大豆分離蛋白復合膜制備工藝*

雷會寧，劉銳，王苗苗，李建，張民

(天津科技大學食品工程與生物技術學院，天津，300457)

可食性蛋白膜作為食品包裝和涂布材料，具有可降解性和可食性，可用于多種食品的包裝保鮮，是一種無污染的包裝涂布材料，具有很好的開發前景［1］。目前國內對蛋白膜的研究還不成熟，蛋白膜的機械強度、透氣透水性無法達到工業化生產的要求，也無法取代塑料膜而應用于商業生產。因此，國內外可食性包裝膜的研究已經從單一基料逐步轉向復合基料包裝膜及對可食性包裝膜改性的研究上。采用2種或2種以上的材料作為成膜基質，各基質能夠取長補短，使可食性膜具有更廣泛的功能性如機械強度、阻隔性能等。本研究將大豆分離蛋白與卡拉膠復合成膜，優化成膜工藝，提高可食性膜的機械性能、阻隔性能和熱穩定性等性質，提高可食性膜的實用價值。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大豆分離蛋白:食品級，山東嘉華植物蛋白有限公司;卡拉膠:食品級，福建省綠麒食品膠體有限公司;其余試劑均為分析純。

TE32物性測試儀，英國Stable Micro System公司;UVmini-1240紫外可見分光光度計，日本島津公司;DSC 200F3差示掃描量熱儀，德國耐馳儀器制造有限公司生產;XL-3型掃描電鏡，Phlips公司;JSPM-5200原子力顯微鏡，日本電子公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 可食性膜的制備

大豆分離蛋白膜的制備:準確稱取5.00 g大豆分離蛋白(SPI)，2.50 g甘油(GLY)，加100 mL蒸餾水，70℃磁力攪拌30 min，在0.09 MPa下脫氣，在玻璃板上涂膜(0.5 g SPI/100 cm2)，50℃干燥4h，室溫回軟1 h后揭膜，于RH為50%(硝酸鎂飽和溶液)的干燥器中室溫保存2 d，測定膜性能［2］。

卡拉膠膜的制備:料液比1∶70(g∶mL)，稱取一定量的卡拉膠(CGN)溶解于蒸餾水中，充分攪拌后置于磁力攪拌器上，按照50%的比例邊攪拌邊加入甘油，磁力攪拌30 min，使其充分混合均勻，70℃恒溫磁力攪拌15 min，靜置30 min消泡，氣泡完全消除后趁熱涂膜(0.5 gCGN/100 cm2)，50℃干燥4 h，室溫回軟1 h后揭膜，于RH為50%(硝酸鎂飽和溶液)的干燥器中室溫保存2 d，測定膜性能［3］。

復合蛋白膜的制備:準確稱取5.00 g大豆分離蛋白，按照一定的比例添加卡拉膠和甘油，溶解于150 mL蒸餾水中，磁力攪拌30 min，使其充分混合均勻，調節膜液的pH值，一定溫度下恒溫攪拌30 min，在0.09 MPa下脫氣，在玻璃板上涂膜(0.5 gSPI/100 cm2)，50℃干燥4 h，室溫回軟1 h后揭膜，于RH為50%(硝酸鎂飽和溶液)的干燥器中室溫保存2 d，測定膜性能。

1.2.2 可食性膜的性質測定

膜厚度及透光率的測定采用文獻［4］的方法;抗拉強度及斷裂伸長率的測定采用文獻［5］的方法;水蒸氣透過系數的測定根據GB1037－1988［6］，采用擬杯子法，按Kaya的方法［7］計算水蒸氣透過系數;水溶性的測定采用文獻［8］的方法;熱穩定性的測定采用文獻［9］的方法;形態觀察采用文獻［10］的方法;隸屬度值的計算采用文獻［11］的方法;實驗重復次數n=3。

1.2.3 復合蛋白膜單因素試驗

將大豆分離蛋白與卡拉膠進行復合，以復合蛋白膜的機械性能、透水性、水溶性及透光性等為指標，通過單因素實驗，研究卡拉膠含量(2%、6%、10%、14%、18%)、甘油含量(20%、30%、40%、50%、60%、70%)、成膜液 pH 值(6、7、8、9、10、11、12)及溫度(65、70、75、80、85、90℃)對復合蛋白膜性能的影響。

