李 鵬,甄天元,王玲玲,高 琳,楊偉強(qiáng),孫 杰
(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島266109;2.山東省花生研究所,山東青島266100)
可食性膜是以天然可食性物質(zhì)(如:蛋白質(zhì)、多糖、纖維素及其衍生物等)為原料,通過(guò)不同分子間相互作用而形成具有多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)薄膜,通過(guò)包裹、浸漬、涂布、噴灑于食品表面(或內(nèi)部)達(dá)到阻止(或減少)水分、氣體(O2、CO2)或溶質(zhì)的遷移,并對(duì)食品起到機(jī)械保護(hù)的作用[1]。目前在此相關(guān)研究領(lǐng)域,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了研究,但多數(shù)集中在以大豆分離蛋白和多糖及部分類脂為主要基質(zhì),制備可食用性的食品涂膜材料,用于水果、蔬菜、禽蛋的涂膜保鮮及糕點(diǎn)、糖果的內(nèi)包裝等,對(duì)于其他的植物蛋白為原料制備可食性膜,特別是對(duì)于可單獨(dú)用于食品外包裝的蛋白薄膜研究比較少,也基本處于探討階段。
而花生蛋白是一種優(yōu)質(zhì)的而且也是產(chǎn)量豐富的一種植物蛋白資源[2],花生蛋白分子中存在著大量的氫鍵、疏水鍵、二硫鍵、范德華力、離子鍵、配位鍵,可成膜性高,同時(shí)花生蛋白膜可以減少食品內(nèi)部水分的蒸發(fā),阻止空氣中的氧與食品之間發(fā)生的氧化作用,防止微生物的滋生,延長(zhǎng)食品的貯藏期,而且由于花生蛋白的交聯(lián)作用較為強(qiáng)烈,膜的機(jī)械特性優(yōu)于多糖和脂肪膜[3-4],所以對(duì)于花生蛋白膜的研究與應(yīng)用日益受到人們的重視。
本文旨在以低變性花生分離蛋白為原料,研究其成膜性,力求通過(guò)實(shí)驗(yàn)找到影響花生分離蛋白可食性膜性能,如抗拉強(qiáng)度(TS)、斷裂伸長(zhǎng)率(E%)和水蒸氣遷移速率(νWVTR)的部分影響因素與膜性能的關(guān)系趨勢(shì),確定膜的最適制備條件,為今后花生分離蛋白膜的制作及應(yīng)用提供理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。
低變性花生蛋白粉 青島長(zhǎng)壽食品有限公司;甘油 北京鼎國(guó)昌盛生物技術(shù)有限公司,食用級(jí);無(wú)水氯化鈣、硝酸鎂、鹽酸、氫氧化鈉 天津市凱通化學(xué)試劑有限公司,均為分析純。
WH-3微型漩渦混合儀 上海滬西分析儀器廠;北京瑞利游標(biāo)卡尺(0.02mm) 上海量具刃具廠;KA-1600型離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠;CL-2恒溫磁力攪拌機(jī) 江蘇金壇宏凱儀器廠;電子天平 上海梅特勒-托利多儀器有限公司;MP-120型酸度計(jì) 梅特勒-托利多儀器有限公司產(chǎn);DHG-9023A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科技有限公司;DS1型高速組織搗碎機(jī) 上海精勝科學(xué)儀器有限公司;HH-4型恒溫水浴鍋 常州國(guó)華電器有限公司;TA-XT2i型質(zhì)構(gòu)儀 英國(guó)Stable Micro System公司。
采用堿提酸沉法,稱取一定低變性花生蛋白粉,按一定比例加入堿溶液,攪拌、浸提;浸提后離心,過(guò)濾;濾液中緩慢加入0.1mol/L HCL溶液,并輕輕攪動(dòng),使其pH達(dá)到蛋白等電點(diǎn)4.5左右,花生分離蛋白呈白色絮狀沉淀析出,再用水洗滌沉淀至中性;造粒,干燥,粉碎,即得花生分離蛋白[5]。
按GB/T6432-1994,凱氏定氮法進(jìn)行測(cè)定。
將上述所得花生分離蛋白按比例混于蒸餾水中,加入2%甘油(V/V)為增塑劑,制備可食性膜,工藝流程為:配制花生分離蛋白溶液,添加增塑劑,用0.1mol/L的NaOH調(diào)節(jié)到一定pH后,水浴加熱至所需溫度,攪拌處理30min直到完全溶解,成膜液呈現(xiàn)均勻的狀態(tài),離心(3000r/min,10min),過(guò)濾,量取混合液倒入有機(jī)玻璃板上流延均勻,水平放置2h,膜表面成型后,放入65℃鼓風(fēng)干燥箱中干燥,揭膜即可得到花生分離蛋白可食性膜,揭膜后在相對(duì)濕度50%(硝酸鎂飽和溶液)下平衡48h,用以測(cè)定性能指標(biāo)[6-7]。
