不同相對(duì)濕度環(huán)境條件下 玉米醇溶蛋白膜的穩(wěn)定性研究

郭興鳳,崔和平,魏 倩,張瑩瑩,閻 欣,王 雪,王鶯穎

(1.河南省谷物資源轉(zhuǎn)化與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南鄭州 450001;2.河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院,河南鄭州 450001)

蛋白質(zhì)是一種天然大分子物質(zhì),因其分子側(cè)鏈基團(tuán)的多樣性,在成膜過(guò)程中可以發(fā)生分子間的相互作用而賦予蛋白膜較好的機(jī)械特性,是理想的制備可降解包裝膜材料的原料之一。玉米醇溶蛋白(zein)是玉米的儲(chǔ)藏蛋白,分子含有大量的含硫氨基酸,且非極性側(cè)鏈的含量遠(yuǎn)大于極性側(cè)鏈,無(wú)水乙醇中不溶解,而易溶于60%～90%的乙醇溶液或70%～80%的丙酮溶液[1]。玉米醇溶蛋白具有優(yōu)良的成膜特性,因此,目前對(duì)其成膜條件和成膜特性進(jìn)行了諸多研究[2-5]。作為一種包裝材料,環(huán)境條件下的穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)蛋白膜的一個(gè)重要指標(biāo)。環(huán)境因素如溫度、濕度、氧氣、光照等都可能導(dǎo)致蛋白膜機(jī)械性能發(fā)生變化[6-8],目前的研究也逐步聚焦在穩(wěn)定性的研究。Su等[7]研究了大豆分離蛋白/聚乙烯醇復(fù)合膜在大氣環(huán)境條件下的穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)在30 d的儲(chǔ)藏過(guò)程中,蛋白膜的抗拉伸強(qiáng)度和斷裂延伸率均逐漸降低,添加的聚乙烯醇比例越大,儲(chǔ)藏過(guò)程中抗拉伸強(qiáng)度的變化越小,斷裂延伸率的變化越大。本實(shí)驗(yàn)室已就不同條件下制備的玉米醇溶蛋白膜在不同的環(huán)境條件下進(jìn)行儲(chǔ)藏,結(jié)果表明不同蛋白質(zhì)濃度條件下制備的玉米醇溶蛋白膜在不同的環(huán)境溫度條件下存放一段時(shí)間后其機(jī)械性能會(huì)發(fā)生變化,在35 ℃條件下儲(chǔ)藏,制備條件對(duì)膜的機(jī)械性能的影響較大,而在5 ℃環(huán)境條件下,制備條件對(duì)膜的機(jī)械性能的影響較小,證實(shí)環(huán)境溫度是影響玉米醇溶蛋白膜機(jī)械性能的一個(gè)重要的因素[6]。作為一種包裝材料特別是食品的包裝材料,防止食品的品質(zhì)劣變是蛋白膜的重要功能之一,而這種功能主要是受到蛋白膜的阻隔性能的影響,比如阻隔氧氣防止食品的氧化,膜的水分含量變化會(huì)影響到膜的阻隔性能及其機(jī)械性能,膜的水分含量受環(huán)境相對(duì)濕度的影響[8]。因此,在不同的環(huán)境濕度條件下蛋白膜的機(jī)械性能的穩(wěn)定性是限制蛋白膜應(yīng)用的一個(gè)重要因素。

為了考察玉米醇溶蛋白膜在短期存放(從成膜到應(yīng)用期間)時(shí)環(huán)境濕度對(duì)蛋白膜機(jī)械性能的影響,在前期研究基礎(chǔ)上,依據(jù)自然環(huán)境濕度變化范圍,分別選擇了高中低五個(gè)水平的相對(duì)濕度作為玉米醇溶蛋白膜的儲(chǔ)藏環(huán)境,將不同條件制備的玉米醇溶蛋白膜存放在不同的相對(duì)濕度條件下,研究其機(jī)械性能的變化,考察其在不同濕度環(huán)境條件下的穩(wěn)定性,為玉米醇溶蛋白膜性能的改進(jìn)和應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

玉米醇溶蛋白粉 蛋白質(zhì)含量91.16%±0.50%,南京都萊生物技術(shù)有限公司;無(wú)水乙醇、聚乙二醇-400、丙三醇等試劑 均為分析純。

TA. XTplus物性測(cè)定儀 英國(guó)Stable Micro System公司;螺旋測(cè)微器(1 μm) 上海量具刃具廠;AY-120分析天平 日本島津公司;81-2型磁力攪拌器 上海司樂(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。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 玉米醇溶蛋白膜的制備 玉米醇溶蛋白膜的制備參照崔和平等[6]人的方法,工藝如下:

