L 半胱氨酸改性對小麥蛋白基塑料板性能的影響研究

李萌萌，卞 科*，萬小樂，關(guān)二旗

(1. 河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院，谷物資源轉(zhuǎn)化與利用省級重點實驗室，鄭州 450001；2. 大連市糧食局糧油檢驗監(jiān)測站，遼寧 大連 116021)

0 前言

小麥蛋白又稱小麥面筋蛋白(俗稱谷朊粉)，是小麥淀粉加工的副產(chǎn)物，具有來源豐富、質(zhì)優(yōu)價廉、可再生、無污染、易降解等優(yōu)點。小麥面筋蛋白占小麥中蛋白質(zhì)總量的80 %左右，主要由麥谷蛋白和醇溶蛋白組成，前者賦予面團彈性，后者賦予面團黏性和延伸性，因而小麥蛋白具有優(yōu)良的粘彈性、延伸性和薄膜成型性等特點[1]。小麥蛋白質(zhì)分子具有眾多的氨基、羧基、羥基等活性基團，通過適當(dāng)?shù)母男钥芍苽涑鲆幌盗芯哂袃?yōu)良性能的新材料[2-3]。例如，可以通過加入水、甘油等含有羥基的小分子，提高小麥蛋白的增塑作用和熔體流動性，從而獲得具有優(yōu)異熱塑加工性能的改性小麥面筋蛋白[4]。隨著石油資源的日趨緊張和人們綠色環(huán)保意識的不斷增強，利用可再生資源開發(fā)新型材料的課題受到了廣泛的關(guān)注，而小麥面筋蛋白更是以其自身的優(yōu)勢成為該研究的一大熱點，其中生物質(zhì)可降解蛋白質(zhì)塑料的研究拓寬了小麥面筋蛋白在材料行業(yè)中的應(yīng)用領(lǐng)域。

蛋白質(zhì)塑料即以蛋白質(zhì)為塑料的基體材料，通過不同改性方法制得達到應(yīng)用目的的材料，目前采用小麥蛋白改性制作可降解塑料已有廣泛研究[5-7]。如Woerdeman等[8]對小麥蛋白結(jié)構(gòu)進行改性，增加了其韌性和可塑性，從而使小麥蛋白有可能發(fā)展成生物降解的高性能工程塑料或復(fù)合物。目前制約小麥蛋白改性制作塑料的瓶頸主要是改性試劑的選擇以及改性方法的優(yōu)化。L - 半胱氨酸是白色結(jié)晶狀粉末，異臭、味酸、易溶于水、微溶于乙醇、對酸穩(wěn)定，在蛋白質(zhì)中L - 半胱氨酸常以其氧化型L - 胱氨酸形式存在[9]。L - 半胱氨酸的存在可以保持蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性，同一條或不同多肽鏈2個L - 半胱氨酸殘基間以二硫鍵(—S—S—)連接，使蛋白質(zhì)具有穩(wěn)定的空間立體結(jié)構(gòu)[10]。本研究正是利用L - 半胱氨酸側(cè)鏈上的活性巰基對小麥面筋蛋白進行改性。考察了改性劑添加量、改性溫度和改性時間對小麥蛋白基塑料板性能的影響，通過正交試驗得到L - 半胱氨酸改性小麥面筋蛋白制作塑料板的最佳工藝，為擴大小麥面筋蛋白在非食品領(lǐng)域中的應(yīng)用提供參考。

1 實驗部分

1.1 主要原料

小麥面筋蛋白，淺黃色粉末狀，于4 ℃冰箱保存，河南鄭州豫香食品有限公司；

L - 半胱氨酸，分析純，河南綠洲化工產(chǎn)品有限公司；

羥甲基纖維素鈉，分析純，天津市致遠化學(xué)試劑有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

導(dǎo)熱油加熱自動平板硫化機，XLB-Y350*350*2-Z，上海齊才液壓機械有限公司；

微機控制萬能試驗機，MWD-10，濟南思達測試技術(shù)有限公司；

沖片機，CP-25，無錫東燁儀器廠；

掃描電子顯微鏡(SEM)，S-3400NII，日本日立公司；

超級循環(huán)四孔恒溫水浴鍋，HH-W4，上海赫田科學(xué)儀器有限公司；

精密增力電動攪拌器，JJ-1，金壇市華峰儀器有限公司；

冷凍干燥機，LGJ-18，北京四環(huán)科學(xué)儀器廠。

1.3 樣品制備

以L - 半胱氨酸添加量、改性溫度和改性時間為單因素，各選取5個水平進行單因素試驗，以拉伸強度、斷裂伸長率和吸水率為考察指標(biāo)進行正交試驗，確定L - 半胱氨酸改性小麥面筋蛋白制作塑料板的最佳條件，實驗具體操作過程如下：常溫下，將約0.1 g羥甲基纖維素鈉加入到125 mL蒸餾水中，用磁力攪拌器攪拌均勻，設(shè)定不同的改性溫度；待溶液溫度上升至所設(shè)定改性溫度時，緩慢向其中加入25 g小麥面筋蛋白，再分別加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的L - 半胱氨酸進行改性，設(shè)定不同改性時間，反應(yīng)完成后，取出溶液，室溫下冷卻備用；實驗過程中L - 半胱氨酸添加量、改性溫度和改性時間設(shè)置為：

