大豆蛋白薄膜制備及性能的研究

張華江,遲玉杰,蘇瑛杰

(東北農業大學食品學院,黑龍江哈爾濱 150030)

大豆蛋白薄膜制備及性能的研究

張華江,遲玉杰,蘇瑛杰

(東北農業大學食品學院,黑龍江哈爾濱 150030)

以大豆分離蛋白為主要原料,在一定條件下與增塑劑、還原劑等發生共價交聯反應,通過單因素實驗和正交實驗對成膜配方、成膜條件的研究及微觀結構分析,制備出可以降解,并具有一定機械強度的復合蛋白薄膜,可部分替代塑料用于食品包裝領域,減少環境污染。研究結果表明,采用亞克力材質板槽制膜,60℃干燥時間 2h;成膜配方是大豆分離蛋白濃度 4.0%,增塑劑 2.0%,還原劑 0.1%;抗拉強度可達 61.892N,透 H2O性 16.204mg/(cm2·d),透 O2性0.313mg/(cm2·d),透 CO2性 2.899mg/(cm2·d)。

大豆分離蛋白,薄膜,性能,制備

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大豆分離蛋白 哈高科大豆食品有限公司提供;甘油 天津市凱通化學試劑有限公司;亞硫酸鈉天津市東麗區天大化學試劑廠;亞油酸、無水氯化鈣、溴化鉀 上海新寶精細化工廠。

TA-XT lus型質構儀 英國 Stable M icro System公司;S-3400N型掃描電子顯微鏡、E-1010型離子濺射儀 日本Hitachi公司;DHG-9210A型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司;78HW-1型恒溫磁力攪拌器 江蘇金壇榮華儀器公司;JJ-1型電子分析天平 梅特勒-托利多儀器上海有限公司;PHS-3C型酸度計 上海精密儀器有限公司。

1.2 測定方法

1.2.1 對各物理性能進行模糊綜合評價 在本實驗中需要綜合考慮多個物理性能指標來對大豆分離蛋白膜的質量進行評價,所以在此采用了模糊綜合評價法,即通過引入隸屬度函數：

式中：X(u)-待分析點的隸屬度函數值;Xi-待分析點的數據值;Xmax-待分析點所在數據列的最大值; Xmin-待分析點所在數據列的最小值。

將膜的多個性能指標經過模糊變換成綜合評價的累加加權隸屬度值∑X(u)·Y。本實驗中需要考慮的物理性能有抗拉強度、透 H2O性、透O2性、透 CO2性,所以綜合評價的權重子集 Y為{0.25,0.25,0.25, 0.25}。

1.2.2 抗拉強度的測定 質構儀的探入距離設定為50mm,探入前速度為 15mm/s,探入過程中速度為5mm/s,探入后速度 (50mm以后返回的速度)為15mm/s。

1.2.3 水蒸汽的透過性的測定 通過擬杯子法,杯重的增加量計算水蒸氣的透過量[8]。

1.2.4 透O2性和透 CO2性的測定

a.膜透 O2性 (Qo2)測定：采用不飽和油脂吸收法。計算公式如下：

b.膜透 CO2性 (QCO2)測定：采用強堿吸收法。計算公式如下：

1.2.5 表面結構分析 利用 S-3400N型掃描電子顯微鏡對大豆分離蛋白薄膜的表面拍攝照片并對表面結構進行觀察分析,粒子濺射噴金時間 140s,電流15～20mA,電鏡放大倍數 300倍。

1.3 工藝流程及操作要點

1.3.1 工藝流程

1.3.2 操作要點

1.3.2.1 蛋白質溶液的制備 將蒸餾水在水浴鍋中預熱一段時間,使之達到 30～40℃,加入 20%無水乙醇、甘油(增塑劑)、Na2SO3(還原劑)等物質,再在磁力攪拌的狀態下將一定量的大豆分離蛋白逐漸加入,以配成一定濃度的溶液。