將玉米醇溶蛋白溶解在乙醇溶液中,加入甘油和聚乙二醇,80 ℃恒溫水浴加熱15 min,然后攪拌15 min使其混合均勻,最后量取一定量的蛋白液(含蛋白質(zhì)的量為1.56 g)澆注在成膜托盤(密胺材質(zhì),130 mm×130 mm)上,設(shè)定的成膜溫度條件下在水浴加熱成膜,待膜干燥后揭膜。膜的制備條件見(jiàn)表1。為了使結(jié)果更確切的反映甘油含量所產(chǎn)生的影響,同時(shí)也能間接地反映聚乙二醇對(duì)膜機(jī)械性能產(chǎn)生的作用,在研究甘油添加量對(duì)膜的穩(wěn)定性的影響時(shí),制膜溶液中未添加聚乙二醇。

表1 玉米醇溶蛋白膜的制備條件Table 1 Preparing condition of zein films

1.2.2 儲(chǔ)藏實(shí)驗(yàn) 為了更好的控制玉米醇溶蛋白膜的儲(chǔ)藏環(huán)境條件,環(huán)境濕度分別采用MgCl2、K2CO3、Mg(NO3)2、NaNO2和(NH4)2SO4的飽和溶液進(jìn)行調(diào)節(jié)[9],對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度(Relative Humidity,RH)分別為34%、43%、54%、65%和80%。

將新制備的玉米醇溶蛋白膜存放在選定的相對(duì)濕度的密閉容器中,(20±0.5) ℃平衡48 h,測(cè)定膜的機(jī)械性能,并在此溫度條件下進(jìn)行儲(chǔ)藏實(shí)驗(yàn),每6 d測(cè)定一次玉米醇溶蛋白膜的機(jī)械性能,共儲(chǔ)藏24 d。

1.2.3 膜機(jī)械性能的測(cè)定 玉米醇溶蛋白膜的機(jī)械性能用抗拉強(qiáng)度和斷裂延伸率表示,參照崔和平等[6]的方法進(jìn)行測(cè)定。抗拉強(qiáng)度(Tensile Strength,TS)用下式表示:

式(1)

式中:TS為蛋白膜的抗拉強(qiáng)度(MPa);F為最大拉力(N);t為蛋白膜的厚度(mm);W為蛋白膜的寬度(mm),本實(shí)驗(yàn)中W是10 mm。

膜的斷裂延伸率(elongation at break,EB)用下式表示:

式(2)

式中:EB為蛋白膜的斷裂延伸率(%);30為蛋白膜拉伸前的有效長(zhǎng)度(mm);L為斷裂時(shí)蛋白膜延伸的長(zhǎng)度(mm)。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

每個(gè)玉米醇溶蛋白膜樣品至少測(cè)定5次,數(shù)據(jù)采用Excel和SPSS Statistic 19.0進(jìn)行分析,用“平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差”表示結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米醇溶蛋白濃度對(duì)玉米醇溶蛋白膜儲(chǔ)藏穩(wěn)定性的影響

不同玉米醇溶蛋白濃度下制備的玉米醇溶蛋白膜在不同濕度條件下儲(chǔ)藏,其機(jī)械性能的變化如圖1所示。

圖1 玉米醇溶蛋白濃度對(duì)玉米醇溶蛋白膜儲(chǔ)藏穩(wěn)定性的影響Fig.1 Effect of zein concentration on storage stability of zein film

從圖1(a～c)可以看出,在24 d的儲(chǔ)藏過(guò)程中,相同蛋白質(zhì)濃度成膜溶液制備的蛋白膜,在環(huán)境濕度34%、43%、54%和65%的條件下進(jìn)行儲(chǔ)藏,其機(jī)械性能的變化趨勢(shì)基本一致,TS呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì),EB則呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì);而在80%相對(duì)濕度環(huán)境條件下進(jìn)行儲(chǔ)藏,玉米醇溶蛋白膜的TS值在儲(chǔ)藏過(guò)程中呈現(xiàn)逐步增加的趨勢(shì),EB則逐漸減少,在儲(chǔ)存中后期快速降低。比較幾種環(huán)境濕度條件下玉米醇溶蛋白膜的機(jī)械性能變化,80%的相對(duì)環(huán)境濕度是對(duì)儲(chǔ)藏過(guò)程中膜的機(jī)械性能影響最大的環(huán)境濕度。

