崔和平，孫小紅，鄭 慧，崔會娟，郭麗敏，郭興鳳

（河南工業(yè)大學 糧油食品學院，河南 鄭州 450001）

0 引言

綠色環(huán)保材料的開發(fā)是日前研究的熱點.蛋白質(zhì)是天然的高分子化合物，以蛋白質(zhì)制得的膜材料可再生、無污染，而且具有可食性.玉米醇溶蛋白（zein）是玉米主要的儲藏蛋白，疏水性高，具有很強的耐熱性和耐脂性，腸溶性和抗氧化特點也比較顯著[1]，成膜性非常好.玉米醇溶蛋白特殊的分子形狀和結構決定了其制得的膜材料透明、光滑，并且具有較強的保水性和保油性[2].玉米醇溶蛋白膜包裝油脂或者高含油的干果食品，還具有較好的抗氧化效果，因此是比較理想的可食性包裝材料.

純的玉米醇溶蛋白膜質(zhì)地較脆，增塑劑的加入可以有效改善膜的機械性能[3-4].多元醇類作為增塑劑，能夠破壞蛋白質(zhì)分子間的相互作用，進入蛋白網(wǎng)狀結構，同時可以與水分子結合，弱化蛋白膜的強度[4-6]，蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用被蛋白質(zhì)-多元醇相互作用取代[7]，此時蛋白交聯(lián)網(wǎng)絡疏松，蛋白膜剛度大大降低.甘油具有很好的增塑效果，并且安全無毒，是可食性蛋白膜理想的增塑劑[8].甘油具有較強的親水性，容易與水分子形成氫鍵.當?shù)鞍啄ぶ懈视吞砑恿枯^高時，甘油會吸收環(huán)境中的水分，水分進入蛋白膜中也會起到增塑的效果，此時膜的體積會發(fā)生一定程度的膨脹，更強烈地影響蛋白膜的機械性能[9].在蛋白膜的儲存過程中，甘油在不同的階段產(chǎn)生的作用不完全一致，可能會影響蛋白膜性能的穩(wěn)定性.蛋白膜的穩(wěn)定性差直接限制了其作為食品內(nèi)包裝的應用，因此研究不同甘油添加量的蛋白膜的儲藏穩(wěn)定性有比較重要的意義.已有學者針對甘油對蛋白膜理化性質(zhì)的影響進行了研究[10-11]，但是甘油對玉米醇溶蛋白膜穩(wěn)定性的影響研究較少.作者將玉米醇溶蛋白膜在3 個環(huán)境溫度水平下儲藏24 d，以膜的抗拉強度和斷裂延伸率為測定指標，揭示其儲藏穩(wěn)定性的規(guī)律.

1 材料與方法

1.1 材料

玉米醇溶蛋白粉（蛋白質(zhì)含量91.2%，N×6.25）：南京都萊生物技術有限公司；無水乙醇：天津市天力化學試劑有限公司；丙三醇：天津市瑞金特化學品有限公司；碳酸鉀：天津市科密歐化學試劑有限公司，均為分析純.

1.2 儀器與設備

AY-120 電子分析天平：日本島津天平制作所；81-2 型磁力攪拌器：上海市司樂儀器有限公司；HH-2 型電熱恒溫水浴鍋：金壇市華峰儀器有限公司；101 型電熱鼓風干燥箱：北京市永光明醫(yī)療儀器廠；HZQ-F160 全溫振蕩培養(yǎng)箱：哈爾濱市東聯(lián)電子技術開發(fā)有限公司；螺旋測微器（0.001 mm）：上海量具刃具廠；TA.XT2i 質(zhì)構測定儀：英國SMS有限公司.

1.3 試驗方法

1.3.1 玉米醇溶蛋白膜的制備

稱取5.32 g 的玉米醇溶蛋白粉3 份，分別置于55 mL 的75%乙醇溶液中.利用磁力攪拌器將蛋白溶液攪拌混合均勻，分別添加0.2、0.3、0.4 g/g（甘油與玉米醇溶蛋白質(zhì)量比）甘油作為增塑劑，繼續(xù)攪拌20 min，80 ℃恒溫水浴加熱15 min，接著攪拌15 min.然后取16 mL 蛋白液（蛋白質(zhì)含量為1.56 g）涂于成膜托盤（密胺材質(zhì)，涂膜面積130 mm×130 mm）上水浴加熱成膜，成膜溫度為70 ℃，2 h 后揭膜.

