大豆球蛋白-馬鈴薯淀粉可食膜的微觀結(jié)構(gòu)及機械性能

成曉祎，孫銘悅，任軒雨，劉晏瑋，王 歡*，江連洲

（1 東北農(nóng)業(yè)大學食品學院 哈爾濱 150030 2 東北農(nóng)業(yè)大學文理學院 哈爾濱 150030）

隨著生活水平的提高，人們對食品安全愈發(fā)重視。使用環(huán)境友好型物質(zhì)代替塑料等不易降解材料，被越來越多的研究人員關(guān)注?？墒衬橐环N新型的包裝材料，具有安全、衛(wèi)生、易降解等優(yōu)點，通常以生物大分子為原料，添加增塑劑或交聯(lián)劑，通過流延、噴涂等方法制備而成[1]?？墒衬せ|(zhì)來源廣泛，按照成分可大體分為多糖基、脂質(zhì)基、蛋白基3 類。然而，單一可食膜在一些方面存在缺陷，如淀粉基可食膜機械性能差，蛋白基可食膜阻濕性能差等，具備功能特性的復合可食膜應(yīng)運而生。復合材料制成的可食膜具有優(yōu)異的性能，例如較好的斷裂伸長率，優(yōu)異的阻隔性能，從而減緩食品腐敗速度[2]。將兩種或兩種以上的物質(zhì)通過共混法、涂層法和層壓法制備可食膜，使所得可食膜機械性能和生物功能性達到最佳，應(yīng)用范圍更廣泛[3]。

淀粉為來源廣泛，廉價易得，易生物降解的天然聚合物，被廣泛應(yīng)用于可食性薄膜的研究。然而，由于淀粉內(nèi)部存在結(jié)晶區(qū)，使淀粉膜脆性較大，水蒸氣透過率高，導致機械性能差，限制了其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用[4]。馬鈴薯淀粉（Potato starch，PS）中直鏈淀粉含量較高，分子間以氫鍵連接，常溫下不溶于水，糊化溫度65 ℃左右，糊化后具有高溶解度和糊黏度[5]，作為涂膜材料具有廣闊的應(yīng)用前景。

大豆球蛋白（Glycinin，11S）是大豆分離蛋白（Soybean protein isolated，SPI）重要的組成部分，在堿性（pH 7.0～12.0）條件下，11S 分子間通過靜電斥力維持蛋白質(zhì)溶液穩(wěn)定。郭寬等[6]制備不同7S/11S 比例的大豆分離蛋白膜，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，11S 含量高的膜具有較高的抗張強度及在水中的穩(wěn)定性較高。因此將11S 應(yīng)用于薄膜中可以達到改善薄膜性質(zhì)的作用[7]。

一般來說，由單一聚合物制成的可食膜在某些方面表現(xiàn)出良好的性能，而在另一些方面表現(xiàn)出較差的性能，使用多種生物聚合物制備可食膜可有效改善這一缺點。通過蛋白和多糖結(jié)合獲得可食膜的方法，成為科技人員研究的熱點之一。Xu等[8]通過研究不同豌豆淀粉-南瓜籽蛋白比例復合膜的形態(tài)，發(fā)現(xiàn)適當比例的豌豆淀粉-南瓜籽蛋白復合物添加聚苯乙烯制備的復合膜具有包裝油性食品的潛力。Li 等[9]將不同濃度納米顆粒添加到大豆蛋白和玉米淀粉膜中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加結(jié)構(gòu)與膜基質(zhì)相似的納米填料可以更好地改善膜的功能特性。Azevedo 等[10]研究了不同比例的熱塑性淀粉-乳清蛋白可食膜的物理性能，發(fā)現(xiàn)淀粉和蛋白比例為7∶3 時制備的可食膜具備更高的耐磨性和更好的柔韌性，為后續(xù)研究提供了參考依據(jù)。

為獲得微觀形態(tài)好，機械性能強的復合可食膜，本文以不同比例大豆球蛋白和馬鈴薯淀粉為原料，采用熱誘導交聯(lián)的方法，在堿性條件下制備可食膜，并測定其微觀結(jié)構(gòu)和機械性能。本研究旨在為蛋白-淀粉復合膜的制備提供新方法。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

