不同改性方法對碎米蛋白可食用膜性能的影響研究

艾 丹，高 俊，黎 剛，胡秋林

(1.江西花圣食品有限公司，江西 南昌 330115；2.武漢輕工大學食品科學與工程學院，湖北 武漢 430023)

不同改性方法對碎米蛋白可食用膜性能的影響研究

艾 丹1，高 俊1，黎 剛1，胡秋林2

(1.江西花圣食品有限公司，江西 南昌 330115；2.武漢輕工大學食品科學與工程學院，湖北 武漢 430023)

以碎米蛋白作為成膜基質(zhì)，甘油作為增塑劑，使用超聲波物理改性法、亞硫酸鈉化學法和谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶酶法對碎米蛋白進行改性并探討不同的改性手段對膜抗拉強度、斷裂伸長率、水蒸氣透過率、透明度以及溶解度的影響。研究結(jié)果顯示，超聲波改性、還原劑亞硫酸鈉改性以及TG改性均可不同程度的提升膜的綜合性能。綜合考慮，在實際生產(chǎn)中可選擇亞硫酸鈉或超聲波作為較佳改性方法。

碎米蛋白可食用膜；改性；性能

蛋白質(zhì)要形成膜，就必須要經(jīng)過適度的變性。變性后的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)可以進行重組形成結(jié)構(gòu)致密、均勻的薄膜。蛋白質(zhì)改性的方法有很多，總體可分為物理、化學以及酶等方面的改性。不同方法的改性可使蛋白質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，其亞基解離，分子得到一定程度展開，然后蛋白質(zhì)內(nèi)部的疏水基團、巰基等被暴露出來，使分子間的作用增強，形成了立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

物理改性是指通過物理的手段使蛋白質(zhì)的大分子破碎成小分子，使分子結(jié)合更加緊密，其主要機理是物理上的斷鍵作用和自由基的氧化還原。亞硫酸鈉改性可打斷分子間的二硫鍵，增多巰基，使其在成膜液干燥過程中形成更多的分子間二硫鍵。同時，其還可以使多肽鏈分子質(zhì)量降低，有利于暴露內(nèi)部疏水基團，有機會形成更多的疏水相互作用，增強膜的強度和阻隔性[1]。谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶(TG)是廣泛應(yīng)用的酶交聯(lián)劑，市面上也很常見。它能夠在單一蛋白質(zhì)以及不同蛋白質(zhì)之間形成共價交聯(lián)，使蛋白質(zhì)形成更多的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，促進蛋白質(zhì)的機械性能。

我們以碎米蛋白(BRP)作為成膜基質(zhì)，甘油作為增塑劑，旨在使用不同的改性方法對BRP進行改性并探討不同的改性手段對膜抗拉強度(TS)、斷裂伸長率(EB)、水蒸氣透過率(WVP)、透明度(TP)以及溶解度(FS)的影響。

1 材料與方法

1.1材料與試劑

碎米蛋白：自制(水分4.07%、蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)92.43%、脂肪質(zhì)量分數(shù)0.54%、灰分質(zhì)量分數(shù)0.97%)；甘油、氫氧化鈉、鹽酸、硫酸、無水氯化鈣、石蠟，均為分析純；蜂蠟(BR)；谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶(TG，酶活力100 U/g)。

1.2儀器與設(shè)備

AL204電子分析天平；F50AB膠體磨；LD5-10低速離心機；DELTA 320 pH計；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器；DZF-6021真空干燥箱；DHG-9240A電熱鼓風干燥箱；GSP-9270MBE隔水式恒溫培養(yǎng)箱；GF 303647游標卡尺；IP54電子外徑千分尺；WFJ 7200分光光度計；KQ2200DV型數(shù)控超聲波清洗器；TA.XT2i物性測試儀；S-3000N掃描電子顯微鏡；NEXUS 670傅里葉紅外光譜儀。

