基于大豆分離蛋白的環(huán)境友好型包裝材料研究進(jìn)展

孫嘉臨，袁玉嬌，曾渙煌，楊覲伊，穆凱宇，閆景云，劉夫國(guó)，馬翠翠

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 楊凌，712100)

食品包裝能夠避免食品直接暴露在空氣中，對(duì)于微生物、氧氣以及二氧化碳具有一定的阻隔作用，在一定程度上能夠有效延緩食品腐敗變質(zhì)，延長(zhǎng)食品的貨架期。傳統(tǒng)包裝材料對(duì)于食品保鮮具有良好的作用效果。然而，隨著環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，以塑料為主體的傳統(tǒng)包裝材料由于缺乏生物降解性對(duì)社會(huì)環(huán)境所造成的污染逐漸加重。為了節(jié)約化石燃料資源并減少對(duì)環(huán)境的污染，開發(fā)制備環(huán)境友好型可降解的食品包裝材料替代傳統(tǒng)包裝材料成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。大豆分離蛋白來源廣泛，具有良好的成膜性及生物可降解性，常作為制備包裝膜的材料。但是，相比于傳統(tǒng)的包裝材料，蛋白膜機(jī)械強(qiáng)度較低且易導(dǎo)致細(xì)菌滋生，從而引起食品腐敗變質(zhì)現(xiàn)象，導(dǎo)致食品的安全性降低，大大縮短了食品貯藏貨架期，對(duì)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生巨大影響。因此，可通過改性大豆分離蛋白或向其中添加對(duì)人體無毒無害且具有高效抗菌性的天然物質(zhì)制備復(fù)合可食膜以達(dá)到延長(zhǎng)食品保質(zhì)期的目的。多酚、精油等功能因子具有抗癌、抗菌、抗氧化等多重功效，通過構(gòu)建穩(wěn)定包埋體系，可實(shí)現(xiàn)功能因子的緩控釋放并增強(qiáng)其穩(wěn)定性，避免失活失效。

目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)可食膜的研究主要集中在源自食品成分的可生物降解材料如蛋白質(zhì)可食膜、多糖類可食膜、脂質(zhì)可食膜等[1]。深入研究可食包裝膜有利于分析食品組分的構(gòu)效關(guān)系，研發(fā)新型多功能、環(huán)境友好型包裝材料，進(jìn)而解決目前食品保鮮、貯存中出現(xiàn)的問題。本文重點(diǎn)闡述以大豆分離蛋白為基礎(chǔ)物質(zhì)，通過對(duì)其進(jìn)行改性處理以及與多糖復(fù)合等方式，改善單一蛋白質(zhì)膜的缺陷，并通過蛋白膜負(fù)載功能因子，賦予膜新的性能。本文展望了大豆分離蛋白基可食膜的相關(guān)研究以及發(fā)展趨勢(shì)，為后續(xù)研發(fā)性能優(yōu)良、集多功效于一體的生物可降解環(huán)境友好型包裝材料提供理論依據(jù)。

1 大豆分離蛋白膜簡(jiǎn)介

大豆蛋白是由球蛋白和白蛋白構(gòu)成的混合物，其中主要為β-伴大豆球蛋白(7S)和大豆球蛋白(11S)。7S球蛋白由α亞基(67 kDa)、α'亞基(71 kDa)和β亞基(50 kDa)組成；11S球蛋白包含5個(gè)不同的亞基，每個(gè)亞基由酸性亞基A(35 kDa)和堿性亞基B(20 kDa)組成，二者通過二硫鍵進(jìn)行連接[2]。大豆分離蛋白(SPI)是由大豆蛋白精制、純化而成，其蛋白質(zhì)含量高達(dá)90%。SPI材料易得，具有良好的乳化性和成膜性，制備的包裝膜價(jià)格較低，可食、可降解，有一定的抗氧化能力，但水蒸氣透過率高，機(jī)械強(qiáng)度較差，并且膜的機(jī)械性能會(huì)隨環(huán)境溫度和濕度的改變而發(fā)生變化[3]，這極大地限制了SPI膜的應(yīng)用與推廣。

SPI的微觀結(jié)構(gòu)決定了SPI膜的功能性質(zhì)。由于SPI的疏水中心含有大量的疏水性氨基酸殘基，能促進(jìn)蛋白質(zhì)與疏水物質(zhì)相結(jié)合，所以SPI在水溶液中可以形成疏水性中心在內(nèi)、親水性外層在外的球狀結(jié)構(gòu)[4]，這直接造成了SPI膜的水敏感性；成膜過程中，分子間二硫鍵與氫鍵、疏水相互作用與靜電力的結(jié)合是導(dǎo)致SPI膜機(jī)械強(qiáng)度低的主要原因[5]。

