甘油含量對(duì)玉米醇溶蛋白膜儲(chǔ)藏穩(wěn)定性的影響

崔和平，孫小紅，鄭 慧，崔會(huì)娟，郭麗敏，郭興鳳

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

0 引言

綠色環(huán)保材料的開(kāi)發(fā)是日前研究的熱點(diǎn).蛋白質(zhì)是天然的高分子化合物，以蛋白質(zhì)制得的膜材料可再生、無(wú)污染，而且具有可食性.玉米醇溶蛋白（zein）是玉米主要的儲(chǔ)藏蛋白，疏水性高，具有很強(qiáng)的耐熱性和耐脂性，腸溶性和抗氧化特點(diǎn)也比較顯著[1]，成膜性非常好.玉米醇溶蛋白特殊的分子形狀和結(jié)構(gòu)決定了其制得的膜材料透明、光滑，并且具有較強(qiáng)的保水性和保油性[2].玉米醇溶蛋白膜包裝油脂或者高含油的干果食品，還具有較好的抗氧化效果，因此是比較理想的可食性包裝材料.

純的玉米醇溶蛋白膜質(zhì)地較脆，增塑劑的加入可以有效改善膜的機(jī)械性能[3-4].多元醇類(lèi)作為增塑劑，能夠破壞蛋白質(zhì)分子間的相互作用，進(jìn)入蛋白網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)可以與水分子結(jié)合，弱化蛋白膜的強(qiáng)度[4-6]，蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用被蛋白質(zhì)-多元醇相互作用取代[7]，此時(shí)蛋白交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)疏松，蛋白膜剛度大大降低.甘油具有很好的增塑效果，并且安全無(wú)毒，是可食性蛋白膜理想的增塑劑[8].甘油具有較強(qiáng)的親水性，容易與水分子形成氫鍵.當(dāng)?shù)鞍啄ぶ懈视吞砑恿枯^高時(shí)，甘油會(huì)吸收環(huán)境中的水分，水分進(jìn)入蛋白膜中也會(huì)起到增塑的效果，此時(shí)膜的體積會(huì)發(fā)生一定程度的膨脹，更強(qiáng)烈地影響蛋白膜的機(jī)械性能[9].在蛋白膜的儲(chǔ)存過(guò)程中，甘油在不同的階段產(chǎn)生的作用不完全一致，可能會(huì)影響蛋白膜性能的穩(wěn)定性.蛋白膜的穩(wěn)定性差直接限制了其作為食品內(nèi)包裝的應(yīng)用，因此研究不同甘油添加量的蛋白膜的儲(chǔ)藏穩(wěn)定性有比較重要的意義.已有學(xué)者針對(duì)甘油對(duì)蛋白膜理化性質(zhì)的影響進(jìn)行了研究[10-11]，但是甘油對(duì)玉米醇溶蛋白膜穩(wěn)定性的影響研究較少.作者將玉米醇溶蛋白膜在3 個(gè)環(huán)境溫度水平下儲(chǔ)藏24 d，以膜的抗拉強(qiáng)度和斷裂延伸率為測(cè)定指標(biāo)，揭示其儲(chǔ)藏穩(wěn)定性的規(guī)律.

1 材料與方法

1.1 材料

玉米醇溶蛋白粉（蛋白質(zhì)含量91.2%，N×6.25）：南京都萊生物技術(shù)有限公司；無(wú)水乙醇：天津市天力化學(xué)試劑有限公司；丙三醇：天津市瑞金特化學(xué)品有限公司；碳酸鉀：天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司，均為分析純.

1.2 儀器與設(shè)備

AY-120 電子分析天平：日本島津天平制作所；81-2 型磁力攪拌器：上海市司樂(lè)儀器有限公司；HH-2 型電熱恒溫水浴鍋：金壇市華峰儀器有限公司；101 型電熱鼓風(fēng)干燥箱：北京市永光明醫(yī)療儀器廠；HZQ-F160 全溫振蕩培養(yǎng)箱：哈爾濱市東聯(lián)電子技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司；螺旋測(cè)微器（0.001 mm）：上海量具刃具廠；TA.XT2i 質(zhì)構(gòu)測(cè)定儀：英國(guó)SMS有限公司.

