大豆分離蛋白-水溶性大豆多糖可食性復合膜的制備與性質*

趙欣，管驍

(上海理工大學 醫療器械與食品學院，上海，200093)

近年來隨著人們對食品品質和保藏要求的提高以及環保意識的增強，天然生物材料制成的可食性食品包裝逐漸成為研究的熱點［1］。可食性包裝膜是以可食性生物大分子物質為主要基質，輔以可食性的增塑劑，通過一定的處理工序使各成膜劑分子間相互作用，使之在干燥后形成一種具有一定力學性能和選擇透過性結構致密的薄膜［2］。可食性膜按原料大體上可分為4 類:多糖類可食性膜、蛋白質類可食性膜、脂類可食性膜、復合型可食性膜。多糖膜依靠分子間氫鍵、分子內氫鍵和多糖特殊的長鏈螺旋分子結構，使其化學性質穩定，但它們都屬親水性聚合物，阻濕性差，導致該類膜在較高的濕度環境下容易吸潮而發黏，而且機械性能也有待提高［3］。大豆分離蛋白具有較好的營養價值和生理功能，以其作為基材的膜具有良好的阻氣性、一定的阻濕性和機械強度［4］。

為得到性能更良好的可食性膜，本文選擇大豆分離蛋白、水溶性大豆多糖為原料，以大豆分離蛋白與水溶性大豆多糖的比例、甘油添加量、海藻酸鈉添加量及鈣離子濃度為影響因素，在單因素實驗結果的基礎上，設計正交試驗，以確定成膜參數，優化成膜工藝條件，并從水溶性、水蒸氣透過性、抗拉伸強度、斷裂延伸率等方面對膜的性質進行了綜合評價，為新型可食性膜的開發提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

水溶性大豆多糖，購自上海百奧特生物科技有限公司;大豆分離蛋白(干基≥90%)，山東山松生物科技有限公司;甘油，海藻酸鈉，NaOH、HCl、CaCl2、消泡劑等均為國產分析純。

1.2 主要設備

電子天平，北京賽多利斯儀器系統有限公司;四聯磁力加熱攪拌器，上海碩光電子科技有限公司;數控超級恒溫槽，寧波天恒儀器廠;DHG-9210A 型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司;微拉伸試驗儀，上海一恒科學儀器有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 膜的制備［5－7］

稱取一定量大豆分離蛋白和水溶性大豆多糖混勻后，按1∶20 的料水比加入適量蒸餾水，80℃水浴30 min 充分攪拌，邊攪拌邊加入一定量海藻酸鈉、甘油、可食用消泡劑及不同濃度氯化鈣溶液，20 min 后取5 mL 溶液傾入直徑9 cm 培養皿內并輕輕搖勻，并水平置于60℃恒溫箱內干燥24 h 后揭膜。揭下的膜放在相對濕度為52% (飽和硝酸鎂溶液保持其濕度)的干燥器中，室溫平衡3 d 后測定各種特性參數。

1.3.2 膜厚度的測定［8］

用游標卡尺在被測膜上隨機取5 點進行測定，取平均值，單位為mm。

1.3.3 膜的水溶性測定［9］

將膜剪成50 mm ×50 mm 大小，放在燒杯中，在90 ℃恒溫干燥箱中干燥至質量恒定后，加入50 mL蒸餾水使其充分溶解(約24 h)后，將水倒掉，再置于90℃烘箱中干燥至質量恒定。

式中:WS為膜的水溶性，%;m0為膜的初始質量，g ;m為膜溶解后殘留杯底的質量，g。

1.3.4 膜的水蒸氣透過率( water vapor permeability ，WVP) 的測定［10－12］

將待測的膜密封于裝有4 g 無水CaCl2的稱量瓶瓶口處，置于相對濕度83%的干燥器中(KBr 飽和溶液保持其濕度)。每24 h 稱1 次稱量瓶質量，持續1周。通過稱量瓶質量的增加，計算得WVP。

水蒸氣透過系數以式(2)表示:

式中:WVP為水蒸氣透過系數，(g·mm)/(m2·d ·kPa);d為試樣厚度，mm;ΔP為試樣兩側的水蒸氣壓差，kPa;t為質量增量的2 次間隔時間，d;Δm為t時間內的質量增加量，g;A為試樣透過水蒸氣的面積，m2。

1.3.5 抗拉強度( tensile strength，TS) 和斷裂伸長率(E) 的測定［13］

抗拉強度(TS)表征試樣能承受的最大拉伸應力，斷裂伸長率(E)即膜斷裂時長度的變化率。測試方法按照GB13022 －1991 用微拉伸試驗儀在室溫下測定，采用長條型試樣，試樣寬度20 mm，標距150 mm，試驗速度1 mm/s。

