葡萄糖糖基化改性乳清蛋白成膜性研究

宋彥顯,李勝?gòu)?qiáng),閔玉濤

(鄭州工程技術(shù)學(xué)院 化工食品學(xué)院,河南 鄭州 450044)

可食性薄膜由多糖、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)或它們的混合物制成,相比多糖或脂質(zhì)基薄膜,蛋白膜的功能特性更加廣泛和多樣。乳清蛋白具有較好的凝膠性,其成膜性能也比較好,且可生物降解,在生物基食品包裝材料中應(yīng)用廣泛,但由于乳清蛋白中含有較高比例的親水基團(tuán),單一乳清蛋白膜的機(jī)械強(qiáng)度較低,水蒸氣阻隔性能較差,限制了其在食品包裝領(lǐng)域的應(yīng)用。蛋白質(zhì)糖基化改性可強(qiáng)化分子間的作用力,促使其形成更致密均勻的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),天然蛋白的溶解性、流變性、乳化性、起泡性、凝膠性、成膜性、熱穩(wěn)定性、抗氧化活性、致敏性和抗菌性等功能都得到改善[1-3]。因蛋白質(zhì)糖基化產(chǎn)物可賦予新性能,也常用于改善蛋白膜性能。[4-8]本文以乳清蛋白為原料,以葡萄糖為修飾劑,對(duì)其濕法糖基化改性,并制備葡萄糖糖基化乳清蛋白可食性膜,對(duì)膜的透明度、厚度、機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行表征,以膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率為考察指標(biāo),優(yōu)化糖基化工藝,以期為蛋白基薄膜的工業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

乳清分離蛋白(WPI,蛋白質(zhì)>90%)：美國(guó) Hilmar 公司;葡萄糖：分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;丙三醇、氫氧化鈉：分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。其余試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

TA.XT PLUS物性測(cè)定儀：英國(guó)Stable Micro Systems公司;0-10X30數(shù)顯千分測(cè)厚規(guī)：浙江德清盛泰芯電子科技有限公司;Ci7600色度儀：美國(guó)愛(ài)色麗(上海)色彩科技有限公司;S-3400N掃描電子顯微鏡：日本日立公司;CS-820分光測(cè)色儀器：中國(guó)杭州彩譜科技有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 乳清蛋白-葡萄糖糖基化可食性膜的制備

取一定量乳清蛋白、葡萄糖,加至50 mL蒸餾水,充分?jǐn)嚢杈鶆?特定溫度下加熱60 min,再加入甘油,混合均勻,取10 mL于平板上流延成膜, 30 ℃恒溫箱中保溫24 h后,揭膜,放入58%濕度的恒濕箱中回軟備用。

1.3.1.1 甘油用量的優(yōu)化

在pH 9.0,90 ℃,9 %乳清蛋白,3.2%葡萄糖條件下,反應(yīng)60 min,分別添加甘油1,1.5,2g,混勻,取10 mL于平板上流延成膜,通過(guò)對(duì)膜的性能評(píng)價(jià),選擇出最適的甘油用量。

1.3.1.2 乳清蛋白濃度的優(yōu)化

在pH 9.0,90 ℃,9 %乳清蛋白,3.2%葡萄糖條件下,分別取8%,9%的乳清蛋白,反應(yīng)60 min后,分別添加1.5g甘油,混勻,各取10 mL于平板上流延成膜,通過(guò)對(duì)膜的性能分析,選擇出最適的乳清蛋白濃度。

1.3.1.3 葡萄糖濃度的優(yōu)化

在8%乳清蛋白,pH 9.0, 90 ℃條件下,葡萄糖的濃度分別取3.2%,4.0%,4.8%,反應(yīng)60 min,分別添加1.5g甘油,混勻,各取10 mL于平板上流延成膜,通過(guò)對(duì)膜的性能分析,選擇最適的葡萄糖濃度。

1.3.2 乳清蛋白-葡萄糖可食性膜成膜工藝優(yōu)化

8%乳清蛋白,1.5g甘油條件下,對(duì)比分析pH、加熱溫度、葡萄糖濃度對(duì)乳清蛋白-葡萄糖可食性膜性能的影響,優(yōu)化乳清蛋白-葡萄糖可食性膜成膜工藝。

1.3.3 可食性膜的性能測(cè)定

1.3.3.1 可食性膜厚度的測(cè)定

選取完整均勻的可食性膜,電子厚度測(cè)量?jī)x測(cè)量厚度。根據(jù)薄膜樣品中5個(gè)不同位置處的測(cè)量值計(jì)算平均厚度。

1.3.3.2 可食性膜水溶性的測(cè)定

取可食性膜0.500g,置于40 mL蒸餾水中,24 h后用布氏漏斗抽濾,然后干燥至恒重,按式(1)計(jì)算乳清蛋白-可溶性淀粉可食性膜的水溶性。

(1)

