復(fù)合大豆分離蛋白膜力學(xué)性能研究

張兆燁，陳 光，孫 旸，陳 歡

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130118)

目前，在食品包裝材料上，可食蛋白包裝膜逐漸成為人們研究重點(diǎn)之一。其中，大豆分離蛋白(SPI)是很好的制膜材料，有關(guān)大豆分離蛋白復(fù)合膜的研究很多，例如宋臻善等人通過(guò)對(duì)大豆分離蛋白/羥丙基纖維素(SPI/HPC)復(fù)合薄膜的研究，證明隨著HPC加入濃度的增加，SPI/HPC復(fù)合膜的抗拉強(qiáng)度和表面疏水性可以得到顯著提高，但透光率明顯降低［1］。蘇俊峰等人研究了大豆分離蛋白/聚乙烯醇(SPI/PVA)復(fù)合薄膜，發(fā)現(xiàn)隨著PVA添加量的增大，該復(fù)合膜的抗拉強(qiáng)度明顯減小，斷裂伸長(zhǎng)率顯著增大，水蒸汽透過(guò)系數(shù)呈先減小后增大趨勢(shì)［2］。關(guān)于大豆分離蛋白復(fù)合膜的開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為研究食品包裝材料的一個(gè)熱點(diǎn)。原纖維素經(jīng)適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)處理，通過(guò)改變?cè)械幕瘜W(xué)性質(zhì)得到具有特殊理化性質(zhì)的纖維素衍生物，即為改性纖維素。這種改性纖維素具有良好的成膜性能，將它與大豆分離蛋白結(jié)合制備復(fù)合膜，不但具有可食性，而且可有效阻止食品的失水和吸水，大大減少食品的吸油量，防止食品氧化和發(fā)生味變，還可以調(diào)節(jié)生鮮食品的呼吸強(qiáng)度，提高食品表面的機(jī)械強(qiáng)度，從而改善食品表觀，提高食品營(yíng)養(yǎng)價(jià)值［3］。本文在制備出大豆分離蛋白膜的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過(guò)添加原纖維素、羧甲基纖維素(CMC)和羥丙基甲基纖維素(HPMC)三種材料，分析比較其對(duì)大豆分離蛋白膜的影響效果，制備出效果最佳的改性纖維素大豆分離蛋白復(fù)合膜，并對(duì)其主要特性進(jìn)行研究，以提高該膜的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和開(kāi)發(fā)利用潛力。本實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析了三種添加材料對(duì)大豆分離蛋白膜性能的影響效果，確定了HPMC作為理想的材料添加到大豆分離蛋白膜中，制備出的改性纖維素大豆分離蛋白復(fù)合膜具有很好的力學(xué)性能，增強(qiáng)了其開(kāi)發(fā)利用價(jià)值，具有較好的應(yīng)用前景。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

金龜2200大豆分離蛋白 吉林不二蛋白有限公司;原纖維素、羧甲基纖維素、羥丙基甲基纖維素 石家莊寇格纖維素有限公司;甘油、氫氧化鈉等 均為分析純。

DC-KZ300C電腦測(cè)控抗張實(shí)驗(yàn)機(jī) 杭州藍(lán)劍計(jì)量測(cè)試儀器有限公司;Sartorius BS210S型電子分析天平 德國(guó)賽多利斯股份公司;PHS-3C型精密pH計(jì) 上海精密科學(xué)儀器有限公司;WDW微機(jī)控制電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī) 上海華龍測(cè)試儀器廠;電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海奧譜勒儀器有效公司;恒溫磁力攪拌器 金壇富華儀器有限公司;電子調(diào)節(jié)萬(wàn)用電爐 北京科委水興儀器有限公司;UV1102可見(jiàn)分光光度計(jì) 上海棱普儀器儀表有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 大豆分離蛋白膜的制備方法 金龜2200大豆分離蛋白→加蛋白質(zhì)量20倍的水，溶解，攪拌(30min)→加蛋白質(zhì)量1/3的甘油，熱攪拌(10min)→35℃恒溫磁力攪拌(20min)→調(diào)pH8.5→80℃水浴條件下攪拌(10min)→過(guò)濾→冷卻至室溫→成膜→80℃干燥→揭膜→保存

