液體石蠟對麥麩纖維/小麥麩質蛋白復合膜性能的影響

余國賢 高 佳 康 欣 吳賀君 黎杉珊 申光輝 張志清

(四川農業大學食品學院，雅安 625014)

小麥麩質蛋白,又稱小麥面筋蛋白、谷朊粉(wheat gluten，WG)其膜因優良的熱封性、阻氧性、阻油性且安全可降解，受到廣泛關注[1]。但小麥麩質蛋白膜的機械強度低、阻水性差，限制了其在食品工業中的應用[2]。因此，改善小麥麩質蛋白膜的機械性能、阻水性能是當前研究的熱點問題。植物纖維素作為天然高分子，擁有良好的生物相容性和降解性，且機械強度高，通常被用作天然增強材料。國內外研究表明，添加纖維素的可提高植物蛋白基膜的機械性能[3-5]。但是，纖維素分子擁有豐富的親水性基團—OH，與小麥麩質蛋白復合成膜，其阻水性能仍與實際應用存在一定的差距。

脂類物質疏水性好，可有效阻止水分的吸附和傳遞，在改善蛋白膜阻水性能方面具有良好的應用潛力。常南[6]利用石蠟、蜂蠟和月桂酸分別對小麥麩質蛋白膜進行復合改性，結果表明添加適量脂質可有效地提高小麥麩質蛋白膜的阻水性和阻氧性。Kowalczyk等[7]將乳脂、小燭樹蠟、卵磷脂和油酸與豌豆分離蛋白復合成膜，結果顯示乳脂與小燭樹蠟能顯著降低復合膜水蒸氣透過系數。Gontard等[8]研究表明，蜂蠟能增強小麥麩質蛋白膜的阻水性，但會降低其機械性能。

液體石蠟屬于強疏水性脂質，具有穩定性好、黏度低、乳化性能優良及密度適中等優點，與蛋白或多糖復合成膜結構致密，阻水性能強[9-10]。目前對蛋白基膜性能的改善，大部分為向單一蛋白基質中添加多糖或者脂質以改善其性能，而向多糖/蛋白復合膜液中添加脂質以改善膜阻水性能的研究還較少。因此，為進一步提高麥麩纖維/小麥麩質蛋白復合膜阻水性能，本研究通過向麥麩纖維/小麥麩質蛋白復合成膜系統中添加不同質量分數的液體石蠟，運用數學模型對復合膜的等溫吸濕曲線進行擬合，考察添加液體石蠟對復合膜的吸濕動力學過程和吸濕性能的影響，并比較所制備的復合膜透水性能、力學性能及光學性能等指標的差異。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小麥麩質蛋白，粗蛋白質量分數≥75%；麥麩；單甘酯(食品級)；高效切片石蠟;其他化學試劑均為分析純。

1.2 主要儀器設備

ST16R冷凍離心機；ZNC-300超微粉碎機；FJ200-SH高速分散機；GJJ高壓均質機；TA-XT Plus質構儀；UV-3100紫外-可見分光光度計；NR10QC便攜式色差儀；OCAH-200視頻接觸角測試儀。

1.3 方法

1.3.1 麥麩纖維素的制備

取適量經預處理的麥麩以1∶10(g/mL)混合，煮沸10 min，用NaOH調節pH至13左右，并于80 ℃水浴中浸提4 h，洗滌至中性；再用HCl調節pH至1～2，于60 ℃水浴中浸提2～3 h，洗滌至中性。用75%的乙醇脫水后干燥，經超微粉碎機粉碎至120目以上備用[11-12]。

