超聲改性對(duì)可食性殼聚糖-大豆分離蛋白復(fù)合膜的影響

梁 棟，張華江，王 旭，王勝男，李 亮，魏春麗，孟靈楠

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150030）

可食性膜是以天然可食性物質(zhì)（蛋白質(zhì)、多糖、纖維素及衍生物等）為原料，通過(guò)不同分子間相互作用形成的具有多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的薄膜?？墒承阅さ膶?shí)用性能與合成塑料包裝膜基本一樣，更有合成塑料無(wú)法比擬的優(yōu)越性，它的阻水性、透氣性和可降解性等性能受到了越來(lái)越多人的青睞［1］。大豆分離蛋白作為一種優(yōu)良的可再生資源而被廣泛用做制取可食性膜的材料，殼聚糖是蝦、蟹、昆蟲(chóng)等甲殼的提取物，也被用來(lái)制取果蔬類保鮮膜的原料［2］，用大豆分離蛋白和殼聚糖為原料制成的膜利用了各組分的長(zhǎng)處［3］，使膜的綜合性能得到了很大的改善。目前對(duì)可食性膜的研究主要集中在以下幾個(gè)方面:膜成分的研究;復(fù)合膜的研究;膜增塑的研究;物理、化學(xué)改性的研究等［4－5］。超聲波能對(duì)介質(zhì)產(chǎn)生空穴作用、機(jī)械作用和超混合效應(yīng)等，能促使介質(zhì)化學(xué)鍵的斷裂、形成和暴露更多的反應(yīng)中心，從而加速反應(yīng)進(jìn)行。經(jīng)過(guò)超聲處理后，制成的膜內(nèi)部形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更為緊致，增加膜的機(jī)械強(qiáng)度，改善其阻隔性能等［6－7］。

本實(shí)驗(yàn)著重對(duì)殼聚糖－大豆分離蛋白復(fù)合膜的超聲改性進(jìn)行研究，得到了在膜的綜合性能最佳的情況下超聲處理的最佳工藝參數(shù)。為今后的研究提供了可行性研究及參考，對(duì)大豆蛋白膜的綜合利用以及新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供了基礎(chǔ)研究資料。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

殼聚糖;大豆分離蛋白 哈爾濱高新技術(shù);甘油、95%乙醇 均為國(guó)產(chǎn)分析純。

DHG－9240A鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒;TA－XT質(zhì)構(gòu)儀 天津市普博科技;JJ－1電子精密增力攪拌器金壇市佳美儀器有限公司;HH－2型數(shù)顯恒溫水浴鍋天津泰斯特有限公司;電子天平 上海醫(yī)用激光儀器廠;JY92－Ⅱ超聲波細(xì)胞粉碎機(jī) 寧波新芝生物科技股份有限公司;PARAM CHY－C2測(cè)厚儀 濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司;酸度計(jì) 上海藍(lán)化科技有限公司;自制亞克力成膜板槽;循環(huán)水真空泵SHZ－DIII 鞏義市予華儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 工藝流程 加入3g大豆分離蛋白→加入100mL水?dāng)嚢枞芙狻尤?.5g殼聚糖→加入5mL乙醇→調(diào)節(jié)pH至8→90℃水浴加熱10min→加入2g甘油→水浴攪拌30min→超聲處理→靜置到室溫→真空抽濾→倒板→60℃鼓風(fēng)干燥箱干燥8h→放置24h→回軟揭膜→性能測(cè)試

1.2.2 厚度測(cè)定 參照GB－T 6672－2001用厚度測(cè)厚儀測(cè)定膜的厚度。

1.2.3 拉伸強(qiáng)度（TS）和斷裂伸長(zhǎng)率（E）的測(cè)定 將膜剪切成長(zhǎng)20cm，寬2cm的膜做樣品，然后放在質(zhì)構(gòu)儀上測(cè)定其力學(xué)性能（拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率）。拉伸速度為50mm/min，每個(gè)材料樣品做三個(gè)平行實(shí)驗(yàn)。分別按下面公式計(jì)算拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率，求其平均值。

式中:L1－試樣斷裂時(shí)膜長(zhǎng);L0－膜原長(zhǎng)（mm）;F－試樣斷裂時(shí)承受的最大拉力（N）;S－式樣的截面積（m2）。

1.2.4 吸水性測(cè)定 參照GB－1034－70進(jìn)行測(cè)試。

1.2.5 物理性能模糊綜合評(píng)價(jià)方法 在本實(shí)驗(yàn)中需要綜合考慮多個(gè)物理性能指標(biāo)來(lái)對(duì)大豆分離蛋白和殼聚糖復(fù)合膜的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，所以在此采用了模糊綜合評(píng)價(jià)法，即通過(guò)引入隸屬度函數(shù)［8］