為了提升SPI的功能性質(zhì)，可對(duì)其進(jìn)行改性處理。大量研究表明，改性后的SPI具有更好的乳化性、熱穩(wěn)定性和阻氧性。而將SPI與多糖、脂質(zhì)或其他蛋白質(zhì)結(jié)合，則往往表現(xiàn)出更利于其實(shí)際應(yīng)用的功能協(xié)同作用[6]。殼聚糖(CS)常被用作乳液穩(wěn)定劑和天然抗菌劑，與SPI通過靜電作用結(jié)合后使SPI膜表現(xiàn)出優(yōu)良的抗氧化性、阻水性和阻油性[7]；脂肪酸(SA)與SPI共軛制備的SPI-SA膜有效增強(qiáng)了SPI膜的阻水性、機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性以及疏水性脂肪酸和親水性蛋白之間的界面相容性[8]；小麥面筋蛋白(WP)和SPI共組裝形成的復(fù)合物具有更穩(wěn)定的展開結(jié)構(gòu)，彌補(bǔ)了單一蛋白所含氨基酸種類不能滿足人體需求的缺陷[9]。

目前，新型包裝材料的研發(fā)備受關(guān)注，而性能優(yōu)越的SPI基可降解復(fù)合可食膜或已成為食品保鮮領(lǐng)域取代聚乙烯塑料包裝的不二選擇。

2 大豆分離蛋白膜制備方法

制備大豆分離蛋白膜常用的方法主要有濕法和干法。濕法也稱為溶液流延法或溶液澆筑法；干法主要指通過熔融加工技術(shù)如擠出、熱壓、注塑、吹塑等方法制備蛋白薄膜。

2.1 濕法

濕法是指利用蛋白質(zhì)在溶劑中的分散或增溶作用，將蛋白懸浮液與預(yù)先分散在水中的聚合物溶液或納米顆粒分散液混合，通過均質(zhì)化處理，使蛋白質(zhì)在溶劑中充分溶解并分散在平坦的表面上，經(jīng)過流延和干燥，在一定的控制條件下除去溶劑形成膜的方法。由于其簡(jiǎn)便性及可重復(fù)性，濕法制備薄膜在實(shí)驗(yàn)室條件下得到廣泛使用。

濕法制備的薄膜中，分子之間的穩(wěn)定連接主要依靠氫鍵、靜電作用、疏水作用等非共價(jià)相互作用。蛋白質(zhì)分子質(zhì)量顯著影響分子之間的連接穩(wěn)定性。通過蒸煮和堿處理降低蛋白質(zhì)分子質(zhì)量，賦予蛋白熱塑性已被廣泛應(yīng)用于蛋白質(zhì)基薄膜的生產(chǎn)[10]。可食膜的成膜本質(zhì)是膜液中的物質(zhì)通過非共價(jià)相互作用連接形成穩(wěn)定且干燥的三維凝膠結(jié)構(gòu)[11]。ECHEVERRíA等[12]采用流延成膜方法制備SPI-蒙脫石共混膜，結(jié)果表明，通過在澆鑄步驟中保持足夠的流動(dòng)性可去除分散體中的氣泡，保證納米復(fù)合膜的表面均一性。除表面結(jié)構(gòu)特性外，流延法制備的SPI膜具有較高水接觸角值，其原因是較長(zhǎng)的干燥時(shí)間促使蛋白質(zhì)鏈發(fā)生重排以及疏水基團(tuán)從非極性殘基向表面暴露[13]，導(dǎo)致薄膜表現(xiàn)出較高的疏水性和耐水性。濕法制備薄膜過程中，蛋白質(zhì)分子的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化，往往表現(xiàn)為α螺旋結(jié)構(gòu)增加以及無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)向β-折疊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。

典型的薄膜流延生產(chǎn)技術(shù)需較長(zhǎng)的干燥時(shí)間，導(dǎo)致流延法制備薄膜技術(shù)的應(yīng)用存在一定的局限性。JENSEN等[14]利用熱表面流延成膜方法，將纖維素-SPI共混膜液澆筑在85℃玻璃臺(tái)上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用加熱流延制備的SPI膜與常規(guī)的環(huán)境干燥方法制備的SPI膜具有相似的機(jī)械性能。與常規(guī)環(huán)境干燥流延法所需的干燥時(shí)間相比，使用熱表面流延法可將干燥時(shí)間由10 h減少至25 min。除上述問題外，流延法制備薄膜還存在生產(chǎn)效率低、耗能高且可能造成環(huán)境污染等諸多問題，限制了該法在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。ORTIZ等[15]為大規(guī)模生產(chǎn)薄膜提供了新思路，即采用帶式流延成膜方法，將由蛋白質(zhì)、溶劑和增塑劑組成的膠體分散液傾倒在適當(dāng)?shù)母稍镙d體上，通過刮刀裝置將成膜懸浮液鋪展在支撐物上，以保證懸浮液的厚度均一。隨后，將懸浮液在對(duì)流烤箱中干燥6～12 h，即可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

