植物單寧對酪蛋白膜的改性研究

鄧霜琪，廖晶晶，廖崠森，吳海柱，代美欣，周曉劍

植物單寧對酪蛋白膜的改性研究

鄧霜琪，廖晶晶，廖崠森，吳海柱，代美欣，周曉劍

（西南林業(yè)大學(xué) 云南省木材膠黏劑及膠合制品重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，650224 昆明）

為研究不同單寧對酪蛋白膜的改性效果，探究水解類（塔拉單寧）和縮合類（楊梅單寧）單寧在不同添加量（酪蛋白固含量的5%、10%和15%）條件下對酪蛋白膜性能的影響。使用溶液澆鑄法制備單寧改性酪蛋白膜，對改性薄膜的水分含量、水溶性、水蒸氣透過率、不透明度、紫外光屏蔽性、拉伸力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性、形貌特征、抗氧化性能及化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。塔拉單寧的添加量與改性酪蛋白膜的水分含量和水溶性呈正相關(guān)，楊梅單寧的添加量與改性酪蛋白膜的含水率和水溶性呈負(fù)相關(guān)；單寧改性后的酪蛋白膜不透明度值上升，2種單寧均能降低酪蛋白膜的水蒸氣透過率和紫外光透過率，減緩酪蛋白膜的質(zhì)量損失速率，增強(qiáng)薄膜抗氧化性；楊梅單寧有效提升了酪蛋白膜的拉伸力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性及一定的抗氧化性，楊梅單寧添加量為15%時，改性酪蛋白膜性能最佳。2種單寧都能賦予酪蛋白膜更優(yōu)異的紫外光屏蔽性、水蒸氣阻隔性和抗氧化性，楊梅單寧對酪蛋白的交聯(lián)改性效果優(yōu)于塔拉單寧，可有效提高酪蛋白的拉伸力學(xué)強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。單寧改性后的酪蛋白膜在活性包裝領(lǐng)域上具有一定的應(yīng)用潛力。

塔拉單寧；楊梅單寧；酪蛋白膜；改性研究

隨著人們對生活環(huán)境污染問題的關(guān)注和安全意識的提高，著力開發(fā)和應(yīng)用天然、可降解生物材料制備環(huán)保的綠色包裝膜材料具有極其重要的意義。目前，脂類、多糖類、蛋白質(zhì)類化合物制成的生物質(zhì)薄膜已成為包裝行業(yè)內(nèi)研究熱點(diǎn)[1]，原因在于天然生物聚合材料可以減少或完全避免大部分人工合成聚合物包裝膜的使用所帶來的環(huán)境與健康危害，生物質(zhì)薄膜與現(xiàn)在所使用的塑料薄膜相比，安全性更高，易被人們所接受[2]。

天然蛋白質(zhì)來源廣泛、可生物分解、污染小、無毒和可食用性成為食品包裝薄膜的理想選擇[3-4]。在動物蛋白質(zhì)中，酪蛋白以出色的水乳化能力以及極高的營養(yǎng)價值，成為制備食品包裝膜的理想基質(zhì)材料[5]。蛋白質(zhì)膜作為綠色包裝材料具有安全且無污染的特點(diǎn)，在食品包裝生產(chǎn)和對食物保鮮方面應(yīng)用廣闊，張巧苑[6]將酪蛋白應(yīng)用于草莓保鮮，研究發(fā)現(xiàn)覆酪蛋白的草莓，其蛋白質(zhì)、可溶性糖、抗壞血酸含量下降幅度明顯比空白對照組慢，由此可見，酪蛋白膜對草莓有較強(qiáng)的保鮮能力。純酪蛋白膜的力學(xué)強(qiáng)度不足、水阻隔性和水蒸氣透過率不理想等，為了提高酪蛋白膜的性能，對其進(jìn)行物理或化學(xué)改性處理極有必要。在蛋白質(zhì)膜中添加甲醛、乙二醛、戊二醛[7-9]可以通過與蛋白質(zhì)分子鏈產(chǎn)生交聯(lián)從而提升膜的性能，但醛類物質(zhì)對細(xì)胞有毒性，存在安全隱患，不適宜用于食品包裝等方面[10]。