1.3.2 復合膜的制備

稱取25.6 g小麥麩質蛋白粉溶于154 mL體積分數為35%的乙醇溶液中，于45 ℃水浴加熱攪拌，使其分散均勻，調節pH值至11.5，于80 ℃水浴反應15 min進行熱堿改性，45 ℃保溫備用。取14.4 g麥麩纖維素分散于160 mL蒸餾水中，高速分散10 min備用。將麥麩纖維素液緩慢加入小麥麩質蛋白液中，電動攪拌器不斷攪拌使之混合均勻，取86 mL無水乙醇使小麥麩質蛋白液補齊到相同乙醇體積分數，調節pH值至11.5，加入8 g甘油和0.06 g黃原膠，高速分散5 min，25～30 MPa高壓均質10 min，45 ℃下保溫備用。同時，分別稱取質量分數0%、5%、10%、15%、20%的液體石蠟(以小麥麩質蛋白和麥麩纖維素干粉總量計)，并加入總質量分數10%的乳化劑單甘酯和吐溫-80(以液體石蠟質量計，其中單甘酯與吐溫-80質量比為2∶3)于50 ℃水浴中乳化均勻。將乳化好的液體石蠟倒入保溫待用的麥麩纖維素/小麥麩質蛋白復合膜液中，高速分散15 min，真空脫氣至無氣泡。取22.5 mL膜液倒入自制有機玻璃框(15 cm×15 cm)均勻流延，靜置30 min，于55 ℃下干燥成膜。復合膜置于相對濕度(RH)53% ±1% (內裝飽和硝酸鎂溶液保持其濕度)的干燥器中，(25±1) ℃下平衡48 h后測定性能指標[12]。

1.3.3 復合膜性能指標測定

1.3.3.1 膜厚度的測定

根據GB/T 6672—2001《塑料薄膜和薄片厚度測定-機械測量法》，采用電子數顯千分尺測量膜的四個頂點和中心點，取其平均值，用于各項性能計算。

1.3.3.2 膜吸濕性能的測定

復合膜裁剪成3 cm×3 cm的正方形片，于真空干燥箱中干燥24 h至恒重(-0.09 MPa，45 ℃)，然后放于(25±1) ℃下RH為11%、22%、43%、58%、75%、81%和92%(分別用氯化鋰、醋酸鉀、碳酸鉀、溴化鈉、氯化鈉、溴化鉀、硝酸鉀的飽和鹽溶液控制)的干燥器中，定時稱重，至吸濕平衡。吸濕率M按式(1)計算。每個試樣重復3次取平均值。

(1)

式中：M1、M2分別表示吸濕前、后試樣的質量/g。

利用Peleg數學模型[13]對RH為43%、58%、75%的數據進行擬合，見式(2)。

(2)

式中：Mt為吸濕t小時后的吸濕率/%；M0為最初的含濕量/%；k1、k2為速率常數，k1越大，初始吸濕速率越小，k2越大，吸濕速率越小。

用決定系數(R2)和相對平均偏差(E)評定模型擬合效果。相對平均偏差模量E按式(3)計算[14]。

(3)

式中：n為實驗數據數；Mi、Mpi分別為實驗測得的第i次吸濕率和擬合的第i次吸濕率。E值小于5表示擬合精確，E值小于10表示擬合較好，E值大于10表示擬合效果差。

1.3.3.3 膜的吸附等溫線模擬

BET、GAB理論模型和Oswin經驗模型是擬合吸附數據常用的模型，Lewicki理論模型常用于模擬小麥面粉吸附特性擬合[13]。模型方程式見表1，模型擬合效果評價方法同1.3.3.2。

表1 4種吸附等溫模型方程

注：Meq表示為水分活度為aw時的水分含量(g水/g干重)，m0為單分子層吸附值(g水/g干重)。

1.3.3.4 膜透水性能的測定

參照GB/T 1037—1988《塑料薄膜和片材透水蒸氣性試驗方法》，采用擬杯子法測定其水蒸氣透過系數(water vapor permeability，WVP)[12]。每個膜樣重復3次取其平均值。WVP單位為g·cm-1·s-1·Pa-1。

1.3.3.5 膜機械性能的測定

將待測膜樣裁成50 mm×10 mm長方形，參照ASTMD-882(1999)的方法，用質構儀測定膜的抗拉強度(tensile strength，TS)和斷裂伸長率(elongation at break，EAB)，夾距間距30 mm，測試速度1 mm/s[12]。每個膜樣重復測量6次。TS單位為MPa，EAB單位為%。

