趙欣，管驍

(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海，200093)

近年來(lái)隨著人們對(duì)食品品質(zhì)和保藏要求的提高以及環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，天然生物材料制成的可食性食品包裝逐漸成為研究的熱點(diǎn)［1］?？墒承园b膜是以可食性生物大分子物質(zhì)為主要基質(zhì)，輔以可食性的增塑劑，通過(guò)一定的處理工序使各成膜劑分子間相互作用，使之在干燥后形成一種具有一定力學(xué)性能和選擇透過(guò)性結(jié)構(gòu)致密的薄膜［2］?？墒承阅ぐ丛洗篌w上可分為4 類(lèi):多糖類(lèi)可食性膜、蛋白質(zhì)類(lèi)可食性膜、脂類(lèi)可食性膜、復(fù)合型可食性膜。多糖膜依靠分子間氫鍵、分子內(nèi)氫鍵和多糖特殊的長(zhǎng)鏈螺旋分子結(jié)構(gòu)，使其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，但它們都屬親水性聚合物，阻濕性差，導(dǎo)致該類(lèi)膜在較高的濕度環(huán)境下容易吸潮而發(fā)黏，而且機(jī)械性能也有待提高［3］。大豆分離蛋白具有較好的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和生理功能，以其作為基材的膜具有良好的阻氣性、一定的阻濕性和機(jī)械強(qiáng)度［4］。

為得到性能更良好的可食性膜，本文選擇大豆分離蛋白、水溶性大豆多糖為原料，以大豆分離蛋白與水溶性大豆多糖的比例、甘油添加量、海藻酸鈉添加量及鈣離子濃度為影響因素，在單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，以確定成膜參數(shù)，優(yōu)化成膜工藝條件，并從水溶性、水蒸氣透過(guò)性、抗拉伸強(qiáng)度、斷裂延伸率等方面對(duì)膜的性質(zhì)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，為新型可食性膜的開(kāi)發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

水溶性大豆多糖，購(gòu)自上海百奧特生物科技有限公司;大豆分離蛋白(干基≥90%)，山東山松生物科技有限公司;甘油，海藻酸鈉，NaOH、HCl、CaCl2、消泡劑等均為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.2 主要設(shè)備

電子天平，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司;四聯(lián)磁力加熱攪拌器，上海碩光電子科技有限公司;數(shù)控超級(jí)恒溫槽，寧波天恒儀器廠;DHG-9210A 型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司;微拉伸試驗(yàn)儀，上海一恒科學(xué)儀器有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 膜的制備［5－7］

稱(chēng)取一定量大豆分離蛋白和水溶性大豆多糖混勻后，按1∶20 的料水比加入適量蒸餾水，80℃水浴30 min 充分?jǐn)嚢?，邊攪拌邊加入一定量海藻酸鈉、甘油、可食用消泡劑及不同濃度氯化鈣溶液，20 min 后取5 mL 溶液傾入直徑9 cm 培養(yǎng)皿內(nèi)并輕輕搖勻，并水平置于60℃恒溫箱內(nèi)干燥24 h 后揭膜。揭下的膜放在相對(duì)濕度為52% (飽和硝酸鎂溶液保持其濕度)的干燥器中，室溫平衡3 d 后測(cè)定各種特性參數(shù)。

1.3.2 膜厚度的測(cè)定［8］

用游標(biāo)卡尺在被測(cè)膜上隨機(jī)取5 點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定，取平均值，單位為mm。

1.3.3 膜的水溶性測(cè)定［9］

將膜剪成50 mm ×50 mm 大小，放在燒杯中，在90 ℃恒溫干燥箱中干燥至質(zhì)量恒定后，加入50 mL蒸餾水使其充分溶解(約24 h)后，將水倒掉，再置于90℃烘箱中干燥至質(zhì)量恒定。

式中:WS為膜的水溶性，%;m0為膜的初始質(zhì)量，g ;m為膜溶解后殘留杯底的質(zhì)量，g。

1.3.4 膜的水蒸氣透過(guò)率( water vapor permeability ，WVP) 的測(cè)定［10－12］

將待測(cè)的膜密封于裝有4 g 無(wú)水CaCl2的稱(chēng)量瓶瓶口處，置于相對(duì)濕度83%的干燥器中(KBr 飽和溶液保持其濕度)。每24 h 稱(chēng)1 次稱(chēng)量瓶質(zhì)量，持續(xù)1周。通過(guò)稱(chēng)量瓶質(zhì)量的增加，計(jì)算得WVP。

