殼聚糖添加量對大豆分離蛋白復合包裝材料性能的影響

郭曉飛，張 超，李 武，馬 越，趙曉燕

（北京市農林科學院蔬菜研究中心，農業部華北地區園藝作物生物學與種質創制重點實驗室，農業部都市農業（北方）重點實驗室，北京 100097）

殼聚糖添加量對大豆分離蛋白復合包裝材料性能的影響

郭曉飛，張 超，李 武，馬 越，趙曉燕*

（北京市農林科學院蔬菜研究中心，農業部華北地區園藝作物生物學與種質創制重點實驗室，農業部都市農業（北方）重點實驗室，北京 100097）

研究殼聚糖添加量對大豆分離蛋白復合材料機械性能、阻隔性能、顏色和結構的影響，以提高大豆分離蛋白可食性包裝材料的性能。結果表明：當殼聚糖與大豆分離蛋白的質量比為1∶1時，復合材料的綜合性能最佳，其抗拉強度提高，斷裂伸展率、水蒸氣透過率和氧氣透過率降低，顏色略微發黃。紅外光譜分析結果顯示提高復合材料的機械性能和阻隔能力的主要原因可能是大豆分離蛋白與殼聚糖之間形成醚鍵或C－N鍵。

大豆分離蛋白；殼聚糖；包裝材料；阻隔性能；紅外光譜

塑料包裝具有使用方便、成本低廉等優點，但不可降解，會對自然環境造成威脅[1]。近年來，以多糖、蛋白質和脂質為原材料制備的可食性包裝材料因其可降解性和可食性而受到關注[2]，研究發現可食性材料已經顯示出延長食品貨架期，提高食品安全性等功能[3-5]。大豆分離蛋白（soybean protein isolate，SPI）可食性材料以其優良的氧氣阻隔性和可降解性[5-8]而受到關注，但是，SPI中球蛋白含量高，致其機械性能較差；而豐富的親水性基團降低其對水蒸氣的阻隔能力[9]。殼聚糖是以2-氨基-2-脫氧-β-D-葡萄糖為重復單元的線性多糖，具有良好的可降解性和阻隔性能[10-11]。使用SPI和殼聚糖制備復合包裝材料將有效提高復合材料的性能。

前期研究發現SPI和殼聚糖具有良好的生物相容性和可降解性[12]；將殼聚糖添加至魔芋膠和SPI復合材料可以有效提高其水蒸氣阻隔能力[13]。因此，在SPI中添加殼聚糖制備的包裝材料可能具有巨大的應用潛力。但是，關于殼聚糖添加量對SPI復合材料性能的系統研究還鮮有報道，本研究系統評價殼聚糖添加量對SPI復合材料性能的影響，并對其結構進行深入探討。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大豆分離蛋白（GS5000） 山東谷神科技股份有限公司。

殼聚糖（脫乙酰度80%～95%）、甘油（純度≥99%）國藥集團化學試劑北京有限公司。

1.2 儀器與設備

T-10 Basic手持分散機 德國IKA公司；TA·XT plus物性分析儀 英國SMS公司；OX-TRAN Model 2/61 氧氣透過率儀、PERMATRAN-W Model 1/50G水蒸氣透過率儀 美國Mocon公司；CM-3700d 色差分析儀 日本Konica Minolta公司；UV-1800型分光光度計 日本島津公司；FTIR 6700型傅里葉紅外色譜儀 美國尼高力公司。

1.3 方法

1.3.1 復合材料的制備

分別將100 g的SPI和殼聚糖分別溶于1 000 mL濃度為0.1 mol/L的乙酸溶液，室溫下磁力攪拌24 h；將攪拌均勻的SPI與殼聚糖溶液分別按照質量比100∶0、75∶25、50∶50、25∶75和0∶100的比例進行混合；在上述溶液中分別添加25%甘油（占固形物的百分比）；90℃高溫攪拌30 min；使用手持高速分散機高速攪拌5 min；使用超聲振蕩器對溶液振蕩30 min，待其冷卻至室溫，澆注至聚乙烯平板；在30℃烘箱中干燥48 h成復合材料，依次命名為SPI100、SPI75、SPI50、SPI25和SPI0；將復合材料放置于飽和硝酸鎂的干燥器中平衡48 h（相對濕度（55±3）%，25℃），檢測相關性能參數。

1.3.2 材料厚度的測定

樣品厚度測定依據GB/T 6672－2001《塑料薄膜與薄片厚度的測定 機械測量法》，每個樣品對稱選取12個點進行測定，取其平均值。

1.3.3 機械性能的測定

樣品機械性能測試采用美國實驗材料學會方法，測定材料的抗拉強度和斷裂伸展率[14]。將樣品裁成25mm×80mm的矩形進行力學性能測試，初始夾具為45mm，觸發力為5g，拉伸速率為1mm/s，重復4次，求其平均值。按照公式（1）、（2）計算抗拉強度和斷裂伸展率。

