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    小麥面筋蛋白可食膜的制備及其在調料包中的應用

    2018-06-25 11:38:38旭,劉銳,劉硯,吳濤,張
    天津科技大學學報 2018年3期
    關鍵詞:面筋氧氣乙醇

    叢 旭,劉 銳,劉 硯,吳 濤,張 民

    (食品營養(yǎng)與安全教育部重點實驗室,天津食品安全低碳制造協(xié)同創(chuàng)新中心,天津科技大學食品工程與生物技術學院,天津 300457)

    隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展和日常生活的過度消耗,大量化學包裝材料如聚乙烯等的使用造成嚴重的環(huán)境污染問題日益受到國內外的重視[1].因此,開發(fā)可再生和可降解的天然生物大分子材料為主要原料的可食性包裝對解決當前世界環(huán)境污染和生態(tài)問題具有十分重要的意義.

    小麥面筋蛋白是小麥淀粉工業(yè)生產(chǎn)的副產(chǎn)物,在我國每年總產(chǎn)量可達 30萬噸[2],其價格可與化工合成材料相競爭[3];小麥面筋蛋白可降解,具有良好的生物兼容性,滿足了社會對環(huán)境保護和生物可降解材料的需求,可廣泛用于果蔬噴涂保鮮、肉制品包裝、油炸食品包裝及焙烤食品包裝等.

    方便面在食用過程中存在調料包使用后丟棄造成的白色污染、油包撕開后容易沾到手上不方便消費者使用等問題.本研究采用單因素實驗,考察了不同制備條件對小麥面筋蛋白(WG)可食膜機械性能和阻隔性能的影響;采用響應面法優(yōu)化確定最佳成膜工藝條件;利用 SEM、AFM、FTIR和 TG 手段對 WG膜進行表征.在此基礎上,研究WG膜在方便面調料包中的應用,旨在為其工業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù).

    1 材料與方法

    1.1 原料與設備

    谷朊粉(蛋白質含量為 70.73%,),天津市利發(fā)隆化工科技有限公司;其他試劑均為國產(chǎn)分析純,國藥集團化學試劑有限公司;去離子水,實驗室自制.

    UVmini-1240型紫外-可見分光光度計,天津歐諾儀器儀表有限公司;KQ5200DB型超聲波清洗器,昆山市超聲儀器有限公司;TA.XT.Plus型質構儀,英國Stable Micro System公司;XL-3型掃描電子顯微鏡,飛利浦公司;JSPM-5200型原子力顯微鏡,日本電子公司;VECTOR 22型傅里葉變換紅外光譜,布魯克儀器公司;TGA Q50型熱重分析儀,美國 TA儀器.

    1.2 小麥面筋蛋白(WG)可食膜制備方法

    稱取一定量谷朊粉,加入 3,mL甘油和一定濃度的乙醇,使用NaOH將pH調至堿性,80,℃恒溫攪拌30,min,于16,kHz下室溫超聲15,min,真空(0.09,MPa)脫氣10,min,制得成膜溶液.量取10,mL成膜溶液倒在自制玻璃板(15,cm×15,cm)上,均勻鋪開,60,℃干燥2.5,h,取出后保存于相對濕度為54%,[4-5]的恒濕器中,待測.

    1.3 膜性能測定

    抗拉強度及斷裂伸長率根據(jù) GB/T 1040.1—2006[6]進行測定;水蒸氣透過率根據(jù) GB 1037—88[7]中擬杯子法進行測定;氧氣透過率按照文獻[8]的方法測定;透光率按照文獻[9]的方法進行測定;透油系數(shù)按照文獻[10]的方法進行測定.

    1.4 單因素實驗設計

    分別考察 pH(5、6、7、8、9、10、11、12)、蛋白添加量(8%、9%、10%、11%、12%)、乙醇體積分數(shù)(30%、40%、50%、60%、70%)和超聲時間(5、10、15、20、25,min)對 WG可食膜的氧氣透過率、水蒸氣透過率、抗拉強度、斷裂伸長率、透光率、透油系數(shù)膜性能的影響.

    1.5 膜響應面實驗設計

    在單因素分析結果基礎上,采用 Box-Benhnken實驗設計方法,選取 pH、蛋白添加量、乙醇體積分數(shù)進行3因素3水平響應面實驗.