水蒸氣透過(guò)系數(shù)以式(2)表示:

式中:WVP為水蒸氣透過(guò)系數(shù)，(g·mm)/(m2·d ·kPa);d為試樣厚度，mm;ΔP為試樣兩側(cè)的水蒸氣壓差，kPa;t為質(zhì)量增量的2 次間隔時(shí)間，d;Δm為t時(shí)間內(nèi)的質(zhì)量增加量，g;A為試樣透過(guò)水蒸氣的面積，m2。

1.3.5 抗拉強(qiáng)度( tensile strength，TS) 和斷裂伸長(zhǎng)率(E) 的測(cè)定［13］

抗拉強(qiáng)度(TS)表征試樣能承受的最大拉伸應(yīng)力，斷裂伸長(zhǎng)率(E)即膜斷裂時(shí)長(zhǎng)度的變化率。測(cè)試方法按照GB13022 －1991 用微拉伸試驗(yàn)儀在室溫下測(cè)定，采用長(zhǎng)條型試樣，試樣寬度20 mm，標(biāo)距150 mm，試驗(yàn)速度1 mm/s。

式中:TS為抗拉強(qiáng)度，MPa;F為膜所受拉力，N;S為膜的橫截面積，m2。

式中:E為膜的斷裂伸長(zhǎng)率，%;L0為膜斷裂時(shí)的長(zhǎng)度，mm;L為膜的原始長(zhǎng)度，mm。

1.3.6 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

以大豆分離蛋白與水溶性大豆多糖的比例、甘油、海藻酸鈉添加量及鈣離子濃度為影響因素，并在通過(guò)感官評(píng)定單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以膜的水溶性、膜的水蒸氣透過(guò)系數(shù)(WVP)、抗拉強(qiáng)度(TS)和斷裂伸長(zhǎng)率(E)為衡量指標(biāo)，選擇單因素中合適的自變量并確定自變量水平，進(jìn)行4 因素3 水平L9(43)的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，采用Minitab 軟件，通過(guò)直觀分析確定各因素的影響強(qiáng)弱并對(duì)可食性復(fù)合膜的綜合性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到最優(yōu)工藝條件。

1.3.7 可食膜綜合性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［14］

該試驗(yàn)中大豆蛋白-多糖復(fù)合膜的評(píng)價(jià)指標(biāo)共有4 項(xiàng)，分別是水溶性(WS)、水蒸氣透過(guò)系數(shù)(WVP)、抗拉伸強(qiáng)度(TS)、斷裂延伸率(E)。復(fù)合膜綜合性能采用加權(quán)法和分段插值法進(jìn)行計(jì)算。各項(xiàng)性能分值為:WS，15 分;WVP，20 分;TS，30 分;E，30 分，其他，5 分。各項(xiàng)性能評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如下:

(1)膜水溶性WS(15 分)。WS＜0.05%，分值15 分;0.05%≤WS＜0.08%，13 分≤分值＜15 分;0.08%≤WS＜0.11%，11 分≤分值＜13 分;0.11%≤WS＜0.14%，9 分≤分值＜11 分;0.14%≤WS＜0.17%，7 分≤分值＜9 分;0.17%≤WS＜0.20%，5分≤分值＜7 分。

(2)水蒸氣透過(guò)系數(shù)WVP(20 分)。WVP＜2.0(g·mm)/(kPa·d·m2)，分值25 分;2.0(g·mm)/(kPa·d·m2)≤WS＜2.5(g·mm)/(kPa·d·m2)，18 分≤分值＜20 分;2.5(g·mm/kPa·d·m2)≤WS＜3.0(g·mm/kPa·d·m2)，16 分≤分值＜18 分;3.0(g·mm/kPa·d·m2)≤WS＜3.5(g·mm/kPa·d·m2)，14 分≤分值＜16 分;3.5(g·mm/kPa·d·m2)≤WS＜4.0(g·mm/kPa·d·m2)，12 分≤分值＜14 分;4.0(g·mm/kPa·d·m2)≤WS＜4.5(g·mm/kPa·d·m2)，10 分≤分值＜12 分。