1.3試驗方法

1.3.1碎米蛋白的提取

參照王良東等[2]的方法并略有改進，其工藝流程：碎米→水洗(去灰、石等雜質(zhì))→堿液浸泡(質(zhì)量分數(shù)0.1%NaOH，料液比1∶6，時間20 h)→磨漿(至手指感覺無顆粒感)→調(diào)pH值到11→攪拌堿提(25℃，2 h)→離心分離(4 000 r/min，20 min)→取上清液→酸沉(pH4.5～5.0)→離心分離(4 000 r/min，10 min)→水洗沉淀3次→pH值調(diào)中性→冷凍干燥→低溫保存。

1.3.2碎米蛋白可食用膜的制備

碎米蛋白5 g+甘油2.1 g+100 ml蒸餾水→磁力攪拌(2 min)→調(diào)pH值至11.5(1 mol/L NaOH)→熱反應(yīng)(87℃，10 min)→冷卻→脫氣(0.08 MPa，30 min)→倒膜→烘干(50℃，3～6 h)→揭膜→膜性能測定(溫度23℃，濕度50%，48 h)→食用膜。

1.3.3膜厚度的測定

使用精度為0.001 mm的千分尺在膜的中心取1點，膜的四周均勻取4點，共5點位置測定膜的厚度，取其平均值。

1.3.4膜抗拉強度(TS)和斷裂伸長率(EB)的測定

設(shè)置質(zhì)構(gòu)儀的初始距離為20 mm，最大拉力和最大拉伸距離設(shè)為500 g和80 mm，測試速度和測后速度分別為1 mm/s和5 mm/s。將膜切成80 mm×10 mm的長條狀進行測定。TS、EB的計算見公式(1)、(2)。

(1)

式中，TS為抗拉強度，mPa；F為試樣斷裂時承受的最大張力，N；L為試樣的厚度，m；W為試樣的寬度，m。

(2)

式中，E為斷裂伸長率，%；L'為試樣斷裂時膜的長度，m；L為膜原長，m。

1.3.5膜水蒸氣透過率(WVP)的測定

參照GB 1037-1988[3]，稍有改變。透濕杯選用質(zhì)輕、耐腐蝕、耐高溫的扁形稱量瓶(60 mm×30 mm)。透濕用無水氯化鈣需經(jīng)105℃恒重。稱取4 g無水氯化鈣(粒徑1 mm左右)于稱量瓶中，用85%的石蠟和15%的蜂蠟混合蠟將膜密封于稱量瓶口。將此稱量瓶放置于溫度為23℃、相對濕度為90%的干燥器中(用飽和硫酸鉀溶液調(diào)節(jié))。每隔24 h稱量一次至前后兩次質(zhì)量差小于5%。WVP的計算見公式(3)。

(3)

式中，WVP為水蒸氣透過率，g·mm/(kPa·d·m2)；m0為膜、透濕杯、干燥劑的原始質(zhì)量，g；m′為水后膜、透濕杯、干燥劑的質(zhì)量，g；L為膜的厚度，mm；S為膜的透過面積，m2；t為測量間隔時間，d；△P為膜兩側(cè)的水蒸氣壓差，kPa。

1.3.6膜透明度(TP)的測定

將膜切成40 mm×10 mm的長條狀，貼于比色皿的內(nèi)表面，并小心驅(qū)趕氣泡，在600 nm下測定膜的透光率，以空比色皿作為對照。

1.3.7膜溶解度(FS)的測定

105℃下烘恒重膜和濾紙，稱取0.2 g 左右恒重的膜于燒杯中，加入20 ml的蒸餾水，搖晃均勻后使膜完全沒入水中，精確放置24 h后用濾紙過濾，將濾紙和濕膜經(jīng)105℃恒重。這期間，膜的質(zhì)量減少即為膜的溶解度。FS的計算見公式(4)。

(4)