1.3.2.2 恒溫水浴加熱 水浴穩定控制在 92～95℃左右,加熱 30～40min。在水浴時應用玻璃棒攪拌溶液,使其受熱均勻。

1.3.2.3 恒溫干燥成膜 將水浴后的大豆分離蛋白溶液冷卻至室溫,迅速用四層紗布過濾,每次精確稱取固定的質量 10.0g,均勻倒進規格為 300×300× 10mm(長 ×寬 ×高)的亞克力板槽內 (可根據所需膜的厚度和性能,來確定稱取的質量和板槽的尺寸)[9],溫度在 50～60℃,保持 2～3h取出。

1.3.2.4 回軟、揭膜 將干燥成膜后的玻璃板倒扣于水浴蒸汽鍋上,水浴鍋溫度調為 80～90℃,蒸汽熏蒸20～25s,均勻濕潤回軟后可揭膜。揭膜時,先將膜與玻璃板四周分離[10],然后放在相對濕度為 50%的環境中平衡 48h備用。

2 結果與分析

2.1 大豆蛋白膜成膜條件的確定

2.1.1 制膜板槽材質的選擇 本實驗分別選擇亞克力、聚乙烯塑料、玻璃 3種材質的板槽進行篩選,板槽的規格是 300×300×10mm(長 ×寬 ×高),每次倒入槽內的蛋白液精確稱取 10.0g,迅速搖勻并在室溫下平放 5min,移至干燥箱中進行干燥,溫度為 55℃,時間 3h,結果見表 1。

表1 板槽材質對成膜狀態的影響

由表 1可知,成膜板槽材質的不同,其成膜狀態差別較大。亞克力板槽、聚乙烯塑料板槽、玻璃板槽揭膜難度依次加大,體現了這三種材質對蛋白膜的黏合性、剝離性方面存在較大差異,在膜的完整性、透明度、光滑程度方面亞克力板槽的成膜狀態比較優越,所以在后續的實驗中采用該材質的板槽作為載體制模。

2.1.2 成膜干燥條件的確定 采用熱風恒溫干燥的方式將膜進行干燥,為了能夠節省能源同時還要保證蛋白膜的機械強度,本實驗選擇在 40、50、60、70、80℃進行烘干,以膜干燥后抗拉強度和干燥時間為指標進行篩選成膜干燥的條件,結果見圖 1。

圖1 干燥溫度對成膜狀態的影響

由圖 1可知,隨著干燥溫度的升高,干燥時間縮短,但在 40～60℃范圍內,隨著溫度的升高至膜干燥的時間縮短幅度較大,在 60℃以上縮短幅度較小,在60℃條件下,烘干需要 2h。同時干燥條件對膜的抗拉強度也有一定影響,在 60℃以下,溫度的升高可以使蛋白質大分子從原來有秩序的緊密結構變為無秩序的松散結構,分子內部的巰基和疏水性基團等暴露在分子表面,有利于加強蛋白質分子內或蛋白質分子間的相互作用,從而得到堅固致密的網絡結構。但當熱處理溫度過高(大于 60℃),隨著溫度的升高,蛋白質分子會過度變性,分子鏈大量斷裂,不利于網絡結構的形成,膜機械性能開始下降。因此,本研究的成膜干燥條件確定為 60℃、2h為宜。

表 2 大豆分離蛋白濃度對膜性能的影響

表3 甘油含量對膜性能的影響

2.2 大豆分離蛋白濃度對膜性能的影響

依次準確配制濃度為 1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%、6.0%、7.0%、8.0%的大豆分離蛋白溶液 (溶劑的配方是蒸餾水和無水乙醇的體積比為 8∶2),分別加入 1.5%含量的甘油,磁力攪拌 20min,并在此狀態下加入量好的大豆分離蛋白,其余操作同工藝流程和操作要點。主要性能指標的實驗結果見表 2。