2.2 干法

干法是利用成膜原料的熱塑性特性，通過熔融加工技術(shù)，給予高于成膜材料熔點(diǎn)的溫度，使原料呈現(xiàn)流動(dòng)狀態(tài)，而后給予高壓獲得薄膜的加工技術(shù)。與濕法相比，干法無溶劑加入、生產(chǎn)時(shí)間較短、對(duì)加工條件要求低，更適用于規(guī)?；a(chǎn)。

與流延成膜不同的是，成膜過程中，二硫鍵對(duì)薄膜的穩(wěn)定性起決定作用[16]，二硫鍵越多，蛋白質(zhì)的抗外界干擾能力越強(qiáng)，所制備的薄膜穩(wěn)定性也越高。干法制備的薄膜中，分子之間的穩(wěn)定連接主要依靠氫鍵、二硫鍵等分子相互作用(圖1)。蛋白質(zhì)的聚集程度以及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)交聯(lián)度決定膜的最終性能。干法制備大豆蛋白可食膜過程中，溫度顯著影響膜的性能，高溫使得11S亞基中部分疏水基團(tuán)和二硫鍵暴露，隨著加熱時(shí)間的增加，這些基團(tuán)通過硫氫基氧化(形成新的二硫鍵)、硫醇-二硫鍵交換反應(yīng)(將分子內(nèi)二硫鍵重組為分子間二硫鍵)[17]形成更緊密的聚合網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增大了蛋白質(zhì)的聚集程度，提升了膜的綜合性能。

制備薄膜的過程中往往添加適量增塑劑，如甘油、山梨糖醇等。增塑劑能進(jìn)入SPI的三級(jí)結(jié)構(gòu)內(nèi)部(如圖1)，使自由體積和蛋白質(zhì)鏈的遷移速率增大，從而提升SPI膜的柔韌性[18]，降低蛋白膜的脆性。研究表明，干法加工中較高的加工溫度會(huì)導(dǎo)致蛋白發(fā)生較大程度的變性，從而促進(jìn)蛋白質(zhì)與增塑劑之間的相互作用，發(fā)生物理交聯(lián)，形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。與濕法相比，干法在縮小分子內(nèi)部孔徑的同時(shí)還減少了孔徑數(shù)量，使薄膜具有較低的水蒸氣透過率、較高的拉伸強(qiáng)度以及斷裂伸長(zhǎng)率，并顯著降低了薄膜中的水分含量。此外，由于高溫與高壓的共同作用，壓縮膜的透明度更高并且表面更加平整光滑[9,13]。

除單一蛋白質(zhì)膜外，CIANNAMEA[19]在向大豆蛋白膜中添加紅葡萄提取物(一種天然多酚)通過流延成膜法以及熱壓成膜法制備薄膜的過程中發(fā)現(xiàn)，熱壓法制備的薄膜具有較高的水蒸氣透過率以及抗氧化活性，其原因可能是隨著時(shí)間的推移，多酚在熱壓法制備的薄膜基質(zhì)中釋放速率更高。

干法加工制備的薄膜雖具有更好的性能，但由于蛋白質(zhì)的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度通常非常接近其熱降解溫度，且純大豆蛋白顯示出較差的熔體流動(dòng)性，因此尚未廣泛用于蛋白質(zhì)類薄膜的制備。

圖1 蛋白可食膜中蛋白分子鏈間的相互作用Fig.1 Interaction between protein molecular chains in protein edible films

3 大豆分離蛋白可食膜的改性技術(shù)

3.1 單獨(dú)大豆分離蛋白改性

常用的大豆分離蛋白膜改性方法主要有物理改性、化學(xué)改性、酶改性3種方法。

3.1.1 物理改性

物理改性是指通過高溫、高壓、超聲波等物理手段改變蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)從而對(duì)蛋白質(zhì)的功能性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響。大多數(shù)蛋白質(zhì)在高溫下會(huì)發(fā)生變性作用，這是由于熱破壞了蛋白質(zhì)分子中的氫鍵和非極性疏水基團(tuán)，使得氨基酸基團(tuán)暴露于溶劑中并產(chǎn)生更開放的結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致。加熱增強(qiáng)了蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)間的相互作用，使分子堆積更緊密，并降低了聚合物鏈的流動(dòng)性[20]。STUCHELL等[21]研究表明，經(jīng)過85℃熱處理的SPI膜較未加熱的SPI膜有較高的拉伸強(qiáng)度、較大的斷裂伸長(zhǎng)率以及較低的水蒸氣透過率，且膜更光滑透明、均勻性更高。除熱處理外，物理射線也常常被用于蛋白的改性。經(jīng)過射線輻照，蛋白質(zhì)中的氨基酸發(fā)生氧化反應(yīng)，分子內(nèi)部發(fā)生共價(jià)交聯(lián)作用，使蛋白質(zhì)聚集從而形成新的致密網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。LEE[22]利用γ射線處理過的SPI溶液制備的SPI膜與普通蛋白膜相比，拉伸強(qiáng)度提高了約2倍，水蒸氣透過率降低了13%。

