顧賽麒，余曉梅，蔡燕萍，丁玉庭*

（浙江工業(yè)大學海洋學院，浙江 杭州 310014）

單月桂酸甘油酯添加量對大豆分離蛋白復合膜成膜特性的影響

顧賽麒，余曉梅，蔡燕萍，丁玉庭*

（浙江工業(yè)大學海洋學院，浙江 杭州 310014）

研究了單月桂酸甘油酯（glycerol monolaurate，GML）添加量對大豆分離蛋白（soy protein isolate，SPI）復合膜成膜特性的影響，并運用傅里葉變換紅外光譜、X射線衍射、差示掃描量熱和掃描電子顯微鏡技術初步探討了兩者的成膜機制。結果表明：隨著GML添加量的增加，GML-SPI復合膜的抗拉強度和斷裂延伸率呈先上升后下降趨勢，該復合膜的水蒸氣透過率、透光率、水溶性逐漸下降，而亮度和白度有所增加。傅里葉變換紅外光譜證實，復合膜中GML和SPI兩種組分主要通過氫鍵、疏水作用力等次級鍵相互結合；X射線衍射和差示掃描量熱結果顯示，與空白對照組相比，GML-SPI復合膜的結晶度和熔融溫度均有所提高；掃描電子顯微鏡結果表明，添加GML有利于減少復合膜內部空隙，但GML添加量超過0.8%時，復合膜中GML和SPI兩類組分會出現兩相分離現象。本研究成果可為以SPI復合膜為代表的新型可食性包裝材料的研發(fā)與應用提供理論依據。

大豆分離蛋白；膜特性；傅里葉變換紅外光譜；X射線衍射；差示掃描量熱；掃描電子顯微鏡

傳統(tǒng)食品包裝袋一般由聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺纖維等材料制成，該類包裝袋難降解，易污染環(huán)境。近年來，以“可食膜”等為代表的天然生物材料正逐漸成為包裝材料領域的研究熱點[1]。可食膜材料一般由脂類、樹脂、多糖和蛋白質中的一種或幾種組成，其中大豆分離蛋白SPI因其營養(yǎng)價值高、成膜性好、易降解等優(yōu)勢，越來越受到研究者關注[2]。據報道，一般添加量在3%～6%的SPI溶液，可以通過加熱、調節(jié)pH值等處理，得到柔軟、表面光滑的薄膜[3]。

SPI雖具有諸多優(yōu)點，但由于其存在機械性能差、熱穩(wěn)定性低和阻隔性差等缺陷，限制了其在食品工業(yè)中的應用。為改善此現狀，國內外研究者發(fā)現：添加了脂類組分的SPI膜，與空白對照組相比，可大幅提高膜產品自身的性能[4-7]。各脂類組分中，單月桂酸甘油酯（glycerol monolaurate，GML）是一種非離子型表面活性劑，其分子結構不對稱，同時含有疏水性的長鏈烴基以及親水性的羥基，兼具良好的乳化性及防腐性[8]。SPI和GML共混制得的薄膜或涂層，作為食品包裝材料或者涂膜劑可大幅延長食品的貨架期，同時兼具可食、可降解等優(yōu)點。

本實驗擬通過研究GML添加量對SPI復合膜成膜特性的影響，并運用傅里葉變換紅外（Fourier transform-infrared，FT-IR）光譜、X射線衍射（X-ray diffraction，XRD）、差示掃描量熱（differential scanning calorimetry，DSC）和掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）技術初步探討了兩者的成膜機制，旨在為SPI復合膜等新型可食性包裝材料的研發(fā)與應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

SPI（食品級，蛋白質量分數90%） 河南中成食化有限公司；甘油（食品級） 廣東陽東縣化工工業(yè)公司；GML（食品級） 河南千志商貿有限公司；NaOH（分析純） 廣東西隴化工有限公司。