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 玉米醇溶蛋白膜的制備

稱(chēng)取5.32 g 的玉米醇溶蛋白粉3 份，分別置于55 mL 的75%乙醇溶液中.利用磁力攪拌器將蛋白溶液攪拌混合均勻，分別添加0.2、0.3、0.4 g/g（甘油與玉米醇溶蛋白質(zhì)量比）甘油作為增塑劑，繼續(xù)攪拌20 min，80 ℃恒溫水浴加熱15 min，接著攪拌15 min.然后取16 mL 蛋白液（蛋白質(zhì)含量為1.56 g）涂于成膜托盤(pán)（密胺材質(zhì)，涂膜面積130 mm×130 mm）上水浴加熱成膜，成膜溫度為70 ℃，2 h 后揭膜.

1.3.2 蛋白膜的儲(chǔ)藏

制備的玉米醇溶蛋白膜置于相對(duì)濕度為43%的干燥器中（干燥器內(nèi)置K2CO3飽和溶液），平衡72 h 后第一次測(cè)定膜的機(jī)械性能，儲(chǔ)藏環(huán)境和平衡環(huán)境一致，即濕度為43%，溫度設(shè)定為5 ℃、常溫和35 ℃.溫度的調(diào)節(jié)通過(guò)冰箱和恒溫生化培養(yǎng)箱實(shí)現(xiàn).玉米醇溶蛋白膜儲(chǔ)藏24 d，每6 d 測(cè)定一次機(jī)械性能.

1.3.3 蛋白膜的取樣及其厚度的測(cè)定

選取玉米醇溶蛋白膜光滑、均勻的部分，裁出10×50 mm 的樣品，對(duì)稱(chēng)選取8 個(gè)點(diǎn)測(cè)量厚度，取其平均值.

1.3.4 蛋白膜機(jī)械性能的測(cè)定

用物性?xún)x對(duì)膜樣進(jìn)行機(jī)械性能的測(cè)定.采用A/TG 探頭，設(shè)置有效拉伸長(zhǎng)度為30 mm，測(cè)試速率為1.0 mm/s，每個(gè)樣品平行測(cè)定3 次，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表示為：平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差，抗拉強(qiáng)度（TS）和斷裂延伸率（EB）的計(jì)算公式為：

式中：TS 為抗拉強(qiáng)度，MPa；F 為最大拉力，N；δ 為膜樣品的厚度，mm；W 為膜樣品的寬度，mm.

式中：EB 為斷裂延伸率，%；L0為膜拉伸前的有效長(zhǎng)度，mm，本試驗(yàn)中膜樣有效長(zhǎng)度為30 mm；L1為膜斷裂時(shí)拉伸的長(zhǎng)度，mm.

2 結(jié)果與分析

2.1 5 ℃儲(chǔ)藏的玉米醇溶蛋白膜的穩(wěn)定性

圖1 和圖2 表示了儲(chǔ)藏在5 ℃環(huán)境下不同甘油添加量的蛋白膜機(jī)械性能的變化情況.從應(yīng)用價(jià)值角度考慮，蛋白膜的斷裂延伸率應(yīng)較低.由于在蛋白膜的實(shí)際應(yīng)用中需要較好的延展性，斷裂延伸率較低的膜很難滿(mǎn)足這一條件.這與玉米醇溶蛋白本身的性質(zhì)有關(guān).純的玉米醇溶蛋白膜質(zhì)地很脆，所以通常使用復(fù)合增塑劑對(duì)其進(jìn)行改性.在本試驗(yàn)中，采用單一增塑劑甘油進(jìn)行改良，以避免多種增塑劑共混時(shí)的增效作用產(chǎn)生的影響，因此得到的蛋白膜斷裂延伸率小.從圖1 和圖2 總體上看，隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng)，玉米醇溶蛋白膜的抗拉強(qiáng)度呈先上升后下降趨勢(shì)，而斷裂延伸率呈先下降后上升趨勢(shì).綜合分析，5 ℃的儲(chǔ)藏環(huán)境下甘油添加量為0.2 g/g 的膜機(jī)械性能比較穩(wěn)定.

