花生分離蛋白可食性膜最佳成膜條件研究

李 鵬，甄天元，王玲玲，高 琳，楊偉強，孫 杰

（1.青島農業(yè)大學食品科學與工程學院，山東青島266109；2.山東省花生研究所，山東青島266100）

可食性膜是以天然可食性物質（如：蛋白質、多糖、纖維素及其衍生物等）為原料，通過不同分子間相互作用而形成具有多孔網(wǎng)絡結構薄膜，通過包裹、浸漬、涂布、噴灑于食品表面（或內部）達到阻止（或減少）水分、氣體（O2、CO2）或溶質的遷移，并對食品起到機械保護的作用[1]。目前在此相關研究領域，國內外許多學者進行了研究，但多數(shù)集中在以大豆分離蛋白和多糖及部分類脂為主要基質，制備可食用性的食品涂膜材料，用于水果、蔬菜、禽蛋的涂膜保鮮及糕點、糖果的內包裝等，對于其他的植物蛋白為原料制備可食性膜，特別是對于可單獨用于食品外包裝的蛋白薄膜研究比較少，也基本處于探討階段。

而花生蛋白是一種優(yōu)質的而且也是產(chǎn)量豐富的一種植物蛋白資源[2]，花生蛋白分子中存在著大量的氫鍵、疏水鍵、二硫鍵、范德華力、離子鍵、配位鍵，可成膜性高，同時花生蛋白膜可以減少食品內部水分的蒸發(fā)，阻止空氣中的氧與食品之間發(fā)生的氧化作用，防止微生物的滋生，延長食品的貯藏期，而且由于花生蛋白的交聯(lián)作用較為強烈，膜的機械特性優(yōu)于多糖和脂肪膜[3-4]，所以對于花生蛋白膜的研究與應用日益受到人們的重視。

本文旨在以低變性花生分離蛋白為原料，研究其成膜性，力求通過實驗找到影響花生分離蛋白可食性膜性能，如抗拉強度（TS）、斷裂伸長率（E%）和水蒸氣遷移速率（νWVTR）的部分影響因素與膜性能的關系趨勢，確定膜的最適制備條件，為今后花生分離蛋白膜的制作及應用提供理論與實踐基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

低變性花生蛋白粉 青島長壽食品有限公司；甘油 北京鼎國昌盛生物技術有限公司，食用級；無水氯化鈣、硝酸鎂、鹽酸、氫氧化鈉 天津市凱通化學試劑有限公司，均為分析純。

WH-3微型漩渦混合儀 上海滬西分析儀器廠；北京瑞利游標卡尺（0.02mm） 上海量具刃具廠；KA-1600型離心機 上海安亭科學儀器廠；CL-2恒溫磁力攪拌機 江蘇金壇宏凱儀器廠；電子天平 上海梅特勒-托利多儀器有限公司；MP-120型酸度計 梅特勒-托利多儀器有限公司產(chǎn)；DHG-9023A型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海一恒科技有限公司；DS1型高速組織搗碎機 上海精勝科學儀器有限公司；HH-4型恒溫水浴鍋 常州國華電器有限公司；TA-XT2i型質構儀 英國Stable Micro System公司。

1.2 花生分離蛋白的提取

采用堿提酸沉法，稱取一定低變性花生蛋白粉，按一定比例加入堿溶液，攪拌、浸提；浸提后離心，過濾；濾液中緩慢加入0.1mol/L HCL溶液，并輕輕攪動，使其pH達到蛋白等電點4.5左右，花生分離蛋白呈白色絮狀沉淀析出，再用水洗滌沉淀至中性；造粒，干燥，粉碎，即得花生分離蛋白[5]。

