冉銳敏，王璐瑤，何淑蹇，何賓賓，楊 霞，陳賽艷*，冀俊杰，王彩霞，吳賀君

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，四川雅安 625014；2.山東技師學(xué)院，濟南 250200）

復(fù)合包裝膜作為當(dāng)前包裝膜的研究熱點，有替代塑料包裝膜的趨勢，尤其在食品包裝上應(yīng)用潛力巨大?？墒承阅こＳ玫牟牧鲜侨箢惿锘镔|(zhì)，多糖、蛋白質(zhì)和脂類。大豆分離蛋白（soybean protein isolate，以下簡稱 SPI）中含有 90%以上蛋白質(zhì)[1-2]，且具有優(yōu)良的成膜性能[2]，合成的SPI膜的機械性能和阻隔性均強于其他兩種材料[3]。同時作為大豆油工業(yè)的副產(chǎn)品，合成的SPI膜用于食品包裝工業(yè)中，可以減少廢棄物產(chǎn)生，同時提高農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品的應(yīng)用價值[4]。故本項目選用SPI為主要成膜物質(zhì)，合成可食性包裝膜。

但是，單一SPI膜的易溶于水，導(dǎo)致其應(yīng)用受到限制，故研究者多合成以SPI為基本成膜物質(zhì)的復(fù)合膜。有學(xué)者采用硬脂酸與SPI膜進(jìn)行生物融合，提高膜的耐水性[5]。也有研究者在SPI中加入改性后的大豆秸稈纖維素[6]，促進(jìn)SPI內(nèi)部極性基團和大豆秸稈內(nèi)部羥基的交聯(lián)，降低膜水溶性的同時還能提高SPI膜的機械強度。由于蛋白質(zhì)分子鍵的剛性作用，單一的蛋白膜脆性大，有研究者通過添加增塑劑減少聚合物相鄰鏈間的分子內(nèi)相互作用[7]，從而增加膜的柔韌性和可加工性。甘油作為常用的增塑劑，安全無毒，能保持SPI膜中的水分，提高其乳化性能[5]，故用于本研究中提高SPI膜的機械性能。本項目選用SPI為主要成膜物質(zhì)，并添加甘油作為增塑劑，乙醇為消泡劑，合成復(fù)合包裝膜。

1 材料和方法

1.1 材料

大豆分離蛋白，食品級：哈爾濱高科技大豆食品有限公司；甘油，食品級：西隴科學(xué)股份有限公司；乙醇，分析純：成都科龍試劑有限公司。

1.2 儀器設(shè)備

PHS-25酸度計：成都世紀(jì)方舟科技有限公司；CR400色差計：柯尼卡美能達(dá)公司；YT-GM光澤度儀：杭州研特科技有限公司；HD-B6098-S電子顯示拉力試驗機：江蘇海達(dá)儀器有限公司；臺式干燥箱：北京中興偉業(yè)儀器有限公司；T9-1磁力加熱攪拌器：金壇市富華儀器有限公司；Nicolet 6700紅外光譜儀：賽默飛世爾科技公司；JSM-7500F掃描電鏡：中國富瑞寶國際有限公司；WGW型光電霧度儀：上海儀電物理光學(xué)儀器有限公司。

1.3 膜制備方法

根據(jù)前期試驗基礎(chǔ)及文獻(xiàn)[8]所得，稱取一定量的大豆分離蛋白溶解在蒸餾水中，配制成大豆分離蛋白水溶液，加入增塑劑、消泡劑，攪拌20 min，升溫至60～70℃，保溫30 min，用0.1 mol/L NaOH將pH調(diào)節(jié)至10±0.5，再于室溫、真空度為-0.095 MPa下脫氣，以除去溶解在漿料中的氣泡。取30 mL漿液流延至有機玻璃板上，60℃恒溫干燥5～6 h，取出，在相對濕度為93%、溫度為25℃的條件下均濕回軟24 h，待測。

