增塑劑優化及對玉米蛋白膜拉伸強度與表觀的影響

王大為，張婷婷，劉鴻鋮，崔海月

(吉林農業大學食品科學與工程學院，吉林 長春 130118)

玉米蛋白粉(corn gluten meal，CGM)是玉米濕法生產淀粉的副產物[1]。玉米醇溶蛋白占玉米蛋白粉的65%，是玉米中主要貯藏蛋白[2]，易溶于60%～95%乙醇[3-4]。玉米醇溶蛋白由大量的非極性氨基酸組成，因而玉米醇溶蛋白具有較強的疏水性。玉米醇溶蛋白分子間以疏水鍵、氫鍵和二硫鍵連接在一起，易于形成薄膜[5-6]。單一的玉米醇溶蛋白形成的薄膜，雖然具有透明度高、隔氧、防潮等優點[7]，但其機械性能較差，如脆性強、易斷裂，柔韌性差，不符合食品包裝需要，嚴重影響了其實際應用價值[8]。為了改善玉米醇溶蛋白膜的機械性能，常采用增塑劑如多羥基化合物、糖類、脂肪酸等[9]。山梨醇具有親水性，其—OH可與玉米醇溶蛋白分子以氫鍵結合，提高膜的機械性能，山梨醇的吸濕性還使膜結合更多的水分子，提高膜的柔韌度[10]。半乳糖能使膜與水接觸角增大，增加膜表面張力，提高膜的機械性能[11]。油酸和玉米醇溶蛋白分子都是疏水性物質，制膜時油酸分子可介入到玉米醇溶蛋白分子之間，減弱玉米醇溶蛋白分子間的應力而使膜變得柔韌[12]。3種增塑劑從不同的方面改善蛋白膜的機械性質。本研究采用響應面分析了復合增塑劑組成及用量對玉米醇溶蛋白膜拉伸強度的影響，并用掃描電鏡觀察蛋白膜的表面結構，確定最佳復合增塑劑用量，為玉米醇溶蛋白在可食性食品包裝材料方面的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米醇溶蛋白粉 實驗室自制。

無水乙醇(分析純) 北京化工廠；半乳糖(食品級)、山梨醇(食品級) 上海邁潮有限公司；油酸(分析純) 天津市光夏精細化工研究所。

1.2 儀器與設備

JJ500型精密電子天平 美國雙杰兄弟(集團)有限公司；101A-2E型數顯式電熱鼓風干燥箱 上海實驗儀器廠有限公司；PHS-3BW型電腦數顯酸度計 上海理達儀器廠；SSX-550掃描電子顯微鏡 日本島津公司；TA-XT2i性物性儀 Stable Micro Systems；螺旋測微計 香港豐量國際集團有限公司。

1.3 方法

1.3.1 玉米醇溶蛋白膜制備及工藝流程

取玉米醇溶蛋白粉2.00g，用80%乙醇溶液配制成為10g/mL的玉米蛋白醇膜溶液，加入復合增化劑，調節膜液pH8后，60℃恒溫、300r/min條件磁力攪拌30min，脫氣消泡后，澆入聚丙烯盤上，于50℃干燥2h，起膜，置于室溫環境下(相對濕度50%)平衡48h后用于膜性機械能測試。

1.3.2 玉米醇溶蛋白膜機械性能測定[13]

1.3.2.1 拉伸強度(TS)

式中：TS為膜的拉伸強度/MPa；P為斷裂負荷/N；b為膜的寬度/mm；d為膜的厚度/mm。

1.3.2.2 斷裂伸長率(E)

式中：E為膜的斷裂伸長率/%；L1膜斷裂后的長度/mm；L0膜斷裂前的長度/mm。

1.3.3 復合增塑劑各組分用量對玉米蛋白膜機械性能影響的單因素試驗

1.3.3.1 山梨醇用量對玉米醇溶蛋白膜拉伸強度的影響

玉米醇溶蛋白2.00g、半乳糖用量0.25g/g pro、油酸用量0.30g/g pro，考察山梨醇用量分別為0.10、0.15、0.20、0.25、0.30g/g pro時，對玉米醇溶蛋白膜拉伸強度的影響。

1.3.3.2 半乳糖用量對玉米醇溶蛋白膜拉伸強度的影響

玉米醇溶蛋白2.00g、山梨醇用量0.20g/g pro、油酸用量0.30g/g pro，半乳糖用量分別為0.05、0.10、0.15、0.20、0.25g/g pro時，對玉米醇溶蛋白膜拉伸強度的影響。

