乳清蛋白-茁霉多糖-阿魏酸復合可食性膜的研制

張慧蕓，任國艷，陳樹興，李鑫玲

（河南科技大學食品與生物工程學院，河南 洛陽 471003）

茁霉多糖[1]（Pullulan）又叫短梗霉多糖，是由出芽短梗霉分泌產生的一種胞外多糖，該糖無色無味、無毒，對人體無任何副作用，氣密性好，具有優良的水溶性、成膜性、氧氣不滲透性、成纖性，是一種具有極大經濟價值和開發潛力的多功能新型生物材料。茁霉多糖有很強的阻隔氧氣的能力；此外，與其他糖類相比，茁霉多糖還具有機械強度高，薄膜的透氣性很低等特點。阿魏酸[2]的化學名稱是4-羥基-3-甲氧基肉桂酸，是植物中廣泛存在的一種酚酸，具有較強的抗氧化活性和防腐作用。阿魏酸能與蛋白質中的賴氨酸、半胱氨酸、酪氨酸等反應而使蛋白質交聯[3]。因而在成膜溶液中添加阿魏酸能改善膜的機械性能并降低膜的水蒸氣、氧氣和二氧化碳透性[4]。乳清蛋白-茁霉多糖-阿魏酸復合膜的制備目前國內外鮮見資料顯示。本文主要研究影響成膜工藝的干燥溫度、pH、阿魏酸添加量、茁霉多糖添加量對乳清蛋白-茁霉多糖-阿魏酸復合膜性能的影響，選出最佳成膜條件，為乳清蛋白膜的改性研究提供一定的研究參考。

1 材料與方法

1.1 儀器和試劑

1.1.1 儀器

JJ—1型電動攪拌器：金壇市正基儀器有限公司；202型電熱恒溫干燥箱：北京市光明醫療儀器廠；筆式酸度計：上海宇隆儀器有限公司；質構儀：美國INSTRON公司。

1.1.2 試劑

乳清濃縮蛋白（WPC80）：新西蘭乳業公司；阿魏酸：江蘇威霸香料有限公司；茁霉多糖：河南金潤食品添加劑有限公司；無水氯化鈣、甘油、檸檬酸鈉、氫氧化鈉、溴化鈉均為分析純：廣州蘇喏化工有限公司。

1.2 復合膜制備方法

配制一定濃度的乳清蛋白濃縮溶液，加入一定量的阿魏酸、茁霉多糖，攪拌15 min使其充分溶解，調節pH，放入一定溫度的水浴鍋中加熱一段時間，冷卻后加5%的甘油，攪勻抽真空脫氣，吸取5 mL的成膜液倒入有機玻璃皿（直徑8 cm）中，在60℃的干燥箱中干燥3 h成膜，之后在裝有飽和溴化鈉溶液的干燥器中（56%，20℃）平衡48 h，待測。

1.3 復合膜成膜工藝參數的確定

1.3.1 阿魏酸添加量對乳清蛋白可食性復合膜性能的影響

阿魏酸添加量分別取0、50、100、150、200、250mg/100mL。其他工藝條件為：WPC（濃縮乳清蛋白）濃度10%，變性時間15 min，變性溫度80℃，pH8，甘油5%。研究阿魏酸添加量對乳清蛋白可食性膜性能的影響。

1.3.2 茁霉多糖添加量對乳清蛋白可食性復合膜性能的影響

茁霉多糖添加量分別取 0、50、100、150、200、250 mg/100 mL。其他工藝條件為：WPC（濃縮乳清蛋白）濃度10%，變性時間15 min，變性溫度80℃，pH8，甘油5%。研究茁霉多糖添加量對乳清蛋白可食性膜性能的影響。

1.3.3 乳清蛋白-茁霉多糖-阿魏酸復合膜的制備

本研究選取L9（34）正交試驗表，通過測定溫度、pH、阿魏酸和茁霉多糖添加量對乳清蛋白-茁霉多糖-阿魏酸復合膜的拉伸強度、刺穿強度和水蒸氣透過系數的影響，確定復合膜的最佳工藝參數。乳清蛋白復合膜成膜因素水平表，見表1。