脫脂豆粕，山東高唐藍山集團總公司；馬鈴薯淀粉，上海源葉生物科技有限公司；甘油，上海源葉生物科技有限公司；亞油酸，上海麥克林生化科技有限公司；無水氯化鈣，天津市致遠化學試劑有限公司，其它試劑均為分析純。

1.2 主要儀器

質(zhì)構(gòu)儀，英國Stable Micro Systems 公司；視頻光學角，德國Dataphysics 公司；S-3400N 型掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM），日本Hitachi 公司；MAGNA-IR560 型傅里葉紅外光譜儀，美國尼高麗公司；X-射線衍射儀，日本日立公司。

1.3 方法

1.3.1 大豆球蛋白提取 擠壓膨化大豆→破碎→過60 目篩→液固比0.1 mL/mg→調(diào)節(jié)pH 值→離心分離（10 000 g，30 min）→上清液加NaHSO3→調(diào)節(jié)pH 值→4 ℃儲存過夜→離心分離（6 500 g，20 min）→得到沉淀→溶解后調(diào)節(jié)pH 值為7.5→透析24 h→冷凍干燥→大豆球蛋白（11S）

1.3.2 復合膜制備 按照魏倩等[11]的方法稍作修改，將11S 和PS 按0∶15，1∶15，2∶15，3∶15，4∶15和5∶15 的不同比例精確稱量，與蒸餾水充分混合（PS 含量為質(zhì)量分數(shù)4%），磁力攪拌器中速攪拌30 min，添加一定質(zhì)量分數(shù)的甘油（2%）作為增塑劑，繼續(xù)攪拌30 min，并用1 mol/L NaOH 調(diào)節(jié)pH值至9，之后在75 ℃油浴鍋中磁力攪拌45 min，使其糊化，冷卻至室溫。取25 mL 成膜液倒入邊長12 cm 硅膠板中靜置至其均勻鋪開，置于60 ℃的電熱鼓風干燥箱中，干燥6 h。之后將硅膠板放入25 ℃和50%相對濕度下的干燥器中（下部裝有飽和Mg（NO3）2溶液）儲藏6 h，揭膜。

1.3.3 X-射線衍射 參照Lopez[12]的方法，將可食膜置于X-RD 儀上進行分析，掃描范圍2θ 在5～60°之間，電壓為40 kV，電流為30 mA。

1.3.4 傅里葉紅外光譜 根據(jù)Xu 等[13]的方法稍作修改，將干燥處理后的膜置于傅里葉紅外光譜儀中掃描，波長范圍為4 000～5 000 cm-1，分辨率為4 cm-1。

1.3.5 復合膜質(zhì)構(gòu)測定

1.3.5.1 拉伸強度（TS）測定 將膜裁成5 cm×1 cm 的長條，用質(zhì)構(gòu)儀做拉伸測定，有效拉伸長度為50.0 mm，拉伸速率為0.5 mm/s。拉伸強度按下式計算[6]：

式中：TS——膜的拉伸強度；F——樣品斷裂時承受的最大張力，N；S——試樣的截面積，m2。

1.3.5.2 斷裂伸長率（EB）測定 通過拉力計測定復合膜樣品斷裂時被拉伸的長度，拉伸速率為50 mm/min。斷裂伸長率按下式計算[6]：

式中：EB——復合膜的斷裂伸長率，%；ΔG——樣品斷裂時膜被拉伸的長度，mm；G——樣品的初始長度，mm。

1.3.6 光學性能 取出復合膜樣品至合適尺寸（長400 mm，寬100 mm），貼于比色皿的一側(cè)，置于紫外分光光度計中，測定其500 nm 波長處的吸光度（A），透光率（T）按下式計算[14]：