單寧是廣泛存在于植物體內(nèi)、能與蛋白質(zhì)形成復(fù)合物的植物多酚類物質(zhì)，根據(jù)結(jié)構(gòu)不同主要分為水解單寧和縮合單寧，前者主要為棓酸或與棓酸有生源關(guān)系的酚羧酸與多元醇結(jié)合組成的酯；后者主要為黃烷–3– 醇結(jié)構(gòu)單元縮合而成的多聚物[11-12]。單寧的酚羥基結(jié)構(gòu)可以通過氫鍵、疏水鍵等作用與蛋白質(zhì)產(chǎn)生交聯(lián)，形成大分子蛋白質(zhì)–單寧復(fù)合物，降低蛋白質(zhì)分子鏈的流動性，改變蛋白質(zhì)的流變性能，因此在食品領(lǐng)域，可以通過添加單寧提高小麥面團(tuán)的強(qiáng)度[13]。單寧還是蛋白質(zhì)類薄膜的天然交聯(lián)劑，在蛋白膜成膜液中添加單寧，可以較好地改善蛋白膜的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性和水蒸氣阻隔性能等。水解單寧和縮合單寧由于其結(jié)構(gòu)和分子質(zhì)量的差異，與蛋白質(zhì)的結(jié)合能力和結(jié)合方式也有較大差異，如縮合單寧主要通過氫鍵、疏水鍵等非共價鍵，而水解單寧主要通過氫鍵與蛋白分子鏈產(chǎn)生交聯(lián)[14]。Girard等[14]對比縮合單寧與水解單寧對明膠膜的改性作用發(fā)現(xiàn)，分子量大聚合度高的縮合單寧有更多的羥基和疏水基團(tuán)，可以更為有效地通過氫鍵和疏水鍵作用交聯(lián)改性明膠膜。也有研究表明，在縮合單寧（楊梅單寧、黑荊樹單寧）改性大豆蛋白膜的研究中[15-16]，單寧被氧化成醌，與蛋白分子鏈上的氨基通過席夫堿反應(yīng)和邁克加成反應(yīng)形成共價鍵。目前，單寧酸等水解單寧被較多地應(yīng)用于蛋白膜的改性研究中，但來源于木材的單寧更具價格優(yōu)勢[17]。在本課題組目前正在開展的研究中發(fā)現(xiàn)使用楊梅單寧可以有效改善酪蛋白膜的力學(xué)性能、水蒸氣阻隔性能，并賦予酪蛋白較好的抗氧化性能。由于水解單寧和縮合單寧結(jié)構(gòu)上的差異，文中通過對比研究考察來源于木材的塔拉單寧（水解類）和楊梅單寧（縮合類）對酪蛋白膜性能的影響，以期為單寧改性蛋白膜在食品包裝膜及功能性應(yīng)用提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

主要材料：酪蛋白，化學(xué)純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；塔拉單寧，純度為60%～70%，產(chǎn)地秘魯；楊梅單寧，純度為60%～70%，產(chǎn)地廣西武鳴；氫氧化鈉、丙三醇，均為分析純，購自天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司；DPPH(2,2–聯(lián)苯基–1–苦基肼基)，純度為96%，來源于上海麥克林生化科技有限公司。

1.2 方法

純酪蛋白膜的制備：稱適量酪蛋白，加入蒸餾水，制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的干酪素溶液，再使用2 mol/L NaOH溶液調(diào)干酪素溶液的pH值至11，磁力攪拌2 h至完全溶解，備用。取2.7 g丙三醇加入90 mL調(diào)好pH值的干酪素溶液中，攪拌5 min后倒入三頸燒瓶中，在80 ℃水浴中攪拌反應(yīng)20 min。反應(yīng)完成后量取45 mL成膜液均勻澆注在聚四氟乙烯模具上，自然干燥24 h后揭膜，放入密封袋中保存，并命名空白對照樣品為CA。

單寧改性酪蛋白膜的制備：稱量3份90 mL 6%的干酪素溶液，分別加入0.27、0.54、0.81 g楊梅單寧（占比分別為固體干酪素質(zhì)量的5%、10%、15%），取2.7 g丙三醇溶液加入到干酪素–單寧混合溶液中，攪拌5 min后倒入三頸燒瓶中。將水浴鍋溫度設(shè)置為80 ℃，待溫度升至80 ℃，恒溫水浴攪拌20 min。反應(yīng)完成后量取45 mL成膜液均勻澆注在聚四氟乙烯模具上，自然干燥24 h后揭膜，放入密封袋中保存，編號為CAY5、CAY10、CAY15。塔拉單寧改性酪蛋白膜時，制備方法同楊梅單寧改性酪蛋白膜，分別編號為CAT5、CAT10、CAT15。具體配方見表1。