1.3 蛋白質的測定

按GB/T6432-1994，凱氏定氮法進行測定。

1.4 花生分離蛋白可食性膜的制備

將上述所得花生分離蛋白按比例混于蒸餾水中，加入2%甘油（V/V）為增塑劑，制備可食性膜，工藝流程為：配制花生分離蛋白溶液，添加增塑劑，用0.1mol/L的NaOH調節(jié)到一定pH后，水浴加熱至所需溫度，攪拌處理30min直到完全溶解，成膜液呈現(xiàn)均勻的狀態(tài)，離心（3000r/min，10min），過濾，量取混合液倒入有機玻璃板上流延均勻，水平放置2h，膜表面成型后，放入65℃鼓風干燥箱中干燥，揭膜即可得到花生分離蛋白可食性膜，揭膜后在相對濕度50%（硝酸鎂飽和溶液）下平衡48h，用以測定性能指標[6-7]。

1.5 單因素及正交實驗設計

單因素實驗考察熱處理溫度（℃）、pH和花生分離蛋白溶液濃度（%）對成膜的影響。通過單因素實驗結果，確定熱處理溫度、溶液pH、溶液濃度因素的水平，進行L9（33）的正交實驗，采用加權法對花生分離蛋白膜的綜合性能進行評分，正交實驗設計見表1。

1.6 花生分離蛋白可食性膜性能的測定[8-9]

1.6.1 膜厚度測定 用螺旋測微儀在膜上隨機取5點，準確測量膜的厚度，取其平均值，用作該樣品抗拉強度和水蒸氣遷移速率公式中的厚度值（T）。

1.6.2 抗拉強度測定 用質構儀測定。每種組分的膜準備十個樣品進行測定。將膜制成長（L）4.0cm，寬（W）2.0cm的試樣，測量其厚度（T），質構儀的初始夾距設定為40mm，拉引速度0.5mm/s，在質構儀上讀取膜破裂時的拉力（F）數(shù)值。按公式（1）計算膜的TS：

式中：F：作用在膜兩端的最大拉力，N；T：膜的厚度，由螺旋測微器測出，mm；W：為膜的寬度，mm。

1.6.3 斷裂伸長率E%的測定 是衡量膜的機械強度的另一指標，用質構儀測定。每種組分的膜準備十個樣品進行測定。將膜制成長（L）4.0cm，寬（W）2.0cm的試樣，測量其厚度（T），質構儀的初始夾距設定為40mm，拉引速度0.5mm/s，測量膜斷裂時的膜的延伸長度（L0），按公式（2）計算膜的E：

式中：L0：膜斷裂時被拉伸的長度，mm；L：膜的原始長度40mm。

1.6.4 水蒸氣遷移速率 將待測的花生分離蛋白膜密封于裝有無水氯化鈣的小錐形瓶口處，在室內放置平衡24h，稱量小錐形瓶質量的變化。水蒸氣遷移速率單位為g/（m2·h），按公式（3）計算：

式中：Δm：水蒸氣遷移量，g；A：膜的面積，m2；t：測定的時間，h。

1.7 膜性能綜合評分原則

實驗采用加權法對花生分離蛋白膜的綜合性能進行評分[10]，滿分為100分。膜性能評分標準：TS，40分；E，32分；νWVTR，20分；表觀效果8分。

1.7.1 TS（40分） TS≥2.0MPa，分值40分；1.5MPa≤TS＜2.0MPa，30分≤分值＜40分；1.0MPa≤TS＜1.5MPa，20分≤分值＜30分；0.5MPa≤TS＜1.0MPa，10分≤分值＜20分；0MPa≤TS＜0.5MPa，0分≤分值＜10分。

1.7.2 E（32分） E≥200%，分值32分；150%≤E＜200%，24分≤分值＜32分；100%≤E＜150%，16分≤分值＜24分；50%≤E＜100%，8分≤分值＜16分；0%≤E＜50%，0分≤分值＜8分。

1.7.3 νWVTR（20分） νWVTR≤15g/（m2·h），分值20分；10g/（m2·h）＜νWVTR≤15g/（m2·h），15分≤分值＜20分；15g/（m2·h）＜νWVTR≤20g/（m2·h），10分≤分值＜15分；20g/（m2·h）＜νWVTR≤25g/（m2·h），5分≤分值＜10分；25g/（m2·h）＜νWVTR≤30g/（m2·h），0分≤分值＜5分。

