乳清蛋白-茁霉多糖-阿魏酸復(fù)合可食性膜的研制

張慧蕓，任國艷，陳樹興，李鑫玲

（河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽 471003）

茁霉多糖[1]（Pullulan）又叫短梗霉多糖，是由出芽短梗霉分泌產(chǎn)生的一種胞外多糖，該糖無色無味、無毒，對人體無任何副作用，氣密性好，具有優(yōu)良的水溶性、成膜性、氧氣不滲透性、成纖性，是一種具有極大經(jīng)濟(jì)價值和開發(fā)潛力的多功能新型生物材料。茁霉多糖有很強(qiáng)的阻隔氧氣的能力；此外，與其他糖類相比，茁霉多糖還具有機(jī)械強(qiáng)度高，薄膜的透氣性很低等特點(diǎn)。阿魏酸[2]的化學(xué)名稱是4-羥基-3-甲氧基肉桂酸，是植物中廣泛存在的一種酚酸，具有較強(qiáng)的抗氧化活性和防腐作用。阿魏酸能與蛋白質(zhì)中的賴氨酸、半胱氨酸、酪氨酸等反應(yīng)而使蛋白質(zhì)交聯(lián)[3]。因而在成膜溶液中添加阿魏酸能改善膜的機(jī)械性能并降低膜的水蒸氣、氧氣和二氧化碳透性[4]。乳清蛋白-茁霉多糖-阿魏酸復(fù)合膜的制備目前國內(nèi)外鮮見資料顯示。本文主要研究影響成膜工藝的干燥溫度、pH、阿魏酸添加量、茁霉多糖添加量對乳清蛋白-茁霉多糖-阿魏酸復(fù)合膜性能的影響，選出最佳成膜條件，為乳清蛋白膜的改性研究提供一定的研究參考。

1 材料與方法

1.1 儀器和試劑

1.1.1 儀器

JJ—1型電動攪拌器：金壇市正基儀器有限公司；202型電熱恒溫干燥箱：北京市光明醫(yī)療儀器廠；筆式酸度計(jì)：上海宇隆儀器有限公司；質(zhì)構(gòu)儀：美國INSTRON公司。

1.1.2 試劑

乳清濃縮蛋白（WPC80）：新西蘭乳業(yè)公司；阿魏酸：江蘇威霸香料有限公司；茁霉多糖：河南金潤食品添加劑有限公司；無水氯化鈣、甘油、檸檬酸鈉、氫氧化鈉、溴化鈉均為分析純：廣州蘇喏化工有限公司。

1.2 復(fù)合膜制備方法

配制一定濃度的乳清蛋白濃縮溶液，加入一定量的阿魏酸、茁霉多糖，攪拌15 min使其充分溶解，調(diào)節(jié)pH，放入一定溫度的水浴鍋中加熱一段時間，冷卻后加5%的甘油，攪勻抽真空脫氣，吸取5 mL的成膜液倒入有機(jī)玻璃皿（直徑8 cm）中，在60℃的干燥箱中干燥3 h成膜，之后在裝有飽和溴化鈉溶液的干燥器中（56%，20℃）平衡48 h，待測。

1.3 復(fù)合膜成膜工藝參數(shù)的確定

1.3.1 阿魏酸添加量對乳清蛋白可食性復(fù)合膜性能的影響

阿魏酸添加量分別取0、50、100、150、200、250mg/100mL。其他工藝條件為：WPC（濃縮乳清蛋白）濃度10%，變性時間15 min，變性溫度80℃，pH8，甘油5%。研究阿魏酸添加量對乳清蛋白可食性膜性能的影響。

1.3.2 茁霉多糖添加量對乳清蛋白可食性復(fù)合膜性能的影響

茁霉多糖添加量分別取 0、50、100、150、200、250 mg/100 mL。其他工藝條件為：WPC（濃縮乳清蛋白）濃度10%，變性時間15 min，變性溫度80℃，pH8，甘油5%。研究茁霉多糖添加量對乳清蛋白可食性膜性能的影響。

