乳清蛋白抗菌薄膜中山梨酸鉀的擴(kuò)散性研究

張玉亭,雷 橋,,*,包建強(qiáng),潘家禎,黃志英

(1.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院,上海 201306;2.華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200237)

乳清蛋白抗菌薄膜中山梨酸鉀的擴(kuò)散性研究

張玉亭1,雷 橋1,2,*,包建強(qiáng)1,潘家禎2,黃志英1

(1.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院,上海 201306;2.華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200237)

將山梨酸鉀添加至乳清分離蛋白成膜液中制成抗菌包裝薄膜,通過擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)并結(jié)合菲克擴(kuò)散理論,研究了在不同濃度、溫度、pH條件下抗菌蛋白薄膜中山梨酸鉀的擴(kuò)散行為。根據(jù)冪律模型的擴(kuò)散指數(shù),發(fā)現(xiàn)pH3.8時(shí)山梨酸鉀的初期釋放動(dòng)力學(xué)屬于非菲克擴(kuò)散,而在其他條件下基本符合菲克第一擴(kuò)散定律。擴(kuò)散系數(shù)研究表明:抗菌膜中山梨酸鉀濃度增加,溫度升高,pH降低,擴(kuò)散系數(shù)呈非線性增大;模擬液pH3.8時(shí),由于薄膜溶脹性較大,山梨酸鉀的擴(kuò)散系數(shù)在35℃條件下高達(dá)5.722×10-12m2/s;通過阿倫尼烏斯公式中活化能比較,發(fā)現(xiàn)山梨酸鉀的擴(kuò)散系數(shù)在pH為3.8的模擬液中最易受溫度影響。

山梨酸鉀,乳清蛋白膜,溶脹,菲克定律,擴(kuò)散性

山梨酸鉀作為一種已產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的常用食品防腐劑,可以有效控制食品中霉菌,酵母菌和好氧性細(xì)菌的活性,且安全系數(shù)高,它可以被人體的代謝系統(tǒng)吸收而迅速分解為二氧化碳和水,在體內(nèi)無殘留,故已成為世界上最主要的防腐劑。目前,食品級(jí)山梨酸鉀通常直接添加在各類食品中用來保鮮防腐,隨著活性包裝的發(fā)展,將山梨酸鉀等抗菌劑加入食品包裝中做成抗菌包裝材料開始受到人們的廣泛關(guān)注。天然可食性蛋白薄膜材料既可以保護(hù)食品免受機(jī)械損傷,又可以作為抗菌劑良好的釋放載體,減緩抗菌劑與食品內(nèi)部的反應(yīng),延長(zhǎng)食品的保質(zhì)期,為食品的保鮮和抑菌提供新的方向和思路。

抗菌蛋白薄膜中山梨酸鉀的擴(kuò)散性與食品包裝對(duì)食品的保鮮效果有著密切的關(guān)系。對(duì)于抗菌蛋白薄膜來說,抗菌劑會(huì)在抗菌膜、食品和兩者之間的空隙進(jìn)行遷移分配,最終達(dá)到平衡分布。山梨酸鉀通過食品與抗菌膜之間的接觸面進(jìn)行遷移吸附而進(jìn)入食品[1-2]。Cristiana M.P. Yoshida研究發(fā)現(xiàn)山梨酸鉀在殼聚糖膜和棕櫚酸-殼聚糖膜的擴(kuò)散機(jī)制不符合菲克定律,而且擴(kuò)散系數(shù)不會(huì)因?yàn)橹|(zhì)的存在而改變[3]。M. Ozdemir 研究了山梨酸鉀在可食性乳清分離蛋白膜中的擴(kuò)散機(jī)制,研究表明其擴(kuò)散指數(shù)介于0.55到0.86之間,擴(kuò)散模型為不規(guī)則的非菲克擴(kuò)散[4]。J.H. Choi等研究了溶液pH和溫度對(duì)卡拉膠抗菌膜中山梨酸鉀擴(kuò)散性的影響,結(jié)果表明所測(cè)范圍溶液的pH對(duì)山梨酸鉀擴(kuò)散性無明顯影響;當(dāng)pH5.2,溫度從40℃降至5℃時(shí),擴(kuò)散系數(shù)從4.23×10-13m2/s降至1.29×10-13m2/s[5]。然而,國(guó)內(nèi)對(duì)抗菌蛋白薄膜的抗菌劑遷移研究較少。