單因素實(shí)驗(yàn)考察熱處理溫度(℃)、pH和花生分離蛋白溶液濃度(%)對(duì)成膜的影響。通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,確定熱處理溫度、溶液pH、溶液濃度因素的水平,進(jìn)行L9(33)的正交實(shí)驗(yàn),采用加權(quán)法對(duì)花生分離蛋白膜的綜合性能進(jìn)行評(píng)分,正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。
1.6.1 膜厚度測(cè)定 用螺旋測(cè)微儀在膜上隨機(jī)取5點(diǎn),準(zhǔn)確測(cè)量膜的厚度,取其平均值,用作該樣品抗拉強(qiáng)度和水蒸氣遷移速率公式中的厚度值(T)。
1.6.2 抗拉強(qiáng)度測(cè)定 用質(zhì)構(gòu)儀測(cè)定。每種組分的膜準(zhǔn)備十個(gè)樣品進(jìn)行測(cè)定。將膜制成長(zhǎng)(L)4.0cm,寬(W)2.0cm的試樣,測(cè)量其厚度(T),質(zhì)構(gòu)儀的初始夾距設(shè)定為40mm,拉引速度0.5mm/s,在質(zhì)構(gòu)儀上讀取膜破裂時(shí)的拉力(F)數(shù)值。按公式(1)計(jì)算膜的TS:
式中:F:作用在膜兩端的最大拉力,N;T:膜的厚度,由螺旋測(cè)微器測(cè)出,mm;W:為膜的寬度,mm。
1.6.3 斷裂伸長(zhǎng)率E%的測(cè)定 是衡量膜的機(jī)械強(qiáng)度的另一指標(biāo),用質(zhì)構(gòu)儀測(cè)定。每種組分的膜準(zhǔn)備十個(gè)樣品進(jìn)行測(cè)定。將膜制成長(zhǎng)(L)4.0cm,寬(W)2.0cm的試樣,測(cè)量其厚度(T),質(zhì)構(gòu)儀的初始夾距設(shè)定為40mm,拉引速度0.5mm/s,測(cè)量膜斷裂時(shí)的膜的延伸長(zhǎng)度(L0),按公式(2)計(jì)算膜的E:
式中:L0:膜斷裂時(shí)被拉伸的長(zhǎng)度,mm;L:膜的原始長(zhǎng)度40mm。
1.6.4 水蒸氣遷移速率 將待測(cè)的花生分離蛋白膜密封于裝有無(wú)水氯化鈣的小錐形瓶口處,在室內(nèi)放置平衡24h,稱量小錐形瓶質(zhì)量的變化。水蒸氣遷移速率單位為g/(m2·h),按公式(3)計(jì)算:
式中:Δm:水蒸氣遷移量,g;A:膜的面積,m2;t:測(cè)定的時(shí)間,h。
實(shí)驗(yàn)采用加權(quán)法對(duì)花生分離蛋白膜的綜合性能進(jìn)行評(píng)分[10],滿分為100分。膜性能評(píng)分標(biāo)準(zhǔn):TS,40分;E,32分;νWVTR,20分;表觀效果8分。
1.7.1 TS(40分) TS≥2.0MPa,分值40分;1.5MPa≤TS<2.0MPa,30分≤分值<40分;1.0MPa≤TS<1.5MPa,20分≤分值<30分;0.5MPa≤TS<1.0MPa,10分≤分值<20分;0MPa≤TS<0.5MPa,0分≤分值<10分。
1.7.2 E(32分) E≥200%,分值32分;150%≤E<200%,24分≤分值<32分;100%≤E<150%,16分≤分值<24分;50%≤E<100%,8分≤分值<16分;0%≤E<50%,0分≤分值<8分。
1.7.3 νWVTR(20分) νWVTR≤15g/(m2·h),分值20分;10g/(m2·h)<νWVTR≤15g/(m2·h),15分≤分值<20分;15g/(m2·h)<νWVTR≤20g/(m2·h),10分≤分值<15分;20g/(m2·h)<νWVTR≤25g/(m2·h),5分≤分值<10分;25g/(m2·h)<νWVTR≤30g/(m2·h),0分≤分值<5分。
1.7.4 表觀效果(8分) 觀察所成的膜是否表面光滑,色澤透明,容易成膜,容易揭膜,分值8分,不符合條件的酌情減分。
采用SPSS軟件進(jìn)行方差分析和均值顯著性差異分析(采用鄧肯氏復(fù)極差法測(cè)驗(yàn)顯著性水平,設(shè)p≤0.05時(shí)顯著性差異)。
采用堿溶酸沉法制取的花生分離蛋白的蛋白含量為94.4%,達(dá)到了分離蛋白的標(biāo)準(zhǔn)(蛋白含量在90%以上)。