1.7.4 表觀效果（8分） 觀察所成的膜是否表面光滑，色澤透明，容易成膜，容易揭膜，分值8分，不符合條件的酌情減分。

1.8 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS軟件進行方差分析和均值顯著性差異分析（采用鄧肯氏復極差法測驗顯著性水平，設p≤0.05時顯著性差異）。

2 結果與分析

2.1 花生分離蛋白的蛋白含量

采用堿溶酸沉法制取的花生分離蛋白的蛋白含量為94.4%，達到了分離蛋白的標準（蛋白含量在90%以上）。

2.2 影響膜性能的單因素實驗

2.2.1 熱處理溫度對花生分離蛋白可食性膜性能的影響 在對成膜液的熱處理過程中，隨著熱處理溫度的上升，使得最終蛋白膜的TS先上升后下降，溫度上升到75℃時，膜的TS得到顯著的提高（p＜0.05），此后隨著溫度的升高TS略微有所降低，但差異不顯著（p＞0.05）（表2）。這可能主要是因為適度的熱處理削弱了蛋白質分子間作用力，使大分子從原來有秩序的緊密結構變?yōu)闊o秩序的松散結構，使原來藏在分子內部的巰基和疏水性氨基酸側鏈殘基等暴露在分子表面，從而有利于蛋白質分子內或分子間相互作用，在干燥過程中蛋白質分子重新形成二硫鍵，形成堅固的網(wǎng)絡結構，使TS提高[11]，但若熱處理溫度過高，時間過長，又使得蛋白質分子過度變性，造成蛋白質分子鏈斷裂，不利于網(wǎng)絡結構的形成[12]。

隨著熱處理溫度的升高，花生分離蛋白膜的E也是先升高后有所降低，75℃時E達到最大值（p＜0.05），此后隨著溫度增加，差異不顯著（p＞0.05）。這主要是經(jīng)過熱處理后，蛋白分子結構由緊密變得松散，原先的球狀分子結構變?yōu)榫€性分子結構，更多線性的蛋白分子鏈重新排列，分子定向程度提高，使得E增加，因此溫度對E的影響較大。

花生分離蛋白膜νWVTR，隨著熱處理溫度升高，發(fā)生顯著變化（p＜0.05），當經(jīng)過75℃處理時，數(shù)值最小。這表明適當?shù)臒崽幚砟艽龠M蛋白質分子中的氫鍵和二硫鍵斷裂，結構展開，疏水性基團暴露出來，提高花生蛋白疏水性，加強了分子間相互作用和二硫鍵重新分布，形成堅固的網(wǎng)絡結構，提高其阻水性能[13-14]。

表2 熱處理溫度對花生分離蛋白膜性能的影響（n=5，±sD）Table 2 Effect of temperature on the properties of the film（n=5，±sD）

表2 熱處理溫度對花生分離蛋白膜性能的影響（n=5，±sD）Table 2 Effect of temperature on the properties of the film（n=5，±sD）

注：同列不同的字母表示差異顯著（p＜0.05）；表2、表3同。

熱處理溫度（℃） TS（MPa） E（%） VWVTR（g/（m2·h））55 0.63±0.02a100.53±14.63a 25.31±3.18a 65 0.88±0.14a108.92±22.96a 21.85±2.45b 75 1.41±0.16b129.15±18.65b 15.31±2.57c 85 1.23±0.21b125.46±23.71b 17.32±2.13d 95 1.37±0.24b126.26±22.25b 19.73±2.36e

2.2.2 pH對花生分離蛋白可食性膜性能的影響 pH在8～11之間，花生分離蛋白溶解性比較好，膜液均勻，可以得到表面光滑、具有一定彈性和強度的薄膜，其性能指標見表3。由表3可以看出，pH對膜的TS存在顯著差異（p＜0.05）。從pH7～9，TS增大，這主要由于堿使蛋白質變性，內部基團暴露，有利于堅固網(wǎng)格結構的形成；從pH9～11，TS又下降，由于極端堿性條件下，負離子之間極強的靜電排斥作用阻礙了蛋白質分子內或分子間的連接，從而阻礙了膜的形成。

表3 pH對花生分離蛋白可食性膜性能的影響（n=5，±sD）Table 3 Effect of pH on the properties of the film（n=5，±sD）