式中:TS為抗拉強度，MPa;F為膜所受拉力，N;S為膜的橫截面積，m2。

式中:E為膜的斷裂伸長率，%;L0為膜斷裂時的長度，mm;L為膜的原始長度，mm。

1.3.6 實驗設計

以大豆分離蛋白與水溶性大豆多糖的比例、甘油、海藻酸鈉添加量及鈣離子濃度為影響因素，并在通過感官評定單因素實驗的基礎上，以膜的水溶性、膜的水蒸氣透過系數(WVP)、抗拉強度(TS)和斷裂伸長率(E)為衡量指標，選擇單因素中合適的自變量并確定自變量水平，進行4 因素3 水平L9(43)的正交試驗設計，采用Minitab 軟件，通過直觀分析確定各因素的影響強弱并對可食性復合膜的綜合性能進行評價，得到最優工藝條件。

1.3.7 可食膜綜合性能評價標準［14］

該試驗中大豆蛋白-多糖復合膜的評價指標共有4 項，分別是水溶性(WS)、水蒸氣透過系數(WVP)、抗拉伸強度(TS)、斷裂延伸率(E)。復合膜綜合性能采用加權法和分段插值法進行計算。各項性能分值為:WS，15 分;WVP，20 分;TS，30 分;E，30 分，其他，5 分。各項性能評分標準如下:

(1)膜水溶性WS(15 分)。WS＜0.05%，分值15 分;0.05%≤WS＜0.08%，13 分≤分值＜15 分;0.08%≤WS＜0.11%，11 分≤分值＜13 分;0.11%≤WS＜0.14%，9 分≤分值＜11 分;0.14%≤WS＜0.17%，7 分≤分值＜9 分;0.17%≤WS＜0.20%，5分≤分值＜7 分。

(2)水蒸氣透過系數WVP(20 分)。WVP＜2.0(g·mm)/(kPa·d·m2)，分值25 分;2.0(g·mm)/(kPa·d·m2)≤WS＜2.5(g·mm)/(kPa·d·m2)，18 分≤分值＜20 分;2.5(g·mm/kPa·d·m2)≤WS＜3.0(g·mm/kPa·d·m2)，16 分≤分值＜18 分;3.0(g·mm/kPa·d·m2)≤WS＜3.5(g·mm/kPa·d·m2)，14 分≤分值＜16 分;3.5(g·mm/kPa·d·m2)≤WS＜4.0(g·mm/kPa·d·m2)，12 分≤分值＜14 分;4.0(g·mm/kPa·d·m2)≤WS＜4.5(g·mm/kPa·d·m2)，10 分≤分值＜12 分。

(3)抗拉伸強度(30 分)。TS＞10.0 MPa，分值30 分;8.0MPa ≤WS ＜10.0MPa，25 分≤分值＜30分;6.0MPa ≤WS＜8.0MPa，20 分≤分值＜25 分;4.0MPa ≤WS＜6.0MPa，15 分≤分 值＜20 分;2.0MPa≤WS＜4.0MPa，10 分≤分值＜15 分;0MPa≤WS＜2.0MPa，5 分≤分值＜10 分。

(4)斷裂伸長率(30 分)。E＞100%，分值30分;80%≤E＜100%，25 分≤分值＜30 分;60%≤E＜80%，20 分≤分值＜25 分;40%≤E＜60%，15分≤分值＜20 分;20%≤E＜40%，10 分≤分值＜15分;0≤E＜20%，5 分≤分值＜10 分。

(5)其他因素(5 分)。觀察所成的膜的表面光滑程度，揭膜難易程度，揭膜破損情況酌情給分。

2 結果與討論

2.1 單因素實驗

2.1.1 大豆分離蛋白和水溶性大豆多糖的比例對膜外觀的影響

將大豆分離蛋白與水溶性大豆多糖分別按照質量比1∶1，1∶3，1∶5，1∶7，1∶9 的比例混勻后(總質量10 g)，添加200 mL 蒸餾水、3 mL 甘油、3 g 海藻酸鈉、1 mL 消泡劑、1 mol/L CaCl2，按照制備復合膜的操作過程，觀察不同比例對成膜的影響，結果表示如表1 所示。

由表1 可知，SPI 與SSPS 比例的不同對膜的外觀影響顯著，當SPI 與SSPS 的質量比為1∶1 時，膜表面極不均勻，無彈性，易碎，無法應用于指標測定;當SPI 與SSPS 的比例為1∶9 時，膜太厚并且較硬，不適宜測定。因此，選用SPI 與SSPS 的比例分別為1∶3、1∶5、1∶7 繼續后續實驗。

