明膠α亞基和美拉德反應(yīng)對(duì)明膠-海藻酸鈉復(fù)合膜性質(zhì)的影響

陳 俊,魏配曉,陳書(shū)霖,翁武銀,3,*

(1.華僑大學(xué)化工學(xué)院，福建廈門(mén) 361021；2.集美大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,福建廈門(mén) 361021;3.廈門(mén)市海洋功能食品重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建廈門(mén) 361021)

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明膠α亞基和美拉德反應(yīng)對(duì)明膠-海藻酸鈉復(fù)合膜性質(zhì)的影響

陳 俊1,2,3,魏配曉2,陳書(shū)霖2,翁武銀2,3,*

(1.華僑大學(xué)化工學(xué)院，福建廈門(mén) 361021；2.集美大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,福建廈門(mén) 361021;3.廈門(mén)市海洋功能食品重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建廈門(mén) 361021)

以羅非魚(yú)皮明膠α1、α2亞基和海藻酸鈉為原料制備復(fù)合膜,對(duì)膜的機(jī)械性能、顏色、熒光強(qiáng)度和傅里葉紅外光譜(FTIR)進(jìn)行分析,考察了α亞基和美拉德反應(yīng)對(duì)明膠-海藻酸鈉復(fù)合膜性質(zhì)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),α亞基-海藻酸鈉膜的機(jī)械性能在60 ℃、相對(duì)濕度(RH)為75%下保存 72 h后均出現(xiàn)明顯的下降,而熒光強(qiáng)度均出現(xiàn)增強(qiáng)。α1-海藻酸鈉(α1-SA)復(fù)合膜在放置72 h后,b*值的增大幅度達(dá)到64.0%,明顯高于明膠-海藻酸鈉(G-SA)和α2-海藻酸鈉(α2-SA)復(fù)合膜。FTIR分析表明,保存過(guò)程中α亞基與海藻酸鈉發(fā)生了美拉德反應(yīng),并且α1亞基更容易參與反應(yīng)。因此明膠α亞基-海藻酸鈉復(fù)合膜在60 ℃、75% RH下保存中顏色逐漸變黃。

明膠,α亞基,海藻酸鈉,復(fù)合膜,美拉德反應(yīng)

明膠是膠原的變性產(chǎn)物,具有良好的凝膠特性和成膜特性,已被廣泛應(yīng)用于食品和醫(yī)藥領(lǐng)域[1]。明膠肽鏈上的亞氨基酸(脯氨酸和羥脯氨酸)可通過(guò)自身的四氫吡咯烷環(huán)結(jié)構(gòu)在構(gòu)象上形成空間位阻效應(yīng),使分子鏈具有一定的剛性,因此亞氨基酸含量可以影響明膠膜的機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性[2]。與哺乳動(dòng)物明膠相比,低含量的亞氨基酸導(dǎo)致魚(yú)類(lèi)明膠膜的機(jī)械強(qiáng)度較差[1]。除氨基酸組成外,蛋白組分也會(huì)影響明膠的性質(zhì),高分子組分含量多的明膠可以制備成機(jī)械強(qiáng)度良好的蛋白膜[3]。

無(wú)論是魚(yú)類(lèi)明膠還是哺乳動(dòng)物明膠,都具有較高含量的親水性氨基酸,導(dǎo)致明膠膜的性質(zhì)易受環(huán)境濕度影響的缺陷[4]。共混改性近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于蛋白膜的性質(zhì)改良[5-6]。Wang等[7]利用明膠與殼聚糖共混成膜,結(jié)果發(fā)現(xiàn)復(fù)合膜的熱穩(wěn)定性?xún)?yōu)于純明膠膜。Xiao等[8]研究發(fā)現(xiàn),明膠與海藻酸鈉復(fù)合成膜時(shí),可以提高膜的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性。而且,有研究報(bào)道明膠的α亞基和α1/α2比例不僅可以影響明膠的凝膠形成能,還能影響明膠的成膜性能[9-11]。

因此,本文利用羅非魚(yú)皮明膠α1、α2亞基與海藻酸鈉制備復(fù)合膜,考察α亞基和美拉德反應(yīng)對(duì)明膠-海藻酸鈉復(fù)合膜性質(zhì)的影響,可為明膠-海藻酸鈉復(fù)合膜的制備提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

羅非魚(yú)皮 寧德市夏威食品有限公司;再生纖維素(RC)膜 美國(guó)Millipore公司,截留分子量(MWCO)100 ku;聚醚砜(PES)膜 邁納德膜技術(shù)有限公司,MWCO 150 ku;海藻酸鈉 上海阿拉丁生化科技股份有限公司,分析純;DC蛋白試劑盒 美國(guó)Bio-Rad公司。

