液體石蠟對麥麩纖維/小麥麩質(zhì)蛋白復(fù)合膜性能的影響

余國賢 高 佳 康 欣 吳賀君 黎杉珊 申光輝 張志清

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，雅安 625014)

小麥麩質(zhì)蛋白,又稱小麥面筋蛋白、谷朊粉(wheat gluten，WG)其膜因優(yōu)良的熱封性、阻氧性、阻油性且安全可降解，受到廣泛關(guān)注[1]。但小麥麩質(zhì)蛋白膜的機械強度低、阻水性差，限制了其在食品工業(yè)中的應(yīng)用[2]。因此，改善小麥麩質(zhì)蛋白膜的機械性能、阻水性能是當前研究的熱點問題。植物纖維素作為天然高分子，擁有良好的生物相容性和降解性，且機械強度高，通常被用作天然增強材料。國內(nèi)外研究表明，添加纖維素的可提高植物蛋白基膜的機械性能[3-5]。但是，纖維素分子擁有豐富的親水性基團—OH，與小麥麩質(zhì)蛋白復(fù)合成膜，其阻水性能仍與實際應(yīng)用存在一定的差距。

脂類物質(zhì)疏水性好，可有效阻止水分的吸附和傳遞，在改善蛋白膜阻水性能方面具有良好的應(yīng)用潛力。常南[6]利用石蠟、蜂蠟和月桂酸分別對小麥麩質(zhì)蛋白膜進行復(fù)合改性，結(jié)果表明添加適量脂質(zhì)可有效地提高小麥麩質(zhì)蛋白膜的阻水性和阻氧性。Kowalczyk等[7]將乳脂、小燭樹蠟、卵磷脂和油酸與豌豆分離蛋白復(fù)合成膜，結(jié)果顯示乳脂與小燭樹蠟?zāi)茱@著降低復(fù)合膜水蒸氣透過系數(shù)。Gontard等[8]研究表明，蜂蠟?zāi)茉鰪娦←滬熧|(zhì)蛋白膜的阻水性，但會降低其機械性能。

液體石蠟屬于強疏水性脂質(zhì)，具有穩(wěn)定性好、黏度低、乳化性能優(yōu)良及密度適中等優(yōu)點，與蛋白或多糖復(fù)合成膜結(jié)構(gòu)致密，阻水性能強[9-10]。目前對蛋白基膜性能的改善，大部分為向單一蛋白基質(zhì)中添加多糖或者脂質(zhì)以改善其性能，而向多糖/蛋白復(fù)合膜液中添加脂質(zhì)以改善膜阻水性能的研究還較少。因此，為進一步提高麥麩纖維/小麥麩質(zhì)蛋白復(fù)合膜阻水性能，本研究通過向麥麩纖維/小麥麩質(zhì)蛋白復(fù)合成膜系統(tǒng)中添加不同質(zhì)量分數(shù)的液體石蠟，運用數(shù)學(xué)模型對復(fù)合膜的等溫吸濕曲線進行擬合，考察添加液體石蠟對復(fù)合膜的吸濕動力學(xué)過程和吸濕性能的影響，并比較所制備的復(fù)合膜透水性能、力學(xué)性能及光學(xué)性能等指標的差異。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小麥麩質(zhì)蛋白，粗蛋白質(zhì)量分數(shù)≥75%；麥麩；單甘酯(食品級)；高效切片石蠟;其他化學(xué)試劑均為分析純。

1.2 主要儀器設(shè)備

ST16R冷凍離心機；ZNC-300超微粉碎機；FJ200-SH高速分散機；GJJ高壓均質(zhì)機；TA-XT Plus質(zhì)構(gòu)儀；UV-3100紫外-可見分光光度計；NR10QC便攜式色差儀；OCAH-200視頻接觸角測試儀。

1.3 方法

1.3.1 麥麩纖維素的制備

取適量經(jīng)預(yù)處理的麥麩以1∶10(g/mL)混合，煮沸10 min，用NaOH調(diào)節(jié)pH至13左右，并于80 ℃水浴中浸提4 h，洗滌至中性；再用HCl調(diào)節(jié)pH至1～2，于60 ℃水浴中浸提2～3 h，洗滌至中性。用75%的乙醇脫水后干燥，經(jīng)超微粉碎機粉碎至120目以上備用[11-12]。

