響應面法優化可食性雞蛋清蛋白膜的酶法改性工藝

鄭　優,賈　亮,段　蓉,馬瑩瑩

(西南大學榮昌校區,重慶 402460)

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響應面法優化可食性雞蛋清蛋白膜的酶法改性工藝

鄭優,賈亮,段蓉,馬瑩瑩

(西南大學榮昌校區,重慶 402460)

采用響應面分析法(RSM)對可食性雞蛋清蛋白膜的酶法改性工藝進行優化。以谷氨酰胺轉移酶(TG-B)濃度、pH、注模前酶作用時間及干燥溫度為單因素,對膜的機械性能(拉伸強度、斷裂伸長率)和阻隔性能(水蒸氣透過系數、透油系數)進行測定,得出各指標的二次回歸模型。結果表明,TG-B酶濃度0.13%、pH8.34、注模前酶作用時間45 min、干燥溫度20 ℃時膜的各項性能最佳。該工藝參數下膜各性能指標分別為:拉伸強度(5.225±0.108) MPa、斷裂伸長率70.492%±3.172%、水蒸氣透過系數(3.405±0.067) g·mm/(m2·d·kPa)、透油系數(0.812±0.007) g·mm/(m2·d)。

雞蛋清蛋白,谷氨酰胺轉移酶,可食膜

以可食性天然高分子物質(如多糖[1]、脂質、蛋白質[2]、纖維素等)為基材的可食性包裝材料逐漸成為綠色包裝材料的研究熱點。可食、可生物降解,還可作為某些功能性成分(如抗褐變劑[3]、防腐劑[4-5]、抑菌劑[6]等)載體的可食性膜(edible films),通常需添加增塑劑、交聯劑、增強劑等成膜助劑,并通過一定的成膜工序形成。可食性膜是具有一定機械強度和阻隔性能的薄膜,在食品涂膜保鮮方面的應用較多。雞蛋清蛋白具有很高的營養價值,含有8種必需氨基酸[7]。國內外研究人員已對它的部分功能特性作了研究[8-9],如雞蛋清蛋白的起泡性、溶解性等,但對其成膜性能的研究較少。

與塑料薄膜相比,可食性蛋白膜具有低機械強度、高透水性的不足,限制了其在食品包裝行業的應用,其機械和阻隔性能還需進行改良。對蛋白質分子進行改性處理[10-12]是改善膜性能的方法之一,目前已有部分學者嘗試了酶法改性在可食性膜制備中的應用[13-14]。本文以雞蛋清蛋白為原料,探討酶法改性工藝(谷氨酰胺轉移酶濃度、pH、注模前酶作用時間及干燥溫度)對膜性能的影響,以期獲得最佳酶改性工藝,為可食性雞蛋清蛋白膜的化學改性提供基礎參考。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

雞蛋清粉(BR級,蛋白質含量80%)成都西亞化工股份有限公司;谷氨酰胺轉移酶(TG-B)泰興市一鳴精細化工有限公司;其他化學試劑均為市售分析純試劑。

CH-1-B手持式測厚儀(0.001 mm) 濟南蘭光機電技術有限公司;90-2型定時恒溫磁力攪拌器金壇市科欣儀器有限公司;XYW(L)-100N智能電子拉力測試機濟南蘭光機電發展有限公司;DHG-9240A電熱恒溫鼓風干燥箱上海精宏實驗設備有限公司;PB-10 Sartorius精密pH計德國賽多利斯公司;KQ5200DE型數控超聲波清洗器昆山市超聲儀器有限公司;S-3000N型掃描電鏡HITACHI公司;E-1010型噴金機HITACHI公司。

1.2實驗方法

1.2.1可食性雞蛋清蛋白膜的制備

1.2.1.1工藝流程膜液→磁力攪拌(30 min)→調節pH→60 ℃水浴加熱攪拌→加入一定量TG-B酶→磁力攪拌一定時間→過濾→脫氣→塑料板流延成膜→干燥→揭膜→貯存→待測。