表1 不同單寧改性酪蛋膜配方

注：所有樣品將在室溫下放入干燥皿中平衡含水率。

1.3 測試與表征

1.3.1 薄膜表面色差及厚度測定

借助SC–80C全自動色差計，測量薄膜的紅綠軸色品指數(shù)*、黃藍(lán)軸色品指數(shù)*、明度*及色差?*，隨機(jī)測量5次。

采用隨機(jī)取樣法在薄膜樣品上隨機(jī)選取10個點(diǎn)，使用埃維特數(shù)顯厚度儀（型號BC801，河南省邦特工量具有限公司）進(jìn)行測量薄膜的厚度，取其平均值。

1.3.2 水分含量及水溶性測定

薄膜制成2 cm×2 cm的樣品，初始質(zhì)量計為0（g），在（103±2）℃烘箱（型號101，北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司）中干燥至恒重，計為1（g）。每個樣品平行測定5次，取其平均值。根據(jù)薄膜質(zhì)量損失計算水分含量（MC），見式（1）。

將2 cm×2 cm 的薄膜樣品放置于105 ℃烘箱中干燥至恒重，然后精確稱量（1），將稱量后的樣品浸入盛有50 mL蒸餾水的培養(yǎng)皿中靜置24 h，將蒸餾水溶液過濾后，取出不溶物，在105 ℃下再次干燥至恒重（2）。根據(jù)溶解前后的質(zhì)量變化來計算蛋白膜的水溶性（WS），每組樣品平行測試5次，計算見式（2）。

1.3.3 水蒸氣透過率

薄膜的水蒸氣透過率用測試杯法進(jìn)行表征。稱取3 g無水氯化鈣放置于測試杯中，制備表面積為19.737 cm2的圓形試樣，蓋住燒杯口，密封后放置于裝有1 L蒸餾水的干燥器中，每隔12 h將測試杯取出，精確稱量測試杯質(zhì)量的變化，通過式（3）計算水蒸氣的透過率（WVP）。

式中：為水增加量；為薄膜厚度，mm；為膜面積，mm2；?為水蒸氣壓差，Pa；為時間，s，水蒸氣壓根據(jù)測試時的溫度取值，測試時的溫度恒定為23 ℃。

1.3.4 力學(xué)性能測試

根據(jù)GB/T 1040.3—2006用萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)（型號SUST 5569，珠海市三思泰捷電氣設(shè)備有限公司）測試薄膜的機(jī)械強(qiáng)度。裁剪160 mm×20 mm的長條試樣，測試條件：測試間距為50 mm，拉伸速率為50 mm/min；測試環(huán)境：溫度為23 ℃，相對濕度為45%～55%。重復(fù)測5次，用平均值表示測試結(jié)果，最后得出薄膜的拉伸強(qiáng)度和薄膜斷裂伸長率。

1.3.5 不透明度

薄膜的不透明度使用紫外分光光度計（型號WFZUV–4802S，珠海市三思泰捷電氣設(shè)備有限公司）在600 nm掃描吸光度進(jìn)行表征。薄膜樣品規(guī)格為4 cm×1 cm，放進(jìn)調(diào)試好的儀器里測量吸光度，測定時樣品緊貼比色皿一側(cè)的內(nèi)表面，每一樣品平行測量3次取平均值。不透明度（OP）通過式（4）計算。

式中：為薄膜在600 nm處的吸光度（Abs）；為薄膜厚度，mm。

1.3.6 紫外光屏蔽性

薄膜的抗紫外性采用紫外分光光度計（型號UH3500，日本三立）進(jìn)行表征，制備1 cm×4 cm的條形樣品，緊貼比色皿一側(cè)，置入儀器中掃描，范圍為200～900 nm。根據(jù)紫外光譜數(shù)據(jù)，繪制薄膜紫外透過率圖。

1.3.7 熱重分析（熱穩(wěn)定性）

稱取5～10 mg薄膜碎片坩堝內(nèi)，使用熱重分析儀（型號TG209F1，德國耐馳）進(jìn)行測試，檢測時采用氮?dú)猓∟2）保護(hù)，測試溫度范為30～600 ℃，升溫速率為10 ℃/min。