高速冷凍離心機(jī) Avanti J-25,美國(guó)Beckman公司;杯式超濾器 SCM-300,上海斯納普膜分離科技有限公司;恒溫恒濕箱 PSX智能型,寧波萊?？萍加邢薰?質(zhì)構(gòu)儀 TMS-PRO,美國(guó)Food Technology公司;測(cè)色色差計(jì) WSC-S,上海精密科學(xué)儀器有限公司;熒光分光光度計(jì) Cary Eclipse,美國(guó)Varian公司;傅里葉紅外變換光譜儀 Nicolet iS50,美國(guó)Thermo Scientific公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 明膠的提取 羅非魚(yú)皮經(jīng)冰水漂洗,4 ℃下用0.05 mol/L NaOH浸泡16 h后,用冰水漂洗至中性,再于4 ℃下利用0.05 mol/L HCl浸泡30 min,冰水漂洗至中性后,在80 ℃水浴下浸提1 h,冷卻至室溫后通過(guò)離心(15000×g,20 ℃,15 min),獲得的上清液通過(guò)冷凍干燥制備成明膠粉末備用。

1.2.2 明膠α亞基的制備 明膠α1和α2亞基的制備參考Chen等[12]報(bào)道的方法。魚(yú)皮明膠粉末于室溫下在蒸餾水中溶脹30 min后,經(jīng)60 ℃水浴加熱充分溶解,調(diào)制成1%(w/v)的溶液。溶液的pH調(diào)整至5后,以RC膜進(jìn)行超濾分離,濾液為α1亞基組分;溶液的pH調(diào)整至7后,以PES膜進(jìn)行超濾分離,濾液為α2亞基組分。超濾過(guò)程中溫度和壓力分別為40 ℃和0.5 bar。α1和α2亞基組分經(jīng)冷凍干燥后備用。

1.2.3α亞基-海藻酸鈉復(fù)合膜的制備 參考Chen等[11]報(bào)道的方法并做修改。明膠α亞基和海藻酸鈉分別利用蒸餾水溶解,調(diào)pH至7.0,配制成濃度為2%(w/v)的溶液后,按照1∶1混合均勻,并添加相對(duì)干物質(zhì)質(zhì)量20%的甘油,混合均勻、脫泡后,將制備的溶液(4 g)倒在5 cm×5 cm的有機(jī)硅樹(shù)脂框內(nèi),放置于溫度為25 ℃、相對(duì)濕度(RH)為50%的恒溫恒濕箱中干燥48 h制備成明膠-海藻酸鈉(G-SA)復(fù)合膜、α1-海藻酸鈉(α1-SA)復(fù)合膜和α2-海藻酸鈉(α2-SA)復(fù)合膜。

為了考察美拉德反應(yīng)對(duì)復(fù)合膜性質(zhì)的影響,將復(fù)合膜于60 ℃、75% RH下放置一定時(shí)間后,再轉(zhuǎn)移至25 ℃、50% RH的恒溫恒濕箱中平衡24 h,作為測(cè)試樣。

1.2.4 膜的性質(zhì)分析

1.2.4.1 機(jī)械性能 膜的機(jī)械性能參考翁武銀等[13]報(bào)道的方法進(jìn)行測(cè)定。將膜切成寬15 mm,長(zhǎng)45 mm矩形長(zhǎng)條,測(cè)定厚度后,利用TMS-PRO質(zhì)構(gòu)儀對(duì)膜進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。力量感應(yīng)元為100 N,初始間隔為30 mm,拉伸速率為60 mm/min。

1.2.4.2 顏色 利用色差計(jì)對(duì)膜的顏色進(jìn)行測(cè)定,膜的顏色采用b*(藍(lán)-黃)值進(jìn)行表示。其中標(biāo)準(zhǔn)白板的b*值為1.42。

1.2.5 熒光強(qiáng)度 熒光強(qiáng)度的測(cè)定參考Lertittik等[14]報(bào)道的方法。膜經(jīng)8 mol/L尿素-2% SDS- 0.02 mol/L Tris-HCl(pH8.8)溶解后,在激發(fā)波長(zhǎng)347 nm,發(fā)射波長(zhǎng)415 nm下測(cè)定熒光強(qiáng)度。