1.2.1.2膜液配方100 mL蒸餾水中,雞蛋清蛋白8 g,增塑劑甘油/聚乙二醇400(3/1)3 g,交聯劑環氧氯丙烷0.71 g,增強劑羧甲基纖維素鈉0.55 g。

1.2.1.3操作要點磁力攪拌前應使膜液的添加物基本溶解,水浴加熱攪拌時應維持一定的攪拌方向,流延成膜時應流延均勻。

1.2.2單因素實驗設計

1.2.2.1TG-B酶濃度對膜性能的影響固定反應pH為7.0,注模前酶作用時間為15 min,干燥溫度為40 ℃,研究不同TG-B酶濃度(0、0.04%、0.08%、0.12%、0.16%、0.20%)對膜性能的影響。

1.2.2.2pH對膜性能的影響固定TG-B酶濃度為0.12%,注模前酶作用時間為15 min,干燥溫度為40 ℃,研究不同反應pH(6、7、8、9、10)對膜性能的影響。

1.2.2.3注模前酶作用時間對膜性能的影響固定TG-B酶濃度為0.12%,反應pH為8,干燥溫度為40 ℃,研究不同注模前酶作用時間(5、15、30、45、60 min)對膜性能的影響。

1.2.2.4干燥溫度對膜性能的影響固定TG-B酶濃度0.12%、反應pH8和注模前酶作用時間30 min,研究不同干燥溫度(20、30、40、50、60 ℃)對膜性能的影響。

1.2.3響應面實驗設計在單因素實驗的基礎上,利用響應面分析Design-Expert軟件,制定4因素3水平的Box-Behnken實驗設計,并對各個指標進行工藝優化。因素水平表為表1。

表1　響應面實驗設計因素水平表

1.2.4指標測定

1.2.4.1膜厚的測定用測厚儀在膜上隨機取3點測定,結果以平均值±標準差表示,單位為mm。

1.2.4.2機械性能的測定參照GB/T13022-91的規定,用電子拉力機測定,采用II型試樣模具裁切膜樣,設定膜的初始夾距為80 mm,實驗拉伸速度為50 mm/min。通過以下公式得出膜的拉伸強度和斷裂伸長率[15]:

式(1)

式(2)

式(1)中,TS為拉伸強度(MPa);F為膜所受的最大拉力(N);S為膜的橫截面積(m2);式(2)中,E為斷裂伸長率(%);L0為膜的原始長度(mm);ΔL為膜斷裂時增加的長度(mm)。

1.2.4.3水蒸氣透過系數的測定參照GB1037-88的方法,用擬杯子法測定[16],通過下式計算水蒸氣透過系數。

式(3)

式(3)中,WVP為水蒸氣透過系數,g·mm/(m2·d·kPa);Δm為時間t內水蒸氣透過量(g);d為膜厚(mm);A為試樣面積(m2);t為測試時間(d),本實驗為2 d;ΔP為試樣兩側水蒸氣壓差(kPa)。

1.2.4.4透油系數(PO)的測定于試管中裝5 mL色拉油,用圓形的待測膜封住試管口,倒置在事先稱好質量的濾紙上,在密閉環境中放置2 d,記錄濾紙的質量變化[17]。

1.2.5掃描電鏡觀察按照1.2.1所述的制膜工藝將對照(未改性)膜和最優酶法改性工藝條件下的膜制備好,并保證充分干燥,然后取(2×2)mm2的膜固定在不銹鋼樣品臺上,放入試樣表面處理機中,在真空狀態下進行表面鍍金處理20 min,厚度約10 μm,取出樣品臺。將樣品臺放入S-3000N型掃描電子顯微鏡中抽真空20 min后,進行掃描觀察。