1.3.3.6 膜光學性能的測定

以空白玻璃比色皿為對照，采用分光光度法測定膜樣在600 nm處的透光率，并計算其透明度值[12]。每個膜樣重復3次取其平均值。透明度值越大，復合膜的透明度越小。

使用便攜式色差儀測定復合膜顏色變化。將待測膜樣放在白色A4紙上，A4紙顏色參數(L=79.51、a=4.82、b=8.83)，測定膜樣的L*、a*、b*和總色差ΔE值。顏色指數是L=0(黑色)到L=100(白色)，-b(藍色)到+b(黃色)，-a(綠色)到+a(紅色)。每個膜樣重復3次取其平均值。ΔE按式(4)計算[15]。

ΔE=[(L*-L)2+(a*-a)2+(b*-b)2]0.5

(4)

式中：L*、a*和b*為復合膜樣品的顏色參數；L、a和b為標準白板顏色參數。

1.3.3.7 膜水接觸角的測定

使用光學接觸角儀測試膜樣表面的靜態水接觸角。取一滴去離子水滴到待測膜樣表面，1 min后取值。每個膜樣重復3次取其平均值。

1.3.4 數據處理與分析

所有實驗數據均以平均數±標準差表示。采用SPSS 20.0軟件進行數據處理，Origin 9.0軟件進行模型擬合和繪圖。ANOVA法進行方差分析，Duncan’s多重比較法進行顯著性檢驗(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 復合膜的吸濕動力學

添加液體石蠟對麥麩纖維/小麥麩質蛋白復合膜吸濕曲線的影響結果見圖1。

圖1 不同相對濕度(RH)下液體石蠟對麥麩纖維/小麥麩質蛋白復合膜吸濕曲線的影響

由圖1可見，復合膜的吸濕率隨時間的增加而增加，在吸濕過程的初始階段(0～10 h)，其吸濕率迅速增加，隨后增加緩慢，直至吸濕平衡。相同RH條件下，復合膜的平衡吸濕率隨液體石蠟添加量的增加而降低，液體石蠟添加量為20%時，43%、58%和75% RH下的平衡吸濕率分別為5.08%、8.44%和12.27%，分別比對照(5.99%、10.61%和16.58%)降低了約15.2%、20.5%和25.0%。同一液體石蠟添加量下，復合膜的平衡吸濕率隨環境相對濕度的增大而提高。

由表2可知，將不同RH條件下的復合膜吸濕曲線進行Peleg模型擬合，決定系數R2均大于0.97，相對平均偏差模量E值均小于5%，模型擬合效果好，表明Peleg模型適用于模擬添加液體石蠟的麥麩纖維/小麥麩質蛋白復合膜吸濕過程。在RH(43%、58%)較低情況下，添加液體石蠟對復合膜吸濕曲線常數k1和k2均有影響，k1值隨液體石蠟添加量的增加呈上升趨勢，在液體石蠟添加為20%時達最大值，為空白對照組的4.47倍和3.78倍；k2值則表現為先增大后減小。表明添加液體石蠟能有效降低復合膜的初始吸濕速率和吸濕速率，且液體石蠟的用量越大，復合膜的初始吸濕速率越小，吸濕速率先降低后增加。其原因為在較低的RH下，適量液體石蠟的加入而引入大量的疏水基團，增大了水蒸氣在復合膜表面吸附擴散的阻力[10,16]，從而降低吸濕性能。液體石蠟添加量過大(20%)，在成膜體系中均勻分散困難而形成不連續結構，使得吸濕速率增加。RH為75%時，液體石蠟的加入使k1和k2降低，且都在20%液體石蠟添加量下達最低值，比空白對照降低了約57.8%和12.0%。表明在高RH條件下，加入液體石蠟提高了復合膜的初始吸濕速率和吸濕速率，隨著液體石蠟量添加量越大，復合膜的初始吸濕速率和吸濕速率都呈現先降低后升高的趨勢，但添加液體石蠟的復合膜平衡吸濕率均低于未添加液體石蠟的復合膜。因此，添加液體石蠟的復合膜在不同RH條件下的吸濕動力學過程不同。