1.2 儀器與設備

UV762紫外-可見分光光度計 上海儀電分析儀器有限公司；TA.XT Plus質構儀 英國Stable Micro Systems公司；UltraScan色差儀 美國Hunter Lab公司；211-101數顯外徑千分尺 桂林廣陸數字測控股份有限公司；6700 FT-IR光譜儀 美國熱電尼高力公司；ArlscintagX’Tra型XRD儀 美國Thermo Fisher公司；Q2000型DSC儀 美國TA公司；S-4700場發(fā)射SEM日本Hitachi公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

精確稱取4.0 g SPI，向其中加入100 mL蒸餾水，充分攪拌均勻，采用NaOH調節(jié)溶液pH值至10.0，于80 ℃水浴加熱30 min。將上述SPI水溶液分成若干等分，每份中分別加入2.0 g甘油和不同質量的GML（使GML添加量分別為0.0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%），高速均質1 min，在-0.075 MPa條件下抽真空脫氣，獲得不同配方的GML-SPI復合膜成膜液，以GML添加量0.0%作為空白對照組（即SPI膜）。精確移取30 mL成膜液到10 cm×10 cm的自制聚硫酸酯板上，于50 ℃烘箱中干燥8 h，待冷卻至室溫后揭膜，置于相對濕度55%干燥器中平衡48 h，最終制得GML-SPI復合膜成品。

1.3.2 膜厚度的測定

選擇整片均勻、平整的膜，在上面隨機選擇5 個點，用精確度為0.001的千分尺測量膜的厚度。

1.3.3 機械性能的測定

[9]的方法，將膜剪成1 cm×5 cm的長條，采用質構儀測試其機械性能，包括抗拉強度（tensile strength，TS）/MPa和斷裂伸長率（percent elongation at break，E）/%，其計算公式分別如式（1）、（2）所示。質構儀測試條件：A/TG模式，夾頭間距離30 mm，觸發(fā)力為5 g，測速1.0 mm/s。

式中：F為材料斷裂所承受最大拉力/N；a為試樣膜的厚度/mm；b為試樣的寬度/mm。

式中：L0為試樣的長度/mm；L1為斷裂時試樣的長度/mm。

1.3.4 水蒸氣透過率的測定

參考文獻[10]的方法，選擇整片均勻、平整的膜，測定其厚度后，密封于裝有無水氯化鈣的透濕杯杯口，稱質量后放入底部為氯化鉀飽和溶液、相對濕度75%的干燥器中，每隔24 h稱質量，根據式（3）計算水蒸氣透過率（water vapor permeability，WVP）。

式中：Δm為t時間內的質量增量/g；d為試樣厚度/mm；A為試樣透水蒸氣的面積/m2；t為質量增量穩(wěn)定后的兩次間隔時間/h；Δp為試樣兩側的水蒸氣壓差/kPa。

1.3.5 水溶性的測定

參考文獻[11]的方法，將膜裁剪成約2 cm×2 cm的正方形，在105 ℃條件下干燥至恒質量（m1）后放入50 mL去離子水中，溶解24 h后將膜取出，再次在105 ℃條件下干燥至恒質量（m2），記錄其質量變化，并根據式（4）計算膜的水溶性。

式中：m1、m2分別為第一、二次干燥膜的質量/g。

1.3.6 透光率的測定

參考文獻[12]的方法，將膜裁剪成約1 cm×3 cm的長條，使其可緊貼比色皿的內表面，在660 nm波長處測量透光率。

1.3.7 色澤的測定

參考文獻[13-14]的方法，選擇整片均勻、平整的膜，在上面隨機選擇5 個點，采用色差儀直接測定樣品的亮度（L*）、紅綠度（a*）和黃藍度（b*），并根據式（5）計算樣品的白度（whiteness，W）。

1.3.8 FT-IR光譜分析

參考文獻[15]的方法，選擇整片均勻、平整的膜，放置于FT-IR光譜儀上，采用紅外光譜衰減全反射法在400～4 000 cm-1波數范圍內進行掃描，分辨率為4 cm-1。