1.2.2 改性纖維素的添加實(shí)驗(yàn) 在大豆分離蛋白膜的制備前期，將一定量的原纖維素、CMC和HPMC分別添加到加過(guò)甘油的蛋白液中，熱攪拌時(shí)間由10min增加至50min，其他制備步驟不變，經(jīng)過(guò)各步操作，制備出改性纖維素大豆分離蛋白復(fù)合膜，相對(duì)濕度50%條件下保存，以便進(jìn)行相關(guān)性能研究。三種添加材料的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)(添加材料/大豆分離蛋白，g/g)均為 1%、2%、3%、4%、5%、6%。

1.2.3 性能指標(biāo)及測(cè)定方法

1.2.3.1 膜厚度(FT)將每種膜厚度均勻處用薄刀片小心切成30mm×30mm大小，用旋轉(zhuǎn)測(cè)微器對(duì)其逐一進(jìn)行厚度測(cè)量，每個(gè)樣品選取測(cè)定點(diǎn)時(shí)，對(duì)不同部位進(jìn)行均勻選取，測(cè)定點(diǎn)為五個(gè)，最終取平均值，詳細(xì)記錄數(shù)據(jù)。

1.2.3.2 膜完整性(FI)本實(shí)驗(yàn)以膜完整率表示膜的完整性，是成膜后較為完整膜的質(zhì)量與其余小塊膜總質(zhì)量的比值，計(jì)算公式如式(1):

式中:FI-膜完整率，%;m1-最為完整膜的質(zhì)量，g;m2-其余小塊膜的總質(zhì)量，g。

1.2.3.3 抗拉強(qiáng)度(TS)依據(jù)GB13022-91塑料薄膜拉伸性能實(shí)驗(yàn)方法［4］，將每種膜厚度均勻處用薄刀片小心切成40mm×80mm大小，按照實(shí)驗(yàn)設(shè)備電腦測(cè)控抗張實(shí)驗(yàn)機(jī)的操作步驟進(jìn)行膜的TS測(cè)定，每種膜取五個(gè)平行樣進(jìn)行測(cè)定，計(jì)算時(shí)取平均值。

計(jì)算公式如式(2):

本研究將提取到的mtDNA通過(guò)微量分光光度計(jì)檢測(cè)，濃度為860.3 ng/μL，A260/A280值為1.96，A260/A230值為2.08，表明無(wú)RNA、蛋白質(zhì)和離子污染。吸取2 μL提取的mtDNA原液，加入18 μL純水稀釋10倍，以10 ng和30 ng λDNA為對(duì)照，電泳檢測(cè)結(jié)果顯示條帶清晰，表明無(wú)RNA污染和蛋白質(zhì)殘留現(xiàn)象(圖3)。進(jìn)一步使用EcoRⅠ對(duì)mtDNA進(jìn)行酶切，電泳檢測(cè)結(jié)果顯示總基因組帶型成彌散狀，酶切后的mtDNA帶型分布均勻(圖4)。說(shuō)明本研究提取到的大豆mtDNA濃度高、質(zhì)量好。

式中:TS-抗拉強(qiáng)度，MPa;P-斷裂負(fù)荷，N;b-膜寬度，mm;d-膜厚度，mm。

1.2.3.4 斷裂伸長(zhǎng)率(E)測(cè)定方法如1.2.3.3，計(jì)算公式如式(3):

式中:E-斷裂伸長(zhǎng)率，%;L-測(cè)試膜斷裂時(shí)標(biāo)線的間距，mm;L0-測(cè)試膜測(cè)試前標(biāo)線的間距，mm。

1.2.3.5 透光率(T)將每種膜厚度均勻處用薄刀片小心切成40mm×120mm大小，緊貼在比色皿光透過(guò)一側(cè)，用紫外分光光度計(jì)在600nm波長(zhǎng)處測(cè)其透光率，并用空比色皿作為參照。