式中X（u）－待分析點(diǎn)的隸屬度函數(shù)值;Xi－待分析點(diǎn)的數(shù)據(jù)值;Xmax－待分析點(diǎn)所在數(shù)據(jù)列的最大值;Xmin－待分析點(diǎn)所在數(shù)據(jù)列的最小值;

將膜的多個(gè)性能指標(biāo)經(jīng)過(guò)模糊變換成綜合評(píng)價(jià)的累加加權(quán)得到的隸屬度值∑X（u）·Y做為膜的綜合評(píng)分k值，即k=∑X（u）·Y，它能表示含有多個(gè)物理指標(biāo)的膜的整體、綜合性能。本實(shí)驗(yàn)中需要考慮膜的機(jī)械性能有抗拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和吸水性?？紤]抗拉伸強(qiáng)度（TS）、斷裂伸長(zhǎng)率（E）和吸水性的重要程度，確定綜合評(píng)價(jià)的權(quán)重子集Y分別為{0.6，0.3，0.1}。即待分析點(diǎn)的綜合評(píng)價(jià)累加加權(quán)隸屬度值∑X（u）×Y=K=X（u）（拉伸強(qiáng)度）×0.6+X（u）（斷裂伸長(zhǎng)率）×0.3+X（u）（吸水率）×0.1。

1.2.6 超聲處理?xiàng)l件研究 針對(duì)影響超聲改性的超聲時(shí)間、超聲功率、超聲溫度三個(gè)因素，保持兩個(gè)因素不變，改變另一個(gè)因素水平進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)。單因素實(shí)驗(yàn)的因素水平如下:超聲時(shí)間分別采用:10、15、20、25、30min;超聲功率分別采用:10、20、30、40、50W;超聲溫度分別采用:30、40、50、60、70℃。即當(dāng)超聲時(shí)間為20min、超聲功率為30W時(shí)，超聲溫度取值為30、40、50、60、70℃;當(dāng)超聲功率為 30W、超聲溫度為50℃時(shí)，超聲時(shí)間取值為 10、15、20、25、30min;當(dāng)超聲時(shí)間為20min、超聲溫度為50℃時(shí)，超聲功率的取值為10、20、30、40、50W。以未超聲改性處理的膜做空白對(duì)照組。

在單因素的基礎(chǔ)上，采用3因素3水平進(jìn)行響應(yīng)面設(shè)計(jì)。以超聲時(shí)間（X1）、超聲功率（X2）、超聲溫度（X3）為自變量，膜的綜合性能評(píng)分K值為響應(yīng)值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。因素水平編碼如表1。

表1 因素水平編碼表Table 1 Factor level encoding table

1.3 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Origin8.5以及Design－expert7.05軟件進(jìn)行處理

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲處理單因素實(shí)驗(yàn)

圖1所示，經(jīng)過(guò)超聲波處理后的膜，抗拉強(qiáng)度有很大的提高，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。超聲處理能夠增強(qiáng)膜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而提高了抗拉強(qiáng)度。其原因可能是超聲波處理的空化作用和超混合效應(yīng)使分子中的一些化學(xué)鍵斷裂，粒子大小降低，使很多反應(yīng)基團(tuán)暴露出來(lái)，利于分子間的相互作用，同時(shí)空穴效應(yīng)產(chǎn)生巨大的爆發(fā)力和沖擊力，對(duì)分子產(chǎn)生高溫高壓作用，使分子間的相互作用更加迅速有序，這必然使膜更加堅(jiān)韌，使膜的抗拉強(qiáng)度增大。隨著功率增大到一定值時(shí)，抗拉強(qiáng)度反而下降，可能是隨著大量的化學(xué)鍵的斷裂，很難再形成致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時(shí)空穴效應(yīng)的高溫高壓作用，生成高度反應(yīng)性自由基，引發(fā)一系列的其他化學(xué)反應(yīng)，雜亂的相互作用使淀粉分子之間難以形成有序的結(jié)構(gòu)，從而使拉伸強(qiáng)度降低［9］。