圖1 5 ℃儲(chǔ)藏時(shí)不同甘油含量的膜的抗拉強(qiáng)度

圖2 5 ℃儲(chǔ)藏時(shí)不同甘油含量的膜的斷裂延伸率

在儲(chǔ)藏的過(guò)程中，蛋白膜內(nèi)部的大分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)重組，在分子內(nèi)以及分子間形成了更多的相互作用[8].蛋白質(zhì)中部分未反應(yīng)的巰基在儲(chǔ)藏過(guò)程中很容易發(fā)生氧化，生成二硫鍵，增加了分子交聯(lián)[12].這很可能導(dǎo)致蛋白膜的強(qiáng)度增大.同時(shí)，膜中的甘油在儲(chǔ)藏期間會(huì)發(fā)生分子遷移，由填充于蛋白質(zhì)大分子之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)而游離析出于蛋白膜的表面，這也會(huì)促使蛋白質(zhì)之間的交聯(lián)[8，13].儲(chǔ)藏后期，蛋白膜的斷裂延伸率轉(zhuǎn)而遞增，與Orliac 等[8]對(duì)葵花籽蛋白膜的研究結(jié)果一致，這種現(xiàn)象可能與蛋白結(jié)構(gòu)的無(wú)序性增大有關(guān)系[14].Caner 等[15]和Artharn 等[16]對(duì)可食性膜的穩(wěn)定性研究，發(fā)現(xiàn)膜的斷裂延伸率隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng)呈單調(diào)遞減的趨勢(shì)，這很可能與制備可食性膜的材料種類(lèi)或者蛋白質(zhì)種類(lèi)有關(guān)，不同的材料由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，在儲(chǔ)藏過(guò)程中鍵合作用變化的位置和速率也不同，從根本上導(dǎo)致膜在儲(chǔ)藏期機(jī)械性能變化規(guī)律的差異.與甘油添加量為0.2 g/g 和0.3 g/g 的蛋白膜相比，添加0.4 g/g 甘油的蛋白膜沒(méi)有經(jīng)歷抗拉強(qiáng)度提高的階段，而是直接下降進(jìn)而保持穩(wěn)定，說(shuō)明在低溫儲(chǔ)藏環(huán)境下較高濃度的甘油可以有效抑制蛋白膜在儲(chǔ)藏期分子間的交聯(lián)，這可能與其增塑機(jī)制有關(guān).

2.2 常溫儲(chǔ)藏的玉米醇溶蛋白膜的穩(wěn)定性

常溫儲(chǔ)藏的不同甘油含量的玉米醇溶蛋白膜的機(jī)械性能如圖3 和圖4 所示.