1.4 試驗設(shè)計

在上述操作過程中，以100 mL成膜液為基準(zhǔn)，分別研究不同甘油含量（3、3.5、4、4.5、5 g），乙醇含量（1、2、3、4、5 mL），大豆分離蛋白含量（4、5、6、7、8 g）對大豆分離蛋白膜的微觀結(jié)構(gòu)、機械性能和光學(xué)性能的影響。

1.5 膜測定方法

1.5.1 傅里葉變換紅外光光譜

采用Nicolet 6700紅外光譜儀測定紅外光譜圖，定性表征物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，掃描范圍400～4 000 cm-1[9]。

1.5.2 掃描電子顯微鏡

采用高真空工作，加速電壓15～20 kV范圍下對膜的橫斷面進(jìn)行電子顯微鏡觀[10]。

1.5.3 透明度

按照《GB/T 2410-2008》[11]的方法用 WGW 型數(shù)字自動光電數(shù)字霧度計測定膜的透明度。

1.5.4 光澤度

參照《GB/T 8941-2013》[12]中的方法檢測薄膜的光澤度。

1.5.5 厚度

參照《GB/T 6672-2001》[13]方法測定薄膜的厚度。

1.5.6 機械性能

參照《GB/T 1040.3-2006》[14]中的方法檢測薄膜的拉伸強度（TS）和斷裂伸長率（EAB）。將膜裁剪為80 mm×15 mm的長條，將初始距離設(shè)置為40 mm，測定速度為1 mm/s。每組樣品測試3個平行樣品，TS、EAB按照公式分別進(jìn)行計算：

式中F：膜斷裂時承受的最大張力/N；B：膜寬度/mm；H：膜的厚度/mm；D：膜斷裂時的長度/mm；L：膜的初始長度/mm。

1.5.7 色度

參照《GB/T 7921-2008》[15]，用 SC-10 分光測色計（蘇州欣美和儀器有限公司）對膜顏色進(jìn)行表征，按公式計算出ΔE：

式中：L*、a*、b* 為膜的色度值，L=97.40，a=-0.65，b=0.55為標(biāo)準(zhǔn)白的色度值。

2 結(jié)果與分析

2.1 薄膜的紅外光譜圖

大豆分離蛋白膜與甘油的紅外光譜對比圖如圖1所示，1 036 cm-1處是C-O的伸縮振動，1 625 cm-1處是C=O鍵的伸縮振動峰，1 537 cm-1是N-H的彎曲的吸收峰[5]，1 235 cm-1處C-N和N-H的伸縮振動峰[16]，3 270 cm-1處是O-H鍵的伸縮振動和N-H的彎曲振動吸收峰，2 852、2 923 cm-1處是C-H鍵的吸收峰[17]，這些吸收峰均來自于大豆分離蛋白膜。甘油的特征吸收峰在成膜后均消失或減弱，其中強度最大且位于1 645 cm-1處的特征峰也完全消失[18]，表明甘油與大豆分離蛋白之間存在化學(xué)交聯(lián)，融合性強。

圖1 大豆分離蛋白膜與甘油的傅里葉紅外光譜對比圖（a：甘油，b：SPI膜）Figure 1 Comparison of Fourier infrared spectra between soybean protein isolate film and glycerin（a：glycerin；b：SPI film）

2.2 薄膜的SEM圖

膜的微觀結(jié)構(gòu)反映膜的均一性和致密性。大豆分離蛋白膜在加入甘油前后的掃描電鏡圖如圖2所示。由圖可見，未加入甘油的SPI膜橫截面有大量的褶皺；加入甘油后，褶皺消失，內(nèi)部結(jié)構(gòu)均一。表明甘油與SPI粉末具有良好的融合性，甘油的填充作用及其與薄膜基體的強交聯(lián)，有利于形成更致密，更均勻的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這與紅外光譜圖得出的結(jié)論一致。