1.2.6數據統計與分析利用Design-Expert7.0軟件對響應面實驗結果進行方差分析(p<0.05)。

2　結果與討論

2.1單因素實驗結果

2.1.1TG-B酶濃度對可食性雞蛋清蛋白膜性能的影響由圖1和圖2可以看出,隨著TG-B酶濃度的增大,膜的拉伸強度呈上升趨勢,而膜的斷裂伸長率、水蒸氣透過系數和透油系數均呈下降趨勢。當TG-B酶濃度為0～0.12%時,膜的拉伸強度顯著上升,并在0.12%處達最大值4.350 MPa,比對照組提高了21.51%,膜的斷裂伸長率顯著下降,膜的水蒸氣透過系數和透油系數亦顯著下降,并在0.12%處分別達最小值3.840 g·mm/(m2·d·kPa)和0.951 g·mm/(m2·d),分別比對照組下降了21.47%和21.60%;當TG-B酶濃度為0.12%～0.20%時,膜的拉伸強度和斷裂伸長率均顯著下降,而水蒸氣透過系數和透油系數則稍有上升。綜合考慮各個因素,較適的TG-B酶濃度為0.12%。

圖1　TG-B酶濃度對膜機械性能的影響Fig.1　Effect of TG-B enzyme concentration on mechanical properties of film

圖2　TG-B酶濃度對膜阻隔性能的影響Fig.2　Effect of TG-B enzyme concentration on barrier properties of film

2.1.2pH對可食性雞蛋清蛋白膜性能的影響結果如圖3和圖4所示。

圖3　pH對膜機械性能的影響Fig.3　Effect of pH values on mechanical properties of film

圖4　pH對膜阻隔性能的影響Fig.4　Effect of pH values on barrier properties of film

由于pH為6.0時較接近于雞蛋清蛋白的等電點(4.3～4.6),大量蛋白質產生聚沉,因而無法成膜。由圖3和圖4可看出,當pH從7.0變化至10.0時,膜的拉伸強度先上升后下降,且各處理組間差異顯著,在pH為8.0時達最大值4.530 MPa,這可能是因為pH為8.0時TG-B酶的活性較高,且此時雞蛋清蛋白的溶解性能較好。隨著pH的增大,膜的水蒸氣透過系數和透油系數均呈下降趨勢,但各個處理組間的差異不顯著,其中透油系數在pH為8.0時達最小值0.867 g·mm/(m2·d)。雖然隨著pH的增大膜的斷裂伸長率顯著上升,但在pH9.0～10.0時TG-B酶的活性較低,膜的拉伸強度出現下降的情況,且膜表面有細微顆粒,膜顏色偏黃、堿味較重。綜合考慮膜的各項性能,選擇pH8.0為最適pH。

2.1.3注模前酶作用時間對可食性雞蛋清蛋白膜性能的影響結果如圖5和6所示。

圖5　注模前酶作用時間對膜機械性能的影響Fig.5　Effect of enzyme reaction time on mechanical properties of film

圖6　注模前酶作用時間對膜阻隔性能的影響Fig.6　Effect of enzyme reaction time on barrier properties of film

由圖5和圖6可以看出,當注模前酶作用時間為5～30 min時,膜的拉伸強度和斷裂伸長率均顯著增大;當注模前酶作用時間為30～60 min時,膜的拉伸強度和斷裂伸長率的上升趨勢放緩甚至稍有下降。隨著注模前酶作用時間的延長,膜的水蒸氣透過系數和透油系數持續降低,但二者的下降趨勢亦在30 min處放緩。綜合考慮膜的各項性能和實驗的效率,選定30 min為最佳的注模前酶作用時間。

表2　Box-Benhnken實驗設計及結果

圖7　干燥溫度對膜機械性能的影響Fig.7　Effect of drying temperature on mechanical properties of film

圖8　干燥溫度對膜阻隔性能的影響Fig.8　Effect of drying temperature on barrier properties of film

2.1.4干燥溫度對可食性雞蛋清蛋白膜性能的影響由圖7和圖8可以看出,隨著干燥溫度的上升,膜的拉伸強度和斷裂伸長率均顯著下降,而膜的水蒸氣透過系數和透油系數先緩慢下降后顯著上升。這可能是因為較低溫度下TG-B酶具有較高的穩定性,能使蛋白質分子間產生持久的共價交聯,有利于膜網絡結構的形成。從圖7和圖8亦可以看出,20～30 ℃下干燥的膜的機械性能和阻隔性能明顯高于其他溫度下干燥所得的膜,這也說明了TG-B酶在低活性下長時間改性能顯著提高蛋白膜的性能。綜合考慮各方面的因素,選擇20～30 ℃為最佳的干燥溫度。