1.3.8 形貌微觀結(jié)構(gòu)分析（SEM電鏡）

將樣品裁成1 cm×4 cm的條狀，使用液氮脆斷薄膜，并在橫截面上噴金，然后在加速電壓為20 kV的條件下，使用掃描電子顯微鏡（SEM）(型號Zeiss Sigma 300)觀察橫截面形貌。

1.3.9 抗氧化活性

薄膜的抗氧化活性通過DPPH自由基清除能力進(jìn)行。將0.1 g薄膜樣品置于10 mL的蒸餾水中攪拌30 min，所得水溶液備用。取4 mL濃度為0.15 μmol/L的DPPH乙醇溶液與1 mL制備好的水溶液避光靜置反應(yīng)30 min。測量反應(yīng)后的溶液在紫外分光光度計517 nm處的吸光度值，重復(fù)3次試驗(yàn)取平均值。自由基清除率（RSA）通過式（5）計算。

式中：0為1 mL蒸餾水加4 mL DPPH乙醇溶液的吸光度值（Abs）；1為1 mL測試樣品溶液加4 mL DPPH 乙醇溶液的吸光度值（Abs）。

1.3.10 傅里葉紅外光譜（FTIR）分析

薄膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)通過傅里葉紅外光譜儀（Thermo Scientific Nicolet IS50，中國）采用衰減全反射（ATR）法對樣品進(jìn)行紅外光譜（FTIR）分析，掃描波數(shù)范圍為600～4 000 cm?1，掃描次數(shù)32次，分辨率為4 cm?1。

2 結(jié)果與討論

2.1 色差及厚度分析

如表2所示，單寧的加入且隨著單寧含量的增加使得酪蛋白膜明度*降低、紅黃數(shù)*、藍(lán)綠數(shù)*值升高，這表示薄膜的顏色逐步加深，呈更黑暗更紅更黃的趨勢，總色差?*較大。如表3所示，復(fù)合膜的厚度為0.120～0.144 mm，單寧的加入使成膜液濃度增加，從而使單寧改性后薄膜的厚度有所增加，這與其他生物質(zhì)復(fù)合膜的規(guī)律一致[18]，薄膜厚度變化與單寧的使用量沒有明顯的正相關(guān)性。由表3可知，楊梅單寧改性的酪蛋白膜厚度變化均大于塔拉單寧，可能原因是楊梅單寧分子量大、聚合度高，可以更大程度地通過氫鍵、疏水鍵等交聯(lián)作用與酪蛋白形成難溶于水的大分子復(fù)合物[14]，交聯(lián)程度比塔拉單寧改性酪蛋白膜高，故蛋白質(zhì)的聚集程度提升，導(dǎo)致薄膜厚度增加[19]。

2.2 水分含量及水溶性

圖1為不同種類及添加量的單寧改性酪蛋白膜的水分含量及水溶性。薄膜的水分含量取決于薄膜表面的親水基團(tuán)及內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，反映了薄膜對環(huán)境水分的敏感程度[20]。如圖1所示，隨著塔拉單寧含量的增加，復(fù)合膜含水率呈上升趨勢，而楊梅單寧改性酪蛋白膜的水分含量隨單寧含量增加呈下降趨勢，可能原因是塔拉單寧與酪蛋白分子鏈的結(jié)合能力比楊梅單寧弱，酪蛋白膜交聯(lián)程度低，導(dǎo)致塔拉單寧改性酪蛋白膜存在較多的羥基等親水基團(tuán)。水溶性考察薄膜在水環(huán)境中的完整性，可以間接說明不同結(jié)構(gòu)單寧對酪蛋白的交聯(lián)改性程度。單寧改性后的酪蛋白膜水溶性值都有不同程度下降，說明單寧與酪蛋白通過交聯(lián)作用，形成較難溶于水的復(fù)合物。塔拉單寧改性酪蛋白膜的水溶性在添加量為5%時最低，隨后逐漸增加，而楊梅單寧改性酪蛋白膜的水溶性在添加量為10%時最低，15%時水溶性值略有增加。說明塔拉單寧與酪蛋白結(jié)合力較弱，單寧等可溶性物質(zhì)遇水析出，導(dǎo)致水溶性值增加，這一現(xiàn)象與其他單寧改性蛋白膜的研究結(jié)果類似[14,21]。

