王 娜 高育哲 王慶峰 肖志剛 王 鵬 李 哲

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.沈陽師范大學(xué)糧食學(xué)院，遼寧 沈陽 110034）

可降解包裝膜是以天然可食性物質(zhì)（蛋白質(zhì)、多糖、纖維素等）為原料，通過分子間相互作用形成具有多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的薄膜［1］。目前，可食性包裝膜的研究已從單一原料逐步轉(zhuǎn)向復(fù)合原料，以及對原料改性的研究上［2］。

玉米醇溶蛋白富含大量氨基酸［3］，并且在食品包裝中的應(yīng)用有著悠久的歷史，如包裹糖果、水果、堅果、封裝藥物等［4］。但與其他蛋白膜相比，玉米醇溶蛋白膜過脆且靈活性較差，無法適用于工業(yè)加工［5］，這些缺陷限制了玉米醇溶蛋白膜的應(yīng)用。目前，已有一些報道［6，7］采用脂類、多糖和甘油來降低玉米醇溶蛋白膜的脆性。大豆分離蛋白（soy protein isolated，SPI）來源廣泛、價格低廉、具有一定的成膜性［8］，其制成的蛋白膜具有良好的機械性能，能夠保持水分，確保食品的原味，故其已經(jīng)作為生物塑料的可替代資源被用于食品包裝領(lǐng)域［9，10］。目前，大豆分離蛋白與動物蛋白、多糖、納米材料等復(fù)合，制備生物薄膜的研究較為廣泛，但其與玉米醇溶蛋白復(fù)合制膜的研究少有報道。蔡花真等［2］利用大豆分離蛋白與玉米醇溶蛋白制備了可食性復(fù)合膜，但制得的復(fù)合膜機械性能存在缺陷，斷裂伸長率較低。這是由于大豆分離蛋白易溶解在水中而非乙醇溶液，而玉米醇溶蛋白卻恰恰相反，若在正常情況下制備大豆分離蛋白與玉米醇溶蛋白復(fù)合膜，成膜液中將會出現(xiàn)不溶物沉淀影響復(fù)合膜的性質(zhì)。

微波是一種非電離電磁輻射，它通過電磁場中極性分子之間的相互作用來提高極性物質(zhì)的溫度［11］。微波通過分子的振蕩、鍵能的破壞、粒子之間的相互摩擦和碰撞作用，可以促進分子內(nèi)極性基團的排列、接觸和反應(yīng)［12］，因此微波技術(shù)已廣泛應(yīng)用于蛋白的輔助提取，及蛋白的改性等方面，有報道［13，14］指出，微波可以改善蛋白質(zhì)的乳化活性、溶解性、起泡能力與泡沫穩(wěn)定性等。有研究［15］表明，由于具有穿透能力強、選擇性好、加熱速度快、方便控制、熱量均勻等特點，微波已逐漸被用于生物材料屬性的研究中。

本試驗擬從復(fù)合膜機械性能入手，選用微波對玉米醇溶蛋白進行改性，并將改性后的玉米醇溶蛋白與大豆分離蛋白混合制備蛋白復(fù)合膜，探討最佳成膜條件，選取機械性能最優(yōu)的微波改性蛋白復(fù)合膜進行微觀結(jié)構(gòu)、熱特性和FT—IR分析。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

玉米醇溶蛋白：蛋白質(zhì)含量為85%，吳江市八坼藥用輔料廠；

大豆分離蛋白：蛋白質(zhì)含量為91%，哈爾濱高科技（集團）有限公司。

無水乙醇、丙三醇、葡萄糖、聚乙二醇400、鹽酸、氫氧化鈉：分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

