干燥條件對大豆分離蛋白膜理化性能的影響

劉培成，田少君，馬 燕，胡 思

（河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001）

0 前言

分子合成塑料的廣泛應(yīng)用及對環(huán)境的危害促使人們尋找可降解材料，農(nóng)業(yè)衍生聚合物如蛋白質(zhì)和多糖，在某些領(lǐng)域可代替合成塑料，并可制得具有更高附加值的農(nóng)業(yè)產(chǎn)品，如食品包裝[1-4].與其他植物蛋白源相比，以大豆蛋白為原料的膜更加柔韌、光滑和透明[5-6].大豆蛋白膜通常用澆鑄法制作，將成膜溶液傾倒于一定形狀規(guī)格的模具里，而后固化干燥成膜.對于蛋白膜，適用的干燥方式有微波干燥、真空干燥、紅外干燥、加熱干燥等.

盡管國內(nèi)外學(xué)者已對食用蛋白膜做了大量的研究，但就干燥條件對其影響的研究較少.可食用膜干燥時，膜的最終含水率對其性能影響較大，因此，研究干燥條件的影響時需控制膜的含水率.在干燥期間，當(dāng)水分逐漸減少，蛋白質(zhì)的構(gòu)象就發(fā)生變化，蛋白質(zhì)展開的程度決定其共價鍵（S—S 鍵）和非共價鍵（疏水鍵、氫鍵、離子鍵）的比例.當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)變性時，鏈可以更強烈、更容易相互作用，特別是二硫鍵.因此，最終由這些鍵能提供的凝聚力所形成的網(wǎng)絡(luò)將決定膜的性能.

Gennadio 等[7]研究表明，熱固化可以改善大豆蛋白膜的水分阻隔性.Perez-Gago 等[8]報道，熱變性乳清蛋白膜比普通膜具有更高的拉伸性.其他人的研究表明：熱固化改善了各種蛋白質(zhì)的韌性和抗?jié)裥訹9-10].Jiang 等[11]報道經(jīng)轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶處理的大豆分離蛋白膜的機械性能隨干燥溫度的改變而改變.Jangchud 等[12]研究了干燥溫度對花生蛋白膜的影響：機械性能隨溫度的升高而增強，而阻水性和阻氧性隨溫度升高而減弱.Alcantara 等[13]驗證了提高干燥效率可以改善乳清蛋白膜的強度和阻隔性.然而，Menegalli 等[14]卻發(fā)現(xiàn)明膠膜的結(jié)果是不同的，高相對濕度和溫度條件下干燥導(dǎo)致凝膠融化、相分離以及干燥速率下降.

目前實驗室大多采用自然風(fēng)干法成膜，但干燥時間較長，膜的性能受自然環(huán)境影響較大.本試驗采用鼓風(fēng)加熱、水浴加熱、真空加熱3 種方式，控制不同條件，研究干燥條件對SPI 膜機械性能、水蒸氣阻隔性能、水溶性和微結(jié)構(gòu)的影響，以期為提高蛋白膜制備過程中的干燥效率提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗材料

大豆分離蛋白：安陽漫天雪蛋白有限公司；甘油（分析純）：天津市化學(xué)試劑有限公司；油酸（分析純）、L-半胱氨酸（分析純）：天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；氫氧化鈉（分析純）：洛陽市化學(xué)試劑廠.

1.2 儀器與設(shè)備

HJ-3 型恒溫磁力攪拌器：江蘇醫(yī)療器械廠；PHS-3C 型精密pH 計：上海大普儀器有限公司；傅里葉紅外光譜儀：NICOLET 公司（美國）；TA.XT2 Texture Analyzers：英國SMS；2300 Kjeltec Analyzer Unit：瑞典福斯特瓦托公司；FA25 高剪切分散乳化機：FLUKO 公司；電熱真空干燥箱：天津泰斯特儀器公司；GZX-9240 MBE 電熱鼓風(fēng)干燥箱：上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療儀器廠；螺旋測微儀：河北黃華市振興儀器廠；FA2004 電子天平：上海精科天平；儀表恒溫水浴鍋：上海樹立儀器儀表有限公司；PhenomTMG2 Pro 飛納臺式掃描電鏡：復(fù)納科學(xué)儀器（上海）有限公司.

1.3 方法

1.3.1 膜的制備[15]

16 g 大豆分離蛋白+200 mL 水→攪拌→加入6.4 g 甘油+1.6 g 油酸+0.16 g L-半胱氨酸→磁力攪拌5 min →加入2 mol/L 的氫氧化鈉調(diào)pH 至11→80 ℃水浴鍋中反應(yīng)30 min→均質(zhì)→真空脫氣10 min→冷卻→澆注在PP 材質(zhì)的盤子中→在不同的干燥條件下成膜.

