TG酶和羥丙基甲基纖維素改善乳清蛋白可食膜性能

孫麗娜,姜淑娟,郭蓮東,錢 方,妥彥峰,牟光慶

(大連工業大學食品學院,遼寧大連 116034)

可食膜能夠較好地阻隔氣體和水蒸汽,改善食品的營養和感官質量,延長保質期[1],具有化學材料基質膜無法比擬的可食與降解優勢,因此可食用薄膜的開發和應用研究近年來備受關注。蛋白質、多糖、脂質等常常被用來單獨或混合使用制備可食膜,其中蛋白質由于其特殊的理化性質、機械性能好、透明性強、外觀、口感均較理想、阻氣性較高而普遍受到研究者的重視[2]。乳清蛋白由于成膜性能較好[3],營養價值高,是近年來國內外學者的研究熱點。應用酶法或化學法可使蛋白質發生共價交聯,也是改善蛋白質成膜性質的一種有效途徑。TG酶是一種催化酰基轉移反應的轉移酶,常用來改善蛋白質膜的性能。李軍等[4]研究發現,TG酶能夠改善大豆蛋白膜的性能。

目前可食性薄膜的研究向復合膜方向發展[5],通常由兩種或兩種以上基質復合而成,以基質之間的性能優勢互補,改善復合膜性能。Anker等[6]通過在乳清蛋白膜中加入乙酰單甘酯,提高了乳清蛋白膜的阻濕性。羥丙基甲基纖維素(HPMC),是一種纖維素衍生物,可以形成透明、無臭、無味、耐油以及適當的水分、氧氣和香味屏障特性的薄膜,具有較高的抗拉強度和較低的柔韌性[7],常與蛋白及其它多糖協同作用,制備性能較好的復合型薄膜。Brindle等[8]研究了乳清蛋白-羥丙基甲基纖維素復合膜的物理性能,研究發現羥丙基甲基纖維素會增加復合膜的抗拉強度等特性。

但是目前未見應用TG酶交聯與羥丙基甲基纖維素復合同時對乳清蛋白基可食膜研究的報道,故本研究探究TG酶催化和羥丙基甲基纖維素復合共存條件對乳清蛋白成膜性能的影響,分別在添加和不添加TG酶的條件下,制備不同羥丙基甲基纖維素添加量的乳清蛋白-羥丙基甲基纖維素復合膜,研究羥丙基甲基纖維素和TG酶對乳清蛋白膜的透光率、抗拉強度、斷裂伸長率和消化降解能力等性質的影響,并初步評價復合膜的包裝應用潛能,以期探究蛋白質-多糖復合膜的可行成膜途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

乳清濃縮蛋白WPC80 德國米萊乳品公司;羥丙基甲基纖維素 Sigma公司;轉谷氨酰胺酶 酶活100 U/g,江蘇一鳴生物制品有限公司;甘油 天津市恒興化學試劑公司;其他試劑均為分析純。

TA-XT plus質構分析儀 英國Stable Micro System公司;ZXMP-A1150型恒溫恒濕箱 上海智成分析儀器公司;DF-101s 加熱磁力攪拌器 鞏義市予華儀器有限公司;MULTISICAN GO酶標儀 美國Thermo公司;Eppendorf冷凍離心機 Eppendorf公司;MAP-500D型袋式氣調包裝機 德清拜杰電器有限公司;V-100D型可見分光光度計 上海美譜達儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 膜的制備 交聯膜的制備參考姜勝男等[9]的方法并做了適當修改:用去離子水配制蛋白質量分數為10%的乳清濃縮蛋白溶液,分別加入0、5%、10%、15%、20%、25%(以蛋白質質量計)的HPMC,磁力攪拌2 h,根據預實驗結果,TG酶的添加量為6 U/g蛋白時,復合膜性能最優,故本研究中TG酶為6 U/g蛋白的添加量添加到成膜液中,于50 ℃反應2 h,置于80 ℃滅酶5 min,冷卻至室溫,加入甘油(根據前期預實驗結果,確定甘油適宜添加量為甘油與乳清蛋白的質量比1∶2.2)。用移液管量取9 mL置于滅菌培養皿中,沿水平方向晃動液面至水平,放置在恒溫恒濕箱中于35 ℃,相對濕度(RH)50%的條件下烘干,揭膜后于25 ℃,RH 50%條件回軟24 h,備用。以不加TG酶的膜為對照。

1.2.2 膜性質測定方法

1.2.2.1 透光率測定 對膜拍照,觀察其外觀,并使用可見分光光度計測定其透光率。將膜裁剪成1 cm×4 cm的條狀,正確放入比色皿內側,在波長600 nm下測定其透光值,以空比色皿作為對照。