圖2 大豆分離蛋白膜加入甘油前后的掃描電鏡對比圖Figure 2 SEM of SPI films with or without glycerin

2.3 甘油含量對薄膜性能的影響

依據(jù)前期文獻(xiàn)所得，取6 g大豆分離蛋白，4 mL乙醇和不同量的甘油，通過流延法制備大豆分離蛋白膜并測定其性能。不同甘油含量對薄膜光學(xué)性能的影響如表1所示，對薄膜機械性能的影響如圖3所示。其中，光澤度采用75°角測試。膜的色度值采用Lab系統(tǒng)表示。L代表明度，范圍從0到100，0表示黑色，100表示白色；+a表示膜色度偏紅，-a表示膜色度偏綠；+b表示膜色度偏紅黃，-b表示膜色度偏藍(lán)。色差用ΔE表示。

圖3 不同甘油添加量對薄膜拉伸強度和斷裂伸長率的影響Figure 3 Effects of different glycerin contents on tensile strength and elongation at break of films

由表1可知，SPI膜的L值隨著甘油含量增加而降低，a值隨著甘油含量增加先降低后升高，b值隨著甘油含量增加先升高后降低。以上數(shù)據(jù)表明，隨著甘油含量增加，SPI膜的明度降低。a值為正，表明SPI膜顏色偏紅，b值為正，表明SPI膜顏色偏黃。同時，色差隨著甘油含量增加先降低后升高，在甘油添加量為4 g時，色差值達(dá)到最小，其值為3.69±0.29。由于甘油本身是黃色，在混合進(jìn)SPI膜的分子鏈中時，造成SPI膜色調(diào)偏黃，但隨著甘油加入過量，大豆分離蛋白的雙鍵與乙醇交聯(lián)重組完成，過量的增塑劑不再進(jìn)入薄膜內(nèi)部，SPI膜結(jié)構(gòu)緊密，色度穩(wěn)定（P＞0.05），這與前人的研究相似[19]。SPI在成膜過程中，致密的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會增加薄膜的不透明度并降低L值。在包裝領(lǐng)域，薄膜的L值降低有助于防止包裝內(nèi)食品的氧化變質(zhì)。當(dāng)甘油添加量為3～4 g時，薄膜透明度隨著甘油含量的增加而降低，這有利于阻止光照對食品品質(zhì)的損壞，體現(xiàn)出SPI膜在包裝領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

表1 不同甘油添加量對膜的顏色影響Table 1 Effects of different glycerin contents on the color of films

單一的蛋白膜中，蛋白質(zhì)分子鍵的作用是剛性的，膜較脆，往往需要添加增塑劑通過減少聚合物相鄰鏈間的分子內(nèi)相互作用[8]，從而來增加膜柔韌性和可操作性。由圖3可知，隨著甘油添加量的增加，大豆分離蛋白膜的拉伸強度降低，斷裂伸長率增加。這與魏倩等[20]得到的甘油對大豆蛋白基可食性膜的機械性能的影響趨勢相同。當(dāng)甘油添加量為3～5 g時，小分子甘油滲透到大分子聚合物中，與酰胺基團形成氫鍵，減少分子內(nèi)部的氫鍵作用，同時削弱了蛋白質(zhì)分子間的范德華力，使相鄰蛋白質(zhì)聚合鏈間的分子相互作用降低，分子鏈之間的空隙增加，結(jié)晶度降低，膜的剛性結(jié)構(gòu)被軟化，柔韌性增加[21]。同時，隨著甘油含量增大，膜內(nèi)的羥基鍵結(jié)合的水分子量增加，作為增塑劑的水分子可增強高聚物內(nèi)分子鏈的流動性和柔韌性，導(dǎo)致復(fù)合膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散，拉伸過程中產(chǎn)生較大形變，提高了SPI膜的斷裂伸長率[22]。加入甘油后的復(fù)合膜比純SPI膜表面光滑、結(jié)構(gòu)致密。但值得注意的是，當(dāng)甘油添加量超過4 g時，過量的甘油不能與大豆分離蛋白充分結(jié)合，易造成增塑劑遷移和析出，膜黏性增大，不利于食品包裝。綜合上述分析，選擇SPI膜的甘油含量為4 g。