1.2.6 紅外光譜分析 參考王虹霞等[15]報(bào)道的方法進(jìn)行分析。將干燥的粉末樣品置于紅外光譜儀進(jìn)行分析。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用SPSS 17.0 軟件(SPSS Inc,Chicago,IL,USA)對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析(ANOVA),顯著性檢驗(yàn)方法為Duncan多重檢驗(yàn),顯著水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 機(jī)械性能

α亞基對(duì)明膠-海藻酸鈉復(fù)合膜機(jī)械性能的影響如表1所示。明膠或α亞基組分與海藻酸鈉混合制備G-SA膜、α1-SA膜和α2-SA膜的抗拉伸強(qiáng)度(TS)分別為14.49、14.77、11.21 MPa,沒(méi)有明顯的差別(p>0.05)。膜在60 ℃、75% RH下放置72 h后,三種復(fù)合膜的TS都出現(xiàn)明顯的下降。另一方面,在60 ℃、75% RH下,G-SA膜只需放置12 h膜的EAB就出現(xiàn)顯著下降(p<0.05),而α1-SA膜和α2-SA膜的EAB分別要經(jīng)過(guò)72 h后才發(fā)生明顯的下降(p<0.05)。通常,蛋白與多糖在60 ℃、79% RH的條件下會(huì)發(fā)生美拉德反應(yīng),生成高分子聚合物[16]。然而,由于明膠膜容易吸水,而且明膠在40～60 ℃下容易發(fā)生降解[17-19],因此60 ℃、75% RH條件可能會(huì)促使明膠發(fā)生降解,導(dǎo)致膜的機(jī)械性能在保存中發(fā)生下降。

2.2 顏色

α亞基-海藻酸鈉復(fù)合膜顏色(b*值)的測(cè)定結(jié)果如表2所示。G-SA膜和α1-SA膜的b*值明顯低于α2-SA膜(p<0.05),表明α2組分可以顯著影響明膠-海藻酸鈉復(fù)合膜的顏色。這與Chen等[11]在研究α亞基對(duì)明膠膜顏色影響時(shí)的結(jié)果類(lèi)似。當(dāng)膜在60 ℃、75% RH下保存6 h后,三種復(fù)合膜的b*值都逐漸增加,顏色逐漸變黃,表明復(fù)合膜中的明膠與海藻酸鈉發(fā)生了美拉德反應(yīng)。當(dāng)放置時(shí)間達(dá)到72 h時(shí),G-SA復(fù)合膜、α1-SA復(fù)合膜和α2-SA復(fù)合膜的b*值分別增加了53.5%、64.0%和36.3%,表明了α1亞基比α2亞基更容易與海藻酸鈉發(fā)生美拉德反應(yīng)。

表1 明膠α亞基和美拉德反應(yīng)時(shí)間對(duì)明膠-海藻酸鈉復(fù)合膜機(jī)械性能的影響Table 1 Effects of gelatin α subunits and maillard reaction time on the mechanical properties of gelatin-sodium alginate blend films

注:同一列中相同小寫(xiě)字母表示差異不顯著(p>0.05),表2、表3同。

表3 明膠α亞基-海藻酸鈉復(fù)合膜的熒光強(qiáng)度Table 3 Fluorescence intensity of gelatin α subunits-sodium alginate blend films

表2 明膠α亞基和美拉德反應(yīng)時(shí)間對(duì)明膠-海藻酸鈉復(fù)合膜顏色(b*值)的影響Table 2 Effects of gelatin α subunits and maillard reaction time on the color(b* value)of gelatin-sodium alginate blend films

2.3 熒光強(qiáng)度

據(jù)報(bào)道,蛋白與糖發(fā)生美拉德反應(yīng)時(shí),能夠形成熒光物質(zhì)[20-21]。因此,對(duì)α亞基-海藻酸鈉復(fù)合膜的熒光物質(zhì)進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果如表3所示。不管哪一種復(fù)合膜,在60 ℃、75% RH下,伴隨保存時(shí)間的延長(zhǎng)熒光強(qiáng)度都出現(xiàn)明顯增加(p<0.05),再次表明復(fù)合膜中的α亞基和海藻酸鈉發(fā)生了美拉德反應(yīng)。