3.1.2 化學(xué)改性

化學(xué)改性是指通過共價(jià)交聯(lián)等反應(yīng)破壞蛋白質(zhì)的二、三級(jí)或四級(jí)結(jié)構(gòu)，使氨基酸側(cè)鏈暴露，通過化學(xué)鍵產(chǎn)生新的相互作用，改變蛋白質(zhì)的完整結(jié)構(gòu)。KANG等[3]以三羥甲基丙烷-三[3-(2-甲基吖丙啶基)丙酸酯](TMPTAP)與咖啡酸(CA)為交聯(lián)體系制備SPI膜，其結(jié)果表明，TMPTAP/ CA的引入使得分子之間通過共價(jià)交聯(lián)而形成穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。TMPTAP促進(jìn)了SPI鏈的空間延伸并且使其發(fā)生開環(huán)反應(yīng)，CA則充當(dāng)潛在的交聯(lián)劑，與肽鏈的—NH2/—SH基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，從而壓縮SPI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而形成更有序的3D網(wǎng)絡(luò)，使其具有良好的機(jī)械性能和疏水性。同時(shí)，OU等[23]研究表明通過阿魏酸共價(jià)交聯(lián)修飾SPI，可使SPI薄膜的拉伸強(qiáng)度提高約10%(最終值為1.6 MPa)，這是由于阿魏酸發(fā)揮了增塑劑的作用。NIE等[24]發(fā)現(xiàn)加入酚類化合物制備的蛋白膜具有較高的柔韌性和較低的水蒸氣透過率，原因可能是由于蛋白質(zhì)與多酚之間的相互作用會(huì)封閉部分親水基團(tuán)。同時(shí)，由于多酚具有抗氧化作用，在其結(jié)合到氨基酸側(cè)鏈后，可以賦予可食膜一定的抗氧化性。研究表明酚類化合物可以穩(wěn)定蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)，提高其熱穩(wěn)定性，并顯著降低其生物降解速率，同時(shí)提高其抗氧化能力。因此，多酚修飾蛋白制備的可食膜可以更好地應(yīng)用在食品包裝體系，并減少由于氧化褐變而導(dǎo)致的食品腐敗變質(zhì)現(xiàn)象的發(fā)生，延長(zhǎng)食品的保質(zhì)期。

3.1.3 酶改性

常見的酶改性方法是TG酶改性，TG酶能夠催化谷氨酰胺殘基的γ-羧酰胺基團(tuán)與蛋白質(zhì)的一級(jí)ε-胺基形成異肽鍵，使蛋白質(zhì)分子內(nèi)部以及不同蛋白質(zhì)分子之間形成交聯(lián)，對(duì)蛋白質(zhì)的溶解度、乳化能力、起泡特性和凝膠化功能具有顯著影響。經(jīng)TG酶改性的SPI與純化的果膠共混制備的薄膜具有高度耐水性以及適度的水蒸氣透過率[25]。TANG等[26]也得出了相同的結(jié)果，并且發(fā)現(xiàn)經(jīng)過TG酶改性的薄膜表現(xiàn)出更大的拉伸強(qiáng)度，其原因可能是由于酶使薄膜內(nèi)部產(chǎn)生了更致密的結(jié)構(gòu)。

3.2 大豆分離蛋白與多糖復(fù)合制備可食膜

研究表明，由多糖制備的薄膜具有良好的阻油性和透明性，但其氣體阻隔性較差；而以蛋白質(zhì)為原料制成的薄膜具有良好的氣體阻隔性，但缺乏一定的機(jī)械性能。因此，越來越多的科研工作者通過將多糖與蛋白質(zhì)混合，構(gòu)建蛋白質(zhì)-多糖復(fù)合體系制備共混膜，利用分子間的相互作用形成致密網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使膜在具有氣體阻隔性的同時(shí)具備良好的阻油性、機(jī)械性能(表1)。

