亞麻籽膠-大豆分離蛋白復合膜的制備及表征

胡海玥，周彩瑩，李海嶺，李子來，袁哲，馮永莉，楊晨，3*，汪建明*

（1.天津科技大學食品科學與工程學院，天津 300457；2.山東天驕生物技術有限公司，山東 菏澤 274108；3.優滋福（天津）食品科技有限公司，天津 300457）

可食用膜是一種以不同可食用生物聚合物（如多糖、脂類和蛋白質）為成膜基質，形成的具有一定阻隔能力和機械性能的薄膜[1-2]。同時為增加其柔韌性并降低脆性，常使用甘油、山梨糖醇等作為增塑劑[3-4]，降低聚合物分子間的內聚力，增加聚合物鏈的流動性[5]。將各類可食用的材料應用于食物保鮮上具有非常悠久的歷史。古代，中國便將蜂蠟涂抹在水果上[6]，使其形成一層可食用薄膜，用來保鮮。二十世紀九十年代，將蠟作為一種商業可食用涂料，應用于水果中[7]。但這些材料對于食品的保鮮效果欠佳，而且其應用范圍不是很廣。

隨著科技的發展，塑料材料（如聚丙烯、聚乙烯等）因其具有良好的保鮮性能和機械強度，在食品工業領域和日常生活中被廣泛應用[8-9]。但這些材料缺乏良好的回收性和可降解性[10]，造成資源的大量浪費和環境污染。近些年，由于消費者對環境保護和食品安全意識的不斷提高，以可食用并且易降解的材料作為基礎所制作出來的可食用膜受到了很大的關注[11]。可食用膜可以通過阻斷水、氧氣以及溶質等與食物腐爛有關的物質和被保鮮物的接觸[12]，減少包括物理、化學和酶等不良反應，在食品制造、保藏和延長食品材料保質期等方面發揮著至關重要的作用。可食用膜的材料來源廣泛，并且可以搭載各種天然功能物質[13-14]，使膜的功能特性更加豐富，應用范圍更加廣泛，具有巨大的發展潛力。Echeverría等[15]以大豆蛋白和丁香精油為基質制成的復合薄膜具有顯著的抗氧化和抗菌性能。陽暉[16]研究仙草膠對蛋白膜的改善效果，發現將仙草膠與蛋白混合可以改變蛋白膜的網絡微觀結構，從而影響膜的宏觀性質。

大豆分離蛋白（soybean protein isolate，SPI）是一種全價粉狀食品原料和食品添加劑，其蛋白質含量在90%以上[17]，且含有的氨基酸種類有20種[18-19]。SPI因其具有生物降解和可再生性，并具有良好的成膜能力[20-21]，被廣泛用作可食用膜的成膜基質[22]。但是單一的SPI膜存在物理-機械強度不足、功能性較差等問題[23]，從而導致其應用范圍受到限制。因此，在以SPI為成膜基質的基礎上，需要添加其他具有功能性的物質，提高膜的物理-機械強度，增加功能性。亞麻籽膠（flaxseed gun，FG）是一種源于亞麻籽，具有親水性的膠體[24]，其主要成分為酸性多糖（75%）和中性多糖（25%）。在食品工業中，因其具有良好的增稠性、乳化性和乳化穩定性[25-27]，被廣泛用作增稠劑、乳化劑和穩定劑[28-30]。FG還具有降血糖、降低膽固醇等生理功能[25，31]以及抗氧化和抑菌特性[32]。

本研究以SPI作為成膜基質，探究不同FG添加量對可食用膜的物理-機械性能、阻氧性、阻水性和光學性能的影響，參考模糊綜合評價法對其進行累計加權。為FG擴大在食品中的應用，尤其是食品包裝保鮮方向提供一定的參考，同時本研究也為今后研究多糖與SPI的作用機制提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

SPI（蛋白質含量78.95%，食品級）：山東萬得福生物科技有限公司；FG（純度≥99%，食品級）：浙江一諾生物科技有限公司；大豆油（食品級）：益海嘉里金龍魚糧油食品股份有限公司；甘油（食品級）：天津津東天正精細化學試劑廠；磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉（均為分析純）：北京鼎國生物技術有限公司；無水氯化鈣（分析純）：上海國藥集團化學試劑有限公司；其余試劑均為分析純；亞克力平板：福建御涂達建材商貿有限公司。