1.3.2 復(fù)合膜的制備

稱取25.6 g小麥麩質(zhì)蛋白粉溶于154 mL體積分數(shù)為35%的乙醇溶液中，于45 ℃水浴加熱攪拌，使其分散均勻，調(diào)節(jié)pH值至11.5，于80 ℃水浴反應(yīng)15 min進行熱堿改性，45 ℃保溫備用。取14.4 g麥麩纖維素分散于160 mL蒸餾水中，高速分散10 min備用。將麥麩纖維素液緩慢加入小麥麩質(zhì)蛋白液中，電動攪拌器不斷攪拌使之混合均勻，取86 mL無水乙醇使小麥麩質(zhì)蛋白液補齊到相同乙醇體積分數(shù)，調(diào)節(jié)pH值至11.5，加入8 g甘油和0.06 g黃原膠，高速分散5 min，25～30 MPa高壓均質(zhì)10 min，45 ℃下保溫備用。同時，分別稱取質(zhì)量分數(shù)0%、5%、10%、15%、20%的液體石蠟(以小麥麩質(zhì)蛋白和麥麩纖維素干粉總量計)，并加入總質(zhì)量分數(shù)10%的乳化劑單甘酯和吐溫-80(以液體石蠟質(zhì)量計，其中單甘酯與吐溫-80質(zhì)量比為2∶3)于50 ℃水浴中乳化均勻。將乳化好的液體石蠟倒入保溫待用的麥麩纖維素/小麥麩質(zhì)蛋白復(fù)合膜液中，高速分散15 min，真空脫氣至無氣泡。取22.5 mL膜液倒入自制有機玻璃框(15 cm×15 cm)均勻流延，靜置30 min，于55 ℃下干燥成膜。復(fù)合膜置于相對濕度(RH)53% ±1% (內(nèi)裝飽和硝酸鎂溶液保持其濕度)的干燥器中，(25±1) ℃下平衡48 h后測定性能指標[12]。

1.3.3 復(fù)合膜性能指標測定

1.3.3.1 膜厚度的測定

根據(jù)GB/T 6672—2001《塑料薄膜和薄片厚度測定-機械測量法》，采用電子數(shù)顯千分尺測量膜的四個頂點和中心點，取其平均值，用于各項性能計算。

1.3.3.2 膜吸濕性能的測定

復(fù)合膜裁剪成3 cm×3 cm的正方形片，于真空干燥箱中干燥24 h至恒重(-0.09 MPa，45 ℃)，然后放于(25±1) ℃下RH為11%、22%、43%、58%、75%、81%和92%(分別用氯化鋰、醋酸鉀、碳酸鉀、溴化鈉、氯化鈉、溴化鉀、硝酸鉀的飽和鹽溶液控制)的干燥器中，定時稱重，至吸濕平衡。吸濕率M按式(1)計算。每個試樣重復(fù)3次取平均值。

(1)

式中：M1、M2分別表示吸濕前、后試樣的質(zhì)量/g。

利用Peleg數(shù)學(xué)模型[13]對RH為43%、58%、75%的數(shù)據(jù)進行擬合，見式(2)。

(2)

式中：Mt為吸濕t小時后的吸濕率/%；M0為最初的含濕量/%；k1、k2為速率常數(shù)，k1越大，初始吸濕速率越小，k2越大，吸濕速率越小。

用決定系數(shù)(R2)和相對平均偏差(E)評定模型擬合效果。相對平均偏差模量E按式(3)計算[14]。

(3)

式中：n為實驗數(shù)據(jù)數(shù)；Mi、Mpi分別為實驗測得的第i次吸濕率和擬合的第i次吸濕率。E值小于5表示擬合精確，E值小于10表示擬合較好，E值大于10表示擬合效果差。

1.3.3.3 膜的吸附等溫線模擬

BET、GAB理論模型和Oswin經(jīng)驗?zāi)Ｐ褪菙M合吸附數(shù)據(jù)常用的模型，Lewicki理論模型常用于模擬小麥面粉吸附特性擬合[13]。模型方程式見表1，模型擬合效果評價方法同1.3.3.2。

表1 4種吸附等溫模型方程

注：Meq表示為水分活度為aw時的水分含量(g水/g干重)，m0為單分子層吸附值(g水/g干重)。

1.3.3.4 膜透水性能的測定

參照GB/T 1037—1988《塑料薄膜和片材透水蒸氣性試驗方法》，采用擬杯子法測定其水蒸氣透過系數(shù)(water vapor permeability，WVP)[12]。每個膜樣重復(fù)3次取其平均值。WVP單位為g·cm-1·s-1·Pa-1。

1.3.3.5 膜機械性能的測定

將待測膜樣裁成50 mm×10 mm長方形，參照ASTMD-882(1999)的方法，用質(zhì)構(gòu)儀測定膜的抗拉強度(tensile strength，TS)和斷裂伸長率(elongation at break，EAB)，夾距間距30 mm，測試速度1 mm/s[12]。每個膜樣重復(fù)測量6次。TS單位為MPa，EAB單位為%。