(1)L - 半胱氨酸添加量：改性溫度設(shè)定為50 ℃，L - 半胱氨酸按照小麥面筋蛋白質(zhì)量百分比的2 %、4 %、6 %、8 %和10 %添加，改性時間為20 min；

(2)改性溫度：L - 半胱氨酸添加量為6 %，改性時間為20 min，改性溫度分別設(shè)定為20、30、40、50、60 ℃；

(3)改性時間：L - 半胱氨酸添加量為6 %，改性溫度設(shè)定為50 ℃，改性時間分別設(shè)定為10、20、30、40、50、60 min；

(4)L - 半胱氨酸改性后處理：以4 000 r/min的速度對L - 半胱氨酸改性后的小麥面筋蛋白溶液離心10 min，除去上清液；取固形物置于冷凍干燥機中進行冷凍干燥后粉碎過250 μm篩，并將篩下物置于用飽和硫酸鉀溶液在35 ℃形成的相對濕度為96 %的密閉環(huán)境中進行水分調(diào)節(jié)；當(dāng)水分含量達到17.26 %時，取20 g樣品均勻平鋪于模具中，然后在135 ℃、8 MPa和9 min的條件下熱壓成型，分別測定試樣的拉伸強度、斷裂伸長率和吸水率；

(5)正交試驗：根據(jù)以上單因素試驗結(jié)果，分別以拉伸強度、斷裂伸長率和吸水率為指標(biāo)，從每個因素中各選3個最優(yōu)水平，進行正交試驗，確定最佳的L - 半胱氨酸改性條件。

1.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

拉伸性能按GB/T 1040.1—2006進行測試，拉伸速率為30 mm/min;

吸水率按GB/T 1034—2008進行測試，并按式(1)計算吸水率(C)：

C=(m2-m1)/m1×100 %

(1)

式中C——試樣的吸水率，%

m1——浸水前干燥后試樣的質(zhì)量，mg

m2——浸水后試樣的質(zhì)量，mg

SEM分析：將待測試樣進行鍍金處理，然后利用SEM在10 kV的條件下進行觀察，并設(shè)定不同放大倍數(shù)，得到改性處理前后試樣的斷裂面照片。

2 結(jié)果與討論

2.1 L - 半胱氨酸添加量對塑料板性能的影響

在改性溫度為50 ℃，改性時間為20 min的條件下，將L - 半胱氨酸按照小麥面筋蛋白量的2 %(0.05 g)、4 %(0.10 g)、6 %(0.15 g)、8 %(0.20 g)和10 %(0.25 g) 5個水平進行添加，研究不同L - 半胱氨酸添加量對塑料板各項性能指標(biāo)的影響，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，隨著L - 半胱氨酸添加量的增加，小麥蛋白基塑料板的拉伸強度先升高后降低，斷裂伸長率則呈現(xiàn)出不斷降低的趨勢。L - 半胱氨酸作為還原劑，可以清除蛋白質(zhì)分子內(nèi)/間的—S—S—，促進巰基(—SH)和—S—S—之間的交換反應(yīng)，使得蛋白質(zhì)多肽鏈廣泛地發(fā)生聚合[11]，從而導(dǎo)致拉伸強度不斷升高；同時，大量分子內(nèi)/間—S—S—的形成極大降低了多肽鏈的活動性，導(dǎo)致斷裂伸長率的下降。但是，在添加量大于小麥面筋蛋白質(zhì)量的6 %(此時拉伸強度為26.93 MPa)時，拉伸強度就開始不斷下降，說明過量L - 半胱氨酸的存在不能進一步加固已形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這可能是因為過量—SH的存在打破了原—SH和—S—S—之間的平衡，使得越來越多的—S—S—在斷開的同時得不到及時重組而最終導(dǎo)致分子鏈斷裂。

(a)拉伸性能 (b)吸水率圖1 L - 半胱氨酸添加量對小麥蛋白基塑料板性能的影響Fig.1 Effect of L-cysteine addition amount on properties of wheat-gluten based bioplastics