表2 不同種類及添加量的單寧改性酪蛋白膜的表面色差

表3 不同種類及添加量的單寧改性酪蛋白膜的厚度

圖1 不同種類及添加量的單寧改性酪蛋白膜的水分含量及水溶性

2.3 水蒸氣透過率

用作包裝或涂層的薄膜，為了防止食品脫水，其水蒸氣透過率應(yīng)盡可能低[22]。圖2為不同種類及添加量的單寧對酪蛋白膜水蒸氣透過率的影響，由圖2可知，添加了不同種類單寧的改性酪蛋白膜水蒸氣透過率數(shù)值顯著降低。添加15%的單寧時，改性酪蛋白膜水蒸氣透過率處于最低，這是因?yàn)樵搯螌幹泻休^多的酚羥基與蛋白質(zhì)形成氫鍵，由此形成密集的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，降低了水分子通過網(wǎng)狀的速度，從而使水分子透過薄膜的擴(kuò)散速率降低[23]。另外一個原因是由于單寧的引入，讓薄膜因?yàn)榻宦?lián)產(chǎn)生的空隙得到了填補(bǔ)，由此降低水蒸氣透過率。綜上所述，單寧的引入增強(qiáng)了水分透過薄膜的曲折度，降低了水分子的擴(kuò)散速率，從而降低了水蒸氣透過率，使單寧改性酪蛋白膜相比純酪蛋白膜具有極佳的水阻隔性，在包裝領(lǐng)域表現(xiàn)出了極大的應(yīng)用潛力。

2.4 不透明度分析

膜的光學(xué)特性在食品、藥品、蔬果包裝中尤其重要，具有阻光性功能的薄膜能更好地滿足保護(hù)藥品藥性、蔬果保鮮的儲存要求。使用高阻光性包裝的餅干，保質(zhì)期是使用半透明或透明包裝材料包裝餅干的2倍或3倍[24]。圖3表示不同種類的單寧對酪蛋白膜不透明度的影響，對照組CA酪蛋白膜透明度較高，呈淡黃色；隨著改性薄膜中單寧含量的增加，改性酪蛋白膜的透光率均明顯下降，單寧改性酪蛋白薄膜在600 nm波長下的透光率顯著降低，不透明度明顯上升，顏色也逐漸加深至紅棕色，較高的單寧含量會導(dǎo)致薄膜變色，從而降低薄膜的透明度，這與前人研究結(jié)果相互驗(yàn)證[25]。在同等單寧添加量的條件下，塔拉單寧改性酪蛋白膜的不透明指數(shù)最高，當(dāng)塔拉單寧添加量為15%時，不透明度高達(dá)11.710 Abs/mm，這一結(jié)果與膜體均勻性和表面粗糙度有關(guān)[26]，這與CAT15表面粗糙相驗(yàn)證。值得一提的是盡管CAY5顏色變深，但它的不透明度為4.39 Abs/mm，這與食品包裝膜的商業(yè)適用標(biāo)準(zhǔn)聚乙烯膜的不透明度4.26 Abs/mm相接近[27]。

圖3 不同種類及添加量的單寧改性酪蛋白膜不透明度

2.5 紫外光阻隔性能

圖4為不同種類及添加量的單寧改性酪蛋白膜的紫外光透過率圖，對照組CA薄膜在200～400 nm的波長下，透光率為1.76%～13.29%，這是由于酪蛋白中含有能吸收此區(qū)間波長的敏感基團(tuán)酪氨酸及苯丙氨酸所致[28]。2種單寧改性酪蛋白膜在UV–C（200～280 nm）及UV–B（280～320 nm）下可以阻隔100%的紫外線，在單寧添加量達(dá)到10%以上時對UV–A（320～400 nm）也可以達(dá)到完全阻隔的效果，因此，單寧改性后的酪蛋白膜具有較好的紫外光阻隔性能，并且改性酪蛋白薄膜的抗紫外性能隨著單寧含量增加而提升，這和2.4節(jié)中單寧改性酪蛋白薄膜光線不容易透過，表現(xiàn)出較弱的光透過性這一結(jié)論相互佐證。在添加量一定時，塔拉單寧改性酪蛋白膜的紫外光阻隔性能優(yōu)于楊梅單寧改性酪蛋白膜，紫外線屏蔽性能得益于單寧中的芳香族單元和酚羥基[29]，由于塔拉單寧與酪蛋白的交聯(lián)作用低于楊梅單寧與酪蛋白的交聯(lián)作用，因此塔拉單寧改性酪蛋白膜中存在更多酚羥基，酚羥基可以與酚環(huán)形成p–π共軛，從而降低π的能量→ π＊電子躍遷，增強(qiáng)塔拉單寧改性酪蛋白膜的紫外光吸收能力[30]。薄膜對紫外線的阻隔有助于食品保鮮、藥品藥性儲存、防止包裝材料老化褪色，這也是生物質(zhì)薄膜的重要研究方向[31]。