2.4 乙醇含量對薄膜性能的影響

取6 g大豆分離蛋白，4 g甘油和不同含量的乙醇溶液，通過流延法制備大豆分離蛋白膜并測定其性能。不同乙醇含量對薄膜的光學(xué)性能的影響如表2所示。對薄膜機械性能的影響如圖4所示。其中，光澤度采用75°角測試。由表2可知，SPI膜的L值在乙醇添加量為3 mL時，達(dá)到最大值89.07±0.89，此時明度最高。但是整體明度偏差不超過0.50，明度穩(wěn)定。薄膜的a值為正，顏色偏紅；b值為正，顏色偏黃。隨著乙醇含量增加，薄膜的紅色加深，黃色減弱，可以理解為薄膜的色度來自于甘油，隨著乙醇含量增加，乙醇分子融進(jìn)甘油分子的鏈結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致薄膜色度變淺。由表2還可發(fā)現(xiàn)，隨著乙醇含量增加，膜的透明度降低，這是因為乙醇易與水發(fā)生共混作用，從而削弱了蛋白質(zhì)-水的相互作用，促使蛋白質(zhì)內(nèi)部發(fā)生分子間或分子內(nèi)的鍵合作用，形成致密的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低了薄膜的透明度[23]。同時由于致密的空間結(jié)構(gòu)不利于可溶性蛋白質(zhì)擴散到空氣/水界面，導(dǎo)致表面張力降低，起泡能力下降，有利于后期形成均勻的薄膜。當(dāng)乙醇添加量超過3 mL時，膜的光澤度下降，是因為過量的乙醇改變了溶劑的組成，增加了溶劑揮發(fā)速度，SPI粉末未能在溶劑中充分溶解及分散，即留存在膜內(nèi)部，造成SPI膜表面不均勻、顆粒度大，光澤度下降。

表2 不同乙醇添加量對膜的顏色影響Table 2 Effects of different ethanol contents on the color of films

由圖4可知，當(dāng)乙醇含量低于3 mL時，薄膜的拉伸強度和斷裂伸長率隨乙醇含量增加而增大；在乙醇含量3 mL時，機械強度達(dá)到最大值，拉伸強度為3.89 MPa，斷裂伸長率為70.47%。乙醇作為溶液，一定程度上可增加蛋白質(zhì)聚合物鏈的流動性和延展性，使蛋白質(zhì)分子內(nèi)部二硫鍵、巰基和疏水基團暴露出來，在成膜過程中，誘發(fā)更強烈的交聯(lián)反應(yīng)發(fā)生，增強膜的拉伸強度；當(dāng)乙醇含量超過3 mL時，薄膜的拉伸強度和斷裂伸長率均降低。這是因為過量的乙醇易導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性，造成不溶性和凝塊的產(chǎn)生，嚴(yán)重者甚至?xí)斐煽障逗土芽p等缺陷[24]，降低了膜的機械性能，故在接下的試驗中選擇消泡劑（乙醇）的最佳含量為3 mL，同時甘油的含量是4 g。

2.5 大豆分離蛋白含量對薄膜性能的影響

取4 g甘油，3 mL乙醇溶液和不同含量的大豆分離蛋白，通過流延法制備大豆分離蛋白膜并測定其性能。不同大豆分離蛋白含量對薄膜光學(xué)性能的影響如表3所示，對薄膜拉伸強度和斷裂伸長率的影響如圖5所示。其中，光澤度采用75°角測試。