1.2.3.6 溶解率(D)取一定量的膜厚度均勻的各膜于電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)100℃干燥36h，精密稱(chēng)取各自質(zhì)量，分別放入盛有蒸餾水的燒杯中，室溫下浸泡24h，再將膜取出置于100℃烘箱內(nèi)干燥36h，精密稱(chēng)取各自質(zhì)量，計(jì)算前后質(zhì)量差作為膜的溶解率，公式如式(4):

式中:D-溶解率，%;M1-蒸餾水浸泡前的質(zhì)量，g;M2-蒸餾水浸泡后的質(zhì)量，g。

1.2.3.7 水蒸汽透過(guò)系數(shù)(WVP)本實(shí)驗(yàn)采用擬杯子法對(duì)復(fù)合膜的水蒸汽透過(guò)系數(shù)進(jìn)行測(cè)定［5］。取潔凈的100mL三角瓶若干，里面裝有4g氯化鈣干燥劑，精密稱(chēng)取一定量的各種膜厚度均勻處，置于三角瓶?jī)?nèi)，密封，將三角瓶放置于相對(duì)濕度80%的密閉容器中，每隔12h稱(chēng)取各自質(zhì)量，直到質(zhì)量幾乎不變?yōu)橹梗ㄟ^(guò)三角瓶質(zhì)量的變化情況計(jì)算水蒸汽透過(guò)率，公式如式(5):

式中:WVP-水蒸汽透過(guò)系數(shù)，g·mm/(m2·h·kPa);Δm-水蒸汽遷移量，g;L-選取膜的厚度，mm;24-時(shí)間，24h;A-所取膜的面積，m2;t-測(cè)定時(shí)間，h;ΔP-膜兩側(cè)水蒸汽壓力差，kPa。

1.2.3.8 表觀形態(tài)分析 本實(shí)驗(yàn)利用掃描電子顯微電鏡(Scanning Electron Microscopy)對(duì)大豆分離蛋白膜和分別添加了原纖維素、CMC、HPMC所制得的復(fù)合膜的截面進(jìn)行了表觀形態(tài)分析。

1.2.3.9 最佳添加材料添加量的確定 根據(jù)以上七個(gè)膜性能指標(biāo)測(cè)定結(jié)果，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從原纖維素、CMC和HPMC三種添加材料中篩選出對(duì)大豆分離蛋白膜性能增強(qiáng)效果最佳的一種添加材料，并與大豆分離蛋白進(jìn)行復(fù)配，制備改性纖維素大豆分離蛋白復(fù)合膜?？疾觳煌|(zhì)量分?jǐn)?shù)最佳復(fù)配材料的添加量對(duì)改性纖維大豆分離蛋白復(fù)合膜的TS、E、T、WVP四個(gè)主要性能指標(biāo)的影響，確定最優(yōu)的添加量。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的添加量(添加材料/大豆分離蛋白，g/g)為:0%、1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%。每個(gè)添加量做五個(gè)平行樣實(shí)驗(yàn)，計(jì)算時(shí)取其平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 三種復(fù)合膜的FT測(cè)定結(jié)果比較及分析

考察原纖維素、CMC和HPMC三種添加材料對(duì)大豆分離蛋白膜膜厚度的影響效果，如圖1所示，隨著三種添加材料添加量的增加，復(fù)合膜的膜厚度逐漸增大，其中添加HPMC和CMC所制得膜的厚度高于原纖維素，尤其是改性的HPMC作用較大。改性纖維具有增稠、分散、粘合、保護(hù)膠體等優(yōu)良性能。在大豆分離蛋白膜中添加適量的改性纖維，可有效增加膜的厚度，對(duì)于大豆分離蛋白的成膜性具有很好的促進(jìn)作用。需要指出的是，HPMC的水溶液具有較強(qiáng)的粘性，將其添加到大豆分離蛋白膜中，不但可以增加膜的厚度，而且可以極大地增強(qiáng)膜的粘性，改善大豆分離蛋白膜的質(zhì)量［6］，這對(duì)于膜的抗拉強(qiáng)度具有一定的增強(qiáng)效果。