式中,S為乳清蛋白-可溶性淀粉可食性膜的水溶性,%;m0為可食性膜的質(zhì)量,g;m1為濾紙的質(zhì)量,g;m2為濾紙和未溶解可食膜的質(zhì)量,g。

1.3.3.3 可食性膜透光率的測(cè)定

將可食性膜裁為40mm×10mm的矩形,緊貼在比色皿的一側(cè),以空比色皿作對(duì)照,在波長(zhǎng)為500 nm處測(cè)定吸光度值,每種膜測(cè)3條取平均值。

1.3.3.4 可食膜機(jī)械性能的測(cè)定

參照穆凱宇等[9]的方法,略作改動(dòng)。選取厚度均勻的膜樣品,裁成 1cm×6cm 的長(zhǎng)條。質(zhì)構(gòu)儀的初始夾距設(shè)定為45 mm,拉伸速率設(shè)定為1 mm/s,測(cè)定拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。拉伸強(qiáng)度按式(2)計(jì)算,斷裂伸長(zhǎng)率按式(3)計(jì)算。

(2)

式中,Ts為拉伸強(qiáng)度,MPa;Fm為試樣斷裂時(shí)承受的最大張力,N;FT為膜厚度,mm;w為膜寬度,mm。

(3)

式中,E為所測(cè)膜的斷裂伸長(zhǎng)率,%;L0為初測(cè)膜的長(zhǎng)度,mm;L為膜斷裂時(shí)的長(zhǎng)度,mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 甘油用量及乳清蛋白濃度的優(yōu)化

通過(guò)比較揭膜的難易程度,發(fā)現(xiàn)不加甘油,膜在平板上呈碎片式掀起。甘油用量為1 g時(shí),形成的膜過(guò)薄,揭膜時(shí)容易破碎;甘油量為2 g時(shí),容易黏平板,膜不易揭下;當(dāng)甘油量為1.5 g時(shí)成膜性最好,能形成完整均勻的膜,且易揭,因此最優(yōu)甘油用量為1.5g。8%和9%乳清蛋白制備出的膜的機(jī)械性能幾乎一致,乳清蛋白濃度為8%時(shí),膜的厚度較薄。因此,選擇8%乳清蛋白制備可食膜。

2.2 乳清蛋白-葡萄糖可食性膜成膜工藝的優(yōu)化

2.2.1 pH值對(duì)膜性能的影響

2.2.1.1 不同pH值對(duì)膜厚度的影響

8 %乳清蛋白,1.5 g甘油,膜液總體積50 mL,90 ℃條件下,考察不同pH值對(duì)可食性膜厚度的影響。結(jié)果可得,pH8.0時(shí)膜厚度為0.134mm,pH10.0時(shí)膜厚度為0.128mm,pH在8.0～10.0之間時(shí),隨著pH值的增大,膜厚度略有下降,但變化不大。pH值可改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu),影響蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性,對(duì)膜厚度一定影響。

2.2.1.2 不同pH值對(duì)膜透光率的影響

8%乳清蛋白,1.5 g甘油,膜液總體積50mL,90℃條件下,考察不同pH值對(duì)可食性膜透光率的影響。結(jié)果可得,隨著pH值的增大,乳清蛋白-葡萄糖可食性膜透光率逐漸降低, pH 8.0時(shí),透光率最高為97.83%,pH10.0時(shí)為,透光率最低93.53%。美拉德反應(yīng)pH值越低,溶液中蛋白質(zhì)分子的質(zhì)子化氨基越多,因此獲得的蛋白質(zhì)-多糖美拉德綴合物在初始階段越少,美拉德反應(yīng)的中間體和最終產(chǎn)物隨反應(yīng)pH增加而增加[10]。反應(yīng)程度越高,最終產(chǎn)物越多,透光率越低。隨著pH值的增大,膜的顏色加深,且有白色物質(zhì)附著在可食性膜表面,導(dǎo)致乳清蛋白-葡萄糖可食性膜的透光率下降。

2.2.1.3 不同pH值對(duì)膜機(jī)械性能的影響

8%乳清蛋白,1.5 g甘油,膜液總體積50 mL,90℃條件下,考察不同pH值對(duì)可食性膜拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的影響。以pH值為橫坐標(biāo),拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率為縱坐標(biāo)作圖,如圖1所示。