此外，小麥面筋蛋白基塑料板的吸水率隨L - 半胱氨酸添加量的增加表現(xiàn)出先降低后升高的趨勢，并且在添加量為6 %時達到最小值74.93 %。由圖中趨勢可以看出，吸水率和拉伸強度的變化規(guī)律呈負(fù)相關(guān)。分析認(rèn)為，蛋白質(zhì)的聚合程度隨L - 半胱氨酸添加量的增加而不斷升高，使得網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中空隙的數(shù)量和大小持續(xù)減少，最后造成吸水率不斷降低；而當(dāng)L - 半胱氨酸過量時，該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)因為部分分子鏈的斷裂而趨于松散，導(dǎo)致其容積增大，吸水性能得到提高。綜合考慮3個指標(biāo)，當(dāng)L - 半胱氨酸添加量為小麥面筋蛋白質(zhì)量的6 %時，各項指標(biāo)達到最佳水平。

2.2 改性溫度對塑料板性能的影響

為了確定L - 半胱氨酸改性的最佳反應(yīng)溫度，在L - 半胱氨酸添加量為6 %，改性時間為20 min的條件下，設(shè)定改性溫度為20、30、40、50、60 ℃，研究改性溫度對塑料板各項性能指標(biāo)的影響，結(jié)果見圖2。

(a)拉伸性能 (b)吸水率圖2 改性溫度對小麥蛋白基塑料板性能的影響Fig.2 Effect of temperature for modification on properties of wheat-gluten based bioplastics

由圖2可知，隨著反應(yīng)溫度的上升，拉伸強度整體上表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，并在40 ℃時取得最大值30.87 MPa；而斷裂伸長率則表現(xiàn)為先不斷降低，然后基本保持不變；吸水率則整體下降，且在改性溫度為50 ℃時劇烈下降至最低值。可能的原因是，隨著反應(yīng)溫度的上升，蛋白質(zhì)受熱發(fā)生變性，其立體結(jié)構(gòu)得到了一定程度的伸展，部分疏水性氨基酸也得以暴露，并參與了—S—S—的斷開和重組，使蛋白質(zhì)的交聯(lián)更加緊密，分子內(nèi)自由體積減小，鏈段的活動性也隨之降低，最終導(dǎo)致拉伸強度不斷增大，斷裂伸長率和吸水率不斷下降[12]。當(dāng)溫度大于40 ℃，蛋白質(zhì)受熱變性過度，結(jié)構(gòu)遭到了破壞，所以拉伸強度轉(zhuǎn)而下降；此時，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)松散、老化，僅靠固有的化學(xué)鍵來維持，使得斷裂伸長率降至最低值13.60 %。

2.3 改性時間對塑料板性能的影響

為了研究L - 半胱氨酸改性的最佳反應(yīng)時間，在L - 半胱氨酸添加量為6 %，改性溫度為50 ℃的條件下，設(shè)定改性時間為10、20、30、40、50、60 min，研究改性時間對塑料板各項性能指標(biāo)的影響，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，隨L - 半胱氨酸改性時間的延長，拉伸強度先增大后減小，并在50 min時達到最大值30.79 MPa；斷裂伸長率則表現(xiàn)為不斷降低，然后基本保持不變；吸水率不斷升高，然后急劇下降，并在60 min時取得最小值65.58 %。隨改性時間延長，蛋白質(zhì)的熱變性更為充分，單位體積蛋白質(zhì)接受的熱能越多，較易達到化學(xué)鍵的活化能，從而使得L - 半胱氨酸側(cè)鏈上的活性—SH與蛋白質(zhì)間的交聯(lián)反應(yīng)更廣泛。蛋白質(zhì)交聯(lián)度也隨之大幅度提升，所以拉伸強度不斷增大，吸水率也隨之上升。而當(dāng)改性時間大于50 min時，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)遭到破壞，使得拉伸強度轉(zhuǎn)而下降。實驗過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)改性時間超過40 min后，溶液中的固形物較難攪拌，蛋白質(zhì)聚集成團，且韌性較弱，黏性下降。且當(dāng)改性時間超過40 min時，吸水率急劇下降，從側(cè)面也證明了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變得較為松散，持水性下降。

(a)拉伸性能 (b)吸水率圖3 改性時間對小麥蛋白基塑料板性能的影響Fig.3 Effect of time for modification on properties of wheat-gluten based bioplastics

2.4 正交試驗

依據(jù)以上單因素實驗結(jié)果，以小麥蛋白基塑料板的兩項主要性能指標(biāo)拉伸強度和斷裂伸長率為評價指標(biāo)，選取L - 半胱氨酸添加量、改性溫度和改性時間每個因素的3個最優(yōu)水平，按照正交表L9(34)進行正交試驗確定優(yōu)化條件，結(jié)果見表1至表3。