1.3.3 乳清蛋白-茁霉多糖-阿魏酸復(fù)合膜的制備

本研究選取L9（34）正交試驗(yàn)表，通過測定溫度、pH、阿魏酸和茁霉多糖添加量對乳清蛋白-茁霉多糖-阿魏酸復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度、刺穿強(qiáng)度和水蒸氣透過系數(shù)的影響，確定復(fù)合膜的最佳工藝參數(shù)。乳清蛋白復(fù)合膜成膜因素水平表，見表1。

表1 乳清蛋白復(fù)合膜成膜因素水平表Table 1 Factors and Levels for formation of whey protein composite film

1.4 可食性膜性能評定方法

1.4.1 膜厚度的測定方法

選擇完好、均勻的膜，隨機(jī)取5個點(diǎn)，用螺旋測微器測量其厚度，取平均值。

1.4.2 膜刺穿性能（PS）的測定[5]

采用質(zhì)構(gòu)儀進(jìn)行測定。將完整均勻的待測膜樣品放在兩片自制的有機(jī)玻璃板之間，其中有機(jī)玻璃板中心有3.2cm的圓孔，四周由螺絲釘固定。選用直徑2mm的探針，探針下移速度為1 mm/s。

式中：PS為刺穿強(qiáng)度，（N/mm）；FP為最大刺穿力，N；L為膜樣品的厚度，mm。

1.4.3 膜拉伸性能（TS）的測定[6]

用鋒利的刀片將待測膜裁成長條，并將兩端分別貼上雙面膠以防拉伸過程中從根部斷裂，最終有效拉伸長度為40×6 mm。使用質(zhì)構(gòu)儀的拉伸裝置，拉伸速度為1 mm/s?？蓮膲毫?應(yīng)變曲線上計(jì)算獲得。

式中：TS 為拉伸強(qiáng)度，MPa；Ft為最大拉力，N；L 為膜樣品的厚度，mm；W為膜樣品的寬度（即6 mm）。

1.4.4 膜水蒸氣透過系數(shù)（WVP）的測定[7]

采用擬杯子法。將完整均勻的膜密封在含有5 g無水氯化鈣（0%RH）的自制有機(jī)玻璃透濕杯表面，膜外露面積為19.6 cm2。將透濕杯裝置放入恒溫恒濕箱中（80%，25℃），每隔24小時測定透濕杯的增重量。

式中：WVP 為膜水蒸汽透過系數(shù)，g·mm/m2·d·kPa；W為透濕杯的增重，g；x為膜的厚度，mm；A為膜外露面積（即 19.6 cm2）；T 為測量間隔時間（即 24 h）；Δ 為膜兩側(cè)的水蒸氣壓差（ΔP=2.5347 kPa）。

1.4.5 蛋白膜水分含量（MC）的測定[8]

將蛋白膜剪切成大小合適，將其放在鋁盒中稱其重量；放在105℃烘箱中烘8 h，取出后稱其重量，根據(jù)膜烘干前后重量變化計(jì)算蛋白膜平衡水分含量。

式中：MC為蛋白膜水分含量；Δm為膜烘干前后重量變化；m0為膜烘干前重量。1.4.6 蛋白膜溶解性（S）的測定[9]

稱取質(zhì)量為m1(≈0.1 g)的已干燥的膜放入盛有40 mL水的培養(yǎng)皿中，在25℃下溶解24 h之后將膜撈出，用濾紙吸干膜表面的水分，再在105℃的條件下干燥至恒重，稱得質(zhì)量為m2。

2 結(jié)果與分析

2.1 阿魏酸添加量對乳清蛋白膜性能的影響

阿魏酸添加量對乳清蛋白膜性能的影響如表2所示。

表2 阿魏酸添加量對乳清蛋白膜性能的影響Table 2 The influence of different quantity of feralic acid on the film performance

