伸性能;增加甘油添加量時膜的延伸性提高,但膜的抗張強度下降且透水率增加;添加亞硫酸鈉可以明顯改善復合膜的抗張強度,但導致透水性增大。在單因素試驗的基礎上,以膜的透水性、抗張強度和延伸性加權分析結果為指標,用正交試驗優化的成膜條件為:大豆蛋白占總蛋白比例為 25%、亞硫酸鈉添加量為 0.25%、甘油為 25%、硫酸鈣為 0.75%時所得復合蛋白膜的性能最佳。

谷朊粉 大豆分離蛋白 復合蛋白膜 亞硫酸鈉

近年來,隨著人們對塑料袋的環境污染及其在食品包裝中可能產生毒副作用的認識,以天然生物材料為基料的可食性膜成為食品包裝材料研究的熱點。蛋白質經過適當條件處理后,靠其分子中的氫鍵、離子鍵和二硫鍵等形成一定的立體網絡結構,制成具有一定機械性和阻隔性的可食性膜,這種可食性蛋白膜可降解、可作為營養強化劑,國內外的研究給予了廣泛重視[1-7]。

谷朊粉是生產小麥淀粉時的副產品,近年來我國谷朊粉產量呈快速增加趨勢,其蛋白質含量約80%,其中主要是麥膠蛋白和麥谷蛋白。麥膠蛋白呈球狀,相對分子質量小,具有延伸性;麥谷蛋白呈纖維狀,相對分子質量大,具有較強彈性。谷朊粉吸水后能形成網絡結構,具有優良的黏彈性、延伸性、吸水性、成膜性等,是制備可食性膜的重要原料[8-10],但由于谷朊粉蛋白膜的通透性往往較大,影響了它的應用效果。而以大豆分離蛋白制備的蛋白膜透光率好、抗張強度大,但延伸性較差。前人用不同方法對蛋白膜的性能進行了改良,如在大豆分離蛋白膜中加入十二烷基磺酸鈉可以顯著降低膜的透水性[11],Wang等[12]以甘油為增塑劑時加入微生物轉谷氨酰胺酶(MTGase)降低谷朊粉蛋白膜的延伸性和透水性,提高膜的抗張強度。但有文獻報道,在谷朊粉中加入MTGase使蛋白膜的透水性增加,膜的機械性能降低[13]。MTGase的作用在于使蛋白質中的谷氨酰胺脫去酰胺后增加蛋白質分子間的交聯機會,上述研究結果的差異可能與其成膜時的其他條件有關。

谷朊粉蛋白中含有較多的二硫鍵,加入適量的還原劑(如亞硫酸鈉)可以打斷部分二硫鍵,有利于在成膜過程中形成新的二硫鍵交聯,對成膜的性能有一定影響,另外,如果在谷朊粉中加入溶解性較好、相對分子質量較小的大豆分離蛋白,制成兩種蛋白的復合膜,在亞硫酸鈉的作用下成膜過程中則有可能使谷朊粉和大豆分離蛋白形成新的網絡結構,或者使兩種蛋白質形成比較均勻的多相體系,有利于改善成膜性能,這在文獻中未見相同報道。為此,在前人分別對小麥蛋白膜和大豆分離蛋白膜研究的基礎上,以膜的透水率、抗張強度、延伸性為主要質量指標,研究兩種蛋白質比例、甘油、亞硫酸鈉和硫酸鈣添加量等條件對谷朊粉 -大豆分離蛋白復合膜成膜性能的影響。

1 材料和方法

1.1 主要材料和儀器

谷朊粉 (含蛋白質 79.6%):鄭州新威營養技術公司;大豆分離蛋白(含蛋白質 91.2%):鄭州同創益生科技公司;甘油 (AR):上海億欣生物科技有限公司;亞硫酸鈉(AR):上海埃彼化學試劑公司。

TA.XT2質構儀:英國 stableMicro Systems公司; 868型 pH計:上海熱電儀器公司;FA1104電子天平:上海精密儀器公司;XHF-1高速分散器:上海金達實驗儀器廠;HHS恒溫水浴鍋:上海醫療器械五廠; 101A-1真空干燥箱:上海市實驗儀器總廠。

1.2 試驗方法

1.2.1 膜的制備

將谷朊粉(WG)和大豆分離蛋白(SPI)按一定比例溶于 50%乙醇溶液中,并加入一定量的甘油制成為100 g/L的蛋白質溶液,充分搖勻后,用NH4OH調節至 pH 10,在 55℃水浴鍋中加熱攪拌 30 min使蛋白質溶解,于真空干燥箱中抽氣排除溶液中的氣泡。然后將一定體積的反應液倒在特制的玻璃盒中 (規格 18 cm×25 cm),置于 55℃水浴保溫使溶液均勻展開以保證膜的厚度一致。然后轉移到 60℃干燥箱中干燥,揭膜后放在相對濕度 50%的干燥器中平衡水分 48 h,測試膜的性能。

