乳酸鏈球菌素與植酸大豆蛋白復合膜的功能特性

楊萬根，李 菲，李中茂，朱秋勁，田維江 3

乳酸鏈球菌素與植酸大豆蛋白復合膜的功能特性

楊萬根1，李 菲1，李中茂1，朱秋勁2，田維江 3

（1.吉首大學食品科學研究所，湖南 吉首 416000；2.貴州大學釀酒與食品工程學院，貴州 貴陽 550025；3.貴州羅漢食品有限公司，貴州 貴陽 550018）

為了開發新型大豆蛋白可食膜，將天然減菌劑乳酸鏈球菌素（Nisin）和植酸加入到大豆蛋白膜中，研究它們對膜的遮光、隔氧、阻濕功能及蛋白質交聯度和膜結構的影響。結果表明：添加Nisin會引起大豆分離蛋白膜阻濕性和蛋白質交聯度下降，但遮光性和隔氧性增強。植酸對膜的遮光性、阻濕性、隔氧性和蛋白質的交聯度的影響與其添加量有關。電鏡掃描分析結果表明，大豆分離蛋白膜表面平整光滑，添加了Nisin后，膜中出現復雜紋路，但仍然呈大理石狀；繼續加入植酸，膜的大理石狀結構遭到了破壞。

可食膜；大豆分離蛋白；乳酸鏈球菌素；植酸；功能特性

可食膜是一種以多糖、蛋白質等天然可食性物質為原料制成的多孔網絡結構薄膜，具有無環境污染，可作為營養強化劑、抗菌劑載體等優點[1-2]。以大豆分離蛋白為原料制備的可食膜因透氣性低、蛋白質分子之間的交聯作用強烈、膜的機械特性優異等優點而成為近年來可食膜的研究熱點[3]。植酸是一種螯合能力強的天然添加劑，在食品工業中常作為抗氧化劑、穩定劑、護色劑、保鮮劑使用。Stodolak等[4]報道，植酸能有效降低生鮮牛肉和熟牛肉中硫代巴比妥酸值的累積，抑制生鮮牛肉中高鐵肌紅蛋白的形成。Nisin則是一種安全的生物防腐劑，在各類食品加工中已廣泛應用[5]。可食膜的研究正由單一成分制膜向由多種生物大分子制成、具有多種功能性質的多組分復合膜方向發展[6]，例如于有偉等[7]采用質量分數1%植酸殼聚糖復合涂膜處理鮮切蓮藕，發現復合涂膜處理能夠降低鮮切蓮藕的質量損失率和丙二醛含量，延緩藕片的褐變，同時使VC和多酚含量維持在較高水平。目前，已有大量Nisin可食膜的研究報道[8-9]以及大豆分離蛋白復合可食膜的報道[10-12]，但尚無Nisin植酸大豆蛋白復合可食膜的報道，因此本實驗向大豆分離蛋白可食膜中引入植酸和Nisin，研究植酸和Nisin對膜的遮光、阻濕、隔氧等功能的影響，為新型可食膜的開發提供技術參考。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

新鮮豬油購買新鮮肥豬肉自制；大豆分離蛋白粉安陽市奇天生物技術有限公司；Nisin浙江銀象生物工程有限公司；植酸、甘油（分析純）國藥集團化學試劑有限公司。

722型可見分光光度計上海瞬宇恒平科學儀器有限公司；FUJIWARA游標卡尺浙江臺州奇博工具有限公司；Quanta 200FEG掃描電子顯微鏡美國FEI公司。

1.2方法

1.2.1大豆蛋白抗菌膜的制備

膜的制備方法：稱取2 g大豆分離蛋白粉，加入80 mL蒸餾水，待充分攪拌后，加入質量分數45%（甘油-大豆分離蛋白）的增塑劑甘油，在70℃的水浴中充分攪拌20 min，反應結束后，冷卻至50℃，加入減菌劑，在50℃的水浴中繼續充分攪拌3 min，成膜液冷卻后倒在30 cm×30 cm光滑潔凈玻璃板上展開，在室溫下自然風干成膜備用。