1.3.9 XRD分析

選擇整片均勻、平整的膜，將其固定于金屬樣品板上，進行XRD分析[16]，放射源采用CuKα，2θ角掃描范圍為10o～60o。樣品結晶度由MDI Jade 5.0軟件采用分峰法計算得出。

1.3.10 DSC分析

DSC測試條件[17]：樣品5.0 mg，首先以10 ℃/min的速率從20 ℃升至200 ℃，保持5 min，再以10 ℃/min的速率降溫至-30 ℃，最后以10 ℃/min的速率升至200 ℃，繪制復合膜的結晶曲線與熔融曲線。

1.3.11 SEM觀察

選擇整片均勻、平整的膜，采用冷凍干燥去除水分后，再分別對膜表面和橫斷面進行噴金鍍膜，最后用SEM觀察膜表面和橫斷面的形貌圖像，加速電壓為15 kV。

1.4 數據統(tǒng)計分析

本研究運用SPSS 19.0軟件和Origin 8.0軟件進行數據處理和作圖，以單因素方差分析（one-way ANOVA）法對所得數據進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 膜特性分析

2.1.1 GML添加量對機械性能的影響

從圖1可見，TS與E的變化規(guī)律基本相似，均在GML添加量為0.2%時達到最大值。當GML添加量等于或者超過0.4%時，TS呈逐步下降趨勢但整體降幅較緩，而E變化趨勢不明顯，僅在GML添加量為1.0%時顯著下降（P＜0.05）。有研究指出，蛋白膜中添加脂類組分（單硬脂酸甘油酯[18]、蔗糖脂肪酸酯[19]、蜂蠟[19]）會導致復合膜的機械性能變差。然而，值得注意的是，當GML添加量較低時（0.2%左右），GML-SPI復合膜的機械性能卻達到最佳，原因可能如下：低添加量情況下，GML可以比較均勻地分布在SPI蛋白網絡結構中，使復合膜的機械性能提高；但GML添加量進一步增加，SPI蛋白網絡結構中各個作用力的鍵合作用會被削弱，造成復合膜的機械性能變差。

圖1 GML添加量對GML-SPI復合膜TS和E的影響Fig. 1 Effect of GML addition on TS and E of GML-SPI film

2.1.2 GML添加量對WVP的影響

圖2 GML添加量對GML-SPI復合膜WVP的影響Fig. 2 Effect of GML addition on WVP of GML-SPI film

膜的WVP越低，表明涂膜食品與空氣中水分接觸的可能性越小，保鮮效果越好。由圖2可知，與空白對照樣相比，添加GML可以有效降低GML-SPI復合膜的WVP。當GML添加量在0.2%～0.4%時，WVP下降幅度較?。欢擥ML添加量大于0.4%時，WVP顯著下降（P＜0.05）。分析原因如下：SPI具有親水性，因此空白對照組（SPI膜）WVP值最高。此外，GML-SPI成膜液在干燥過程中，一部分GML分布于SPI蛋白膜中，形成蛋白質/脂質網絡結構，使GML-SPI復合膜的結構變得致密；另一部分GML則由于乳化液的非穩(wěn)定狀態(tài)，在復合膜表面形成脂質層[20]，兩方面因素綜合作用使得GML-SPI復合膜的WVP下降。綜上，SPI膜中添加GML可顯著降低其水蒸氣透過能力，在食品保鮮領域擁有廣闊的應用前景。

2.1.3 GML添加量對水溶性的影響

圖3 GML添加量對GML-SPI復合膜水溶性的影響Fig. 3 Effect of GML addition on water solubility of GML-SPI film