從圖1中可以看出,不同蛋白濃度的成膜溶液制備的玉米醇溶蛋白膜在34%、43%和54%的濕度環(huán)境條件下均具有較好的穩(wěn)定性。因此,以RH54%環(huán)境條件比較不同成膜溶液蛋白質(zhì)濃度制備的膜的穩(wěn)定性,結(jié)果見(jiàn)圖1d。由圖1d可以看出,10 g/100 mL成膜蛋白質(zhì)濃度制備的蛋白膜,儲(chǔ)藏期間TS和EB具有較小的變異,因此具有較好的穩(wěn)定性。12 g/100 mL蛋白濃度時(shí)成膜,儲(chǔ)藏期間蛋白膜的EB變化最大。前期研究了在43%的相對(duì)濕度條件下,不同儲(chǔ)藏溫度時(shí)成膜溶液蛋白質(zhì)濃度對(duì)膜的穩(wěn)定性的影響,同樣得出10 g/100 mL的成膜溶液蛋白質(zhì)濃度制備的膜具有較好的穩(wěn)定性[6]。

蛋白膜在儲(chǔ)藏的過(guò)程中,蛋白質(zhì)分子之間以及蛋白質(zhì)和增塑劑之間仍然發(fā)生新的交聯(lián),使蛋白膜的抗拉強(qiáng)度上升,斷裂延伸率下降[10-11]。除此之外,膜中水分含量的變化也是導(dǎo)致玉米醇溶蛋白膜的機(jī)械性能變化的一個(gè)重要誘因。水是一種小分子的物質(zhì),在蛋白膜中可以作為增塑劑,高濕環(huán)境中膜吸收的水分增加,削弱了膜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中大分子之間的相互作用,影響了蛋白膜的機(jī)械性能;在高濕環(huán)境下,蛋白膜中的聚乙二醇也容易發(fā)生老化,影響到蛋白膜的機(jī)械性能[7,10,12]。由于玉米醇溶蛋白中的疏水性氨基酸較多,對(duì)水的相容性和耐受性較差,高濕環(huán)境中更容易引起蛋白膜機(jī)械性能的變化,進(jìn)而導(dǎo)致膜的斷裂延伸率迅速下降[10]。

2.2 甘油添加量對(duì)玉米醇溶蛋白膜儲(chǔ)藏穩(wěn)定性的影響

不同甘油添加量制備的玉米醇溶蛋白膜在不同濕度條件下儲(chǔ)藏,其機(jī)械性能的變化如圖2所示。從圖2(a～c)可以看出,不同甘油添加量的玉米醇溶蛋白膜在儲(chǔ)藏期間,膜的機(jī)械性能的變化趨勢(shì)一致,TS均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì),EB呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì),這種趨勢(shì)和蛋白濃度的影響是不一樣的,在高濕度環(huán)境中,玉米醇溶蛋白膜的EB也是呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)。在研究甘油添加量的影響時(shí),制膜溶液中沒(méi)有添加聚乙二醇,這應(yīng)該是造成這個(gè)結(jié)果的直接原因。比較圖1和圖2中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),不添加聚乙二醇的條件下,玉米醇溶蛋白膜具有較大的TS值,而EB卻很小,說(shuō)明玉米醇溶蛋白膜的柔韌性較小,而剛性較大。

圖2 甘油添加量對(duì)玉米醇溶蛋白膜儲(chǔ)藏穩(wěn)定性的影響Fig.2 Effect of glycerol ratio on storage stability of zein film

相同的儲(chǔ)藏時(shí)間的玉米醇溶蛋白膜,其TS值隨著相對(duì)環(huán)境濕度的增加呈現(xiàn)減小的趨勢(shì),特別是對(duì)于甘油添加量0.3 g/g zein和0.4 g/g zein的玉米醇溶蛋白膜,儲(chǔ)存的時(shí)間越長(zhǎng),這種趨勢(shì)就越明顯,這和Lawton[13]的研究結(jié)果一致。Lawton認(rèn)為產(chǎn)生這種結(jié)果主要是因?yàn)樵诟咚汁h(huán)境條件下,增塑劑的親水性造成膜中的水分含量增加,而在幾種常用的增塑劑中,添加甘油的玉米醇溶蛋白膜的吸水性是最強(qiáng)的。甘油是親水性小分子,蛋白膜內(nèi)的甘油可以吸收環(huán)境中的水分,增加蛋白膜表面的潤(rùn)濕性,水分在蛋白膜內(nèi)部與蛋白質(zhì)分子之間產(chǎn)生相互作用(主要是氫鍵)進(jìn)而改變蛋白膜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),使膜的機(jī)械性能發(fā)生變化[14-15]。

