一種新型大豆分離蛋白膜的制備及其性能

張軒，周玉茹，杜娟

武漢設(shè)計工程學(xué)院食品與生物科技學(xué)院（武漢 430205）

大蒜油被稱為“天然廣譜抗生素”，對多種微生物具有較強的殺滅或抑制作用，具有高效廣譜、安全無毒的特點。大豆分離蛋白（SPI）易消化、有營養(yǎng)[1]，又因其大量的蛋白質(zhì)分子間作用力的存在，制得的膜阻隔性能良好，且具有較強的機械強度，成為可降解、可食用保鮮膜研究的熱點，被廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)，如大豆分離蛋白膜替代香腸腸衣，作為功能性食品添加劑改善肉制品、面制品和乳制品的品質(zhì)等[2-5]。研究向可食性大豆分離蛋白膜成膜基質(zhì)中添加經(jīng)β-環(huán)糊精包埋后的大蒜油，一方面隔絕了大蒜的刺激性氣味，同時可通過大蒜素的逐步緩釋實現(xiàn)抑菌隔菌的目的，從而制備出一種新型的可降解、安全可食用抗菌保鮮膜。通過研究其制備工藝參數(shù)，為可抗菌大豆分離蛋白膜的生產(chǎn)應(yīng)用提供一定價值的參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大蒜油（自制）；β-環(huán)糊精（分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑開發(fā)中心）；大豆分離蛋白（蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)90%，哈爾濱高科技大豆食品有限責(zé)任公司）；甘油、亞硫酸鈉（分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司）。

紫外可見分光光度計（濰坊埃爾派粉體技術(shù)設(shè)備有限公司）；CJJ78-1磁力攪拌器（上海君竺儀器制造有限公司）；FA1004分析天平（上海越平科學(xué)儀器有限公司）；B220電熱恒溫水浴鍋（上海亞榮生化儀器廠有限公司）；TS-2101雙層次全溫恒溫培養(yǎng)振蕩器（上海天呈試驗儀器制造有限公司）；DHG-9240A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海精宏試驗設(shè)備有限公司）；ZQ-990拉力機（東莞市智取精密儀器有限公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 可抗菌大豆分離蛋白膜的制備

稱取4 g大豆分離蛋白溶入適量的蒸餾水中，先用玻璃棒攪拌均勻，然后用磁力攪拌器進一步攪拌30 min直到攪拌均勻，攪拌過程中依次添加1 g大蒜油-β-環(huán)糊精包埋物，按比例添加2 g甘油、0.1 g亞硫酸鈉，并調(diào)節(jié)體系pH 7，同時將攪拌好的溶液定容至100 mL，在80 ℃恒溫水浴鍋中加熱30 min，用移液管除去泡沫，在室溫下冷卻并在PVC塑料膠片上流延成膜，放置于40 ℃恒溫干燥箱干燥24 h，揭膜備用。

1.2.2 單因素試驗

1.2.2.1 大豆分離蛋白與甘油配比對膜性能的影響

改變大豆分離蛋白與甘油的配比（1.0∶1，1.5∶1，2.0∶1，2.5∶1和3.0∶1 g/g），其他條件不變，按照1.2.1的方法制備可抗菌大豆分離蛋白膜，研究大豆分離蛋白與甘油配比對膜性能的影響。

1.2.2.2 亞硫酸鈉添加量對膜性能的影響

改變亞硫酸鈉添加量（0.05%，0.10%，0.15%，0.20%和0.25%），其他條件不變，按照1.2.1的方法制備可抗菌大豆分離蛋白膜，研究亞硫酸鈉濃度對膜性能的影響。

1.2.2.3 大蒜油-β-環(huán)糊精包埋物添加量對膜性能的影響

改變大蒜油-β-環(huán)糊精包埋物添加量（0.5%，1.0%，1.5%，2.0%和2.5%），其他條件不變，按照1.2.1的方法制備可抗菌大豆分離蛋白膜，研究大蒜油-β-環(huán)糊精包埋物濃度對膜性能的影響。

1.2.2.4 反應(yīng)溫度對膜性能的影響

改變反應(yīng)溫度（70，75，80，85和90 ℃），其他條件不變，按照1.2.1的方法制備可抗菌大豆分離蛋白膜，研究反應(yīng)溫度對膜性能的影響。