由表3可知，隨著大豆分離蛋白含量的增加，薄膜的L值降低，明度降低。而隨著SPI含量增加，a值和b值分別降低和升高，表面薄膜顏色由淺紅色，并朝著黃色方向加深。但a值的增量在0.20之內(nèi)，b值變化在0.50之內(nèi)，總體色度穩(wěn)定。主要是因為SPI本身具有淡黃色，故薄膜的色度偏黃[24]。薄膜的光澤度隨著大豆分離蛋白含量的增加而增加，這是由于蛋白質(zhì)含量增加，導(dǎo)致新形成的二硫鍵增強了大分子間的連接作用，從而形成了更加致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，表面結(jié)構(gòu)均勻，使得薄膜的光澤度增加。薄膜的透明度隨著大豆分離蛋白含量的增加而降低，在8 g時達(dá)到最低值83.4±20.17，這是因為單位體積的成膜液中固形物含量隨著大豆分離蛋白濃度的增加而增加，導(dǎo)致膜厚度增加，光的屏蔽作用被提高[25]，薄膜透明度降低。

表3 不同大豆分離蛋白添加量對膜的顏色影響Table 3 Effects of different soybean protein isolate contents on the color of films

由圖5可知，薄膜的拉伸強度隨著SPI含量的增加而升高，斷裂伸長率隨著SPI含量的增加降低。當(dāng)SPI含量為8 g時，拉伸強度為6.35 MPa，斷裂伸長率為22.44%，相對于SPI含量為4 g時，拉伸強度和斷裂伸長率分別升高了約44%，降低了約68%。原因是大豆分離蛋白主要依靠二硫鍵（S-S）的作用成膜[26]。S-S鍵初步還原裂解成（SH）基，分散在溶劑中，降低多肽分子量，同時分散的蛋白質(zhì)分子又被氧化，重新形成S-S鍵，完成成膜過程。隨著大豆分離蛋白的含量增大，蛋白質(zhì)凝聚時產(chǎn)生的氫鍵、S-S鍵增多，疏水性相互作用增大，使膜的拉伸強度變大。同時更多二硫鍵的形成會增大分子間的相互作用，促使多肽鏈的鏈內(nèi)與鏈間的交聯(lián)，流動阻力增大，膜剛性增加，柔韌性降低。但當(dāng)SPI含量增加達(dá)到一定程度后，表面出現(xiàn)未溶解性的SPI顆粒，產(chǎn)生團聚現(xiàn)象影響膜的流平性，同時使膜在受到外力時，團聚區(qū)域受力過于集中，膜整體的柔韌性偏低[27-28]。通過拉伸強度及斷裂伸長率的變化趨勢對比，發(fā)現(xiàn)大豆分離蛋白含量為6 g時，膜的性能適中，適合用于食品包裝。

從以上分析可知，當(dāng)甘油添加量為4 g時，SPI膜表面光滑、結(jié)構(gòu)致密；當(dāng)乙醇含量3 mL時，機械強度達(dá)到最大值；當(dāng)大豆分離蛋白添加量為6 g時，通過拉伸強度及斷裂伸長率的變化趨勢對比，發(fā)現(xiàn)此時膜的性能適中，適合用于食品包裝中。綜合考慮，蛋白質(zhì)含量取6 g，同時乙醇含量取3 mL，甘油含量取4 g，此時大豆分離蛋白膜的綜合性能最佳。

3 結(jié)論

本研究以大豆分離蛋白（SPI）為原料，甘油為增塑劑，乙醇為消泡劑，通過交聯(lián)的方式制備大豆分離蛋白膜，研究了大豆分離蛋白含量、甘油含量、乙醇含量對大豆分離蛋白膜性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)大豆分離蛋白含量為6 g，甘油為4 g，乙醇為3 mL時，制備出的薄膜光學(xué)性能優(yōu)良，色差為9.71±0.76，透明度（85.08±0.61）%，光澤度為 33.31±0.61，薄膜的拉伸強度為5.80 MPa，斷裂伸長率為35.63%。膜具有光滑的外觀和優(yōu)良的機械性能，是一種無毒，可生物降解的綠色包裝材料，具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>