熱處理溫度對大豆分離蛋白膜功能性質的影響

郭 寬 張 超 趙曉燕 馬 越 李喜宏

(北京市農林科學院蔬菜研究中心1，北京 100097)

(天津科技大學食品營養與安全教育部重點實驗室2，天津 300457)

熱處理溫度對大豆分離蛋白膜功能性質的影響

郭 寬1，2張 超1趙曉燕1馬 越1李喜宏2

(北京市農林科學院蔬菜研究中心1，北京 100097)

(天津科技大學食品營養與安全教育部重點實驗室2，天津 300457)

研究熱處理溫度對可食性大豆蛋白膜性能的影響。結果表明隨著處理溫度升高，大豆蛋白膜抗張強度增大，而斷裂延伸率、水蒸氣透過率和氧氣透過率降低。結果90℃熱處理的大豆蛋白膜綜合性能較好，其抗張強度為(9.31 ±1.57)MPa，氧氣透過率最小為(1.15 ±0.23)mL·mm·m－2·d－1。相關性分析結果表明，熱處理引發蛋白成膜液中巰基與二硫鍵之間的轉化，可能是引起大豆蛋白膜機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，同時，其具有較好的機械性能和氧氣阻隔性能，受到廣泛關注［1－3］。SPI膜在制備過程中，需要進行熱處理，熱處理溫度對膜的機械性能和阻隔性會產生直接的影響。因為，熱處理會導致蛋白質變性，不同的熱處理溫度和時間會影響蛋白質展開的程度，進而影響蛋白質交聯的強度和程度，使SPI膜在宏觀上表現出功能性不同［4－6］。但是，系統研究熱處理溫度對于SPI膜功能性質影響的報道不多。因此，本試驗擬研究熱處理對SPI膜機械性能、阻隔性能和其蛋白結構的影響，并通過相關性分析，揭示加熱溫度引起SPI膜機械和阻隔性能改變的內在原因。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設備

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物性測試儀:英國Stable Micro Systems公司;OX－TRAN Model 2/61氧氣透過率測試儀、PERMA TRAN－W Model 1/50G水蒸汽透過率測試儀:美國MCON公司;SM－112型測厚儀:日本TECLCK公司;BM－1型生物混合儀:日本Nihonseiki公司;KYOWA型接觸角測定儀:日本協和科學株式會社;DZKW－4型電子恒溫水浴鍋:中國中興偉業儀器有限公司;DH－201型電熱恒溫干燥箱:天津市中環實驗電爐有限公司。

1.2 膜的制備方法

蛋白質量分數為5%(蛋白/成膜水溶液)，添加甘油質量分數為30%(甘油/蛋白)，水浴溫度分別為60、70、80、90和100 ℃，時間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 GB/T 6672—2001［7］，每張膜對稱取 9 個點(其中1點為膜中心點)用測厚儀測定厚度，以平均值作為膜的厚度。重復測定3次取平均值。

1.4 機械性能測定

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

式中:F為膜斷裂時承受的最大拉力/N;S為膜的橫截面積/m2;L0為膜樣品的長度/mm;L1為膜斷裂時的長度/mm。

1.5 水蒸氣透過系數的測定

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

水蒸氣透過系數。透濕面積為5 cm2，膜兩側相對濕度分別設定為50%和15%。載氣為高純氮氣。

1.6 氧氣透過系數

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

1.7 膜表面接觸角測定

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

1.8 巰基和二硫鍵含量測定方法

根據歐仕益等［12］的方法進行測定。

2 結果與討論

2.1 機械性能變化

隨著加熱溫度的升高，SPI膜抗張強度逐漸增大，并且在70℃到90℃內抗張強度增幅最大，升高36.2%;90 ℃ 時 SPI膜抗張強度為(9.31±1.57)MPa，比60℃處理制得的SPI膜抗張強度升高37%(圖1)。熱處理溫度超過90℃，SPI膜抗張強度變化不明顯。蛋白質的結構靠二硫鍵、疏水力、范德華力、氫鍵等維持［13］。適當的熱處理使蛋白質分子從原來有序的緊密結構變為無序的松散結構，使原來藏在分子內部的巰基和疏水性氨基酸側鏈殘基暴露出來，蛋白質分子則通過疏水相互作用、二硫鍵等的結合形成均勻的立體網絡結構，提高膜機械性能［14］。但若加熱溫度過高，時間過長，會造成蛋白質分子過度變性、分子鏈斷裂，不利于網絡結構的形成［15］。因此不同熱處理條件對SPI膜機械性能的影響是不同的。

加熱溫度對于SPI膜的斷裂延伸率影響不顯著。

圖1 熱處理溫度對SPI膜機械性能的影響

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℃達到最大值74.2°(圖2)，表明SPI膜在此溫度下疏水能力最強。而SPI膜水蒸氣透過率隨著熱處理溫度升高而略微降低。這表明適當的熱處理能促進蛋白質分子中的氫鍵和二硫鍵斷裂，結構展開，疏水性基團暴露出來，提高大豆蛋白疏水性，加強了分子間相互作用和二硫鍵重新分布，形成堅固的網絡結構，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。適當的熱處理使大豆蛋白的結構發生變化，SPI膜結構更加致密緊湊，從而使氧氣分子在膜表面溶解吸附及在膜中的遷移擴散速率降低，SPI膜阻氣性能提高。