從圖2d可以看出,相同濕度環(huán)境條件下,膜中的甘油含量越高,膜的TS值越低,而EB值越高,這是由甘油的增塑作用引起的[4]。低甘油含量條件下,蛋白膜吸收的水分減小了由甘油含量引起的膜性能的差別[16];當(dāng)?shù)鞍啄ぶ懈视吞砑恿吭黾訒r(shí),甘油吸水量增加,水分進(jìn)入蛋白膜的體積發(fā)生一定程度的膨脹,也會(huì)導(dǎo)致膜的機(jī)械性能發(fā)生變化[17-18]。Orliac等[10]研究了不同增塑劑的大豆蛋白膜在儲(chǔ)藏期間機(jī)械性能的變化,發(fā)現(xiàn)大豆蛋白膜的TS隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng)而增加,而EB則逐漸減少,認(rèn)為主要是因?yàn)樵趦?chǔ)藏過(guò)程中增塑劑的遷移和減少造成的。大豆蛋白和玉米醇溶蛋白在性質(zhì)上存在較大的差異,其疏水性造成了其與親水性的甘油的相容性較差,儲(chǔ)存過(guò)程中甘油會(huì)遷出,也會(huì)在一定程度上影響玉米醇溶蛋白膜的機(jī)械性能。

2.3 成膜溫度對(duì)玉米醇溶蛋白膜儲(chǔ)藏穩(wěn)定性的影響

不同成膜溫度下制備的蛋白膜在不同濕度條件下儲(chǔ)藏期間其TS和EB的變化見(jiàn)圖3(a～c)。在24 d的儲(chǔ)藏期間,玉米醇溶蛋白膜的TS依然是呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì),而EB則呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)。究其原因應(yīng)該和前面兩個(gè)影響因素一樣,主要是由于儲(chǔ)藏過(guò)程中水分和甘油的變化。

圖3 成膜溫度對(duì)玉米醇溶蛋白膜儲(chǔ)藏穩(wěn)定性的影響Fig.3 Effect of film forming temperature on storage stability of zein film

圖3d表示不同成膜溫度條件下制備的玉米醇溶蛋白膜在儲(chǔ)藏期間機(jī)械性能的變化。成膜溫度較高時(shí),蛋白質(zhì)分子更易變性,內(nèi)部的疏水基團(tuán)、游離巰基更容易暴露出來(lái),使得分子之間發(fā)生相互作用聚集交聯(lián)的幾率增加;同時(shí),較高的成膜溫度能夠增加成膜溶液的流動(dòng)性,聚合物鏈段的移動(dòng)加快,分子之間相互作用的速度加快,形成的蛋白膜的分子網(wǎng)絡(luò)更加致密,對(duì)膜的機(jī)械強(qiáng)度有很好的促進(jìn)作用[19-21]。

不同成膜溫度條件下制備的玉米醇溶蛋白膜在不同相對(duì)濕度環(huán)境中機(jī)械性能變化趨勢(shì)與不同蛋白濃度以及不同甘油含量制備的膜在不同的相對(duì)濕度環(huán)境中機(jī)械性能的變化趨勢(shì)基本一致。相同的儲(chǔ)藏時(shí)間內(nèi),在不同濕度環(huán)境中儲(chǔ)存的膜的機(jī)械性能差別較大,說(shuō)明對(duì)玉米醇溶蛋白膜的穩(wěn)定性起決定作用的是環(huán)境濕度,制備條件對(duì)膜的穩(wěn)定性起次要的作用。

3 結(jié)論

相對(duì)濕度對(duì)玉米醇溶蛋白膜的儲(chǔ)藏穩(wěn)定性具有顯著的影響(p<0.05)。不同的單一因素條件下制備的玉米醇溶蛋白膜,在相同的濕度環(huán)境中儲(chǔ)藏,膜的機(jī)械性能變化趨勢(shì)基本一致,而相同條件下制備的玉米醇溶蛋白膜在不同的濕度環(huán)境條件下,膜的機(jī)械性能的變化趨勢(shì)和變化幅度都有較大的差別:在34%、43%和54%的相對(duì)濕度條件下,玉米醇溶蛋白膜具有相對(duì)較好的穩(wěn)定性,而在高濕環(huán)境條件下,玉米醇溶蛋白膜的機(jī)械性能更容易發(fā)生變化。鑒于環(huán)境濕度與玉米醇溶蛋白膜的機(jī)械性能的影響,在制備玉米醇溶蛋白膜時(shí),一定要考查蛋白膜使用的環(huán)境條件。聚乙二醇能夠有效的改善玉米醇溶蛋白膜的機(jī)械性能。

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