圖1 不同pH值對(duì)乳清蛋白-葡萄糖可食性膜機(jī)械性能的影響

由圖1可知,pH值對(duì)葡萄糖接枝乳清蛋白膜機(jī)械性能影響效果顯著。隨著pH的增大,拉伸強(qiáng)度逐漸增加,斷裂伸長(zhǎng)率先減小后增加。pH10.0時(shí),拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)到最大。增加pH有利于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成,在pH8.0-10.0范圍內(nèi),蛋白膜的拉伸強(qiáng)度隨著pH的增加,從2.63 MPa提高至3.43 MPa;斷裂伸長(zhǎng)率也隨著pH增加而有所增加,并在pH10.0時(shí)達(dá)到最大26.1%。蛋白質(zhì)堿性條件下巰基和疏水基團(tuán)更多暴露,有利于新化學(xué)鍵的形成,蛋白膜的溶解度增加,膜的強(qiáng)度和延伸性均顯著增加。此外,pH的增加使美拉德反應(yīng)加強(qiáng),也使蛋白膜的機(jī)械性能增強(qiáng)[11]。但當(dāng)pH進(jìn)一步增加至11.0,延伸性急劇下降。這可能是因?yàn)閜H過(guò)高時(shí)會(huì)導(dǎo)致分子間產(chǎn)生的過(guò)度交聯(lián),使蛋白網(wǎng)絡(luò)變得緊密,延伸性急劇下降,同時(shí),交聯(lián)過(guò)度會(huì)限制蛋白分子的活動(dòng)性,導(dǎo)致蛋白膜的延伸性下降[12]。

綜合考慮乳清蛋白-葡萄糖可食性膜的厚度、透光率、拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率,選擇pH10.0較為合適,在此條件下可食性膜的厚度為0.128mm,透光率為94.1%,拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別為3.43 MPa和26.1%。

2.2.2 溫度對(duì)膜性能的影響

2.2.2.1 不同溫度對(duì)膜厚度的影響

8%乳清蛋白,1.5 g甘油,膜液總體積50 mL,pH 10.0條件下,考察不同溫度對(duì)可食性膜厚度的影響。結(jié)果可知,70～90℃范圍內(nèi),膜厚度從0.134下降到0.128mm,隨溫度的增加略有下降,但影響不大。

2.2.2.2 不同溫度對(duì)膜透光率的影響

8%乳清蛋白,1.5 g甘油,膜液總體積50 mL,pH 10.0條件下,考察不同溫度對(duì)可食性膜透光率的影響。可知溫度對(duì)乳清蛋白-葡萄糖可食性膜透光率的影響顯著。溫度越高,膜的顏色越深。隨著溫度的升高,透光率逐漸減小,溫度為70℃時(shí),透光率最高為93.4%;溫度為90℃時(shí),透光率最低為90.5%。反應(yīng)溫度升高,底物溶解度提高,反應(yīng)速率加快,反應(yīng)程度提高,美拉德反應(yīng)產(chǎn)物增多,從而影響膜的透光性。從70℃升高到90℃的過(guò)程中,隨著溫度的升高,蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)改變,適當(dāng)變性,穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被破壞。

2.2.2.3 不同溫度對(duì)膜機(jī)械性能的影響

8%乳清蛋白,1.5 g甘油,膜液總體積50mL,pH10.0,考察不同溫度對(duì)可食性膜拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的影響。以溫度為橫坐標(biāo),拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率為縱坐標(biāo)作圖,如圖2所示。

圖2 溫度對(duì)乳清蛋白-葡萄糖可食性膜機(jī)械性能的影響

由圖2可知,隨著溫度的升高,拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率逐漸增大。加熱溫度過(guò)低,不易成膜,無(wú)法形成均勻且完整的薄膜。加熱溫度超過(guò)70℃時(shí),隨著溫度的升高,拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率不斷升高。升溫使蛋白質(zhì)內(nèi)能增加,且有利于蛋白質(zhì)分子的伸展。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)改變,變得松散且沒(méi)有秩序,分子內(nèi)部的疏水性氨基酸側(cè)鏈殘基暴露出來(lái),蛋白質(zhì)分子通過(guò)二硫鍵、疏水鍵相互連接形成堅(jiān)固的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),膜的機(jī)械性能增強(qiáng)。同時(shí),溫度升高有利于美拉德反應(yīng)的進(jìn)行,從而進(jìn)一步增強(qiáng)蛋白之間的相互作用,使蛋白膜的延伸性能得到提高。前期實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)溫度為100℃,成膜性差,有很多顆粒,可能是高溫導(dǎo)致蛋白發(fā)生聚集所致。因此,選用 90℃為最適溫度,拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別為3.4 MPa和21.1%。

綜合考慮乳清蛋白-葡萄糖可食性膜的厚度、透光率、拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率,選擇90℃為最適溫度,在此條件下可食性膜的厚度為0.128 mm,透光率為90.5%,拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別為3.4 MPa和21.1%。