1.2.2 膜透水率的測定[9]

將已制備好的膜密封于裝有約 5 g干燥劑(氯化鈣)的稱量瓶口,然后置于相對濕度為 50%的干燥器中,定期檢測稱量瓶的增重。膜的透水率按下述公式計算:

式中WVP為透水率(g·m-1·s-1·Pa-1),ΔW為一定時間間隔后稱量瓶的增重/g,d為膜的厚度 /m,用螺旋測微器在整塊待測膜上隨機選取5個點測定取平均值,A為稱量瓶口面積/m2,t為測定時間間隔/s,ΔP為測定時膜內外水蒸氣分壓差/Pa。

1.2.3 膜的機械性能測定[9]

膜的機械性能以抗張強度 (TS)和延伸性能 (E)表示。將膜片裁成 50 mm×10 mm長條固定在 TA. XT2物性儀的夾式模具上,設置初始夾距 (即有效拉伸長度)為30 mm,拉伸速度為 3 mm/s。根據膜斷裂時的拉力和伸長量計算抗張強度和延伸性。重復測定三個樣品計算平均值。

抗張強度(TS)計算公式為:TS=F/(d×W)

式中 TS為抗拉強度/MPa,F為膜斷裂時的拉力讀數/N,d為膜的厚度/m,W為膜的寬度/m。

延伸性能也即斷裂伸長率,E=L1/L0×100%,式中L1為試樣斷裂時的膜長/mm,L0為試樣拉伸前的長度/mm。

1.2.4 膜綜合性能的評價

為了對膜性能進行綜合評價,根據抗張強度、延伸性和透水性的重要性,設置三項指標的權重值分別為 65、35和 -10,將不同條件下同一指標中的相對百分值與權重值相乘后加和,即:

式中 G為綜合評價得分,TSi和 TSmax、Ei和Emax、Wi和Wmax分別為不同試驗條件下抗張強度、延伸性、透水率的測定值和最大值。將透水性權重值設為 -10是因為透水性高者成膜的性能下降。

2 結果和討論

2.1 蛋白質比例對膜性能的影響

首先考查了大豆分離蛋白與小麥谷朊粉不同比例條件下復合膜的成膜性能,其他條件為:蛋白質質量濃度為 100 g/L,pH 10,加入甘油與蛋白質的質量比為 30%,成膜性能測定試驗結果如圖 1所示。

圖 1 不同蛋白質比例對成膜性能影響

由圖 1可以看出,與單純用谷朊粉制備的膜相比,隨著大豆分離蛋白的比例增加,復合膜抗張強度(TS)提高,而透水率和延伸性降低。可能的原因是:大豆分離蛋白是由溶解性較好,相對分子質量較小的球蛋白組成,且其中游離巰基的含量高于谷朊粉。隨著大豆分離蛋白添加量的增加,有更多的相對分子質量小的球蛋白插入到谷朊粉蛋白的網絡中,使膜蛋白的網絡結構更加致密,同時大豆分離蛋白因新的二硫鍵結合形成的網絡結構使谷朊粉蛋白的網絡變化自由度降低。

指標的增加對膜的質量具有不同的影響。質量好的膜首先應該具有較高的抗張強度,其次有一定的延伸性,而透水性的增加則導致膜質量下降。根據試驗設定的成膜性能綜合評分方法計算結果可知,當大豆分離蛋白添加量占 20%時綜合得分最高。因此,選擇大豆分離蛋白占總蛋白比例為 20%。

2.2 甘油添加量對成膜性能的影響

甘油是制備蛋白膜常用的增塑劑,它可以分散到蛋白質分子之間,提高蛋白分子鏈的移動性,提高膜的柔韌性和塑性。以大豆分離蛋白占總蛋白比例 20%和 pH 10條件下,改變甘油的添加量,成膜性能測定結果(圖 2)表明,隨著甘油添加量的增加,復合膜的延伸性有了明顯改善。但膜的抗張強度呈逐漸下降趨勢,當甘油添加量超過 20%以后,膜的透水率也快速增加,這對膜的綜合質量有不利影響。綜合評價,當甘油添加量為 25%時膜的得分值最高,故以該比例甘油進一步考查其他因素的影響。

圖2 甘油添加量對成膜性能的影響

2.3 亞硫酸鈉添加量對成膜性能的影響

小麥谷朊粉中主要是麥膠蛋白和麥谷蛋白,它們含有較多的二硫鍵。雖然二硫鍵是蛋白質膜的重要結構基礎,但成膜前的蛋白質二硫鍵作用并不明顯。如果將蛋白質中的二硫鍵打開后再與成膜的其他成分混和,在成膜過程形成新的二硫鍵結合,則可大大改善膜的性能。為此,在大豆分離蛋白占總蛋白比例20%,甘油25%時,研究了不同亞硫酸鈉添加量時的成膜性能,結果如圖 3所示。由圖 3可知,添加亞硫酸鈉可以明顯改善復合膜的抗張強度,當亞硫酸鈉比例為 0.25%時,抗張強度最高,與不加添加亞硫酸鈉者相比提高 45%。當亞硫酸鈉比例為0.15%時,膜的延伸性提高13%。但加入亞硫酸鈉后膜的透水性也增加,且當亞硫酸鈉添加量分別超過 0.15%和 0.25%后,膜的延伸性和抗張強度又呈下降趨勢,可能是蛋白質中的游離巰基在較高亞硫酸鈉濃度時無法形成二硫鍵網絡所致。因此,控制亞硫酸鈉添加量為 0.2%較合適。