圖1 三種復(fù)合膜的FT測(cè)定結(jié)果比較Fig.1 The determination results comparison on FT of the three composite membranes

2.2 三種復(fù)合膜的FI測(cè)定結(jié)果比較及分析

在大豆分離蛋白膜中加入改性纖維，可明顯增加膜的完整性，這與改性纖維自身性質(zhì)有關(guān)。纖維素和NaOH-NaCl作用生成的CMC具有良好的粘稠性和持水性，經(jīng)氧化丙烯的堿溶液處理過(guò)的纖維素即為HPMC，在水中可溶脹成乳白色粘性膠體，熱塑性良好，吸濕性差于CMC，二者均可以明顯改善大豆分離蛋白膜的成膜性。如圖2所示，隨著三種添加材料添加量的增加，大豆分離蛋白膜的完整率隨之提高，其中改性的CMC和HPMC的效果較好。由于原纖維素是D-葡萄糖以β-(1→4)鏈連接起來(lái)的，不溶于水，只有在堿性條件下才能溶脹［7］，將它添加到大豆分離蛋白膜中，對(duì)其完整性作用不大。

2.3 三種復(fù)合膜的TS測(cè)定結(jié)果比較及分析

由圖3可知，隨著添加材料添加量的增加，復(fù)合膜的TS呈先增大后降低的趨勢(shì)。當(dāng)原纖維素添加材料的質(zhì)量百分比(添加材料/大豆分離蛋白，g/g)達(dá)到2%、CMC和HPMC三種添加材料的質(zhì)量百分比達(dá)到4%左右時(shí)，復(fù)合膜的抗拉強(qiáng)度最好。這是因?yàn)殡S著添加量的增加，改性纖維分子與SPI分子以氫鍵結(jié)合作用力增強(qiáng)，使得復(fù)合膜的TS逐漸增大;而過(guò)多的改性纖維容易引起復(fù)合膜分子內(nèi)部的團(tuán)聚現(xiàn)象，使得很大一部分改性纖維孤立的散布于大豆分離蛋白膜中，從而造成TS降低。

圖2 三種復(fù)合膜的FI測(cè)定結(jié)果比較Fig.2 The determination results comparison on FI of the three composite membranes

圖3 三種復(fù)合膜的TS測(cè)定結(jié)果比較Fig.3 The determination results comparison on TS of the three composite membranes

以HPMC為例，SPI分子中的酰胺基基團(tuán)以及氨基基團(tuán)與HPMC分子中的羥基基團(tuán)發(fā)生分子間的氫鍵作用，HPMC的分子鏈結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了大豆分離蛋白膜內(nèi)部的剛性框架結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出復(fù)合膜的TS增大。對(duì)于HPMC而言，是在纖維素分子鏈中增加了一定數(shù)目的羥丙基側(cè)鏈，進(jìn)而減弱了纖維素分子間的氫鍵鍵合作用，增加了纖維素分子鏈的自由度［8］，這有利于HPMC分子鏈與SPI分子鏈之間形成充分的氫鍵，增強(qiáng)復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度。

2.4 三種復(fù)合膜的E測(cè)定結(jié)果比較及分析

由圖4可以看出，隨著添加材料添加量的增大，三種復(fù)合膜的E明顯降低;在相同添加量條件下，三種添加材料的斷裂伸長(zhǎng)率由大到小為:HPMC＞CMC＞原纖維素。將改性纖維添加到大豆分離蛋白膜中，改性纖維分子與大豆分離蛋白分子間氫鍵作用力增強(qiáng)，分子之間以氫鍵結(jié)合趨于牢固，形成了極其穩(wěn)固的剛性結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了分子鏈流動(dòng)性的降低，造成復(fù)合膜柔韌性較差［9］。