由圖3可見，由于GML具有疏水作用[21]，GML-SPI復合膜的水溶性隨著GML添加量的增加而降低，但當GML添加量到達1.0%時，水溶性略微上升，這可能是由于GML添加量超過一定范圍時，脂質和蛋白兩相分離逐漸嚴重，脂質層和蛋白層的作用力開始減弱所致。因此，在包裝高含水量的食品時，選用低水溶性的GML-SPI復合膜，其產品質量穩(wěn)定性較好。

2.1.4 GML添加量對透光率及色澤的影響

表1 GML添加量對GML-SPI復合膜透光率和色澤的影響Table 1 Effect of GML addition on light transmittance and color of GML-SPI film

膜的透光率越高，越能充分展現涂膜食品的色澤和外觀；反之則表明該膜具有良好的光阻隔性能，適用于保存易發(fā)生光氧化食品。由表1可知，GML-SPI復合膜的透光率隨著GML添加量的增加而降低，當GML添加量為0.4%時，透光率已降至空白對照組的60%左右。據此推測，使用低透光率的GML-SPI復合膜包裝光敏性食品（含肌紅蛋白、蝦青素、β-胡蘿卜素等光敏劑成分），可延長其貨架期。然而，值得注意的是，GML-SPI復合膜的L*值和W值卻隨著GML添加量的增加而上升，這可能與GML-SPI復合膜中的結晶度上升有關。可食性包裝膜自身的色澤一定程度上會影響食品感官品質，而GML-SPI復合膜L*值、W值高，在此方面優(yōu)勢突出。

2.2 成膜機制探討

2.2.1 傅里葉變換紅外光譜分析

由圖4可知，3 330～3 060 cm-1和3 650～3 200 cm-1分別是N—H和O—H的伸縮振動特征吸收帶[22]。各組樣品均在3 270 cm-1處有寬而強的吸收峰，分析原因與蛋白質分子中的羥基和氨基之間形成的氫鍵有關：氫鍵強弱不同，峰寬及形態(tài)均不盡相同[23]。2 900 cm-1處為C—H的伸縮振動峰，而1 730 cm-1處有吸收峰則證明羰基的存在[24]。從化學結構角度分析，GML是由月桂酸和甘油兩種化合物直接酯化合成，其含有甲基、亞甲基以及酯鍵等官能團。由圖4可見，隨著GML添加量的增加，2 900 cm-1的峰形變得尖銳且強度增大；當GML添加量超過0.4%時，1 730 cm-1處開始出現較為明顯的吸收峰。酰胺Ⅰ帶、Ⅱ帶的特征吸收峰分別位于1 650～1 690 cm-1以及1 530～1 600 cm-1范圍內，隨著GML添加量的增加，GML-SPI復合膜在上述區(qū)域內的吸收峰強度逐漸降低，可能原因是：GML充斥于蛋白網絡結構中，使一部分蛋白質分子鏈發(fā)生斷裂。蛋白質分子鏈斷裂也是造成

2.1.1節(jié)中GML-SPI復合膜機械性能下降的原因之一。進一步觀察圖4發(fā)現，不同GML添加量的GML-SPI復合膜樣品其FT-IR圖較為相似，當添加GML后，除羰基特征峰外，FT-IR圖中未出現其他新的特征峰，據此推測GML與SPI分子間主要靠氫鍵、疏水鍵等次級鍵作用相互結合，并未產生新的化學鍵，國內外學者對于其他復合膜的研究結果也支持了上述推測[16,25]。

圖4 不同GML添加量的GML-SPI復合膜的FT-IR圖Fig. 4 FT-IR spectra of GML-SPI films with different amounts of GML addition

2.2.2 XRD分析

圖5 不同GML添加量的GML-SPI復合膜的XRD圖Fig. 5 XRD patterns of GML-SPI films with different amounts of GML addition

表2 GML添加量對GML-SPI復合膜結晶度的影響Table 2 Crystallinity of GML-SPI films with different amounts of GML addition

