不同相對濕度環境條件下 玉米醇溶蛋白膜的穩定性研究

郭興鳳,崔和平,魏 倩,張瑩瑩,閻 欣,王 雪,王鶯穎

(1.河南省谷物資源轉化與利用重點實驗室,河南鄭州 450001;2.河南工業大學 糧油食品學院,河南鄭州 450001)

蛋白質是一種天然大分子物質,因其分子側鏈基團的多樣性,在成膜過程中可以發生分子間的相互作用而賦予蛋白膜較好的機械特性,是理想的制備可降解包裝膜材料的原料之一。玉米醇溶蛋白(zein)是玉米的儲藏蛋白,分子含有大量的含硫氨基酸,且非極性側鏈的含量遠大于極性側鏈,無水乙醇中不溶解,而易溶于60%～90%的乙醇溶液或70%～80%的丙酮溶液[1]。玉米醇溶蛋白具有優良的成膜特性,因此,目前對其成膜條件和成膜特性進行了諸多研究[2-5]。作為一種包裝材料,環境條件下的穩定性是評價蛋白膜的一個重要指標。環境因素如溫度、濕度、氧氣、光照等都可能導致蛋白膜機械性能發生變化[6-8],目前的研究也逐步聚焦在穩定性的研究。Su等[7]研究了大豆分離蛋白/聚乙烯醇復合膜在大氣環境條件下的穩定性,發現在30 d的儲藏過程中,蛋白膜的抗拉伸強度和斷裂延伸率均逐漸降低,添加的聚乙烯醇比例越大,儲藏過程中抗拉伸強度的變化越小,斷裂延伸率的變化越大。本實驗室已就不同條件下制備的玉米醇溶蛋白膜在不同的環境條件下進行儲藏,結果表明不同蛋白質濃度條件下制備的玉米醇溶蛋白膜在不同的環境溫度條件下存放一段時間后其機械性能會發生變化,在35 ℃條件下儲藏,制備條件對膜的機械性能的影響較大,而在5 ℃環境條件下,制備條件對膜的機械性能的影響較小,證實環境溫度是影響玉米醇溶蛋白膜機械性能的一個重要的因素[6]。作為一種包裝材料特別是食品的包裝材料,防止食品的品質劣變是蛋白膜的重要功能之一,而這種功能主要是受到蛋白膜的阻隔性能的影響,比如阻隔氧氣防止食品的氧化,膜的水分含量變化會影響到膜的阻隔性能及其機械性能,膜的水分含量受環境相對濕度的影響[8]。因此,在不同的環境濕度條件下蛋白膜的機械性能的穩定性是限制蛋白膜應用的一個重要因素。

為了考察玉米醇溶蛋白膜在短期存放(從成膜到應用期間)時環境濕度對蛋白膜機械性能的影響,在前期研究基礎上,依據自然環境濕度變化范圍,分別選擇了高中低五個水平的相對濕度作為玉米醇溶蛋白膜的儲藏環境,將不同條件制備的玉米醇溶蛋白膜存放在不同的相對濕度條件下,研究其機械性能的變化,考察其在不同濕度環境條件下的穩定性,為玉米醇溶蛋白膜性能的改進和應用提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

玉米醇溶蛋白粉 蛋白質含量91.16%±0.50%,南京都萊生物技術有限公司;無水乙醇、聚乙二醇-400、丙三醇等試劑 均為分析純。

TA. XTplus物性測定儀 英國Stable Micro System公司;螺旋測微器(1 μm) 上海量具刃具廠;AY-120分析天平 日本島津公司;81-2型磁力攪拌器 上海司樂儀器有限公司;HH-2型電熱恒溫水浴鍋 金壇市華峰儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 玉米醇溶蛋白膜的制備 玉米醇溶蛋白膜的制備參照崔和平等[6]人的方法,工藝如下:

將玉米醇溶蛋白溶解在乙醇溶液中,加入甘油和聚乙二醇,80 ℃恒溫水浴加熱15 min,然后攪拌15 min使其混合均勻,最后量取一定量的蛋白液(含蛋白質的量為1.56 g)澆注在成膜托盤(密胺材質,130 mm×130 mm)上,設定的成膜溫度條件下在水浴加熱成膜,待膜干燥后揭膜。膜的制備條件見表1。為了使結果更確切的反映甘油含量所產生的影響,同時也能間接地反映聚乙二醇對膜機械性能產生的作用,在研究甘油添加量對膜的穩定性的影響時,制膜溶液中未添加聚乙二醇。

表1 玉米醇溶蛋白膜的制備條件Table 1 Preparing condition of zein films

1.2.2 儲藏實驗 為了更好的控制玉米醇溶蛋白膜的儲藏環境條件,環境濕度分別采用MgCl2、K2CO3、Mg(NO3)2、NaNO2和(NH4)2SO4的飽和溶液進行調節[9],對應的相對濕度(Relative Humidity,RH)分別為34%、43%、54%、65%和80%。