2.5 三種復(fù)合膜的T測(cè)定結(jié)果比較及分析

如圖5所示，隨著添加材料添加量的增加，復(fù)合膜的T呈下降趨勢(shì)。HPMC的添加量對(duì)復(fù)合膜的透光率影響較大，當(dāng)三種添加材料的添加量為1%時(shí)，添加HPMC的復(fù)合膜具有較高的透光率，CMC次之，隨著三種添加材料添加量的增加，添加HPMC的復(fù)合膜的透光率下降幅度明顯大于添加CMC或原纖維素的復(fù)合膜的透光率。由于改性纖維分子與大豆分離蛋白分子之間的相互作用，復(fù)合膜分子內(nèi)部出現(xiàn)局部分相現(xiàn)象，在兩相界面出現(xiàn)散射和反射等光學(xué)現(xiàn)象，進(jìn)而降低了光線的透過(guò)性，使得T下降明顯。

圖4 三種復(fù)合膜的E測(cè)定結(jié)果比較Fig.4 The determination results comparison on E of the three composite membranes

圖5 三種復(fù)合膜的T測(cè)定結(jié)果比較Fig.5 The determination results comparison on T of the three composite membranes

2.6 三種復(fù)合膜的D測(cè)定結(jié)果比較及分析

如圖6所示，隨著添加材料添加量(添加材料/大豆分離蛋白，g/g)的增加，復(fù)合膜的D呈先增大后降低的趨勢(shì)。當(dāng)HPMC或CMC的添加量從1%增加到4%時(shí)，復(fù)合膜的溶解率隨之增大;當(dāng)HPMC或CMC的添加量從4%增加到6%時(shí)，復(fù)合膜的溶解率隨之降低，且二者的添加量均在4%左右時(shí)，復(fù)合膜的溶解率最高。對(duì)于原纖維素而言，當(dāng)添加量從1%增加到3%時(shí)，復(fù)合膜的溶解率隨之增大;當(dāng)添加量從3%增加到6%時(shí)，復(fù)合膜的溶解率隨之降低，當(dāng)原纖維素的添加量為3%左右時(shí)，復(fù)合膜的溶解率最高。在三種添加材料的添加量相同情況下，添加HPMC所制得的復(fù)合膜具有較高的溶脹率。

2.7 三種復(fù)合膜的WVP測(cè)定結(jié)果比較及分析

如圖7所示，當(dāng)HPMC的添加量(添加材料/大豆分離蛋白，g/g)在1%～4%之間時(shí)，隨著添加量的增加，復(fù)合膜的WVP隨之降低;當(dāng)HPMC的添加量在4%～6%之間時(shí)，隨著添加量的增加，復(fù)合膜的WVP隨之增大。前者是因?yàn)槭芊肿娱g作用力的相互作用，復(fù)合膜分子內(nèi)部分子間隙減少，水蒸汽透過(guò)難度增大;后者是因?yàn)樵谶^(guò)多改性纖維存在情況下，纖維間的團(tuán)聚現(xiàn)象破壞了分子間作用力，使得分子間隙增大，水蒸汽透過(guò)阻力減少［10］。當(dāng)HPMC的添加量在4%左右、CMC的添加量在3%左右、原纖維素的添加量在2%左右時(shí)，所制得的復(fù)合膜具有良好的阻氣性能。

圖6 三種復(fù)合膜的D測(cè)定結(jié)果比較Fig.6 The determination results comparison on D of the three composite membranes

圖7 三種復(fù)合膜的WVP測(cè)定結(jié)果比較Fig.7 The determination results comparison on WVP of the three composite membranes

2.8 掃描電子顯微電鏡圖的比較分析

圖8～圖11分別為SPI膜、添加原纖維素所制得的復(fù)合膜、添加CMC所制得的復(fù)合膜、添加HPMC所制得的復(fù)合膜四種膜截面的掃描電子顯微電鏡圖，可以看出，在SPI膜中添加改性纖維后，所制得的復(fù)合膜的截面發(fā)生了明顯的變化，尤其是加入CMC或HPMC的復(fù)合膜的截面出現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分布，這是因?yàn)楦男岳w維分子中的羥基等基團(tuán)與SPI分子中的氨基、酰胺基等基團(tuán)發(fā)生相互作用，促進(jìn)了復(fù)合膜內(nèi)部各分子之間的粘合，這有助于改善復(fù)合膜的某些性能，如 TS、FI等。