電子分析天平：DF110型，中國輕工機械總公司常熟衡器工業(yè)公司；

數(shù)顯攪拌水浴鍋：HH－4型，常州賽普實驗儀器廠；

數(shù)字酸度計：PHS－25℃型，上海大普儀器有限公司；

磁力攪拌器：CJ－881型，江蘇省金壇市醫(yī)療儀器廠；

自動定氮儀：Kjeltec 8400型，丹麥FOSS全自動定氮儀公司；

微波光波爐：G8023CSL－K3型，廣東格蘭仕集團有限公司；

質(zhì)構(gòu)儀：CT3型，美國博勒飛公司；

掃描電子顯微鏡：S4800型，日本日立公司；

差熱掃描量熱分析儀：TA－Q20型，美國TA公司；

傅里葉紅外光譜儀：Nicolet 6700型，美國熱電公司。

1.2 方法

1.2.1 微波改性蛋白復(fù)合膜的制備 取6.7%（m/V）的大豆分離蛋白溶于蒸餾水中制成大豆分離蛋白液；取6.7%（m/V）的玉米醇溶蛋白溶于蒸餾水中制成玉米醇溶蛋白液；用0.1mol/L NaOH調(diào)節(jié)玉米蛋白溶液pH值到12.0后將溶液經(jīng)微波改性處理，處理條件為60℃、350W、2min。然后將大豆分離蛋白溶液和微波改性玉米蛋白溶液按不同比例混合，加入不同體積比的無水乙醇，并用0.1mol/L NaOH調(diào)節(jié)混合液至不同pH值后，向混合液中加入2.0%（V/V）的聚乙二醇400、1.0%（V/V）的丙三醇和0.1%（m/V）的葡萄糖，置于磁力攪拌器上攪拌30min。攪拌均勻后將混合液于不同溫度的水浴鍋中加熱15min（在水浴過程中應(yīng)持續(xù)攪拌溶液，使其受熱均勻）。加熱完成后，冷卻至室溫，超聲去泡，倒膜，然后于電熱鼓風(fēng)干燥箱中45℃恒溫干燥，再取出置于相對濕度為80%的干燥器中回軟，揭膜，即得大豆分離蛋白與改性玉米醇溶蛋白復(fù)合膜。

1.2.2 微波改性蛋白復(fù)合膜機械性能的測定 根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)方法（D882－01）并加以改進，本試驗選用抗破強度和斷裂距離來衡量樣品的機械性能。將待測樣品用TA－DE型號夾具固定于質(zhì)構(gòu)儀上，選用TA41型號探針，觸發(fā)點負(fù)載5g，負(fù)載距離20mm，測試速度0.5mm/s。每個試驗做3個平行，取算術(shù)平均數(shù)。

1.2.3 微波改性蛋白復(fù)合膜成膜條件單因素試驗設(shè)計 選取大豆分離蛋白液與改性玉米醇溶蛋白液體積比、無水乙醇添加量、成膜液pH值及水浴溫度為因素，以復(fù)合膜的機械性能為指標(biāo)，固定其他因素考查某一因素的變化情況，進行單因素試驗。

（1）蛋白液體積比的影響：無水乙醇添加量為20%，成膜液pH為12，水浴溫度為80℃，大豆分離蛋白液與改性玉米醇溶蛋白液體積比選取4∶1，3∶1，2∶1，1∶1，1∶2，考察蛋白液體積比對蛋白復(fù)合膜機械性能的影響。

（2）無水乙醇添加量的影響：蛋白液體積比為3∶1，成膜液pH為12，水浴溫度80℃，無水乙醇添加量選取10%，20%，30%，40%，50%，考察無水乙醇添加量對蛋白復(fù)合膜機械性能的影響。

（3）成膜液pH值的影響：蛋白液體積比為3∶1，無水乙醇添加量為20%，水浴溫度為80℃，成膜液pH選取9，10，11，12，13，考察pH值對蛋白復(fù)合膜機械性能的影響。

（4）水浴溫度的影響：蛋白液體積比為3∶1，無水乙醇添加量為20%，成膜液pH為12，水浴溫度選取50，60，70，80，90℃，考察水浴溫度對蛋白復(fù)合膜機械性能的影響。

1.2.4 微波改性蛋白復(fù)合膜微觀結(jié)構(gòu)分析 取待測樣品放置于60℃烘箱中烘干12h，取出后用液態(tài)氮冷凍破碎，分別將破碎后樣品的表面和截面放入離子濺射儀中鍍膜，再置于S4800掃描電子顯微鏡中，于5kV加速電壓、2 000和5 000倍放大倍數(shù)下進行觀察與拍照。

1.2.5 微波改性蛋白復(fù)合膜熱特性分析 取5mg樣品于專用鋁盒中壓片，以空鋁盒為空白對照，測定參數(shù)設(shè)置：掃描溫度25～220℃、掃描速率10℃/min，得DSC圖譜，并通過TA Universal Analysis軟件對圖譜進行分析。

1.2.6 微波改性蛋白復(fù)合膜FT—IR分析 采用衰減全反射法收集樣品的傅里葉變換紅外光譜，掃描光譜范圍4 000～400cm－1［16］。

1.2.7 數(shù)據(jù)處理方法 采用SPSS 20.0軟件對數(shù)據(jù)進行處理，用Microsoft Excel 2003繪制試驗中折線圖、Origin 8.0繪制DSC圖譜和FT—IR色譜圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 蛋白液體積比的影響

圖1 蛋白液體積比對微波改性蛋白復(fù)合膜機械性能的影響Figure 1 Influence of protein liquid volume ratio on the mechanical properties of microwave modified blended protein films