加入減菌劑的劑量不同，得到11種不同的蛋白膜。N0+P0膜不含減菌劑，向其中加入Nisin使之終質量分數（下同）為1%、3%、5%、7%、9%，得到N1膜、N3膜、N5膜、N7膜、N9膜。向N9膜中加入植酸使之終質量分數為1%、3%、5%、7%、9%，得到N9+P1膜、N9+P3膜、N9+P5膜、N9+P7膜和N9+P9膜。

1.2.2膜的透光率測定

將膜切成1 cm×3 cm大小，貼在比色皿（1 cm）的一側，在500 nm波長處測定其透光率，以空皿做空白。隨后用游標卡尺在該膜上隨機選取5個點測厚度，取其平均值。

1.2.3膜的水蒸氣透過性測定

采用擬杯子法[13]：將待測的蛋白膜覆蓋于裝有無水硅膠的稱量瓶口處，置于30℃、相對濕度為80%的干燥器中（內裝飽和硫酸銨溶液），每12 h稱量一次，持續1周。同時測定對應膜的厚度，以及瓶口的面積。通過杯質量的增加量確定水蒸氣的透過量。計算公式如下：

式中：J為薄膜單位面積的透濕率/（g/（d·m2））；WVP為薄膜的透濕系數/（g·mm/（m2·d·kPa））；C為水蒸氣通透速率/（g/d）；X為膜厚度/mm；A為有效膜面積/m2；ΔP為膜兩側水蒸氣壓差/kPa。

1.2.4膜的交聯度測定

根據O’Connel等[14]的方法，將反應后的成膜溶液冷卻后，用去離子水稀釋50倍，在440 nm波長處測定吸光度A440nm，以判斷其交聯度。

1.2.5膜的抗氧化性測定

稱取適量新鮮豬油，盛于廣口瓶中，用制備的膜覆蓋，膜與瓶間接口用蜂蠟封住，以不覆蓋任何物質及覆以保鮮膜的油瓶作對照。各樣品置于60℃恒溫箱中，1周后揭開膜，稱取油樣2～3 g，按GB/T 5009.37—2003《食用植物油衛生標準的分析方法》規定的方法測定其過氧化值（peroxide value，POV）。

1.2.6膜表面結構的測定

膜表面噴金，直接于掃描電子顯微鏡下觀察，加速電壓為5.0 kV[15]。

1.3數據處理

實驗重復3次，結果取平均值。

2 結果與分析

2.1膜的透光率測定結果

Maran等[16]報道，可食膜的透光性受到塑化劑的影響，隨塑化劑量的增加，透光性增強。但本實驗膜配方中的塑化劑量固定，因此膜的透光性只受到Nisin和植酸添加量的影響。由圖1可知，N0+P0膜的厚度最小，透光率最高，達到92.86%。N0+P0膜配方中加入1%Nisin得到N1膜，其厚度是N0+P0膜的1.81倍，但其透光率并沒有大幅下降，為N0+P0膜的0.98倍。隨著Nisin添加量從1%增加到9%，膜的厚度減小，但透光率不升反降，說明Nisin的添加量與膜的透光率呈負相關。

圖1 不同膜的透光性Fig.1 Optical transmittance of various films

在N9膜配方中添加植酸，膜的透光率隨植酸添加量的增大經歷了升→降→升的變化。N9+P3膜比N9+P1膜多2%的植酸，厚度增加了0.4 ?m，但透光率增加了7.08%，因此在1%～3%植酸添加量范圍內，膜的透光率呈增加趨勢。N9+P5膜的厚度比N9+P3膜減小1.7 ?m，但透光率降低了11.7%，因此膜的透光率呈下降趨勢。N9+P7膜和N9+P9膜的厚度比N9+P5膜分別增加0.5 ?m和1 ?m，但透光率反而增加了0.43%和7.67%，因此呈增加趨勢。

