pH和雙醛淀粉對羅非魚魚皮明膠膜性質的影響

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(集美大學生物工程學院,福建廈門 361021)

pH和雙醛淀粉對羅非魚魚皮明膠膜性質的影響

唐蘭蘭,趙陽芳,翁武銀*,陶忠,鄭惠彬

(集美大學生物工程學院,福建廈門 361021)

考察了pH和雙醛淀粉(DAS)對魚皮明膠膜的機械性能和耐水性能的影響。結果表明,隨著pH的升高,明膠膜的抗拉伸強度(TS)呈現先增加后降低的趨勢,pH7時達到最大值(23.78MPa),而膜的固形物溶解率(MS)和蛋白溶解率(PS)逐漸下降。當明膠膜添加了DAS后,膜的TS顯著增大(p<0.05),而MS和PS都顯著下降(p<0.05)。另一方面,在pH7下,添加1.5%的DAS可有效提高膜的機械性能和耐水性能。SDS-PAGE分析結果表明,在成膜過程中pH對明膠蛋白組分沒有產生明顯的影響,DAS與明膠蛋白之間發生了交聯反應。

魚皮明膠膜,雙醛淀粉,機械性能,耐水性能

隨著人們對生態環境保護意識的日益加強,利用蛋白質、多糖、脂質等天然高分子材料制備可食膜替代傳統的塑料膜已成為近年來的研究熱點之一[1]。其中,蛋白可食膜不僅具有一定的營養價值,還具備良好的阻氣性能和機械性能[2],淡水魚類明膠蛋白膜機械性能已經接近OPP塑料包裝膜[3-4]。然而,由于明膠蛋白中親水性氨基酸含量較高,導致明膠蛋白膜耐水性能差,機械性能易受環境濕度影響[1,4-5],限制了蛋白膜的應用范圍。一般,利用物理交聯、化學交聯及酶交聯等方法促進蛋白分子交聯,可以提高蛋白膜的機械性能和耐水性能。然而,物理交聯的交聯強度不夠[6],酶法交聯采用的酶制劑成本太高[7],而以戊二醛、甲醛、乙二醛為主的化學交聯劑具有毒性,在可食膜中的應用受到限制[8-10]。另一方面,利用氧化劑將淀粉中葡萄糖單元的羥基氧化成醛基得到的雙醛淀粉(DAS)具有低毒性、生物可降解性、可再生性等特征[11-12],其醛基與明膠分子中的賴氨酸和羥賴氨酸殘基上的ε-氨基容易發生交聯反應[13]。據報道,適量的DAS可以顯著提高動物明膠膜的耐水性能[14],而且可以提高明膠膜的抗拉伸強度、平衡溶脹率及耐熱降解穩定性[15]。然而,關于在不同pH魚皮明膠成膜液中添加DAS對膜性質的影響目前卻鮮有報道。本文利用羅非魚魚皮明膠制備可食性蛋白膜,考察了pH和DAS的添加對明膠蛋白膜性質的影響,為利用DAS改良明膠膜的性質提供依據。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

新鮮的尼羅羅非魚魚皮 由廈門同安源水水產食品有限公司提供；雙醛淀粉,AR 泰安市金山變性淀粉有限公司；甘油,AR 國藥集團化學試劑有限公司；氫氧化鈉,AR 廣東光華化學廠有限公司；鹽酸,AR 西隴化工股份有限公司；DC蛋白測定試劑盒 美國Bio-Rad公司。

UV-8000A型紫外可見分光光度計 上海元析儀器有限公司；UM-113型攪拌脫泡機 日本Unix有限公司；PSX智能型恒溫恒濕箱 寧波萊福科技有限公司；厚度儀 日本Ozaki MFG公司；TMS-PRO質構儀 美國Food Technology公司；WSC-S測色色差計 上海精密科學儀器有限公司；G:Box凝膠成像儀 英國Syngene公司。

1.2實驗方法

1.2.1 魚皮明膠的提取 魚皮明膠提取參照陳書霖等[16]報道的方法。將羅非魚魚皮用相當于其質量三倍的0.05mol/L NaOH溶液在4℃下浸泡16h后,用冰水漂洗至中性,再于室溫下用三倍體積的0.05mol/L HCl浸泡2h,用冰水漂洗至中性后,利用80℃水浴浸提1h,迅速冷卻至室溫后離心(15000×g,25℃,20min),取上清液進行冷凍干燥制備成明膠粉末樣品,保存在-18℃下,供以下實驗使用。