表2 不同相對濕度下Peleg模型擬合的吸濕曲線常數(k1和k2)、決定系數(R2)及相對平均偏差模量(E)

2.2 復合膜的吸附等溫線

吸附等溫線是描述在一定的溫度和壓力下，物料平衡含水率與水活度之間的熱力學關系，可用于預測親水膜材料的吸濕特性，并深入分析水與親水膜材料組分間的相互作用[17-18]。由圖2可知，25 ℃條件下，隨著水分活度(aw)的增加，麥麩纖維/小麥麩質蛋白復合膜的水分含量呈整體上升的趨勢，且與對照相比，添加液體石蠟可降低復合膜的水分含量。在較低水分活度(aw< 0.6)下，復合膜的水分含量增加緩慢，隨后急劇上升。

圖2 25 ℃條件下液體石蠟對麥麩纖維/小麥麩質蛋白復合膜吸附等溫曲線的影響

由表3可知，通過GAB模型擬合的R2均大于0.99，且E值均小于5%，模型擬合精確；通過BET模型擬合的R2均大于0.98，其最高E值范圍介于5%～10%，可用于復合膜的吸附等溫曲線模型擬合；通過Oswin和Lewicki模型擬合的大部分E值大于10%，表明模型擬合效果差。

GAB模型中，單分子層吸附值m0表示每克干復合膜以單分子層形式排列后的最大吸濕量，可以用于衡量吸附位點的多少[19]。從表3可以看出，液體石蠟的添加降低了m0值，且在添加量為20%時達m0值最低，較對照降低了約40.4%，表明添加液體石蠟有效阻礙了一部分水分子在復合膜表面的吸附，從而降低復合膜的吸濕性能。C和k值均為熱力學比例常數[20]，其中C值隨液體石蠟添加量的增加表現出先增加后降低的趨勢，添加15%液體石蠟復合膜的C值最高，比對照提高了約4.51倍。C值增加，表明單分子層的吸附熱升高，水分子與復合膜表面吸附點的結合強度增大，水分子在復合膜表面吸附后不易解吸，復合膜具有更強的持水能力。GAB模型相較于BET模型，擬合結果更精確，因為GAB模型中引入了k值，而k值與復合膜的多分子層吸附熱相關[21]，表明添加液體石蠟的麥麩纖維/小麥麩質蛋白復合膜水分子吸附過程解釋為多分子層吸附更為準確。

表3 25 ℃條件下復合膜吸附等溫模型參數、決定系數(R2)及相對平均偏差模量(E)

注：“—”表示模型無該參數。

2.3 復合膜的透水性能

圖3 液體石蠟添加量對麥麩纖維/小麥麩質蛋白復合膜抗拉強度、斷裂伸長率和水蒸氣透過率的影響

由圖3可知，添加液體石蠟后，麥麩纖維/小麥麩質蛋白復合膜WVP降低，且隨液體石蠟添加量的增加呈先降低后升高的趨勢。液體石蠟添加量為15%時，復合膜的WVP最小，為0.847×10-12g·cm-1·s-1·Pa-1，比對照(WVP=1.624×10-12g·cm-1·s-1·Pa-1)降低了約47.8%。液體石蠟屬于典型的強疏水性物質，加入復合膜液中，減少了水分子與復合膜中親水基團結合，宏觀表現為WVP的降低。但液體石蠟添加過量，導致乳化不均，在復合膜中形成不連續狀態，而導致復合膜WVP升高。進一步分析，水蒸氣透過膜的過程包括吸附—擴散—解吸三步[22]，根據表3中GAB模型對復合膜吸附等溫線的擬合數據，與對照相比，加入15%液體石蠟，使得m0值降低，C值升高，表明水蒸氣在復合膜表面的吸附量減少，且吸附強度增大，水蒸氣在復合膜表明解吸更為困難，解吸量降低，從而表明出WVP的下降。