本文選用山梨酸鉀作為抗菌劑,以乳清分離蛋白和酪蛋白酸鈉為成膜基材,探討溫度、模擬液pH及抗菌劑含量對(duì)山梨酸鉀擴(kuò)散性的影響,確定乳清分離蛋白-酪蛋白酸鈉復(fù)合抗菌膜中山梨酸鉀的擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散指數(shù),為抗菌膜中抗菌劑的擴(kuò)散性研究提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

乳清分離蛋白(Hilmar,美國(guó),蛋白>92.0%,脂肪<1.8%,乳糖<1.0%,灰分<3.5%),酪蛋白酸鈉(MG,澳大利亞,99.21%蛋白),甘油,山梨酸鉀,磷酸二氫鉀,磷酸氫二鉀,鹽酸,氫氧化鉀(國(guó)藥試劑集團(tuán),中國(guó),分析純)。

WFZ UV-2系列紫外分光光度計(jì) 北京普析通用;DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 河南省鞏義市科瑞儀器有限公司;雷磁pH S-3C pH計(jì) 上海精密科學(xué)儀器有限公司;SHB-ⅢA循環(huán)水式多用真空泵 鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司;0～25mm電子數(shù)顯螺旋測(cè)微儀 桂林廣陸數(shù)字測(cè)控有限責(zé)任公司;GDS-100L恒溫恒濕箱 索亞特實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;GX-ZGF101恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海賀德實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;YP202N電子天平 上海精密科學(xué)儀器有限公司。

1.2 抗菌蛋白薄膜的制備

參照文獻(xiàn)[6-7]中乳清蛋白-酪蛋白酸鈉復(fù)合薄膜制備方法,制備含量為0.150%、0.375%、0.750%(w/v)的山梨酸鉀抗菌復(fù)合蛋白薄膜。

1.3 模擬液的配制

本文選用不同pH的磷酸鹽緩沖溶液[5](3.8,5.2,7.0分別代表酵母菌、霉菌、細(xì)菌比較容易生長(zhǎng)的pH)來模擬抗菌蛋白薄膜中山梨酸鉀在pH不同的食品中的擴(kuò)散性。0.2mol/L的磷酸緩沖液由磷酸二氫鉀和磷酸氫二鉀配制而成,pH用雷磁pH S-3C pH計(jì)通過0.1mol/L的鹽酸或氫氧化鉀調(diào)節(jié)。

1.4 薄膜溶脹率的測(cè)定

為了研究膜的溶脹與擴(kuò)散性之間的關(guān)系,將膜裁成2cm×2cm的膜放在不同條件下的磷酸緩沖液中,每隔一段時(shí)間將膜取出用濾紙除去表面多余液體,用天平稱重后再放回[8]。薄膜的溶脹率由式(1)計(jì)算:

SR=(Wt-W0)/W0

式(1)

式中:SR為膜的溶脹率;W0為膜初始質(zhì)量;Wt為溶脹過程中不同時(shí)刻薄膜的質(zhì)量。

1.5 擴(kuò)散遷移實(shí)驗(yàn)

將山梨酸鉀含量為0.150%、0.375%、0.750%(w/v)的抗菌膜分別裁成2cm×2cm大小(大約0.2g),采用電子數(shù)顯螺旋測(cè)微儀選取5個(gè)點(diǎn)測(cè)量膜的厚度,并取平均值。按照表1所示,將裁好的膜片分別置于100mL pH為3.8、5.2、7.0的磷酸緩沖液中,置于15、25、35℃不同溫度環(huán)境下,每隔2min吸取3mL模擬液,紫外分光光度法254nm處測(cè)山梨酸鉀吸光值,直至各組均達(dá)到平衡為止[9-10]。

