甘油對大豆分離蛋白O/W乳液膜性能的影響

摘要：乳液膜具有蛋白類物質的優異成膜性能且具有脂類物質的耐水性能，是可食膜制備的研究熱點。甘油作為增塑劑，可以降低膜的脆性，提供更好的延展性。試驗以大豆分離蛋白（soy protein isolate，SPI）為基本原料，以大豆油為油相，制備出一種大豆分離蛋白O/W乳液膜，探究甘油添加量（1.9，2.2，2.5，2.8和3.1 g）對O/W乳液膜的色差、不透明度、機械性能、膨脹率、水溶性、水分含量及外觀的影響。結果表明，當甘油添加量為2.5 g時，O/W乳液膜的性能較好，不透明度和膨脹率最低，分別為2.5%和10.26%，比蛋白膜高出3倍;機械性能也較好，抗拉強度和斷裂伸長率分別為1.14 MPa和3.09%。甘油添加量對膜性能的影響以及制備大豆分離蛋白O/W乳液膜，可以為今后乳液膜的相關應用提供理論基礎。

關 鍵 詞：大豆分離蛋白; 甘油; 增塑劑; 乳液膜

中圖分類號：TS206.4 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1673－5862.2023.01.011

Effect of glycerol on properties of soy protein isolate O/W emulsion film

XIAO Zhigang， SU Shuang， HUO Jinjie， JIANG Ruisheng， WANG Zhenguo， WANG Haiguan， LI Hang， GAO Yuzhe

（College of Grain Science and Technology， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China）

Abstract：Emulsion film has become a research hotspot in the preparation of edible film because of its excellent film-forming performance of protein film and combined with the water resistance of lipids. Glycerol as a plasticizer can reduce the brittleness of the film and provide better ductility. A soy protein isolate O/W emulsion film was prepared with soy protein isolate（SPI） as the basic raw material and soybean oil as the oil phase. The effects of glycerol addition（1.9， 2.2， 2.5， 2.8 and 3.1 g） on the color difference， opacity， mechanical properties， swell rate， water solubility， moisture content and appearance of O/W emulsion film were investigated. The results show that when glycerol addition is 2.5 g， the performance of O/W emulsion film is better， and the opacity and swell rate are the lowest， 2.5% and 10.26% respectively， which are 3 times higher than that of protein film. The mechanical properties are also good， and the tensile strength and elongation at break are 1.14 MPa and 3.09% respectively. The influence of glycerol addition on film performance and the preparation of soy protein isolate O/W emulsion film can provide a theoretical basis for the future application of emulsion film.

Key words：soy protein isolate; glycerol; plasticizer; emulsion film

人們對環保產品的可持續性越來越關注，促使人們對食用生物降解膜等石油包裝替代品產生興趣［1］。可食膜一般由蛋白質、多糖、脂類及其復合物制備而成［2］，其中蛋白類物質成膜的阻氣和阻油性能較好，優于其他物質成膜，但其耐水性和機械性能較差［3］。蛋白乳液膜具有蛋白類物質成膜的優異阻氣、阻油性能，且具有脂類物質進而可疏水性而提高蛋白乳液膜的耐水性［4］，因而是目前可食膜研究的熱點。

大豆分離蛋白（SPI）是一種大豆蛋白粉，具有優異的成膜性、生物相容性、降解性和環境友好性［5］。但由于SPI膜基質中親水基團數量較多，導致其耐水性較差［6］，可通過向SPI中添加疏水性的脂類物質改善其耐水性，其中乳液可作為脂質成分添加到SPI膜中制備為乳液膜。SPI膜機械性能較差，甘油等多元醇作為增塑劑可改善SPI膜的柔韌性［7］。近年來，向膜中添加甘油作為增塑劑以及探究甘油添加量對膜性能影響的研究較多，但探究甘油含量對大豆分離蛋白O/W乳液膜性能影響的研究較少。本文以SPI為原料，大豆油為油相，制備大豆分離蛋白O/W乳液膜，并探究甘油添加量對O/W乳液膜性能的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