1.2.2.2 厚度測定 采用平均值法[10],使用數顯外徑千分尺測定膜的厚度,在裁切好的膜上隨機選取5個點側量厚度,取其平均值為膜的厚度。

1.2.2.3 斷裂伸長率及抗拉強度測定 使用質構儀側定膜的斷裂伸長率[11]及抗拉強度[12],將膜裁剪成1 cm×4 cm的長方形,選擇A/TG探頭,初始夾距設為20 mm,有效拉伸距離為30 mm,拉伸速度設為1 mm/s,記錄樣品初始長度、斷裂時的長度以及斷裂時所受到的力,每個樣品重復測量9次。

式(1)

式中,E-斷裂伸長率,%;L1-樣品斷裂時的長度,mm;L0-樣品的初始長度,m。

式(2)

式中,Ts-膜的拉伸強度,MPa;F-軸向拉伸力,N;L-膜的寬度,mm;X-膜的厚度,mm。

1.2.2.4 水蒸汽透過率測定 水蒸汽采用擬杯子法[13],結合González A等[14]的方法,稍加修改。在玻璃杯(杯口直徑為2.6 cm,深度為3 cm)中添加3.0 g的無水氯化鈣,用已經制備好的膜封蓋,暴露于蒸汽傳輸位置的膜區域為5.31 cm2,稱量貼膜后的玻璃杯重量,將玻璃杯置于25 ℃,RH 50%的恒溫恒濕箱中,每隔1 h測量覆蓋薄膜的玻璃杯重量,并記錄,持續測定9 h,以透過膜進入測定裝置中的水蒸汽質量相對于時間的變化繪圖計算斜率。

式(3)

式中,WVT-水蒸汽傳輸;F-線性圖斜率;A-暴露于蒸汽傳輸的面積，m2。

式(4)

式中,WVP-水蒸汽透過率g·m·Pa-1·s-1·m2;S-在25 ℃時的飽和壓力,MPa;(RH1-RH2)-杯內外部濕度差;e-膜的厚度,m。

1.2.2.5 消化降解能力測定 模擬胃腸液的配制,主要參照美國藥典方法[15]。將烘干后的1 cm2膜樣品,參照Pierro等[16]方法進行溶脹。將溶脹后的膜樣品分別放入模擬胃液和模擬腸液進行體外消化,參考由艷燕等[17]方法,并作適當修改。取10 mL配制的模擬胃液于玻璃試管中,37 ℃預熱15 min,將溶脹后的膜加入試管中,胃蛋白酶與膜的質量比為1∶25,37 ℃反應2 h,胃蛋白酶活力為50000 U/g。

取10 mL模擬腸液,將溶脹后的膜,通過模擬腸液體系消化,胰蛋白酶與膜的質量比1∶50,在25 ℃反應20 h,在10000 r/min、4 ℃條件下離心10 min,取出0.5 mL與0.5 mL 1 mol/L NaOH混合(終止反應),用Folin-Ciocalteau試劑測定L-酪氨酸釋放量[16]。

1.2.3 應用實驗 選用HPMC添加量為乳清蛋白質量20%的交聯復合膜進行包裝實驗。把制備好的復合膜裁剪成相同大小形狀,包裝奶茶粉、方便面調料、油料、餅干,用氣調包裝機進行普通包裝封口,熱封時間為10 s。每種原料包裝做3個平行,將包裝后的調料包及油包放入方便面袋中,蘇打餅干及奶茶粉包放入自封袋中,室溫下每隔1 d測定包裝產品質量變化,連續測定12 d,觀察其外觀變化以及質量變化。

1.3 數據處理

每組實驗至少重復3次。實驗結果采用軟件IMB SPSS Statistics 20中Duncan檢驗對交聯膜和非交聯膜組內分別進行差異顯著性分析,p<0.05認為數值差異顯著,采用獨立樣本T檢驗分析組間差異顯著性,利用軟件Origin 8.5繪圖報告結果。

2 結果與分析

2.1 膜的透光性

以不加酶的復合膜為例,其表觀形貌如圖1所示,表觀平整,光滑,沒有裂紋。通過數據統計分析HPMC添加量以及酶處理都對膜的透光率有影響,隨著HPMC添加量的增加,膜的透光率逐漸降低,當HPMC的添加量為WPC質量的0、5%,10%、15%、20%、25%時,膜的透光率依次為48.6%,28.7%,24.6%,23.3%,18.3%,13.6%,分散在可食膜網絡結構中的HPMC使透光率下降。這一結果與陳梅峰等[18]的研究相一致,其研究中指出透光率的降低是因為HPMC與蛋白之間發生較強的相互作用,使得膜的內部結構更加整齊緊密,導致透光性能變差。