1.3.3.6 膜光學(xué)性能的測定

以空白玻璃比色皿為對照，采用分光光度法測定膜樣在600 nm處的透光率，并計算其透明度值[12]。每個膜樣重復(fù)3次取其平均值。透明度值越大，復(fù)合膜的透明度越小。

使用便攜式色差儀測定復(fù)合膜顏色變化。將待測膜樣放在白色A4紙上，A4紙顏色參數(shù)(L=79.51、a=4.82、b=8.83)，測定膜樣的L*、a*、b*和總色差ΔE值。顏色指數(shù)是L=0(黑色)到L=100(白色)，-b(藍色)到+b(黃色)，-a(綠色)到+a(紅色)。每個膜樣重復(fù)3次取其平均值。ΔE按式(4)計算[15]。

ΔE=[(L*-L)2+(a*-a)2+(b*-b)2]0.5

(4)

式中：L*、a*和b*為復(fù)合膜樣品的顏色參數(shù)；L、a和b為標準白板顏色參數(shù)。

1.3.3.7 膜水接觸角的測定

使用光學(xué)接觸角儀測試膜樣表面的靜態(tài)水接觸角。取一滴去離子水滴到待測膜樣表面，1 min后取值。每個膜樣重復(fù)3次取其平均值。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理與分析

所有實驗數(shù)據(jù)均以平均數(shù)±標準差表示。采用SPSS 20.0軟件進行數(shù)據(jù)處理，Origin 9.0軟件進行模型擬合和繪圖。ANOVA法進行方差分析，Duncan’s多重比較法進行顯著性檢驗(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合膜的吸濕動力學(xué)

添加液體石蠟對麥麩纖維/小麥麩質(zhì)蛋白復(fù)合膜吸濕曲線的影響結(jié)果見圖1。

圖1 不同相對濕度(RH)下液體石蠟對麥麩纖維/小麥麩質(zhì)蛋白復(fù)合膜吸濕曲線的影響

由圖1可見，復(fù)合膜的吸濕率隨時間的增加而增加，在吸濕過程的初始階段(0～10 h)，其吸濕率迅速增加，隨后增加緩慢，直至吸濕平衡。相同RH條件下，復(fù)合膜的平衡吸濕率隨液體石蠟添加量的增加而降低，液體石蠟添加量為20%時，43%、58%和75% RH下的平衡吸濕率分別為5.08%、8.44%和12.27%，分別比對照(5.99%、10.61%和16.58%)降低了約15.2%、20.5%和25.0%。同一液體石蠟添加量下，復(fù)合膜的平衡吸濕率隨環(huán)境相對濕度的增大而提高。

由表2可知，將不同RH條件下的復(fù)合膜吸濕曲線進行Peleg模型擬合，決定系數(shù)R2均大于0.97，相對平均偏差模量E值均小于5%，模型擬合效果好，表明Peleg模型適用于模擬添加液體石蠟的麥麩纖維/小麥麩質(zhì)蛋白復(fù)合膜吸濕過程。在RH(43%、58%)較低情況下，添加液體石蠟對復(fù)合膜吸濕曲線常數(shù)k1和k2均有影響，k1值隨液體石蠟添加量的增加呈上升趨勢，在液體石蠟添加為20%時達最大值，為空白對照組的4.47倍和3.78倍；k2值則表現(xiàn)為先增大后減小。表明添加液體石蠟?zāi)苡行Ы档蛷?fù)合膜的初始吸濕速率和吸濕速率，且液體石蠟的用量越大，復(fù)合膜的初始吸濕速率越小，吸濕速率先降低后增加。其原因為在較低的RH下，適量液體石蠟的加入而引入大量的疏水基團，增大了水蒸氣在復(fù)合膜表面吸附擴散的阻力[10,16]，從而降低吸濕性能。液體石蠟添加量過大(20%)，在成膜體系中均勻分散困難而形成不連續(xù)結(jié)構(gòu)，使得吸濕速率增加。RH為75%時，液體石蠟的加入使k1和k2降低，且都在20%液體石蠟添加量下達最低值，比空白對照降低了約57.8%和12.0%。表明在高RH條件下，加入液體石蠟提高了復(fù)合膜的初始吸濕速率和吸濕速率，隨著液體石蠟量添加量越大，復(fù)合膜的初始吸濕速率和吸濕速率都呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，但添加液體石蠟的復(fù)合膜平衡吸濕率均低于未添加液體石蠟的復(fù)合膜。因此，添加液體石蠟的復(fù)合膜在不同RH條件下的吸濕動力學(xué)過程不同。