在蛋白質(zhì)中加入多糖，主要是為了增強(qiáng)分散系統(tǒng)的穩(wěn)定性。多糖存在下的穩(wěn)定作用歸因于在界面處蛋白質(zhì)與多糖形成的蛋白質(zhì)-多糖聚集體。高度親水性多糖由于不會(huì)在界面處自行吸附而表現(xiàn)出與蛋白質(zhì)的協(xié)同行為，從而促進(jìn)了膜表面壓力的顯著增加[27]。ZHENG等[28]證明加入二醛羧甲基纖維素(DCMC)后，利用SPI與DCMC之間的相互作用，有效增強(qiáng)SPI薄膜拉伸強(qiáng)度的同時(shí)提高其耐水性和熱穩(wěn)定性。多糖和蛋白質(zhì)共混薄膜被廣泛應(yīng)用于食品表面的保護(hù)，通過降低食品與周圍環(huán)境之間的水蒸氣和氣體的轉(zhuǎn)移速率，可達(dá)到保鮮的目的。ZHANG等[29]研究發(fā)現(xiàn)SPI-殼聚糖涂層具有對(duì)水蒸氣的良好阻隔性能，可顯著降低杏子的重量減輕速率。與多糖復(fù)合的SPI膜不僅在機(jī)械性能方面有所提高，更被賦予了新的功能。由于部分多糖具有一定的抗菌、抗微生物特性，將SPI與多糖共混，可實(shí)現(xiàn)制備機(jī)械性能優(yōu)良的環(huán)境友好型可食抑菌膜，為今后可食膜的研究發(fā)展提供了新的思路。

3.3 復(fù)合型改性技術(shù)制備大豆分離蛋白基可食膜

蛋白經(jīng)過改性修飾后，其乳化性、成膜性等得到極大改善，具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)與功能特性，可以彌補(bǔ)蛋白膜功能缺陷性問題。因此，基于蛋白質(zhì)-多糖復(fù)合膜的研究，考慮將改性蛋白與多糖混合以顯著提高包裝膜的功能性質(zhì)。超聲波能夠破壞蛋白質(zhì)的分子間相互作用，從而促進(jìn)大量沉淀物向膠體懸浮液的轉(zhuǎn)化。通過超聲作用預(yù)處理制備的SPI-柑橘果膠(CP)復(fù)合物更加均一且其表面疏水性顯著增加。復(fù)合物的這些物理化學(xué)和結(jié)構(gòu)性質(zhì)的變化有助于高強(qiáng)度超聲場(chǎng)下懸浮液粘度和復(fù)合物尺寸的降低，從而改善乳化穩(wěn)定性，獲得更理想的乳化性質(zhì)[30]。YUAN等[31]研究表明加熱的SPI-殼聚糖(CS)復(fù)合物比未加熱的SPI-CS混合物顯示出更高的酸性溶解度，推測(cè)最可能的原因是，當(dāng)熱處理SPI-CS混合物時(shí)，CS起到分子伴侶的作用。在加熱過程中，蛋白質(zhì)上更多電負(fù)性基團(tuán)暴露并與CS的氨基相互作用。受熱的SPI-CS復(fù)合物可能形成由非共價(jià)力(例如靜電相互作用)驅(qū)動(dòng)的可溶聚集體。在水溶液中大豆球蛋白和CS之間的絡(luò)合也觀察到了相似的結(jié)果。除物理手段外，TG酶可在催化SPI內(nèi)部形成網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)的同時(shí)降低CS基質(zhì)分子間的鏈遷移率，進(jìn)而提高其拉伸強(qiáng)度。此外，致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)顯著降低了氧氣、二氧化碳和水蒸氣的滲透性。同時(shí)，在存在酶的情況下，由于酶催化引起的大豆蛋白內(nèi)部分子交聯(lián)顯著減少了薄膜內(nèi)部的自由體積。獲得的果膠-大豆蛋白薄膜對(duì)氧氣和二氧化碳的滲透性甚至比聚乙烯薄膜低，這顯示出了改性后的大豆蛋白在氣體阻隔性上的強(qiáng)烈優(yōu)勢(shì)[25]。改性蛋白質(zhì)與多糖共混制備的包裝膜的多種功能賦予了新型生物塑料極高的潛在實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，研究具有抗菌、抗氧化、優(yōu)良機(jī)械性能、低氣體滲透性等優(yōu)點(diǎn)集一體的可食膜成為新的可探索的一個(gè)發(fā)展領(lǐng)域。

表1 SPI與不同多糖復(fù)合成膜的方法及性能特點(diǎn)Table 1 Method and performance characteristics of composite film formed by SPI and different polysaccharides

4 大豆分離蛋白基可食膜的理化性質(zhì)

4.1 膜厚度

膜厚度在膜的阻隔性能中起重要作用，且膜厚度與膜透明度密切相關(guān)，是膜制品的重要參數(shù)。膜的厚度取決于成膜乳液基質(zhì)中非溶劑的總量，特別是固體含量。由于較多的固體物質(zhì)引入到膜基質(zhì)中，且引入物一般會(huì)破壞膜基質(zhì)的有組織結(jié)構(gòu)，并與之發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生新的交聯(lián)形式，因此，復(fù)合膜的厚度一般均大于單一蛋白膜[36]。但向蛋白膜中加入小分子時(shí)，由于大豆分離蛋白微觀上為球狀結(jié)構(gòu)，分子間產(chǎn)生較多空隙與通道，加入的固體小分子填補(bǔ)了其孔隙與通路，其厚度變化可能不是十分明顯。