將新制備的玉米醇溶蛋白膜存放在選定的相對濕度的密閉容器中,(20±0.5) ℃平衡48 h,測定膜的機械性能,并在此溫度條件下進行儲藏實驗,每6 d測定一次玉米醇溶蛋白膜的機械性能,共儲藏24 d。

1.2.3 膜機械性能的測定 玉米醇溶蛋白膜的機械性能用抗拉強度和斷裂延伸率表示,參照崔和平等[6]的方法進行測定。抗拉強度(Tensile Strength,TS)用下式表示:

式(1)

式中:TS為蛋白膜的抗拉強度(MPa);F為最大拉力(N);t為蛋白膜的厚度(mm);W為蛋白膜的寬度(mm),本實驗中W是10 mm。

膜的斷裂延伸率(elongation at break,EB)用下式表示:

式(2)

式中:EB為蛋白膜的斷裂延伸率(%);30為蛋白膜拉伸前的有效長度(mm);L為斷裂時蛋白膜延伸的長度(mm)。

1.3 統計分析

每個玉米醇溶蛋白膜樣品至少測定5次,數據采用Excel和SPSS Statistic 19.0進行分析,用“平均值±標準偏差”表示結果。

2 結果與分析

2.1 玉米醇溶蛋白濃度對玉米醇溶蛋白膜儲藏穩定性的影響

不同玉米醇溶蛋白濃度下制備的玉米醇溶蛋白膜在不同濕度條件下儲藏,其機械性能的變化如圖1所示。

圖1 玉米醇溶蛋白濃度對玉米醇溶蛋白膜儲藏穩定性的影響Fig.1 Effect of zein concentration on storage stability of zein film

從圖1(a～c)可以看出,在24 d的儲藏過程中,相同蛋白質濃度成膜溶液制備的蛋白膜,在環境濕度34%、43%、54%和65%的條件下進行儲藏,其機械性能的變化趨勢基本一致,TS呈現先增加后降低的變化趨勢,EB則呈現先降低后增加的趨勢;而在80%相對濕度環境條件下進行儲藏,玉米醇溶蛋白膜的TS值在儲藏過程中呈現逐步增加的趨勢,EB則逐漸減少,在儲存中后期快速降低。比較幾種環境濕度條件下玉米醇溶蛋白膜的機械性能變化,80%的相對環境濕度是對儲藏過程中膜的機械性能影響最大的環境濕度。

從圖1中可以看出,不同蛋白濃度的成膜溶液制備的玉米醇溶蛋白膜在34%、43%和54%的濕度環境條件下均具有較好的穩定性。因此,以RH54%環境條件比較不同成膜溶液蛋白質濃度制備的膜的穩定性,結果見圖1d。由圖1d可以看出,10 g/100 mL成膜蛋白質濃度制備的蛋白膜,儲藏期間TS和EB具有較小的變異,因此具有較好的穩定性。12 g/100 mL蛋白濃度時成膜,儲藏期間蛋白膜的EB變化最大。前期研究了在43%的相對濕度條件下,不同儲藏溫度時成膜溶液蛋白質濃度對膜的穩定性的影響,同樣得出10 g/100 mL的成膜溶液蛋白質濃度制備的膜具有較好的穩定性[6]。

蛋白膜在儲藏的過程中,蛋白質分子之間以及蛋白質和增塑劑之間仍然發生新的交聯,使蛋白膜的抗拉強度上升,斷裂延伸率下降[10-11]。除此之外,膜中水分含量的變化也是導致玉米醇溶蛋白膜的機械性能變化的一個重要誘因。水是一種小分子的物質,在蛋白膜中可以作為增塑劑,高濕環境中膜吸收的水分增加,削弱了膜網絡結構中大分子之間的相互作用,影響了蛋白膜的機械性能;在高濕環境下,蛋白膜中的聚乙二醇也容易發生老化,影響到蛋白膜的機械性能[7,10,12]。由于玉米醇溶蛋白中的疏水性氨基酸較多,對水的相容性和耐受性較差,高濕環境中更容易引起蛋白膜機械性能的變化,進而導致膜的斷裂延伸率迅速下降[10]。

2.2 甘油添加量對玉米醇溶蛋白膜儲藏穩定性的影響

不同甘油添加量制備的玉米醇溶蛋白膜在不同濕度條件下儲藏,其機械性能的變化如圖2所示。從圖2(a～c)可以看出,不同甘油添加量的玉米醇溶蛋白膜在儲藏期間,膜的機械性能的變化趨勢一致,TS均呈現先增加后降低的趨勢,EB呈現先降低后增加的趨勢,這種趨勢和蛋白濃度的影響是不一樣的,在高濕度環境中,玉米醇溶蛋白膜的EB也是呈現先降低后增加的趨勢。在研究甘油添加量的影響時,制膜溶液中沒有添加聚乙二醇,這應該是造成這個結果的直接原因。比較圖1和圖2中的數據發現,不添加聚乙二醇的條件下,玉米醇溶蛋白膜具有較大的TS值,而EB卻很小,說明玉米醇溶蛋白膜的柔韌性較小,而剛性較大。