圖1 未加酶的復合膜的照片

2.2 膜的斷裂伸長率

羥丙基甲基纖維素添加量以及酶處理對膜的斷裂伸長率的影響如圖2所示,乳清蛋白-羥丙基甲基纖維素復合膜的斷裂伸長率呈顯著差異,隨著羥丙基甲基纖維素添加量的增加,膜的斷裂伸長率逐漸降低。這是因為羥丙基甲基纖維素和乳清蛋白分子的相互作用增強,使膜的內部網絡結構變得整齊,分子間流動性變差,延展性下降,斷裂伸長率隨之而下降[19]。經TG酶處理后膜的斷裂伸長率都有顯著提高(p<0.05),與未加酶交聯的復合膜之間存在顯著差異。

圖2 HPMC和TG酶對復合膜斷裂伸長率的影響

2.3 膜的抗拉強度

羥丙基甲基纖維素添加量以及酶處理對膜抗拉強度的影響如圖3所示。TG酶對乳清蛋白-羥丙基甲基纖維素復合膜的抗拉強度沒有產生顯著性影響隨著羥丙基甲基纖維素添加量的增加,膜的抗拉強度逐漸增加。這是因為羥丙基甲基纖維素加入形成了增強的網絡結構,從而在一定程度上提高了膜的抗拉強度。馬中蘇等[20]研究發現綠豆皮納米纖維素添加量對蛋白膜抗拉強度影響顯著,認為納米纖維素表面的羥基與乳清蛋白表面的極性基團通過氫鍵相連接,形成了增強的網絡結構,提高了膜的抗拉強度,這與本研究結果相一致。

圖3 HPMC和TG酶對復合膜抗拉強度的影響

2.4 膜的水蒸汽透過率

羥丙基甲基纖維素添加量以及酶處理對膜水蒸汽透過率的影響如圖4所示。隨著羥丙基甲基纖維素添加量的增加,從數據結果看復合膜的水蒸汽透過率略有增加,但不顯著,這可能是由于乳清蛋白與羥丙基甲基纖維素均為親水性物質,對水蒸汽沒有較好的屏障作用。據Sánchez-González等[21]報道,羥丙基甲基纖維素膜比羥丙基甲基纖維素-茶樹油復合膜水蒸汽屏障性能較差。由圖4可知加酶處理對乳清蛋白-羥丙基甲基纖維素復合膜的水蒸汽透過率沒有顯著影響。

圖4 HPMC和TG酶對復合膜水蒸汽透過率的影響

2.5 膜的消化降解能力分析

羥丙基甲基纖維素添加量以及酶處理對可食復合膜消化降解能力的影響如圖5所示,可以看出,羥丙基甲基纖維素添加量對乳清蛋白-羥丙基甲基纖維素復合膜的消化降解能力無顯著影響。從實驗結果看,未經過TG酶處理的復合膜每平方厘米可釋放出13 μmol左右的酪氨酸,隨著HPMC添加量的增加,釋放量逐漸減少,但不顯著。加酶后每平方厘米膜可釋放9 μmol左右的酪氨酸,說明加入轉谷氨酰胺酶對膜的消化降解能力有一定影響。Pierro等[16]報道TG酶使蕓豆分離蛋白-殼聚糖復合膜釋放的酪氨酸含量減少。

圖5 HPMC和TG酶對復合膜消化降解能力的影響

2.6 包裝應用潛能評價

從圖6可以看出,四種產品經過12 d的包裝貯藏后表觀并沒有明顯變化,包裝的密封性及膜的柔韌性也沒有明顯的改變,在包裝儲藏期間對包裝樣品進行了重量的測定,根據質量變化來觀察復合膜是否具有包裝應用潛能。結果發現無論是奶茶粉包、調料包、油包還是餅干包,它們的質量損失都是先增大后減小,奶茶粉包和蘇打餅干的重量變化范圍較小。可能是由于樣品中的水分、二氧化碳、氧氣等物質,在儲存初期散失所致,這與高翔等[22]研究結果相似。對于方便面調料包裝研究,在測重量的同時還在油包下墊上一層濾紙,每天觀察濾紙上是否有油跡出現。由于整個實驗過程濾紙上沒有油跡出現,表明復合膜有一定的阻油性。

圖6 樣品包裝第12 d照片

3 結論

羥丙基甲基纖維素和轉谷氨酰胺酶的添加對復合膜的性能影響較大,羥丙基甲基纖維素顯著提高了乳清蛋白膜的抗拉強度(p<0.05),降低了斷裂伸長率(p<0.05),轉谷氨酰胺酶的交聯改善了復合膜的柔韌性,獲得機械性能較好的乳清蛋白-羥丙基甲基纖維素復合膜。初步包裝實驗顯示TG酶交聯乳清蛋白-羥丙基甲基纖維素復合膜穩定性較好,具有一定的包裝應用潛能,可進一步深入研究可食性膜的實際包裝應用性能。

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