表2 不同相對濕度下Peleg模型擬合的吸濕曲線常數(shù)(k1和k2)、決定系數(shù)(R2)及相對平均偏差模量(E)

2.2 復(fù)合膜的吸附等溫線

吸附等溫線是描述在一定的溫度和壓力下，物料平衡含水率與水活度之間的熱力學(xué)關(guān)系，可用于預(yù)測親水膜材料的吸濕特性，并深入分析水與親水膜材料組分間的相互作用[17-18]。由圖2可知，25 ℃條件下，隨著水分活度(aw)的增加，麥麩纖維/小麥麩質(zhì)蛋白復(fù)合膜的水分含量呈整體上升的趨勢，且與對照相比，添加液體石蠟可降低復(fù)合膜的水分含量。在較低水分活度(aw< 0.6)下，復(fù)合膜的水分含量增加緩慢，隨后急劇上升。

圖2 25 ℃條件下液體石蠟對麥麩纖維/小麥麩質(zhì)蛋白復(fù)合膜吸附等溫曲線的影響

由表3可知，通過GAB模型擬合的R2均大于0.99，且E值均小于5%，模型擬合精確；通過BET模型擬合的R2均大于0.98，其最高E值范圍介于5%～10%，可用于復(fù)合膜的吸附等溫曲線模型擬合；通過Oswin和Lewicki模型擬合的大部分E值大于10%，表明模型擬合效果差。

GAB模型中，單分子層吸附值m0表示每克干復(fù)合膜以單分子層形式排列后的最大吸濕量，可以用于衡量吸附位點的多少[19]。從表3可以看出，液體石蠟的添加降低了m0值，且在添加量為20%時達m0值最低，較對照降低了約40.4%，表明添加液體石蠟有效阻礙了一部分水分子在復(fù)合膜表面的吸附，從而降低復(fù)合膜的吸濕性能。C和k值均為熱力學(xué)比例常數(shù)[20]，其中C值隨液體石蠟添加量的增加表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，添加15%液體石蠟復(fù)合膜的C值最高，比對照提高了約4.51倍。C值增加，表明單分子層的吸附熱升高，水分子與復(fù)合膜表面吸附點的結(jié)合強度增大，水分子在復(fù)合膜表面吸附后不易解吸，復(fù)合膜具有更強的持水能力。GAB模型相較于BET模型，擬合結(jié)果更精確，因為GAB模型中引入了k值，而k值與復(fù)合膜的多分子層吸附熱相關(guān)[21]，表明添加液體石蠟的麥麩纖維/小麥麩質(zhì)蛋白復(fù)合膜水分子吸附過程解釋為多分子層吸附更為準確。

表3 25 ℃條件下復(fù)合膜吸附等溫模型參數(shù)、決定系數(shù)(R2)及相對平均偏差模量(E)

注：“—”表示模型無該參數(shù)。

2.3 復(fù)合膜的透水性能

圖3 液體石蠟添加量對麥麩纖維/小麥麩質(zhì)蛋白復(fù)合膜抗拉強度、斷裂伸長率和水蒸氣透過率的影響

由圖3可知，添加液體石蠟后，麥麩纖維/小麥麩質(zhì)蛋白復(fù)合膜WVP降低，且隨液體石蠟添加量的增加呈先降低后升高的趨勢。液體石蠟添加量為15%時，復(fù)合膜的WVP最小，為0.847×10-12g·cm-1·s-1·Pa-1，比對照(WVP=1.624×10-12g·cm-1·s-1·Pa-1)降低了約47.8%。液體石蠟屬于典型的強疏水性物質(zhì)，加入復(fù)合膜液中，減少了水分子與復(fù)合膜中親水基團結(jié)合，宏觀表現(xiàn)為WVP的降低。但液體石蠟添加過量，導(dǎo)致乳化不均，在復(fù)合膜中形成不連續(xù)狀態(tài)，而導(dǎo)致復(fù)合膜WVP升高。進一步分析，水蒸氣透過膜的過程包括吸附—擴散—解吸三步[22]，根據(jù)表3中GAB模型對復(fù)合膜吸附等溫線的擬合數(shù)據(jù)，與對照相比，加入15%液體石蠟，使得m0值降低，C值升高，表明水蒸氣在復(fù)合膜表面的吸附量減少，且吸附強度增大，水蒸氣在復(fù)合膜表明解吸更為困難，解吸量降低，從而表明出WVP的下降。