表3 pH對花生分離蛋白可食性膜性能的影響（n=5，±sD）Table 3 Effect of pH on the properties of the film（n=5，±sD）

pH TS（MPa） E（%） VWVTR（g/（m2·h））7 0.74±0.06d 41.24±10.31d 22.34±4.6b 8 1.21±0.14c 93.45±15.40d 21.60±3.46b 9 1.41±0.16b 125.15±18.65b 15.31±2.57a 10 1.25±0.07b 135.89±17.16b 21.50±2.68b 11 0.91±0.09c 150.45±21.15a 23.30±3.87b

膜的E隨pH的增大而增大（p＜0.05），這可能是因為，高pH堿使蛋白分子間相互作用減弱，而蛋白質是富有彈性的物質，所以使得膜的柔韌性較好，膜的E增加。

νWVTR隨著pH的升高呈先下降后升高的趨勢，當pH為9時值最?。╬＜0.05），這與蛋白質網(wǎng)絡結構的形成有直接聯(lián)系，pH為9時膜的結構變得更加致密，阻止了水蒸氣的滲透，因此膜的水蒸氣透過系數(shù)減小。

2.2.3 蛋白溶液濃度對花生分離蛋白膜性能的影響

由表4可見，花生分離蛋白濃度在2%～10%都可以成膜，但濃度在2%～4%時，由于蛋白含量太低，蛋白質分子比較分散，不易于蛋白質分子之間的交聯(lián)作用，不易成膜；質量分數(shù)在6%～8%時，能形成較好的花生分離蛋白膜，且容易揭膜，可以得到柔軟、表面光滑的薄膜。由表4可知，隨著花生分離蛋白濃度的增加，膜的TS和E隨之增強，νWVTR有所下降?；ㄉ鞍诐舛壬咭馕吨赡と芤褐杏懈嗟幕ㄉ鞍追肿舆M行交聯(lián)，溶質分子間的作用力加強，提高了蛋白膜的機械強度[15]。

表4 花生分離蛋白溶液濃度對花生分離蛋白膜性能的影響（n=5，±sD）Table 4 Effect of PPI concentration on properties of the film（n=5，±sD）

表4 花生分離蛋白溶液濃度對花生分離蛋白膜性能的影響（n=5，±sD）Table 4 Effect of PPI concentration on properties of the film（n=5，±sD）

花生分離蛋白溶液濃度（%） TS（MPa） E（%） VWVTR（g/（m2·h））2 1.02±0.12c 120.25±20.16a 28.86±3.25a 4 1.14±0.63bc 153.13±15.21b 25.91±5.60b 6 1.86±0.21a 160.42±20.85b 24.48±4.79b 8 1.41±0.13b 173.87±17.91b 23.47±6.13b 10 1.03±0.10c 165.82±18.88b 22.43±4.74b

2.3 正交實驗結果

通過單因素實驗研究表明，熱處理溫度、溶液pH、溶液濃度對膜性能有很大影響，綜合考慮，通過正交實驗，采用了加權法對花生分離蛋白膜的綜合性能進行評分[16-17]，正交實驗結果如表5所示。

表5 成膜正交實驗結果與分析Table 5 Results and analysis of the filming orthogonal experiments

從表5中可以看出，各因素對花生分離蛋白膜性能影響的主次關系依次為C＞B＞A，即蛋白溶液濃度＞pH＞熱處理溫度?？沙醪胶Y選條件為A2B2C3，即熱處理溫度75℃、pH9、花生分離蛋白濃度為8%。在此條件下進行驗證實驗，結果表明此條件下制得的花生分離蛋白可食性膜具有較佳的性能，綜合評分為70.3，TS、E和νWVTR分別達到1.41MPa，173.87%，23.47g/（m2·h），證明該制膜工藝參數(shù)合理可行。

3 結論

花生分離蛋白具有良好的成膜性能。在2%的甘油為增塑劑的條件下，花生分離蛋白濃度8%，pH9，熱處理溫度為75℃，此時成膜質地透明柔軟，具有較高的強度和延伸性，并能有效地阻止水蒸氣的遷移。

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