復合膜的透光率可以作為判斷共混體系中高分子相容性好壞的依據之一。若復合膜中高分子的相容性差，則會由于在兩相界面上發生光散射或反射，致使膜的透光率變低[17]。圖1中Nisin膜的透光率均大于80%，說明Nisin分子與大豆分離蛋白分子的相容性較好，但是Nisin的持續增加會使共混體系的不相容性增大，透光率降低。植酸是一種親水性淡褐色漿狀液體，它的加入有利于大豆分離蛋白分子和Nisin分子的相互作用，但它又與蛋白質（固相）不相容，使共混體系不相容性增大，因此植酸對膜的透光性影響是兩者綜合的結果。在1%～3%植酸添加量范圍內，植酸的添加增大了大豆蛋白和Nisin分子的相容性，因此透光率增大。但植酸添加量為5%時，共混體系不相容性占據主導地位，透光率變小。之后繼續加入7%、9%的植酸破壞了蛋白質網絡結構，致使透光率增大。

2.2膜的阻濕性測定結果

圖2 不同膜的阻濕性Fig.2 Water vapor barrier property of various films

透濕率和透濕系數越高，表明膜的水蒸氣透過性越好。由圖2可知，N0+P0膜中加入Nisin后，透濕系數有較小幅度的增加，這是由于Nisin與大豆分離蛋白分子之間缺乏極好的相容性，Nisin加入后破壞了原來大豆分離蛋白分子間的致密網狀結構，致使膜的透水性增強。N9膜中添加1%植酸后，破壞了原來復合膜（Nisin+大豆蛋白）的固相致密結構，因此其水蒸氣透過性比N9膜增強。但植酸的親水性質又有利于Nisin和大豆分離蛋白分子的相互作用，因此在適量植酸作用下，膜的水蒸氣透過性最低。整體上看，適當添加量的Nisin會增強大豆分離蛋白膜的水蒸氣透過性，而植酸則因有增強復合膜中高分子的相容性的作用而呈現降低膜的水蒸氣透過性的趨勢。對于食品而言，低透濕率和透濕系數意味著水分蒸發降低，因此以N9+P3膜最佳。

2.3膜的阻氧性測定結果

圖3 不同膜的阻氧性Fig.3 Oxygen barrier property of various films

氧會影響到食品的保質期，將可食膜應用到食品中是一種解決食品保鮮的新方法[18]。Wihodo等[19]指出，蛋白膜是一種阻氣性能優良的可食膜。由圖3可知，N0+ P0膜比PE膜的阻氧性能更加突出。隨Nisin添加量的增加，膜的阻氧性能逐步增強，在7%添加量時達到最大阻氧性能。植酸的加入，在起始1%添加量時，由于破壞了

Nisin和大豆分離蛋白分子間的致密結構，使膜的阻氧性能降低。但是繼續增大植酸添加量，膜的阻氧性能又逐步增強，植酸添加量為5%時，即N9+P5膜的阻氧性能最佳。再增大植酸添加量，膜的阻氧性能又下降。實驗中為了增大膜中抗菌物質Nisin的含量，選擇了N9膜為基礎添加植酸。但是就所有膜而言，N7膜的阻氧性能最佳，N9+P5膜次之。

2.4膜的交聯度測定結果

圖4 不同膜的交聯度Fig.4 Degree of crosslinking of various films

膜中蛋白質的交聯度與膜的遮光性、阻濕性和阻氧性等功能呈正相關[20]。膜的吸光度越高，說明膜中蛋白質的交聯度越好。由圖4可知，1%Nisin的加入破壞了大豆分離蛋白的交聯，吸光度下降。但是3%的Nisin添加量促進膜的交聯度提升，再繼續加入Nisin會最終導致交聯度的下降。這可能是因為Nisin為小分子多肽，適量的Nisin加入到蛋白質溶液中對蛋白質大分子交聯起到一定的橋聯作用，而過少或過多都會破壞蛋白質大分子之間的交聯。Nisin的溶解度受到pH值的影響，在酸性環境中溶解度增大。在1%～5%植酸添加量區間內，植酸的加入明顯降低了大豆蛋白成膜液中蛋白質的交聯度。在5%～9%植酸添加量區間，隨植酸添加量的增大，交聯度又逐步升高。

