殼聚糖/馬鈴薯蛋白/納米氧化鋅復(fù)合膜的研制

張 乾，王亞迪，成德偉，顏 彥，汪陳潔

(山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院,山東 淄博 255049)

馬鈴薯(Solanum tuberosum L.)是我們生活中最常見的一種糧食作物，又名土豆、地蛋、荷蘭豆、洋芋等，屬于茄科茄屬一年生塊莖草本植物[1]。其中馬鈴薯蛋白作為馬鈴薯淀粉工業(yè)的副產(chǎn)品[2]，具有豐富的人體必需氨基酸，營養(yǎng)價值高，極具開發(fā)潛力。

近年來，食品行業(yè)的發(fā)展越來越迅速，在給人們生活帶來便捷的同時也給環(huán)境帶來了很大壓力。為了更好地保存食品，人們開始大量使用安全無污染的保鮮包裝薄膜。利用包裝薄膜對食品進行保鮮，可以控制食品所處環(huán)境的氧氣、水氣或各種溶質(zhì)的滲透達到保鮮的目的；同時，食品中豐富的營養(yǎng)往往是微生物的天然培養(yǎng)基，因此需要控制其微生物的生長，即要求其具有一定的抗菌性能。納米氧化鋅是一種新型多功能綠色材料，具有良好的抗菌性能，可作為食品包裝材料[3]，研究表明，添加納米氧化鋅的薄膜會增強薄膜的機械性能和抑菌性能[4-5]。當(dāng)前,保鮮薄膜的種類有很多，大體上可分為4種：多糖類、蛋白質(zhì)類、復(fù)合型和類脂類可食性膜。其中殼聚糖因具有良好的抗菌性能和成膜特性而被廣泛研究[6-7]；用于制備薄膜的蛋白質(zhì)類主要有乳清蛋白[8]、酪蛋白[9]、玉米蛋白[10]等，而目前國內(nèi)外對馬鈴薯蛋白基抗菌薄膜的研究很少。目前，馬鈴薯蛋白大多隨淀粉加工的廢水排出，最多可作為動物飼料應(yīng)用，因此利用馬鈴薯蛋白制備抗菌薄膜對其高值化利用具有重要意義。

本文采用單因素試驗和響應(yīng)面試驗獲得制備殼聚糖-馬鈴薯蛋白-納米氧化鋅復(fù)合抗菌膜的最佳條件，并對其機械性能進行考察，以期為馬鈴薯蛋白的高值化利用提供新的視角，也為新型食品包裝材料的開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

試驗所需馬鈴薯購于山東淄博本地市場，挑選個體勻稱圓潤有光澤、成熟度顏色均一致、沒有機械損傷、無病蟲害跡象的馬鈴薯作為試驗材料。納米氧化鋅、甘油均來自于上海麥克林生化科技有限公司；殼聚糖、乙酸、氫氧化鈉、無水亞硫酸鈉等均來自國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

易斯頓全營養(yǎng)破壁料理機；DHG-9240電熱鼓風(fēng)干燥箱：龍口市先科儀器公司；DL-5-B離心機：上海安亭科學(xué)儀器廠；KQ-500B型超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司；AL-1D4型分析天平：梅特勒-托爾多儀器有限公司；冷凍干燥機FD-1：北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司；TA.XTPLUS物性測試儀：英國Stable Micro Systems公司；UV-2102PC紫外分光光度計：上海光學(xué)儀器五廠有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 馬鈴薯蛋白的提取

將新鮮馬鈴薯去皮、切碎、打漿，迅速放入配置好的亞硫酸鈉(0.4%)溶液中并用1 mol/L氫氧化鈉溶液將pH調(diào)到9，靜置2 h，然后在3 000 r/min下離心10 min，離心所得上清液用雙層濾布過濾，將濾液pH調(diào)到4.2，磁力攪拌10 min后靜置1 h。再次在相同條件下離心取沉淀，并將pH調(diào)到7，然后用透析袋透析，將馬鈴薯蛋白中的中性鹽除去，再用冷凍干燥機進行干燥成粉。

1.3.2 復(fù)合膜的制備工藝

將殼聚糖溶于體積分?jǐn)?shù)2%的乙酸溶液中，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的殼聚糖溶液。將馬鈴薯蛋白溶于蒸餾水，將上述殼聚糖溶液與蛋白質(zhì)溶液按一定比例混合，加入1.5%甘油和不同比例的納米氧化鋅，并加以不同時間的超聲震蕩，去除氣泡后取25 mL成膜液流延于聚乙烯培養(yǎng)皿內(nèi)，在55 ℃的條件下干燥24 h，移出后揭膜。將膜置于盛有飽和硝酸鎂溶液的干燥器中，25 ℃條件下，保持相對濕度(50±3)%，平衡48 h后測定膜的各項性能指標(biāo)。