圖1 超聲功率對(duì)膜的機(jī)械性能的影響Fig.1 Ultrasonic power on the mechanical properties of the membrane

另外，經(jīng)過(guò)超聲處理，膜的斷裂伸長(zhǎng)率有所降低，隨著功率的逐漸增加，斷裂伸長(zhǎng)率先減小后增大。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，伸長(zhǎng)率呈下降趨勢(shì)，這是由于超聲波加速了水分子、蛋白質(zhì)分子、殼聚糖分子之間的摩擦，引起一些化學(xué)鍵的裂解。另一方面，空化效應(yīng)產(chǎn)生的高溫高壓使分子鏈斷裂，最終引起大分子鏈降解。超聲處理增加了分子間有序相互作用，形成致密的膜基質(zhì)，所以柔韌性下降，伸長(zhǎng)率減?。?0］。

如圖2所示，隨著超聲處理時(shí)間的延長(zhǎng)，膜的拉伸強(qiáng)度呈增加的趨勢(shì)，但是延長(zhǎng)到25min后，增加程度不太明顯。斷裂伸長(zhǎng)率隨著時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)［11］。

圖2 超聲時(shí)間對(duì)膜的機(jī)械性能的影響Fig.2 Ultrasonic time on the mechanical properties of the film

圖3所示，溫度對(duì)膜的影響與功率相似，隨著溫度的升高，各種分子之間的相互碰撞、摩擦幾率增加，促進(jìn)分子間的相互作用，使分子之間的反應(yīng)更加迅速和徹底。分子之間的相互作用增強(qiáng)使抗拉伸強(qiáng)度增強(qiáng)［12］。但是，當(dāng)溫度逐漸升高時(shí)，蛋白質(zhì)容易變性。

圖3 超聲溫度對(duì)膜的機(jī)械性能的影響Fig.3 Ultrasonic temperature on the mechanical properties of the film

超聲處理對(duì)膜的吸水性的影響趨勢(shì)大致和對(duì)伸長(zhǎng)率的影響一樣。大豆分離蛋白的親水性主要依賴位于球蛋白結(jié)構(gòu)表面的－NH2和COO－，隨著超聲功率的增大，隱藏在分子內(nèi)部的疏水基團(tuán)－CH3、CH5、－H等逐漸暴露，吸水性有所下降［13］。

2.2 超聲處理工藝優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

采用響應(yīng)面分析法［14］進(jìn)行工藝優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理采用軟件Design－Expert來(lái)完成。以膜的綜合評(píng)分K值為響應(yīng)值，選擇A時(shí)間（min）、B功率（W）和C溫度（℃）為影響因素，響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Experimental design and results

利用Design－Expert軟件對(duì)表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，獲得膜的綜合評(píng)分 K值對(duì)時(shí)間A（min）、功率B（W）和溫度C（℃）的二次多項(xiàng)回歸模型方程為:

R=0.90－0.00875A－0.015B－0.00625C－0.005AB+0.018AC+0.00001BC－0.018A2－0.046B2－0.038C2

采用Design－Expert軟件對(duì)膜的綜合評(píng)分K模型方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知，方程因變量與自變量之間的線性關(guān)系明顯。通過(guò)顯著性分析可以得到，該模型回歸顯著（p=0.0005），失擬項(xiàng)不顯著（p=0.1889＞0.05），并且該模型中R2=95.89%=90.61%，說(shuō)明方程因變量與自變量之間的線性關(guān)系明顯，該模型與實(shí)驗(yàn)擬合良好，自變量與響應(yīng)值之間線性關(guān)系顯著，可以用于該反應(yīng)的理論推測(cè)。由F檢驗(yàn)可以得到因子貢獻(xiàn)率為:B＞A＞C，即超聲功率＞超聲時(shí)間＞超聲溫度。各因素交互作用對(duì)膜的綜合評(píng)分K值影響的響應(yīng)面圖見(jiàn)圖4。

應(yīng)用響應(yīng)面分析優(yōu)化方法對(duì)回歸模型進(jìn)行分析，得到了影響超聲處理優(yōu)化工藝的最佳工藝條件為超聲溫度58.82℃，超聲功率28.52W，超聲時(shí)間23.54min，在此條件下，復(fù)合膜的綜合評(píng)分K的最大值為0.91。