2.5膜表面結構測定結果

圖5 不同膜的掃描電鏡圖Fig.5 Scanning electron micrographs of various films

為掌握Nisin和植酸添加量對膜結構的影響，選取Nisin和植酸最大添加量的N9膜和N9+P9膜以及對照N0+ P0膜進行電鏡掃描。張赟彬等[21]在研究中將大豆分離蛋白膜放大20 000倍和10 000倍，發現大豆分離蛋白膜上的蛋白分子排列密集，形成交織緊密的網狀結構，使得膜具有較強的阻水性。圖5中將3種膜放大3 000倍和1 000倍，發現N0+P0膜（大豆分離蛋白膜）表面平整光滑，呈大理石狀。N9膜表面平滑度下降，有明顯復雜紋路，但仍然呈大理石狀，說明大豆蛋白分子和Nisin分子組成的共混體系的相容性下降。Resa等[22]報道，向木薯淀粉可食膜中加入Nisin，能使膜表面變得粗糙。Storia等[23]在研究中也發現Nisin能引起聚乙烯膜表面變得明顯粗糙。在N9膜配方中再添加9%植酸后，N9+P9膜表面的大理石狀結構遭到破壞，說明植酸加入破壞了蛋白質交聯形成的網狀結構，這與膜的透光性、透氧性、透濕性增大結果一致。

3 結 論

添加Nisin和植酸兩種減菌劑對大豆蛋白膜的遮光、阻濕、隔氧等性能存在影響。大豆分離蛋白膜中添加Nisin會引起阻濕性下降，但遮光性和阻氧性增強。植酸的加入有利于大豆分離蛋白分子和Nisin分子的相互作用，但又會增大固-液相面，使共混體系不相容性增大，因此植酸對膜的遮光性、阻濕性、阻氧性的影響與其添加量有關。Nisin加入會導致膜中蛋白質交聯度輕微的下降，而植酸對膜中蛋白質交聯度的影響亦與其添加量有關。大豆分離蛋白膜表面平整光滑，呈大理石狀。添加了Nisin后，膜表面雖然出現復雜紋路，但仍然呈大理石狀；繼續加入植酸后，膜表面變得粗糙，膜的大理石狀結構遭到破壞。

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Functional Properties of Soybean Protein Isolate-Based Complex Films with Nisin and Phytic Acid

YANG Wangen1, LI Fei1, LI Zhongmao1, ZHU Qiujin2, TIAN Weijiang3
(1. Institute of Food Science, Jishou University, Jishou 416000, China; 2. School of Liquor and Food Engineering,
Guizhou University, Guiyang 550025, China; 3. Guizhou Luohan Food Co. Ltd., Guiyang 550018, China)

To develop a new kind of edible film, the natural preservatives nisin and phytic acid were incorporated to the formula of soybean protein isolate (SPI)-based film, and the barrier properties to light, water vapor and oxygen of the developed edible films were studied as well as their degree of crosslinking and structure. The results showed that the addition of nisin could reduce the water vapor barrier properties and degree of crosslinking of the SPI film, but enhance its light and oxygen barrier properties. The influence of phytic acid on the barrier properties and degree of crosslinking of the film was correlated with its addition amount. The scanning electron microscope showed that the surface of SPI-based film was smooth. Its marble-like pattern was maintained but became more complicated after the addition of nisin. After the further addition of phytic acid, the marble-like pattern of the film was destroyed.

edible film; soybean protein isolated; nisin; phytic acid; functional property

TS206.4

1002-6630（2015）11-0071-04

10.7506/spkx1002-6630-201511014

2014-08-15

貴州省農業科技攻關項目（黔科合NY字[2011]3099號）；吉首大學人才引進科研資助項目（8811310）

楊萬根（1974—），男，講師，博士，研究方向為肉制品深加工及食品生物技術。E-mail：yangwangen08@163.com