1.3.3.3 油酸用量對玉米醇溶蛋白膜拉伸強度的影響

玉米醇溶蛋白2.00g、山梨醇用量0.20g/g pro、半乳糖用量0.20g/g pro，油酸用量分別為0.10、0.20、0.30、0.40、0.50g/g pro時，對玉米醇溶蛋白膜拉伸強度的影響。

1.3.4 增塑劑用量的Box-Behnken試驗設計

在單因素試驗的基礎上，根據Box-Behnken試驗設計原理[14-15]，設計3因素3水平響應面試驗，選取山梨醇用量(A)、半乳糖用量(B)、油酸用量(C)為自變量，玉米醇溶蛋白膜拉伸強度為響應值，試驗因素水平見表1。

表 1 Box-Behnken試驗設計因素水平及編碼Table 1 Coded values of Box-Behnken design

1.4 數據處理

采用Design Expert 7.0.0軟件處理，并進行顯著性分析。

1.5 玉米醇溶蛋膜表面結構掃描電子顯微鏡圖析

利用濺射鍍膜法對含不同增塑劑組分的玉米醇溶蛋白膜表面進行鍍金，然后置于掃描電子顯微鏡下觀察，工作條件為：加速電壓(AccV)為15kV，電子束(Probe)為4.0，放大倍數(Mag)為500倍和5000倍，工作距離(WD)為17mm和18mm，探頭(Det)為二次電子檢測器(SE)[16]。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 山梨醇用量對玉米醇溶蛋白膜拉伸強度的影響

圖 1 山梨醇用量對玉米醇溶蛋白膜的拉伸強度的影響Fig.1 Effect of sorbitol concentration on the tensile strength of zein films

由圖1所示，隨著山梨醇用量增加，玉米醇溶蛋白膜拉伸強度有所增大，當山梨醇用量大于0.20g/g pro時，膜的拉伸強度呈下降趨勢。山梨醇的用量和玉米醇溶蛋白分子間作用力有關，當山梨醇用量較小時，山梨醇和玉米醇溶蛋白分子以氫鍵結合，軟化膜的剛性結構[17-18]，增加柔韌性，提高膜的拉伸強度；當山梨醇用量在0.20g/g pro時，山梨醇與玉米醇溶蛋白充分結合，聯系密切，使膜的拉伸強度最大；當山梨醇用量繼續增加，膜體系中—OH過多，結合水分子增加，阻礙玉米醇溶蛋白分子間結合，使膜的拉伸強度下降。

2.1.2 半乳糖用量對玉米醇溶蛋白膜拉伸強度的影響

圖 2 半乳糖用量對玉米醇溶蛋白膜的拉伸強度的影響Fig.2 Effect of galactose concentration on the tensile strength of zein films

由圖2所示，隨著半乳糖用量增大，玉米醇溶蛋白膜拉伸強度增加，半乳糖用量大于0.20g/g pro時，膜的拉伸強度呈下降趨勢。半乳糖用量和玉米醇溶蛋膜表面張力有關，當半乳糖用量較小時，能提高玉米醇溶蛋白膜與水分子的接觸角，使膜表面張力增大[11]，并結合少量水分子，軟化膜的剛性，增加膜的柔韌性，提高膜的拉伸強度；當半乳糖用量過大時，玉米醇溶蛋白膜與水的接觸角過高，使膜表面張力過大，結合大量水分子，阻礙玉米醇溶蛋白分子間結合，玉米醇溶蛋白膜的拉伸強度減小。

2.1.3 油酸用量對玉米醇溶蛋白膜拉伸強度的影響

圖 3 油酸用量對玉米醇溶蛋白膜的拉伸強度的影響Fig.3 Effect of oleic acid concentration on the tensile strength of zein films

由圖3可知， 隨著油酸用量的增大，玉米醇溶蛋白膜的拉伸強度增加，當油酸用量大于0.30g/g pro時，膜拉伸強度開始下降。當油酸用量較小時，油酸分子介入玉米醇溶蛋白分子間，增加玉米醇溶蛋白分子相對移動，減弱醇溶蛋白結晶趨勢，增加膜的柔韌性[12,19]，提高膜的拉伸強度；當油酸用量過大時，過量的油酸分散于玉米醇溶蛋白分子間，阻礙玉米醇溶蛋白分子間結合，使膜的拉伸強度減小。