實驗結果表明：大豆分離蛋白濃度為 1.0%的膜極薄且脆,只能形成細小片狀的碎塊,不易成膜; 7.0%和 8.0%的大豆分離蛋白溶解性差,有大塊未溶解團狀物,其成膜偏黃、發脆。成膜含量在 2.0%～6.0%之間容易揭膜,可以得到柔軟、表面光滑的薄膜。由表 2可以看出,隨著大豆分離蛋白含量的增加,薄膜的抗拉強度增大,柔軟度下降,顏色由淡黃色至黃色,逐漸加深。大豆分離蛋白含量為 2.0%時,揭膜稍困難,膜非常柔軟,透氣度最大,抗拉強度較小;大豆分離蛋白含量為 6.0%時,雖然膜的抗拉強度較大,但膜偏硬,顏色偏黃。大豆分離蛋白含量3.0%～5.0%的膜的各項測試指標較好,綜合考慮各方面因素,選取蛋白濃度 4.0%為單因素實驗的較佳條件,選取蛋白濃度在 3.0%～5.0%作為后續正交實驗的水平范圍。

2.3 增塑劑對膜性能的影響

本研究考察某一特定增塑劑——甘油含量對膜性能的影響。甘油可以通過減少聚合物相鄰鏈間的分子內相互作用而降低膜的脆性及易碎性,增加膜基質間的空隙,賦予膜一定的柔韌性[11-12]。本實驗分別選取甘油含量 0.5%、1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%共計 6組方案進行實驗 (大豆蛋白濃度固定在4%),其它流程同上,并測定薄膜的性能指標見表 3。

由表 3可知,隨著甘油含量的增加,膜抗拉強度降低,透氣度增大。這是因為甘油含量增加,單位體積羥基的數目增多[13],結合水分子的數目也增多,使膜中蛋白質相對含量下降,削弱了其分子間的相互作用[14],結構變差,膜的致密性下降。實驗結果表明,甘油含量在 0.5%時,膜脆,易斷裂,不可應用,原因是結合水分過少;甘油含量在 1.0%～2.0%之間,可以得到具有抗拉強度較高,阻氣性較好的薄膜;甘油含量達到 3.0%～4.0%時,成膜非常柔軟,易揭膜,膜表面有少量甘油析出,抗拉強度較低,膜的透水性、透氣性均有所增加,但其優點在于膜的柔軟性明顯優于前幾者;當甘油含量達到 5.0%時,膜抗拉強度最小,透氣度最大,而且膜開始稍有返潮性,膜綜合性能最差。綜合考慮各方面因素。選甘油含量以1.5%為單因素實驗的最佳條件,選取 1.0%、1.5%、2.0%濃度作為正交實驗的水平范圍。

2.4 還原劑對膜性能的影響

在成膜配方中添加還原劑,可打斷分子內的二硫鍵(-S-S-),增多巰基 (-SH)量,有利于在隨后的涂膜干燥過程中形成新的分子間二硫鍵;還原劑處理還可以使多肽鏈分子量降低,有利于暴露內部疏水基團[15],增強膜的強度和阻隔性。

2.4.1 還原劑的選擇 準確配制 3份 4%大豆分離蛋白溶液,分別加入含量是 1.5%的甘油,在磁力攪拌條件下一份添加 0.1%Na2SO3,另一份添加 0.1%葡萄糖,第 3份作為對照不加還原劑,其他流程同上,測試膜的性能,其性能指標見表 4。

由表 4可知,與對照相比,添加Na2SO3的膜幾乎為無色透明,原因是Na2SO3有一定的漂白作用,使大豆分離蛋白原有的淡黃色變淺;添加葡萄糖的膜顏色偏焦黃色,影響膜的表觀效果,主要是還原糖和蛋白質發生了糖氨褐變作用。添加Na2SO3的膜和對照相比抗拉強度明顯增大,原因是 Na2SO3打斷了蛋白質分子中的二硫鍵,使蛋白質分子展開,重新形成堅固的網絡結構[16],而添加葡萄糖的膜抗拉強度減小,是葡萄糖的變性阻礙了大豆分離蛋白網絡結構的形成。添加葡萄糖后,葡萄糖使蛋白質分子展開,大豆分離蛋白分子間的空隙增大,導致膜的透氣性增大。綜合考慮各方面因素,本實驗選取 Na2SO3作為還原劑。