圖4 不同種類的單寧含量對改性酪蛋白膜的紫外透光影響

2.6 拉伸力學(xué)性能

圖5表示不同種類單寧改性酪蛋白膜的拉伸力學(xué)強(qiáng)度，由圖5可知，當(dāng)添加量為15%時，塔拉單寧改性酪蛋白膜僅有1.367 MPa，低于CA膜（3.361 MPa），楊梅單寧組（CAY）樣品具有優(yōu)于CA及CAT優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度，楊梅單寧改性酪蛋白膜的斷裂拉伸強(qiáng)度為7.174 MPa。圖6顯示不同種類的單寧改性酪蛋白膜的斷裂伸長率，改性酪蛋白膜的斷裂延伸率隨著單寧的加入普遍呈減小的趨勢，略微降低薄膜的韌性，而伸長率與加入單寧含量無明顯規(guī)律。CA膜的斷裂伸長率為142.6%，添加塔拉單寧的改性薄膜斷裂伸長率為94.84%～95.48%，楊梅單寧改性酪蛋白薄膜斷裂伸長率為131.27%～231.96%。由此看出，添加不同種類單寧及薄膜中單寧的含量對提升酪蛋白膜強(qiáng)度均有影響。樣品中CAT組的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率均明顯下降，添加塔拉單寧對酪蛋白膜的力學(xué)性能改性沒有正向作用，考慮塔拉單寧與蛋白質(zhì)反應(yīng)在拉伸方向產(chǎn)生較多不均勻孔隙，降低了薄膜的強(qiáng)度及韌性，這在圖8的電鏡圖像中得到證實(shí)。添加縮合類單寧的CAY組的斷裂伸長率下降不大，這是由于縮合單寧酚羥基與酪蛋白相互作用得到改善。

在酪蛋白薄膜改性當(dāng)中拉伸力學(xué)強(qiáng)度升高會導(dǎo)致斷裂伸長率的降低[19]，故選擇改性材料時應(yīng)綜合考慮，在提升酪蛋白膜力學(xué)強(qiáng)度的同時，也需兼顧材料的韌性。將2組單寧改性酪蛋白薄膜的拉伸力學(xué)強(qiáng)度和斷裂拉伸強(qiáng)度對比后得出，添加楊梅單寧改性的酪蛋白膜–CAY組的拉伸強(qiáng)度明顯提高，同時也具有良好的斷裂伸長率，綜合力學(xué)性能最佳。

2.7 熱穩(wěn)定性分析

采用熱重分析法來表征單寧改性酪蛋白膜的熱穩(wěn)定性，單寧添加量為15%時，改性酪蛋白薄膜力學(xué)性能、水蒸氣透過率及抗紫外性能較為突出，因此應(yīng)著重表征該條件下單寧改性酪蛋白膜的熱穩(wěn)定性。圖7a為15%添加量的單寧改性酪蛋白膜的熱質(zhì)量損失（TGA）曲線；圖7b為薄膜的質(zhì)量損失速率與溫度的關(guān)系（DTG）曲線。