由表2可知，阿魏酸添加量對膜的厚度影響不顯著（P>0.05）。隨著阿魏酸添加量的增加，含水量和溶解性呈先降低隨后升高的趨勢，但總體差異不顯著（P>0.05），可見阿魏酸對膜的含水量和溶解性影響不大。

膜拉伸強(qiáng)度和刺穿強(qiáng)度先升高之后略有降低。這可能是因?yàn)榈鞍锥嚯逆溨兄缓杏邢薜氖杌蚨蜴I的緣故[10]，當(dāng)阿魏酸添加量達(dá)到150 mg/100 mL時，它可能已經(jīng)飽和了它所能接觸到并與其發(fā)生還原氧化反應(yīng)的所有疏基或二硫鍵，這時再增加阿魏酸的添加量已不能提高膜體系中二硫鍵的含量。隨阿魏酸添加量的增加，WVP先降低之后升高。當(dāng)阿魏酸添加量為150 mg/100 mL時WVP最低。

2.2 茁霉多糖添加量對乳清蛋白膜性能的影響

茁霉多糖添加量對乳清蛋白膜性能的影響如表3所示。

表3 茁霉多糖添加量對乳清蛋白膜性能的影響Table 3 The influence of different quantity of pullulan on the film performance

由表3可知，茁霉多糖添加量對膜的厚度影響不顯著（P>0.05）。茁霉多糖的添加對膜含水量和溶解性影響較小，不同添加量的茁霉多糖對膜含水量和溶解性影響差異不顯著（P>0.05）。

膜的拉伸強(qiáng)度和刺穿強(qiáng)度隨著茁霉多糖的加入而明顯升高，但當(dāng)加入量大于150 mg/100 mL時呈下降趨勢，甚至在250 mg/100 mL時，無法成膜，這是因?yàn)樽旅苟嗵蔷哂泻軓?qiáng)的膠黏性，加入量適當(dāng)則可提高膜的機(jī)械性能[11]，當(dāng)加入量過多時，就會出現(xiàn)過于黏稠，造成大量小氣泡，甚至無法成膜。茁霉多糖添加量在50 mg/100 mL～150 mg/100 mL時，WVP呈降低趨勢，而當(dāng)添加量大于150 mg/100 mL時則上升，這是由于相對高濃度、高黏度的膜液中小氣泡的增多使得膜的致密性降低。

2.3 正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

正交試驗(yàn)結(jié)果及分析見表4，可知，對拉伸強(qiáng)度影響最顯著的是阿魏酸添加量，其次是茁霉多糖添加量、pH、最后是干燥溫度。分析其原因是阿魏酸是很好的一種交聯(lián)劑，可加強(qiáng)聚合物分子結(jié)構(gòu)，在不影響阻隔性的前提下，能大大提高拉伸強(qiáng)度。由此可見，阿魏酸對于膜材分子的緩沖作用和對膜剛性結(jié)構(gòu)的軟化作用是影響乳清濃縮蛋白復(fù)合膜拉伸強(qiáng)度的最直接因素，構(gòu)成膜的基本骨架物質(zhì)以及膜液中大分子結(jié)合的有序程度也是影響拉伸強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。以拉伸強(qiáng)度高為優(yōu)選原則，可得到各因素的最優(yōu)水平分別為：A3、B3、C3、D3。

對刺穿強(qiáng)度影響最顯著的是茁霉多糖添加量，其次是阿魏酸添加量、pH，最后是干燥溫度。分析其原因?yàn)樽旅苟嗵蔷哂袠O佳的成膜性、成纖維性、可塑性及黏結(jié)性，在乳清濃縮蛋白基礎(chǔ)膜液中加入具有此功能的茁霉多糖，使得膜的性能大大改善，刺穿強(qiáng)度也明顯提高。以刺穿強(qiáng)度高為優(yōu)選原則，可得到各因素的最優(yōu)水平分別為：A3、B3、C3、D3。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果及分析Table 4 Data and analysis of optimal experiment