圖3 熱處理溫度對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

二硫鍵由兩個巰基形成，可以把肽鏈的不同區段牢固地連接在一起，形成穩定的網絡結構，從而加強膜性能。圖4顯示隨加熱溫度升高，巰基數量逐漸增加，二硫鍵數量降低。這是由于加熱使蛋白質發生變性，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得巰基的數量顯著升高，90 ℃時巰基含量為(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行的。伴隨著水分的蒸發，成膜液中展開的蛋白質分子首先通過疏水相互作用發生聚集，二硫鍵是隨著聚集過程中局部蛋白質含量的增加而開始形成的［16］。因此，成膜液中含有的巰基數量越多，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絡空間結構，提高SPI膜的強度和阻隔性能。

表1 膜性能參數的相關性

圖4 熱處理溫度對成膜液巰基和二硫鍵含量的影響

2.5 熱處理溫度與各測定指標間的相關性

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

成膜液中二硫鍵數量與SPI膜水蒸氣透過率呈顯著的正相關(P＜0.05)，而與膜表面接觸角呈顯著的負相關(P＜0.05);巰基含量與膜氧氣透過率呈極顯著的負相關(P＜0.01)，與膜表面接觸角呈顯著的正相關(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 結論

試驗結果表明，蛋白成膜液在90℃加熱處理，制得的SPI膜綜合性能較好。熱處理可以促進蛋白質分子中的氫鍵和二硫鍵斷裂，疏水性基團暴露，提高SPI膜的機械強度和阻隔性能。相關性分析顯示熱處理引發的蛋白成膜液中巰基與二硫鍵之間的轉化，是影響SPI膜強度和阻隔性能的根本因素。

［1］Gennadios A，Weller C L，Testin R F.Temperature effect on oxygen permeability of edible protein － based films［J］.Journal of Food Science，1993，58:212 －214，219

［2］Lodha P，Netravali N.Thermal and mechanical properties of environment－friendly‘green’plastics from stearic acid modified － soy protein isolate［J］.Industrial Crops and Products，2005，21(1):49 －64

［3］Donhowe I G，Fennema O.The effects of plasticizers on crystallinity，permeability and mechanical properties on methylcellulose films［J］.Journal of Food Processing and Preservation，1993，17(4):247 －257

［4］彭海萍.可食性小麥面筋蛋白膜的研究［D］.鄭州:鄭州工程學院，2003

［5］潘紅陽.大豆蛋白基復合型可食性膜的研究［D］.無錫:江南大學，2006

［6］Choi W S.Film － forming mechanism and heat denaturation effects on the physical and chemical properties of pea－protein － isolate edible films［J］.Journal of Food Science，2002，67(4):1399－1406

［7］GB/T 6672—2001.塑料薄膜與薄片厚度的測定——機械測量法［S］.北京:中國標準出版社，2001

［8］ASTM D 882－01.Standard test methods for tensile proper-ties for thin plastic sheeting［S］.Philadelphia，PA:American Society for Testing and Matericals，2001

［9］ASTM F 1249 －05.Water vapor transmission rate through plastic film and sheeting using a modulated infrared sensor［S］.Philadelphia，PA:American Society for Testing and Matericals，2005

［10］ASTM D 3985 －95.Oxygen gas transmission rate through plastic film and sheeting using a coulometric sensor［S］.Philadelphia，PA:American Society for Testing and Matericals，1995

［11］Larré C，Desserme C，Barbot J，et al.Properties of demidated gluten films enzymatically cross－ linked［J］.Journal of Agriculture and Food Chemistry，2000，48(11):5444 －5449

［12］Ou S Y，Kwok K C，Wang Y，et al.A improved method to determine SH and-S-S-group content in soymilk protein［J］.Food Chemistry，2004，88(2):317 －320

［13］Kim S H，Kinsella J E.Surface active properties of food proteins:effects of reduction of disulfide bonds on film properties and foam stability［J］.Journal of Food Science，1987，52(1):128－131

［14］Kim K M，Weller C L，Hanna M A，et al.Heat curing of soy protein films at selected temperatures and pressures［J］.Food Science and Technology，2002，35(2):140 －145

［15］Kato A，Tanimoto S，Muraki Y，et al.Relationships between conformational stabilities and surface functional properties of mutant hen egg－white lysozymes constructed by genetic engineering［J］.Journal of Agriculture Food Chemistry，1994，42(1):227－230

［16］Sheard P R，Fellows A，Ledward D A，et al.Macromolecular changes associated with the heat treatment of soya isolate［J］.International of Food Science and Technology，1986，21(1):55－60.

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