表1 乳清蛋白復合膜成膜因素水平表Table 1 Factors and Levels for formation of whey protein composite film

1.4 可食性膜性能評定方法

1.4.1 膜厚度的測定方法

選擇完好、均勻的膜，隨機取5個點，用螺旋測微器測量其厚度，取平均值。

1.4.2 膜刺穿性能（PS）的測定[5]

采用質構儀進行測定。將完整均勻的待測膜樣品放在兩片自制的有機玻璃板之間，其中有機玻璃板中心有3.2cm的圓孔，四周由螺絲釘固定。選用直徑2mm的探針，探針下移速度為1 mm/s。

式中：PS為刺穿強度，（N/mm）；FP為最大刺穿力，N；L為膜樣品的厚度，mm。

1.4.3 膜拉伸性能（TS）的測定[6]

用鋒利的刀片將待測膜裁成長條，并將兩端分別貼上雙面膠以防拉伸過程中從根部斷裂，最終有效拉伸長度為40×6 mm。使用質構儀的拉伸裝置，拉伸速度為1 mm/s。可從壓力-應變曲線上計算獲得。

式中：TS 為拉伸強度，MPa；Ft為最大拉力，N；L 為膜樣品的厚度，mm；W為膜樣品的寬度（即6 mm）。

1.4.4 膜水蒸氣透過系數（WVP）的測定[7]

采用擬杯子法。將完整均勻的膜密封在含有5 g無水氯化鈣（0%RH）的自制有機玻璃透濕杯表面，膜外露面積為19.6 cm2。將透濕杯裝置放入恒溫恒濕箱中（80%，25℃），每隔24小時測定透濕杯的增重量。

式中：WVP 為膜水蒸汽透過系數，g·mm/m2·d·kPa；W為透濕杯的增重，g；x為膜的厚度，mm；A為膜外露面積（即 19.6 cm2）；T 為測量間隔時間（即 24 h）；Δ 為膜兩側的水蒸氣壓差（ΔP=2.5347 kPa）。

1.4.5 蛋白膜水分含量（MC）的測定[8]

將蛋白膜剪切成大小合適，將其放在鋁盒中稱其重量；放在105℃烘箱中烘8 h，取出后稱其重量，根據膜烘干前后重量變化計算蛋白膜平衡水分含量。

式中：MC為蛋白膜水分含量；Δm為膜烘干前后重量變化；m0為膜烘干前重量。1.4.6 蛋白膜溶解性（S）的測定[9]

稱取質量為m1(≈0.1 g)的已干燥的膜放入盛有40 mL水的培養皿中，在25℃下溶解24 h之后將膜撈出，用濾紙吸干膜表面的水分，再在105℃的條件下干燥至恒重，稱得質量為m2。

2 結果與分析

2.1 阿魏酸添加量對乳清蛋白膜性能的影響

阿魏酸添加量對乳清蛋白膜性能的影響如表2所示。

表2 阿魏酸添加量對乳清蛋白膜性能的影響Table 2 The influence of different quantity of feralic acid on the film performance

由表2可知，阿魏酸添加量對膜的厚度影響不顯著（P>0.05）。隨著阿魏酸添加量的增加，含水量和溶解性呈先降低隨后升高的趨勢，但總體差異不顯著（P>0.05），可見阿魏酸對膜的含水量和溶解性影響不大。

膜拉伸強度和刺穿強度先升高之后略有降低。這可能是因為蛋白多肽鏈中只含有有限的疏基或二硫鍵的緣故[10]，當阿魏酸添加量達到150 mg/100 mL時，它可能已經飽和了它所能接觸到并與其發生還原氧化反應的所有疏基或二硫鍵，這時再增加阿魏酸的添加量已不能提高膜體系中二硫鍵的含量。隨阿魏酸添加量的增加，WVP先降低之后升高。當阿魏酸添加量為150 mg/100 mL時WVP最低。