式中，F(xiàn)S為膜溶解度，%；mf為恒重后膜的質(zhì)量，g；m2為濾紙加溶解后膜的質(zhì)量，g；m1為恒重濾紙的質(zhì)量，g。

1.3.8掃描電子顯微鏡

將蛋白膜置于50℃條件下烘10 h，使其充分干燥。將干燥后的膜小心切為2 mm×2 mm的小方片，用導電雙面膠固定于樣品臺上，抽真空鍍金10 min。再將樣品放入掃描電子顯微鏡中抽真空后于15 kV下觀察膜表面、底面及截面在不同放大倍數(shù)下的微觀結(jié)構(gòu)，以未經(jīng)改性的膜作為對照。

1.3.9紅外光譜

將蛋白膜置于50℃條件下烘10 h，使其充分干燥。采用傅里葉紅外光譜儀進行紅外光譜測試，繪制紅外光譜圖，掃描范圍為4 000～500 cm-1，分辨率為4 cm-1。以未經(jīng)改性的膜作為對照，分析不同改性方法對膜二級結(jié)構(gòu)的影響。

1.4試驗方案

1.4.1超聲波作用時間和作用功率的選擇

參照1.3.2節(jié)制備可食用膜，將經(jīng)87℃反應(yīng)后的膜液放涼后，放入超聲波功率為60 W的超聲波清洗器中常溫超聲5、10、20、30、40、50、60 min，然后再脫氣、倒膜。探討不同的超聲波作用時間對膜各項性能的影響。

參照1.3.2節(jié)制備可食用膜，將經(jīng)87℃反應(yīng)后的膜液放涼后，分別放入超聲波功率為40、50、60、70、80、90、100 W的超聲波清洗器中常溫超聲40 min，然后再脫氣、倒膜。探討不同的超聲波作用功率對膜各項性能的影響。

1.4.2亞硫酸鈉添加量的選擇

參照1.3.2節(jié)制備可食用膜，在膜液調(diào)好pH值11.5后，分別加入0.025%、0.05%、0.1%、0.15%、0.20%的亞硫酸鈉，87℃加熱反應(yīng)后制膜。探討不同的亞硫酸鈉添加量對膜各項性能的影響。

1.4.3谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶(TG)添加量的選擇[4]

參照1.3.2節(jié)制備可食用膜，將經(jīng)87℃反應(yīng)后的膜液放涼，再在膜液中分別加入0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的TG于40℃水浴中保溫90 min后制膜。探討不同的TG添加量對膜各項性能的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1不同改性方法對膜TS和EB的影響

2.1.1超聲波作用時間和功率對膜TS和EB的影響

超聲波處理具有空穴效應(yīng)和超混合效應(yīng)，這可使得分子中一部分的化學鍵斷裂，粒子大小降低；同時，空穴效應(yīng)有巨大的爆發(fā)力和沖擊力，可對分子產(chǎn)生高溫高壓，加大分子間的相互作用，使膜的結(jié)構(gòu)更加致密[5]。超聲波作用時間對膜TS和EB的影響見圖1。由圖1可知，隨著超聲波作用時間的增長，膜的TS先上升再下降，在處理時間為40 min時，膜的TS達到最大約為5.7 MPa。當超聲時間繼續(xù)增長時，膜的強度反而下降，可能是因為在40 min時間內(nèi)，膜內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)已經(jīng)結(jié)合完成。膜的EB走勢與TS相反，由最初處理可達到的160%下降到60%左右?？梢姵暡ㄊ歉牧嫉鞍啄C械性能的一種良好的物理處理手段。

圖1 超聲波作用時間對膜TS和EB的影響

超聲波作用功率對膜機械性能的影響見圖2。

圖2 超聲波作用功率對膜TS和EB的影響

由圖2可知，隨著超聲波功率的增加，膜的TS先上升后下降，在超聲波功率為60 W左右時，膜的TS最大。功率增大到60 W以后膜的強度反而下降，可能是由于大量的化學鍵已經(jīng)斷裂，很難產(chǎn)生新的可結(jié)合點，難以形成更多的致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。分子間的相互作用變得更加混亂，從而使膜的TS降低。膜的EB隨超聲波功率的增加先降低后增加，其與TS呈負相關(guān)關(guān)系。