對水蒸氣透過系數(shù)影響最顯著的是pH，其次是阿魏酸添加量、茁霉多糖添加量，最后是干燥溫度。原因是在不斷增強(qiáng)的堿的作用下，由于堿處理既能促使蛋白質(zhì)變性，加強(qiáng)分子間相互作用，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，另一方面又會使蛋白質(zhì)分子帶負(fù)電荷，產(chǎn)生靜電排斥力，阻礙膜的形成，共同作用的結(jié)果是乳清蛋白膜的水蒸氣透過性增大。以水蒸氣透過系數(shù)小為優(yōu)選原則，可得到各因素的最優(yōu)水平，分別為：A3、B3、C3、D3。

2.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

由正交試驗(yàn)極差分析可知，最優(yōu)組合理論為A3B3C3D3，而正交試驗(yàn)結(jié)果顯示試驗(yàn)號3（A1B3C3D3）的各項(xiàng)指標(biāo)均較優(yōu)。故需做驗(yàn)證試驗(yàn)，A3B3C3D3條件下測得乳清蛋白膜拉伸強(qiáng)度為3.86MPa，刺穿強(qiáng)度為26.78N/mm，水蒸氣透過系數(shù)為 1.57 g·mm/m2·d·kPa；A1B3C3D3條件下測得乳清蛋白膜拉伸強(qiáng)度為3.46MPa，刺穿強(qiáng)度為24.54 N/mm，水蒸氣透過系數(shù)為 1.71 g·mm/m2·d·kPa；由驗(yàn)證試驗(yàn)可知，仍是A3B3C3D3條件下各項(xiàng)指標(biāo)最優(yōu)。

3 結(jié)論

乳清濃縮蛋白中添加茁霉多糖和阿魏酸作為增強(qiáng)劑，可明顯提高膜的性能。最優(yōu)工藝條件為成膜溫度80℃，pH9.0，阿魏酸添加量200 mg/100 mL，茁霉多糖添加量150 mg/100 mL。

[1]張劍波,時春娟,付杰.茁霉多糖合成的研究進(jìn)展[J].天然產(chǎn)物研究與開發(fā),2006,18(6):1041-1047

[2]Graf E.Antioxidant potential of ferulie acid[J].Free Radical Biol Med,1992,13:435-448

[3]Oudgengaeg,Hilhorst R,piersma S R,et al.Peroxidases-mediated cross-linking of a tyrosine-containing Peptide with feralic acid cross-linking of a tyrosine-containing Peptide with feralic acid[J].J Agric Food Chem,2001,49:2503-2510

[4]郭乾初,歐什益.阿魏酸在大豆分離蛋白制備可食性膜中的應(yīng)用[J].食品工業(yè)科技,2002(1):24-26

[5]Gontard N,Guilbbert S,Cuq J L.Edible wheat gluten film:influence of the main process variables on film properties using response surface methodology[J].Journal of food science,1992,57(1):190-199

[6]黃曉杰,張春紅,趙前程,等.高直鏈玉米淀粉一PVA共混塑料薄膜的制作工藝的研究[J].食品工業(yè)科技,2006,27(3):160-161

[7]胡新宇,李新華.可食性淀粉膜制備材料與工藝的研究[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2000(3):267-271

[8]姜燕,溫其標(biāo),唐傳核,等.谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶對大豆分離蛋白成膜性能的影響[J].食品與生物技術(shù)學(xué)報(bào),2006,25(4):24-28

[9]Gontard N,Guilbbert S,Cuq J L.Edible wheat gluten film:influence of the main process variables on film properties using response surface methodology[J].Journal of food science,1992,57:190-199

[10]曹飛,任俊,陳福生.茁霉多糖在食品工業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].中國食物與營養(yǎng),2009(5):31-33

[11]馬霞,關(guān)鳳梅,王瑞明.新型高分子材料—茁霉多糖[J].中國釀造,2005(2):9-11