1.2.2 魚皮明膠蛋白膜的制備 在明膠粉末中加入適量蒸餾水溶脹30min后,利用60℃水浴30min使明膠完全溶解,根據Lowry法[17]利用試劑盒測定溶液中的蛋白含量,將明膠蛋白濃度調配至2%(w/v),添加蛋白質量20%的甘油,利用1mol/L NaOH將溶液pH調整至目標值后,混合均勻得到成膜液,利用攪拌脫泡機對其脫泡后倒在5cm×5cm的有機硅樹脂框內,置于恒溫恒濕箱中,在溫度(25±1)℃、相對濕度(RH)50%±5%下干燥24h后制備成明膠蛋白膜。將膜從有機硅樹脂上小心剝離,在溫度(25±1)℃、RH 50%±5%的恒溫恒濕箱中平衡24h后,作為實驗的測試樣品。

為了考察DAS對明膠膜性質的影響,將經80℃水浴完全溶解的DAS添加到上述成膜液中。其中,考察不同pH下DAS對明膠膜性質的影響時,DAS的添加量為明膠蛋白質量分數的1%；考察DAS添加量對明膠膜性質的影響時,成膜液的pH為7。

1.2.3 蛋白膜機械性能的測定 明膠蛋白膜機械性能參考翁武銀等[1]報道的方法進行測定。膜的抗拉伸強度(tensile strength,TS)和斷裂延伸率(elongation at break,EAB)按照以下公式進計算：

TS(MPa)=F/S

EAB(%)=(E/30)×100

式中,F為膜斷裂時承受的最大張力(N),S為膜的橫斷面積(m2)；E為膜斷裂時被拉伸的長度(mm),30為拉伸測試時初始間隔的距離(mm)。

1.2.4 蛋白膜顏色的測定 蛋白膜的顏色利用WSC-S測色色差計進行測定。膜的顏色參數為：L*(明度),a*(紅綠值),b*(黃藍值),其中白板的參數值為：L*=91.86,a*=-0.88,b*=1.42。

1.2.5 蛋白膜的蛋白溶解率和固形物溶解率的測定 將蛋白膜稱重后放入含有0.1%疊氮鈉水溶液的錐形瓶中,在30℃下振蕩24h后,未溶解的蛋白膜在105℃常壓下干燥測定其重量,溶解在水中的蛋白質量根據Lowry法[17]進行測定,膜中總蛋白質量利用凱氏定氮法進行測定。蛋白溶解率為溶解的蛋白質量占膜中總蛋白質量的百分比,固形物溶解率為溶解的蛋白膜干重占原始膜干重的百分比。

1.2.6 SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE) 蛋白膜利用蛋白變性劑(2% SDS、8mol/L尿素、20mmol/L Tris-HCl,pH8.8的溶液)進行溶解后,溶解的蛋白利用6%的分離膠在10mA恒流下進行電泳,電泳結束后用考馬斯亮藍R-250染色液染色,然后用脫色液(V甲醇∶V乙酸∶V水=30∶10∶60)脫色到背景完全透明為止,利用凝膠成像儀進行拍照保存。

1.2.7 數據統計與分析 所有數據采用SPSS 17.0軟件進行ANOVA方差分析,顯著性檢驗方法為Duncan多重檢驗,檢測限為0.05[18]。

2 結果與分析

2.1 pH對添加DAS羅非魚魚皮明膠膜性質的影響

2.1.1 明膠膜的機械性能 pH和DAS對羅非魚魚皮明膠膜的抗拉伸強度(TS)及斷裂延伸率(EAB)的影響如圖1所示。在未添加DAS的條件下,隨著成膜溶液pH的升高,膜的TS出現先增大后減小的趨勢,在pH7時達到最大值。當明膠成膜溶液中添加蛋白質量1%的DAS后,任一pH下膜的TS都得到了顯著提高(p<0.05),而且在堿性條件下制備的膜其TS明顯高于酸性條件。DAS中的醛基與明膠分子中賴氨酸(Lys)和羥賴氨酸(Hyl)殘基上的ε-氨基容易發生交聯反應[13],結果導致明膠膜的強度得到提高(圖1),可能在堿性條件下,明膠溶液中產生較多的游離Lys和Hyl[19],促進DAS與其交聯,因此TS的增加幅度更大。