2.2 復合增塑劑各組分用量優化

2.2.1 響應面法優化試驗結果

在單因素試驗基礎上，選取山梨醇用量(A)、半乳糖用量(B)、油酸用量(C)為自變量，玉米醇溶蛋白膜拉伸強度為響應值，根據三因素三水平的響應面試驗設計，共建立17個試驗點，其中12個為析因點、5個為零點，零點試驗進行5次。試驗設計方案及結果見表2。

表 2 Box-Behnken試驗設計與結果Table 2 Box-Behnken design and experimental results

2.2.2 回歸模型的建立與顯著性分析

利用Design Expert 7.0.0軟件對表2試驗數據進行二次多元回歸擬合分析，得到玉米醇溶蛋白膜的拉伸強度(Y)對山梨醇用量、半乳糖用量和油酸用量3個因素的二次多項式回歸模型為：Y=16.67－0.62A－1.11B＋0.23C－0.13AB－0.84AC－0.61BC－1.58A2－1.01B2－1.64C2。二次多項式回歸模型分析結果見表3。

表 3 擬合二次多項式模型的方差分析Table 3 Analysis of variance (ANOVA) for the fitted quadratic polynomial model

從表3可知，模型的P值小于0.01，說明Y與A、B和C的回歸方程的關系是極顯著的，所以模型極顯著，并與實際試驗擬合較好。本試驗中模型決定系數R2=0.9848，校正系數RAdj2=0.9652，說明玉米醇溶蛋白膜拉伸強度的試驗值與模型的回歸值有較好的一致性，即模型能夠解釋各因素與響應值的變化關系。失擬項F=5.06，P=0.0757＞0.05，不顯著，說明該模型擬合程度較好，即回歸方程能充分反映實際情況。因此，可以用此模型來分析和預測復合增塑劑對玉米醇溶蛋白膜拉伸強度的影響?；貧w方程各項的方差分析結果表明各因素對玉米醇溶蛋白膜的拉伸強度影響強弱順序為：半乳糖用量＞山梨醇用量＞油酸用量。其中，A、B、A2、B2、C2、AC、BC對玉米醇溶蛋白膜拉伸強度的影響極顯著。

2.2.3 響應面分析結果

利用Design Expert 7.0.0軟件對表2試驗數據進行二次多元回歸擬合，得到的回歸方程的響應面及其等高線圖如圖4所示。

圖 4 各因素交互作用對玉米醇溶蛋白膜拉伸強度影響的響應面及等高線圖Fig.4 Response surface and contour plots showing the effect of pairwise interaction among different factors on zein films

圖4a所示，在響應面圖中，當油酸用量固定在零水平時，隨著半乳糖用量的增多，蛋白膜拉伸強度呈現先上升后下降的趨勢；隨著山梨醇用量的增加，膜拉伸強度變化也呈現先上升后下降的趨勢。在半乳糖用量0.15～0.18g/g pro、山梨醇用量0.18～0.20g/g pro時，膜的拉伸強度出現最大值。等高線呈圓形，說明山梨醇用量與半乳糖用量交互作用不顯著。圖4b所示，當半乳糖用量固定在零水平時，在油酸用量0.3～0.35g/g pro、山梨醇用量0.18～0.20g/g pro時，膜拉伸強度出現最大值。等高線呈橢圓形，表明山梨醇用量與油酸用量交互作用顯著，而且山梨醇用量對膜拉伸強度的影響較油酸用量的影響明顯。圖4c所示，當山梨醇用量固定在零水平時，隨著半乳糖用量的增多，膜的拉伸強度呈現先上升后下降的趨勢；隨著油酸用量的增加，膜的拉伸強度也呈現先上升后下降的趨勢。在半乳糖用量0.15～0.18g/g pro、油酸用量0.3～0.35g/g pro時，膜的拉伸強度出現最大值。等高線呈橢圓形，說明油酸用量與半乳糖用量交互作用顯著。

2.2.4 復合增塑劑優化組合及驗證

為進一步確定最佳參數，對擬合的回歸方程分別求一階偏導數，得A=－0.103、B=－0.297、C=0.214，即最佳參數為：山梨醇用量0.19g/g pro、半乳糖用量0.17g/g pro、油酸用量0.32g/g pro，玉米醇溶蛋膜拉伸強度理論值為17.10MPa。實際測得玉米醇溶蛋膜拉伸強度為16.95MPa，比理論預測值低0.88%，該模型對實驗結果具有較好的預測性。