1.2 儀器與設備

恒溫磁力攪拌器（HJ-6A）：上海易友儀器有限公司；電熱鼓風干燥箱（GZX-9030MBE）：上海博旭醫療生物儀器股份有限公司；高剪切分散均質機（D-500）：德國維根技術（北京）有限公司；通風櫥（FGG1800）：武漢貝科科技股份有限公司；紫外分光光度計（U120Pro）：上海翱藝儀器有限公司；質構儀（TA.XT2i）：英國Stable Micro System公司；螺旋測微儀（SONGQI）：佛山市立發五金工具有限公司。

1.3 可食用膜的制備方法

準確稱取SPI 5 g，溶于100 mL蒸餾水中，磁力攪拌10min至蛋白完全溶解，調節pH值至10，加入2 mL甘油，放入80℃水浴鍋攪拌加熱30 min后，分別加入0%、1%、2%、3%、4%、5%的FG（以SPI質量計，質量比）充分混合（不同FG添加量的膜分別用FG-0、FG-1、FG-2、FG-3、FG-4、FG-5表示），繼續加熱30 min，然后均質5 min，冷卻至室溫（25℃），靜置30 min，將成膜液倒入20 cm×20 cm的亞克力平板上，鋪勻，放入通風櫥內干燥24 h后取出揭膜。將膜放入裝有飽和NaBr溶液的干燥器中，平衡2 d后做測定。

1.4 膜的物理-機械性能的測定

1.4.1 膜厚的測定

參考GB/T 6672—2001《塑料薄膜和薄片厚度測定機械測量法》，使用螺旋測微儀，在平衡后的膜上選取4個點進行膜厚測定，4個點應對稱，每個樣品重復3次。

1.4.2 膜的機械性能測定

將膜樣品用剪刀裁成15mm×60mm的長方形后，將其置于質構儀上，將質構儀的初始夾距設定為30 mm，用來測定膜在斷裂時的抗拉強度（tensile strength，TS）和斷裂伸長率（elongation at break，EAB），每個樣品重復3次。

1.4.3 膜的水蒸氣透過量的測定

參考GB/T 1037—2021《塑料薄膜與薄片水蒸氣透過性能測定杯式增重與減重法》，均勻地在稱量瓶內鋪上粉碎且干燥至恒重的4 g無水氯化鈣粉末，將膜剪裁成適合的大小，蓋在稱量瓶口，并使用石蠟將縫隙填滿封住。將覆蓋有膜的稱量瓶放置于干燥器內，干燥器內部相對濕度為50%，間隔12 h對其進行稱重，當前后兩次的質量差小于5%時，結束稱重。每個樣品重復3次測定，水蒸氣透過量（water vapor transmission，WVT）計算公式如下。

式中：WVT為水蒸氣透過量，g/m2·24 h；△m為經過t時間后瓶增重，g；A為水蒸氣透過膜的面積，m2；t為稱重時間間隔，h。

1.4.4 膜的水溶性測定

將膜裁成30 mm×30 mm大小，將裁好的膜與燒杯放入干燥箱中干燥至恒重后稱重。向燒杯中加入一定量的蒸餾水，放在室溫（25℃）下24 h后，保留剩余的膜，將水倒掉，并將其干燥至恒重，記錄其質量。每個樣品重復3次，水溶性系數計算公式如下。

式中：WS為水溶性系數，%；m為初始膜的質量，g；m1為初始膜與燒杯的質量，g；m2為干燥后膜與燒杯的質量，g。

1.4.5 膜的透光率測定

將膜裁成與比色皿一側大小一致的長條，貼在一側，使用紫外分光光度計在500 nm下以未貼膜的空白比色皿作為對照，測定膜的透光率，每個樣品重復測定3次。透光率計算公式如下。

T/%=0.1A

式中：T為透光率，%；A為吸光度。

1.4.6 膜的氧氣透過性測定

將5 g的大豆油倒入燒杯中，將膜剪裁成合適的大小，覆于燒杯口上方，并將不覆蓋膜的燒杯中的大豆油做空白組。將所制樣品放入干燥箱中保存7 d，設定溫度為60℃。7 d后每個樣品各稱取2 g，檢測其過氧化值，每個樣品重復測定3次，用來判斷膜的氧氣透過性，過氧化值（peroxide value，POV）計算公式如下。

式中：POV為過氧化值，g/100 g；V為試樣消耗的硫代硫酸鈉標準溶液體積，mL；V0為空白試劑消耗的硫代硫酸鈉標準溶液體積，mL；c為硫代硫酸鈉標準溶液的濃度，mol/L；0.126 9為與1.00 mL硫代硫酸鈉標準滴定溶液[c（Na2S2O3）=1.000 mol/L]相當的碘的質量，g；m為試樣質量，g。