2.1.2 甘油添加量對膜外觀的影響

按1∶5 的比例準確稱取大豆分離蛋白和水溶性大豆多糖共10 g，添加200 mL 蒸餾水、3g 海藻酸鈉、1 mL 消泡劑、1 mol/L Ca2+，按照制備復合膜的操作過程，分別添加1%，2%，3%，4%，5%的甘油進行實驗，觀察不同甘油添加量對成膜的影響，結果表示如表2 所示。

表2 甘油添加量對膜的外觀影響Table 2 The effect of the addition amount of glycerin on appearance of the film

由表2 可知，甘油添加量的不同對膜的外觀影響較大。甘油可以通過減少聚合物相鄰鏈間的分子內相互作用而降低膜的脆性及易碎性，增加膜基質間的空隙，賦予膜一定的柔韌性［15－16］。當甘油添加量為1%時，所制得的可食膜有裂痕，無法揭膜;當甘油添加量為5%時，所制得的可食膜薄厚不均勻并且太硬，因此，選用甘油添加量分別為2%、3%、4%繼續后續實驗。

2.1.3 海藻酸鈉添加量對膜外觀的影響

按質量比1∶5 的比例準確稱取大豆分離蛋白和水溶性大豆多糖共10 g，添加200 mL 蒸餾水、3 mL甘油、1 mL 消泡劑、1mol/L Ca2+，按照制備復合膜的操作過程，分別添加1%，2%，3%，4%，5%的海藻酸鈉進行實驗，觀察不同海藻酸鈉添加量對成膜的影響，結果表示如表3 所示。

表3 海藻酸鈉添加量對膜的外觀影響Table 3 The effect of the addition amount of sodium alginate on appearance of the film

由表3 可知，海藻酸鈉添加量的不同對膜的外觀影響較大。海藻酸鹽是一種含聚甘露糖醛酸和聚古羅糖醛酸鏈段結構的天然聚合物［17］，相對分子質量較大，分子鏈較長，可形成一種可食性膜;由于水溶性大豆多糖黏度低，因此添加了一定量的海藻酸鈉改善其黏性，當海藻酸鈉的添加量分別為2%、3%、4%時，膜的綜合品質較好，因此，選用海藻酸鈉添加量分別為2%、3%、4%繼續后續實驗。

2.1.4 鈣離子濃度對膜外觀的影響

按1∶5 的質量比準確稱取大豆分離蛋白和水溶性大豆多糖共10 g，添加200 mL 蒸餾水、3 mL 甘油、3 g 海藻酸鈉、1 mL 消泡劑，按照制備復合膜的操作過程，分別添加0.5、1.0、1.5、2.0 mol/L Ca2+進行實驗，觀察不同Ca2+濃度對成膜的影響，結果表示如表4 所示。

表4 Ca2+濃度對膜的外觀影響Table 4 The effect of the addition amount of calcium ion concentration on appearance of the film

由表4 可知，以CaCl2作為交聯劑，當海藻酸鈉與鈣離子作用時，鈣離子交聯聚合鏈的締合鏈段之間，產生了抑制水分流動的三維結構，從而使膜的水溶性降低。鈣離子濃度的不同對膜的外觀影響不大。從外觀而言，各種鈣離子濃度制得的膜相差無幾，但是利用鈣離子能增加多糖、蛋白質等大分子間的交聯，改善膜的綜合特性，提高膜的機械強度，是目前解決可食性膜強度低的有效方法［18］。

2.2 正交試驗設計及結果

在單因素實驗結果的基礎上，選擇SPI 與SSPS的質量比、甘油添加量、海藻酸鈉添加量及鈣離子濃度4 個因素，設計4 因素3 水平(L9(43))正交試驗，考察其對復合膜水溶性、水蒸汽透過率(WVP)、抗拉強度(TS)、斷裂伸長率(E)的綜合影響。實驗設計和實驗結果分別見表5、表6。

表5 水溶性大豆多糖與大豆分離蛋白復合膜制備正交試驗因素與水平表Table 5 Factors and levels of orthogonal tests

表6 水溶性大豆多糖與大豆分離蛋白復合膜制作正交試驗設計及結果Table 6 Design table of orthogonal experiment and results

