檸檬酸鈉對殼聚糖/大豆分離蛋白復合膜性能的影響

關　曼,謝　晶,薛　斌,江海云,邵則淮,孫　濤

(上海海洋大學食品科學與工程學院，上海 201306)

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檸檬酸鈉對殼聚糖/大豆分離蛋白復合膜性能的影響

關曼,謝晶,薛斌,江海云,邵則淮,孫濤*

(上海海洋大學食品科學與工程學院，上海 201306)

以檸檬酸鈉作為交聯劑,制備殼聚糖/大豆分離蛋白復合膜。通過紅外光譜表征了其結構,研究了檸檬酸鈉添加量對殼聚糖/大豆分離蛋白復合膜機械性能、水蒸氣阻隔性能和抗氧化性能的影響。結果表明:檸檬酸鈉增強了復合膜分子間的相互作用,改善復合膜機械性能。當檸檬酸鈉的添加量為0.03%(w/v)時,增強了復合膜水蒸氣阻隔性能,降低了復合膜的水溶性,提高復合膜的抗氧化性,復合膜DPPH自由基清除率提高至未添加組的1.72倍。

殼聚糖,大豆分離蛋白,檸檬酸鈉,機械性能,抗氧化性能

1　材料和方法

1.1材料與儀器

殼聚糖(CS)脫乙酰度90%浙江金殼藥業有限公司;大豆分離蛋白(SPI)食品級河北百味生物科技有限公司;冰醋酸、丙三醇、檸檬酸鈉、無水氯化鈣和無水乙醇均為分析純購自國藥集團化學試劑有限公司。

FTIR-650傅里葉變換紅外光譜儀天津港東科技發展股份有限公司;數顯卡尺上海量具刃具廠有限公司;DCP-KZ300型電腦測控抗張實驗機四川長江造紙儀器有限責任公司;UV-2000型紫外分光光度計上海龍尼柯儀器有限公司;HHS型電熱恒溫水浴鍋上海博訊實業有限公司醫療設備廠;恒溫磁力攪拌器上海雷磁新涇儀器有限公司。

1.2殼聚糖/大豆分離蛋白復合包裝膜的制備

將殼聚糖溶于1%(v/v)的冰醋酸溶液中,制得質量分數為2%(w/v)的殼聚糖溶液;將大豆分離蛋白溶于去離子水中制得質量分數為2%的大豆分離蛋白溶液。將殼聚糖和大豆分離蛋白溶液按質量比4∶1的比例混合,然后分別加入1%(v/v)的丙三醇及不同質量的檸檬酸鈉,檸檬酸鈉的添加量分別為成膜液的0%、0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%(w/v),磁力攪拌至完全溶解,靜置消泡后,取80 mL膜液均勻鋪展于干燥潔凈的有機玻璃板(20 cm×30 cm)上,自然干燥后揭膜,保存于相對濕度(RH)為53%(用飽和硝酸鎂溶液保持)的干燥器內備用。

1.3紅外光譜(FT-TR)

將干燥處理后的殼聚糖膜、大豆分離蛋白膜、未交聯復合膜和交聯復合膜碎片1～2 mg,分別與100～150 mg溴化鉀充分研磨后壓片,盡量使薄片透明[17]。用FTTR-650型傅立葉紅外光譜儀將樣品在500～4000 cm-1波長范圍內掃描8次,將分辨率設為2 cm-1,記錄各樣品的紅外光譜圖。

1.4復合膜性能測定方法

1.4.1膜厚的測定采用接觸測量法,用電子數顯卡尺在被測膜上隨機取6點測定膜厚(d),取平均值,單位為mm。

1.4.2機械性能抗拉強度(Tensile strength,TS)表征試樣能承受的最大拉伸應力,斷裂伸長率(Elongation at break,EB),即膜斷裂時長度的變化率。測試方法按照GB 13022-9l《塑料、薄膜拉伸性能實驗方法》,采用長條型試樣,試樣寬度15 mm,標距150 mm,實驗速度150 mm/min,在室溫條件下測定,每組膜測定6次。