表1 實(shí)驗(yàn)分組表Table 1 The experimental group table

2 結(jié)果與討論

2.1 薄膜的溶脹性比較

由圖1可知,在模擬液pH為3.8的條件下,所測(cè)溫度范圍內(nèi),抗菌膜均表現(xiàn)為有明顯的溶脹行為,初始階段溶脹很快,之后緩慢增加,最后達(dá)到平衡,且環(huán)境溫度越高膜的溶脹率越高。由圖2可知,環(huán)境溫度同為25℃條件下,模擬液pH為3.8時(shí),抗菌膜有明顯的溶脹行為,在pH5.2和pH7.0時(shí),抗菌膜溶脹率幾乎沒有明顯變化。由圖1、圖2可知,pH對(duì)乳清蛋白膜的溶脹率影響作用顯著,這可能是由于pH較低時(shí),膜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中氨基質(zhì)子化,靜電斥力和親水性增加,導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)疏松,孔道變大,故溶脹率變大。

圖1 不同溫度條件下乳清分離蛋白/山梨酸鉀抗菌膜的溶脹率變化(C=0.375%,pH3.8)Fig.1 Swelling behavior of WPI/potassium sorbate films at different temperature(concentration 0.375%,pH3.8)

圖2 不同pH下乳清分離蛋白/山梨酸鉀抗菌膜的溶脹率變化(C=0.375%,T=25℃)Fig.2 Swelling behavior of WPI/potassium sorbate films at different pH(concentration 0.375%,T=25℃)

2.2 不同薄膜在不同條件下的遷移擴(kuò)散比率變化

圖3 不同條件下山梨酸鉀的擴(kuò)散比率隨時(shí)間的變化Fig.3 Potassium sorbate diffusion in the different condition

2.3 山梨酸鉀釋放動(dòng)力學(xué)

根據(jù)Fick定律,山梨酸鉀的擴(kuò)散模型可用式(2)二階偏微分方程來表示[11]:

式(2)

式中:C為山梨酸鉀在乳清分離-酪蛋白酸鈉膜中的濃度,D(t)為與時(shí)間有關(guān)的山梨酸鉀的擴(kuò)散系數(shù),X為擴(kuò)散距離,t為浸泡時(shí)間。根據(jù)Crank的理論[11],山梨酸鉀抗菌薄膜的釋放動(dòng)力學(xué)可用式(3)表示:

式中:Mt為t時(shí)刻山梨酸鉀釋放質(zhì)量,M∞為山梨酸鉀的最終釋放質(zhì)量,L為膜的厚度。

短時(shí)間內(nèi),當(dāng)Mt/M∞<2/3時(shí),上述方程可用式(4)表示[12-13]:

式(4)

通過求取Mt/M∞對(duì)t1/2的斜率,可獲得抗菌膜的擴(kuò)散系數(shù)。

式(5)

式中:slope為Mt/M∞對(duì)t1/2的斜率。

經(jīng)擬合,不同條件下山梨酸鉀抗菌膜的擴(kuò)散系數(shù)D(當(dāng)Mt/M∞<2/3時(shí))如表2所示。由表2可知,山梨酸鉀在乳清蛋白-酪蛋白酸鈉復(fù)合膜中的擴(kuò)散系數(shù)的數(shù)量級(jí)為10-13,表明該乳清分離蛋白膜作為抗菌載體具有良好的緩釋作用。

為確定抗菌蛋白膜中山梨酸鉀的遷移機(jī)制,將遷移曲線的前面部分(當(dāng)Mt/M∞<2/3時(shí))代入冪律函數(shù)[14],

式(6)

