微波改性蛋白復合膜的制備及性質研究

王 娜 高育哲 王慶峰 肖志剛 王 鵬 李 哲

（1.東北農業(yè)大學食品學院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.沈陽師范大學糧食學院，遼寧 沈陽 110034）

可降解包裝膜是以天然可食性物質（蛋白質、多糖、纖維素等）為原料，通過分子間相互作用形成具有多孔網絡結構的薄膜［1］。目前，可食性包裝膜的研究已從單一原料逐步轉向復合原料，以及對原料改性的研究上［2］。

玉米醇溶蛋白富含大量氨基酸［3］，并且在食品包裝中的應用有著悠久的歷史，如包裹糖果、水果、堅果、封裝藥物等［4］。但與其他蛋白膜相比，玉米醇溶蛋白膜過脆且靈活性較差，無法適用于工業(yè)加工［5］，這些缺陷限制了玉米醇溶蛋白膜的應用。目前，已有一些報道［6，7］采用脂類、多糖和甘油來降低玉米醇溶蛋白膜的脆性。大豆分離蛋白（soy protein isolated，SPI）來源廣泛、價格低廉、具有一定的成膜性［8］，其制成的蛋白膜具有良好的機械性能，能夠保持水分，確保食品的原味，故其已經作為生物塑料的可替代資源被用于食品包裝領域［9，10］。目前，大豆分離蛋白與動物蛋白、多糖、納米材料等復合，制備生物薄膜的研究較為廣泛，但其與玉米醇溶蛋白復合制膜的研究少有報道。蔡花真等［2］利用大豆分離蛋白與玉米醇溶蛋白制備了可食性復合膜，但制得的復合膜機械性能存在缺陷，斷裂伸長率較低。這是由于大豆分離蛋白易溶解在水中而非乙醇溶液，而玉米醇溶蛋白卻恰恰相反，若在正常情況下制備大豆分離蛋白與玉米醇溶蛋白復合膜，成膜液中將會出現不溶物沉淀影響復合膜的性質。

微波是一種非電離電磁輻射，它通過電磁場中極性分子之間的相互作用來提高極性物質的溫度［11］。微波通過分子的振蕩、鍵能的破壞、粒子之間的相互摩擦和碰撞作用，可以促進分子內極性基團的排列、接觸和反應［12］，因此微波技術已廣泛應用于蛋白的輔助提取，及蛋白的改性等方面，有報道［13，14］指出，微波可以改善蛋白質的乳化活性、溶解性、起泡能力與泡沫穩(wěn)定性等。有研究［15］表明，由于具有穿透能力強、選擇性好、加熱速度快、方便控制、熱量均勻等特點，微波已逐漸被用于生物材料屬性的研究中。

本試驗擬從復合膜機械性能入手，選用微波對玉米醇溶蛋白進行改性，并將改性后的玉米醇溶蛋白與大豆分離蛋白混合制備蛋白復合膜，探討最佳成膜條件，選取機械性能最優(yōu)的微波改性蛋白復合膜進行微觀結構、熱特性和FT—IR分析。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

玉米醇溶蛋白：蛋白質含量為85%，吳江市八坼藥用輔料廠；

大豆分離蛋白：蛋白質含量為91%，哈爾濱高科技（集團）有限公司。

無水乙醇、丙三醇、葡萄糖、聚乙二醇400、鹽酸、氫氧化鈉：分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