(3)抗拉伸強(qiáng)度(30 分)。TS＞10.0 MPa，分值30 分;8.0MPa ≤WS ＜10.0MPa，25 分≤分值＜30分;6.0MPa ≤WS＜8.0MPa，20 分≤分值＜25 分;4.0MPa ≤WS＜6.0MPa，15 分≤分 值＜20 分;2.0MPa≤WS＜4.0MPa，10 分≤分值＜15 分;0MPa≤WS＜2.0MPa，5 分≤分值＜10 分。

(4)斷裂伸長(zhǎng)率(30 分)。E＞100%，分值30分;80%≤E＜100%，25 分≤分值＜30 分;60%≤E＜80%，20 分≤分值＜25 分;40%≤E＜60%，15分≤分值＜20 分;20%≤E＜40%，10 分≤分值＜15分;0≤E＜20%，5 分≤分值＜10 分。

(5)其他因素(5 分)。觀察所成的膜的表面光滑程度，揭膜難易程度，揭膜破損情況酌情給分。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 大豆分離蛋白和水溶性大豆多糖的比例對(duì)膜外觀的影響

將大豆分離蛋白與水溶性大豆多糖分別按照質(zhì)量比1∶1，1∶3，1∶5，1∶7，1∶9 的比例混勻后(總質(zhì)量10 g)，添加200 mL 蒸餾水、3 mL 甘油、3 g 海藻酸鈉、1 mL 消泡劑、1 mol/L CaCl2，按照制備復(fù)合膜的操作過(guò)程，觀察不同比例對(duì)成膜的影響，結(jié)果表示如表1 所示。

由表1 可知，SPI 與SSPS 比例的不同對(duì)膜的外觀影響顯著，當(dāng)SPI 與SSPS 的質(zhì)量比為1∶1 時(shí)，膜表面極不均勻，無(wú)彈性，易碎，無(wú)法應(yīng)用于指標(biāo)測(cè)定;當(dāng)SPI 與SSPS 的比例為1∶9 時(shí)，膜太厚并且較硬，不適宜測(cè)定。因此，選用SPI 與SSPS 的比例分別為1∶3、1∶5、1∶7 繼續(xù)后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

2.1.2 甘油添加量對(duì)膜外觀的影響

按1∶5 的比例準(zhǔn)確稱(chēng)取大豆分離蛋白和水溶性大豆多糖共10 g，添加200 mL 蒸餾水、3g 海藻酸鈉、1 mL 消泡劑、1 mol/L Ca2+，按照制備復(fù)合膜的操作過(guò)程，分別添加1%，2%，3%，4%，5%的甘油進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察不同甘油添加量對(duì)成膜的影響，結(jié)果表示如表2 所示。

表2 甘油添加量對(duì)膜的外觀影響Table 2 The effect of the addition amount of glycerin on appearance of the film

由表2 可知，甘油添加量的不同對(duì)膜的外觀影響較大。甘油可以通過(guò)減少聚合物相鄰鏈間的分子內(nèi)相互作用而降低膜的脆性及易碎性，增加膜基質(zhì)間的空隙，賦予膜一定的柔韌性［15－16］。當(dāng)甘油添加量為1%時(shí)，所制得的可食膜有裂痕，無(wú)法揭膜;當(dāng)甘油添加量為5%時(shí)，所制得的可食膜薄厚不均勻并且太硬，因此，選用甘油添加量分別為2%、3%、4%繼續(xù)后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

2.1.3 海藻酸鈉添加量對(duì)膜外觀的影響

按質(zhì)量比1∶5 的比例準(zhǔn)確稱(chēng)取大豆分離蛋白和水溶性大豆多糖共10 g，添加200 mL 蒸餾水、3 mL甘油、1 mL 消泡劑、1mol/L Ca2+，按照制備復(fù)合膜的操作過(guò)程，分別添加1%，2%，3%，4%，5%的海藻酸鈉進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察不同海藻酸鈉添加量對(duì)成膜的影響，結(jié)果表示如表3 所示。

表3 海藻酸鈉添加量對(duì)膜的外觀影響Table 3 The effect of the addition amount of sodium alginate on appearance of the film

由表3 可知，海藻酸鈉添加量的不同對(duì)膜的外觀影響較大。海藻酸鹽是一種含聚甘露糖醛酸和聚古羅糖醛酸鏈段結(jié)構(gòu)的天然聚合物［17］，相對(duì)分子質(zhì)量較大，分子鏈較長(zhǎng)，可形成一種可食性膜;由于水溶性大豆多糖黏度低，因此添加了一定量的海藻酸鈉改善其黏性，當(dāng)海藻酸鈉的添加量分別為2%、3%、4%時(shí)，膜的綜合品質(zhì)較好，因此，選用海藻酸鈉添加量分別為2%、3%、4%繼續(xù)后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