式中：F為材料斷裂所承受最大拉力/N；a為材料的厚度/mm；b為材料寬度/mm；L0為材料的長度/mm；L1為斷裂時材料的長度/mm。

1.3.4 水蒸氣透過率的測定

樣品水蒸氣通過率測定依據美國實驗材料學會標準方法進行測試。樣品測試面積為5 cm2，高純氮氣吹掃材料的兩側，滲透側和干燥側的濕度分別為50%和15%。材料的水蒸氣透過率按照公式（3）計算。

式中：v為水蒸氣的傳遞速率/（（g·MPa）/（m2·d））；ΔP為樣品兩側的壓差（0.1 MPa）；d為樣品的厚度/m。

1.3.5 氧氣透過率的測定

氧氣透過率的測定根據美國實驗材料學會的方法[15]。在常壓、25℃和55%的濕度下利用透氧儀測定材料的氧氣透過率，材料的測試面積為10 cm2，材料的上側為高純氧氣，下側吹掃氣體為氮氫混合氣（氫氣含量為2%）。

1.3.6 顏色的測定

利用色差分析儀測定樣品顏色，首先對色差分析儀進行黑板和白板校正，然后測定樣品的L*、a*和b*值。L*從0（黑）到100（白）；a*值范圍從－80（黃）到100（紅）；b*值從－80（藍）到70（黃）。

1.3.7 傅里葉紅外光譜的測定

利用ATR附件對樣品進行紅外光譜掃描，樣品測試前進行空白校正，扣除空氣中CO2和水分子對樣品的干擾，掃描32次，掃描分辨率為4 cm-1，掃描范圍為4 000～650 cm-1。

1.4 數據處理

實驗重復3次，每次測定做3個平行樣品，結果以±s表示。利用Origin 8.0（美國Origin Lab公司）對圖像進行繪制；SAS9.1.3（美國SAS公司）對數據進行統計分析，Duncan’s多重比較評估同組實驗均值間的差異性，置信區間為95%。

2 結果與分析

2.1 殼聚糖添加量對SPI復合材料厚度的影響

圖1 殼聚糖添加量對SPI復合材料厚度的影響Fig.1 Effect of chitosan content on the thickness of SPI composite packaging materials

由圖1可知，SPI100的厚度顯著高于添加殼聚糖的包裝材料厚度。因為殼聚糖為線性鏈狀多糖，為致密有序結構，因而含有殼聚糖的包裝材料結構更加緊密，厚度降低。類似的結論，Kristo等[16]也曾報道，他們發現以多糖為基質的包裝材料的致密性一般優于蛋白質，提高多糖的在包裝材料中的比例，可以降低復合材料的厚度，且呈現出更為優良的氣體阻隔能力和力學性能[3,17]。

2.2 殼聚糖添加量對SPI復合材料機械性能的影響

圖2 殼聚糖添加量對SPI復合材料機械性能的影響Fig.2 Effect of chitosan content on the mechanical properties of SPI composite packaging materials

由圖2可知，SPI100的抗拉強度顯著低于其他各復合材料，隨著殼聚糖添加量的增加，復合材料的抗拉強度呈顯著上升趨勢（P＜0.05）。原因可能在于SPI富含豐富的官能團促進其與殼聚糖分子內和分子間的交聯，降低了分子間的移動性，從而提高復合材料的抗拉強度。所制備包裝材料的抗拉強度略高于孫秀秀等[18]的研究結果，低于Jia Dongying等[13]以殼聚糖、SPI的魔芋膠三相體系的包裝材料。復合材料的斷裂伸展率呈現與抗拉強度相反的變化趨勢。其中，SPI100和SPI75的斷裂伸展率顯著高于其他復合材料，并且復合材料的斷裂伸展率隨殼聚糖添加量升高而降低。

2.3 殼聚糖添加量對SPI復合材料水蒸氣透過率的影響

圖3 殼聚糖添加量對SPI復合材料水蒸氣透過率的影響Fig.3 Effect of chitosan content on the water vapor permeability of SPI composite packaging materials

水蒸氣透過率是評價包裝材料的重要指標，包裝材料水蒸氣透過率過高直接影響食品的色、香、味等感官品質。由圖3可知，添加殼聚糖有效降低復合材料的水蒸氣透過率。而SPI含有58%極性氨基酸，會形成水分子通道，因而其對水蒸氣阻隔能力較弱，SPI100的水蒸氣透過率顯著高于其他復合材料（P ＜0.05）。SPI50和SPI0的水蒸氣透過率相當，大約僅為SPI100的50%。與實驗的結論一致，Ferreria等[19]發現殼聚糖添加量增加可以降低乳清蛋白-殼聚糖復合材料的水蒸氣透過率。

2.4 殼聚糖添加量對SPI復合材料氧氣阻隔能力的影響

氧氣是食品品質降低的主要原因之一，提高包裝材料的氧氣阻隔能力可減緩食品氧化變質的速率，延長其貨架期。本研究是在55%的濕度環境下對材料的氧氣透過率進行測定，由圖4可知，殼聚糖添加顯著降低SPI復合材料氧氣透過率，并且隨著殼聚糖添加量增加，復合材料的氧氣透過率呈現下降的趨勢，與Park等[20]的研究結論一致。