圖1 pH和雙醛淀粉(DAS)對羅非魚魚皮明膠膜 抗拉伸強度和斷裂延伸率的影響

明膠膜的EAB在pH6時最低,添加了DAS后,在pH6和pH7下制備的明膠膜其EAB都得到顯著增加。這可能是DAS中含有較多的羥基,具有明顯的增塑作用,使明膠膜的延展性得到增強[14]。然而,在pH5、8下DAS的添加沒有使明膠膜的EAB產生明顯的變化(p<0.05),而且也沒有觀察到pH對DAS-明膠膜的EAB產生明顯的影響,表明DAS的增塑作用具有一定的飽和性。

2.1.2 明膠膜的色澤 色澤是表征蛋白膜性能的一項重要指標,pH和DAS對羅非魚魚皮明膠蛋白膜色澤影響結果如表1所示。由表1可知,未添加DAS時,pH對明膠膜的L*值、a*值和b*值均無顯著影響(p>0.05)。當明膠膜添加了蛋白質量1%的DAS后,在pH7和pH8下制備的膜的L*值得到顯著提高(p<0.05),表明膜的透明性得到增強。而膜的a*值和b*值則隨著DAS的添加分別出現降低和升高,且隨著pH的上升,兩者的變化趨勢增強。通常,DAS與明膠蛋白之間的美拉德反應在中性或堿性條件下相對酸性條件時更易發生[20],結果使膜的顏色變黃。

2.1.3 明膠膜的SDS-PAGE分析 明膠膜中蛋白組分的SDS-PAGE分析結果如圖2所示。由圖2可以看出,未添加DAS時,不同pH成膜溶液制備的明膠膜中主要蛋白組分沒有明顯差異,都是由β肽鏈、α1肽鏈和α2肽鏈組成。而當明膠膜添加了DAS后,在SDS-PAGE中觀察到濃縮膠頂部存在明顯的高分子組分(HMWF),表明DAS與明膠蛋白之間在干燥成膜過程中發生了交聯反應,使膜的強度增強(圖1)。

表1 pH和DAS對羅非魚魚皮明膠膜顏色的影響

注：同一列不同小寫字母表示顯著性差異(p<0.05),表2～表4同。

圖2 羅非魚魚皮明膠膜的SDS-PAGE圖譜

2.1.4 明膠膜的耐水性能 膜的固形物溶解率(MS)可作為評價蛋白膜耐水性能的指標[14],而膜的蛋白溶解率(PS)也用于判斷膜中蛋白的交聯效果[21]。pH和DAS對羅非魚魚皮明膠膜MS和PS的影響結果如表2所示。由表2可以看出,未添加DAS時,明膠膜的MS和PS都隨著成膜液pH的上升呈現降低的趨勢,與文獻[19]的報道相一致。當添加DAS后,膜的MS和PS也出現降低的趨勢。通常,明膠蛋白中的氨基可與水結合形成氫鍵,而DAS容易與Lys和Hyl的ε-氨基發生交聯,且在堿性條件下交聯反應更易發生,因此降低了膜的吸水能力,使明膠膜的耐水性能得到提高。

表2 pH和DAS對羅非魚魚皮明膠膜固形物溶解率(MS) 和蛋白溶解率(PS)的影響

以上結果表明,中性及堿性條件下的成膜液制備的明膠膜其機械性能(圖1)和耐水性能(表1)都優于酸性條件下的樣品。另一方面,明膠膜中添加DAS后,在中性及偏堿性條件下,明膠膜的強度得到明顯提高(p<0.05),且其耐水性能也得到有效改善(表2)。然而,在實際應用中,中性條件的蛋白膜更適合用于包裝食品,因此在pH7條件下進一步考察DAS添加量對明膠膜性質的影響。

2.2 DAS添加量對羅非魚魚皮明膠膜性質的影響

2.2.1 明膠膜的機械性能 在pH7條件下,隨DAS添加量的增加,明膠膜的TS出現先增加后降低的趨勢(圖3)。這可能是由于DAS與明膠蛋白形成了過多局部交聯點使膜的應力集中導致其強度降低[15]。另一方面,少量的DAS會使明膠膜的EAB出現上升的趨勢,當DAS的添加量超過蛋白質量的1.0%時,膜的EAB不再發生明顯的變化。這個現象再次表明DAS對魚皮明膠膜的增塑作用具有一定的飽和性。