1.2.4 復合蛋白膜正交試驗

根據上述單因素實驗，選擇卡拉膠含量、甘油含量、成膜液pH值、溫度進行4因素3水平L9(34)正交實驗，考察不同工藝條件對膜性能影響，以隸屬度值為評價指標，確定復合蛋白膜的最佳工藝配方。因素水平表見表1。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

實驗中需要綜合多個指標對復合蛋白膜性能進行評價，所以在此采用了模糊綜合評價法，即引入了隸屬度函數［11］:

式中，X(u)為待分析點的隸屬度函數值;Xi為待分析點的數據值;Xmax為待分析點所在數據列的最大值;Xmin為待分析點所在數據列的最小值。

將復合蛋白膜的多個指標經過模糊變換成綜合評價的累加加權隸屬度值∑X(u)·Y，累加加權隸屬度值越大，表明膜的性能越好。實驗中需要考慮的指標有抗拉強度(正效應)、斷裂伸長率(正效應)、水蒸氣透過系數(負效應)、水溶性(負效應)及透光性(正效應)，其綜合評價的權重子集Y為{0.2，0.2，0.2，0.2，0.2}。

2 結果和討論

2.1 復合蛋白膜單因素試驗結果

2.1.1 卡拉膠含量對復合蛋白膜性能的影響

由表2可知，蛋白膜的抗拉強度隨著卡拉膠含量的增加而增大，斷裂伸長率和透光率隨著卡拉膠含量的增加而減小，水溶性和水蒸氣透過系數在卡拉膠含量為10%時值最小，且在此含量下蛋白膜的隸屬度值最大，表明在此含量下蛋白膜綜合性能好。分析原因可能是卡拉膠和大豆分離蛋白之間通過羰基或氨基相互作用會形成氫鍵，分子之間的相互作用增加，分子結構更加致密，而當卡拉膠含量過高時，膜液流動性差，容易快速變成固體凝膠，影響制備膜網絡結構的形成。因此，卡拉膠含量選取6%～14%進行后續正交試驗。

表2 卡拉膠含量對復合蛋白膜性能的影響(±SD)Table 2 Effects of carrageenan content on properties of composite protein films(±SD)

表2 卡拉膠含量對復合蛋白膜性能的影響(±SD)Table 2 Effects of carrageenan content on properties of composite protein films(±SD)

卡拉膠含量/%抗拉強度/MPa斷裂伸長率/%透光率/%水溶性/%水蒸氣透過系數/［g·mm·(m2·d·kPa)－1］隸屬度值2 3.794±0.100 60.95±0.02 85.6±1.8 35.33±0.32 14.081±0.664 0.429 6 5.570±0.337 43.08±1.20 83.1±2.1 35.61±0.31 14.163±0.533 0.362 10 7.342±0.478 32.06±2.39 78.6±1.1 31.23±0.67 13.177±0.284 0.733 14 8.391±0.118 19.75±0.76 72.0±1.0 33.52±0.18 13.538±0.885 0.475 18 9.344±0.452 15.25±0.85 65.0±0.7 33.43±0.02 13.518±0.240 0.430

2.1.2 甘油含量對復合蛋白膜性能的影響

由表3可知，隨著甘油含量的增加，復合蛋白膜抗拉強度逐漸降低，而斷裂伸長率和水蒸氣透過系數逐漸增大。主要是因為增塑劑甘油的加入減少了蛋白分子之間的相互作用，軟化了膜的剛性結構［12］，使膜內部的網絡結構變得疏松，增加了鏈的流動性。而在50%～60%時，復合蛋白膜具有較低的水溶性和較高的透光性。結合隸屬度值可知，甘油含量選取40%～60%進行后續正交試驗。

表3 甘油含量對復合蛋白膜性能的影響(±SD)Table 3 Effects of glycerol content on properties of composite protein films( ±SD)

表3 甘油含量對復合蛋白膜性能的影響(±SD)Table 3 Effects of glycerol content on properties of composite protein films( ±SD)

甘油含量/%抗拉強度/MPa斷裂伸長率/%透光率/%水溶性/%水蒸氣透過系數/［g·mm·(m2·d·kPa)－1］隸屬度值20 10.522±0.339 2.88±0.23 77.7±0.6 26.84±0.45 4.726±0.053 0.652 30 12.277±0.351 17.07±1.40 77.3±1.5 28.40±0.30 7.104±0.330 0.639 40 9.950±0.256 23.90±2.44 76.9±0.2 28.82±0.49 10.149±0.813 0.537 50 7.580±0.295 24.45±2.15 79.3±1.2 27.53±0.25 13.784±0.128 0.670 60 5.380±0.123 30.69±2.70 77.9±0.4 27.26±0.15 16.560±0.632 0.544 70 3.861±0.260 33.27±2.59 76.3±0.6 30.32±1.04 19.784±0.577 0.200