1.3.2 干燥條件的選擇

選擇真空干燥，鼓風(fēng)加熱，水浴加熱3 種干燥方式，溫度控制為30、40、50、60、70 ℃.

1.3.3 厚度的測定

通過控制澆注成膜液的量，膜厚度控制在0.1 mm 左右.在膜上選取對稱4 個點及中心共計5 個點，使用螺旋測微儀測定厚度，重復(fù)3 次，并取其平均值.

1.3.4 機械性能的測定[16]

將膜裁成50 mm×10 mm 大小后，將其置于物性儀探頭上，設(shè)定初始夾距為30 mm.測定最大拉伸距離和最大拉力，膜的TS 和E 計算公式如下：

式中：F 為最大拉力，N；S 為橫截面積，m2；L0為膜樣品的長度，mm；L1為斷裂時長度，mm.

1.3.5 水溶性的測定[12]

取適量蛋白膜，將其在105 ℃下干燥24 h，準確稱其質(zhì)量m1，然后放在蒸餾水中室溫溶解48 h，再取出蛋白膜并在105 ℃下干燥24 h，準確稱其質(zhì)量m2，計算其水溶性.

1.3.6 水蒸氣透過率的測定

取測定過的蛋白膜，用其密封裝有蒸餾水的稱量瓶，然后放置干燥器中，在（25±1）℃下每隔24 h 對稱量瓶稱質(zhì)量，連續(xù)稱量7 d.

式中：WVP 為水蒸氣透過率，g·mm·（m2·d·kPa）-1；△W 為質(zhì)量差，g；t 為時間，h ；A 為瓶口面積，m2；h 為膜的厚度，mm；△P 為試樣兩側(cè)的水蒸氣壓差，3.169 kPa.

1.3.7 傅里葉變換紅外光譜的分析[17]

將1～2 mg 蛋白膜樣品在研缽中與200 mg 溴化鉀充分研磨，研磨粒度小于2 μm，然后壓成透明薄片.傅里葉紅外光譜儀在波數(shù)500～4 000 cm-1范圍內(nèi)測出其吸收峰的變化.

1.3.8 掃描電鏡的分析

采用掃描電鏡對蛋白膜的橫截面拍攝照片，并對其結(jié)構(gòu)進行分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 原料成分分析

SPI 各組分含量如表1 所示.

表1 SPI 成分 %

2.2 不同干燥條件成膜時間的確定

成膜液在不同的條件下干燥，控制干燥完成的蛋白膜水分含量在（16±1）%，其中真空加熱下真空度為0.095 MPa.如表2 所示，可以看出，真空加熱干燥時間較長，30 ℃時甚至需要11.25 h.

表2 不同干燥條件下的干燥時間 h

2.3 不同干燥條件對SPI 膜機械性能的影響

不同干燥條件對SPI 膜抗拉強度和膜延展率的影響見圖1 和圖2.

圖1 不同干燥條件對SPI 膜抗拉強度的影響

圖2 不同干燥條件對SPI 膜延展率的影響

由圖1 可知，水浴加熱和鼓風(fēng)加熱條件下，隨著溫度的升高，SPI 膜的抗拉強度呈先增強后減弱的趨勢，在60 ℃時達到最高，而真空條件下的蛋白膜TS 呈先下降后上升趨勢，在40 ℃時最小，到60 ℃和70 ℃時又趨于平緩.真空加熱和水浴加熱方式下，60 ℃時的蛋白膜TS 幾乎一樣且都高于鼓風(fēng)加熱方式.由圖2 可知，3 種條件下的蛋白膜延展率呈先升高后平緩再上升趨勢，30 ℃時，真空加熱方式下的蛋白膜延展率比其他兩種方式要高，而40～70 ℃時，水浴加熱方式的蛋白膜延展率則更高，且3 種干燥方式下的蛋白膜延展率升高不明顯.

蛋白膜干燥的機理可認為是各基團、鍵交聯(lián)固化的化學(xué)干燥和溶劑逐漸蒸發(fā)的物理干燥過程的結(jié)合，在干燥的過程中，溶劑蒸發(fā)，各組分間反應(yīng)變?yōu)槿S聚合物，隨后組分運動性能降低，反應(yīng)速率也下降，甚至停止[18].從30～60 ℃，隨著溫度的升高，膜液黏度下降，分子運動加劇，通過氫鍵、二硫鍵等的結(jié)合形成有序、穩(wěn)定的立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，宏觀上表現(xiàn)出機械性能的提高[19].隨著溫度的繼續(xù)升高，蛋白質(zhì)分子過度變性，分子鏈被打壞，且溶劑揮發(fā)過快，在成膜組分充分結(jié)合之前過早的固定下來，導(dǎo)致膜的性能降低[20].