抗拉強度(TS/MPa)的計算公式如下:

TS=F/A

式中:F-試樣斷裂時承受的最大張力,N;A-實驗前試樣的橫截面積,mm2。

斷裂伸長率的計算公式如下:

EB(%)=(L-L0)/L0×100

式中:L0-膜樣測試前的長度,mm;L-膜樣在斷裂時的長度,mm。

1.4.3水溶性將膜切成20 mm×20 mm的正方形,在干燥器中干燥至恒重后稱重(m1),然后加入100 mL蒸餾水中,于室溫下溶解12 h,再將膜在60 ℃的條件下干燥至恒重后稱重(m2),根據膜質量變化計算水溶性[18]。按下式計算水溶性:

水溶性(%)=[(m1-m2)/m1]×100

1.4.4水蒸氣透過系數根據GB-1037-70,采用擬杯子法[19],選取直徑為25 mm×40 mm的稱量瓶,內裝3 g充分粉碎研細的無水氯化鈣,稱量瓶口用待測莫覆蓋密封,將稱量瓶放置于底部有一定蒸餾水的干燥器中,使試樣兩側保持一定的蒸汽壓差,每24 h稱量杯子的質量變化,持續一周(168 h)。水蒸氣透過系數(Water vapor permeability,WVP)計算公式:

WVP=(q·d)/(t·S·ΔP)

式中:WVP-水蒸氣透過系數,g·mm/(h·m2·kPa);q/t-單位時間內透濕杯增加重量的算術平均值,g/h;d-樣品膜厚度,mm;S-樣品膜實驗面積,m2;ΔP-試樣兩側的蒸氣壓差,kPa。

1.4.5透光率在WFZ UV-2000型紫外分光光度計650 nm波長下測定樣品的透光率。

1.4.6膜抗氧化性能復合膜的抗氧化性測定參照文獻[20]的方法。將0.5 g膜樣品放入裝有30 mL蒸餾水的燒杯中,浸泡24 h后,得到復合膜浸泡液。將將1 mL 濃度為10-3mol/L的DPPH乙醇溶液與3 mL復合膜浸泡液混合。將混合液放入暗室反應30 min,然后用WFZ UV-2000型紫外分光光度計在517 nm處測定混合液的吸光度。每個樣品做3次平行實驗,結果取平均值。

DPPH自由基清除率的計算公式如下:

DPPH自由基清除率(%)=(1-As/ADPPH)×100

式中:ADPPH-在517 nm處DPPH乙醇溶液的吸光度;As-在517 nm 處復合膜浸泡液和DPPH乙醇溶混合液的吸光度。

1.5數據統計分析

實驗重復3次,每次測3個平行樣品;使用SPSS17.0軟件對所有數據進行處理,得到的結果表示為平均值±標準誤差;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%;使用Origin 8.0軟件作圖。

2　結果與分析

2.1傅里葉紅外光譜分析

紅外光譜因其能靈敏地檢測出各組分間的相互作用(尤其是氫鍵作用),被廣泛應用于共混物間相容性的表征。圖1為純殼聚糖膜、純大豆分離蛋白膜、殼聚糖/大豆分離蛋白膜及檸檬酸鈉交聯殼聚糖/大豆分離蛋白膜的紅外光譜圖。在交聯復合膜中3427 cm-1為O-H伸縮振動吸收峰和N-H伸縮振動吸收峰;1632、1567 cm-1分別為復合膜酰胺I帶和酰胺II帶的吸收峰[21],1567 cm-1處的N-H帶較弱,這表明殼聚糖還存在一定數量的乙?；鵞22];1429、1385 cm-1為C-H伸縮振動和N-H彎曲振動(酰胺III帶)吸收峰;1080 cm-1為多糖類物質C-O鍵的吸收峰[23]。由圖1可知,未交聯復合膜與純殼聚糖膜相比,未交聯復合膜中的O-H和N-H伸縮振動吸收峰向低波數移動(紅移),這說明殼聚糖和大豆分離蛋白分子間存在著較強的分子間氫鍵作用[24];同樣,交聯復合膜與未交聯復合膜相比,交聯復合膜O-H和N-H伸縮振動吸收峰向低波數移動,且峰寬變窄,酰胺II帶的吸收峰也發生了紅移,說明了交聯能夠增強復合膜分子間的相互作用力[13]。

