可食性大豆分離蛋白膜制備與性質

董 增 孫朋朋 王海潮 高貴珍 曹穩根

(宿州學院生物與食品工程學院，安徽 宿州 234000)

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可食性大豆分離蛋白膜制備與性質

董 增 孫朋朋 王海潮 高貴珍 曹穩根

(宿州學院生物與食品工程學院，安徽 宿州 234000)

為探索新型生物膜材料的制備，以大豆分離蛋白為基本材料，探究大豆分離蛋白(SPI)、增塑劑(甘油)、還原劑(Na2SO3)、乙醇等添加量和處理溫度、成膜液pH、成膜介質等條件對膜的完整率、厚度、透光率、水溶率、水蒸氣透過系數、透油性等性質的影響。當SPI濃度在2%～6%時，隨著添加量的增加，成膜變得容易，但是膜的厚度增加、水蒸氣透過系數和透油系數變大、色澤變深。甘油添加量在2%以下可以改善膜的柔韌性，同時降低膜的透氣性能和透油性。添加5%的乙醇也可以降低膜的透氣性和透油性。添加0.1%的Na2SO3可以改善膜的色澤，同時降低膜的透油性。適當提高處理溫度和溶液pH可以降低膜的透氣性和透油性。

大豆分離蛋白；可食用性膜；成膜工藝；性能

塑料包裝膜以其價格低廉和機械性能好等優點，已廣泛應用于食品、藥品的包裝。但是，塑料材料在自然界難以降解，燃燒會產生有毒氣體造成空氣污染，成了嚴重的“白色污染”[1]。目前，可食性膜通常以天然可食性物質如蛋白質、淀粉基、明膠等為成膜材料，通過添加交聯劑、塑化劑等制備具有多孔網絡結構的薄膜[2]，可作為食品接觸包裝材料用于保鮮或者直接食用，在環境中可以自然降解。

大豆分離蛋白因其蛋白分子之間含有大量的氫鍵、二硫鍵以及疏水相互作用等可以維持蛋白膜的結構穩定，制得的膜阻隔性能好，具有良好的機械性能而成為現今包裝材料研究的熱點[3]，被廣泛應用于食品工業，如大豆分離蛋白膜替代香腸腸衣[4]、作為營養強化劑或食品添加劑而加入到酸奶、乳酪、乳粉、冰淇淋、麥片等食品中[5]，改善面制品品質[6]等。

目前，中國很多學者對可食性大豆分離蛋白膜做了一定的研究，如汪學榮等[7]研究以甘油為增塑劑、Na2SO3為還原劑制備大豆分離蛋白膜的實驗室和工業化制膜工藝，中試成功；馬丹等[8]研究了不同工藝生產的大豆分離蛋白的成膜性能，發現GS5000型大豆分離蛋白比較適合制作可食性膜；張慧蕓等[9]研究通過添加丁香油提高大豆分離蛋白膜性能，當丁香精油添加量為1.5%時，制備的復合膜具有優良抗菌、抗氧化活性，且綜合理化性能較佳；陳珊珊等[10]研究利用葵花籽殼納米纖維素(NCC)、殼聚糖(CS)和大豆分離蛋白(SPI)3種物質制備可食膜工藝，當成膜材料質量比NCC∶CS∶SPI為1.25∶0.75∶2，pH為3.59，丙三醇濃度為0.02 g/mL時，膜的綜合性能最好。劉少博等[11]利用膠原蛋白與大豆分離蛋白制備復合膜，當膠原蛋白與大豆分離蛋白質量比2∶1，甘油含量30%，成膜液pH值10.0，干燥溫度40 ℃時，膜的拉伸性能最佳。目前大部分研究傾向于探討膜的配方改良，通過添加不同的復合材料以提高膜的性能，而對成膜條件對膜性能的影響沒有系統的研究。本研究擬以大豆分離蛋白為成膜基材，研究大豆分離蛋白、甘油、Na2SO3、酒精等添加量和成膜介質、pH和處理溫度等成膜條件對成膜難易程度、膜的水溶性、透光率、透油性和水蒸氣透過系數等性質的影響，綜合評價不同因素對大豆蛋白分離膜性能的影響，探討成膜機制，以期為可食膜的生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 試驗材料