由圖5可知，空白對照組樣品（SPI膜）與不同GML添加量的復合膜其XRD圖基本一致，均在2θ為20°處有較寬的主峰，在其他區(qū)域未有新衍射峰出現，表明SPI和GML可能未發(fā)生化學反應而產生新的物質，兩者僅是物理相互作用。采用MDI Jade軟件計算得到：SPI膜的結晶度為0.55%，而加入0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%的GML后，GML-SPI復合膜的結晶度分別提升到1.78%、22.17%、35.80%、39.21%、39.76%（表2）。觀察圖5發(fā)現，SPI膜的衍射峰寬且較平滑，表明該膜是一種非結晶聚合物，這與蔣瑩麗等[26]的研究結果一致；當加入GML后，圖5中開始出現較窄、較尖銳的衍射峰，表明GML-SPI復合膜中出現了結晶析出的現象。推測原因是GML的添加改變了SPI膜原有的空間結構，提高了氫鍵、疏水鍵等相互作用力，從而使GML-SPI復合膜的結晶度大大提高。結晶度的提高會增加膜的致密性，使膜表面光澤度提高，L*值和W值上升；另一方面，結晶使分子鏈排列更加緊密[27]，膜的耐溶劑和滲透性等性能有所提高，但同時球晶的存在也會引起光波的散射，造成膜的透明度降低。

2.2.3 DSC分析

圖6 不同GML添加量的GML-SPI復合膜的DSC曲線Fig. 6 DSC curves of GML-SPI films with different amounts of GML addition

由圖6可知，當GML添加量小于或等于0.2%時，GML-SPI復合膜無明顯結晶峰出現；而當GML添加量超過0.2%時，GML-SPI復合膜在10～20℃范圍內開始出現結晶峰，且隨著GML繼續(xù)添加，結晶溫區(qū)變窄、結晶峰形變尖、結晶熱增大，表明GML-SPI復合膜的結晶度會隨著GML添加量的增加而升高[28]，此結果與2.2.2節(jié)中XRD的結果基本一致。另一方面，分析熔融曲線可知，添加GML后，GML-SPI復合膜在40～50℃左右均有吸收峰出現（為玻璃化轉化峰），推測GML添加量對GML-SPI復合膜的玻璃化轉化溫度影響不大。值得注意的是，空白對照組樣品（SPI膜）無明顯玻璃化轉化峰，可能原因是SPI膜為無定形結構，其結晶度較低。觀察熔融曲線還可發(fā)現，在120～140 ℃范圍內出現了另一吸收峰（為熔融峰），并且隨著GML添加量的增加，熔融峰面積減小，熔融起始溫度提高，GML-SPI復合膜的熔融溫度逐漸升高可能與分子鏈中引入極性基團導致分子鏈的柔順性降低有關[29]。

2.2.4 SEM圖像分析

圖7 不同GML添加量的GML-SPI復合膜的表面SEM圖（×5 000）Fig. 7 SEM of the outer surface of GML-SPI films with different amounts of GML addition (× 5 000)

圖8 不同GML添加量的GML-SPI復合膜的截面SEM圖Fig. 8 SEM pictures of the cross section of GML-SPI films with different amounts of GML addition

膜的微觀結構與其自身滲透性以及機械性能等指標密切相關[30]。由圖7可見，GML的添加改變了GML-SPI復合膜表面平整度：未添加GML時，SPI膜表面較為平滑；GML添加量為0.2%時，復合膜表面平整度開始發(fā)生變化；GML添加量超過0.2%時，復合膜表面平整度大幅下降。