2.1.4 鈣離子濃度對(duì)膜外觀的影響

按1∶5 的質(zhì)量比準(zhǔn)確稱(chēng)取大豆分離蛋白和水溶性大豆多糖共10 g，添加200 mL 蒸餾水、3 mL 甘油、3 g 海藻酸鈉、1 mL 消泡劑，按照制備復(fù)合膜的操作過(guò)程，分別添加0.5、1.0、1.5、2.0 mol/L Ca2+進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察不同Ca2+濃度對(duì)成膜的影響，結(jié)果表示如表4 所示。

表4 Ca2+濃度對(duì)膜的外觀影響Table 4 The effect of the addition amount of calcium ion concentration on appearance of the film

由表4 可知，以CaCl2作為交聯(lián)劑，當(dāng)海藻酸鈉與鈣離子作用時(shí)，鈣離子交聯(lián)聚合鏈的締合鏈段之間，產(chǎn)生了抑制水分流動(dòng)的三維結(jié)構(gòu)，從而使膜的水溶性降低。鈣離子濃度的不同對(duì)膜的外觀影響不大。從外觀而言，各種鈣離子濃度制得的膜相差無(wú)幾，但是利用鈣離子能增加多糖、蛋白質(zhì)等大分子間的交聯(lián)，改善膜的綜合特性，提高膜的機(jī)械強(qiáng)度，是目前解決可食性膜強(qiáng)度低的有效方法［18］。

2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

在單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，選擇SPI 與SSPS的質(zhì)量比、甘油添加量、海藻酸鈉添加量及鈣離子濃度4 個(gè)因素，設(shè)計(jì)4 因素3 水平(L9(43))正交試驗(yàn)，考察其對(duì)復(fù)合膜水溶性、水蒸汽透過(guò)率(WVP)、抗拉強(qiáng)度(TS)、斷裂伸長(zhǎng)率(E)的綜合影響。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表5、表6。

表5 水溶性大豆多糖與大豆分離蛋白復(fù)合膜制備正交試驗(yàn)因素與水平表Table 5 Factors and levels of orthogonal tests

表6 水溶性大豆多糖與大豆分離蛋白復(fù)合膜制作正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 6 Design table of orthogonal experiment and results

由表6 可知，在影響制備復(fù)合膜4 個(gè)因素中，對(duì) 復(fù)合膜水溶性的影響順序?yàn)?Ca2+濃度(D)＞ 海藻酸鈉添加量(C)＞甘油添加量(B)＞SPI 與SSPS 比例(A);復(fù)合膜的水溶性在SPI 與SSPS 比例為1∶3，甘油添加量為3%，海藻酸鈉添加量為4%，Ca2+濃度為0.5 mol/L 時(shí)最低。蛋白質(zhì)本身為親水性大分子，含有較多羥基等親水性基團(tuán)，水分較容易與SPI 分子結(jié)合。甘油分子中有較多羥基，因此甘油含量越多越容易溶于水，促進(jìn)了水蒸氣在大豆分離蛋白膜上的遷移。對(duì)復(fù)合膜水蒸汽透過(guò)率的影響順序?yàn)?SPI 與SSPS 比例(A)＞甘油添加量(B)＞Ca2+濃度(D)＞海藻酸鈉添加量(C);復(fù)合膜的水蒸汽透過(guò)率在SPI與SSPS 比例為1∶7，甘油添加量為4%，海藻酸鈉添加量為2%，Ca2+濃度為1.5 mol/L 時(shí)最低。膜的WVP 值越小，阻濕性能越好。對(duì)復(fù)合膜抗拉強(qiáng)度的影響順序?yàn)?SPI 與SSPS 比例(A)＞海藻酸鈉添加量(C)＞甘油添加量(B)＞Ca2+濃度(D);復(fù)合膜的水溶性在SPI 與SSPS 比例為1∶7，甘油添加量為4%，海藻酸鈉添加量為2%，Ca2+濃度為1.0 mol/L 時(shí)最大。對(duì)復(fù)合膜斷裂伸長(zhǎng)率的影響順序?yàn)?SPI 與SSPS比例(A)＞海藻酸鈉添加量(C)＞甘油添加量(B)＞Ca2+濃度(D)。復(fù)合膜的水溶性在SPI 與SSPS 比例為1 ∶7，甘油添加量為4%，海藻酸鈉添加量為2%，Ca2+濃度為1.0 mol/L 時(shí)最大。Ca2+的添加對(duì)大豆分離蛋白膜的E 值影響很大，主要是因?yàn)镃a2+的加入影響膜的脆度，從而影響膜的斷裂伸長(zhǎng)率。甘油的添加對(duì)E 值影響也很大，這主要是甘油的加入減少了蛋白分子之間的相互作用，軟化了膜的剛性結(jié)構(gòu)，使膜內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得疏松，增加了鏈的流動(dòng)性［19］。