材料與試劑的選用見表1，儀器與設備的選用見表2。

1.2 試驗方法

1.2.1 蛋白膜及O/W乳液膜的制備

稱取4 g大豆分離蛋白和100 mL去離子水分別與1.9，2.2，2.5，2.8與3.1 g甘油混合均勻，在60 ℃條件下水浴加熱30 min后冷卻至室溫。添加0.3 g大豆油，在13 500 r·min-1的條件下均質4 min，取20 mL成膜液倒入塑料平皿中，于40 ℃的烘箱烘干14 h，取出放入干燥器回軟3 h（底部為NaBr飽和溶液），測定膜性能前48 h手動剝離薄膜。本實驗以純SPI膜作為蛋白膜與O/W乳液膜進行對照。

1.2.2 色差的測定

使用色差儀測定膜的色差，測量前使用白板進行校準，記錄參數L*（亮度）、a*（紅色）和b*（黃色），使用下面公式進行計算。

1.2.3 不透明度的測定及膜外觀

采用Wang［8］等的方法測定不透明度（opacity， OP）。使用分光光度計測定測量膜（40 mm×10 mm）在600 nm處的吸光度，根據公式進行計算。膜外觀通過拍照的方式記錄。

式中：A為膜在600 nm處的吸光度值;x為薄膜厚度（mm）。

1.2.4 膨脹率的測定

參照Basiak［9］等的方法測定膜的膨脹率（swell rate， SR）。將膜裁剪20 mm×20 mm的大小，置于105 ℃烘箱至恒重，準確稱量膜恒重后的質量記為W1（g），將膜樣品浸于蒸餾水5 min后取出吸干水分，稱量膜質量記為W2（g）。根據公式計算膜的膨脹率（SR）：

1.2.5 水溶性的測定

參照Weng［10］等的方法測定膜的水溶性（water solubility， WS）。將膜裁剪成20 mm×20 mm的大小，置于105 ℃烘箱至恒重，準確稱量膜恒重后的質量記為M1（g），將膜樣品放入裝有50 mL蒸餾水的燒杯中磁力攪拌24 h后，取不溶物于105 ℃烘箱烘至恒重，準確稱量恒重后質量記為M2（g）。根據公式計算膜的水溶性（WS）：

1.2.6 水分含量的測定

將膜裁剪成一定形狀的小塊，準確稱量初始的膜質量記為M0（g），將膜置于105 ℃烘箱至恒重，準確稱量恒重后膜的質量記為M1（g）。根據公式計算膜的水分含量（moisture content， MC）：

1.2.7 機械性能的測定

將膜裁剪成60 mm×15 mm的長條，根據Liu［11］的方法采用質構儀測定膜的拉伸強度（tensile strength， TS）和斷裂伸長率（elongation at break，EB），目標距離設置為60 mm，測試速度為0.2 mm·min-1，負載為0.1 N，記錄所測得的強度和距離，根據公式計算蛋白膜的拉伸強度（TS）和斷裂伸長率（EB）：

式中：F為最大斷裂力（N）;A為橫截面積（mm2）;ΔL為在斷裂點處的長度增加（mm），L是初始長度（mm）。

1.2.8 數據統計與分析

使用Origin和SPSS進行數據處理和作圖分析，試驗結果均為平均值±標準偏差，每個試驗均重復3次。

2 結果與分析

2.1 甘油添加量對膜色差的影響

O/W乳液膜及蛋白膜的色差值見表3。隨著甘油添加量的增加，蛋白膜和O/W乳液膜的L*值均呈現先增加后降低的趨勢。在相同甘油添加量下，O/W乳液膜的亮度均低于蛋白膜，可能是由于大豆油在膜中均勻分布，促進了光的分散。Erdem和Kaya［12］通過冷凍干燥法制備大豆分離蛋白和葵花籽油復合膜時，得到了類似的結論。O/W乳液膜的a*降低而b*增加，表明乳液膜的顏色更深，偏向綠、黃色，黃色的增加可能是由于添加的大豆油顏色為黃色導致［13］。甘油添加量為2.5 g時，乳液膜的亮度最高，且ΔE最低，表明總色差最低且膜基質更均勻。

