提高麥醇蛋白含量改良谷朊粉可食性膜性能的研究

張春紅，孫婧，常南，許嬌，崔里剛

(遼寧省沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)，110161)

谷朊粉是一種質(zhì)優(yōu)價(jià)廉、來(lái)源豐富的植物蛋白。谷朊粉中含有2種蛋白質(zhì)，即麥醇溶蛋白(Gli)和麥谷蛋白(Glu)，麥醇溶蛋白具有延伸性、麥谷蛋白具有黏彈性，能與水形成三維網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)，有良好成膜性［1］。谷朊粉膜是一種可食性薄膜，具有韌性較強(qiáng)，半透明，良好的隔絕O2和CO2能力，但防潮防濕性能及機(jī)械性能較差。

針對(duì)谷朊粉可食性膜機(jī)械性能和阻水性能較差的缺點(diǎn)，本文以谷朊粉為原料，通過(guò)適當(dāng)添加麥醇蛋白來(lái)提高谷朊粉中麥醇蛋白含量，旨在提高谷朊粉可食性膜的機(jī)械性和阻水性，探索麥醇蛋白的最佳添加量，并應(yīng)用正交試驗(yàn)分析確定最佳成膜條件。

1 材料與方法

1.1 主要材料

谷朊粉:河南蓮花味精股份有限公司;麥醇溶蛋白:實(shí)驗(yàn)室自制;無(wú)水乙醇、甘油、NaOH:分析純。

1.2 主要儀器與設(shè)備

微控電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春科新試驗(yàn)儀器研究所;恒溫磁力攪拌器，常州國(guó)華電器有限公司;HH-數(shù)顯恒溫水浴鍋，常州國(guó)華電器有限公司;DHG-9246A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海精宏實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備有限公司。

1.3 膜的制備

取一定比例的谷朊粉與麥醇溶蛋白共混，加入20%甘油(甘油/干基，g/g)，溶于體積分?jǐn)?shù)為60%乙醇溶液中，調(diào)節(jié)膜液pH值11，磁力攪拌30 min，水浴反應(yīng)30 min，真空脫氣，流延成膜，60℃下干燥2 h，揭膜，放于相對(duì)濕度±50%室溫環(huán)境下保存2 d，待測(cè)。

1.4 膜性能的測(cè)定方法

1.4.1 膜厚度測(cè)定

用螺旋測(cè)微器在制好的膜上隨機(jī)取5個(gè)點(diǎn)，測(cè)厚度，取平均值。

1.4.2 拉伸強(qiáng)度(TS)

測(cè)定方法參照參考文獻(xiàn)［2］。

1.4.3 水蒸氣透過(guò)系數(shù)(WVP)

根據(jù)GB1037－1988，采用擬杯子法，其單位以(g·mm)∕(m2·d·kPa)表示。

1.4.4 膜透光率測(cè)定

測(cè)定方法參照參考文獻(xiàn)［3］。

1.4.5 膜水溶性測(cè)定

測(cè)定方法參照參考文獻(xiàn)［3］。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同谷朊粉膜的性能比較

選擇4種不同廠家生產(chǎn)的谷朊粉制膜，然后測(cè)定膜性能進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同谷朊粉膜性能比較

由表1可以看出，不同谷朊粉在同一條件下所成的膜質(zhì)量存在差異。分析認(rèn)為，谷朊粉中麥醇溶蛋白具有延伸性，麥谷蛋白具有黏彈性，二者相互交聯(lián)在一定條件下成膜，不同質(zhì)量谷朊粉中麥醇蛋白和麥谷蛋白比例不同，因此薄膜的性能不同。