1.3.7 水蒸氣透過率（WVP）水蒸氣透過率的測定參考Ni 等[15]的方法稍作修改，將待測薄膜蓋在含有（5.0±0.1）g 無水氯化鈣的錐形瓶口，并密封。然后將錐形瓶放入含有飽和KCl 的干燥器中（溫度保持在25 ℃±5 ℃）。錐形瓶每24 h 稱重一次，直到質(zhì)量變化穩(wěn)定。WVP 由以下等式計算：

式中：Δm——初始和最終的質(zhì)量差，g；d——薄膜的平均厚度，mm；S——薄膜的滲透面積，m2；Δt——試驗時間，h；ΔP——薄膜兩側(cè)的水蒸氣壓差，kPa。

1.3.8 透氣性

1.3.8.1 氧氣透過率 取1 mL 亞油酸于25 mL錐形瓶中，將復合膜蓋緊錐形瓶，用石蠟密封，置于（25±5）℃環(huán)境，直至錐形瓶質(zhì)量恒定，O2透過率計算公式如下[16]：

式中：PO2——氧氣透過率，g/d·m2；Δm——錐形瓶質(zhì)量增加量，g；A——膜面積，m2；t——試驗時間間隔，d。

1.3.8.2 二氧化碳透過率 參照Ni 等[15]的方法，取8 g 無水氯化鈣裝入50 mL 廣口錐形瓶中，用復合膜包緊錐形瓶，密封后置于室溫下，通過錐形瓶質(zhì)量的增加量來計算水蒸氣透過率，具體按下式計算：

式中：PCO2——氧氣透過率，g/d·m2；Δm——錐形瓶質(zhì)量增加量，g；A——膜面積，m2；t——試驗時間間隔，d。

1.3.9 接觸角 參考Lin 等[17]的方法，使用視頻光學角測定儀測定膜的接觸角，在載玻片上平鋪1 cm×1 cm 的復合膜樣品，保持樣品表面平整。操作參數(shù)為：接觸角測量范圍0～180°，測量精度±0.1°，注射針滴水量0.5 μL，其角度算法為拉普拉斯·楊法。

1.3.10 掃描電子顯微鏡 根據(jù)Mandal 等[18]的方法稍作修改，將干燥后的膜噴金處理后置于掃描電鏡下，觀察其表面和橫截面（表面放大倍數(shù)為1.00 k，橫截面放大倍數(shù)為1.00 k）。

1.3.11 數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析 所有數(shù)據(jù)均為3 次重復試驗結(jié)果，表示為平均值±標準差。采用Origin 2019 軟件進行圖表繪制，SPSS 23.0 用于數(shù)據(jù)分析，顯著性水平為P＜0.05。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同比例條件下11S-PS 可食膜的X-RD分析

復合膜材料熱學特性的改變在一定程度上反映其內(nèi)部結(jié)晶結(jié)構(gòu)的變化，通過X-RD 分析可對復合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性進行表征[4]。

不同比例條件下11S-PS 可食膜的X-RD 如圖1 所示，呈現(xiàn)較寬的衍射峰。在11S-PS 可食膜比例為0∶15 時形成的可食膜有明顯衍射峰，具有半結(jié)晶聚合物的特征，說明PS 經(jīng)糊化處理時，螺旋結(jié)構(gòu)打開，結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞[19]。在2θ 為17.0°附近出現(xiàn)一個衍射峰，此時可食膜形成了B 型晶體[4]。隨著可食膜11S-PS 比例的增加，B 型晶體衍射峰逐漸減弱，在2∶15 時結(jié)晶度下降為19.2%，這可能是復合物中氫鍵的變化改變了結(jié)晶區(qū)的形成，進而導致結(jié)晶度下降[12]，也說明了11S 和PS兩種大分子之間具有很好的生物相容性。2θ=19.65°附近的峰表示直鏈淀粉在加工冷卻后形成的Vh 型結(jié)晶峰，隨著11S 含量的增加，Vh 型結(jié)晶峰變窄，說明晶粒變大，結(jié)晶度變好，這一現(xiàn)象表明PS 和11S 形成了較穩(wěn)定復合物[20]。可食膜在2θ=22.34°附近處顯示衍射峰，隨著11S-PS 可食膜比例從0∶15 增加到2∶15，光譜中特征吸收峰的強度增強。然而，從2∶15 到5∶15，峰值強度的增強并不顯著，這反映了2∶15 可能是最合適的復合比[15]。因此，向淀粉膜中加入適量11S 可以適當降低結(jié)晶度，緩解薄膜脆性，增大柔韌性，這與可食膜機械性能的測定結(jié)果相對應(yīng)。