由超聲波處理的時間和功率單因素試驗可以得出超聲波處理的較佳條件為60 W、40 min。

2.1.2亞硫酸鈉添加量對膜TS和EB的影響

亞硫酸鈉作為一種還原劑可以使分子中的二硫鍵斷裂，蛋白質(zhì)分子展開更多，重新形成更為堅固的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得膜的TS增加。

亞硫酸鈉添加量對膜TS和EB的影響見圖3。

圖3 亞硫酸鈉添加量對膜TS和EB的影響

由圖3可知，隨著亞硫酸鈉添加量的增加，膜的TS逐漸增加，從7.6 MPa左右上升到8.1 MPa左右，此數(shù)值約是對照組膜TS的兩倍多。膜的EB隨亞硫酸鈉添加量的增加而逐漸減小。這可能是因為過量的還原劑阻礙了膜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的重排。試驗發(fā)現(xiàn)亞硫酸鈉添加量的繼續(xù)增加對膜的機械性能貢獻不大，但是添加與不添加卻有很大的差別?？紤]成本原因，可以選擇亞硫酸鈉的添加量為0.05%，此時膜的機械性能較佳。

2.1.3TG添加量對膜TS和EB的影響

TG添加量對膜機械性能的影響見圖4。

圖4 TG添加量對膜TS和EB的影響

由圖4可知，隨著TG添加量的增加，膜的機械性能先下降再上升。當添加量為0.1%～0.3%時，膜的TS和EB有所下降。隨著TG添加量增加至0.5%，膜的機械性能有顯著回升。試驗發(fā)現(xiàn)，添加少量TG時，膜液中出現(xiàn)很多不溶解的微小顆粒物，受不溶解顆粒物的影響，膜的TS有所下降。隨著TG添加量的增加，酶中的雜質(zhì)及不溶解成分聚集后沉淀，反而使膜液更加均勻。由于參與反應(yīng)的有活性的酶越來越多，使得分子發(fā)生了共價交聯(lián)，形成了高分子聚合物，膜的性能最后有所改善[6-7]。不過，TG的增加會使EB顯著下降。綜合分析結(jié)果和節(jié)約經(jīng)濟成本等原因，選擇TG添加量為0.1%，此時可食用膜的TS和EB較佳。

綜合以上三種改性方法對膜機械性能的影響結(jié)果分析，三種改性方法均可顯著提高BRP膜的TS。其中亞硫酸鈉改性膜的TS上升幅度最大。

2.2不同改性方法對膜WVP的影響

2.2.1超聲波作用時間和功率對膜WVP的影響

超聲波的空穴效應(yīng)和高頻振蕩作用促使膜液中水分子和蛋白質(zhì)分子發(fā)生高頻震動，從而增加了接觸機會。使水分子迅速均勻地滲透到高黏度的蛋白質(zhì)-水締合網(wǎng)絡(luò)中，加速了奪水成核作用[8-9]，同時超聲波使微晶粒產(chǎn)生局部震動，控制并穩(wěn)定住了晶粒的均衡發(fā)展，提高了BRP膜的分子結(jié)晶度，進而影響膜的WVP。

超聲波作用時間和功率對膜WVP的影響見圖5和圖6。

由圖5和圖6可以看出，隨著超聲處理時間的延長和功率的增大，膜的WVP都是先下降后上升。當超聲波處理時間為40 min，超聲波處理功率為60 W時，膜的WVP最低，阻水性最優(yōu)。

圖5 超聲波作用時間對膜WVP的影響

圖6 超聲波作用功率對膜WVP的影響

2.2.2亞硫酸鈉添加量對膜WVP的影響

還原劑亞硫酸鈉可改變膜中蛋白質(zhì)分子間和分子內(nèi)的二硫鍵[10-11]，減弱蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使蛋白質(zhì)伸展開來，使成膜后期可以形成更加致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