1.3.2 蛋白膜的儲藏

制備的玉米醇溶蛋白膜置于相對濕度為43%的干燥器中（干燥器內(nèi)置K2CO3飽和溶液），平衡72 h 后第一次測定膜的機械性能，儲藏環(huán)境和平衡環(huán)境一致，即濕度為43%，溫度設定為5 ℃、常溫和35 ℃.溫度的調(diào)節(jié)通過冰箱和恒溫生化培養(yǎng)箱實現(xiàn).玉米醇溶蛋白膜儲藏24 d，每6 d 測定一次機械性能.

1.3.3 蛋白膜的取樣及其厚度的測定

選取玉米醇溶蛋白膜光滑、均勻的部分，裁出10×50 mm 的樣品，對稱選取8 個點測量厚度，取其平均值.

1.3.4 蛋白膜機械性能的測定

用物性儀對膜樣進行機械性能的測定.采用A/TG 探頭，設置有效拉伸長度為30 mm，測試速率為1.0 mm/s，每個樣品平行測定3 次，試驗數(shù)據(jù)表示為：平均值±標準偏差，抗拉強度（TS）和斷裂延伸率（EB）的計算公式為：

式中：TS 為抗拉強度，MPa；F 為最大拉力，N；δ 為膜樣品的厚度，mm；W 為膜樣品的寬度，mm.

式中：EB 為斷裂延伸率，%；L0為膜拉伸前的有效長度，mm，本試驗中膜樣有效長度為30 mm；L1為膜斷裂時拉伸的長度，mm.

2 結果與分析

2.1 5 ℃儲藏的玉米醇溶蛋白膜的穩(wěn)定性

圖1 和圖2 表示了儲藏在5 ℃環(huán)境下不同甘油添加量的蛋白膜機械性能的變化情況.從應用價值角度考慮，蛋白膜的斷裂延伸率應較低.由于在蛋白膜的實際應用中需要較好的延展性，斷裂延伸率較低的膜很難滿足這一條件.這與玉米醇溶蛋白本身的性質(zhì)有關.純的玉米醇溶蛋白膜質(zhì)地很脆，所以通常使用復合增塑劑對其進行改性.在本試驗中，采用單一增塑劑甘油進行改良，以避免多種增塑劑共混時的增效作用產(chǎn)生的影響，因此得到的蛋白膜斷裂延伸率小.從圖1 和圖2 總體上看，隨著儲藏時間的延長，玉米醇溶蛋白膜的抗拉強度呈先上升后下降趨勢，而斷裂延伸率呈先下降后上升趨勢.綜合分析，5 ℃的儲藏環(huán)境下甘油添加量為0.2 g/g 的膜機械性能比較穩(wěn)定.

圖1 5 ℃儲藏時不同甘油含量的膜的抗拉強度

圖2 5 ℃儲藏時不同甘油含量的膜的斷裂延伸率

在儲藏的過程中，蛋白膜內(nèi)部的大分子網(wǎng)絡結構重組，在分子內(nèi)以及分子間形成了更多的相互作用[8].蛋白質(zhì)中部分未反應的巰基在儲藏過程中很容易發(fā)生氧化，生成二硫鍵，增加了分子交聯(lián)[12].這很可能導致蛋白膜的強度增大.同時，膜中的甘油在儲藏期間會發(fā)生分子遷移，由填充于蛋白質(zhì)大分子之間的狀態(tài)轉而游離析出于蛋白膜的表面，這也會促使蛋白質(zhì)之間的交聯(lián)[8，13].儲藏后期，蛋白膜的斷裂延伸率轉而遞增，與Orliac 等[8]對葵花籽蛋白膜的研究結果一致，這種現(xiàn)象可能與蛋白結構的無序性增大有關系[14].Caner 等[15]和Artharn 等[16]對可食性膜的穩(wěn)定性研究，發(fā)現(xiàn)膜的斷裂延伸率隨著儲藏時間的延長呈單調(diào)遞減的趨勢，這很可能與制備可食性膜的材料種類或者蛋白質(zhì)種類有關，不同的材料由于其內(nèi)部結構的不同，在儲藏過程中鍵合作用變化的位置和速率也不同，從根本上導致膜在儲藏期機械性能變化規(guī)律的差異.與甘油添加量為0.2 g/g 和0.3 g/g 的蛋白膜相比，添加0.4 g/g 甘油的蛋白膜沒有經(jīng)歷抗拉強度提高的階段，而是直接下降進而保持穩(wěn)定，說明在低溫儲藏環(huán)境下較高濃度的甘油可以有效抑制蛋白膜在儲藏期分子間的交聯(lián)，這可能與其增塑機制有關.