2.4 復(fù)合膜的機械性能

由圖3可見，復(fù)合膜TS和EAB均隨液體石蠟添加量的增加而降低，液體石蠟添加量為5%時，和EAB降低都顯著(P<0.05)。隨著添加量繼續(xù)增大，其TS和EAB降低變緩，液體石蠟添加量10%～15%，TS下降不顯著；在添加量為5%～15%時，EAB下降不明顯。這是因為液體石蠟含有大量的疏水基團，與麥麩纖維和小麥麩質(zhì)蛋白復(fù)合，降低了其原有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的致密程度[23]，導(dǎo)致其機械性能降低。

2.5 復(fù)合膜的光學(xué)性能

由表4可知，在液體石蠟添加量為0%～15%時，b*未有顯著變化，表明復(fù)合膜的顏色向黃色方向變化不明顯。添加液體石蠟使得復(fù)合膜的L*、a*和總色差ΔE變化顯著(P<0.05)，其中L*隨液體石蠟添加量的增加而降低，a*和總色差ΔE均隨著液體石蠟添加量的增加而升高，表明復(fù)合膜的顏色在往黑色和紅色方向變化，這可能與液體石蠟的添加增加了麥麩纖維素和小麥麩質(zhì)蛋白中的脂溶性色素溶出量有關(guān)[24]。復(fù)合膜的透明度值隨液體石蠟添加量的增加而增大，當液體石蠟添加量為20%時，其透明度值最高，比對照膜樣增加了約71.6%，說明添加液體石蠟的復(fù)合膜能有效阻擋部分自然光線的透射，但又仍然保持著一定的透明性，適用于一些光敏性物質(zhì)的包裝。

表4 液體石蠟添加量對麥麩纖維/小麥麩質(zhì)蛋白復(fù)合膜色澤和透明度值的影響

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05),下同。

2.6 復(fù)合膜的接觸角

由表5可知，添加液體石蠟?zāi)茱@著增大復(fù)合膜的水接觸角(P<0.05)，且隨液體石蠟添加量的增加呈現(xiàn)出先增加后降低的變化規(guī)律。未添加液體石蠟的復(fù)合膜水接觸角為54.2°，親水性較強，當添加15%液體石蠟時達最大，比對照膜樣增加了約63.9%。結(jié)果表明添加液體石蠟?zāi)苡行г鰪姀?fù)合膜的疏水性，且在添加量為15%時，疏水性最強。這一結(jié)果主要是因為液體石蠟本身為強疏水性物質(zhì)，加入復(fù)合膜液成膜可以阻礙一部分親水基團與水分子結(jié)合，這也與復(fù)合膜吸附等溫線的分析結(jié)果相吻合。

表5 液體石蠟添加量對麥麩纖維/小麥麩質(zhì)蛋白復(fù)合膜水接觸角的影響

3 結(jié)論

添加液體石蠟可降低麥麩纖維/小麥麩質(zhì)蛋白復(fù)合膜的平衡吸濕率，改善復(fù)合膜的吸濕性能。通過Peleg模型研究RH為43%、58%和75%的吸濕動力學(xué)發(fā)現(xiàn)，不同RH條件下，添加液體石蠟的復(fù)合膜吸濕動力學(xué)過程不同。在低相對濕度下，添加液體石蠟會使復(fù)合膜的初始吸濕速率和吸濕速率降低；高相對濕度下，添加液體石蠟會提高復(fù)合膜的初始吸濕速率和吸濕速率。等溫吸附曲線模型擬合結(jié)果表明，GAB模型對麥麩纖維/小麥麩質(zhì)蛋白復(fù)合膜吸附等溫線的擬合效果最好(R2>0.99，E<5%)，液體石蠟?zāi)芙档蛷?fù)合膜的單分子層吸附值，增大水分子與復(fù)合膜大分子間的結(jié)合強度。液體石蠟作為強疏水性脂質(zhì)，可大幅度降低麥麩纖維/小麥麩質(zhì)蛋白復(fù)合膜的透水性，增大復(fù)合膜的水接觸角，添加質(zhì)量分數(shù)15%的液體石蠟可使復(fù)合膜的WVP值降低約47.8%，水接觸角從54.2°增大至88.9°。此外，添加液體石蠟降低了復(fù)合膜的抗拉強度、斷裂伸長率和透明度，加深了復(fù)合膜的色澤。綜合添加液體石蠟對復(fù)合膜的各項性能影響，15%液體石蠟添加量所制備的液體石蠟/麥麩纖維/小麥麩質(zhì)蛋白復(fù)合膜具有良好的阻水性能，并保持一定的機械強度和透光性。