1.3.3 單因素試驗

馬鈴薯蛋白的單因素試驗濃度梯度為0、0.1%、0.3%和0.5%；納米氧化鋅的單因素水平分別為0、0.05%、0.1%和0.2%；超聲時間設(shè)置為10 min、20 min和30 min，以不經(jīng)超聲處理組為對照組。測定不同單因素條件下制備出的復(fù)合膜破斷力和斷裂伸長率。

1.3.4 響應(yīng)面試驗優(yōu)化

根據(jù)單因素實驗結(jié)果，選擇最優(yōu)的馬鈴薯蛋白含量、納米氧化鋅含量和超聲時間進行三因素三水平的響應(yīng)面試驗設(shè)計(見表1)，評價指標(biāo)為破斷力和斷裂伸長率。

表1 響應(yīng)面試驗設(shè)計因素水平表Tab.1 Design factor level of response surface test

1.3.5 機械性能的測定

按文獻[11]的方法，采用質(zhì)構(gòu)儀TA-XT Plus測定各膜的抗拉伸強度(Breaking force)和斷裂拉伸率(Elongation)。探頭：A/MTG；測試條件：測試速度為0.20 mm/s，測試距離為35 mm。每種膜測定5個平行樣，每個樣品大小為1 cm×5 cm。

1.3.6 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用IBM SPSS Statistics 19進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析(P<0.05)，采用Origin 9.0作圖，響應(yīng)面試驗設(shè)計與分析采用Design Exper v8.0.6軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 馬鈴薯蛋白含量對復(fù)合膜機械性能的影響

破斷力和斷裂伸長率可以反映復(fù)合膜的機械強度和延伸韌性。馬鈴薯蛋白含量對復(fù)合膜機械性能的影響如圖1所示。由圖1可知，不同含量的馬鈴薯蛋白對膜的機械強度有顯著影響(P<0.05)。其中，馬鈴薯蛋白含量為0.30%時復(fù)合膜的破斷力和斷裂伸長率達到最大值，顯著優(yōu)于其它組(P<0.05)，具有良好的機械性能。這可能與馬鈴薯蛋白的添加增強了復(fù)合膜分子之間的黏結(jié)強度，導(dǎo)致復(fù)合膜的機械性能增強有關(guān)。因此，可考慮選擇馬鈴薯蛋白含量為0.30%作為后續(xù)優(yōu)化的中間水平。

圖1 馬鈴薯蛋白含量對復(fù)合膜機械性能的影響Fig.1 Effects of different potato protein contents on the mechanical properties of the composite film

2.1.2 納米氧化鋅含量對膜機械性能的影響

納米氧化鋅含量對復(fù)合膜機械性能的影響如圖2所示。由圖2可知，隨著納米氧化鋅含量的增加，復(fù)合膜的破斷力逐漸增強，斷裂伸長率顯著下降(P<0.05)，添加的量高于0.10%時，破斷力和斷裂伸長率較對照組有顯著差異(P<0.05)，膜的抗拉強度增加，韌性減弱。當(dāng)納米氧化鋅含量達0.20%時，膜的斷裂伸長率急劇下降(P<0.05)。這可能是由于復(fù)合膜中納米氧化鋅含量增多時，殼聚糖和蛋白質(zhì)分子之間以及分子內(nèi)部的氫鍵作用減弱，而在納米氧化鋅和大分子之間形成新的氫鍵，阻礙了分子的運動，從而使大分子的活動受到影響，造成膜的斷裂伸長率下降，復(fù)合膜變得更脆[12]。綜合考慮兩個指標(biāo)，可選擇納米氧化鋅含量為0.10%。

圖2 納米氧化鋅含量對復(fù)合膜機械性能的影響Fig.2 Effects of different nano ZnO contents on the mechanical properties of the composite film

2.1.3 超聲時間對復(fù)合膜的機械性能的影響

超聲時間對復(fù)合膜機械性能的影響如圖3所示。由圖3可知，超聲處理對復(fù)合膜的破斷力影響顯著(P<0.05)，經(jīng)超聲震蕩處理20 min后，復(fù)合膜的破斷力顯著增加(P<0.05)，斷裂伸長率與超聲10 min處理組無顯著差異(P>0.05)。但當(dāng)超聲時間繼續(xù)增加到30 min時，復(fù)合膜的破斷力與20 min處理組并無顯著性差異(P>0.05)，但斷裂伸長率顯著低于20 min處理組(P<0.05)。結(jié)果表明，一定時間的超聲處理有利于成膜液更加均勻地分布，從而增加膜的機械性能。可以看出，選擇20 min左右的超聲時間較為合適。