圖 3 不同亞硫酸鈉添加量時對成膜性能的影響

2.4 鈣離子對成膜性能的影響

鈣離子對蛋白質的交聯也起著重要作用,其在大豆分離蛋白中應用效果更加明顯。本試驗考查了當大豆分離蛋白占總蛋白比例 25%、甘油 25%和亞硫酸鈉 0.2%時不同硫酸鈣添加量對膜質量的影響,結果(見圖 4)表明,隨著硫酸鈣添加量的增加,復合膜的抗張強度、延伸性逐漸增加,其中抗張強度的增加幅度為14.3%,延伸性增加7%,爾后又逐漸降低;而透水性則隨著硫酸鈣添加量的增加而降低,說明膜的密度有所增加。綜合評價,硫酸鈣添加量為0.75%時復合膜的得分值最高。

圖 4 硫酸鈣添加量對成膜性能的影響

2.5 成膜條件的優化

為了進一步優化蛋白復合膜的成膜條件,在單因素試驗的基礎上,采用正交試驗設計方法考查不同蛋白質比例和甘油、亞硫酸鈉、硫酸鈣添加比例時的成膜性能及其綜合評分情況,并以綜合分數為指標進行統計,結果見表 1。

根據正交試驗結果可知,甘油對成膜的透水性和延伸性影響最大,其次分別是蛋白質比例和亞硫酸鈉含量。對成膜抗張強度影響最大的因素是亞硫酸鈉,其次是蛋白質比例和甘油。將試驗結果加權分析后,按成膜性能綜合分數看 (如表 1所示),亞硫酸鈉比例變化對成膜的性能影響較大,其次是蛋白質比例和甘油添加量。而硫酸鈣添加比例對成膜的性能影響較小,可能是該正交試驗所選擇的硫酸鈣添加比例已是單因素試驗時確定的較合適的比例。因此,根據上述分析可得出以下結論:當大豆分離蛋白占總蛋白比例為 25%、亞硫酸鈉添加量為 0.25%、甘油添加量為25%、硫酸鈣添加量為0.75%時,所制備的復合膜質量最好。由于正交試驗中沒有該條件組合,研究中以上述條件重新制備復合膜并進一步分析相關指標,綜合得分為 75.22,優于表 1中的結果,表明該研究結論是可靠的。

表1 成膜條件的正交試驗結果

3 結論

研究表明,以小麥谷朊粉為主要蛋白的制膜溶液中添加適量的大豆分離蛋白、甘油和亞硫酸鈉等有利于提高復合膜的抗張強度和延伸性,其中,亞硫酸鈉添加量的變化對膜綜合性能的影響較大,甘油濃度較高時由于膜的透水性增加較快,反而使成膜綜合性能下降。通過對影響膜性能的指標加權分析和正交試驗方法優化了谷朊粉 -大豆分離蛋白復合膜的成膜條件,與對照相比膜的綜合性能有所改善。

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Forming Conditions ofWheat Gluten-SPI Edible Compound Film

Wang Zhangcun Zhao Xuewei Zheng Jianqiang Li Changwen Wang Jizhong

(School of Food&Bioengineering,Zhengzhou University ofLight Industry,Zhengzhou 450002)

Edible compound protein film was prepared takingwheat gluten(WG)as chiefmaterial and appen2 ded with soy protein isolates(SPI).The effectsof fil m forming conditions such as dosesof SPI,glycol,sodium sulfite and calcium sulphate on product performance were researched with tensile strength(TS),extensibility(E)and wa2 ter vapor per meability(WVP)of produced film as evaluation indexes of product perfor mance.Results:Adding SPI improves TS but reduces E;adding glycol improves E but reduces TS and increaseWVP;adding sodium sulfite im2 proves TS but increase WVP.According to the comprehensive evaluation based on single factor test and orthogonal test,the established best film forming conditions are rate of SPI to total protein(WG+SPI)25%,sodium sulfite dose 0.25%,glycol dose 25%and calcium sulphate dose 0.75%.The performance of the produced film is superex2 cellent.

wheat gluten,soy protein isolates,edible composite film,sodium sulfite

TS201.1 文獻標識碼:A 文章編號:1003-0174(2010)05-0005-05

鄭州輕工業學院博士基金(2007BJ0016)

2009-06-26

王章存,男,1963年出生,博士,教授,糧油蛋白質深加工