為了驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，在超聲溫度59℃，超聲功率為29W，超聲時(shí)間24min條件下，進(jìn)行3次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，取平均值得到復(fù)合膜的綜合評(píng)分為0.90，與模型預(yù)測(cè)值0.91較接近，說(shuō)明響應(yīng)值的實(shí)驗(yàn)值與回歸方程預(yù)測(cè)值吻合良好，此時(shí)，對(duì)應(yīng)的復(fù)合膜的抗拉伸強(qiáng)度（TS）為3652N/m2，斷裂伸長(zhǎng)率為28.7%。未經(jīng)超聲改性的膜的抗拉伸強(qiáng)度為2856N/m2，斷裂伸長(zhǎng)率為20.3%。經(jīng)超聲處理后，抗拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率都得到了很大的提高。最終確定超聲改性的最佳優(yōu)化條件為:超聲溫度59℃，功率29W，時(shí)間24min。

表3 回歸方程的方差分析結(jié)果Table 3 ANOVA results of regression equation

圖4 各因素交互作用對(duì)膜綜合評(píng)分K值影響的響應(yīng)面圖Fig.4 Influence of various interactions on the membrane composite score k values

3 結(jié)論

本研究通過(guò)研究超聲改性的方法對(duì)大豆分離蛋白－殼聚糖復(fù)合膜的影響，利用響應(yīng)面分析的方法得到了超聲處理的最佳工藝參數(shù):超聲溫度59℃，功率29W，時(shí)間24min，此時(shí)，膜的綜合評(píng)分的最大值為0.90。對(duì)應(yīng)的復(fù)合膜的抗拉伸強(qiáng)度（TS）為3652N/m2，斷裂伸長(zhǎng)率為28.7%。改性后，可食性殼聚糖－大豆分離蛋白復(fù)合膜的綜合性能得到了極大的改善，為以后的研究奠定了一定的基礎(chǔ)。

［1］張華江，遲玉杰，穆瑩.可降解大豆分離蛋白復(fù)合薄膜制備技術(shù)的研究［J］.中國(guó)糧油學(xué)報(bào)，2009，24（8）:32－36.

［2］吉偉之，張峻，熊何建，等.殼聚糖成膜特性的研究［J］.食品科學(xué)，2001（9）:33－35.

［3］孫秀秀，馬中蘇.大豆分離蛋白/殼聚糖可食膜的制備及其性能的研究［J］.中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)，2009，11（6）:80－85.

［4］張濤，魏安池，劉若瑜.大豆蛋白改性技術(shù)研究進(jìn)展［J］.糧油食品科技，2011（5）:7－10.

［5］陳復(fù)生，侯紅江，程小麗，等.復(fù)合增塑劑對(duì)大豆分離蛋白可生物降解材料性能影響的研究［J］.食品工程，2010（3）:94－98.

［6］楊會(huì)麗，馬海樂(lè).超聲波對(duì)大豆分離蛋白物理改性的研究［J］.中國(guó)釀造，2009，5:24－27.

［7］宋臻善，熊犍.超聲輻射對(duì)大豆分離蛋白膜性能的影響［J］.食品工業(yè)科技，2007（5）:94－97.

［8］賈云芝，陳志周.還原劑對(duì)大豆蛋白/聚乙烯醇復(fù)合薄膜性能的影響［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（5）:312－316.

［9］孫，孫春玉，陳光，等.不同功率超聲波處理對(duì)大豆分離蛋白膜性能和結(jié)構(gòu)的影響［J］.吉林農(nóng)業(yè)大報(bào)，2010，32（6）:693－696.

［10］Wang zhe，Sun xiuxiu，Lian zixuan.The effects of ultrasonic/microwave assisted treatment on the properties of soy protein isolate/microcrystalline wheat－ bran cellulose film［J］.Journal of Food Engineering，2013，64:183－191.

［11］任紅，楊洋，韋小英.超聲波強(qiáng)化大豆分離蛋白膜性能的研究［J］.現(xiàn)代食品科，2006，11（2）:101－103.

［12］Ren hong，Yang yang，Wei xiaoiying.Study on the properties of soy protein isolate films with ultrasonically enhanced［J］.Modern Food Science and Technology，2006，22（2）:101－103.

［13］Sun chunyu，Chen guang.The impact of properties and structures with different power ultrasonic treatment on soy protein isolate film［J］.Jilin Agricultural University of science，2010，32（6）:693－696.

［14］吳瓊，陳麗娜，代永剛.響應(yīng)面優(yōu)化轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶改性大豆分離蛋白工藝［J］.食品科學(xué)，2011，32（4）:7－10.