1.5 膜的綜合性能判定

膜的綜合性能判斷選取模糊綜合評價法，即隸屬度函數。本研究的膜所需要考慮的指標為水蒸氣透過量（負效應）、抗拉強度（正效應）、斷裂伸長率（正效應）、氧氣透過性（負效應）、水溶性（正效應）、透光性（正效應），綜合評價的權重子集為Y{0.15，0.2，0.2，0.2，0.1，0.15}。

累加加權隸屬度值∑X（u）·Y為膜的多個指標經過計算所得的數值，其值越大，證明膜的綜合能力越好。隸屬度函數值計算公式如下。

正效應X（u）=（Xi-Xmin）/（Xmax-Xmin）

負效應X（u）=1-（Xi-Xmin）/（Xmax-Xmin）

式中：X（u）為分析指標的隸屬度函數值；Xi為分析樣品指標的數據值；Xmax為分析樣品指標在數據列的最大值；Xmin為分析樣品指標所在數據列的最小值。

1.6 數據處理

采用SPSS 23軟件進行方差分析和差異顯著性分析。試驗所得數據利用Excel進行數據整理，通過Origin 2018軟件對試驗數據進行繪圖。

2 結果與討論

2.1 FG添加量對膜的阻隔性能影響

可食用膜作為應用到食品保鮮的包裝材料，WVT和POV可以在一定程度上表示膜的保鮮效果。FG添加量對膜的WVT和POV的影響見圖1。

圖1 FG添加量對膜的WVT和POV影響Fig.1 Effect of addition amount of FG on WVT and POV of the film

由圖1可知，WVT在FG添加量0%時為15.51g/m2·24 h，隨著FG添加量的增加，WVT先減小后增大，FG添加量2%時達到最小值10.64 g/m2·24 h。FG添加量5%時WVT達到最大值22.97g/m2·24h。可能是FG-1和FG-2樣品中的FG與SPI結合，在膜表面形成疏水層，阻隔了水蒸氣的進入。而FG-4、FG-5的WVT值均比FG-0高，推斷是隨著FG添加量的不斷增加，其結合逐漸飽和，多余的FG不能和蛋白質分子結合，膜中FG的含量上升，使SPI的含量下降，導致膜的結構變得疏松，空隙增大，水分子較易通過[33]，并且FG可以使膜中親水基團增加，使運輸水分子的能力增強[30]，從而導致WVT的升高。

由圖1可知，單一SPI膜的阻氧能力較差，其POV為1.22 g/100 g，隨著FG添加量的增大，POV先降低至0.96 g/100 g（FG-3），后又升高至1.12 g/100 g（FG-4）。這可能是由于SPI自身含有大量的易吸附氧分子的非極性氨基酸[34]，FG可以與SPI分子鏈接，形成致密的結構[23]，能夠阻擋氧氣的透過。但是FG添加量大于4%時，過多的FG使膜原本致密的結構被破壞，結構疏松[35]，POV增大。但在FG添加量達到5%時，POV又有了輕微的下降，為1.04 g/100 g，推斷可能是FG添加量過多，使膜厚較FG-0提高了120.00%，對氧氣造成了一定的阻隔性。

2.2 FG添加量對膜的機械性能的影響

可食用膜的力學性能在保持可食用膜結構的完整性方面起著重要作用，其中抗拉強度和斷裂伸長率是兩個重要的參數。FG添加量對膜抗拉強度（TS）和斷裂伸長率（EAB）的影響見圖2。

圖2 FG添加量對膜的TS和EAB的影響Fig.2 Effect of addition amount of FG on TS and EAB of the film

由圖2可知，FG添加量對膜的TS和EAB均有影響，且隨著FG添加量的增加，呈現先上升后下降的趨勢。在FG添加量為3%時，TS和EAB最高，分別為12.05 MPa和61.57%。此時FG與SPI分子發生了交聯，增強了分子之間的作用力，從而導致膜的機械強度增加。當添加量達到4%和5%時，TS較3%時有一定的下降趨勢，分別為9.73 MPa和8.81 MPa；EAB也是同樣的趨勢，FG-4和FG-5的EAB分別為22.82%、21.59%，推斷可能因為FG添加過量，無法與蛋白分子結合，使原本緊密的膜的微觀結構變得疏松。陽暉[16]研究發現仙草膠在添加量為0%～30%時，仙草膠/大豆蛋白混合膜的機械強度提升，當仙草膠添加量大于30%時，機械強度低于單一大豆蛋白膜，與本研究的結果相似。