圖1 不同比例條件下11S-PS 可食膜的X-RDFig.1 X-RD diffraction of 11S-PS edible films in different proportions

2.2 不同比例條件下11S-PS 可食膜的FTIR光譜分析

FTIR 是用來表征分子間相互作用的一種方法，可以反映樣品之間特征基團的不同[4]。為了評估不同比例11S 和PS 可能的相互作用，通過FTIR 光譜分析所有可食膜中分子間作用力。

如圖2 為不同比例條件下11S-PS 可食膜的FTIR 光譜，所有可食膜都顯示了相似的圖譜，因為加入一定量的11S 后，蛋白的大部分特征峰出現(xiàn)在與淀粉相同的位置[21]。3 300 cm-1附近出現(xiàn)的極寬峰來自O(shè)-H 的對稱和不對稱伸縮振動[22]。隨著11S 含量的增加，膜材料在3 300 cm-1附近的峰值發(fā)生藍移，且強度增加，且在1∶15 和2∶15 峰值較大，表明了11S 和PS 官能團之間相互作用的增強，吸收信號增加。這可能是由于蛋白的引入形成了氫鍵作用力，淀粉中大量的羥基可能與蛋白中的氨基也形成了氫鍵作用，增大了物質(zhì)之間的相互作用力[21]。在2 930 cm-1處觀察到的峰是碳氫鍵拉伸的特征，源于淀粉亞甲基C-H 不對稱伸縮振動，當?shù)矸鄯肿恿u基以氫鍵的形式與其它物質(zhì)結(jié)合，羥基對亞甲基上兩個氫原子的吸引力減小[23]。在1 700～800 cm-1處為多糖特征吸收峰，隨著可食膜中11S 含量的增加，在1 640 cm-1處C=O 的振動峰有明顯的波動并逐漸變大，這可能是羰基與某些基團產(chǎn)生了化學相互作用，這些結(jié)果證明了兩種聚合物的相容性[4]。

圖2 不同比例條件下11S-PS 可食膜的FTIR 光譜Fig.2 FTIR spectrum of 11S-PS edible films in different proportions

2.3 不同比例條件下11S-PS 可食膜的質(zhì)構(gòu)分析

具有較高機械性能的可食膜能抵抗其在食品加工、運輸和貯藏中的壓力，維持其結(jié)構(gòu)的完整性和較好的保護性能[24]。不同比例條件下11S-PS 可食膜的拉伸強度和斷裂伸長率如圖3 所示，天然馬鈴薯淀粉膜柔軟易斷裂，因此拉伸強度低，隨著11S 含量的增加，可食膜的拉伸強度顯著增加（P＜0.05），由1.35 MPa 增加到3.61 MPa。這主要是由于蛋白質(zhì)-多糖的相互作用，增加了聚合物鏈的流動性，一定的拉伸強度可以使材料具有更大的柔韌性。當可食膜中11S 含量增加，斷裂伸長率呈先增大后減小的趨勢，在復合比例為1∶15 和2∶15時，可食膜的斷裂伸長率較大，分別為46.69%和43.76%，說明斷裂伸長率在1∶15 和2∶15 之間沒有差異顯著性。原因是PS 本身含水量較高，適量添加11S 可填充PS 骨架之間的空隙，另一方面淀粉網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與適量11S 可形成氫鍵作用，使得膜結(jié)構(gòu)更致密[25]。繼續(xù)添加11S 后，可食膜斷裂伸長率顯著下降，甚至低于馬鈴薯淀粉膜，此時可食膜硬度過大，不具有彈性且易斷裂，可能是高比例11S 的加入會削弱聚合物的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。Wang 等[26]分別在果膠-海藻酸鈉和魔芋葡甘聚糖-玉米醇溶蛋白的共混膜中報道了類似的結(jié)果。