圖3 超聲時間對復(fù)合膜機械性能的影響Fig.3 Effects of different ultrasonic time on the mechanical properties of the composite film

2.2 響應(yīng)面實驗結(jié)果分析

由單因素實驗結(jié)果，運用Design Expert v8.0.6軟件設(shè)計三因素三水平的響應(yīng)面實驗，將破斷力和斷裂伸長率作為試驗的響應(yīng)值，結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面試驗方案及結(jié)果Tab.2 Scheme and results of response surface test

采用軟件進行數(shù)據(jù)處理，以斷裂伸長率為例，得到斷裂伸長率值(Y2)的三元二次回歸方程為：Y2=33.99 -0.67X1-0.93X2-0.17X3+ 0.40X1X2-0.22X1X3+0.07X2X3-0.87X12-1.57X22-0.67X32。由表3可知，響應(yīng)面優(yōu)化模型極其顯著，失擬項不顯著，說明該模型擬合良好，可以應(yīng)用。同時，根據(jù)P值可以看出，超聲時間對斷裂伸長率的影響相對小一些，馬鈴薯蛋白和納米氧化鋅含量對膜的性能影響都很大。

表3 斷裂伸長率的響應(yīng)面二次模型方差分析Tab.3 Variance analysis of elongation at break

斷裂伸長率值響應(yīng)面圖如圖4所示。由圖4可得，當(dāng)馬鈴薯蛋白含量在0.29%～0.33%、納米氧化鋅含量在0.09%～0.11%、超聲時間17～21 min時，復(fù)合膜的斷裂伸長率較大。而超出此范圍的斷裂伸長率降低，使得復(fù)合膜的韌性變差、脆性增加。其中馬鈴薯蛋白與納米氧化鋅交互作用的響應(yīng)面圖中的曲面弧度較其他兩個響應(yīng)面大，說明馬鈴薯蛋白與納米氧化鋅交互作用較明顯，且表3中X2X3交互項也顯示極顯著，其他交互項不顯著。即馬鈴薯蛋白與納米氧化鋅含量交互作用顯著(P<0.01)，而馬鈴薯蛋白含量與超聲時間、納米氧化鋅含量與超聲時間的交互作用不顯著(P>0.05)。

圖4 斷裂伸長率值響應(yīng)面圖Fig.4 Response surface of elongation at break

經(jīng)過響應(yīng)面優(yōu)化后的各因素最優(yōu)條件分別是馬鈴薯蛋白含量0.32%、納米氧化鋅含量0.10%、超聲時間19.52 min，經(jīng)模型優(yōu)化得到的破斷力和斷裂伸長率分別為1 106.50 g、33.62%。通過驗證試驗，測得破斷力值是1 109.78 g、斷裂伸長率為33.39%，與模型優(yōu)化值接近。所以，本優(yōu)化模型擬合良好。

2.3 不同復(fù)合膜性能比較

不同薄膜的破斷力和斷裂伸長率如圖5所示。由圖5可知，不同添加物質(zhì)的膜破斷力有顯著差異(P<0.05)，CS膜的破斷力最小，但斷裂伸長率顯著優(yōu)于添加納米氧化鋅組(P<0.05)；從膜的表觀特征來看，CS膜較柔軟，延展性較好。加入納米氧化鋅之后，復(fù)合膜的破斷力較對照組顯著增加，斷裂伸長率下降(P<0.05)。同時添加納米氧化鋅和馬鈴薯蛋白的復(fù)合膜破斷力最大，斷裂伸長率較殼聚糖納米氧化鋅組略高但無顯著差異(P>0.05)。綜上所述，CS-PP-ZnO NPs復(fù)合膜具有較好的機械性能，可用作食品的包裝材料。

圖5 不同薄膜的破斷力和斷裂伸長率Fig.5 Breaking force and elongation at break of different films

3 結(jié)論

1)通過單因素試驗得出馬鈴薯蛋白、納米氧化鋅及超聲時間的中間水平分別為：0.30%、0.10%、20.00 min。

2)響應(yīng)面試驗優(yōu)化結(jié)果表明，馬鈴薯蛋白含量為0.32%、納米氧化鋅含量為0.10%以及超聲時間為19.52 min的條件下，復(fù)合膜的機械性能最好，驗證試驗結(jié)果與預(yù)測值相接近。

3)納米氧化鋅的加入會顯著提高復(fù)合膜的破斷力，但韌性較差，而馬鈴薯蛋白的加入會改善其韌性，最終使CS-PP-ZnO NPs復(fù)合膜具有較好的機械性能，具有較高的應(yīng)用價值。