1.1.2 主要儀器設備

電子分析天平：DF110型，中國輕工機械總公司常熟衡器工業(yè)公司；

數顯攪拌水浴鍋：HH－4型，常州賽普實驗儀器廠；

數字酸度計：PHS－25℃型，上海大普儀器有限公司；

磁力攪拌器：CJ－881型，江蘇省金壇市醫(yī)療儀器廠；

自動定氮儀：Kjeltec 8400型，丹麥FOSS全自動定氮儀公司；

微波光波爐：G8023CSL－K3型，廣東格蘭仕集團有限公司；

質構儀：CT3型，美國博勒飛公司；

掃描電子顯微鏡：S4800型，日本日立公司；

差熱掃描量熱分析儀：TA－Q20型，美國TA公司；

傅里葉紅外光譜儀：Nicolet 6700型，美國熱電公司。

1.2 方法

1.2.1 微波改性蛋白復合膜的制備 取6.7%（m/V）的大豆分離蛋白溶于蒸餾水中制成大豆分離蛋白液；取6.7%（m/V）的玉米醇溶蛋白溶于蒸餾水中制成玉米醇溶蛋白液；用0.1mol/L NaOH調節(jié)玉米蛋白溶液pH值到12.0后將溶液經微波改性處理，處理條件為60℃、350W、2min。然后將大豆分離蛋白溶液和微波改性玉米蛋白溶液按不同比例混合，加入不同體積比的無水乙醇，并用0.1mol/L NaOH調節(jié)混合液至不同pH值后，向混合液中加入2.0%（V/V）的聚乙二醇400、1.0%（V/V）的丙三醇和0.1%（m/V）的葡萄糖，置于磁力攪拌器上攪拌30min。攪拌均勻后將混合液于不同溫度的水浴鍋中加熱15min（在水浴過程中應持續(xù)攪拌溶液，使其受熱均勻）。加熱完成后，冷卻至室溫，超聲去泡，倒膜，然后于電熱鼓風干燥箱中45℃恒溫干燥，再取出置于相對濕度為80%的干燥器中回軟，揭膜，即得大豆分離蛋白與改性玉米醇溶蛋白復合膜。

1.2.2 微波改性蛋白復合膜機械性能的測定 根據ASTM標準方法（D882－01）并加以改進，本試驗選用抗破強度和斷裂距離來衡量樣品的機械性能。將待測樣品用TA－DE型號夾具固定于質構儀上，選用TA41型號探針，觸發(fā)點負載5g，負載距離20mm，測試速度0.5mm/s。每個試驗做3個平行，取算術平均數。

1.2.3 微波改性蛋白復合膜成膜條件單因素試驗設計 選取大豆分離蛋白液與改性玉米醇溶蛋白液體積比、無水乙醇添加量、成膜液pH值及水浴溫度為因素，以復合膜的機械性能為指標，固定其他因素考查某一因素的變化情況，進行單因素試驗。

（1）蛋白液體積比的影響：無水乙醇添加量為20%，成膜液pH為12，水浴溫度為80℃，大豆分離蛋白液與改性玉米醇溶蛋白液體積比選取4∶1，3∶1，2∶1，1∶1，1∶2，考察蛋白液體積比對蛋白復合膜機械性能的影響。

（2）無水乙醇添加量的影響：蛋白液體積比為3∶1，成膜液pH為12，水浴溫度80℃，無水乙醇添加量選取10%，20%，30%，40%，50%，考察無水乙醇添加量對蛋白復合膜機械性能的影響。

（3）成膜液pH值的影響：蛋白液體積比為3∶1，無水乙醇添加量為20%，水浴溫度為80℃，成膜液pH選取9，10，11，12，13，考察pH值對蛋白復合膜機械性能的影響。

（4）水浴溫度的影響：蛋白液體積比為3∶1，無水乙醇添加量為20%，成膜液pH為12，水浴溫度選取50，60，70，80，90℃，考察水浴溫度對蛋白復合膜機械性能的影響。

1.2.4 微波改性蛋白復合膜微觀結構分析 取待測樣品放置于60℃烘箱中烘干12h，取出后用液態(tài)氮冷凍破碎，分別將破碎后樣品的表面和截面放入離子濺射儀中鍍膜，再置于S4800掃描電子顯微鏡中，于5kV加速電壓、2 000和5 000倍放大倍數下進行觀察與拍照。

1.2.5 微波改性蛋白復合膜熱特性分析 取5mg樣品于專用鋁盒中壓片，以空鋁盒為空白對照，測定參數設置：掃描溫度25～220℃、掃描速率10℃/min，得DSC圖譜，并通過TA Universal Analysis軟件對圖譜進行分析。

1.2.6 微波改性蛋白復合膜FT—IR分析 采用衰減全反射法收集樣品的傅里葉變換紅外光譜，掃描光譜范圍4 000～400cm－1［16］。

1.2.7 數據處理方法 采用SPSS 20.0軟件對數據進行處理，用Microsoft Excel 2003繪制試驗中折線圖、Origin 8.0繪制DSC圖譜和FT—IR色譜圖。

2 結果與分析

2.1 蛋白液體積比的影響

圖1 蛋白液體積比對微波改性蛋白復合膜機械性能的影響Figure 1 Influence of protein liquid volume ratio on the mechanical properties of microwave modified blended protein films