2.1.3 pH值對復合蛋白膜性能的影響

由表4可知，pH值為11時，隸屬度值最大，復合蛋白膜綜合性能好。主要是因為堿使蛋白質變性，內部集團暴露，有利于堅固網絡結構的形成。使得膜的機械性能提高。而在極端堿性pH值條件，負離子之間極強的靜電排斥力作用阻礙了蛋白質分子內或分子間的連接，從而阻礙了膜的形成［5］。因此，pH值選取9～11進行后續正交試驗。

表4 pH值對復合蛋白膜性能的影響(±SD)Table 4 Effects of pH on properties of composite protein films(±SD)

表4 pH值對復合蛋白膜性能的影響(±SD)Table 4 Effects of pH on properties of composite protein films(±SD)

pH值 抗拉強度/MPa斷裂伸長率/%透光率/%水溶性/%水蒸氣透過系數/［g·mm·(m2·d·kPa)－1］隸屬度值2 12.656±0.529 0.101 7 6.099±0.155 25.64±1.68 51.1±2.1 31.37±0.29 12.546±0.263 0.467 8 6.215±0.205 26.56±1.76 72.7±2.3 30.47±0.63 11.189±0.327 0.668 9 5.717±0.142 23.55±1.34 75.4±1.8 31.79±0.73 12.310±0.566 0.486 10 5.542±0.201 28.63±1.48 78.0±2.3 32.43±0.28 12.372±0.440 0.513 11 7.162±0.255 35.78±2.32 80.8±1.7 33.28±0.76 10.816±0.090 0.824 12 6.945±0.296 31.60±1.94 82.7±0.8 37.08±0.6 4.980±0.218 18.42±1.14 18.5±1.2 33.75±0.3 36 9.416±0.370 0.732

2.1.4 溫度對復合蛋白膜性能的影響

由表5可知，溫度為70℃時，隸屬度值最大，復合蛋白膜綜合性能好。適當的熱處理可以加強蛋白質分子之間的疏水作用［5］，但是溫度太高，蛋白質分子會過度變性，分子鏈斷裂，難以形成致密的網絡結構，透水性加強。因此，溫度選取65～75℃進行后續正交試驗。

表5 溫度對復合蛋白膜性能的影響(±SD)Table 5 Effects oftemperture on properties of composite protein films( ±SD)

表5 溫度對復合蛋白膜性能的影響(±SD)Table 5 Effects oftemperture on properties of composite protein films( ±SD)

溫度/℃抗拉強度/MPa斷裂伸長率/%透光率/%水溶性/%水蒸氣透過系數/［g·mm·(m2·d·kPa)－1］隸屬度值64 12.355±0.420 0.624 70 6.856±0.253 30.12±1.62 79.0±0.8 37.48±0.24 12.966±0.500 0.805 75 7.132±0.659 31.41±2.98 78.4±1.0 38.24±0.18 13.069±0.792 0.795 80 6.696±0.088 28.00±0.61 77.8±0.6 38.29±0.08 15.071±0.291 0.421 85 6.661±0.209 29.52±1.06 77.3±1.1 38.42±0.11 14.130±0.683 0.488 90 5.795±0.239 26.50±2.85 76.5±1.2 40.13±0.65 6.650±0.046 25.24±1.84 77.7±0.7 36.15±0.60 14.669±0.196 0.352

2.2 復合蛋白膜正交試驗結果

由表6和表7可知，各因素對復合蛋白膜性能影響的主次順序為:卡拉膠含量＞甘油含量＞pH值＞溫度;卡拉膠含量對復合膜性能具有極顯著性差異(P＜0.01)，甘油含量具有顯著性差異(P＜0.05)，pH值和溫度沒有顯著性差異;根據顯著性及經濟合理原則，復合蛋白膜制備的最優組合為A2B1C1D1，即卡拉膠含量 10%、甘油含量 40%、pH值 9、溫度65℃。在此條件下進行驗證實驗，測得復合蛋白膜的抗拉強度為11.925 MPa，斷裂伸長率為28.52%，水蒸氣透過系數為 13.404 g·mm/(m2·d·kPa)，水溶性33.26%，透光率81.6%。將驗證實驗組與上述正交實驗各組進行比較，通過計算所得驗證實驗組與正交實驗組中最佳值的隸屬度值分別為0.710和0.648，驗證實驗組所得膜綜合性能優于正交實驗中最佳值，因此正交實驗得出的工藝條件能夠改善膜的各性能。