由圖1可知，蛋白液體積比對復(fù)合膜機械性能影響明顯，隨著大豆分離蛋白含量的減少，復(fù)合膜的抗破強度和斷裂距離呈現(xiàn)先小幅度升高后大幅度下降的趨勢。在蛋白液體積比為3∶1時，蛋白復(fù)合膜具有最佳的機械性能：抗破強度2 900g，斷裂距離16.08cm。可能是隨著大豆分離蛋白含量的減少，兩種蛋白質(zhì)分子凝聚時產(chǎn)生的氫鍵、二硫鍵減少，疏水性相互作用降低，使得復(fù)合膜的機械性能減退。但大豆分離蛋白含量過高時，蛋白成膜溶液中出現(xiàn)未溶解的蛋白質(zhì)顆粒，影響了復(fù)合膜的均勻性，阻礙了蛋白質(zhì)緊密網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成［17］，致使復(fù)合膜的抗破強度降低。同時適量的改性玉米醇溶蛋白的添加，使復(fù)合膜在形成過程中分子間作用力增強，蛋白分子間以氫鍵結(jié)合得更緊密，有利于形成穩(wěn)定的剛性結(jié)構(gòu)。因此選取大豆分離蛋白液與改性玉米醇溶蛋白液體積比為3∶1較為適宜。

2.2 乙醇添加量的影響

由圖2可知，隨著乙醇添加量的增加，蛋白復(fù)合膜的抗破強度和斷裂距離均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。乙醇添加量在20%時，抗破強度和斷裂距離達到最大值?？赡苁沁^低的乙醇濃度致使蛋白質(zhì)之間的交聯(lián)程度不完全，不能形成致密、均勻的蛋白復(fù)合膜，從而影響了膜的機械性能［18］。并且在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，乙醇添加量在30%以上時，成膜液易產(chǎn)生顆粒沉淀，表明大豆分離蛋白沒有完全溶解參與反應(yīng)，導(dǎo)致膜的抗破強度和斷裂距離大幅度降低［19］。故選取20%的乙醇添加量較為適宜。

圖2 乙醇添加量對微波改性蛋白復(fù)合膜機械性能的影響Figure 2 Influence of ethanol content on the mechanical properties of microwave modified blended protein films

2.3 成膜液pH值的影響

由圖3可知，隨著成膜液pH值的升高，復(fù)合膜的抗破強度和斷裂距離呈逐漸上升的趨勢；在pH 12時達到最大值，而繼續(xù)增大成膜液pH，復(fù)合膜的機械性能卻有所降低?？赡苁莗H值的增加使得蛋白分子的外部環(huán)境和內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致分子內(nèi)巰基和疏水基團的暴露，增加了蛋白質(zhì)分子之間的作用力，這些作用力提高了蛋白復(fù)合膜的機械性能［8］。而當(dāng)pH值為13時，溶液呈現(xiàn)強堿性，蛋白分子結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，致使膜機械性能降低。故選取成膜液pH值為12。

圖3 pH對微波改性蛋白復(fù)合膜機械性能的影響Figure 3 Influence of pH on the mechanical properties of microwave modified blended protein films

2.4 水浴溫度的影響

由圖4可知，隨著水浴溫度的升高，蛋白復(fù)合膜的機械性能逐漸提高，在80℃時提取率達到最大值，可能是隨著成膜溫度的升高，蛋白分子運動加劇，有利于分子間氫鍵、二硫鍵和疏水鍵的形成［20］，使得復(fù)合膜具有較為致密的空間結(jié)構(gòu)，提高復(fù)合膜的機械性能。當(dāng)溫度超過80℃時，抗破強度增加得不明顯，且斷裂距離有所降低，可能是較高的溫度使得溶劑迅速蒸發(fā)，導(dǎo)致蛋白質(zhì)分子間交聯(lián)反應(yīng)不徹底，蛋白質(zhì)分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定［19］，從而引起復(fù)合膜易斷裂。綜合考慮，水浴溫度80℃較為適宜。

圖4 水浴溫度對微波改性蛋白復(fù)合膜機械性能的影響Figure 4 Influence of water bath temperature on the mechanical properties of microwave modified blended protein films

2.5 微波改性蛋白復(fù)合膜微觀結(jié)構(gòu)分析

對上述最佳成膜條件下獲得的微波改性蛋白復(fù)合膜的表面和橫斷面分別做掃描電子顯微鏡觀察，結(jié)果見圖5。

圖5 微波改性蛋白復(fù)合膜掃描電鏡圖Figure 5 Scanning electron micrographs of the microwave modified blended protein film