表3　TG-B酶改性工藝對可食膜性能影響的最佳擬合方程表

2.2響應面實驗結果及分析

2.2.1響應面實驗設計及結果實驗結果見表2。

2.2.2擬合方程方差分析由表3可以看出,四個響應值的回歸模型均極顯著(p<0.001),且四個模型的失擬檢驗p>0.05,這表明四個模型失擬不顯著,能較好地描述實驗結果。四個回歸模型的決定系數R2分別為0.9609、0.9291、0.9654、0.9926,這表明該模型的擬合度較好,分別能夠解釋96.09%、92.91%、96.54%、99.26%響應值的變化,因此可用這些回歸模型代替真實實驗點對實驗結果進行分析。同時,這四個模型均具有較低的離散系數(CV=1.7%、3.22%、3.3%、0.71%),說明整個實驗具有較好的精確度和可靠性。

2.2.3響應面分析膜各性能指標的回歸方程系數及顯著性分析見表4。

表4　各性能指標的回歸方程系數及顯著性分析

注:**表示差異極顯著,p<0.01;*表示差異顯著,p<0.05。

由表4可看出,TG-B酶濃度和干燥溫度是影響膜拉伸強度的主要因素,實驗因素X1和X3、X1和X4的交互作用顯著,它們的響應面分別為圖9和圖10。以圖10為例,當干燥溫度一定時,膜拉伸強度隨TG-B酶濃度的增大不斷增大,表現為響應面曲線較陡;當固定TG-B酶濃度時,膜拉伸強度隨干燥溫度的增大變化較平緩。從圖10可看出響應面存在極大值。

圖9　TG-B酶濃度、注模前酶作用時間對膜拉伸強度的影響Fig.9　Effect of TG-B enzyme concentration and enzyme reaction time on TS

圖10　TG-B酶濃度、干燥溫度對膜拉伸強度的影響Fig.10　Effect of TG-B enzyme concentration and drying temperature on TS

從表4可以看出,pH和注模前酶作用時間是影響膜斷裂伸長率的主要因素,實驗因素X2和X3、X2和X4的交互作用顯著,它們的響應面分別為圖11和圖12。以圖11為例,當pH一定時,膜斷裂伸長率隨注模前酶作用時間的增加不斷上升;當固定注模前酶作用時間時,膜斷裂伸長率隨pH的增大不斷增大。響應面在pH在8.5～9.0,注模前酶作用時間為39～45 min時存在極值,二者有明顯的交互作用。

圖11　pH、注模前酶作用時間對膜斷裂伸長率的影響Fig.11　Effect of pH and enzyme reaction time on E

圖12　pH、干燥溫度對膜斷裂伸長率的影響Fig.12　Effect of pH and drying temperature on E

從表4可看出,TG-B酶濃度和pH均是影響膜水蒸氣透過系數和透油系數的主要因素,交互項X1X2對膜水蒸氣透過系數和透油系數的影響顯著,它們的響應面分別為圖13和圖14。TG-B酶濃度對膜水蒸氣透過系數的影響不大,pH對響應值的影響較大;而TG-B酶濃度對膜透油系數的影響較大,pH對響應值的影響不大。響應面在TG-B酶濃度0.08%～0.10%、pH7.0～7.5時的坡面極陡,且響應面存在極小值,兩者的交互作用顯著。

圖13　TG-B酶濃度、pH對水蒸氣透過系數的影響Fig.13　Effect of TG-B enzyme concentration and pH on WVP