圖3 DAS添加量對羅非魚魚皮明膠膜的抗拉伸強度(TS) 和斷裂延伸率(EAB)的影響

2.2.2 明膠膜的色澤 在pH7條件下,伴隨著DAS添加量的增加,明膠膜的L*值沒有顯著變化,而a*值和b*值分別呈現下降和增加的趨勢(表3)。這主要是DAS的添加促進了干燥成膜過程中的美拉德反應的發生,導致明膠蛋白膜變得越黃,這一結果類似于DAS添加對大豆分離蛋白膜[21]和蛋清膜[22]顏色的影響。

表3 DAS添加量對羅非魚魚皮明膠膜顏色的影響

2.2.3 明膠膜的SDS-PAGE分析 利用SDS-PAGE分析DAS-明膠膜的蛋白組分,結果表明,在pH7條件下,DAS添加量為0.5%～1.5%時,濃縮膠頂部HMWF的條帶濃度與添加量成正相關關系。然而,當進一步增加DAS時,HMWF條帶濃度出現了降低的趨勢。這可能是過量的DAS與明膠蛋白組分大量交聯,導致明膠膜在蛋白質變性劑(2% SDS、8mol/L尿素)中的溶解性下降(數據未顯示),因此形成的HMWF的條帶濃度在SDS-PAGE中也降低。

圖4 羅非魚魚皮明膠膜的SDS-PAGE圖譜

2.2.4 明膠膜的耐水性能 表4顯示的是DAS添加量對明膠蛋白膜的MS和PS的影響。由表4可知,在pH7條件下,隨著添加量的增加,明膠蛋白膜的MS逐漸降低(p<0.05),這與文獻14相吻合。當DAS添加量超過2.0%時,膜的MS和PS的下降幅度明顯減緩(表4)。雖然DAS與戊二醛一樣都含有醛基,能夠與明膠蛋白分子發生交聯反應[13],但可能是DAS分子量較大會產生空間位阻,與明膠蛋白的交聯反應不容易發生徹底[10,22],導致膜的MS和PS與DAS添加量之間沒有呈現出線性關系。此外,有意思的是明膠膜的PS總是高于MS,表明了明膠膜的耐水性能主要取決于明膠蛋白的溶解性。

表4 DAS添加量對羅非魚魚皮明膠膜的MS和PS的影響

3 結論

利用羅非魚魚皮明膠可以制備無色透明的可食膜,成膜溶液的pH對明膠膜的色澤沒有顯著的影響,在中性和偏堿性條件下可以獲得機械性能和耐水性能良好的明膠膜。當明膠膜添加了適量DAS后,膜的機械性能、耐水性能可以得到有效改善,而且堿性條件下的效果優于酸性條件。這主要是在堿性條件下DAS的添加會促進明膠蛋白分子之間發生交聯反應,使膜的顏色變黃。

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Effect of pH and dialdehyde starch on the properties of tilapia skin gelatin films

TANGLan-lan,ZHAOYang-fang,WENGWu-yin*,TAOZhong,ZHENGHui-bin

(College of Biological Engineering,Jimei University,Xiamen 361021,China)

The effect of pH and dialdehyde starch(DAS)on the mechanical properties and water resistance of edible gelatin films prepared from tilapia skins was investigated. With increasing pH of film-forming solution,the tensile strength(TS)of films firstly increased,but a decrease of TS was observed after pH7,where the maximum TS of 23.78MPa was found. However,the matter solubility(MS)and protein solubility(PS)of gelatin films decreased gradually with increasing pH. The TS of gelatin films increased when incorporating DAS into film-forming solution,while their MS and PS declined significantly. On the other hand,the mechanical properties and water resistance of films were effectively improved by adding 1.5% DAS at pH7. Based on the SDS-PAGE analysis,no obvious change in the gelatin components was found at different pH during the film forming process,and the crosslinking between gelatin proteins was mainly induced by DAS.

gelatin films;dialdehyde starch;mechanical properties;water resistance

2013-07-01 *通訊聯系人

唐蘭蘭(1989-),女,碩士研究生,主要從事蛋白質化學和水產加工研究。

福建省高校新世紀優秀人才支持計劃(JA11143)；大學生創新創業訓練計劃項目(Z81255)；廈門市科技計劃項目(3502Z20123025)。

TS206.4

：A

：1002-0306(2014)01-0098-05