圖3 不同比例條件下11S-PS 可食膜的拉伸強度和斷裂伸長率Fig.3 Tensile strength and elongation at break of 11S-PS edible films in different proportions

2.4 不同比例條件下11S-PS 可食膜的透光率和水蒸氣透過率分析

透光率和水蒸氣透過率是評估食品包裝膜包裝性的重要指標。不同比例條件下11S-PS 可食膜的水蒸氣透過率和透光率如圖4 所示，隨著11S含量的增加，可食膜的WVP 呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，當11S 與PS 比例為2 ∶15 時，可食膜的WVP 達到最小值，為5.63 g·mm/m2d·kPa，其與馬鈴薯淀粉膜相比降低了0.35%。繼續(xù)添加11S 后可食膜的WVP 又顯著升高（P＜0.05），當復合物比例為5 ∶15 時，WVP 達到最大值5.70 g·mm/m2d·kPa。這歸因于這種親水性的蛋白具有較低的極性，且因為交聯(lián)作用使得分子間的間隔減小，從而限制了水分子在可食膜中的遷移速率[27]。在可見光波長為580 nm 處，隨著11S 含量的增加，可食膜的透光率呈現(xiàn)增加趨勢。當11S-PS 可食膜比例從0∶15 變化至2∶15 的過程中，透光率增加速率緩慢，比例大于2∶15 時，透光率以較快速率增加，這說明添加11S 可以增加可食膜的透光率。陳觀福壽[28]研究發(fā)現(xiàn)當物質(zhì)之間的界面作用效果增加時，復合材料的透光率也會增加，其原因是界面會影響光的折射和反射情況。綜上可知，11S 與PS比例對可食膜比透光性能和WVP 具有顯著影響，且比例為2∶15 可食膜的WVP 最低。

圖4 不同比例條件下11S-PS 可食膜的水蒸氣透過率和透光率Fig.4 Water vapor transmittance and light transmittance of 11S-PS edible films in different proportions

2.5 不同比例條件下11S-PS 可食膜的透氣性分析

包裝膜的氧氣透過率低可以延緩食品由于發(fā)生氧化而造成的腐敗變質(zhì)，較低的二氧化碳透過率有利于充氣包裝[29]。如圖5 所示，11S-PS 可食膜比例為0∶15 時的氧氣透過率和二氧化碳透過率較高，為11.65 g/d·m2和18.49 g/d·m2，隨著11S 含量的增加，可食膜的氧氣透過率呈先降低后升高的趨勢，在比例為1∶15 和2∶15 時透過率較低，分別為8.39 g/d·m2和8.40 g/d·m2，沒有差異顯著性。可食膜的二氧化碳透過率與氧氣透過率趨勢相同，在比例為2∶15 時達到最小值，為12.27 g/d·m2。這可能是干燥后PS 呈現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，隨著11S的加入，分子間的間隙減小，從而使可食膜中的基質(zhì)更加致密，降低氣體分子的擴散速率，此外熱誘導交聯(lián)增強了淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)，通過限制淀粉鏈在無定形區(qū)域的移動性來減少氣體的傳輸[30]。Woggum 等[31]有類似發(fā)現(xiàn)，改性淀粉和木塑復合材料之間交聯(lián)的形成以及在聚合物基質(zhì)中引入車前殼作為填料導致更小的自由體積和氣體分子通過其擴散，因此改善了改性淀粉復合膜的氣體阻隔性能。

圖5 不同比例條件下11S-PS 可食膜的氧氣透過率和二氧化碳透過率Fig.5 Oxygen and carbon dioxide transmittance of 11S-PS edible films in different proportions