大豆分離蛋白：蛋白質量分數 90%，哈爾濱高科技大豆食品有限責任公司；

PVC塑料膠片、玻璃平板、不銹鋼板：市售；

亞硫酸鈉、甘油、乙醇、無水氯化鈣、氫氧化鈉、氯化鉀、鹽酸等：分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

1.1.2 試驗儀器

數顯電熱恒溫水浴鍋：HH-2型，上海三發科學儀器有限公司；

磁力攪拌器：79-1型，江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司；

電熱恒溫鼓風干燥箱：DHG-9053J型，上海三發科學儀器有限公司；

紫外可見分光光度計：UV-5100H型，上海元析儀器有限公司；

電子天平：FA1104B型，上海越平科學儀器有限公司；

pH計：PHS-25型，上海越平科學儀器有限公司；

推拉力測定儀：HLB型，樂清市艾德堡儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 大豆分離蛋白膜的制備 稱取一定量的大豆分離蛋白溶入到適量的蒸餾水中，先用玻璃棒攪拌均勻，然后用磁力攪拌器進一步攪拌(30 min)，在攪拌過程中可以添加一定量的甘油(或其他試劑)，攪拌均勻。將攪拌好的溶液定容到100 mL的容量瓶中，在90 ℃恒溫水浴鍋中加熱30 min，用移液管除去泡沫，在室溫下冷卻，冷卻后流延成膜，干燥溫度為40 ℃，干燥時間為24 h，揭膜，放入恒濕干燥器中(48 h)備用[12]。

1.2.2 膜性能指標的測定

(1) 膜完整性的測定：測量揭膜后完整膜的質量，對不完整的小塊膜也進行測量，然后按式(1)計算膜的完整率[7]。

(1)

式中：

FI——膜的完整率，%；

M——完整膜的質量，g；

m——不完整的小塊膜的質量，g。

(2) 水溶率的測定：將所得膜剪成半徑為3 cm的圓形，放入干凈的小燒杯中，在100 ℃下干燥至恒重(一般24 h)，稱量此時膜的質量，然后向燒杯中加入適量的水，在室溫下放置12 h后，把水倒掉，再次將燒杯移至干燥箱中干燥至恒重，稱量干燥后的膜的質量，根據式(2)計算其溶水性能[13]。

(2)

式中：

WS——水溶率，%；

M——膜初始的質量，g；

m——水溶解后剩余膜質量，g；

(3) 透光率(%)：將成品膜剪裁成大小合適的長條狀，緊貼在比色皿的一側，在600nm的波長測其吸光度，以空白比色皿作為對照[14]。

(4) 透油系數(PO)：在試管中加入5mL色拉油，將大豆分離蛋白膜裁剪成合適的大小和形狀，用雙面膠協助膜封口，倒置于濾紙上，然后封存于相對濕度為40%的干燥器中，2d后測定濾紙的質量。透油系數按式(3)計算[13]：

(3)

式中：

PO——透油系數，g·mm/(m2·d)；

ΔW——濾紙質量的變化量，g；

FT——膜厚，mm ；

S——透油部分的面積，m2；

T——測試時間，d。

(5) 水蒸氣透過系數(WVP)：采用擬子介杯法，稱取4 g無水氯化鈣于稱量瓶中，將成品膜裁剪成為略大于瓶口的膜形狀，用雙面膠將膜進行密封，將其放到相對濕度為86%的干燥器中，濕度環境用相應的飽和鹽溶液制取，每24 h稱一次稱量瓶的質量，持續2 d。水蒸氣透過系數按式(4)計算[12]：