2.2 茁霉多糖添加量對乳清蛋白膜性能的影響

茁霉多糖添加量對乳清蛋白膜性能的影響如表3所示。

表3 茁霉多糖添加量對乳清蛋白膜性能的影響Table 3 The influence of different quantity of pullulan on the film performance

由表3可知，茁霉多糖添加量對膜的厚度影響不顯著（P>0.05）。茁霉多糖的添加對膜含水量和溶解性影響較小，不同添加量的茁霉多糖對膜含水量和溶解性影響差異不顯著（P>0.05）。

膜的拉伸強度和刺穿強度隨著茁霉多糖的加入而明顯升高，但當加入量大于150 mg/100 mL時呈下降趨勢，甚至在250 mg/100 mL時，無法成膜，這是因為茁霉多糖具有很強的膠黏性，加入量適當則可提高膜的機械性能[11]，當加入量過多時，就會出現過于黏稠，造成大量小氣泡，甚至無法成膜。茁霉多糖添加量在50 mg/100 mL～150 mg/100 mL時，WVP呈降低趨勢，而當添加量大于150 mg/100 mL時則上升，這是由于相對高濃度、高黏度的膜液中小氣泡的增多使得膜的致密性降低。

2.3 正交試驗結果及分析

正交試驗結果及分析見表4，可知，對拉伸強度影響最顯著的是阿魏酸添加量，其次是茁霉多糖添加量、pH、最后是干燥溫度。分析其原因是阿魏酸是很好的一種交聯劑，可加強聚合物分子結構，在不影響阻隔性的前提下，能大大提高拉伸強度。由此可見，阿魏酸對于膜材分子的緩沖作用和對膜剛性結構的軟化作用是影響乳清濃縮蛋白復合膜拉伸強度的最直接因素，構成膜的基本骨架物質以及膜液中大分子結合的有序程度也是影響拉伸強度的關鍵因素。以拉伸強度高為優選原則，可得到各因素的最優水平分別為：A3、B3、C3、D3。

對刺穿強度影響最顯著的是茁霉多糖添加量，其次是阿魏酸添加量、pH，最后是干燥溫度。分析其原因為茁霉多糖具有極佳的成膜性、成纖維性、可塑性及黏結性，在乳清濃縮蛋白基礎膜液中加入具有此功能的茁霉多糖，使得膜的性能大大改善，刺穿強度也明顯提高。以刺穿強度高為優選原則，可得到各因素的最優水平分別為：A3、B3、C3、D3。

表4 正交試驗結果及分析Table 4 Data and analysis of optimal experiment

對水蒸氣透過系數影響最顯著的是pH，其次是阿魏酸添加量、茁霉多糖添加量，最后是干燥溫度。原因是在不斷增強的堿的作用下，由于堿處理既能促使蛋白質變性，加強分子間相互作用，形成網絡結構，另一方面又會使蛋白質分子帶負電荷，產生靜電排斥力，阻礙膜的形成，共同作用的結果是乳清蛋白膜的水蒸氣透過性增大。以水蒸氣透過系數小為優選原則，可得到各因素的最優水平，分別為：A3、B3、C3、D3。

2.4 驗證試驗

由正交試驗極差分析可知，最優組合理論為A3B3C3D3，而正交試驗結果顯示試驗號3（A1B3C3D3）的各項指標均較優。故需做驗證試驗，A3B3C3D3條件下測得乳清蛋白膜拉伸強度為3.86MPa，刺穿強度為26.78N/mm，水蒸氣透過系數為 1.57 g·mm/m2·d·kPa；A1B3C3D3條件下測得乳清蛋白膜拉伸強度為3.46MPa，刺穿強度為24.54 N/mm，水蒸氣透過系數為 1.71 g·mm/m2·d·kPa；由驗證試驗可知，仍是A3B3C3D3條件下各項指標最優。

3 結論

乳清濃縮蛋白中添加茁霉多糖和阿魏酸作為增強劑，可明顯提高膜的性能。最優工藝條件為成膜溫度80℃，pH9.0，阿魏酸添加量200 mg/100 mL，茁霉多糖添加量150 mg/100 mL。

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