觀察圖8發(fā)現，未添加GML的SPI膜中存在較多空隙，結構不緊密，這與SPI膜中各組分間的物理相互作用較弱有關。GML添加量為0.2%時，膜內空隙減少；而當添加量超過0.2%時，膜內空隙消失，可能原因是：小分子質量的GML填充在SPI膜的網絡結構中，形成復雜的蛋白質-脂質網絡，使得GML-SPI復合膜內部結構變得十分致密。膜的內部結構與其結晶度呈正相關性，2.2.2節(jié)中XRD結果同樣證實添加GML后，GML-SPI復合膜的結晶度提高，而結晶度增加，分子鏈排列趨于緊密，導致孔隙率下降[29]。進一步觀察圖8e1、f1可知，復合膜表面已經出現小球狀的GML顆粒，表明當GML添加量大于或等于0.8%時，GML-SPI復合膜中發(fā)生了兩相分離現象。GML屬于親油性的酯類，當GML添加量較大時，與SPI相容性較差，在緩慢的干燥過程中，部分GML向膜表面遷移，并最終在GML-SPI復合膜表面形成脂質層。

3 結 論

本實驗研究了GML添加量對GML-SPI復合膜成膜特性的影響。結果表明，隨著GML添加量的增加，GML-SPI復合膜的TS和E呈先上升后下降趨勢，該復合膜的WVP、透光率、水溶性逐漸下降，而L*值和W值有所增加。通過FT-IR、XRD、DSC和SEM分析發(fā)現：GML和SPI分子間主要以氫鍵、疏水作用力等次級鍵相互結合，并未產生新的化學鍵；添加GML可使GML-SPI復合膜的結晶度提高，熔點升高；同時也會造成復合膜的內部空隙逐漸減小，變得更加致密；當GML添加量超過0.8%時，GML-SPI復合膜中會出現兩相分離現象。

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Effect of Glycerol Monolaurate Addition on the Properties of Soy Protein Isolate Composite Film

GU Saiqi, YU Xiaomei, CAI Yanping, DING Yuting*
(Ocean College, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

The study investigated the effect of glycerol monolaurate (GML) addition on the properties of soy protein isolate(SPI) composite film, and discussed the formation mechanism of GML-SPI film by several analytical techniques including Fourier transform-infrared (FT-IR) spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), differential scanning calorimetry (DSC) and scanning electron microscope (SEM). The results showed that with the increase of GML addition, tensile strength and elongation at break increased at first and then decreased. Three other indicators including water vapor permeability, light transmittance and water solubility continuously decreased, while brightness and whiteness increased. FT-IR results showed that SPI and GML were bound mainly by hydrogen bonds, hydrophobic force or other secondary bonds. According to XRD and DSC results, the crystallinity and melting temperature of GML-SPI film were both increased due to the addition of GML.However, SEM pictures suggested that GML addition led to decreased internal voids in GML-SPI film. In addition, phase separation of GML and SPI in composite film could be observed when the amount of GML addition was larger than 0.8%.The study may provide a theoretical basis for the development and application of some new edible packaging materials such as soy protein isolate composite film.

soy protein isolate; film properties; Fourier transform-infrared spectroscopy; X-ray diffraction; differential scanning calorimetry; scanning electron microscope

10.7506/spkx1002-6630-201721039

TS201.1

A

1002-6630（2017）21-0245-07

顧賽麒, 余曉梅, 蔡燕萍, 等. 單月桂酸甘油酯添加量對大豆分離蛋白復合膜成膜特性的影響[J]. 食品科學, 2017,38(21): 245-251.

10.7506/spkx1002-6630-201721039. http://www.spkx.net.cn

GU Saiqi, YU Xiaomei, CAI Yanping, et al. Effect of glycerol monolaurate addition on the properties of soy protein isolate composite film[J]. Food Science, 2017, 38(21): 245-251. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201721039. http://www.spkx.net.cn

2016-08-25

國家自然科學基金青年科學基金項目（31601500）；浙江省公益性技術研究農業(yè)項目（2016C32056）；浙江省教育廳一般項目（Y201534918）

顧賽麒（1984—），男，講師，博士，研究方向為食品加工、儲藏與質量安全控制。E-mail：gusaiqi@126.com

*通信作者：丁玉庭（1963—），男，教授，博士，研究方向為食品加工、儲藏與質量安全控制。E-mail：dingyt@zjut.edu.cn