表6 正交試驗結果Table 6 The results of orthogonal test

表7 方差分析結果Table 7 The results of variance analysis

2.3 復合蛋白膜熱穩定性實驗

差示掃描量熱法(differential scanning calorimetry，DSC)，是在溫度程序控制下，測量輸送給被測物質和參比物質的能量差值與溫度之間的關系的一組技術［13］。食品生產的過程中，普遍存在著加熱處理，在加熱過程中，所有的成分都在發生著變化，除此之外，加熱還可能會引起食品流變學性質的變化，同時還會伴隨能量的變化。

通過DSC分析3種膜的熱穩定性差異，結果如表8所示。由表8可以看出，復合蛋白膜的起始溫度、峰值溫度及終止溫度均高于單一膜，表明經大豆分離蛋白和卡拉膠復合后膜的熱穩定性增強，膜的加工性能提高。

表8 單一膜和復合蛋白膜吸收峰主要參數Table 8 Heat-trapping parameters of single films and composite protein films

2.4 復合蛋白膜形態觀察實驗

2.4.1 掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)

膜的微觀結構反應了膜的均一性和致密性，如果膜具有較高的均一性和致密性，就能使膜具有較高的抗拉強度。從圖1中可以看到，卡拉膠膜和復合蛋白膜的表面微觀結構不存在任何的裂隙，為均勻、光滑的表面形態，沒明顯相分離現象。大豆分離蛋白膜表面有白色小顆粒，表面粗糙，可能是因為大豆分離蛋白溶解不充分。由圖2可知，3種薄膜具有緊密而均一的橫截面形態，而復合蛋白膜優于單一膜。另外，橫截面上的橫紋和鱗片狀是人工切割和撕裂膜截面造成的。圖4可知，復合蛋白膜表面更平整，膜更均一，與掃描電鏡結果相符。說明大豆分離蛋白和卡拉膠相容性好。

圖1 大豆分離蛋白膜、卡拉膠膜以及復合蛋白膜表面掃描電鏡圖Fig.1 The surface scanning electron micrograph of SPI film，CGN film and composite protein film

圖2 大豆分離蛋白膜、卡拉膠膜以及復合蛋白膜斷面掃描電鏡圖Fig.2 The cross-section scanning electron micrograph of SPI film，CGN film and composite protein film

圖3 大豆分離蛋白膜、卡拉膠膜以及復合蛋白膜相位圖Fig.3 The phase map of SPIfilm，CGN film and composite protein film

圖4 大豆分離蛋白膜、卡拉膠膜以及復合蛋白膜的三維生成圖Fig.4 The three-dimension graph of SPI film，CGN film and composite protein film

表9 單一膜和復合蛋白膜的粗糙度Table 9 Roughness of single films and composite protein films

3 結論

大豆分離蛋白具有低成本、可降解、高蛋白含量和較好的成膜性等特點，因此以大豆分離蛋白為基質的可食性膜的研究已成為國內外研究熱點。但是，純大豆分離蛋白膜的機械性能、熱穩定性和阻水性能低，限制了大豆分離蛋白膜的應用。將大豆分離蛋白和卡拉膠復合來改善大豆分離蛋白性能的不足具有積極的意義。本文在單因素實驗的基礎上，進行了正交實驗，通過正交實驗表明各因素對復合蛋白膜性能影響的主次順序為:卡拉膠含量＞甘油含量＞pH值＞溫度，最佳工藝參數:以大豆分離蛋白為基數，卡拉膠含量10%、甘油含量40%、pH值9、溫度65℃;最佳工藝條件下測得復合蛋白膜的抗拉強度為11.925 MPa，斷裂伸長率為28.52%，水蒸氣透過系數為13.404 g·mm/(m2·d·kPa)，水溶性 33.26%，透光率81.6%。DSC實驗結果表明，經復合后，復合蛋白膜熱穩定性提高，實用性加強;SEM和AFM實驗結果表明，復合蛋白膜比單一膜更加均勻和致密，表明大豆分離蛋白和卡拉膠具有良好的相容性，復合蛋白膜的綜合性質良好。大豆蛋白是大豆榨油產業的副產品，將其附加值加以利用，具有較大的理論意義和較高的實際應用價值。

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