檸檬酸鈉對殼聚糖/大豆分離蛋白復(fù)合膜性能的影響

關(guān)　曼,謝　晶,薛　斌,江海云,邵則淮,孫　濤

(上海海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306)

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檸檬酸鈉對殼聚糖/大豆分離蛋白復(fù)合膜性能的影響

關(guān)曼,謝晶,薛斌,江海云,邵則淮,孫濤*

(上海海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306)

以檸檬酸鈉作為交聯(lián)劑,制備殼聚糖/大豆分離蛋白復(fù)合膜。通過紅外光譜表征了其結(jié)構(gòu),研究了檸檬酸鈉添加量對殼聚糖/大豆分離蛋白復(fù)合膜機(jī)械性能、水蒸氣阻隔性能和抗氧化性能的影響。結(jié)果表明:檸檬酸鈉增強(qiáng)了復(fù)合膜分子間的相互作用,改善復(fù)合膜機(jī)械性能。當(dāng)檸檬酸鈉的添加量為0.03%(w/v)時,增強(qiáng)了復(fù)合膜水蒸氣阻隔性能,降低了復(fù)合膜的水溶性,提高復(fù)合膜的抗氧化性,復(fù)合膜DPPH自由基清除率提高至未添加組的1.72倍。

殼聚糖,大豆分離蛋白,檸檬酸鈉,機(jī)械性能,抗氧化性能

1　材料和方法

1.1材料與儀器

殼聚糖(CS)脫乙酰度90%浙江金殼藥業(yè)有限公司;大豆分離蛋白(SPI)食品級河北百味生物科技有限公司;冰醋酸、丙三醇、檸檬酸鈉、無水氯化鈣和無水乙醇均為分析純購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

FTIR-650傅里葉變換紅外光譜儀天津港東科技發(fā)展股份有限公司;數(shù)顯卡尺上海量具刃具廠有限公司;DCP-KZ300型電腦測控抗張實驗機(jī)四川長江造紙儀器有限責(zé)任公司;UV-2000型紫外分光光度計上海龍尼柯儀器有限公司;HHS型電熱恒溫水浴鍋上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;恒溫磁力攪拌器上海雷磁新涇儀器有限公司。

1.2殼聚糖/大豆分離蛋白復(fù)合包裝膜的制備

將殼聚糖溶于1%(v/v)的冰醋酸溶液中,制得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%(w/v)的殼聚糖溶液;將大豆分離蛋白溶于去離子水中制得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的大豆分離蛋白溶液。將殼聚糖和大豆分離蛋白溶液按質(zhì)量比4∶1的比例混合,然后分別加入1%(v/v)的丙三醇及不同質(zhì)量的檸檬酸鈉,檸檬酸鈉的添加量分別為成膜液的0%、0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%(w/v),磁力攪拌至完全溶解,靜置消泡后,取80 mL膜液均勻鋪展于干燥潔凈的有機(jī)玻璃板(20 cm×30 cm)上,自然干燥后揭膜,保存于相對濕度(RH)為53%(用飽和硝酸鎂溶液保持)的干燥器內(nèi)備用。

1.3紅外光譜(FT-TR)

將干燥處理后的殼聚糖膜、大豆分離蛋白膜、未交聯(lián)復(fù)合膜和交聯(lián)復(fù)合膜碎片1～2 mg,分別與100～150 mg溴化鉀充分研磨后壓片,盡量使薄片透明[17]。用FTTR-650型傅立葉紅外光譜儀將樣品在500～4000 cm-1波長范圍內(nèi)掃描8次,將分辨率設(shè)為2 cm-1,記錄各樣品的紅外光譜圖。

1.4復(fù)合膜性能測定方法

1.4.1膜厚的測定采用接觸測量法,用電子數(shù)顯卡尺在被測膜上隨機(jī)取6點測定膜厚(d),取平均值,單位為mm。

1.4.2機(jī)械性能抗拉強(qiáng)度(Tensile strength,TS)表征試樣能承受的最大拉伸應(yīng)力,斷裂伸長率(Elongation at break,EB),即膜斷裂時長度的變化率。測試方法按照GB 13022-9l《塑料、薄膜拉伸性能實驗方法》,采用長條型試樣,試樣寬度15 mm,標(biāo)距150 mm,實驗速度150 mm/min,在室溫條件下測定,每組膜測定6次。