(4)

式中：

WVP——水蒸氣透過系數，g·mm/(m·d·kPa)；

ΔW——T時間內稱量瓶質量變化量，g；

S——膜的有效面積，m2；

ΔP——膜兩側的水蒸氣壓差，kPa。

1.3 數據分析

用SPSS 20.0對數據進行顯著性分析，使用鄧肯氏新多變域方法比較平均值的差異性。

2 結果與分析

2.1 成膜介質對大豆分離蛋白成膜性能的影響

由表1可知，SPI在3種介質上均可成膜，但是在玻璃板上揭膜較困難，而且不完整，這可能是由于成膜液與玻璃板間親和力較強，二者之間的接觸角太小造成的[15]。在不銹鋼板和PVC塑料膠片上成膜較好，特別是在膠片上非常容易揭膜，這可能是經過干燥后的SPI膜與膠片吸附性較差，所以成膜后容易揭膜。所以經綜合考慮，本試驗選用PVC塑料膠片作為成膜載體。

表1 不同介質膜性能

2.2 大豆分離蛋白含量對成膜性能的影響

由表2可知，當SPI含量非常少時(1%)，不能夠成膜。SPI濃度在2%～6%均能成膜；隨著SPI含量的增加，膜的顏色由無色透明變為較明顯的黃色，柔軟性也逐漸下降，但是揭膜越來越容易。膜的厚度、透油系數、水蒸氣透過系數等指標隨著SPI含量的增加呈上升趨勢。這可能是由于蛋白質含量的增高，使得新形成的二硫鍵增強了大分子間的連接作用，從而形成了更加致密的網狀結構[16]，使膜的厚度增加，但是甘油的量是一定的，因此單位質量的SPI與甘油結合的量就會減少[17]。所以加入過多的SPI對膜性能并沒有幫助，反而會起到反作用，使水蒸氣透過系數和透油系數升高。水溶率和透光率呈現下降的趨勢，這是因為SPI是一種親水性蛋白質，過多的SPI會導致膜中親水基團大大增加，膜的水溶性下降[17]，同時隨著SPI含量的增加導致膜的厚度增加和SPI本身具有淡黃色，導致膜的透光率降低。

2.3 甘油含量對膜性能的影響

由表3可知，當甘油含量在2%以下，制備膜的完整率大，揭膜較容易。但隨著甘油含量的升高，揭膜愈加困難，膜的完整率降低，而且制成的膜黏性較大，有少量的甘油溢出。這是因為甘油屬于增塑劑一類，是小分子化合物，易與大分子物質結合，減少大分子內部各基團的鏈接距離[16]，從而使得膜的柔軟性大大增加，但是甘油增加到一定量時，SPI與甘油的結合會達到飽和，過量的甘油就會滲出，造成揭膜不完整和揭膜困難的現象。膜的水溶率隨甘油含量的升高先急劇升高后趨于平緩，這是因為甘油能促使膜內形成對水有強親和力的氫鍵，從而影響膜的水溶率，當甘油量較小時，膜體系被甘油增塑程度較小，少量的甘油加入就會造成水溶性迅速上升，但是當甘油加入到一定量時，膜體系趨于飽和，此時加入甘油，對膜的水溶性影響就會降低[17]。隨著甘油含量的增加，膜的水蒸氣透過系數先上升后下降，在4%時達到最高，1%時最小。這是因為甘油是小分子增塑劑，非常容易與SPI結合，導致大分子中的各基團交聯性降低，分子結構疏松，水蒸氣透過系數上升[16]，且甘油本身具有吸濕性，也在不同程度上影響膜的阻濕性能。膜的透油系數隨甘油含量的增加而增加，當甘油含量在1%～3%時，各組之間的透油系數差異并不大；在3%～6%時，隨著甘油含量的增加，透油系數變化幅度明顯。這是因為SPI本身具有含有疏水性羥基，少量甘油能夠阻止油脂的滲入，但是當甘油的量超過一定值時，SPI與甘油就會達到一個飽和的狀態，剩余的甘油就無法與SPI結合，這導致了甘油會有少量的滲出，最終導致了濾紙質量的大幅度增加，最終得出的透油系數就會非常大。

表2 大豆分離蛋白含量對膜性能的影響?