4.2 透明度

包裝薄膜的透明度對(duì)食品的外觀有很大影響。不同的薄膜厚度、不同的表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的綜合作用影響其光散射特性[37]。摻入酚類化合物的蛋白膜較普通膜呈現(xiàn)出更暗的顏色，主要是因?yàn)樵谔砑臃宇愇镔|(zhì)之后，光可能會(huì)被添加物的液滴或新形成的交聯(lián)結(jié)構(gòu)散射和折射，從而產(chǎn)生較暗的視覺感受[36]。SPI膜的透明度與其抗紫外線能力息息相關(guān)，控制薄膜透明度可有效控制產(chǎn)品的紫外線暴露量，延緩食品的氧化變質(zhì)。在SPI與殼聚糖的復(fù)合體系中，復(fù)合膜表現(xiàn)出良好透明度的同時(shí)也起到一定抑制紫外線的作用，對(duì)于延長(zhǎng)脂質(zhì)氧化具有一定功效[38]。

4.3 機(jī)械性能

機(jī)械性能決定材料在特定條件下對(duì)于外力的抵抗能力。食品膜的機(jī)械性能常用拉伸強(qiáng)度(tensile strength, TS)和斷裂拉伸率(elongation at break, E)來度量。單一大豆分離蛋白膜脆性強(qiáng)、不具備熱塑性、機(jī)械性能較差，且機(jī)械性能隨環(huán)境溫度的降低和濕度的增大而減弱，這些因素限制了其在食品包裝領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。SPI中含有羥基、羧基等基團(tuán)，因此可通過多種方式改善單一SPI膜的機(jī)械性能。向SPI薄膜中添加茶多酚，利用茶多酚中的活性羥基使蛋白質(zhì)內(nèi)部形成更多氫鍵，可在一定程度上提高膜的致密性以增強(qiáng)機(jī)械性能和黏彈性[39]。SPI也可與多糖通過形成氫鍵實(shí)現(xiàn)非共價(jià)自組裝提升共混膜的機(jī)械性能。將一定濃度的SPI與黃麻纖維結(jié)合，其成品膜表現(xiàn)出較高的拉伸強(qiáng)度，這是由于SPI通過基質(zhì)聚合物將黃麻纖維緊密螯合其中所致[40]。同時(shí)，部分研究者通過向膜中加入精油使產(chǎn)品膜具備一定的抑菌性能，但精油的疏水性使得蛋白質(zhì)分子間作用力減弱導(dǎo)致機(jī)械性能降低，如制備的肉桂醛-SPI膜的TS和E值顯著低于純SPI膜[41]。

4.4 阻水性能

水蒸氣透過率(water vapor permeability, WVP)是常用來表征膜阻水性能的重要指標(biāo)，指在恒定濕度下，單位時(shí)間內(nèi)在單位膜面積上透過的水蒸氣量。WVP值越低，包裝膜的阻水有效期越長(zhǎng)，包裝產(chǎn)品所處的環(huán)境越穩(wěn)定，產(chǎn)品貨架期越長(zhǎng)。SPI由于其自身的高度親水性，使得單一SPI膜具有較大的WVP。人們向SPI基質(zhì)中添加適當(dāng)比例精油構(gòu)建的SPI-植物精油體系，基于精油的疏水性，可截留大部分水蒸氣、顯著降低WVP。此外，膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的致密程度也會(huì)影響WVP值，這可能是由于不規(guī)則的緊密區(qū)域使水蒸氣的滲入路徑復(fù)雜化。但當(dāng)精油添加過量時(shí)，過量的精油導(dǎo)致膜微觀結(jié)構(gòu)中結(jié)晶區(qū)被破壞，WVP增大，阻水性能下降，且干燥過程中精油的揮發(fā)也不可避免地產(chǎn)生微孔，進(jìn)一步損壞膜結(jié)構(gòu)，縮短水蒸氣的滲入路程[42]。

4.5 抗氧化性

包裝材料的抗氧化能力是影響其保鮮效果的關(guān)鍵，食品貯藏期間導(dǎo)致食品腐敗變質(zhì)的相關(guān)生化反應(yīng)，如脂質(zhì)氧化、酶促褐變以及食品的組織結(jié)構(gòu)變化均與體系內(nèi)氧氣含量及周圍環(huán)境變化有關(guān)。生物膜的抗氧化性常用DPPH自由基清除率表示，清除率越高，其抗氧化活性越強(qiáng)。純SPI膜自身存在的弱抗氧化能力可能是由于小肽和羧基末端芳香酪氨酸殘基的存在[43]。添加物的組成、化學(xué)性質(zhì)及其與膜聚合物基體間的相互作用以及膜結(jié)構(gòu)等會(huì)影響膜的抗氧化性能。多酚類物質(zhì)可增強(qiáng)SPI膜的抗氧化性，主要基于多酚自身的自由基清除能力。植物精油的不飽和雙鍵、酚類以及黃酮類物質(zhì)，可直接消滅單線態(tài)氧，達(dá)到清除自由基的效果。