2.2.1 熱處理溫度對(duì)花生分離蛋白可食性膜性能的影響 在對(duì)成膜液的熱處理過(guò)程中,隨著熱處理溫度的上升,使得最終蛋白膜的TS先上升后下降,溫度上升到75℃時(shí),膜的TS得到顯著的提高(p<0.05),此后隨著溫度的升高TS略微有所降低,但差異不顯著(p>0.05)(表2)。這可能主要是因?yàn)檫m度的熱處理削弱了蛋白質(zhì)分子間作用力,使大分子從原來(lái)有秩序的緊密結(jié)構(gòu)變?yōu)闊o(wú)秩序的松散結(jié)構(gòu),使原來(lái)藏在分子內(nèi)部的巰基和疏水性氨基酸側(cè)鏈殘基等暴露在分子表面,從而有利于蛋白質(zhì)分子內(nèi)或分子間相互作用,在干燥過(guò)程中蛋白質(zhì)分子重新形成二硫鍵,形成堅(jiān)固的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),使TS提高[11],但若熱處理溫度過(guò)高,時(shí)間過(guò)長(zhǎng),又使得蛋白質(zhì)分子過(guò)度變性,造成蛋白質(zhì)分子鏈斷裂,不利于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成[12]。
隨著熱處理溫度的升高,花生分離蛋白膜的E也是先升高后有所降低,75℃時(shí)E達(dá)到最大值(p<0.05),此后隨著溫度增加,差異不顯著(p>0.05)。這主要是經(jīng)過(guò)熱處理后,蛋白分子結(jié)構(gòu)由緊密變得松散,原先的球狀分子結(jié)構(gòu)變?yōu)榫€性分子結(jié)構(gòu),更多線性的蛋白分子鏈重新排列,分子定向程度提高,使得E增加,因此溫度對(duì)E的影響較大。
花生分離蛋白膜νWVTR,隨著熱處理溫度升高,發(fā)生顯著變化(p<0.05),當(dāng)經(jīng)過(guò)75℃處理時(shí),數(shù)值最小。這表明適當(dāng)?shù)臒崽幚砟艽龠M(jìn)蛋白質(zhì)分子中的氫鍵和二硫鍵斷裂,結(jié)構(gòu)展開(kāi),疏水性基團(tuán)暴露出來(lái),提高花生蛋白疏水性,加強(qiáng)了分子間相互作用和二硫鍵重新分布,形成堅(jiān)固的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),提高其阻水性能[13-14]。
表2 熱處理溫度對(duì)花生分離蛋白膜性能的影響(n=5,±sD)Table 2 Effect of temperature on the properties of the film(n=5,±sD)
表2 熱處理溫度對(duì)花生分離蛋白膜性能的影響(n=5,±sD)Table 2 Effect of temperature on the properties of the film(n=5,±sD)
注:同列不同的字母表示差異顯著(p<0.05);表2、表3同。
熱處理溫度(℃) TS(MPa) E(%) VWVTR(g/(m2·h))55 0.63±0.02a100.53±14.63a 25.31±3.18a 65 0.88±0.14a108.92±22.96a 21.85±2.45b 75 1.41±0.16b129.15±18.65b 15.31±2.57c 85 1.23±0.21b125.46±23.71b 17.32±2.13d 95 1.37±0.24b126.26±22.25b 19.73±2.36e
2.2.2 pH對(duì)花生分離蛋白可食性膜性能的影響 pH在8~11之間,花生分離蛋白溶解性比較好,膜液均勻,可以得到表面光滑、具有一定彈性和強(qiáng)度的薄膜,其性能指標(biāo)見(jiàn)表3。由表3可以看出,pH對(duì)膜的TS存在顯著差異(p<0.05)。從pH7~9,TS增大,這主要由于堿使蛋白質(zhì)變性,內(nèi)部基團(tuán)暴露,有利于堅(jiān)固網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的形成;從pH9~11,TS又下降,由于極端堿性條件下,負(fù)離子之間極強(qiáng)的靜電排斥作用阻礙了蛋白質(zhì)分子內(nèi)或分子間的連接,從而阻礙了膜的形成。
表3 pH對(duì)花生分離蛋白可食性膜性能的影響(n=5,±sD)Table 3 Effect of pH on the properties of the film(n=5,±sD)
表3 pH對(duì)花生分離蛋白可食性膜性能的影響(n=5,±sD)Table 3 Effect of pH on the properties of the film(n=5,±sD)