表4 不同還原劑對膜性能的影響

表 5 還原劑(Na2SO3)的濃度對膜性能的影響

表 6 L9(33)正交實驗數據及分析表

表7 二次平行實驗

2.4.2 還原劑添加量的選擇 準確配制 5份 4%大豆分離蛋白溶液,分別按添加量為 0.025%、0.05%、0.1%、0.15%、0.2%Na2SO35個方案進行實驗,其他流程同上。其性能指標見表 5。

由表 5可知,Na2SO3從 0.025%到 0.1%,抗拉強度增大,其中從 0.05%到0.1%增大幅度明顯,阻氣性能逐漸增強;超過 0.1%,抗拉強度又減小,阻氣性能逐漸降低;添加量 0.15%膜的抗拉強度較 0.1%膜的抗拉強度開始降低,原因是過量的還原劑阻礙了展開的大豆分離蛋白網絡結構的重新形成[17],阻氣性能也有所降低。0.2%膜表面粗糙,不均勻,黏著性、成膜性差,抗拉強度很低,阻氣性能較差。綜合考慮各因素,選取 Na2SO30.05%～0.15%作為后續正交實驗的水平范圍。

2.5 大豆分離蛋白膜配方的優化

通過單因素實驗研究表明,大豆分離蛋白濃度、增塑劑的含量、還原劑的種類和添加量對膜性能影響較大。本實驗進行 L9(33)的正交實驗,綜合考慮多個物理性能指標來對大豆分離蛋白膜的性能進行評價,所以在此采用了模糊綜合評價法,即隸屬度函數,將膜機械強度(正效應)、透 H2O性 (負效應)、透O2性 (負效應)、透 CO2性 (負效應)4個性能指標,經過模糊變換成綜合評價的累加加權隸屬度值∑X(u)·Y(具體見 1.2.1)統計結果,見表 6。

從表 6中可以看出,各因素對大豆分離蛋白膜性能影響的主次關系依次為：A＞B＞C即：大豆分離蛋白濃度 ＞增塑劑 ＞還原劑。所以,可初步篩選條件為 A2B3C2即：大豆分離蛋白：4.0%,增塑劑 (甘油)：2.0%,還原劑(Na2SO3)：0.1%。同時,將最佳條件A2B3C2與正交實驗表中綜合評價累加加權隸屬度值最高的方案 5(A2B3C1)和最低的方案 9(A3B2C1)做二次平行實驗進行對照。結果見表 7。

由表 7可以看出,A2B3C2的各項物理性能指標略高于A2B3C1,明顯好于A3B2C1,進一步驗證了正交實驗所統計的結果,所以本實驗故取 A2B3C2為最終的成膜配方條件。

2.6 蛋白膜微觀結構的電鏡觀察

在進行了蛋白膜性能測試篩選配方之后,為了進一步說明膜的微觀結構特點和性能的關系,本實驗采用 S-3400N型掃描電子顯微鏡對大豆分離蛋白薄膜的表面結構進行觀察分析,分析對象主要是最終篩選的方案 A2B3C2,綜合評價累加加權隸屬度值較高的方案 5(A2B3C1)和較低的方案 9(A3B2C1)結果如圖 2～圖 4。

圖 2 A2B3C2電鏡觀察結果

圖 3 A2B3C1電鏡觀察結果

圖 4 A3B2C1電鏡觀察結果

圖 2～圖 4是放大 300倍的電鏡觀察效果,由圖 2可以看出,A2B3C2方案的蛋白膜中蛋白粒子排列密集,各蛋白粒子之間相互吸引強烈,形成交織緊密的網絡結構,該膜具有較大的抗拉強度,能對水分和氣體產生較強的阻止能力,這與表 6測定的指標比較吻合;從圖 3中(方案A2B3C1)可以看到,蛋白粒子之間結構略有疏松,而且與圖 2比較存在較多的空洞,這種結構特點使得蛋白膜的各項性能指標略有下降;由圖 4(方案A3B2C1)可以看出,膜中蛋白粒子排列非常疏松,交聯在一起的程度也很低,很多蛋白分子獨立成團,而且存在較大的空洞,該膜具有較低的抗拉強度,也容易滲透較多的水分和氣體,綜合性能較低。所以,上述觀察結果更進一步驗證了 3種方案之間物理性能指標的差異,為下一步深入研究奠定了基礎。