    1.6 膜形貌及性質表征

    采用掃描電子顯微鏡觀察膜表面及其截面微觀結構,測試條件:電子束加速電壓 1.0,kV,放大倍數(shù)800倍(斷面)、3,000倍(平面);采用原子力顯微鏡進一步對膜表面進行掃描,將膜樣品裁剪為 1,cm×1.5,cm 片狀,用雙面膠黏貼在載物臺上,在輕敲模式下,采集 5,μm 范圍內膜表面掃描圖,觀察膜結構;采用傅里葉變換紅外光譜儀測定膜結構,利用 ATR單反附件,測定波數(shù)400~4,000,cm-1的吸收光譜,掃描次數(shù)為32次,分辨率為4,cm-1;采用熱重分析儀測定膜的熱穩(wěn)定性,樣品以 10,℃/min的升溫速率自40,℃升溫至 600,℃,以 N2為載體,樣品質量為 5~10,mg.

    1.7 方便面調料包模擬實驗

    將WG膜裁剪成7,cm×7,cm片狀,采用封口機進行三邊封口,分別取一定量的大豆油、食鹽、干燥蔬菜加入調料包中,隨后封口.將上述調料包置于25,℃、相對濕度為33%,[11-12]的恒濕器中,保藏 45,d,每隔 15,d測定油包過氧化值、酸價及粉包和菜包的水分含量.水分含量和過氧化值根據(jù) GB/T 5009.3—2010[13]進行測定;酸價根據(jù) GBT5530—2005[14]進行測定.

    1.8 數(shù)據(jù)處理

    采用Origin 8.5軟件對實驗數(shù)據(jù)進行單因素方差分析(one-way ANOVA),不同字母表示數(shù)據(jù)間有顯著性差異(P<0.05).

    2 結果與討論

    2.1 單因素實驗結果

    2.1.1 pH對膜性能的影響

    pH對膜性能的影響結果見表 1.小麥面筋蛋白的等電點為 7.5[15].在等電點附近,由于蛋白質之間受到分子間斥力的阻礙無法成膜.當pH為5~6時,小麥面筋蛋白分散性差,具有凝固的蛋白大顆粒,無法成膜.隨著 pH的逐漸增大,氧氣透過率呈現(xiàn)先上升后下降趨勢;水蒸氣透過率呈現(xiàn)上升的趨勢;抗拉強度、斷裂伸長率在pH為11時均達到最大值,與其他 pH下機械性能有顯著性差異;透光率先升高后降低,在pH為10時,透光率顯著性升高達到最大值.這可能是由于在堿性條件下更多的面筋蛋白溶解,促進疏水基團暴露,有利于網(wǎng)絡結構形成[11].pH 為 12時,成膜液過于黏稠,蛋白膜透光率下降,堿處理使得膜顏色變深[16].因此,遠離蛋白等電點時更適合蛋白溶解及膜的形成.

    表1 pH對膜性能的影響Tab. 1 Effects of pH on film properties

    2.1.2 蛋白添加量對膜性能的影響

    蛋白添加量對膜性能的影響見表 2.隨著蛋白添加量的逐漸增加,氧氣透過率呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢,蛋白添加量在 9%,時達到最低,顯著低于其余蛋白添加量時的氧氣透過率;水蒸氣透過率逐漸降低;抗拉強度呈現(xiàn)增大的趨勢,斷裂伸長率呈減小的趨勢;透光率先增大后減小,在蛋白添加量為 10%,時透光率顯著上升達到最大值.這可能是由于蛋白膜中的蛋白含量較低時,膜液中的蛋白質分子相互之間較分散,分子碰撞接觸的機會少,因此阻水性和阻氧性均較差.隨著蛋白質濃度的增加,參與反應的蛋白質分子數(shù)目增加,分子間碰撞增加,蛋白膜阻隔性能、機械性能得到提升.當?shù)鞍踪|濃度進一步增加,蛋白質分子無法完全溶解,導致制得的蛋白膜不均勻;雖然抗拉強度提高、阻隔性能增加,但是由于蛋白質分子沒有完全溶解,且得到的薄膜外觀性能不良,因此研究意義不大[17].