圖1　復合膜傅立葉紅外光譜圖Fig.1　FT-IR analysis of the of composite film

2.2檸檬酸鈉對CS/SPI復合膜機械性能的影響

檸檬酸鈉添加量對CS/SPI復合膜機械性能的影響見圖2?？芍?隨著檸檬酸鈉添加量的增加,復合膜拉伸強度呈顯著上升趨勢(p<0.05)。檸檬酸鈉添加量0.05%時,與未添加檸檬酸鈉相比,增加約23.5%。加入檸檬酸鈉拉伸強度增大,因為檸檬酸鈉促進殼聚糖分子與大豆分離蛋白分子,以及殼聚糖分子與分子間的交聯[12],降低了分子間的移動性,從而提高復合材料的抗拉強度,紅外光譜分析也得到交聯能夠增強復合膜分子間的相互作用力。隨著檸檬酸鈉添加量的增加,復合膜的斷裂伸長率呈先降后增的趨勢,當檸檬酸鈉添加量0.04%時,復合膜斷裂降低了約1.92%。殼聚糖和大豆分離蛋白具有良好的成膜性,加入檸檬酸鈉,增加了復合膜的強度,但膜的延展性和柔韌性受到一定的損壞。

圖2　檸檬酸鈉添加量對CS/SPI復合膜機械性能的影響Fig.2　Effect of sodium citrate content on the mechanical properties of CS/SPI film

2.3檸檬酸鈉對CS/SPI復合膜水溶性的影響

食品中通常都含有一定量的水分,作為食品包裝膜,應該具有較好的阻水性,從而起到保護食品的作用。水溶性是評價膜性能的重要指標,可以反映復合膜的親水性能。親水基團越多,基團親水性越好,則復合膜的水溶性越高。檸檬酸鈉添加量對CS/SPI復合膜水溶性的影響見圖3。隨著檸檬酸鈉添加量的增加,復合膜的水溶性逐漸降低,檸檬酸鈉添加量為0.05%時最低,降低了約25.2%。檸檬酸鈉的添加顯著(p<0.05)降低了復合膜的水溶性,因為檸檬酸根與殼聚糖質子化氨基的靜電相互作用,固定了游離氨基,使膜結構更加穩定,從而大幅度降低了水溶性[17]。

圖3　檸檬酸鈉添加量對CS/SPI復合膜水溶性的影響Fig.3　Effect of sodium citrate content on water solubility of CS/SPI film

2.4檸檬酸鈉對CS/SPI復合膜水蒸氣透過系數的影響

水蒸氣透過系數是評價包裝材料的重要指標。如圖4,CS/SPI復合膜水蒸氣透過系數隨檸檬酸鈉添加量的增加,呈顯著(p<0.05)降低趨勢。檸檬酸鈉添加量為0.05%時,復合膜的水蒸氣透過系數為0.219 g·mm/(h·m2·kPa),降低了約30.3%?？赡苁且驗闄幟仕徕c交聯劑的加入增強了CS和SPI分子間的相互作用,使復合膜的水分子通道關閉或者縮小,因而其對水蒸氣阻隔能力增強。而高翔[17]發現檸檬酸鈉的添加,增大了殼聚糖膜的水蒸氣透過率。這是由于其將殼聚糖膜浸泡在一定濃度的檸檬酸鈉溶液中,可能會導致殼聚糖膜的網絡結構發生改變,水蒸氣透過率增大。