2.2.3 葡萄糖濃度對(duì)膜性能的影響

2.2.3.1 不同葡萄糖濃度對(duì)膜厚度的影響

8%乳清蛋白,1.5 g甘油,膜液總體積50 mL,pH 10.0,90℃條件下,考察不同葡萄糖濃度對(duì)可食性膜厚度的影響。以葡萄糖濃度為橫坐標(biāo),可食性膜厚度為縱坐標(biāo)作圖,如圖3所示。

圖3 不同葡萄糖濃度對(duì)乳清蛋白-葡萄糖可食性膜厚度的影響

由圖3可得,乳清蛋白-葡萄糖可食性膜最厚為0.138 nm,最薄為 0.119 mm,由此可知,葡萄糖濃度的大小對(duì)可食性膜的厚度影響不大。葡萄糖分子較小,在乳清蛋白-葡萄糖美拉德反應(yīng)體系中一般處于飽和狀態(tài),對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物的形成影響不大。

2.2.3.2 不同葡萄糖濃度對(duì)膜透光率的影響

8%乳清蛋白,1.5 g甘油,膜液總體積50 mL,pH 10.0,90℃條件下,考察不同葡萄糖濃度對(duì)可食性膜透光率的影響。以葡萄糖濃度為橫坐標(biāo),可食性膜透光率為縱坐標(biāo)作圖,如圖4所示。

圖4 不同葡萄糖濃度對(duì)乳清蛋白-葡萄糖可食性膜透光率的影響

由圖4可得,透光率隨著葡萄糖濃度的增大而減小,膜透光率與美拉德反應(yīng)的程度有關(guān),一般來(lái)說(shuō),反應(yīng)程度越高,透光率越低。不添加葡萄糖時(shí),透光率最高為97.6。葡萄糖濃度為4.8%時(shí),透光率最低為92.15%。此結(jié)果與膜顏色有關(guān),隨著葡萄糖濃度的增加,美拉德反應(yīng)產(chǎn)物越多,膜的顏色越深,導(dǎo)致膜的透光率越低。

2.2.3.3 不同葡萄糖濃度對(duì)膜機(jī)械性能的影響

8%乳清蛋白,1.5 g甘油,膜液總體積50mL,pH10.0,90℃條件下考察不同溫度對(duì)可食性膜拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的影響。以葡萄糖濃度為橫坐標(biāo),拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率為縱坐標(biāo)作圖,如圖5所示。

圖5 不同葡萄糖濃度對(duì)乳清蛋白-葡萄糖可食性膜機(jī)械性能的影響

由圖5可知,斷裂伸長(zhǎng)率隨葡萄糖濃度的增大先增大后減小,當(dāng)葡萄糖濃度為4%時(shí),斷裂伸長(zhǎng)率最大為22.7%。隨著葡萄糖濃度的升高,反應(yīng)體系中蛋白質(zhì)與葡萄糖相互碰撞的幾率增大,兩者接枝度增大,膜結(jié)構(gòu)更加緊密,斷裂伸長(zhǎng)率也隨之升高。但葡萄糖濃度進(jìn)一步提高,蛋白和糖分子過(guò)度的交互作用反而限制了蛋白的流動(dòng)性,致膜的延伸性下降。葡萄糖對(duì)乳清蛋白糖基化改性后,拉伸強(qiáng)度隨著葡萄糖濃度的增大而增大,當(dāng)葡萄糖濃度為4%時(shí)拉伸強(qiáng)度最大為2.76 MPa,這是由于在糖基化反應(yīng)過(guò)程中,蛋白質(zhì)分子鏈上的氨基與還原糖的醛基接合,逐漸形成了更加穩(wěn)固的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[13]。綜合考慮,拉伸強(qiáng)度和斷裂延伸率,選擇葡萄糖濃度為4%。

綜合考慮乳清蛋白-葡萄糖可食性膜的厚度、透光率、拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率,選擇葡萄糖濃度為4 %,在此條件下可食性膜的厚度為0.119 mm,透光率為94.76 %,拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別為2.76 MPa和22.7%。

3 結(jié)論

pH值、溫度及葡萄糖濃度對(duì)葡萄糖-乳清蛋白膜厚度影響非常小,透光率隨糖基化程度的增加而下降,膜厚度變化較小;在最優(yōu)條件甘油1.5 g,pH 10.0,90℃,4.0 %葡萄糖下,制備的葡萄糖-乳清蛋白膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別是原乳清蛋白膜的1.72倍和1.91倍,葡萄糖糖基化修飾可顯著改善乳清蛋白膜的機(jī)械性能,可進(jìn)一步對(duì)果蔬涂膜包裝測(cè)試,開(kāi)發(fā)新型可食包裝膜。