抗拉強(qiáng)度(TS/MPa)的計算公式如下:

TS=F/A

式中:F-試樣斷裂時承受的最大張力,N;A-實驗前試樣的橫截面積,mm2。

斷裂伸長率的計算公式如下:

EB(%)=(L-L0)/L0×100

式中:L0-膜樣測試前的長度,mm;L-膜樣在斷裂時的長度,mm。

1.4.3水溶性將膜切成20 mm×20 mm的正方形,在干燥器中干燥至恒重后稱重(m1),然后加入100 mL蒸餾水中,于室溫下溶解12 h,再將膜在60 ℃的條件下干燥至恒重后稱重(m2),根據(jù)膜質(zhì)量變化計算水溶性[18]。按下式計算水溶性:

水溶性(%)=[(m1-m2)/m1]×100

1.4.4水蒸氣透過系數(shù)根據(jù)GB-1037-70,采用擬杯子法[19],選取直徑為25 mm×40 mm的稱量瓶,內(nèi)裝3 g充分粉碎研細(xì)的無水氯化鈣,稱量瓶口用待測莫覆蓋密封,將稱量瓶放置于底部有一定蒸餾水的干燥器中,使試樣兩側(cè)保持一定的蒸汽壓差,每24 h稱量杯子的質(zhì)量變化,持續(xù)一周(168 h)。水蒸氣透過系數(shù)(Water vapor permeability,WVP)計算公式:

WVP=(q·d)/(t·S·ΔP)

式中:WVP-水蒸氣透過系數(shù),g·mm/(h·m2·kPa);q/t-單位時間內(nèi)透濕杯增加重量的算術(shù)平均值,g/h;d-樣品膜厚度,mm;S-樣品膜實驗面積,m2;ΔP-試樣兩側(cè)的蒸氣壓差,kPa。

1.4.5透光率在WFZ UV-2000型紫外分光光度計650 nm波長下測定樣品的透光率。

1.4.6膜抗氧化性能復(fù)合膜的抗氧化性測定參照文獻(xiàn)[20]的方法。將0.5 g膜樣品放入裝有30 mL蒸餾水的燒杯中,浸泡24 h后,得到復(fù)合膜浸泡液。將將1 mL 濃度為10-3mol/L的DPPH乙醇溶液與3 mL復(fù)合膜浸泡液混合。將混合液放入暗室反應(yīng)30 min,然后用WFZ UV-2000型紫外分光光度計在517 nm處測定混合液的吸光度。每個樣品做3次平行實驗,結(jié)果取平均值。

DPPH自由基清除率的計算公式如下:

DPPH自由基清除率(%)=(1-As/ADPPH)×100

式中:ADPPH-在517 nm處DPPH乙醇溶液的吸光度;As-在517 nm 處復(fù)合膜浸泡液和DPPH乙醇溶混合液的吸光度。

1.5數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

實驗重復(fù)3次,每次測3個平行樣品;使用SPSS17.0軟件對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到的結(jié)果表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差;Duncan’s多重比較評估同組實驗均值間的差異性,置信區(qū)間為95%;使用Origin 8.0軟件作圖。

2　結(jié)果與分析

2.1傅里葉紅外光譜分析

紅外光譜因其能靈敏地檢測出各組分間的相互作用(尤其是氫鍵作用),被廣泛應(yīng)用于共混物間相容性的表征。圖1為純殼聚糖膜、純大豆分離蛋白膜、殼聚糖/大豆分離蛋白膜及檸檬酸鈉交聯(lián)殼聚糖/大豆分離蛋白膜的紅外光譜圖。在交聯(lián)復(fù)合膜中3427 cm-1為O-H伸縮振動吸收峰和N-H伸縮振動吸收峰;1632、1567 cm-1分別為復(fù)合膜酰胺I帶和酰胺II帶的吸收峰[21],1567 cm-1處的N-H帶較弱,這表明殼聚糖還存在一定數(shù)量的乙?；鵞22];1429、1385 cm-1為C-H伸縮振動和N-H彎曲振動(酰胺III帶)吸收峰;1080 cm-1為多糖類物質(zhì)C-O鍵的吸收峰[23]。由圖1可知,未交聯(lián)復(fù)合膜與純殼聚糖膜相比,未交聯(lián)復(fù)合膜中的O-H和N-H伸縮振動吸收峰向低波數(shù)移動(紅移),這說明殼聚糖和大豆分離蛋白分子間存在著較強(qiáng)的分子間氫鍵作用[24];同樣,交聯(lián)復(fù)合膜與未交聯(lián)復(fù)合膜相比,交聯(lián)復(fù)合膜O-H和N-H伸縮振動吸收峰向低波數(shù)移動,且峰寬變窄,酰胺II帶的吸收峰也發(fā)生了紅移,說明了交聯(lián)能夠增強(qiáng)復(fù)合膜分子間的相互作用力[13]。