圖2 甘油添加量對玉米醇溶蛋白膜儲藏穩定性的影響Fig.2 Effect of glycerol ratio on storage stability of zein film

相同的儲藏時間的玉米醇溶蛋白膜,其TS值隨著相對環境濕度的增加呈現減小的趨勢,特別是對于甘油添加量0.3 g/g zein和0.4 g/g zein的玉米醇溶蛋白膜,儲存的時間越長,這種趨勢就越明顯,這和Lawton[13]的研究結果一致。Lawton認為產生這種結果主要是因為在高水分環境條件下,增塑劑的親水性造成膜中的水分含量增加,而在幾種常用的增塑劑中,添加甘油的玉米醇溶蛋白膜的吸水性是最強的。甘油是親水性小分子,蛋白膜內的甘油可以吸收環境中的水分,增加蛋白膜表面的潤濕性,水分在蛋白膜內部與蛋白質分子之間產生相互作用(主要是氫鍵)進而改變蛋白膜的網絡結構,使膜的機械性能發生變化[14-15]。

從圖2d可以看出,相同濕度環境條件下,膜中的甘油含量越高,膜的TS值越低,而EB值越高,這是由甘油的增塑作用引起的[4]。低甘油含量條件下,蛋白膜吸收的水分減小了由甘油含量引起的膜性能的差別[16];當蛋白膜中甘油添加量增加時,甘油吸水量增加,水分進入蛋白膜的體積發生一定程度的膨脹,也會導致膜的機械性能發生變化[17-18]。Orliac等[10]研究了不同增塑劑的大豆蛋白膜在儲藏期間機械性能的變化,發現大豆蛋白膜的TS隨著儲藏時間的延長而增加,而EB則逐漸減少,認為主要是因為在儲藏過程中增塑劑的遷移和減少造成的。大豆蛋白和玉米醇溶蛋白在性質上存在較大的差異,其疏水性造成了其與親水性的甘油的相容性較差,儲存過程中甘油會遷出,也會在一定程度上影響玉米醇溶蛋白膜的機械性能。

2.3 成膜溫度對玉米醇溶蛋白膜儲藏穩定性的影響

不同成膜溫度下制備的蛋白膜在不同濕度條件下儲藏期間其TS和EB的變化見圖3(a～c)。在24 d的儲藏期間,玉米醇溶蛋白膜的TS依然是呈現先增加后減小的趨勢,而EB則呈現先降低后增加的趨勢。究其原因應該和前面兩個影響因素一樣,主要是由于儲藏過程中水分和甘油的變化。

圖3 成膜溫度對玉米醇溶蛋白膜儲藏穩定性的影響Fig.3 Effect of film forming temperature on storage stability of zein film

圖3d表示不同成膜溫度條件下制備的玉米醇溶蛋白膜在儲藏期間機械性能的變化。成膜溫度較高時,蛋白質分子更易變性,內部的疏水基團、游離巰基更容易暴露出來,使得分子之間發生相互作用聚集交聯的幾率增加;同時,較高的成膜溫度能夠增加成膜溶液的流動性,聚合物鏈段的移動加快,分子之間相互作用的速度加快,形成的蛋白膜的分子網絡更加致密,對膜的機械強度有很好的促進作用[19-21]。

不同成膜溫度條件下制備的玉米醇溶蛋白膜在不同相對濕度環境中機械性能變化趨勢與不同蛋白濃度以及不同甘油含量制備的膜在不同的相對濕度環境中機械性能的變化趨勢基本一致。相同的儲藏時間內,在不同濕度環境中儲存的膜的機械性能差別較大,說明對玉米醇溶蛋白膜的穩定性起決定作用的是環境濕度,制備條件對膜的穩定性起次要的作用。

3 結論

相對濕度對玉米醇溶蛋白膜的儲藏穩定性具有顯著的影響(p<0.05)。不同的單一因素條件下制備的玉米醇溶蛋白膜,在相同的濕度環境中儲藏,膜的機械性能變化趨勢基本一致,而相同條件下制備的玉米醇溶蛋白膜在不同的濕度環境條件下,膜的機械性能的變化趨勢和變化幅度都有較大的差別:在34%、43%和54%的相對濕度條件下,玉米醇溶蛋白膜具有相對較好的穩定性,而在高濕環境條件下,玉米醇溶蛋白膜的機械性能更容易發生變化。鑒于環境濕度與玉米醇溶蛋白膜的機械性能的影響,在制備玉米醇溶蛋白膜時,一定要考查蛋白膜使用的環境條件。聚乙二醇能夠有效的改善玉米醇溶蛋白膜的機械性能。

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