2.2 常溫儲藏的玉米醇溶蛋白膜的穩(wěn)定性

常溫儲藏的不同甘油含量的玉米醇溶蛋白膜的機械性能如圖3 和圖4 所示.

圖3 常溫儲藏時不同甘油含量的膜的抗拉強度

圖4 常溫儲藏時不同甘油含量的膜的斷裂延伸率

在儲藏初期，甘油含量越高，膜的抗拉強度越小，這與Gillgren[17]和Lim[10]的研究結論一致.在整個儲藏的過程中，蛋白膜抗拉強度先增大后減小，斷裂延伸率先減小后增加.在常溫儲藏的膜中，甘油含量0.3 g/g 的蛋白膜機械性能的穩(wěn)定性最強.正如2.1 所述，儲藏過程中蛋白質(zhì)的構象會發(fā)生變化，蛋白膜的內(nèi)部網(wǎng)絡得到改善，會使膜的抗拉強度上升，斷裂延伸率下降[18].甘油能夠破壞蛋白質(zhì)分子的交聯(lián)，從而嵌入蛋白基質(zhì)網(wǎng)絡內(nèi)部，這對于儲藏期蛋白質(zhì)的整合、新的鍵合作用形成產(chǎn)生抑制作用.甘油的添加量越大，抑制作用越顯著.因此從抗拉強度來看，低甘油含量的蛋白膜儲藏穩(wěn)定性不佳.當?shù)鞍啄ぶ懈视吞砑恿窟^高時，甘油會吸收環(huán)境中較多的水分，水分進入蛋白膜中也會起到增塑的效果，此時膜的體積還會發(fā)生一定程度的膨脹[9].這可能是甘油含量為0.4 g/g 的蛋白膜性能的穩(wěn)定性不如含量為0.3 g/g 的一個原因.試驗發(fā)現(xiàn)，甘油添加量為0.4 g/g 的蛋白膜在儲藏過程中發(fā)生較嚴重的甘油析出現(xiàn)象，這與Orliac[8]和Mojumdar 等[7]的研究結果一致，Mojumdar 等隨后對高含甘油的蛋白膜的熱學穩(wěn)定性進行的試驗分析，發(fā)現(xiàn)甘油添加量較高的蛋白膜中存在大量的甘油-甘油相互作用，甘油分子聚集成為獨立于蛋白膜的液相，這一過程經(jīng)歷了玻璃化轉變，膜的機械性能及其穩(wěn)定性隨即發(fā)生較大的變化[7].Orliac等[8]也通過研究得到隨著儲存時間延長，增塑劑與蛋白質(zhì)的相互作用減弱的結論.另外，本試驗發(fā)現(xiàn)低溫儲藏能夠明顯抑制蛋白膜中甘油析出的現(xiàn)象.與5 ℃的儲藏環(huán)境相比，常溫環(huán)境下甘油與水的融合會更加充分，膜的返潮現(xiàn)象則越嚴重，特別在高甘油添加量的條件下.

2.3 35 ℃儲藏的玉米醇溶蛋白膜的穩(wěn)定性

35 ℃環(huán)境下儲藏的玉米醇溶蛋白膜的機械性能如圖5 和圖6 所示.

圖5 35 ℃儲藏時不同甘油含量的膜的抗拉強度

圖6 35 ℃儲藏時不同甘油含量的膜的斷裂延伸率

隨著儲藏時間的延長，蛋白膜的抗拉強度和斷裂延伸率總體上分別呈先增后減和先減后增的趨勢；高溫環(huán)境中含有0.3 g/g 甘油的蛋白膜性能比較穩(wěn)定.從圖5 可知，甘油的加入并不像低溫和常溫儲藏時表現(xiàn)出通過對蛋白質(zhì)分子交聯(lián)的抑制來增加膜的穩(wěn)定性，而是使膜的抗拉強度發(fā)生大幅波動.這可能是由于較高的環(huán)境溫度更容易促進了分子遷移，加速了甘油的析出，從而導致甘油含量為0.4 g/g 的蛋白膜抗拉強度的變化最大.從圖6 可知，與低溫和常溫儲藏相比，35 ℃儲藏的蛋白膜儲藏后期斷裂延伸率急劇上升.甘油的添加大幅降低了玉米醇溶蛋白膜的玻璃轉化溫度Tg[11]，Tg越低，蛋白膜的網(wǎng)絡結構越難以維持，蛋白膜越容易經(jīng)歷由大分子網(wǎng)絡的致密到交聯(lián)作用的瓦解，穩(wěn)定性降低[19].高溫環(huán)境下甘油從膜內(nèi)部析出顯著，也使得蛋白膜在儲藏后期更容易發(fā)生玻璃態(tài)轉化[7].