2.2 麥醇蛋白添加量的確定

圖1 麥醇添加量對(duì)膜厚度的影響

圖2 麥醇添加量對(duì)膜拉伸強(qiáng)度和水蒸氣透過(guò)性的影響

圖3 麥醇添加量對(duì)膜溶水率的影響

圖4 麥醇添加量對(duì)膜透光率的影響

由圖1～圖4可知，隨著麥醇溶蛋白添加量的增加，膜的厚度呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì);WVP先降低后有所上升;TS先增強(qiáng)，當(dāng)麥醇蛋白添加到一定比例后TS有所下降;膜溶水率呈先下降后上升的趨勢(shì)，添加比例為2∶1時(shí)溶水率最低;而蛋白膜的透光率隨著麥醇蛋白的添加而升高。

試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)麥醇蛋白添加量為谷朊粉的一半時(shí)，膜液中開始有沉淀析出，膜厚度增加，膜表面不光滑。綜合考慮，確定谷朊粉與麥醇蛋白最佳質(zhì)量比為 3∶1。

分析認(rèn)為，麥醇溶蛋白與麥谷蛋白在一定體積的乙醇溶液中充分交聯(lián)形成致密的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，麥醇蛋白含量增加，增強(qiáng)了分子間相互交聯(lián)作用，使膜的TS提高、WVP和水溶性下降。填充的麥谷蛋白相對(duì)減少，使膜透光率提高，所成膜較薄。當(dāng)醇溶蛋白含量過(guò)多，填充的麥谷蛋白不足會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)松散使其機(jī)械強(qiáng)度下降、WVP和溶水率上升，并有大量固體析出使其厚度增加。

2.3 改良膜最佳成膜條件的確定

2.3.1 乙醇濃度對(duì)膜阻水性和機(jī)械性能的影響

圖5 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)膜性能的影響

由圖5可知，隨乙醇體積分?jǐn)?shù)的增大，改良膜的WVP呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，而膜的TS隨乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加先上升再下降，當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)在65%時(shí)，膜性能最好。分析其原因可能是由于原料中谷蛋白和醇溶蛋白的溶解特性不同，當(dāng)乙醇達(dá)到最佳濃度時(shí)，蛋白質(zhì)之間緊密交聯(lián)，形成牢固網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，此時(shí)膜性能最好。

2.3.2 pH值對(duì)膜阻水性和機(jī)械性能的的影響

圖6 pH值對(duì)膜性能的影響

由圖6可知，隨膜液 pH值的增大，改良膜的WVP先下降后上升;TS隨膜液pH的升高呈上升的趨勢(shì)。隨pH值增大蛋白膜的顏色逐漸加深，綜合考慮確定最佳pH值為10～11。這是由于適度堿處理使蛋白質(zhì)亞基解離，分子變性，分子內(nèi)部的疏水基團(tuán)、巰基暴露出來(lái)，有利于致密網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，從而使蛋白膜機(jī)械性能和WVP達(dá)到最佳狀態(tài)。

2.3.3 甘油添加量對(duì)膜阻水性和機(jī)械性能的影響

圖7 甘油添加量對(duì)膜性能的影響

由圖7可知，隨甘油添加量的增大，改良膜的WVP上升，TS下降。當(dāng)甘油添加量較低時(shí)所成膜易碎，不能揭完整膜。綜合考慮，適宜的甘油添加量為20%。分析認(rèn)為，甘油能和水分子形成氫鍵，通過(guò)減少聚合物相鄰鏈間的分子內(nèi)相互作用來(lái)降低膜的脆性及易碎性，降低分子間的交聯(lián)程度，使蛋白膜的網(wǎng)絡(luò)由緊密變?yōu)樗缮ⅲ瑢?dǎo)致WVP的上升、TS降低。

2.3.4 溫度對(duì)膜阻水性和機(jī)械性能的影響

圖8 溫度對(duì)膜性能的影響

由圖8可知，改良膜的WVP隨熱處理溫度增加先下降后上升。當(dāng)溫度超過(guò)60℃，機(jī)械性能趨于平緩并有所下降。綜合考慮，適宜的熱處理溫度為60℃。分析認(rèn)為，這可能是由于適當(dāng)?shù)募訜釙?huì)使蛋白的多肽鏈展開，使內(nèi)部的巰基和疏水性基團(tuán)暴露出來(lái)，巰基氧化而形成二硫鍵，使膜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更致密，從而阻水性和機(jī)械性能得到提高。