    表2 蛋白添加量對膜性能的影響Tab. 2 Effects of protein content on film properties

    2.1.3 乙醇體積分數(shù)對膜性能的影響

    乙醇體積分數(shù)對膜性能的影響見表 3.隨著乙醇體積分數(shù)的增加,氧氣透過率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,在乙醇體積分數(shù)為 60%,時達到最低,較其他乙醇體積分數(shù)下的氧氣透過率有顯著性降低;水蒸氣透過率呈先減小后增大的趨勢,在乙醇體積分數(shù)為 60%,時顯著性降低;抗拉強度先增大后減小,在乙醇體積分數(shù)為 60%,時達到最大值,顯著高于其他乙醇體積分數(shù)的抗拉強度;斷裂伸長率沒有顯著性差異;透光率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,在乙醇體積分數(shù)為50%,時達到最低.這可能是由于小麥面筋蛋白中麥醇蛋白含量較高,隨著乙醇所占比例的增大,增強了麥醇蛋白的溶解性,而麥谷蛋白溶于堿性溶液,在乙醇體積分數(shù)為 60%,時,溶液溶解的麥醇蛋白與麥谷蛋白比例合適,容易形成均勻的蛋白膜.乙醇體積分數(shù)增大,水體積減少,溶液溶解的麥谷蛋白減少,會致使膜相對不均勻,膜表觀狀態(tài)較差,水蒸氣透過率顯著增加[18].

    2.1.4 超聲時間對膜性能的影響

    超聲時間對膜性能的影響見表 4.隨著超聲時間的增加,氧氣透過率先減小后增大,在超聲時間為15,min時達到最小值,顯著低于其他超聲時間;水蒸氣透過率先降低后升高,在超聲時間為 20,min時顯著降低達到最小值;抗拉強度隨超聲時間的增加而逐漸增加,在超聲時間為25,min時達到最大值;斷裂伸長率呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢;透光率呈減小的趨勢.這可能是由于超聲空化效應使水中微小泡核在超聲波作用下不斷表現(xiàn)為振蕩、膨脹、收縮和爆裂或崩毀等一系列動力學行為,蛋白分子構象發(fā)生變化,從而導致蛋白質的結構展開,疏水基團外露,水蒸氣透過率減小,蛋白膜阻水性能增強;超聲處理還會產(chǎn)生熱作用,分子立體結構更為舒展,使得蛋白在溶劑中充分分散[19],網(wǎng)絡結構更為致密,機械強度增強,氧氣透過率降低.

    表3 乙醇體積分數(shù)對膜性能的影響Tab. 3 Effects of ethanol concentration on film properties

    表4 超聲時間對膜性能的影響Tab. 4 Effects of ultrasonic time on film properties

    以上因素在各自水平下均測定了蛋白膜的透油系數(shù),但均未檢測出,說明蛋白膜具有良好的阻油性.

    2.2 響應面設計實驗結果及驗證實驗

    按照表5設計響應面實驗組合進行實驗,結果見表 6.分別以氧氣透過率、抗拉強度為響應值,利用軟件對所得數(shù)據(jù)進行回歸分析,建立二次響應回歸模型,擬合得到二次回歸方程式(1),并對回歸方程進行方差分析,分析結果見表7、表8.A表示pH,B表示蛋白添加量,C表示乙醇體積分數(shù).

    以氧氣透過率為響應值,經(jīng)回歸擬合后,各實驗因子對響應值的影響可表示為

    表5 響應面實驗設計因素水平表Tab. 5 Response surface experimental design for WG film preparation

    表6 響應面實驗結果Tab. 6 Results of response surface experiments

    表7 以氧氣透過率為響應值的響應面分析結果Tab. 7 Anlysis results of response surface experiments

    表8 以抗拉強度為響應值的響應面分析結果Tab. 8 Anlysis results of response surface experiments

    這個模型的 R2=0.904,2,接近于 1,說明過氧化值模型與實驗擬合較好.

    對氧氣透過率建立的整體模型為極顯著(P<0.01),說明該擬合方程與實際相符,且誤差較小.擬合方程一次項中,蛋白添加量、乙醇體積分數(shù)對氧氣透過率有極顯著影響.在選擇的實驗范圍內,3個因素對氧氣透過率的影響順序為乙醇體積分數(shù)>蛋白添加量>pH.二次項中,pH、蛋白添加量、乙醇體積分數(shù)對氧氣透過率影響顯著(圖 1).失擬項 P=0.089,2>0.05,不顯著.響應值的變異系數(shù)CV較低,為4.64%,,說明實驗操作是可信的.

    以抗拉強度為響應值,經(jīng)回歸擬合后,各實驗因子對響應值的影響可表示為

    這個模型的 R2=0.907,6,接近于 1,說明抗拉強度模型與實驗擬合較好.