亞硫酸鈉添加量對膜WVP的影響見圖7。

圖7 亞硫酸鈉添加量對膜WVP的影響

由圖7可知，隨著亞硫酸鈉添加量的增加，膜的WVP先減小后增大，然后趨于平穩(wěn)。當亞硫酸鈉添加量為0.1%時，膜獲得最低的WVP。隨著亞硫酸鈉的繼續(xù)增加，還原劑的過分作用使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)疏松，增大了膜的WVP。

2.2.3TG添加量對膜WVP的影響

TG添加量對膜的WVP影響見圖8。

圖8 TG添加量對膜WVP的影響

由圖8可知，TG的加入可使膜的WVP顯著下降。當TG添加量由0.1%增加至0.4%時，膜的WVP明顯下降。隨著TG添加量的繼續(xù)增大，膜的WVP反而有輕微上升，可能跟膜的厚度有關(guān)。

綜合以上三種改性方法對膜WVP的影響結(jié)果分析，三種改性方法均可降低膜的WVP。其中超聲波處理對膜的WVP影響效果最為明顯。

2.3不同改性方法對膜TP和FS的影響

不同改性膜的TP和FS測定結(jié)果見表1，表中的BRP對照膜是指未經(jīng)過任何改性處理的膜。

表1 改性膜的TP和FS

由表1中數(shù)據(jù)可以看出，超聲波處理使膜的TP有所增加，這是因為超聲波使膜的結(jié)構(gòu)更加致密，膜的表面更加光滑，增加了膜的TP。另外，超聲處理還可使膜內(nèi)部的氣泡破裂，間接起到消除氣泡的作用。超聲膜的FS有所下降，可能是因為膜結(jié)構(gòu)越來越致密，能溶解的量相對減少。經(jīng)亞硫酸鈉處理的膜其TP較對照膜未發(fā)生明顯變化，而FS卻有所上升。經(jīng)TG改性的膜，由于部分未溶解的TG混合在膜液中，使得膜的渾濁度增加，膜的顏色變成乳白色使TP下降。膜的FS無明顯變化。

2.4改性膜的掃描電子顯微鏡比較

可食用膜的機械性能和阻隔性能在很大程度上取決于蛋白質(zhì)分子在成膜時的均勻性，分子間的作用力以及蛋白質(zhì)在溶液中的FS，我們可以通過觀察其微觀結(jié)構(gòu)來發(fā)現(xiàn)相關(guān)問題。膜表面指與空氣接觸的那一面，底面指與培養(yǎng)皿接觸的那一面。

2.4.1改性膜的掃描電鏡表面圖

改性膜的掃描電鏡表面圖見圖9。

(a)BRP對照膜

(b)超聲波改性膜

(c)亞硫酸鈉改性膜

(d)TG改性膜

由圖9可知，未經(jīng)任何處理的膜其表面結(jié)構(gòu)較為粗糙，高低不平，有很多小孔。經(jīng)過超聲波處理的膜，其表面很光滑，質(zhì)地均勻。經(jīng)過超聲處理后，膜液中粒子減小，分子內(nèi)部包藏的許多反應(yīng)基團暴露，部分氨基酸重排，發(fā)生分子間共價交聯(lián)，強化了膜的空間結(jié)構(gòu)，提高了膜的強度[12]。而經(jīng)過亞硫酸鈉和TG處理的膜其表面結(jié)構(gòu)并未見很明顯的區(qū)別。

2.4.2改性膜的掃描電鏡底面圖

改性膜的掃描電鏡底面圖見圖10。

(a)BRP對照膜

(b)超聲波改性膜

(c)亞硫酸鈉改性膜

(d)TG改性膜

由圖10可知，對照膜的底面有很多的氣泡，結(jié)構(gòu)并不緊密。經(jīng)過超聲波處理后，膜的底面很光滑，幾乎不見任何小孔。經(jīng)亞硫酸鈉和TG處理的膜其底面結(jié)構(gòu)也變光滑，但不如超聲處理的效果明顯。