2.3 可食膜綜合性能評(píng)價(jià)

采用加權(quán)法對(duì)可食性復(fù)合膜的綜合性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表7。

由表7 可知，SPI 與SSPS 復(fù)合膜綜合性能最佳的配方工藝為:SPI∶SSPS 的比例為1∶7，甘油添加量為2%，海藻酸鈉添加量為4%，Ca2+濃度為1.0 mol/L。此條件下復(fù)合膜的綜合性能評(píng)分最高，達(dá)67.8。極差分析結(jié)果顯示，影響復(fù)合膜綜合性能的因素的影響程度從高到低依次為:SPI 與SSPS 的比例、海藻酸鈉添加量、甘油添加量、Ca2+濃度。羅麗娟［14］等研究了濕法工藝制備可食性大豆分離蛋白膜，認(rèn)為在SPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%，pH 值為10，溫度為90℃時(shí)得到的膜綜合性能最佳。在該條件下制備的膜的抗拉強(qiáng)度為3.19 MPa，WVP為17.51 (g·mm)/(m2·d·kPa)。任紅［5］等研究了凝膠多糖與大豆分離蛋白可食性復(fù)合膜的制備，認(rèn)為在干燥溫度為50℃，SPI 濃度為2.0%，凝膠多糖濃度為1.2%，甘油濃度為1%時(shí)所得膜具有較好的抗拉強(qiáng)度和阻濕性能，在該條件下制備的膜的抗拉強(qiáng)度為13.34 MPa，水蒸氣透過(guò)系數(shù)為3.24(g·mm)/(m2·d·kPa)。本文以大豆分離蛋白和水溶性大豆多糖2 種材料復(fù)合制備的可食性膜比單一大豆分離蛋白制備的可食膜具有更高的抗拉強(qiáng)度和較好的阻濕性，其抗拉強(qiáng)度為6.416 MPa，WVP為2.8912(g·mm)/(m2·d·kPa)，但抗拉強(qiáng)度較之于凝膠多糖與大豆分離蛋白可食性復(fù)合膜則較低。綜上所述，以大豆分離蛋白和水溶性大豆多糖為成膜基材的可食性復(fù)合膜具有良好的阻濕性能，可以根據(jù)其特征，將其作為食品的內(nèi)包裝應(yīng)用在速食方便面調(diào)料包、速溶咖啡等領(lǐng)域。

表7 復(fù)合膜綜合性能正交試驗(yàn)結(jié)果分析Table 7 Comprehensive evaluation results of the composite film

3 結(jié)論

本文以制備性能良好的大豆分離蛋白-水溶性大豆多糖可食性復(fù)合膜為目標(biāo)，考查了大豆分離蛋白與水溶性大豆多糖的比例、甘油、海藻酸鈉添加量及Ca2+濃度等影響因素，通過(guò)單因素與正交實(shí)驗(yàn)對(duì)成膜配方進(jìn)行研究，并從水溶性、水蒸氣透過(guò)性、抗拉伸強(qiáng)度、斷裂延伸率等方面對(duì)膜的性質(zhì)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明:對(duì)SPI-SSPS 復(fù)合膜綜合性能影響因素的顯著程度為:SPI∶SSPS (A)＞海藻酸鈉添加量(C)＞甘油添加量(B)＞Ca2+濃度(D)，最佳的配方為:SPI∶SSPS 的質(zhì)量比為1∶7，甘油添加量為2%，海藻酸鈉添加量為4%，Ca2+濃度為1.0 mol/L。此條件下復(fù)合膜的綜合性能評(píng)分最高，達(dá)67.79。

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