圖3 常溫儲(chǔ)藏時(shí)不同甘油含量的膜的抗拉強(qiáng)度

圖4 常溫儲(chǔ)藏時(shí)不同甘油含量的膜的斷裂延伸率

在儲(chǔ)藏初期，甘油含量越高，膜的抗拉強(qiáng)度越小，這與Gillgren[17]和Lim[10]的研究結(jié)論一致.在整個(gè)儲(chǔ)藏的過(guò)程中，蛋白膜抗拉強(qiáng)度先增大后減小，斷裂延伸率先減小后增加.在常溫儲(chǔ)藏的膜中，甘油含量0.3 g/g 的蛋白膜機(jī)械性能的穩(wěn)定性最強(qiáng).正如2.1 所述，儲(chǔ)藏過(guò)程中蛋白質(zhì)的構(gòu)象會(huì)發(fā)生變化，蛋白膜的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)得到改善，會(huì)使膜的抗拉強(qiáng)度上升，斷裂延伸率下降[18].甘油能夠破壞蛋白質(zhì)分子的交聯(lián)，從而嵌入蛋白基質(zhì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，這對(duì)于儲(chǔ)藏期蛋白質(zhì)的整合、新的鍵合作用形成產(chǎn)生抑制作用.甘油的添加量越大，抑制作用越顯著.因此從抗拉強(qiáng)度來(lái)看，低甘油含量的蛋白膜儲(chǔ)藏穩(wěn)定性不佳.當(dāng)?shù)鞍啄ぶ懈视吞砑恿窟^(guò)高時(shí)，甘油會(huì)吸收環(huán)境中較多的水分，水分進(jìn)入蛋白膜中也會(huì)起到增塑的效果，此時(shí)膜的體積還會(huì)發(fā)生一定程度的膨脹[9].這可能是甘油含量為0.4 g/g 的蛋白膜性能的穩(wěn)定性不如含量為0.3 g/g 的一個(gè)原因.試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，甘油添加量為0.4 g/g 的蛋白膜在儲(chǔ)藏過(guò)程中發(fā)生較嚴(yán)重的甘油析出現(xiàn)象，這與Orliac[8]和Mojumdar 等[7]的研究結(jié)果一致，Mojumdar 等隨后對(duì)高含甘油的蛋白膜的熱學(xué)穩(wěn)定性進(jìn)行的試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)甘油添加量較高的蛋白膜中存在大量的甘油-甘油相互作用，甘油分子聚集成為獨(dú)立于蛋白膜的液相，這一過(guò)程經(jīng)歷了玻璃化轉(zhuǎn)變，膜的機(jī)械性能及其穩(wěn)定性隨即發(fā)生較大的變化[7].Orliac等[8]也通過(guò)研究得到隨著儲(chǔ)存時(shí)間延長(zhǎng)，增塑劑與蛋白質(zhì)的相互作用減弱的結(jié)論.另外，本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)低溫儲(chǔ)藏能夠明顯抑制蛋白膜中甘油析出的現(xiàn)象.與5 ℃的儲(chǔ)藏環(huán)境相比，常溫環(huán)境下甘油與水的融合會(huì)更加充分，膜的返潮現(xiàn)象則越嚴(yán)重，特別在高甘油添加量的條件下.

2.3 35 ℃儲(chǔ)藏的玉米醇溶蛋白膜的穩(wěn)定性

35 ℃環(huán)境下儲(chǔ)藏的玉米醇溶蛋白膜的機(jī)械性能如圖5 和圖6 所示.

圖5 35 ℃儲(chǔ)藏時(shí)不同甘油含量的膜的抗拉強(qiáng)度

圖6 35 ℃儲(chǔ)藏時(shí)不同甘油含量的膜的斷裂延伸率

隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng)，蛋白膜的抗拉強(qiáng)度和斷裂延伸率總體上分別呈先增后減和先減后增的趨勢(shì)；高溫環(huán)境中含有0.3 g/g 甘油的蛋白膜性能比較穩(wěn)定.從圖5 可知，甘油的加入并不像低溫和常溫儲(chǔ)藏時(shí)表現(xiàn)出通過(guò)對(duì)蛋白質(zhì)分子交聯(lián)的抑制來(lái)增加膜的穩(wěn)定性，而是使膜的抗拉強(qiáng)度發(fā)生大幅波動(dòng).這可能是由于較高的環(huán)境溫度更容易促進(jìn)了分子遷移，加速了甘油的析出，從而導(dǎo)致甘油含量為0.4 g/g 的蛋白膜抗拉強(qiáng)度的變化最大.從圖6 可知，與低溫和常溫儲(chǔ)藏相比，35 ℃儲(chǔ)藏的蛋白膜儲(chǔ)藏后期斷裂延伸率急劇上升.甘油的添加大幅降低了玉米醇溶蛋白膜的玻璃轉(zhuǎn)化溫度Tg[11]，Tg越低，蛋白膜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越難以維持，蛋白膜越容易經(jīng)歷由大分子網(wǎng)絡(luò)的致密到交聯(lián)作用的瓦解，穩(wěn)定性降低[19].高溫環(huán)境下甘油從膜內(nèi)部析出顯著，也使得蛋白膜在儲(chǔ)藏后期更容易發(fā)生玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化[7].