2.3 不同增塑劑獲得的玉米醇溶蛋白膜掃描電鏡圖比較與分析

表 4 不同玉米醇溶蛋白膜增塑劑配方和膜機械性能Table 4 Plasticizer fomulations and their influence on the mechanical properties of zein films

圖 5 玉米蛋白膜掃描電鏡圖Fig.5 SEM images of zein films

增塑劑與蛋白質分子間作用力形式及強弱影響其成膜性及膜的致密性和均勻程度，而適當致密、均勻的蛋白膜網狀結構可改善蛋白膜的性能[20-21]，高品質膜表面光滑，較少有孔隙、凸起和縫隙[22]。由表4和掃描電鏡圖5可以看出不同增塑劑對蛋白膜表面結構具有較大影響。樣品a為無添加增塑劑，采用玉米醇溶蛋白單一成分制備的玉米蛋白膜，在放大500倍時，結構非常緊密并表面光滑，沒有凸起和孔隙；放大5000倍時，可以清晰觀察膜表面沒有任何凸起和孔隙，光滑、緊密，但膜剛性強、質地較脆、易斷裂，拉伸強度僅為5.72MPa，無實際應用意義。樣品b在放大500倍時，膜表面較光滑，微觀結構較為緊密，有少量凸起，沒有孔隙和縫隙；放大5000倍時，雖然有少量孔隙，但均小于2μm，膜表面較光滑，拉伸強度為16.95MPa，約為單純玉米醇溶蛋白膜拉伸強度的3倍；斷裂伸長率為2.68%，是單純玉米醇溶蛋白膜的1.6倍。樣品c在放大500倍時，微觀結構松散、表面粗糙，出現縫隙，縫隙大于20μm；放大5000倍時，能清楚看到蛋白分子間出現較大縫隙；其主要原因是山梨醇用量過多，在成膜過程中玉米醇溶蛋白分子間吸收了大量的水分，在干燥過程中水分蒸發，致使膜表面出現縫隙、拉伸強度較樣品b的1/3。較多使用油酸的樣品d在放大500倍時，表面較為光滑，微觀結構出多孔狀，孔隙小于20μm，放大5000倍時，可以清楚看到膜表面孔隙大于2μm，孔隙邊緣較為光滑，表面有油酸析出，拉伸強度約為樣品b的1/2。半乳糖使用量較大的樣品e在放大500倍時，微觀結構呈多層片狀、表面粗糙，放大5000倍時，表面結構依然粗糙，出現孔隙，孔隙在2μm左右，拉伸強度較樣品樣品b大幅度降低。對照樣品f在放大500倍時，膜表面光滑，并且微觀結構緊密，有少量的凸起；放大5000倍時，可以清楚看到凸起小于2μm；樣品b的拉伸強度及斷裂伸長率皆為對照樣的1.2倍，即對照樣f的抗拉伸和抗斷裂能力均不及樣品b。Ghasemlou等[23]經實驗發現，甘油能使膜表面更光滑，粗糙度降低，但山梨醇在改善膜的拉伸強度方面優于甘油。Ghanbarzadeh等[24]曾在實驗中，10%玉米醇溶蛋白液中分別加入甘油和橄欖油為0.3g/g和0.7g/g，250r/min攪拌30min，經測量得拉伸強度和斷裂伸長率如圖6、7所示。甘油玉米醇溶蛋白膜斷裂伸長率與樣品b相接近，但樣品b拉伸強度比甘油玉米醇溶蛋白膜有顯著提高。橄欖油玉米醇溶蛋白膜斷裂伸長率和拉伸強度均比樣品b明顯降低。

圖 6 幾種玉米醇溶蛋白膜的拉伸強度Fig.6 Tensile strength of films based on zein from different sources

圖 7 幾種玉米醇溶蛋白膜的斷裂伸長率Fig.7 Elongation at break of films based on zein from different sources

3 結 論

3.1 采用響應面法優化復合增塑劑各組成成分配比，并考察其對玉米蛋白膜拉伸強度的影響，復合增塑劑最佳配比為山梨醇用量0.19g/g pro、半乳糖用量0.17g/g pro、油酸用量0.32g/g pro，以此制備的玉米蛋白膜拉伸強度為16.95MPa，斷裂伸長率為2.68%。

3.2 采用山梨醇、半乳糖、油酸制備的復合增塑劑成膜性及制備的蛋白膜表面性能優于采用甘油和油酸組成的增塑劑制備的蛋白膜，膜拉伸強度增大，抗斷裂能力增強，膜表面結構光滑，柔韌度較好，具有實際應用價值。

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