1.2.2.5 反應(yīng)體系pH對膜性能的影響

改變反應(yīng)體系pH（6，7，8，9和10），其他條件不變，按照1.2.1的方法制備可抗菌大豆分離蛋白膜，研究反應(yīng)體系pH對膜性能的影響。

1.2.3 正交試驗

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，選取對膜性能參數(shù)影響較大的大豆分離蛋白與甘油配比、亞硫酸鈉添加量、反應(yīng)溫度、體系pH四個因素，進行四因素三水平正交試驗。

1.2.4 性能參數(shù)測定方法

1.2.4.1 透光率的測定

將成品膜剪裁成大小合適的長條狀，緊貼在比色皿的一側(cè)，在600 nm的波長下測其吸光度，以空白比色皿作為對照[6]。

1.2.4.2 水溶率的測定

將所得膜剪成半徑為3 cm的圓形，放入干凈的小燒杯中，在100 ℃下干燥至恒重（一般24 h），稱定此時膜的質(zhì)量，然后向燒杯加入適量水，在室溫下放置12 h后，把水倒掉，再次將燒杯移至干燥箱中干燥至恒重，稱定干燥后的膜的質(zhì)量，根據(jù)式（1）計算其水溶率[7]。

式中：M為膜的初始質(zhì)量，g；m為水解后剩余質(zhì)量，g。

1.2.4.3 抗拉強度及伸長率的測定

將制得的膜裁剪成長度×寬度=30 mm×70 mm的方形樣品，用拉力機測定膜抗拉強度及伸長率。測定條件：拉伸速率50 mm/min，間距50 mm，標(biāo)距45 mm[8]。

1.2.4.4 隔菌率的測定

向培養(yǎng)皿中倒入培養(yǎng)基，將制備得到的可抗菌大豆分離蛋白膜經(jīng)紫外滅菌后緊貼在培養(yǎng)基上，對照組不加保鮮膜，然后將濃度為105CFU/mL的病原菌（如金黃色葡萄球菌）菌懸液均勻涂抹于保鮮膜表面，在37 ℃下培養(yǎng)48 h，參照式（2）計算各組隔菌率[9]。

2 結(jié)果與分析

2.1 大豆分離蛋白與甘油配比對膜性能的影響

表1為大豆分離蛋白與甘油配比對膜各項性能的影響。隨著大豆分離蛋白與甘油配比的增加，膜的水溶率逐漸降低，隔菌率逐漸提高，膜的抗拉強度、最大伸長率、透光率均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。這是由于大豆分離蛋白本身所含有的7S球蛋白在一定濃度下對一些病原菌有良好的抑菌作用[10]，因此，隨著大豆分離蛋白與甘油配比的增加，其隔菌率逐漸提升。當(dāng)配比為2.0∶1（g/g）時，膜的抗拉強度為7.5 MPa，最大伸長率為40.21%，膜的機械性能較好，但隨著大豆分離蛋白與甘油配比的進一步提高，其隔菌率上升不大，透光率下降較明顯，因此，大豆分離蛋白與甘油的最適配比選擇2.0∶1（g/g）。

表1 大豆分離蛋白濃度對膜性能的影響

2.2 亞硫酸鈉添加量對膜性能的影響

表2為亞硫酸鈉添加量對膜性能的影響。隨著亞硫酸鈉添加量的增加，膜的透光率逐漸提高，隔菌率無顯著差異，膜的抗拉強度、最大伸長率、水溶率均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。亞硫酸鈉作為還原劑改善了大豆分離蛋白本身的淺黃色，從而使得膜的透光率隨亞硫酸鈉濃度的增加而逐漸提高。當(dāng)亞硫酸鈉添加量為0.15%時，膜的抗拉強度為9.1 MPa，最大伸長率為52.37%，水溶率為40.89%，膜的機械性能較好，但隨著亞硫酸鈉添加量的進一步提高，其透光率改變不大，隔菌率亦無顯著改變，因此亞硫酸鈉最適添加量選擇0.15%。