由圖1可知，蛋白液體積比對復合膜機械性能影響明顯，隨著大豆分離蛋白含量的減少，復合膜的抗破強度和斷裂距離呈現先小幅度升高后大幅度下降的趨勢。在蛋白液體積比為3∶1時，蛋白復合膜具有最佳的機械性能：抗破強度2 900g，斷裂距離16.08cm。可能是隨著大豆分離蛋白含量的減少，兩種蛋白質分子凝聚時產生的氫鍵、二硫鍵減少，疏水性相互作用降低，使得復合膜的機械性能減退。但大豆分離蛋白含量過高時，蛋白成膜溶液中出現未溶解的蛋白質顆粒，影響了復合膜的均勻性，阻礙了蛋白質緊密網絡結構的形成［17］，致使復合膜的抗破強度降低。同時適量的改性玉米醇溶蛋白的添加，使復合膜在形成過程中分子間作用力增強，蛋白分子間以氫鍵結合得更緊密，有利于形成穩(wěn)定的剛性結構。因此選取大豆分離蛋白液與改性玉米醇溶蛋白液體積比為3∶1較為適宜。

2.2 乙醇添加量的影響

由圖2可知，隨著乙醇添加量的增加，蛋白復合膜的抗破強度和斷裂距離均呈現先升高后降低的趨勢。乙醇添加量在20%時，抗破強度和斷裂距離達到最大值?？赡苁沁^低的乙醇濃度致使蛋白質之間的交聯程度不完全，不能形成致密、均勻的蛋白復合膜，從而影響了膜的機械性能［18］。并且在試驗過程中發(fā)現，乙醇添加量在30%以上時，成膜液易產生顆粒沉淀，表明大豆分離蛋白沒有完全溶解參與反應，導致膜的抗破強度和斷裂距離大幅度降低［19］。故選取20%的乙醇添加量較為適宜。

圖2 乙醇添加量對微波改性蛋白復合膜機械性能的影響Figure 2 Influence of ethanol content on the mechanical properties of microwave modified blended protein films

2.3 成膜液pH值的影響

由圖3可知，隨著成膜液pH值的升高，復合膜的抗破強度和斷裂距離呈逐漸上升的趨勢；在pH 12時達到最大值，而繼續(xù)增大成膜液pH，復合膜的機械性能卻有所降低。可能是pH值的增加使得蛋白分子的外部環(huán)境和內部結構發(fā)生改變，從而導致分子內巰基和疏水基團的暴露，增加了蛋白質分子之間的作用力，這些作用力提高了蛋白復合膜的機械性能［8］。而當pH值為13時，溶液呈現強堿性，蛋白分子結構破壞嚴重，致使膜機械性能降低。故選取成膜液pH值為12。

圖3 pH對微波改性蛋白復合膜機械性能的影響Figure 3 Influence of pH on the mechanical properties of microwave modified blended protein films

2.4 水浴溫度的影響

由圖4可知，隨著水浴溫度的升高，蛋白復合膜的機械性能逐漸提高，在80℃時提取率達到最大值，可能是隨著成膜溫度的升高，蛋白分子運動加劇，有利于分子間氫鍵、二硫鍵和疏水鍵的形成［20］，使得復合膜具有較為致密的空間結構，提高復合膜的機械性能。當溫度超過80℃時，抗破強度增加得不明顯，且斷裂距離有所降低，可能是較高的溫度使得溶劑迅速蒸發(fā)，導致蛋白質分子間交聯反應不徹底，蛋白質分子網狀結構不穩(wěn)定［19］，從而引起復合膜易斷裂。綜合考慮，水浴溫度80℃較為適宜。

圖4 水浴溫度對微波改性蛋白復合膜機械性能的影響Figure 4 Influence of water bath temperature on the mechanical properties of microwave modified blended protein films

2.5 微波改性蛋白復合膜微觀結構分析

對上述最佳成膜條件下獲得的微波改性蛋白復合膜的表面和橫斷面分別做掃描電子顯微鏡觀察，結果見圖5。

圖5 微波改性蛋白復合膜掃描電鏡圖Figure 5 Scanning electron micrographs of the microwave modified blended protein film