2.3.5 正交試驗(yàn)

選取影響谷朊粉改良膜性能的4個(gè)主要因素，以水蒸氣透過(guò)率和抗拉強(qiáng)度為指標(biāo)進(jìn)行正交試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 正交試驗(yàn)分析表

從表2中看出，影響改良膜的水蒸氣透過(guò)率和拉伸強(qiáng)度的主次順序分別為:甘油添加量＞乙醇體積分?jǐn)?shù)＞pH值＞預(yù)熱處理溫度，甘油添加量＞pH值＞乙醇濃度＞預(yù)熱處理溫度。改良膜水蒸氣透過(guò)率為指標(biāo)的最佳工藝條件為A3B3C3D1，而以拉伸強(qiáng)度為指標(biāo)的最佳工藝條件為A3B4C3D1。綜合考慮，確定最佳的成膜條件為pH值11、熱處理溫度60℃、乙醇體積分?jǐn)?shù)65%、甘油添加量為15%。

2.4 改良蛋白膜與谷朊粉膜性能的比較。

表3 改良膜與單組分膜性能的比較

由表3可知，改良谷朊粉蛋白膜的水蒸氣透過(guò)率比對(duì)照降低了13.3%，拉伸強(qiáng)度提高了52.5%，透光率提高了46.4%，水溶性降低了32.7%。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)單因素試驗(yàn)分析，確定谷朊粉與添加麥醇蛋白的最佳質(zhì)量比為3∶1。

(2)對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果采用極差分析，確定影響改良膜綜合性能的主要因素按影響程度大小依次為:甘油添加量＞pH值＞乙醇體積分?jǐn)?shù)＞預(yù)熱處理溫度。

(3)通過(guò)單因素與正交試驗(yàn)確定，改良膜的最佳成膜條件為pH值11、熱處理溫度60℃、乙醇體積分?jǐn)?shù)為65%、甘油添加量為15%。

(4)在最佳成膜條件下制備可食性谷阮粉膜，改良膜的水蒸氣透過(guò)率為5.92 g·mm/(kPa·d·m2)，比對(duì)照降低了13.3%;拉伸強(qiáng)度為4.59 Mpa，比對(duì)照提高了52.5%;透光率為43.2%，比對(duì)照提高了46.4%;水溶性為22.9%，比對(duì)照降低了32.7%。

［1］ 彭海萍，彭鳳霞.可食性小麥蛋白膜的研究［J］.現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2003(3):42－44.

［2］ 李超，李強(qiáng)，李夢(mèng)琴，等.制膜條件對(duì)可食性小麥面筋蛋白膜機(jī)械性能的影響［J］.廣州食品工業(yè)科技，2004，20(4):8－11.

［3］ 車曉彥，張春紅，李達(dá).可食性谷朊粉蛋白膜最佳成膜條件的研究［J］.糧油加工，2006(12):78－82.

［4］ 李振華，王金水，趙謀明，等.對(duì)以甘油為增塑劑所制小麥面筋蛋白膜特性的研究［J］.糧食加工，2005(6):50－54.

［5］ 董超華，徐如宏，張慶勤.小麥醇溶蛋白和谷蛋白研究進(jìn)展［J］.山地農(nóng)業(yè)生物學(xué)報(bào)，2003，22(2):164－168.

［6］ Schofield J D，Booth M R.Wheat proteins and their technological significance［A］.Dvelelopments in food protein［C］.Applied Science Publication Ltd，(UK):Barking，Esses，1983:1 －65.

［7］ Na Cao，Yuhua Fua，Junhui He.Preparation and physical properties of soy protein iisolate and gelatin composite films［J］.Food Hydrocolloids，2007，21:1 153 －1 162.