圖4 殼聚糖添加量對SPI復合材料氧氣透過率的影響Fig.4 Effect of chitosan content on the oxygen permeability of SPI composite packaging materials

2.5 殼聚糖添加量對SPI復合材料顏色的影響

表1 殼聚糖添加量對SPI復合材料顏色的Table 1 Effect of chitosan content on the color of SPI composite packaging materi

表1 殼聚糖添加量對SPI復合材料顏色的Table 1 Effect of chitosan content on the color of SPI composite packaging materi

注：同列字母不同表示差異顯著（P＜0.05）。

樣品編號L*a*b* SPI10040.6±0.39a－0.40±0.09bc1.26±0.51aSPI7541.1±0.31a－0.35±0.02ab1.35±0.11aSPI5040.3±0.65a－0.44±0.05bc1.81±0.21aSPI2541.2±0.19a－0.46±0.07c1.43±0.45aSPI041.0±0.01a－0.27±0.01a0.36±0.01b

包裝材料的顏色直接影響消費者的選擇取向，是評價包裝材料的重要指標。由表1可知，殼聚糖添加量對SPI復合材料的L*值沒有顯著性影響；對復合材料的a*值產生顯著影響（P＜0.05），但從包裝材料的外觀來看并沒有太大異同；b*代表材料的黃藍值，SPI100的b*值顯著高于SPI0（P＜0.05），SPI50的b*值最大，推測SPI和殼聚糖發生了交聯反應，提高了b*值。而復合材料的b*值顯著低于以殼聚糖和瓜爾豆膠為基質的包裝材料[21]，顏色略黃，一般消費者可以接受。

2.6 傅里葉紅外光譜分析

圖5 復合材料的傅里葉紅外光譜分析Fig.5 FT-IR analysis of the composite packaging materials

由圖5可知，在SPI100中3273cm-1為O－H鍵的伸縮振動；2930、2877cm-1為C－H鍵的伸縮振動峰[22]；1628、1538cm-1分別為復合材料酰胺Ⅰ帶和酰胺Ⅱ帶的吸收峰[23-24]；1 241～1 471 cm-1為C－H伸縮振動和N－H彎曲振動（酰胺Ⅲ帶）吸收峰。在SPI0中1 374、1 413 cm-1分別為C－H對稱變形模式；1 651、1 563、1 320 cm-1分別對應酰胺Ⅰ帶、酰胺Ⅱ帶和酰胺Ⅲ帶吸收峰；1 029 cm-1為C－O鍵的吸收峰[24]。隨著復合材料中殼聚糖添加量的提高，酰胺Ⅰ帶和酰胺Ⅱ帶紅外吸收強度變弱，并發生一定程度的藍移。1 000～1 100 cm-1為多糖類物質C－O鍵的吸收峰[25]，因此復合材料中1 029 cm-1呈現很強的吸收峰，掩蓋了芳香氨基酸在1 040 cm-1的O－H鍵面外彎曲振動的尖銳吸收峰，并使其發生一定紅移[26]。SPI100中的1 398 cm-1吸收峰隨著殼聚糖添加量的增加逐漸紅移至SPI0的1 374 cm-1處，推斷為殼聚糖和SPI發生了化學交聯，是生成的醚鍵或C－N鍵的吸收[27-28]。

3 結 論

添加殼聚糖可提高SPI-殼聚糖復合材料的抗拉強度，降低其斷裂伸展率、水蒸氣透過率和氧氣透過率，使其顏色略微發黃。紅外光譜分析結果顯示提高復合材料的機械性能和阻隔能力的主要原因可能是大豆分離蛋白與殼聚糖之間形成醚鍵或C－N鍵。

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Effect of Chitosan Addition on Properties of Soybean Protein Isolate Composite Packaging Materials

GUO Xiao-fei, ZHANG Chao, LI Wu, MA Yue, ZHAO Xiao-yan*
(Key Laboratory of Biology and Genetic Improvement of Horticultural Crops (North China), Ministry of Agriculture, Key Laboratory of Urban Agriculture (North), Ministry of Agriculture, Beijing Vegetable Research Center, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100097, China)

The effect of chitosan addition on the color, mechanical properties and barrier properties of soybean protein isolate (SPI) composite packaging materials was evaluated. The composite packaging materials showed the best properties when the ratio of chitosan to SPI was 1:1. The tensile strength of the composite packaging materials increased, while the elongation at break, water vapor permeability and oxygen permeability decreased. Moreover, the color turned slightly yellow within the range of consumer acceptance. The formation of ether linkage or C－N bond between SPI and chitosan could be the major reasons for the improvement of these properties.

soybean protein isolate; chitosan; packaging materials; barrier properties; infrared spectroscopy

TS201.2

A

1002-6630(2014)01-0093-04

10.7506/spkx1002-6630-201401018

2012-12-13

北京市優秀人才項目（2010D002020000012）

郭曉飛（1986—），男，碩士研究生，主要從事農產品加工研究。E-mail：zhangchao@nercv.org

*通信作者：趙曉燕（1969—），女，研究員，博士，主要從事果蔬加工研究。E-mail：zhaoxiaoyan@nercv.org