表1 正交試驗因素水平表Tab.1 Orthogonal factor level table

表2反映了采用L - 半胱氨酸改性小麥面筋蛋白制備塑料板的過程中，以拉伸強度為主要考察指標(biāo)所進行正交試驗的方差分析表。由方差分析結(jié)果可知，各因素對拉伸強度的影響順序為B>A>C，即改性溫度>L - 半胱氨酸添加量>改性時間，同時由表2中方差分析可驗證，改性溫度對拉伸強度的影響均為顯著。綜上所述，若以拉伸強度為主要考察指標(biāo)，L - 半胱氨酸改性小麥面筋蛋白的最佳條件為A2B2C3，即L - 半胱氨酸添加量為6 %，改性溫度為40 ℃，改性時間為50 min，此時小麥蛋白基塑料板的拉伸強度為37.68 MPa，斷裂伸長率為22.83 %，吸水率為76.08 %。

表2 拉伸強度正交試驗方差分析表(a=0.05)Tab.2 Orthogonal test variance analysis table of tensile strength

表3反映了小麥面筋蛋白基塑料板的L - 半胱氨酸改性中，以斷裂伸長率為主要考察指標(biāo)所進行正交試驗的方差分析表。由正交試驗結(jié)果分析可知，各因素對斷裂伸長率的影響順序為B>A>C，即改性溫度對斷裂伸長率的影響最大，L - 半胱氨酸添加量次之，最后為改性時間。同時由表3中方差分析可知，改性溫度對斷裂伸長率的影響均為顯著。綜上所述，若以斷裂伸長率為主要考察指標(biāo)， L - 半胱氨酸改性的最佳條件為A1B1C1，即L - 半胱氨酸添加量為4 %，改性溫度為30 ℃，改性時間為30 min，此時小麥蛋白基塑料板的拉伸強度為13.24 MPa，斷裂伸長率為80.19 %，吸水率為80.31 %。

表3 斷裂伸長率正交試驗方差分析表(a=0.05)Tab.3 Orthogonal test variance analysis table of breaking elongation

2.5 模壓板斷裂面SEM分析

經(jīng)過改性后的小麥蛋白基塑料板界面性能發(fā)生了明顯變化，圖4即顯示了平衡水分為17.26 %時的谷朊粉和經(jīng)L - 半胱氨酸改性且達到同一平衡水分后的谷朊粉模壓板斷裂面的SEM照片。從圖中可以看出，改性前模壓板斷裂面結(jié)構(gòu)細(xì)膩而平整，致密程度較高，說明模壓板分子結(jié)構(gòu)均勻單一，同時也印證了主要由麥谷蛋白和醇溶蛋白交聯(lián)而成聚合物的大量存在。也可進一步推論，由于沒有其他類型大分子聚合物的存在，使得模壓板被拉伸時自身分子抗力單一，韌性不足導(dǎo)致斷裂面出現(xiàn)清晰可辨的層狀紋理。經(jīng)L - 半胱氨酸改性后，模壓板斷裂面大而粗糙，分子排列呈網(wǎng)狀交錯結(jié)構(gòu)，有大小不一的孔洞存在，說明在改性劑L - 半胱氨酸的作用下，由麥谷蛋白和醇溶蛋白交聯(lián)而成的聚合物在不同肽鏈間被進一步廣泛交聯(lián)，形成分子量更大卻又各不相同的聚合體，使得分子抗力機制多樣化，從而使小麥蛋白基模壓板的力學(xué)性能得以提高。

(a)改性前 (b)改性后圖4 改性前后小麥面筋蛋白基模壓板斷裂面SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM of wheat-gluten based bioplastics modified by L-cysteine or not

3 結(jié)論

(1)若以拉伸強度為主要考察指標(biāo)，L - 半胱氨酸改性小麥面筋蛋白的最佳條件為L - 半胱氨酸添加量6 %，改性溫度40 ℃，改性時間50 min，此時小麥蛋白基塑料板的拉伸強度為37.68 MPa，斷裂伸長率為22.83 %，吸水率為76.08 %；

(2)若以斷裂伸長率為主要考察指標(biāo)，L - 半胱氨酸改性小麥面筋蛋白的最佳條件為L - 半胱氨酸添加量4 %，改性溫度30 ℃，改性時間30 min，此時小麥蛋白基塑料板的拉伸強度為13.24 MPa，斷裂伸長率為80.19 %，吸水率為80.31 %；

(3)經(jīng)L - 半胱氨酸改性后，小麥蛋白分子內(nèi)部多肽鏈發(fā)生了廣泛地聚合，模壓板的內(nèi)部分子排列呈網(wǎng)狀交錯結(jié)構(gòu)，說明該改性方法可以提高小麥蛋白基模壓板的力學(xué)性能。

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