圖1　復(fù)合膜傅立葉紅外光譜圖Fig.1　FT-IR analysis of the of composite film

2.2檸檬酸鈉對CS/SPI復(fù)合膜機(jī)械性能的影響

檸檬酸鈉添加量對CS/SPI復(fù)合膜機(jī)械性能的影響見圖2?？芍?隨著檸檬酸鈉添加量的增加,復(fù)合膜拉伸強(qiáng)度呈顯著上升趨勢(p<0.05)。檸檬酸鈉添加量0.05%時,與未添加檸檬酸鈉相比,增加約23.5%。加入檸檬酸鈉拉伸強(qiáng)度增大,因為檸檬酸鈉促進(jìn)殼聚糖分子與大豆分離蛋白分子,以及殼聚糖分子與分子間的交聯(lián)[12],降低了分子間的移動性,從而提高復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度,紅外光譜分析也得到交聯(lián)能夠增強(qiáng)復(fù)合膜分子間的相互作用力。隨著檸檬酸鈉添加量的增加,復(fù)合膜的斷裂伸長率呈先降后增的趨勢,當(dāng)檸檬酸鈉添加量0.04%時,復(fù)合膜斷裂降低了約1.92%。殼聚糖和大豆分離蛋白具有良好的成膜性,加入檸檬酸鈉,增加了復(fù)合膜的強(qiáng)度,但膜的延展性和柔韌性受到一定的損壞。

圖2　檸檬酸鈉添加量對CS/SPI復(fù)合膜機(jī)械性能的影響Fig.2　Effect of sodium citrate content on the mechanical properties of CS/SPI film

2.3檸檬酸鈉對CS/SPI復(fù)合膜水溶性的影響

食品中通常都含有一定量的水分,作為食品包裝膜,應(yīng)該具有較好的阻水性,從而起到保護(hù)食品的作用。水溶性是評價膜性能的重要指標(biāo),可以反映復(fù)合膜的親水性能。親水基團(tuán)越多,基團(tuán)親水性越好,則復(fù)合膜的水溶性越高。檸檬酸鈉添加量對CS/SPI復(fù)合膜水溶性的影響見圖3。隨著檸檬酸鈉添加量的增加,復(fù)合膜的水溶性逐漸降低,檸檬酸鈉添加量為0.05%時最低,降低了約25.2%。檸檬酸鈉的添加顯著(p<0.05)降低了復(fù)合膜的水溶性,因為檸檬酸根與殼聚糖質(zhì)子化氨基的靜電相互作用,固定了游離氨基,使膜結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,從而大幅度降低了水溶性[17]。

圖3　檸檬酸鈉添加量對CS/SPI復(fù)合膜水溶性的影響Fig.3　Effect of sodium citrate content on water solubility of CS/SPI film

2.4檸檬酸鈉對CS/SPI復(fù)合膜水蒸氣透過系數(shù)的影響

水蒸氣透過系數(shù)是評價包裝材料的重要指標(biāo)。如圖4,CS/SPI復(fù)合膜水蒸氣透過系數(shù)隨檸檬酸鈉添加量的增加,呈顯著(p<0.05)降低趨勢。檸檬酸鈉添加量為0.05%時,復(fù)合膜的水蒸氣透過系數(shù)為0.219 g·mm/(h·m2·kPa),降低了約30.3%。可能是因為檸檬酸鈉交聯(lián)劑的加入增強(qiáng)了CS和SPI分子間的相互作用,使復(fù)合膜的水分子通道關(guān)閉或者縮小,因而其對水蒸氣阻隔能力增強(qiáng)。而高翔[17]發(fā)現(xiàn)檸檬酸鈉的添加,增大了殼聚糖膜的水蒸氣透過率。這是由于其將殼聚糖膜浸泡在一定濃度的檸檬酸鈉溶液中,可能會導(dǎo)致殼聚糖膜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,水蒸氣透過率增大。