由圖5可知，微波改性蛋白復合膜具有光滑的外表，其表面結構十分平整，凸起和凹陷均很少，孔數極少且孔徑很??；微波改性蛋白復合膜內部結構均勻致密，少有漏洞，洞孔直徑較小且非常稀疏?？赡苁俏⒉ǜ男院蟮挠衩状既艿鞍追肿觾炔拷Y構發(fā)生了一定的改變，分子重新排列組合，與大豆分離蛋白混合后，分子內非共價鍵的相互作用力增強，蛋白分子間氫鍵和氫氧根形成更緊湊的結構，使得蛋白分子間結合更緊密，從而蛋白復合膜具有致密的空間網絡結構［21］。這表明孔洞和凹陷直接影響到復合膜的抗破強度和斷裂距離，其與黃國平等［22］研究結果相似。

2.6 微波改性蛋白復合膜熱特性分析

熱穩(wěn)定性是衡量蛋白膜在食品加工和保藏過程中的一個重要因素，本試驗對上述最佳成膜條件下獲得的微波改性蛋白復合膜做DSC測定分析，DSC圖譜見圖6。

如圖6所示微波改性蛋白復合膜在檢測溫度范圍內有2個吸熱峰，DSC檢測結果表明，微波改性蛋白復合膜的玻璃態(tài)轉化溫度Tg為（81.11±0.48）℃，熱變性溫度Tm為（172.69±0.61）℃，變性熱焓 ΔHf為（40.10±0.46）J/g。這表明微波改性蛋白復合膜具有較高的熱穩(wěn)定性，并且其熱變性溫度普遍高于常規(guī)條件下制得的大豆分離蛋白膜［23］，Kokoszka等［24］證實蛋白質相互作用的增加，將會促進熱量的聚集，從而提高膜的熱變性溫度；同時微波改性的處理使維持蛋白質分子結構的化學鍵以及相互作用力發(fā)生改變，與大豆分離蛋白混合后，蛋白分子間伴隨著不同程度的降解和聚合，分子間相互交聯成穩(wěn)定的網狀結構，從而改善了膜的熱性能［25］，有利于提高其加工性能。

圖6 微波改性蛋白復合膜DSC圖譜Figure 6 DSC thermogram of the microwave modified blended protein film

2.7 微波改性蛋白復合膜FT—IR分析

蛋白質分子紅外光譜分為3個區(qū)域，即在1 700～1 600cm－1范圍內C—O的伸縮振動（酰胺Ⅰ）；在1 600～1 500cm－1范圍內N—H的變角振動 （酰胺Ⅱ）；在1 220～1 330cm－1范圍內C—N的伸縮振動和N—H的變角振動（酰胺Ⅲ）［26，27］，其振動頻率則可以反映出多肽或者蛋白質的二級結構（α－螺旋、β－折疊、β－轉角和無規(guī)則卷曲）［28］。

微波改性蛋白復合膜的紅外光譜圖見圖7，綜合現有文獻［25，29］從圖7中可知：復合膜在1 630cm－1（酰胺Ⅰ）處有較強烈的C—O伸縮振動峰，此振動可形成β－轉角；在1 530cm－1（酰胺Ⅱ）存在 N—H 的變角振動，其屬于β－折疊，是由伸展的多肽鏈組成的；在1 240cm－1（酰胺Ⅲ）處的峰屬于N—H變角振動和C—N伸縮振動所形成的α－螺旋和無規(guī)則卷曲；在2 980～2 850cm－1出現的通常為—CH2和—CH3的飽和C—H 反射峰；在3 280cm－1附近存在由O—H和N—H形成的較寬的吸收帶。由此可知大豆分離蛋白與改性玉米醇溶蛋白分子間的—OH與展開的C—O鍵相互作用，形成了致密的空間網絡結構［30］；并且在變性及成膜過程中，微波改性蛋白復合膜在二級結構上并沒有被完全破壞，仍保留一定的特征結構，復合膜仍具備蛋白質的典型特征。

圖7 微波改性蛋白復合膜FT—IR圖譜Figure 7 FT—IR spectrum of the microwave modified blended protein film

3 結論

（1）本試驗研究表明微波改性蛋白復合膜成膜的最佳單因素條件為：大豆分離蛋白液與改性玉米醇溶蛋白液體積比為3∶1、無水乙醇添加量20%、成膜液pH值12、水浴溫度80℃，此條件下制得的微波改性蛋白復合膜的抗破強度為2 900g，斷裂距離為16.08cm。

（2）微波改性蛋白復合膜表面光滑、凹凸有秩、孔數極少且孔徑很小、內部結構均勻致密；熱穩(wěn)定性好，具有較高的熱變性溫度；分子間相互作用緊密，二級結構沒有被完全破壞，仍具有蛋白質的典型特征。

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