5 大豆分離蛋白基可食膜的應(yīng)用

5.1 SPI基可食膜穩(wěn)定食品活性成分

近年來，SPI膜的基礎(chǔ)物理性能正在逐步得到改善以適應(yīng)生產(chǎn)和消費(fèi)需求，同時(shí)，開發(fā)新型具有生物活性的SPI膜成為當(dāng)下研究熱點(diǎn)。食品功能因子作為極具生物活性的代表，可被廣泛應(yīng)用于SPI膜中，賦予膜新功能的同時(shí)，通過構(gòu)建的SPI-功能因子包埋體系可增強(qiáng)其穩(wěn)定性，保證在食品體系中的生物活性。總體來看，影響活性物質(zhì)在SPI膜中穩(wěn)定性的因素主要有兩個(gè)方面，一是自身的相對(duì)擴(kuò)散速率，二是其在混合體系中的分配系數(shù)[44]。精油和多酚等活性物質(zhì)可與SPI復(fù)合，構(gòu)建功能性可食膜精油作為一種從植物中提取的天然高效抑菌活性物質(zhì)，已被應(yīng)用于SPI膜中實(shí)現(xiàn)其緩控釋放，達(dá)到長(zhǎng)期抑菌目的。SPI可通過氫鍵等作用力與其結(jié)合并形成致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)膜阻水性能的同時(shí)也延長(zhǎng)了精油揮發(fā)的通道。研究表明，將百里香酚、肉桂和麝香草醛精油加入SPI膜體系中，均不同程度地提升了其穩(wěn)定性，其中百里香酚得益于其支鏈烷基的阻礙作用，肉桂則由于共軛不飽和體系的擴(kuò)增實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定性的提高[44]。在SPI膜中添加多酚，其活性羥基促使蛋白形成更多氫鍵，增強(qiáng)了自身結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性[39]，且多酚被包埋在蛋白結(jié)構(gòu)內(nèi)部也不易與空氣直接接觸而發(fā)生氧化。整體來看，SPI膜對(duì)于食品功能因子的穩(wěn)定性具有普遍提升的作用，且其良好的生物相容性可使功能因子最大程度地發(fā)揮其生物活性，是用于包埋穩(wěn)定功能因子的優(yōu)良綠色載體。

5.2 SPI復(fù)合膜在食品體系中的保鮮應(yīng)用

由于具有良好的機(jī)型性能、阻水阻氣性和生物降解性等，SPI基可食膜在食品體系有著廣泛的應(yīng)用(圖2)。食品的氧化往往改變食物的組成及口味，是引起食物變質(zhì)、造成浪費(fèi)現(xiàn)象的主要原因。含脂量高的食品直接暴露在空氣中極易發(fā)生氧化變質(zhì)，不僅影響食品的外觀、風(fēng)味、口感，還可能存在一定的食品安全隱患。SPI基復(fù)合膜由于其良好的氧氣阻隔性能而在食品抗氧化包裝方面受到廣泛應(yīng)用。ECHEVERRíA[45]將SPI-蒙脫土(MMT)-丁香精油(CEO)活性納米復(fù)合薄膜包裹于藍(lán)鰭金槍魚片上發(fā)現(xiàn)，金槍魚肌肉中的硫代巴比妥酸(TBA)含量在前四天基本維持恒定，證明SPI基復(fù)合薄膜可以防止或減緩金槍魚片中脂質(zhì)的自氧化；CHO等[46]制備的SPI-玉米醇溶蛋白(SPI/CZ)復(fù)合可食膜能延緩橄欖油的氧化酸敗，封藏120 d后，橄欖油的過氧化值(POV)僅為對(duì)照組的1/3；覆蓋有阿魏酸-SPI膜的新鮮豬油在試驗(yàn)期間同樣出現(xiàn)過氧化值顯著降低的現(xiàn)象[23]。果蔬的褐變主要是由于不穩(wěn)定的酚類物質(zhì)在酶的催化作用下與氧氣接觸發(fā)生氧化作用、生成不愉快的黑色素，進(jìn)而影響果蔬的風(fēng)味、色澤。ALVES[47]將阿魏酸-SPI膜應(yīng)用于鮮切蘋果之上能夠有效抑制蘋果褐變指數(shù)的上升，保證蘋果顏色較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不發(fā)生變化；GHIDELLI[48]在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)1%半胱氨酸(Cys)修飾的SPI涂層可使鮮切茄子保持新鮮狀態(tài)8～9 d而不發(fā)生酶促褐變，從而延長(zhǎng)了茄子的貨架期。