? -表示未測出；同列不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著，不同大寫字母表示在0.01水平差異顯著。

表3 甘油含量對膜性能的影響?

? -表示未測出；同列不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著，不同大寫字母表示在0.01水平差異顯著。

2.4 乙醇含量對膜性能的影響

表4表明乙醇對膜的厚度無明顯的作用規律，各組均在0.1 mm左右，除個別組(10%)外，差異不顯著。在阻油性方面，乙醇添加量在5%～15%時能夠降低膜的透油性，當含量達到20%以上時能夠增加膜的阻油性，但是過量的乙醇能夠使得膜的表觀性能變差，甚至成膜困難，可操作性變差。這可能是乙醇與水分子之間的相互作用過強，占據了蛋白質分子間的結合水，導致蛋白分子間的作用加強，蛋白分子聚集沉淀[18]，不利于膜液的混勻。當乙醇含量在0%～5%時，可以改善膜的透光性能，但是乙醇含量超過5%，就會降低膜的透光率。這是因為大量的乙醇會導致蛋白變性，產生不溶解的凝塊，使形成的薄膜不夠均勻，甚至出現氣孔和裂縫[18]，這導致膜的均勻性下降，成品中會有白色的、大顆粒狀物質出現，膜的透光率下降。膜的水溶性隨著乙醇添加量的增加而降低，在20%時達到最低值，膜的水蒸氣透過系數則是先降低后增加，但總的來說乙醇對膜的阻水性影響較大。這是因為乙醇能夠加強SPI中分子間的鍵合作用，消弱蛋白質分子間的相互作用，從而加強蛋白質分子間的鍵合作用[16]。

2.5 亞硫酸鈉含量對膜性能的影響

表5表明，添加亞硫酸鈉，能夠使得膜的顏色有所改善且變得柔軟，但是這也給揭膜帶來一定的難度，這是因為亞硫酸鈉具有漂白作用，而且能夠使得蛋白質中的二硫鍵斷裂，分子間得以重新排列[15]，使膜變得柔軟，但與成膜介質的親和力提高，給揭膜帶來一定的困難。膜的厚度隨亞硫酸鈉含量的增加呈先下降后上升的趨勢，透油系數先下降后上升，在0.15%時達到最小值。這是因為亞硫酸鈉能夠打斷分子中的二硫鍵，使得成膜后二硫鍵重新分布[19]，增加阻隔油脂的能力。各組膜的水溶性差異性不顯著，膜的水蒸氣透過系數先下降后上升。這表明亞硫酸鈉對膜的阻濕性能無改善作用，反而有抑制作用，這可能是亞硫酸鈉打斷了SPI中原有的二硫鍵，致使新形成的網絡結構之間空隙變大，膜中的親水基團暴露，膜的阻濕性能有所下降[15]。

2.6 pH對成膜性能的影響

由表6可知，pH為2，6，8，10時SPI均可成膜。在等電點附近，蛋白質溶解性較差，這導致膜表面有大顆粒白色物質，膜表面粗燥，柔軟性較差，揭膜不完整，透光性較差。pH對膜厚度的影響不顯著。膜的透油系數隨著pH的升高先降低后升高，各組之間差異顯著，pH 2～8，膜的透油系數顯著降低，在pH=8時達到最低。這是因為堿性條件下使得蛋白質內部基團暴露，蛋白質分子交聯作用增強，膜阻隔性能加強[3]。膜的水溶性隨著pH值的上升而逐漸下降，在pH=8時，膜的水溶率達到最低。水蒸氣系數逐漸降低，在pH=10時降到最低值，這是因為堿處理使得蛋白質分子得以充分伸展，分子內的硫基和疏水性基團暴露在分子表面，分子間相互作用加強[16]，SPI中各基團鏈接更加緊密，膜的WVP值降低。但是同樣也觀察到在pH=10時，膜的水溶率有上升的趨勢，這可能是在堿性條件下，蛋白質分子中的負電荷過度增加，各分子間斥力增大，蛋白質分子間的結合程度有所降低造成的[20]。