2.3 FG添加量對膜的水溶性的影響

水溶性是判斷可食用膜功能的一個重要指標。膜的水溶性受膜的微觀結構、分子間作用力等因素的影響。FG添加量對膜的水溶性的影響見圖3。

圖3 FG添加量對膜的水溶性的影響Fig.3 Effect of addition amount of FG on water solubility of the film

由圖3可知，當FG添加量0%～3%時，復合膜的水溶性由37.25%降低至16.19%。FG添加量為2%～3%時，水溶性顯著降低（p＜0.05）。這可能是因為FG與蛋白質的羥基結合[36]，使膜的空間結構變得致密，使水分子不容易進入膜的內部[37]，并減少了羥基與水分子結合的數量，從而達到阻水和降低水溶性的效果。當FG添加量為4%～5%時，相較于FG-3，水溶性有了一定的提升。當FG添加量大于3%時，過量的FG無法與SPI結合。而FG是一種親水膠體[38]，在測定水溶性的過程中，FG可以與水反應形成凝膠，導致膜的水溶性的下降。在試驗過程中，觀察到添加了FG的膜均出現了溶脹現象。

2.4 FG添加量對膜厚和透光率的影響

FG添加量對膜厚和膜在500 nm時的透光率的影響見圖4。

由圖4可知，隨著FG添加量的增加，膜厚逐漸增加，FG-0、FG-1、FG-2、FG-3、FG-4、FG-5的膜厚分別為0.057、0.065、0.083、0.098、0.102、0.111 mm。在預試驗中發現，FG雖不能單獨成膜，但其溶液顏色基本無色；FG-SPI復合膜的顏色為淡黃色。FG-0的透光率最佳，為82.92%，隨著FG添加量的增加，透光率逐漸下降，FG-1、FG-2、FG-3、FG-4、FG-5分別77.80%、76.80%、75.34%、69.24%、64.61%。這個現象與膜厚的增加有一定的關系，且多糖可以和蛋白發生交聯反應[16,37,39]，從而對光的通路有一定的影響。FG作為一種多糖與SPI分子反應，從而導致透光性的降低。

圖4 FG添加量對膜厚和透光率的影響Fig.4 Effect of addition amount of FG on thickness and light transmittance of the film

2.5 FG添加量對SPI膜性能的影響

將膜的6項品質指標經過模糊綜合評價法變換為加權隸屬度值，其累加隸屬度值越大，證明膜的綜合性能越好。FG添加量對膜性能的影響如表1所示。

表1 FG添加量對膜性能的影響Table 1 Effect of FG addition amount on properties of soy protein isolate film

SPI膜作為應用于食品包裝等領域的可食用膜，需要有良好的機械性能、阻氧性、阻水性以及外觀[23，37，39]。WVT和POV較低，證明膜具有比較好的阻隔性能，可以阻止氧氣和水接觸食品，減少微生物滋生，能夠更好地應用于食品包裝領域；而膜的透光率從一定程度上可以影響消費者對其喜好程度；TS和EAB可以判定膜是否具有良好的機械性能[1]。TS為膜保持結構完整的最大負載耐受量，EAB可以表示膜的柔韌程度；在此試驗中，使用多個指標的加權隸屬度值對膜進行綜合評價，加權隸屬度值越大，表明膜的綜合性能越好[2]。對這些指標進行模糊綜合評價，即隸屬度函數。發現在FG添加量為3%時，其綜合隸屬度值最大，為0.282 7，此時FG/SPI復合膜綜合性能較好。

3 結論

研究不同添加量（0%～5%）的FG對SPI膜功能特性的影響，隨著FG添加量的增加，膜厚逐漸增加，透光率下降。WVT出現了先降低后升高的現象，TS和EAB則與之相反。在FG添加量為3%時，TS和EAB分別達到12.05 MPa和61.57%，POV達到最小值為0.96 g/100 g，水溶性也達到最低值為16.19%。發現FG添加量為2%時，膜的WVT減小到最小值10.64 g/m2·24 h；對以上指標進行模糊綜合評價，當FG添加量為3%即FG-3的復合膜性能最佳，具有良好的機械性能和阻隔性。本研究可以為今后深入探討多糖/蛋白復合膜提供一定的參考。