    對抗拉強度建立的整體模型為極顯著(P<0.01),說明該擬合方程與實際相符,且誤差較?。當M合方程一次項中,蛋白添加量對抗拉強度影響顯著,乙醇體積分數(shù)對抗拉強度影響極顯著.在選擇的實驗范圍內,對抗拉強度的影響順序為乙醇體積分數(shù)>蛋白添加量>pH.二次項中,pH、蛋白添加量、乙醇體積分數(shù)對抗拉強度影響顯著(圖 2).交互項中蛋白添加量和乙醇體積分數(shù)對抗拉強度影響顯著.失擬項P=0.473,7>0.05,不顯著.

    為了檢驗響應面法優(yōu)化成膜工藝的可靠性,采用優(yōu)化后的成膜工藝進行實驗,參考實際操作,優(yōu)化后的工藝參數(shù)為pH,11.40、蛋白添加量10.70%、乙醇體積分數(shù)57%,.進行3組驗證實驗.其中氧氣透過率理論預測值 20.35,meq/kg,實際值 20.74,meq/kg;抗拉強度理論預測值12.434,MPa,實際值12.982,MPa.

    圖1 因素相互作用對氧氣透過率影響的響應面和等高線圖Fig. 1 Response surface plots for the effect of interactions on peroxide value

    圖2 因素相互作用對抗拉強度影響的響應面和等高線Fig. 2 Response surface plots for the effect of interactions on tensile strength

    2.3 膜形貌及性質表征

    2.3.1 掃描電鏡表征

    采用SEM表征最佳成膜工藝的小麥面筋蛋白膜的微觀形貌,結果如圖 3所示.掃描電鏡顯示出的微觀結構可以直接反映出蛋白膜的致密性和均一性,由小麥面筋蛋白膜的截面及平面微觀結構可知,小麥面筋蛋白膜表面較平整,斷面僅有少量空隙,膜的致密性增強,機械性能和阻隔性能也相應增強.

    圖3 小麥面筋蛋白膜的掃描電鏡圖Fig. 3 Scanning electron microscope(SEM)observations of wheat gluten film

    2.3.2 原子力顯微鏡表征

    小麥面筋蛋白膜5,μm×5,μm掃描范圍內的相位圖和三維生成圖見圖 4.原子力顯微鏡顯示出小麥面筋蛋白膜表面具有一定的粗糙度.通過計算,蛋白膜表面平均粗糙度為23.9,nm,均方根粗糙度為30.7,nm.

    圖4 小麥面筋蛋白膜的相位圖和三維合成圖Fig. 4 Phase map and the three-dimension graph of wheat gluten film

    2.3.3 紅外光譜分析

    使用傅里葉變換紅外光譜考察小麥面筋蛋白膜的結構,結果如圖 5所示.蛋白膜在 3,304,cm-1處出現(xiàn)N—H和O—H特征吸收峰,在2,930,cm-1處出現(xiàn)C—H 特征吸收峰,在 1,657,cm-1處觀察到酰胺Ⅰ帶H—N—H彎曲振動和C=O伸縮振動,在1,545,cm-1處觀察到酰胺Ⅱ帶N—H彎曲振動,在1,241,cm-1處觀察到酰胺Ⅲ帶 C—N 伸縮振動峰,1,078,cm-1為C—O—C 和 C—O—H 伸縮振動峰[20].此結論與文獻中小麥面筋蛋白膜紅外光譜分析結論相對比,發(fā)現(xiàn)N—H和 O—H特征吸收峰向高波數(shù)移動,發(fā)生藍移,意味著小麥面筋蛋白與乙醇和甘油通過氫鍵相互作用結合,能量變高,結構更加穩(wěn)定.

    圖5 小麥面筋蛋白膜紅外圖譜Fig. 5 FTIR spectrum of wheat gluten film

    2.3.4 熱失重分析

    小麥面筋蛋白膜的熱失重分析曲線見圖 6.由圖6可以明顯觀察到TG曲線有3個熱轉變區(qū)域:第一階段的降解發(fā)生在 73.40,℃,失重8.874%,,這一階段的熱損失主要是由水分蒸發(fā)引起的;第二個熱降解階段發(fā)生在 279.99,℃,失重 17.68%,,這一階段的熱降解主要是由于增塑劑甘油化合物(含量 30%)的蒸發(fā)以及蛋白側鏈的斷裂;第三階段發(fā)生在 342.85,℃,失重 54.30%,熱分解趨于終端,這一階段的熱降解主要是由于蛋白主鏈的破損和肽鍵斷裂造成的.此結論與韓立娟[21]對小麥面筋蛋白膜 TG曲線分析的結論相一致,但相比較文獻中第一階段 100,℃、第二階段180,℃、第三階段280,℃,熱分解溫度均有所升高,說明工藝優(yōu)化后的小麥面筋蛋白膜網(wǎng)狀結構更加致密,結構更穩(wěn)定,熱穩(wěn)定性增強,與微觀結構觀察結果相一致.