2.2 甘油添加量對膜不透明度及外觀的影響

用于食品包裝的膜應具有一定的遮光性能， 但其具有光滑透明的外觀更易被大眾所接受。 O/W乳液膜及蛋白膜的不透明度值如圖1所示。 無論甘油添加量如何， O/W乳液膜的不透明度均高于蛋白膜，原因可能是含有的大豆油在膜中均勻分布，促進了光的分散［14］。甘油添加量為2.5 g時，乳液膜不透明度最低為2.5，比蛋白膜高出約3倍，但在O/W乳液膜中擁有最透明的外觀。

O/W乳液膜及蛋白膜的外觀如圖2所示。O/W乳液膜表面有少量油滴析出，原因可能是在干燥過程中油滴向膜的上表面遷移［15］。從圖中可以看出，O/W乳液膜的外觀比蛋白膜更不透明，這與圖1中的不透明度值相對應。當甘油添加量為2.5 g時，O/W乳液膜具有遮光性且外觀最好，易被消費者所接受。

2.3 甘油添加量對膜膨脹率的影響

O/W乳液膜及蛋白膜的SR值見表4，更低的SR代表更高的耐水性［16］。在相同的甘油添加量下，O/W乳液膜的SR值均低于蛋白膜的SR值，表明O/W乳液膜的耐水性更好。可能是由于均勻的油分布會降低水的結合能力，從而降低了SR值［17］。當甘油添加量為2.5 g時，O/W乳液膜的SR達到最低值10.26%，比蛋白膜低了17%。原因可能是此時的O/W乳液膜中各組分之間相互作用，形成了致密的網絡結構。Wang［18］等研究得出較弱的分子間相互作用會導致薄膜結構松散，因此膜的膨脹率降低。

2.4 甘油添加量對膜水溶性的影響

O/W乳液膜及蛋白膜的WS值見表4，更低的WS值代表更高的耐水性［3］。在相同的甘油添加量下，O/W乳液膜的WS值均稍高于蛋白膜的WS值，但總體相差不大。隨著甘油添加量的增加，O/W乳液膜及蛋白膜的WS值隨之增加，可能是因為甘油會增加薄膜系統的極性，因此

對于膜的耐水性有負面的影響［19］。當甘油添加量為2.5 g時，O/W乳液膜的WS值為21.26%。

2.5 甘油添加量對膜水分含量的影響

O/W乳液膜及蛋白膜的MC值見表4。在相同的甘油添加量下，O/W乳液膜的MC值均低于蛋白膜的MC值。表明均質后O/W乳液膜中的SPI分子可能部分或完全暴露疏水基團，SPI疏水側鏈和甘油結合，與水自由結合的自由域更少，所以O/W乳液膜的MC值較低。Carpiné［20］等有類似的結論。隨著甘油添加量的增加，O/W乳液膜及蛋白膜的MC值隨之增加。

2.6 甘油添加量對膜機械性能的影響

O/W乳液膜及蛋白膜的TS，EB值如圖3和圖4所示。除了甘油添加量為3.1 g時，其他O/W乳液膜的TS值均高于蛋白膜的TS值。無論甘油添加量如何，O/W乳液膜的EB值均高于蛋白膜的EB值。隨著甘油添加量的增加，O/W乳液膜及蛋白膜的TS值均降低，而EB值隨之增加。抗拉強度降低可能是因為甘油提高了薄膜的柔韌性［21－22］。

3 結 語

不同甘油添加量對蛋白膜及O/W乳液膜的性能有不同的影響，O/W乳液膜的性能優于SPI膜。當甘油添加量為2.5 g時，大豆分離蛋白O/W乳液膜的整體性能最佳，不透明度和膨脹率最低，分別為2.5%和10.26%，比蛋白膜分別高出3倍和低17%;此時機械性能也較好，抗拉強度和斷裂伸長率分別為1.14 MPa和3.09%。可能是由于均質作用使O/W乳液膜的結構更致密，大豆油的存在增加了膜的耐水性。本研究為今后乳液膜的相關應用提供了理論基礎。

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收稿日期：2022－05－06

基金項目：國家自然科學基金資助項目（32072139）;遼寧省“揭榜掛帥”科技攻關專項計劃（2021JH/104000340201）。

作者簡介：肖志剛（1972—），男，黑龍江慶安人，沈陽師范大學教授，博士;

通信作者：高育哲（1982—），黑龍江雙城人，沈陽師范大學講師，博士。