式中:k為描述大分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征的常數(shù);n為擴(kuò)散指數(shù),表示遷移機(jī)理。根據(jù)不同的擴(kuò)散指數(shù)可分為以下三種情況:n≤0.5時(shí),遷移機(jī)理為菲克第一定律;0.51時(shí),遷移機(jī)理為超菲克第二定律[15]。

n值和k值可以通過lnMt/M∞對(duì)lnt的斜率和截距獲得。不同條件下抗菌膜的擴(kuò)散指數(shù)n和k值結(jié)果如表2所示,其中相關(guān)系數(shù)R2代表lnMt/M∞對(duì)lnt的線性相關(guān)性。由表2可知,抗菌膜在pH5.2和pH7.0的模擬液中n值均較低,基本介于0～0.5之間,遷移機(jī)理為菲克第一定律,這與圖2中抗菌膜在pH5.2和7.0時(shí)無明顯溶脹性的結(jié)論相符。抗菌膜在pH3.8模擬液中n值較高,介于0.5～1之間,屬于非菲克擴(kuò)散行為,這與抗菌膜在此條件下溶脹性比較明顯的結(jié)果相一致。

2.4 山梨酸鉀濃度對(duì)薄膜擴(kuò)散性的影響

由表2可知,山梨酸鉀含量分別為0.150%、0.375%、0.750%(w/v)三種抗菌膜在溫度25℃和pH7.0條件下初期擴(kuò)散系數(shù)分別為3.733E-13,4.478E-13、19.420E-13m2/s。高濃度的山梨酸鉀抗菌膜,其初期擴(kuò)散系數(shù)最高。這可能是因?yàn)樯嚼嫠徕浭怯H水的,高濃度山梨酸鉀抗菌膜可以吸收更多的水,而水作為塑化劑,它能促進(jìn)膜中山梨酸鉀的釋放。這種作用類似于乙酸、丙酸從殼聚糖膜的釋放。

2.5 溫度對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的影響

由表2中擴(kuò)散系數(shù)D可知,在所有的模擬液中,溫度明顯影響著山梨酸鉀的釋放速率,隨著溫度的升高,薄膜在不同模擬液中山梨酸鉀擴(kuò)散系數(shù)也增加。

表2 含有不同山梨酸鉀的抗菌蛋白薄膜在不同pH溶劑和溫度下的擴(kuò)散指數(shù)n,k值及擴(kuò)散系數(shù)DTable 2 Diffusion exponent(n),constant(k)and diffusion coefficient(D)of films containing potassium sorbate in different systems

為了進(jìn)一步研究抗菌膜中抗菌劑的擴(kuò)散系數(shù)與溫度的關(guān)系,根據(jù)阿倫尼烏斯定律,反應(yīng)速率常數(shù)與溫度之間的指數(shù)關(guān)系可以用式(7)表示:

式(7)

式中:K為反應(yīng)速率常數(shù),A為常數(shù),Ea為活化能(J/mol),R為通用氣體常數(shù)(J/(mol·K),T為絕對(duì)溫度。

阿倫尼烏斯方程可以用來反映化學(xué)反應(yīng)中反應(yīng)速率和溫度變化的關(guān)系,而擴(kuò)散速率可以視為擴(kuò)散過程中的反應(yīng)速率,故擴(kuò)散過程方程也可用式(8)來表示[5]:

式(8)

式中:D為擴(kuò)散系數(shù),D0為常數(shù),Ea為擴(kuò)散過程的活化能(J/mol)。

如圖4所示,通過阿倫尼烏斯方程可以做lnD對(duì)1/T的曲線來計(jì)算擴(kuò)散過程的活化能[16]。活化能Ea用于描述擴(kuò)散過程對(duì)溫度變化的敏感性。由式(8)和圖5可求得,抗菌膜在pH3.8,pH5.2,pH7.0的食品模擬液中的活化能分別為46.25,73.47,100.44kJ。結(jié)果表明山梨酸鉀在pH為3.8的磷酸緩沖液的擴(kuò)散系數(shù)最容易受溫度影響。這可能是pH3.8時(shí),薄膜內(nèi)部蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)變得疏松,擴(kuò)散加快,活化能越低,擴(kuò)散速率越大。