圖4　檸檬酸鈉添加量 對CS/SPI復(fù)合膜水蒸氣透過系數(shù)的影響Fig.4　Effect of sodium citrate content on WVP of CS/SPI film

2.5檸檬酸鈉對CS/SPI復(fù)合膜透光率的影響

檸檬酸鈉添加量對CS/SPI復(fù)合包裝膜的透光率的影響見圖5,隨著檸檬酸鈉添加量的增加,復(fù)合膜的透光率逐漸降低。檸檬酸鈉添加量為0.05%,透光率為89.13%,僅降低了約0.8%。因為檸檬酸鈉的添加量相對較少,充分溶解于成膜液后,對CS/SPI復(fù)合膜透光率影響較小。

圖5　檸檬酸鈉添加量對CS/SPI復(fù)合膜透光率的影響Fig.5　Effect of sodium citrate content on the transmittance of CS/SPI film

2.6檸檬酸鈉對CS/SPI復(fù)合膜抗氧化性的影響

DPPH自由基清除能力是評價物質(zhì)抗氧化能力的標(biāo)準(zhǔn)方法之一[25]。圖6顯示了檸檬酸鈉添加量對CS/SPI復(fù)合膜DPPH自由基清除率的影響。隨著檸檬酸鈉添加量的增加,DPPH自由基清除率呈先增后降的趨勢,檸檬酸鈉添加量0.03%時的清除率是未添加的1.72倍,在CS/SPI復(fù)合膜中添加檸檬酸鈉顯著(p<0.05)提高了復(fù)合膜的DPPH自由基清除能力?？赡苁且驗樘砑訖幟仕徕c能夠使復(fù)合膜中抗氧化活性基團(tuán)-NH2和-OH更多的被釋放出來,從而提高了復(fù)合膜的DPPH自由基清除能力,相關(guān)機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

圖6　檸檬酸鈉添加量 對CS/SPI復(fù)合膜DPPH自由基清除率的影響Fig.6　Effect of sodium citrate content on DPPH radical scavenging activity of CS/SPI film

3　結(jié)論

考察檸檬酸鈉對殼聚糖/大豆分離蛋白復(fù)合膜性能的影響。檸檬酸鈉增強(qiáng)了復(fù)合膜分子間的相互作用?？筛纳茝?fù)合膜機(jī)械性能、水蒸氣阻隔性能和抗氧化性能。檸檬酸鈉添加量為0.05%,與未添加檸檬酸鈉相比,拉伸強(qiáng)度增加約23.5%;水溶性降低了約25.2%;WVP為0.219 g·mm/(h·m2·kPa),降低了約30.3%。當(dāng)檸檬酸鈉添加量為0.03%(w/v)時,復(fù)合膜DPPH自由基清除率提高至未添加時的1.72倍,當(dāng)檸檬酸鈉添加量為0.03%～0.04%(w/v)時,復(fù)合膜的綜合性能較好。

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Effect of sodium citrate on properties of chitosan/soybean protein isolate composite films

GUAN Man,XIE Jing,XUE Bin,JIANG Hai-yun,SHAO Ze-huai,SUN Tao*

(College of Food Science and Engineering,Ocean University of China,Shanghai 201306,China)

A composite films was prepared by chitosan(CS)and soybean protein isolate(SPI),with sodium citrate as cross-linker.The structure of films was characterized by FT-IR.The influence of sodium citrate on the mechanical properties,water vapor barrier properties and antioxidant property of CS/SPI composite film were evaluated.The results showed that the molecular interaction of composite film was increased by sodium citrate.The mechanical properties and water vapor barrier properties of composite film was improved,water solubility was decreased,and the antioxidant property of composite film was improved by 0.03%(w/v)sodium citrate,meanwhile the DPPH radical scavenging activity was 1.72 times that of the control.

chitosan;soybean protein isolate;sodium citrate;mechanical properties;antioxidant property

2015-09-25

關(guān)曼(1989-)，女，在讀碩士研究生，研究方向：多糖的改性及應(yīng)用，E-mail：461857092@qq.com。

孫濤(1970-)，女，博士，副教授，研究方向：多糖的改性及生物功能的開發(fā)，E-mail：taosun@shou.edu.cn。

國家自然科學(xué)基金面上項目(31571914)；上海市科委(14dz1205101)。

TS206.4

A

1002-0306(2016)09-0277-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.09.045