pH TS(MPa) E(%) VWVTR(g/(m2·h))7 0.74±0.06d 41.24±10.31d 22.34±4.6b 8 1.21±0.14c 93.45±15.40d 21.60±3.46b 9 1.41±0.16b 125.15±18.65b 15.31±2.57a 10 1.25±0.07b 135.89±17.16b 21.50±2.68b 11 0.91±0.09c 150.45±21.15a 23.30±3.87b
膜的E隨pH的增大而增大(p<0.05),這可能是因?yàn)?,高pH堿使蛋白分子間相互作用減弱,而蛋白質(zhì)是富有彈性的物質(zhì),所以使得膜的柔韌性較好,膜的E增加。
νWVTR隨著pH的升高呈先下降后升高的趨勢(shì),當(dāng)pH為9時(shí)值最小(p<0.05),這與蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成有直接聯(lián)系,pH為9時(shí)膜的結(jié)構(gòu)變得更加致密,阻止了水蒸氣的滲透,因此膜的水蒸氣透過(guò)系數(shù)減小。
2.2.3 蛋白溶液濃度對(duì)花生分離蛋白膜性能的影響
由表4可見(jiàn),花生分離蛋白濃度在2%~10%都可以成膜,但濃度在2%~4%時(shí),由于蛋白含量太低,蛋白質(zhì)分子比較分散,不易于蛋白質(zhì)分子之間的交聯(lián)作用,不易成膜;質(zhì)量分?jǐn)?shù)在6%~8%時(shí),能形成較好的花生分離蛋白膜,且容易揭膜,可以得到柔軟、表面光滑的薄膜。由表4可知,隨著花生分離蛋白濃度的增加,膜的TS和E隨之增強(qiáng),νWVTR有所下降?;ㄉ鞍诐舛壬咭馕吨赡と芤褐杏懈嗟幕ㄉ鞍追肿舆M(jìn)行交聯(lián),溶質(zhì)分子間的作用力加強(qiáng),提高了蛋白膜的機(jī)械強(qiáng)度[15]。
表4 花生分離蛋白溶液濃度對(duì)花生分離蛋白膜性能的影響(n=5,±sD)Table 4 Effect of PPI concentration on properties of the film(n=5,±sD)
表4 花生分離蛋白溶液濃度對(duì)花生分離蛋白膜性能的影響(n=5,±sD)Table 4 Effect of PPI concentration on properties of the film(n=5,±sD)
花生分離蛋白溶液濃度(%) TS(MPa) E(%) VWVTR(g/(m2·h))2 1.02±0.12c 120.25±20.16a 28.86±3.25a 4 1.14±0.63bc 153.13±15.21b 25.91±5.60b 6 1.86±0.21a 160.42±20.85b 24.48±4.79b 8 1.41±0.13b 173.87±17.91b 23.47±6.13b 10 1.03±0.10c 165.82±18.88b 22.43±4.74b
通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)研究表明,熱處理溫度、溶液pH、溶液濃度對(duì)膜性能有很大影響,綜合考慮,通過(guò)正交實(shí)驗(yàn),采用了加權(quán)法對(duì)花生分離蛋白膜的綜合性能進(jìn)行評(píng)分[16-17],正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。
表5 成膜正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析Table 5 Results and analysis of the filming orthogonal experiments
從表5中可以看出,各因素對(duì)花生分離蛋白膜性能影響的主次關(guān)系依次為C>B>A,即蛋白溶液濃度>pH>熱處理溫度??沙醪胶Y選條件為A2B2C3,即熱處理溫度75℃、pH9、花生分離蛋白濃度為8%。在此條件下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明此條件下制得的花生分離蛋白可食性膜具有較佳的性能,綜合評(píng)分為70.3,TS、E和νWVTR分別達(dá)到1.41MPa,173.87%,23.47g/(m2·h),證明該制膜工藝參數(shù)合理可行。
花生分離蛋白具有良好的成膜性能。在2%的甘油為增塑劑的條件下,花生分離蛋白濃度8%,pH9,熱處理溫度為75℃,此時(shí)成膜質(zhì)地透明柔軟,具有較高的強(qiáng)度和延伸性,并能有效地阻止水蒸氣的遷移。
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