2.4 FTIR

復(fù)合膜的性質(zhì)與成膜分子之間的相互作用密切相關(guān),測(cè)定了保存過(guò)程中α亞基-海藻酸鈉復(fù)合膜的紅外光譜,結(jié)果如圖1所示。復(fù)合膜的主要特征吸收峰出現(xiàn)在3300、1630、1545 cm-1附近,類(lèi)似于Xiao[8]等報(bào)道的明膠-海藻酸鈉復(fù)合膜的特征吸收。G-SA復(fù)合膜在60 ℃、75% RH保存中,代表N-H和O-H的伸縮振動(dòng)酰胺A先向高波數(shù)方向移動(dòng)又轉(zhuǎn)向低波數(shù)方向;α1-SA復(fù)合膜的酰胺A在保存6 h時(shí)向低波數(shù)方向移動(dòng),隨后延長(zhǎng)保存時(shí)間沒(méi)有再出現(xiàn)明顯變化;而α2-SA復(fù)合膜的酰胺A經(jīng)過(guò)48 h保存后也向低波數(shù)方向移動(dòng)。據(jù)報(bào)道,蛋白膜酰胺A特征吸收峰向低波數(shù)方向移動(dòng)表示膜中的氫鍵作用相對(duì)增強(qiáng)[22]。因此,圖1的結(jié)果表明了膜在60 ℃、75% RH保存中蛋白的結(jié)構(gòu)遭到熱破壞,導(dǎo)致親水性自由基增多[23],氫鍵作用相對(duì)增強(qiáng)。有研究報(bào)道,乳清分離蛋白與葡聚糖發(fā)生美拉德反應(yīng)后,復(fù)合物中代表C=O伸縮振動(dòng)的酰胺I和代表C-N伸縮振動(dòng)的酰胺Ⅱ峰強(qiáng)度出現(xiàn)增強(qiáng),對(duì)應(yīng)的吸收峰位置發(fā)生紅移[24]。本研究也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的現(xiàn)象(圖1),尤其α1-SA復(fù)合膜保存72 h后酰胺-I位置紅移了23.1 cm-1,并且峰的強(qiáng)度出現(xiàn)明顯的增大。這些結(jié)果再次表明了復(fù)合膜在60 ℃、75% RH下保存中α亞基與海藻酸鈉發(fā)生了美拉德反應(yīng),而且α1亞基更容易參與反應(yīng)。

3 結(jié)論

明膠α亞基-海藻酸鈉復(fù)合膜在60 ℃、75% RH下保存中會(huì)發(fā)生美拉德反應(yīng),膜中氫鍵作用增強(qiáng),結(jié)果導(dǎo)致膜的機(jī)械性能發(fā)生下降,顏色變黃,其中α1亞基比α2亞基更容易參與美拉德反應(yīng)。

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Effects of gelatinαsubunits and maillard reaction on the properties of gelatin-sodium alginate blend films

CHEN Jun1,2,3,WEI Pei-xiao2,CHEN Shu-lin2,WENG Wu-yin2,3,*

(1.College of Chemical Engineering Huaqiao University,Xiamen 361021,China;2.College of Food and Biological Engineering,Jimei University,Xiamen 361021,China；3.Xiamen Key Laboratory of Marine Functional Food,Xiamen 361021,China)

The effects of gelatinαsubunits and maillard reaction on the properties of gelatin-sodium alginate(SA)blend films were investigated by measuring the mechanical properties,color,fluorescence intensity and fourier transform infrared spectroscopy(FTIR). The mechanical properties of gelatinαsubunits-SA blend films were decreased after storage at 0 ℃,75% relative humidity(RH)for 72 h,while the fluorescence intensity was increased. Whenα1-SA blend films were stored for 72 h,the increasing extent ofb*value was 64.0%,which was higher than that of G-SA blend films andα2-SA blend films. It was revealed that the maillard reaction could occur betweenαsubunits and sodium alginate,andα1-subunit was easier to be reacted than others through FTIR analysis. It was concluded from the results of this study that the color of gelatinαsubunits-SA blend films became yellow during the storage at 0 ℃ and 75% RH.

gelatin;α-subunits;sodium alginate;blend film;maillard reaction

2016-11-11

陳俊(1977-)，男，博士研究生，副教授，主要從事天然產(chǎn)物開(kāi)發(fā)利用研究，E-mail：chenjun@jmu.edu.cn。

*通訊作者:翁武銀(1974-)，男，博士，教授，主要從事蛋白質(zhì)化學(xué)和水產(chǎn)加工研究，E-mail：wwymail@jmu.edu.cn。

國(guó)家自然科學(xué)基金(31271984)；廈門(mén)市海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目(14CZP031HJ05)；福建省海洋經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新發(fā)展區(qū)域示范項(xiàng)目(2014FJ05)；福建省科技重點(diǎn)項(xiàng)目(2014Y0081)。

TS201.1

A

1002-0306(2017)11-0061-04

10.13386/j.issn1002-0306.2017.11.003