圖5 不同種類的單寧改性酪蛋白膜的拉伸力學(xué)強(qiáng)度

圖6 不同種類的單寧改性酪蛋白膜的斷裂伸長率

從圖7a不同單寧改性酪蛋白復(fù)合膜的熱重曲線中可以發(fā)現(xiàn)，薄膜的3個主要質(zhì)量損失階段：第1階段質(zhì)量損失溫度為30～150 ℃，這一階段的質(zhì)量損失主要是由于薄膜中的水分揮發(fā)造成；第2階段的質(zhì)量損失溫度在150～280 ℃內(nèi)，這一階段的質(zhì)量損失主要是由于植物單寧羥基和單寧與蛋白間的共價鍵斷裂分解；第3階段在280～600 ℃，這主要是由于酪蛋白肽鍵的分解。植物單寧的加入可以提高蛋白膜的熱穩(wěn)定性，在相同溫度下，CAY15、CAT15的質(zhì)量損失均小于CA的。升溫至600 ℃時，CAY15的質(zhì)量損失小于CA及CAT15的。從圖7b中可以看出，在溫度達(dá)300 ℃以上，單寧改性酪蛋白薄膜的最大質(zhì)量損失率均小于CA的。這主要是因?yàn)閱螌幏肿又泻写罅康牧u基，羥基的存在使得與蛋白分子肽鏈上的肽鍵發(fā)生多點(diǎn)氫鍵結(jié)合，并且酪蛋白側(cè)鏈不帶電荷的氨基與未解離的羧基也能與單寧分子羥基上的氧發(fā)生氫鍵結(jié)合。單寧分子的酚羥基作為給予體，與肽鏈上羧基中的氧作為接受體形成氫鍵，從而使得蛋白膜的結(jié)構(gòu)變得致密，耐熱穩(wěn)定性提升[32]，因此，綜合觀察得出CAY15的熱穩(wěn)定性最佳，楊梅單寧的交聯(lián)改性效果比塔拉單寧好。

2.8 單寧改性酪蛋白膜的微觀分析

掃描電鏡可以用于觀察薄膜的微觀特征。圖8表示質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的2種單寧改性酪蛋白膜在1 000和2 000的放大倍數(shù)下的脆斷橫截面掃描電鏡照片。CA組表面較為平滑，脆斷橫截面僅有少量、細(xì)小的孔隙，單寧改性酪蛋白薄膜的截面較為粗糙，出現(xiàn)褶皺狀截面，這一現(xiàn)象是由于單寧與蛋白質(zhì)以“手套–手”的模式結(jié)合形成聚合體[33]，產(chǎn)生了交聯(lián)結(jié)構(gòu)，脆斷后則出現(xiàn)粗糙截面，這與前人所觀察的結(jié)果相一致[34]。CAY15的脆斷截面微觀結(jié)構(gòu)比CAT15的致密，產(chǎn)生的缺陷孔隙較小且數(shù)量較少，這為CAT15的拉伸強(qiáng)度低于CA和CAY15的拉伸強(qiáng)度的結(jié)果提供了一種解釋。

圖7 不同單寧改性酪蛋白膜的熱穩(wěn)定曲線圖

圖8 添加量為15%的2種單寧改性酪蛋白膜電鏡橫截面

2.9 單寧改性酪蛋白膜的抗氧化性能

DPPH自由基轉(zhuǎn)換成非自由基，其褪色程度與接受電子數(shù)呈定量關(guān)系，因此可通過吸光度的變化可得出自由基的清除率，以此評價不同單寧改性酪蛋白薄膜的抗氧化性能[35]。圖9為不同種類及添加量的單寧改性酪蛋白膜的DPPH自由基清除率，由圖9可知，酪蛋白膜由于其肽鏈中存在抗氧化肽因此具備一定自由基清除能力[36]。隨著單寧添加量的增加，薄膜自由基清除率提升，尤其是塔拉單寧改性酪蛋白膜的自由基清除率較為高效。這可能是由于塔拉單寧與酪蛋白的連接力弱，游離的塔拉單寧以填料的形式存在于薄膜中，能夠快速釋放，導(dǎo)致自由基清除效率飆升。楊梅單寧與酪蛋白通過多種形式進(jìn)行交聯(lián)，分子連接緊密，抗氧化性能弱于塔拉單寧改性酪蛋白薄膜，這一結(jié)果可以與2.6節(jié)拉伸力學(xué)性能的結(jié)果相互印證。