2.6 不同比例條件下11S-PS 可食膜的接觸角分析

膜材料的疏水性在一定程度上可以通過可食膜接觸角來體現(xiàn)。一般情況下，可食膜的接觸角值＞90°，說明其表面具有較強的疏水作用和較低的濕潤性[17]。根據(jù)在可食膜表面上測量的接觸角，計算平均值如圖6 所示。發(fā)現(xiàn)添加11S 的可食膜比馬鈴薯淀粉膜表面疏水性強，隨著可食膜中11S 含量的增加，接觸角從（82.16±1）°增加到（109.98±1）°，在比例為2∶15 時達到最大。這可能是因為蛋白的加入減少了體系中游離-NH2和-OH 基團的數(shù)量，使11S 和PS 之間有較好的交聯(lián)效果，可食膜的連續(xù)性增強，形成了十分緊密的空間結(jié)構(gòu)，進而使可食膜的接觸角增大[32]。然而，當添加高于2∶15 時，接觸角從（109.98±1）°下降到（85.73±1）°。這是因為親水性的11S 會聚集在膜表面，含有許多不能形成氫鍵的游離O-H 鍵，從而導致接觸角在一定程度上呈減小趨勢。在攜帶茶多酚的淀粉膜中也觀察到類似的結(jié)果[25]。綜上，11S 會改變可食膜的疏水性，此結(jié)論與11S 對可食膜的水蒸氣透過性和透氣性的影響相吻合。

圖6 不同比例條件下11S-PS 可食膜的接觸角Fig.6 Contact angle of 11S -PS edible films in different proportions

2.7 不同比例條件下11S-PS 可食膜的SEM分析

膜的均一性在一定程度上表現(xiàn)了膜的優(yōu)劣，均一性好表明膜更光滑，膜性能更優(yōu)[15]。利用SEM圖像揭示了與成膜基質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)相關(guān)的一些信息，從而更清晰地解釋力學性能、水蒸氣透過率、透氣性等宏觀性能的變化原因。

如圖7 所示，11S-PS 可食膜比例為0∶15 時，可食膜截面均勻，結(jié)構(gòu)較松散，這是由于PS 具有較高的結(jié)晶度，經(jīng)過糊化后仍未被完全破壞，導致可食膜的橫截面出現(xiàn)褶皺現(xiàn)象[33]。11S 含量的增加引起可食膜截面微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化（圖7A～7F）。當11S 和PS 比為1∶15 和2∶15 時，可食膜致密性提高。且11S 和PS 比為2∶15 時表現(xiàn)出較好的致密性和均勻的形貌。這可能是由于蛋白聚集到淀粉表面，填補了可食膜表面空隙。然而，11S 和PS比超過2∶15 時，大量的蛋白會增加可食膜截面孔隙度和非均質(zhì)性。這種現(xiàn)象可以歸結(jié)為11S 過量導致的聚集，從而破壞了可食膜的均勻性[15]。圖7a～7f 為可食膜的表面形態(tài)，可食膜比例為0∶15時，可食膜表面有輕微裂痕，隨著11S 含量的增加，可食膜表面逐漸光滑，且出現(xiàn)大小不同的顆粒狀物質(zhì)。主要是由于PS 和11S 中存在的-OH 基團反應(yīng)，因此增加了復合物的交聯(lián)度[30]。

圖7 不同比例條件下11S-PS 可食膜的SEM 圖像Fig.7 SEM image of 11S -PS edible films in different proportions

3 結(jié)論

本試驗研究了不同質(zhì)量比條件下11S-PS 可食膜的性能，隨著11S 含量的增加，11S-PS 可食膜的機械性能和微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化。11S 和PS 通過氫鍵和疏水作用相互結(jié)合，加入11S 可以降低淀粉的結(jié)晶度，提高復合物的穩(wěn)定性。在蛋白淀粉比為2∶15 時，斷裂伸長率達到最大，此時透氣性較低，接觸角最大，疏水性強，可食膜空間結(jié)構(gòu)緊密連續(xù)性增強。添加高于2∶15 時，可食膜硬度增大，截面孔隙度和非均質(zhì)性增加，甚至會產(chǎn)生裂痕。因此，在11S 和PS 比例為2∶15 時的可食膜機械性能及微觀特性最優(yōu)，此時11S 和PS 發(fā)生高強度交聯(lián)，可食膜軟硬適中且不易斷裂，具有廣闊的應(yīng)用前景。