新鮮蔬菜和水果在采摘后仍然進(jìn)行呼吸作用，消耗自身營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(如蛋白質(zhì)、碳水化合物)并產(chǎn)生二氧化碳、酒精等物質(zhì)，使食物品質(zhì)持續(xù)降低；儲(chǔ)藏期間水分的不斷流失導(dǎo)致果蔬質(zhì)量減輕，枝葉萎蔫，顏色、口感被破壞。大量研究表明，SPI基復(fù)合膜能夠改善單純SPI膜親水性強(qiáng)、水蒸氣透過率高的缺點(diǎn)，因此在果蔬保鮮體系中得到了廣泛的應(yīng)用。ZHANG[29]證明SPI-殼聚糖復(fù)合涂層可以減少杏中的水分流失，抑制決定杏子質(zhì)地的果膠分子的降解，保證其口感在儲(chǔ)藏期間不發(fā)生明顯變化。GHIDELLI等[48]發(fā)現(xiàn)，1%Cys-SPI涂層可以減緩鮮切茄子的重量損失速率，使鮮切茄子能較長(zhǎng)時(shí)間的保持硬挺。阿魏酸-SPI復(fù)合膜與抗壞血酸鈉相比對(duì)水蒸氣有更好的阻隔性能，可以有效控制鮮切蘋果的重量減輕，同時(shí)保持其硬度[47]。

微生物大量繁殖是食物腐敗變質(zhì)的主要因素，但SPI膜抑菌活性極弱且對(duì)水敏感，吸水后又為微生物的繁殖提供了有利條件，故常向SPI膜中添加天然抗菌劑以制備具有抗菌性的可食膜。ECHEVERRA[45]發(fā)現(xiàn)，添加百里香精油的SPI納米復(fù)合薄膜使金槍魚中的假單胞菌數(shù)目明顯減少，同時(shí)乳酸菌和大腸桿菌的數(shù)量幾乎保持在檢出極限以下，使藍(lán)鰭金槍魚的保質(zhì)期延長(zhǎng)了一周左右；制備的大豆蛋白-牛至-百里香精油可食膜表現(xiàn)出對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌的顯著抑制作用，并能顯著降低鮮牛肉餅中大腸桿菌和假單胞桿菌的數(shù)量。

綜上可知，SPI基復(fù)合膜良好的阻氧性能夠有效減緩食物的氧化和酸敗，利于食物的長(zhǎng)期貯存；SPI基復(fù)合膜良好的阻水阻氣性能夠有效抑制果蔬的呼吸作用，減緩水分的流失，保證果蔬良好的品質(zhì)。同時(shí)，具有抗菌性能的SPI基復(fù)合膜能避免微生物的污染，延長(zhǎng)產(chǎn)品的貨架期。

圖2 大豆分離蛋白復(fù)合膜在食品體系中的應(yīng)用Fig.2 Application of soy protein isolate composite film in food system

6 總結(jié)與展望

大豆分離蛋白由于其價(jià)低、可食、安全無害、可降解的特點(diǎn)成為近年來包裝材料的研究熱點(diǎn)。鑒于單一SPI膜的功能缺陷，人們通過改性蛋白以及向SPI中添加多糖制備SPI-多糖共混體系，以提高SPI膜的機(jī)械性能、改善單一SPI膜水蒸氣透過率高、抗氧化能力差等缺點(diǎn)。但是，對(duì)于SPI膜的研究和應(yīng)用還存在著諸多問題，如干法加工過程中提供的高溫條件，使得蛋白質(zhì)易發(fā)生降解，限制了干法技術(shù)在蛋白質(zhì)類薄膜制備中的廣泛應(yīng)用。同時(shí)，人們將具有抗菌、抗氧化作用的功能因子加入體系之中，構(gòu)建包埋活性功能因子的復(fù)合控釋體系，賦予包裝膜更多功能特性，從而拓寬SPI復(fù)合膜的應(yīng)用范圍，如可用于醫(yī)藥工程的藥物遞送等等。但功能因子如精油對(duì)溫度敏感且具有不穩(wěn)定易降解易揮發(fā)的特性，在制備過程中如何確定其有效作用量并最大限度保證其生物活性是值得深入探究的一個(gè)問題。

尋找新型制備方法，改善高溫對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能的影響；研究蛋白改性、蛋白與多糖共混作用機(jī)理，探究改性蛋白與多糖共混制備更優(yōu)膜的基材配方；向蛋白膜中添加天然活性成分，探究活性成分與蛋白分子間的作用機(jī)理、緩釋規(guī)律，可為新型的環(huán)境友好型、多功能食品包裝材料的研究與制備提供參考。在未來，環(huán)境友好型、多功能SPI基復(fù)合膜有望代替石油基塑料成為新一代包裝界的寵兒。