2.4 復合膜的機械性能

由圖3可見，復合膜TS和EAB均隨液體石蠟添加量的增加而降低，液體石蠟添加量為5%時，和EAB降低都顯著(P<0.05)。隨著添加量繼續增大，其TS和EAB降低變緩，液體石蠟添加量10%～15%，TS下降不顯著；在添加量為5%～15%時，EAB下降不明顯。這是因為液體石蠟含有大量的疏水基團，與麥麩纖維和小麥麩質蛋白復合，降低了其原有的網絡結構的致密程度[23]，導致其機械性能降低。

2.5 復合膜的光學性能

由表4可知，在液體石蠟添加量為0%～15%時，b*未有顯著變化，表明復合膜的顏色向黃色方向變化不明顯。添加液體石蠟使得復合膜的L*、a*和總色差ΔE變化顯著(P<0.05)，其中L*隨液體石蠟添加量的增加而降低，a*和總色差ΔE均隨著液體石蠟添加量的增加而升高，表明復合膜的顏色在往黑色和紅色方向變化，這可能與液體石蠟的添加增加了麥麩纖維素和小麥麩質蛋白中的脂溶性色素溶出量有關[24]。復合膜的透明度值隨液體石蠟添加量的增加而增大，當液體石蠟添加量為20%時，其透明度值最高，比對照膜樣增加了約71.6%，說明添加液體石蠟的復合膜能有效阻擋部分自然光線的透射，但又仍然保持著一定的透明性，適用于一些光敏性物質的包裝。

表4 液體石蠟添加量對麥麩纖維/小麥麩質蛋白復合膜色澤和透明度值的影響

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05),下同。

2.6 復合膜的接觸角

由表5可知，添加液體石蠟能顯著增大復合膜的水接觸角(P<0.05)，且隨液體石蠟添加量的增加呈現出先增加后降低的變化規律。未添加液體石蠟的復合膜水接觸角為54.2°，親水性較強，當添加15%液體石蠟時達最大，比對照膜樣增加了約63.9%。結果表明添加液體石蠟能有效增強復合膜的疏水性，且在添加量為15%時，疏水性最強。這一結果主要是因為液體石蠟本身為強疏水性物質，加入復合膜液成膜可以阻礙一部分親水基團與水分子結合，這也與復合膜吸附等溫線的分析結果相吻合。

表5 液體石蠟添加量對麥麩纖維/小麥麩質蛋白復合膜水接觸角的影響

3 結論

添加液體石蠟可降低麥麩纖維/小麥麩質蛋白復合膜的平衡吸濕率，改善復合膜的吸濕性能。通過Peleg模型研究RH為43%、58%和75%的吸濕動力學發現，不同RH條件下，添加液體石蠟的復合膜吸濕動力學過程不同。在低相對濕度下，添加液體石蠟會使復合膜的初始吸濕速率和吸濕速率降低；高相對濕度下，添加液體石蠟會提高復合膜的初始吸濕速率和吸濕速率。等溫吸附曲線模型擬合結果表明，GAB模型對麥麩纖維/小麥麩質蛋白復合膜吸附等溫線的擬合效果最好(R2>0.99，E<5%)，液體石蠟能降低復合膜的單分子層吸附值，增大水分子與復合膜大分子間的結合強度。液體石蠟作為強疏水性脂質，可大幅度降低麥麩纖維/小麥麩質蛋白復合膜的透水性，增大復合膜的水接觸角，添加質量分數15%的液體石蠟可使復合膜的WVP值降低約47.8%，水接觸角從54.2°增大至88.9°。此外，添加液體石蠟降低了復合膜的抗拉強度、斷裂伸長率和透明度，加深了復合膜的色澤。綜合添加液體石蠟對復合膜的各項性能影響，15%液體石蠟添加量所制備的液體石蠟/麥麩纖維/小麥麩質蛋白復合膜具有良好的阻水性能，并保持一定的機械強度和透光性。