圖9 不同種類及添加量的單寧改性酪蛋白膜的 DPPH自由基清除率

2.10 單寧改性酪蛋白膜的紅外光譜分析

圖10分別為不同添加量的塔拉單寧和楊梅單寧改性酪蛋白膜的傅里葉紅外光譜圖。酪蛋白膜CA中以3 378 cm?1為中心的寬峰是O?H和N?H的伸縮振動特征峰，該特征峰在2種單寧改性后的酪蛋白膜CAT和CAY分別偏移至3 275 cm?1和3 280 cm?1，說明無論是塔拉單寧還是楊梅單寧和酪蛋白之間通過氫鍵作用形成了新的分子間作用力[37]。酪蛋白特征峰中，1 720～1 600 cm?1通常為酰胺I帶，是C＝O的伸縮振動峰；區(qū)間1 600～1 480 cm?1為酰胺Ⅱ帶，為N?H彎曲振動峰；酰胺Ⅲ帶通常在1 300 cm?1附近，為N?H的彎曲振動峰和C?N的伸縮振動峰[38]。由圖10可見，2種單寧改性后的酪蛋白在酰胺I帶的特征峰沒有明顯變化，主要對酰胺Ⅱ帶和酰胺Ⅲ帶的特征峰產(chǎn)生影響，如CAT在1 645 cm?1特征峰強(qiáng)度增加，CAY在1 558 cm?1處出現(xiàn)新的特征峰；CA在1 310 cm?1處的特征峰消失，在CAT和CAY譜圖中出現(xiàn)1 237和1 345 cm?1特征峰，這些特征峰的變化說明單寧影響了酪蛋白二級結(jié)構(gòu)中的相互作用力[39]，單寧通過非共價鍵（氫鍵、疏水鍵），甚至共價鍵（單寧氧化與蛋白分子量中的氨基反應(yīng)）與酪蛋白分子鏈形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了酪蛋白分子鏈間的作用力，構(gòu)建了更為穩(wěn)定的膜結(jié)構(gòu)。特別是楊梅單寧改性酪蛋白膜中出現(xiàn)的新特征峰，說明楊梅單寧對酪蛋白膜分子鏈間的相互作用力更強(qiáng)，由此也解釋了為什么CAY具有更好的拉伸強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。

圖10 不同種類單寧改性酪蛋白膜紅外光譜圖

3 結(jié)語

文中利用塔拉、楊梅2種植物單寧對酪蛋白膜進(jìn)行改性，并對薄膜性能進(jìn)行了測試和表征，添加了單寧改性的酪蛋白膜其遮光性能、紫外屏蔽能力、水蒸氣阻隔能力、抗氧化性都明顯增強(qiáng)。添加楊梅單寧的改性酪蛋白薄膜還具備更優(yōu)異的拉伸力學(xué)性能及熱穩(wěn)定性，楊梅單寧添加量為15%時，改性酪蛋白膜材料表現(xiàn)出最優(yōu)的拉伸力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性、抗紫外能力和抗氧化性，使其在食品保鮮和保存等方面有著廣闊的市場前景。

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Modification of Casein-based Membrane with Plant Tannins

DENG Shuang-qi, LIAO Jing-jing, LIAO Dong-sen, WU Hai-zhu, DAI Mei-xin, ZHOU Xiao-jian

(Yunnan Provincial Key Laboratory of Wood Adhesives and Glued Products, Southwest Forestry University, Kunming 650224, China)

The work aims to study the modification effects of different tannins on casein-based membranes and evaluate the effects of hydrolysable (Tara tannin) and condensed (Chinese bayberry) tannins of different contents (5%, 10% and 15%) on the properties of casein-based membranes. The casein-based membranes modified by tannins were prepared by the solution casting method. The moisture content, water solubility, water vapor permeability (WVP), opacity, ultraviolet (UV) shielding capacity, tensile property, thermal stability, morphology, antioxidant capacity and chemical structure of the modified membranes were characterized. A positive correlation between tannin content and moisture content as well as water solubility was found in membranes introduced with tara tannins, however, the opposite result was observed in those membranes incorporated with Chinese bayberry tannins. The opacity of casein-based membranes modified with tannins increased. The introduction of two tannins in casein-based membranes provided lower WVP and UV transmittance, decreased the weight loss rate and increased antioxidant capacity of resulting membranes compared with native casein-based membrane. Chinese bayberry tannins effectively contributed to good tensile strength, thermal stability and antioxidant properties of casein-based membranes. Especially when the content of tannin increased to 15 wt.%, modified casein-based membranes had the best properties. Both the two plant tannins can provide casein-based membranes better UV shielding capacity, WVP and antioxidant capacity. Chinese bayberry tannin presented better cross-linking modification capacity in casein-based membranes compared with Tara tannin, yielding a better tensile strength and thermal stability of the resulting membranes. Tannin-modified casein-based membranes have application potential in active food packaging.

Tara tannin; Chinese bayberry tannin; casein-based membrane; modification

TB484.9；TS206.

A

1001-3563(2023)01-0203-10

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.01.023

2022?07?18

國家自然科學(xué)基金（NSFC 31971595）；云南省“興滇英才支持計劃”青年人才；高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計劃資助（D21027）

鄧霜琪（1998—），女，碩士生，主攻生物質(zhì)樹脂。

周曉劍（1982—），男，博士后，研究員，主要研究方向?yàn)樯镔|(zhì)樹脂及膠黏劑。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