3 結論

本實驗最終研究結果表明：采用亞克力材質板槽制模,60℃干燥時間 2h,大豆分離蛋白濃度 4.0%,增塑劑含量 2.0%,還原劑添加量 0.1%成膜性能較好,蛋白膜的抗拉強度可達 61.892N,透 H2O性 16.204mg/(cm2·d),透O2性 0.313mg/(cm2·d),透CO2性 2.899mg/(cm2·d)。該產品透明柔軟,具有一定的彈性和強度,可部分替代塑料用于食品包裝領域應用,是一種具有開發前景的綠色包裝材料。

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Study on preparation and properties of the soy protein film

ZHANG Hua-jiang,CHIYu-jie,SU Y ing-jie
(College of Food Science,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin 150030,China)

Soy p rote in isola te,as the m a in raw m a te ria l,occured cova lent c ross-linking reac tion w ith p las tic ize r, reduc ing agent unde r ce rta in cond itions.Thefi lm ing form ula,fi lm ing cond itions,m ic ros truc tureana lys is we re de te rm ined through s ing le-fac tor exp e r im ent and orthogona l tes t.The comp ound p rote in fi lm was p rep a red w ith deg rada tion,som e m echanica l s treng th.It is a kind of g reen p ackag ing m a te ria ls of deve lopm ent p rosp ec ts.The results showed tha t ac rylic m a te ria ls m old p la te g roove was used to fi lm a t temp e ra ture of60℃ for2h and the op t im um fi lm ing cond itions we re tha t soy p rote in isola te4.0%,p las tic ize r2.0%,reduc ing agent0.1%,tens ile s treng th61.892N,wa te r p e rm eab ility16.204m g/(cm2·d),oxygen p e rm eab ility0.313m g/(cm2·d),ca rbon d ioxide p e rm eab ility2.899m g/(cm2·d).

soy p rote in isola te;fi lm;p rop e rties;p rep a ra tion

TS206.4

B

1002-0306(2010)02-0295-05

隨著工業化發展而誕生的化學合成塑料制品,因其價格便宜,性質穩定、優良而被廣泛用于食品包裝和保鮮。但是化學合成塑料遺棄在環境中不易分解腐爛,造成嚴重的“白色污染”,還有在高溫加熱的時候,如易產生有害氣體及異味,會對人體產生一定的毒害作用[1],這已成為目前世界性的環保難題。據國際包裝工業發展情況統計,食品包裝材料約占全部包裝材料用量的 50%,在破壞環境的垃圾中塑料占 72%,其中很大一部分來源于食品塑料包裝廢棄物[2]。可降解性膜是以天然可降解性物質 (如蛋白質、多糖、纖維素及衍生物等)為原料,通過不同分子間相互作用形成的具有多孔網絡的薄膜[3-4]。可降解性膜可以被微生物所降解或與被包裝食品一起食用[5],也可作為食品色、香、味、營養強化和抗氧化物質的載體[6]。在此相關領域,國內外部分學者也進行了一些研究,但多數集中在以大豆蛋白和多糖及部分類脂為主要基質,制備可食用性的食品涂膜材料,用于水果、蔬菜、禽蛋的涂膜保鮮及糕點、糖果的內包裝等[7],此類薄膜在附著性、速溶性、延展性等方面要求相對較高,對于單獨用于食品外包裝大豆蛋白薄膜很少見到報道。所以,本研究以將來能部分替代聚乙烯塑料包裝為目的,制備有較高機械性能和良好阻氣、阻水性能可降解的食品外包裝材料,同時對成膜的具體條件和蛋白膜的微觀結構也進行了比較深入的探討,為下一步在該領域的深入研究奠定了扎實的基礎。

2009-03-27

張華江(1976-),男,講師,博士,研究方向：農產品深加工。

黑龍江省科技攻關計劃(國際合作)項目資助(WB07A01);哈爾濱市科技創新人才研究專項資金項目(2007RFQXN015)。