由圖5可知，微波改性蛋白復(fù)合膜具有光滑的外表，其表面結(jié)構(gòu)十分平整，凸起和凹陷均很少，孔數(shù)極少且孔徑很小；微波改性蛋白復(fù)合膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻致密，少有漏洞，洞孔直徑較小且非常稀疏?？赡苁俏⒉ǜ男院蟮挠衩状既艿鞍追肿觾?nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了一定的改變，分子重新排列組合，與大豆分離蛋白混合后，分子內(nèi)非共價鍵的相互作用力增強，蛋白分子間氫鍵和氫氧根形成更緊湊的結(jié)構(gòu)，使得蛋白分子間結(jié)合更緊密，從而蛋白復(fù)合膜具有致密的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［21］。這表明孔洞和凹陷直接影響到復(fù)合膜的抗破強度和斷裂距離，其與黃國平等［22］研究結(jié)果相似。

2.6 微波改性蛋白復(fù)合膜熱特性分析

熱穩(wěn)定性是衡量蛋白膜在食品加工和保藏過程中的一個重要因素，本試驗對上述最佳成膜條件下獲得的微波改性蛋白復(fù)合膜做DSC測定分析，DSC圖譜見圖6。

如圖6所示微波改性蛋白復(fù)合膜在檢測溫度范圍內(nèi)有2個吸熱峰，DSC檢測結(jié)果表明，微波改性蛋白復(fù)合膜的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度Tg為（81.11±0.48）℃，熱變性溫度Tm為（172.69±0.61）℃，變性熱焓 ΔHf為（40.10±0.46）J/g。這表明微波改性蛋白復(fù)合膜具有較高的熱穩(wěn)定性，并且其熱變性溫度普遍高于常規(guī)條件下制得的大豆分離蛋白膜［23］，Kokoszka等［24］證實蛋白質(zhì)相互作用的增加，將會促進熱量的聚集，從而提高膜的熱變性溫度；同時微波改性的處理使維持蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的化學(xué)鍵以及相互作用力發(fā)生改變，與大豆分離蛋白混合后，蛋白分子間伴隨著不同程度的降解和聚合，分子間相互交聯(lián)成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而改善了膜的熱性能［25］，有利于提高其加工性能。

圖6 微波改性蛋白復(fù)合膜DSC圖譜Figure 6 DSC thermogram of the microwave modified blended protein film

2.7 微波改性蛋白復(fù)合膜FT—IR分析

蛋白質(zhì)分子紅外光譜分為3個區(qū)域，即在1 700～1 600cm－1范圍內(nèi)C—O的伸縮振動（酰胺Ⅰ）；在1 600～1 500cm－1范圍內(nèi)N—H的變角振動 （酰胺Ⅱ）；在1 220～1 330cm－1范圍內(nèi)C—N的伸縮振動和N—H的變角振動（酰胺Ⅲ）［26，27］，其振動頻率則可以反映出多肽或者蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)（α－螺旋、β－折疊、β－轉(zhuǎn)角和無規(guī)則卷曲）［28］。

微波改性蛋白復(fù)合膜的紅外光譜圖見圖7，綜合現(xiàn)有文獻［25，29］從圖7中可知：復(fù)合膜在1 630cm－1（酰胺Ⅰ）處有較強烈的C—O伸縮振動峰，此振動可形成β－轉(zhuǎn)角；在1 530cm－1（酰胺Ⅱ）存在 N—H 的變角振動，其屬于β－折疊，是由伸展的多肽鏈組成的；在1 240cm－1（酰胺Ⅲ）處的峰屬于N—H變角振動和C—N伸縮振動所形成的α－螺旋和無規(guī)則卷曲；在2 980～2 850cm－1出現(xiàn)的通常為—CH2和—CH3的飽和C—H 反射峰；在3 280cm－1附近存在由O—H和N—H形成的較寬的吸收帶。由此可知大豆分離蛋白與改性玉米醇溶蛋白分子間的—OH與展開的C—O鍵相互作用，形成了致密的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［30］；并且在變性及成膜過程中，微波改性蛋白復(fù)合膜在二級結(jié)構(gòu)上并沒有被完全破壞，仍保留一定的特征結(jié)構(gòu)，復(fù)合膜仍具備蛋白質(zhì)的典型特征。

圖7 微波改性蛋白復(fù)合膜FT—IR圖譜Figure 7 FT—IR spectrum of the microwave modified blended protein film

3 結(jié)論

（1）本試驗研究表明微波改性蛋白復(fù)合膜成膜的最佳單因素條件為：大豆分離蛋白液與改性玉米醇溶蛋白液體積比為3∶1、無水乙醇添加量20%、成膜液pH值12、水浴溫度80℃，此條件下制得的微波改性蛋白復(fù)合膜的抗破強度為2 900g，斷裂距離為16.08cm。

（2）微波改性蛋白復(fù)合膜表面光滑、凹凸有秩、孔數(shù)極少且孔徑很小、內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻致密；熱穩(wěn)定性好，具有較高的熱變性溫度；分子間相互作用緊密，二級結(jié)構(gòu)沒有被完全破壞，仍具有蛋白質(zhì)的典型特征。

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