2.4.3改性膜的截面圖

改性膜的截面圖見圖11。由圖11可知，經(jīng)超聲波處理后，膜中大分子破碎程度增加，新形成的膜截面非常致密，很緊實，膜的厚度減小。在相同的放大倍數(shù)下，亞硫酸鈉改性膜的厚度增加，進一步說明，亞硫酸鈉還原了膜液中的二硫鍵，使得成膜干燥時有更多的基團參與反應(yīng)，促使了膜厚度的增加。經(jīng)TG改性的膜其斷面結(jié)構(gòu)致密，較齊整。

(a)BRP對照膜

(b)超聲波改性膜

(c)亞硫酸鈉改性膜

(d)TG改性膜

掃描電鏡的結(jié)果表明，超聲波可改善膜的表面和底面結(jié)構(gòu)，使膜更加光滑、均勻，膜的厚度減小。還原劑亞硫酸鈉和TG改善了膜的底面形態(tài)，其中亞硫酸鈉改性膜的厚度增加。TG改性膜的截面較為整齊。

2.5改性膜的紅外光譜比較

利用傅里葉紅外光譜儀對各改性方法制備的可食用蛋白膜以及BRP膜的二級結(jié)構(gòu)進行分析，結(jié)果見圖12。由圖12可以看出，各改性方法在不同程度上改變了BRP膜的二級結(jié)構(gòu)。

對比改性膜與BRP膜的紅外光譜圖可以看出，超聲波改性、亞硫酸鈉改性和TG改性沒有明顯改變可食用蛋白膜的吸收峰數(shù)量、吸收峰的位置及吸收峰的形狀，但改變了各吸收峰的強度，這說明超聲波改性、亞硫酸鈉改性和TG改性沒有從根本上改變蛋白的一級結(jié)構(gòu)，但改變了蛋白質(zhì)的次級結(jié)構(gòu)。改性處理在不同程度上改變了可食用膜的性能，可能是改性處理改變了蛋白膜中基團的對稱性、數(shù)量和濃度，使蛋白質(zhì)分子多肽鏈的特有規(guī)則發(fā)生了變化。

(a)BRP對照膜

(b)超聲波改性膜

(c)亞硫酸鈉改性膜

(d)TG改性膜

(e)空白對照與三種改性膜擬合

3 結(jié)論

超聲波改性、還原劑亞硫酸鈉改性以及TG改性均可不同程度的提升膜的綜合性能。其中，經(jīng)過超聲波改性的膜結(jié)構(gòu)更加致密，WVP更低，膜的透明度更好。亞硫酸鈉改性可以促進成膜過程中巰基和二硫鍵的交換反應(yīng)，使蛋白質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加完善，亞硫酸鈉改性膜的TS(7.89 MPa)為對照膜(2.97 MPa)的兩倍多。TG改性后的膜性能也有所提升，但效果不如前兩種改性方法明顯。綜合考慮，在實際生產(chǎn)中可選擇亞硫酸鈉或超聲波作為較佳改性方法。

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Effectofdifferentmodificationmethodsonthepropertiesofbrokenriceproteinediblefilms

AI Dan，GAO Jun，LI Gang，HU Qiu-lin

(1. Jiangxi Hua Sheng Food Co. Ltd., Nanchang 330115,China; 2. College of Food science and Engineering, Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430023, China)

Broke rice protein was used as film forming substrate, glycerol as the plasticizer,modification methods including ultrasonic physical method,sodium sulfite chemical method and TG enzymic method were used to enhance the properties of protein edible films.TS, EB,WVP,TP and FS of the films were as evaluation indexes to research the effect of different modification methods. The results showed that all the three modification methods could improve the film's property to some degree. Comprehensive consideration, in the actual production we can choose sodium sulfite or ultrasonic as better modification methods.

broke rice protein edible films;modification;propeties

2017-03-31；

2017-09-20

艾 丹(1987-)，女，碩士，主要從事糧食、油脂及植物蛋白工程。

10.7633/j.issn.1003-6202.2017.10.005

TS210.9

A

1003-6202(2017)10-0019-08

(責任編輯梅竹)