表2 亞硫酸鈉添加量對膜性能的影響

2.3 大蒜油-β-環(huán)糊精包埋物添加量對膜性能的影響

表3是大蒜油-β-環(huán)糊精包埋物添加量對膜性能的影響。大蒜油-β-環(huán)糊精包埋物添加量的改變對膜的透光率、水溶率、抗拉強度、最大伸長率的影響不大，隔菌率隨著大蒜油-β-環(huán)糊精包埋物添加量的增加而逐漸上升，當(dāng)大蒜油-β-環(huán)糊精包埋物添加量為2%后，繼續(xù)增大其添加量，膜的隔菌率變化不大，從成本角度考慮，大蒜油-β-環(huán)糊精包埋物的最適添加量選擇2.0%。

表3 大蒜油-β-環(huán)糊精包埋物添加量對膜性能的影響

2.4 反應(yīng)溫度對膜性能的影響

表4為反應(yīng)溫度對膜性能的影響。隨著反應(yīng)溫度的提高，大豆分離蛋白高級結(jié)構(gòu)遭到破壞，肽鏈?zhǔn)嬲?，膜的交?lián)度提高，膜分子間作用力增強，因此水溶率逐漸下降，而透光率逐漸上升，在膜的機械強度上表現(xiàn)為抗拉伸強度顯著提高，而最大伸長率緩慢下降，隨溫度的升高，隔菌率無顯著變化，若繼續(xù)升溫至90 ℃以上，沸騰產(chǎn)生的氣泡滯留在膜材料中將對膜的性能造成不良影響。因此，最適反應(yīng)溫度選擇90 ℃。

表4 反應(yīng)溫度對膜性能的影響

2.5 反應(yīng)體系pH對膜性能的影響

表5為反應(yīng)體系pH對膜性能的影響。大豆分離蛋白的等電點約為5，等電點附近蛋白變性沉淀難以成膜，隨著pH的增高，膜交聯(lián)度和致密度提高，當(dāng)pH為9時，膜的交聯(lián)度最高，此時水溶率和最大伸長率最低，而透光率和抗拉強度最大，隔菌率無顯著變化，繼續(xù)提高pH，水溶率和最大伸長率變化不大，而膜的顏色開始加深，透光率下降。因此，最適反應(yīng)體系pH為9。

表5 反應(yīng)體系pH對膜性能的影響

2.6 正交試驗結(jié)果

由表6可知，膜制備條件對大豆分離蛋白膜透光率和抗拉強度的影響程度為大豆分離蛋白與甘油配比＞體系pH＞反應(yīng)溫度＞亞硫酸鈉添加量，最優(yōu)組合為A2B3C1D2，即控制大豆分離蛋白與甘油配比2.0∶1（g/g）、亞硫酸鈉添加量0.20%、反應(yīng)溫度85 ℃和體系pH 9。在此最優(yōu)條件下進行3組平行驗證試驗，膜的平均透光率為93.98%，平均抗拉強度為8.91 MPa。

表6 L9(34)正交試驗設(shè)計及結(jié)果

2.7 膜抗菌效果檢測

金黃色葡萄球菌和大腸桿菌是最有代表性的革蘭氏陽性菌和陰性菌，將以最佳工藝制備得到的可抗菌大豆分離蛋白膜與市售PE保鮮膜、普通大豆分離蛋白膜進行隔菌率的比對。由表7可知，各組保鮮膜的隔菌率均較高，其中加入大蒜油-β-環(huán)糊精包埋物的抗菌大豆分離蛋白膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的隔菌率均最高，表現(xiàn)出良好的抗菌性能。

表7 抗菌性能測定結(jié)果

3 結(jié)論

由正交試驗得到大豆分離蛋白膜的最佳制備參數(shù)：控制大豆分離蛋白與甘油配比2∶1（g/g）、亞硫酸鈉添加量0.20%、大蒜油-β-環(huán)糊精包埋物添加量1%、反應(yīng)溫度85 ℃和體系pH 9。在此最優(yōu)工藝參數(shù)下進行膜的制備，其透光率為93.98%，抗拉強度為8.91 MPa，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的隔菌率分別為85.67%和84.31%，表現(xiàn)出良好的抗菌能力。此次試驗對可抗菌大豆分離蛋白膜的最佳成膜參數(shù)進行了初步研究，后續(xù)還需要進一步對其抗拉強度及最大伸長率等指標(biāo)進行研究，以期在機械性能上更接近市售PE保鮮膜，同時降低制膜成本，以獲得廣泛應(yīng)用。