圖14　TG-B酶濃度、pH對透油系數的影響Fig.14　Effect of TG-B enzyme concentration and pH on PO

2.2.4酶法改性工藝的優化與驗證采用Design-Expert軟件,對4個二次回歸方程進行聯合求解,得最佳的酶法改性工藝為:TG-B酶濃度0.13%、pH8.34、注模前酶作用時間45 min、干燥溫度20 ℃,此時可食性雞蛋清蛋白膜各性能指標的理論預測值分別為5.33 MPa、71.79%、3.224 g·mm/(m2·d·kPa)、0.783 g·mm/(m2·d)。在最佳酶法改性工藝下進行驗證實驗,得出各性能指標的驗證值分別為:(5.225±0.108) MPa、70.492%±3.172%、(3.405±0.067)g·mm/(m2·d·kPa)、(0.812±0.007) g·mm/(m2·d),與預測值基本接近,表明上述回歸模型具有良好的擬合性和可靠性。

2.2.5掃描電鏡分析未改性和最佳酶法改性工藝下制備的膜的表面電鏡圖如圖15、圖16所示。

圖15　未改性膜的表面電鏡圖(1000×)Fig.15　The surface electron micrograph(1000×)of unmodified film

圖16　酶法改性膜的表面電鏡圖(1000×)Fig.16　The surface electron micrograph(1000×)of enzyme modified film

由圖15可知,未改性處理制得的膜表面結構出現了較明顯的凹凸不平,并具有較多的孔洞和褶皺,均勻性較差,因而膜表面外觀較差,機械性能和阻隔性能不佳。由圖16可知,膜液經酶法改性處理后制得的膜表面結構較光滑平整,結構較均勻致密,無明顯的孔隙或褶皺,膜外觀較好。

3　結論

3.1通過響應面分析法建立了可食性雞蛋清蛋白膜4個性能指標(拉伸強度、斷裂伸長率、水蒸氣透過系數、透油系數)的二次回歸模型,各回歸模型均顯著,擬合度良好。其中,TG-B酶濃度和干燥溫度是影響膜拉伸強度的主要因素;pH和注模前酶作用時間是影響膜斷裂伸長率的主要因素;TG-B酶濃度和pH均是影響膜水蒸氣透過系數和透油系數的主要因素。

3.2可食性雞蛋清蛋白膜的酶法改性工藝的最佳條件為TG-B酶濃度0.13%、pH8.34、注模前酶作用時間45 min、干燥溫度20 ℃。在此條件下各性能的理論值為5.33 MPa、71.79%、3.224 g·mm/(m2·d·kPa)、0.783 g·mm/(m2·d),驗證值為:(5.225±0.108) MPa、70.492%±3.172%、(3.405±0.067) g·mm/(m2·d·kPa)、(0.812±0.007) g·mm/(m2·d),與理論值接近,具有良好的預測性,優化結果可靠。

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Optimization of enzymatic modification conditions of albumin edible film by response surface methodology

ZHENG You,JIA Liang,DUAN Rong,MA Ying-ying

(Rongchang Campus,Southwest University,Chongqing 402460,China)

The enzymatic modification conditions of albumin edible film were optimized through response surface methodology. With TG-B enzyme concentration,pH value,enzyme reaction time,drying temperature being response factors,the tensile strength,elongation,water vapor permeability and oil permeability of edible film were measured and the quadratic regression models of indicators were achieved. The results showed that the optimal enzymatic modification conditions were TG-B enzyme concentration 0.13%,pH value 8.34,enzyme reaction time 45 min and drying temperature 20 ℃. Under this condition,the properties of edible films were tensile strength(5.225±0.108) MPa,tensile strength 70.492%±3.172%,water vapor permeability(3.405±0.067) g·mm/(m2·d·kPa),oil permeability(0.812±0.007) g·mm/(m2·d).

egg albumin;tranglutaminase;edible film

2016-03-11

鄭優(1989-)，女，碩士，實驗師，研究方向：畜產品加工及貯藏，E-mail：zhengyou1989@163.com。

中央高校基本業務費專項資金資助(XDJK2016C054);西南大學榮昌校區科研啟動基金(20700209);西南大學榮昌校區青年基金項目(20700438)。

TS206.4

A

1002-0306(2016)18-0317-07

10.13386/j.issn1002-0306.2016.18.052