對于相同制備工藝得到的蛋白膜，儲藏溫度較高時，膜的抗拉強度總體較大，而斷裂延伸率相反.這與Stuchell 等[20]對大豆分離蛋白膜的研究結果相同.環(huán)境溫度高，分子的無規(guī)則運動加劇，新的二硫鍵也更容易形成，抗拉強度提高.本試驗中隨著儲藏溫度的升高，蛋白膜的抗拉強度達到最大值的時間延長，也可以佐證這一觀點.此外，在儲藏后期玉米醇溶蛋白膜抗拉強度逐漸下降的階段，常溫儲藏的蛋白膜抗拉強度減小幅度最小，甚至出現(xiàn)短暫的回升，這可能是因為儲藏過程中膜內(nèi)的甘油析出損失，提高了膜的剛性[8].低溫儲藏能夠明顯抑制甘油分子的遷移、析出，而高溫儲藏雖然促進了甘油與蛋白質(zhì)分子的分離但是也促使環(huán)境中的水分進入膜的內(nèi)部，充當了增塑劑的角色，因此抗拉強度降低的幅度較大[9，13].不同的儲藏溫度下，蛋白膜的穩(wěn)定性大小同樣有較大的區(qū)別.表1 列出了在蛋白膜的儲藏過程中抗拉強度和斷裂延伸率最大值與最小值的差，差值越大則表明蛋白膜機械性能的變化幅度越大，儲藏穩(wěn)定性越差.如表1 所示，甘油含量為0.2 g/g 的蛋白膜在5 ℃儲藏時抗拉強度最穩(wěn)定，常溫儲藏次之，35 ℃儲藏最不穩(wěn)定；其余蛋白膜的機械性能均在常溫下最穩(wěn)定，5 ℃儲藏比常溫略差，35 ℃儲藏時很不穩(wěn)定.低溫儲藏蛋白膜時蛋白質(zhì)分子的運動緩慢，構象不易發(fā)生變化，表現(xiàn)出較高的儲藏穩(wěn)定性[14].而在常溫下蛋白膜內(nèi)部結構得到整合，更多二硫鍵的形成增強了分子的交聯(lián)程度，進而也可能對提高膜的儲藏穩(wěn)定性有一定利處[21].

表1 不同儲藏溫度下蛋白膜抗拉強度與斷裂延伸率的最大值最小值之差

3 結論

添加不同含量甘油的玉米醇溶蛋白膜在不同環(huán)境溫度下儲藏穩(wěn)定性不盡相同.一般情況下，隨著儲藏時間的延長，蛋白膜的抗拉強度和斷裂延伸率分別呈先增后減和先減后增的趨勢.綜合考慮，5 ℃的儲藏溫度下甘油含量為0.2 g/g 的蛋白膜機械性能的穩(wěn)定性較好，常溫儲藏和35 ℃環(huán)境下儲藏時甘油含量為0.3 g/g 的蛋白膜機械性能的穩(wěn)定性較好.儲藏溫度越高，玉米醇溶蛋白膜的抗拉強度越大，而斷裂延伸率越小.與低溫和常溫儲藏相比，35 ℃儲藏的蛋白膜儲藏后期機械性能發(fā)生急劇變化.常溫環(huán)境儲藏玉米醇溶蛋白膜穩(wěn)定性最佳.此外，甘油含量對蛋白膜穩(wěn)定性的影響作用與蛋白膜水分之間的關系不甚明了，添加甘油的玉米醇溶蛋白膜在儲藏過程中的熱穩(wěn)定也有待進一步研究.僅使用甘油作增塑劑制備的玉米醇溶蛋白膜斷裂延伸率較低，不適用于食品內(nèi)包裝材料，可以考慮作為可降解材料在手提袋等用品方面應用.

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