圖8 SPI膜的掃描電子顯微電鏡圖Fig.8 The SEM graph of SPI membrane

2.9 HPMC與大豆分離蛋白復(fù)配條件優(yōu)化

圖9 添加原纖維素復(fù)合膜的掃描電子顯微電鏡圖Fig.9 The SEM graph of Composite membrane adding raw cellulose

圖10 添加CMC復(fù)合膜的掃描電子顯微電鏡圖Fig.10 The SEM graph of Composite membrane adding CMC

圖11 添加HPMC復(fù)合膜的掃描電子顯微電鏡圖Fig.11 The SEM graph of Composite membrane adding HPMC

通過(guò)以上七個(gè)性能指標(biāo)測(cè)定結(jié)果分析，三種添加材料中HPMC可以確定為最佳的改性纖維素，下面重點(diǎn)考察HPMC對(duì)改性纖維素大豆分離蛋白復(fù)合膜的TS、E、T和WVP的影響效果。

如表1所示，隨著HPMC添加量(添加材料/大豆分離蛋白，g/g)的增加，復(fù)合膜的TS呈先遞增后遞減的趨勢(shì)，E、T逐漸降低，WVP呈先遞減后遞增的趨勢(shì)，TS在HPMC添加質(zhì)量百分?jǐn)?shù)4%時(shí)達(dá)到最大值，而WAP在HPMC添加質(zhì)量百分?jǐn)?shù)4%時(shí)達(dá)到最小值。對(duì)于改性纖維素大豆分離蛋白復(fù)合膜而言，TS越大、WVP越小，其性能越佳。另外，E和T也是判斷HPMC/大豆分離蛋白復(fù)配比例是否最佳的主要參考依據(jù)，由表1中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)HPMC添加質(zhì)量百分?jǐn)?shù)4%時(shí)，復(fù)合膜E的數(shù)值與單一大豆分離蛋白膜(即不添加HPMC)E的數(shù)值比較接近，最后對(duì)比不同HPMC添加量對(duì)復(fù)合膜T的影響效果，綜合這四個(gè)性能指標(biāo)確定HPMC與大豆分離蛋白的比例在4%左右時(shí)制備出的改性纖維素大豆分離蛋白復(fù)合膜是最為理想的。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)比研究原纖維素、羧甲基纖維素(CMC)和羥丙基甲基纖維素(HPMC)三種材料對(duì)大豆分離蛋白膜性能指標(biāo)的影響效果，并分析了大豆分離蛋白膜以及分別添加這三種材料所制得的復(fù)合膜的掃描電子顯微電鏡圖，進(jìn)而篩選出HPMC作為大豆分離蛋白膜的最佳添加材料，最后考察了HPMC與大豆分離蛋白的復(fù)配比例，以抗拉強(qiáng)度、水蒸汽透過(guò)系數(shù)為首要參考指標(biāo)，以斷裂伸長(zhǎng)率、透光率為次要參考指標(biāo)，確定了最佳復(fù)配百分比為4%，在此條件下制備出的改性纖維素大豆分離蛋白復(fù)合膜的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，水蒸汽透過(guò)系數(shù)為最小值。

表1 HPMC對(duì)復(fù)合膜TS、E、T和WVP的影響結(jié)果Table 1 The results of TS、E、T、WVP of composite membrane effected by HPMC

本文的研究意義在于對(duì)大豆分離蛋白膜性能指標(biāo)的改進(jìn)，通過(guò)添加改性纖維HPMC，增加了大豆分離蛋白復(fù)合膜的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，具有良好的開(kāi)發(fā)利用前景。

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