對(duì)于相同制備工藝得到的蛋白膜，儲(chǔ)藏溫度較高時(shí)，膜的抗拉強(qiáng)度總體較大，而斷裂延伸率相反.這與Stuchell 等[20]對(duì)大豆分離蛋白膜的研究結(jié)果相同.環(huán)境溫度高，分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)加劇，新的二硫鍵也更容易形成，抗拉強(qiáng)度提高.本試驗(yàn)中隨著儲(chǔ)藏溫度的升高，蛋白膜的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值的時(shí)間延長(zhǎng)，也可以佐證這一觀點(diǎn).此外，在儲(chǔ)藏后期玉米醇溶蛋白膜抗拉強(qiáng)度逐漸下降的階段，常溫儲(chǔ)藏的蛋白膜抗拉強(qiáng)度減小幅度最小，甚至出現(xiàn)短暫的回升，這可能是因?yàn)閮?chǔ)藏過(guò)程中膜內(nèi)的甘油析出損失，提高了膜的剛性[8].低溫儲(chǔ)藏能夠明顯抑制甘油分子的遷移、析出，而高溫儲(chǔ)藏雖然促進(jìn)了甘油與蛋白質(zhì)分子的分離但是也促使環(huán)境中的水分進(jìn)入膜的內(nèi)部，充當(dāng)了增塑劑的角色，因此抗拉強(qiáng)度降低的幅度較大[9，13].不同的儲(chǔ)藏溫度下，蛋白膜的穩(wěn)定性大小同樣有較大的區(qū)別.表1 列出了在蛋白膜的儲(chǔ)藏過(guò)程中抗拉強(qiáng)度和斷裂延伸率最大值與最小值的差，差值越大則表明蛋白膜機(jī)械性能的變化幅度越大，儲(chǔ)藏穩(wěn)定性越差.如表1 所示，甘油含量為0.2 g/g 的蛋白膜在5 ℃儲(chǔ)藏時(shí)抗拉強(qiáng)度最穩(wěn)定，常溫儲(chǔ)藏次之，35 ℃儲(chǔ)藏最不穩(wěn)定；其余蛋白膜的機(jī)械性能均在常溫下最穩(wěn)定，5 ℃儲(chǔ)藏比常溫略差，35 ℃儲(chǔ)藏時(shí)很不穩(wěn)定.低溫儲(chǔ)藏蛋白膜時(shí)蛋白質(zhì)分子的運(yùn)動(dòng)緩慢，構(gòu)象不易發(fā)生變化，表現(xiàn)出較高的儲(chǔ)藏穩(wěn)定性[14].而在常溫下蛋白膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到整合，更多二硫鍵的形成增強(qiáng)了分子的交聯(lián)程度，進(jìn)而也可能對(duì)提高膜的儲(chǔ)藏穩(wěn)定性有一定利處[21].

表1 不同儲(chǔ)藏溫度下蛋白膜抗拉強(qiáng)度與斷裂延伸率的最大值最小值之差

3 結(jié)論

添加不同含量甘油的玉米醇溶蛋白膜在不同環(huán)境溫度下儲(chǔ)藏穩(wěn)定性不盡相同.一般情況下，隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng)，蛋白膜的抗拉強(qiáng)度和斷裂延伸率分別呈先增后減和先減后增的趨勢(shì).綜合考慮，5 ℃的儲(chǔ)藏溫度下甘油含量為0.2 g/g 的蛋白膜機(jī)械性能的穩(wěn)定性較好，常溫儲(chǔ)藏和35 ℃環(huán)境下儲(chǔ)藏時(shí)甘油含量為0.3 g/g 的蛋白膜機(jī)械性能的穩(wěn)定性較好.儲(chǔ)藏溫度越高，玉米醇溶蛋白膜的抗拉強(qiáng)度越大，而斷裂延伸率越小.與低溫和常溫儲(chǔ)藏相比，35 ℃儲(chǔ)藏的蛋白膜儲(chǔ)藏后期機(jī)械性能發(fā)生急劇變化.常溫環(huán)境儲(chǔ)藏玉米醇溶蛋白膜穩(wěn)定性最佳.此外，甘油含量對(duì)蛋白膜穩(wěn)定性的影響作用與蛋白膜水分之間的關(guān)系不甚明了，添加甘油的玉米醇溶蛋白膜在儲(chǔ)藏過(guò)程中的熱穩(wěn)定也有待進(jìn)一步研究.僅使用甘油作增塑劑制備的玉米醇溶蛋白膜斷裂延伸率較低，不適用于食品內(nèi)包裝材料，可以考慮作為可降解材料在手提袋等用品方面應(yīng)用.

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