由表6 可知，在影響制備復合膜4 個因素中，對 復合膜水溶性的影響順序為:Ca2+濃度(D)＞ 海藻酸鈉添加量(C)＞甘油添加量(B)＞SPI 與SSPS 比例(A);復合膜的水溶性在SPI 與SSPS 比例為1∶3，甘油添加量為3%，海藻酸鈉添加量為4%，Ca2+濃度為0.5 mol/L 時最低。蛋白質本身為親水性大分子，含有較多羥基等親水性基團，水分較容易與SPI 分子結合。甘油分子中有較多羥基，因此甘油含量越多越容易溶于水，促進了水蒸氣在大豆分離蛋白膜上的遷移。對復合膜水蒸汽透過率的影響順序為:SPI 與SSPS 比例(A)＞甘油添加量(B)＞Ca2+濃度(D)＞海藻酸鈉添加量(C);復合膜的水蒸汽透過率在SPI與SSPS 比例為1∶7，甘油添加量為4%，海藻酸鈉添加量為2%，Ca2+濃度為1.5 mol/L 時最低。膜的WVP 值越小，阻濕性能越好。對復合膜抗拉強度的影響順序為:SPI 與SSPS 比例(A)＞海藻酸鈉添加量(C)＞甘油添加量(B)＞Ca2+濃度(D);復合膜的水溶性在SPI 與SSPS 比例為1∶7，甘油添加量為4%，海藻酸鈉添加量為2%，Ca2+濃度為1.0 mol/L 時最大。對復合膜斷裂伸長率的影響順序為:SPI 與SSPS比例(A)＞海藻酸鈉添加量(C)＞甘油添加量(B)＞Ca2+濃度(D)。復合膜的水溶性在SPI 與SSPS 比例為1 ∶7，甘油添加量為4%，海藻酸鈉添加量為2%，Ca2+濃度為1.0 mol/L 時最大。Ca2+的添加對大豆分離蛋白膜的E 值影響很大，主要是因為Ca2+的加入影響膜的脆度，從而影響膜的斷裂伸長率。甘油的添加對E 值影響也很大，這主要是甘油的加入減少了蛋白分子之間的相互作用，軟化了膜的剛性結構，使膜內部的網絡結構變得疏松，增加了鏈的流動性［19］。

2.3 可食膜綜合性能評價

采用加權法對可食性復合膜的綜合性能進行評價，結果見表7。

由表7 可知，SPI 與SSPS 復合膜綜合性能最佳的配方工藝為:SPI∶SSPS 的比例為1∶7，甘油添加量為2%，海藻酸鈉添加量為4%，Ca2+濃度為1.0 mol/L。此條件下復合膜的綜合性能評分最高，達67.8。極差分析結果顯示，影響復合膜綜合性能的因素的影響程度從高到低依次為:SPI 與SSPS 的比例、海藻酸鈉添加量、甘油添加量、Ca2+濃度。羅麗娟［14］等研究了濕法工藝制備可食性大豆分離蛋白膜，認為在SPI質量分數為5.0%，pH 值為10，溫度為90℃時得到的膜綜合性能最佳。在該條件下制備的膜的抗拉強度為3.19 MPa，WVP為17.51 (g·mm)/(m2·d·kPa)。任紅［5］等研究了凝膠多糖與大豆分離蛋白可食性復合膜的制備，認為在干燥溫度為50℃，SPI 濃度為2.0%，凝膠多糖濃度為1.2%，甘油濃度為1%時所得膜具有較好的抗拉強度和阻濕性能，在該條件下制備的膜的抗拉強度為13.34 MPa，水蒸氣透過系數為3.24(g·mm)/(m2·d·kPa)。本文以大豆分離蛋白和水溶性大豆多糖2 種材料復合制備的可食性膜比單一大豆分離蛋白制備的可食膜具有更高的抗拉強度和較好的阻濕性，其抗拉強度為6.416 MPa，WVP為2.8912(g·mm)/(m2·d·kPa)，但抗拉強度較之于凝膠多糖與大豆分離蛋白可食性復合膜則較低。綜上所述，以大豆分離蛋白和水溶性大豆多糖為成膜基材的可食性復合膜具有良好的阻濕性能，可以根據其特征，將其作為食品的內包裝應用在速食方便面調料包、速溶咖啡等領域。

表7 復合膜綜合性能正交試驗結果分析Table 7 Comprehensive evaluation results of the composite film

3 結論

本文以制備性能良好的大豆分離蛋白-水溶性大豆多糖可食性復合膜為目標，考查了大豆分離蛋白與水溶性大豆多糖的比例、甘油、海藻酸鈉添加量及Ca2+濃度等影響因素，通過單因素與正交實驗對成膜配方進行研究，并從水溶性、水蒸氣透過性、抗拉伸強度、斷裂延伸率等方面對膜的性質進行了綜合評價。結果表明:對SPI-SSPS 復合膜綜合性能影響因素的顯著程度為:SPI∶SSPS (A)＞海藻酸鈉添加量(C)＞甘油添加量(B)＞Ca2+濃度(D)，最佳的配方為:SPI∶SSPS 的質量比為1∶7，甘油添加量為2%，海藻酸鈉添加量為4%，Ca2+濃度為1.0 mol/L。此條件下復合膜的綜合性能評分最高，達67.79。

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