對于不同的干燥方式，其傳熱方式也不同.真空條件下，以輻射傳熱為主，熱傳遞較慢；水浴加熱則主要是傳導(dǎo)加熱；而鼓風(fēng)加熱是對流和熱輻射加熱的結(jié)合.有研究表明，自然風(fēng)干的蛋白膜，由于溶劑揮發(fā)較慢，環(huán)境溫和，有助于氫鍵、二硫鍵等的充分形成，其機械性能較好.采取同樣的前序工藝，在室溫下自然風(fēng)干48 h 的蛋白膜TS 為（5.59±0.3）MPa，E 為（297.71±20）%，結(jié)合圖1 和圖2 可以看出，不同溫度下，3 種干燥方式下的蛋白膜機械性能各有優(yōu)劣，其中，水浴70 ℃下的膜TS 和E 與自然風(fēng)干的最為接近，并且可節(jié)約較長時間，提高干燥效率，而綜合比較干燥時間、60 ℃和70 ℃下TS 和E 的差異，選取水浴60 ℃加熱的干燥條件最好.

2.4 不同干燥條件對SPI 膜水蒸氣透過率的影響

綜合SPI 膜的抗拉強度和延展率，比較水浴60 ℃、鼓風(fēng)60 ℃、真空70 ℃和室溫風(fēng)干條件下的膜的WVP.由圖3 可知，總體上不同干燥方式對SPI 膜WVP 影響較小.相對于室溫條件下，水浴加熱所得蛋白膜的WVP 較高，可能是因為水浴周圍環(huán)境濕度更大，大分子聚合物片段排列較紊亂，有較多的自由—OH 親水基團，較有利于吸附水分子，宏觀上表現(xiàn)出較強的吸濕性，因此水分更容易穿過[21].

圖3 不同干燥方式對SPI 膜WVP 的影響

2.5 不同干燥條件對SPI 膜水溶性的影響

同樣，取機械性能較好的3 種膜與室溫下的比較，由圖4 可知，水浴60 ℃和鼓風(fēng)60 ℃干燥條件下的SPI 膜水溶性和室溫下的差異較小，真空70 ℃條件下膜水溶性則比較低.在可食用蛋白膜作為方便食品中油料外包裝時，考慮到需要較好的水溶性，因此，比較幾種干燥條件，選擇水浴60℃和鼓風(fēng)60 ℃兩種較為合適.

圖4 不同干燥方式對SPI 膜水溶性的影響

2.6 傅里葉變換紅外光譜分析

取真空70 ℃、水浴60 ℃和室溫風(fēng)干3 種干燥條件下的SPI 膜，利用傅里葉變換紅外光譜對其分析，結(jié)果如圖5 所示.

圖5 不同SPI 膜的紅外掃描圖譜

由圖5 可看出，在3 400 cm-1左右可明顯觀察到吸收峰，該峰被認為是—OH 的延伸，室溫條件下更加尖銳，可能是因為室溫風(fēng)干干燥時間較長，分子間氫鍵結(jié)合得更充分.C＝O 的特征峰接近1 650 cm-1，分子重排使成膜后該峰相當(dāng)明顯，而水浴60 ℃下的峰更尖銳，可能此條件使得分子重排更加劇烈，成膜后蛋白空間結(jié)構(gòu)更完整緊湊[22].

2.7 掃描電鏡分析

對水浴60 ℃加熱條件和室溫風(fēng)干條件下的SPI 膜的橫截面進行掃描電鏡分析，由圖6 可看出，水浴60 ℃加熱條件下獲得的膜較為致密，室溫下的膜有較多的裂紋和破碎，可能是溫度的升高使蛋白質(zhì)分子以及各組分之間的運動更劇烈，交聯(lián)得更均勻，因此室溫下獲得的膜的TS 較小.由圖6 還可看出，水浴條件下的膜有較多的小孔，因此其WVP 比室溫下的要高一些.

圖6 室溫風(fēng)干條件（a）和水浴60 ℃加熱條件（b）下獲得的SPI 膜的橫截面的SEM（×2 000）

3 結(jié)論

水浴60 ℃加熱和真空70 ℃加熱的干燥條件下獲得的SPI 膜具有較好的機械性能，且抗拉強度優(yōu)于室溫風(fēng)干條件下的；3 種方式對SPI 膜的水蒸氣透過率影響差異不明顯；真空70 ℃條件下的SPI 膜具有較低的水溶性.以機械性能為最主要指標(biāo)，考慮到干燥時間以及能源問題，真空條件較難實施及成本較高，因此，干燥條件選擇水浴60 ℃加熱為最好.

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