    圖6 小麥面筋蛋白膜的TG曲線Fig. 6 TG curves of wheat gluten film

    2.4 蛋白膜的應用

    2.4.1 儲存時間對油脂過氧化值及酸價的影響

    儲存時間對油脂過氧化值、酸價的影響如圖7所示.隨著儲存時間的增加,油脂的過氧化值、酸價呈現(xiàn)緩慢增長的趨勢,說明油脂發(fā)生緩慢酸?。趦Υ娴?45天時,過氧化值為 2.23,meq/kg,酸價為 0.85 mg/g,沒有超出國家規(guī)定的食用植物油要求[22](過氧化值≤19.8,meq/kg,酸價≤3,mg/g),油包表面沒有油脂析出,包裝表觀完整無破裂,說明通過工藝優(yōu)化的小麥面筋蛋白膜作為調料包裝對油脂具有較好的阻氧性和阻油性.

    圖7 儲存時間對油脂過氧化值及酸價的影響Fig. 7 Effect of storage time on lipid peroxide value and acid value

    2.4.2 儲存時間對粉包、蔬菜包水分含量的影響

    儲存時間對粉包、蔬菜包水分含量的影響如圖 8所示.

    圖8 儲存時間對水分含量的影響Fig. 8 Effect of storage time on the moisture content

    調料包在儲存期內要保證粉末和蔬菜不會由于包裝的通透性吸水過多導致粉料的結塊和蔬菜的膨脹、變色、變質,因此包裝的阻水性顯得尤為重要.隨著儲存時間的增加,粉包水分含量呈現(xiàn)緩慢增長的趨勢,蛋白膜包裝與塑料包裝在相同時間內的水分含量有顯著性差異.文獻報道[23]粉包水分含量應低于4%,蛋白膜包裝粉包在儲藏期 45,d時水分含量為3.38%,外觀完整,無破裂,粉料沒有發(fā)生結塊現(xiàn)象,說明蛋白膜對于方便面粉包在短期內具有一定的包裝作用.

    隨著儲存時間的增加,蔬菜包水分含量呈現(xiàn)增長的趨勢,蛋白膜包裝的蔬菜水分含量顯著高于塑料薄膜包裝.文獻報道[23]蔬菜包水分含量應低于 8%,蛋白膜包裝的蔬菜包在儲藏期 45,d時水分含量為6.31%,蛋白膜包裝外觀完整,無破裂,蔬菜包無膨脹現(xiàn)象,說明在短期可以起到替代塑料包裝的效果.

    3 結 論

    在單因素實驗的基礎上通過響應面設計實驗研究了 pH、蛋白添加量、乙醇體積分數(shù)對小麥面筋蛋白膜機械性能及阻隔性能的影響,結果表明:當 pH為 11.40、蛋白添加量為 10.70%、乙醇體積分數(shù)為57%時,小麥面筋蛋白膜的綜合性能最優(yōu),WG膜氧氣透過率為 20.74,meq/kg,抗拉強度為 12.98,MPa.由微觀形貌觀察可知,優(yōu)化后的小麥面筋蛋白膜表面平整、光滑,僅有少量空隙,膜的致密性增強;熱穩(wěn)定性增強,熱降解溫度升高.通過模擬方便面調料包保藏實驗可知:在保藏 45,d時,油脂過氧化值、酸價指標均在國家標準要求范圍內;粉包、蔬菜包外觀完整,無破裂,無膨脹現(xiàn)象.研究結果為小麥面筋蛋白膜的實際應用提供了理論支持.

    目前可食性小麥面筋蛋白膜沒有大量商業(yè)生產(chǎn)主要是由于機械強度有所不足,阻水性差,限制了它的實際生產(chǎn)應用.今后通過對小麥面筋蛋白膜改性等研究,改善蛋白膜的機械性能、阻隔性能,拓展小麥面筋蛋白膜在食品行業(yè)的應用范圍.

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