2.6 pH對(duì)薄膜擴(kuò)散系數(shù)的影響

由圖5可以看出,山梨酸鉀在pH3.8,5.2,7.0的模擬液中其擴(kuò)散系數(shù)隨pH降低而升高。pH明顯影響了其擴(kuò)散過程,這與薄膜的溶脹有關(guān),正如圖1和圖2所示,在pH3.8時(shí),薄膜的溶脹性高,膜易分解,導(dǎo)致了高的遷移率。

圖5 山梨酸鉀抗菌膜在pH7.0,5.2,3.8食品模擬液中的擴(kuò)散系數(shù)變化Fig.5 Changes of diffusion coefficient(D) of potassium sorbate in the different pH

3 結(jié)論

溫度、薄膜中山梨酸鉀的濃度、食品模擬液pH是山梨酸鉀向食品中遷移擴(kuò)散的重要影響因素。乳清分離蛋白-酪蛋白復(fù)合膜中山梨酸鉀初期擴(kuò)散速率隨溫度和山梨酸鉀初始濃度增加而增加,隨pH增加而降低。乳清分離蛋白復(fù)合膜作為抗菌載體,其擴(kuò)散系數(shù)為10-13數(shù)量級(jí),表示其具有良好的抗菌劑緩釋效果。

包裝不同的食品,對(duì)薄膜中抗菌劑擴(kuò)散系數(shù)的要求不同,保質(zhì)期短且易感染微生物的產(chǎn)品,在儲(chǔ)存過程中需要保持較好的抗菌環(huán)境,所以擴(kuò)散系數(shù)以大為好,反之,較小的擴(kuò)散系數(shù)則可以延長(zhǎng)抗菌劑釋放時(shí)間。因?yàn)槊糠N食品都有一個(gè)內(nèi)在pH,而且儲(chǔ)藏溫度因食品種類不同而不同,為了延長(zhǎng)食品貨架期,要根據(jù)情況調(diào)整薄膜中山梨酸鉀的濃度和薄膜的面積,并且要注意儲(chǔ)存條件。

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Diffusivity of potassium sorbate inantimicrobial films of whey protein isolate

ZHANG Yu-ting1,LEI Qiao1,2,*,BAO Jian-qiang1,PAN Jia-zhen2,HUANG Zhi-ying1

(1.College of Food Science and Technology,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China;2.School of Mechanical and Power Engineering,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China)

The effect of concentration of potassium sorbate,solution pH and temperature on diffusion of potassium sorbate of whey protein composite films were investigated by the measured value and calculated value with Fickian diffusion model. The kinetics of potassium sorbate release followed non-Fickian diffusion(pH 3.8)and Fick’s first law of diffusion as shown by diffusional exponent of power function model. Diffusion coefficient was found to be increased with increased concentration of potassium sorbate and temperature in the range of values tested,but decreased with pH due to swelling behavior in low pH condition. When pH was 3.8 and at 35℃,diffusion coefficient of antibacterial films was up to 5.722×10-12m2/s. According to activation energy(Ea)of the Arrhenius activation energy model,when pH was 3.8,the diffusivity to temperature changes was more sensitive.

potassium sorbate;whey protein isolate;swelling behavior;Fick’s law;diffusivity

2014-11-13

張玉亭(1990-),女，碩士，研究方向:食品工程與包裝技術(shù)。

*通訊作者:雷橋(1970-)，女，博士，副教授，研究方向：食品工程與包裝技術(shù)。

上海高校知識(shí)服務(wù)平臺(tái)上海海洋大學(xué)水產(chǎn)動(dòng)物遺傳育種中心(ZF1206)。

TS205.9

A

1002-0306(2015)13-0262-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.13.047