2.7 處理溫度對成膜性能的影響

由表7可知，處理溫度對于膜厚度和水溶性沒有明顯的影響。膜的透光率、水蒸氣透過系數和透油系數等隨溫度的升高有下降趨勢。這是因為一定溫度的處理可以重新塑造蛋白質中的各亞基結構，二硫鍵也被破壞，蛋白質分子能夠充分伸展[21]，膜的透油和透氣能力提升，但溫度過高會使得蛋白質分子鏈徹底斷裂，分子間鏈接松散，膜的透油和透氣性能下降[16]。因此，在膜的制備過程中要控制在合適的溫度。

表4 乙醇含量對膜性能的影響?

? 同列不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著，不同大寫字母表示在0.01水平差異顯著。

表5 亞硫酸鈉含量對膜性能的影響

? 同列不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著，不同大寫字母表示在0.01水平差異顯著。

表6 pH對膜性能的影響

? 同列不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著，不同大寫字母表示在0.01水平差異顯著。

表7 處理溫度對膜性質的影響

? 同列不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著，不同大寫字母表示在0.01水平差異顯著。

3 結論

以膠片作為成膜介質，獲得的SPI膜完整率高。隨SPI含量的增加，成膜變得容易，但是膜的物理性能如水蒸氣透過系數、透油系數變大、色澤變深。添加少量的甘油可以改善膜的柔韌性，同時降低膜的透氣性能和透油性。添加一定濃度的乙醇也可以降低膜的透氣性和透油性，添加適量的Na2SO3可以改善膜的色澤，同時降低膜的透油性，適當提高處理溫度和溶液pH可以降低膜的透氣、透油性。本研究對成膜的幾個因素做了初步研究，后續還需要進一步地研究以期能夠提高膜的物理性能，從性能上接近PE膜，同時降低膜的生產成本，才能取得廣泛的應用。

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Preparation and characters of edible film from soy protein isolate

DONG ZengSUNPeng-pengWANGHai-chaoGAOGui-zhenCAOWen-gen

(SchoolofBiotechnologyandFoodEngineering,SuzhouUniversity,Suzhou,Anhui234000,China)

The new biomaterials were produced by soy protein isolate (SPI) as base material. The effects of film property such as film integrity, thickness, light transmittance, water soluble, water vapor permeability (WVP) and oil permeability (PO) were investigated by film forming conditions included SPI content, ethanol content, plasticizer (glycerol), reducing agents (Na2SO3), temperature, pH value of film-forming reagent and medium. With more addition of SPI concentration between 2% to 6%, it was more likely to form film, while the thickness, WVP, and PO of films increased and the film became dark. With no more than 2% addition of glycerol, the flexibility of film could be improved, but its WVP and PO were reduced. With the addition of 5% alcohol, the WVP and PO of films were also reduced. The addition of 0.1% Na2SO3could improve the color of the film and reduce its PO at the same time. It could reduce the WVP and PO of the films by increasing the processing temperature and pH value of solution to a certain extent.

soy protein isolate; edible films; filming technology; properties

宿州區域發展協同創新中心全國開放課題(編號：2014SZXTKF8)；校科研平臺藥物與生物技術研究所開放課題(編號：2014YKF34)；安徽省自然科學基金青年項目(編號：1608085QH185)

董增(1986—)，男，宿州學院助教，碩士。

E-mail: szxydz1986@163.com

2016-07-05