圖4　檸檬酸鈉添加量 對CS/SPI復合膜水蒸氣透過系數的影響Fig.4　Effect of sodium citrate content on WVP of CS/SPI film

2.5檸檬酸鈉對CS/SPI復合膜透光率的影響

檸檬酸鈉添加量對CS/SPI復合包裝膜的透光率的影響見圖5,隨著檸檬酸鈉添加量的增加,復合膜的透光率逐漸降低。檸檬酸鈉添加量為0.05%,透光率為89.13%,僅降低了約0.8%。因為檸檬酸鈉的添加量相對較少,充分溶解于成膜液后,對CS/SPI復合膜透光率影響較小。

圖5　檸檬酸鈉添加量對CS/SPI復合膜透光率的影響Fig.5　Effect of sodium citrate content on the transmittance of CS/SPI film

2.6檸檬酸鈉對CS/SPI復合膜抗氧化性的影響

DPPH自由基清除能力是評價物質抗氧化能力的標準方法之一[25]。圖6顯示了檸檬酸鈉添加量對CS/SPI復合膜DPPH自由基清除率的影響。隨著檸檬酸鈉添加量的增加,DPPH自由基清除率呈先增后降的趨勢,檸檬酸鈉添加量0.03%時的清除率是未添加的1.72倍,在CS/SPI復合膜中添加檸檬酸鈉顯著(p<0.05)提高了復合膜的DPPH自由基清除能力。可能是因為添加檸檬酸鈉能夠使復合膜中抗氧化活性基團-NH2和-OH更多的被釋放出來,從而提高了復合膜的DPPH自由基清除能力,相關機理有待進一步研究。

圖6　檸檬酸鈉添加量 對CS/SPI復合膜DPPH自由基清除率的影響Fig.6　Effect of sodium citrate content on DPPH radical scavenging activity of CS/SPI film

3　結論

考察檸檬酸鈉對殼聚糖/大豆分離蛋白復合膜性能的影響。檸檬酸鈉增強了復合膜分子間的相互作用?？筛纳茝秃夏C械性能、水蒸氣阻隔性能和抗氧化性能。檸檬酸鈉添加量為0.05%,與未添加檸檬酸鈉相比,拉伸強度增加約23.5%;水溶性降低了約25.2%;WVP為0.219 g·mm/(h·m2·kPa),降低了約30.3%。當檸檬酸鈉添加量為0.03%(w/v)時,復合膜DPPH自由基清除率提高至未添加時的1.72倍,當檸檬酸鈉添加量為0.03%～0.04%(w/v)時,復合膜的綜合性能較好。

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Effect of sodium citrate on properties of chitosan/soybean protein isolate composite films

GUAN Man,XIE Jing,XUE Bin,JIANG Hai-yun,SHAO Ze-huai,SUN Tao*

(College of Food Science and Engineering,Ocean University of China,Shanghai 201306,China)

A composite films was prepared by chitosan(CS)and soybean protein isolate(SPI),with sodium citrate as cross-linker.The structure of films was characterized by FT-IR.The influence of sodium citrate on the mechanical properties,water vapor barrier properties and antioxidant property of CS/SPI composite film were evaluated.The results showed that the molecular interaction of composite film was increased by sodium citrate.The mechanical properties and water vapor barrier properties of composite film was improved,water solubility was decreased,and the antioxidant property of composite film was improved by 0.03%(w/v)sodium citrate,meanwhile the DPPH radical scavenging activity was 1.72 times that of the control.

chitosan;soybean protein isolate;sodium citrate;mechanical properties;antioxidant property

2015-09-25

關曼(1989-)，女，在讀碩士研究生，研究方向：多糖的改性及應用，E-mail：461857092@qq.com。

孫濤(1970-)，女，博士，副教授，研究方向：多糖的改性及生物功能的開發，E-mail：taosun@shou.edu.cn。

國家自然科學基金面上項目(31571914)；上海市科委(14dz1205101)。

TS206.4

A

1002-0306(2016)09-0277-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.09.045