热处理温度对大豆分离蛋白膜功能性质的影响

郭 宽 张 超 赵晓燕 马 越 李喜宏

(北京市农林科学院蔬菜研究中心1，北京 100097)

(天津科技大学食品营养与安全教育部重点实验室2，天津 300457)

热处理温度对大豆分离蛋白膜功能性质的影响

郭 宽1，2张 超1赵晓燕1马 越1李喜宏2

(北京市农林科学院蔬菜研究中心1，北京 100097)

(天津科技大学食品营养与安全教育部重点实验室2，天津 300457)

研究热处理温度对可食性大豆蛋白膜性能的影响。结果表明随着处理温度升高，大豆蛋白膜抗张强度增大，而断裂延伸率、水蒸气透过率和氧气透过率降低。结果90℃热处理的大豆蛋白膜综合性能较好，其抗张强度为(9.31 ±1.57)MPa，氧气透过率最小为(1.15 ±0.23)mL·mm·m－2·d－1。相关性分析结果表明，热处理引发蛋白成膜液中巯基与二硫键之间的转化，可能是引起大豆蛋白膜机械性能和阻隔性能变化的主要因素。

可食性膜 大豆分离蛋白膜 热处理 二硫键 接触角

大豆蛋白(SPI)膜是以大豆分离蛋白为主要原料的一种包装材料，具有可食用、可降解和可再生等特点，同时，其具有较好的机械性能和氧气阻隔性能，受到广泛关注［1－3］。SPI膜在制备过程中，需要进行热处理，热处理温度对膜的机械性能和阻隔性会产生直接的影响。因为，热处理会导致蛋白质变性，不同的热处理温度和时间会影响蛋白质展开的程度，进而影响蛋白质交联的强度和程度，使SPI膜在宏观上表现出功能性不同［4－6］。但是，系统研究热处理温度对于SPI膜功能性质影响的报道不多。因此，本试验拟研究热处理对SPI膜机械性能、阻隔性能和其蛋白结构的影响，并通过相关性分析，揭示加热温度引起SPI膜机械和阻隔性能改变的内在原因。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设备

大豆分离蛋白(GS5000)由山东谷神科技股份有限公司提供;甘油(≥99.0%):北京化工厂。

TA·XTplus物性测试仪:英国Stable Micro Systems公司;OX－TRAN Model 2/61氧气透过率测试仪、PERMA TRAN－W Model 1/50G水蒸汽透过率测试仪:美国MCON公司;SM－112型测厚仪:日本TECLCK公司;BM－1型生物混合仪:日本Nihonseiki公司;KYOWA型接触角测定仪:日本协和科学株式会社;DZKW－4型电子恒温水浴锅:中国中兴伟业仪器有限公司;DH－201型电热恒温干燥箱:天津市中环实验电炉有限公司。

1.2 膜的制备方法

蛋白质量分数为5%(蛋白/成膜水溶液)，添加甘油质量分数为30%(甘油/蛋白)，水浴温度分别为60、70、80、90和100 ℃，时间30 min。倒膜后于35 ℃恒温干燥箱中烘干成膜。揭膜后于温度25℃、RH 50%的干燥器中平衡。

1.3 膜厚度

根据 GB/T 6672—2001［7］，每张膜对称取 9 个点(其中1点为膜中心点)用测厚仪测定厚度，以平均值作为膜的厚度。重复测定3次取平均值。

1.4 机械性能测定

根据ASTM D 882－01方法［8］，用 TA·XTplus型物性测试仪测定抗张强度(TS)和断裂延伸率(E)，初始夹距设定为40 mm，拉引速度设定为1 mm/s。

式中:F为膜断裂时承受的最大拉力/N;S为膜的横截面积/m2;L0为膜样品的长度/mm;L1为膜断裂时的长度/mm。

1.5 水蒸气透过系数的测定

根据 ASTM F 1249－05方法［9］，在常压、室温(23℃)条件下应用水蒸气透过率测试仪测定膜的

水蒸气透过系数。透湿面积为5 cm2，膜两侧相对湿度分别设定为50%和15%。载气为高纯氮气。

1.6 氧气透过系数

根据ASTM D 3985－95方法［10］，在常压、室温(23℃)条件下应用氧气透过率测试仪测定大豆分离蛋白膜的氧气透过系数。测试面积为10 cm2，测试腔相对湿度控制在50%。测试气体和吹扫气体分别为高纯氧气和氮气(混有2%氢气)。

1.7 膜表面接触角测定

按照Larré等［11］的方法进行测定。采用接触角测定仪测定接触角，先将被测液体由微量注射器取1滴，滴在所需的固体平面上，再通过光学反光系统及放大系统将液滴放大于观察镜内，然后用镜头内测角器测定其接触角大小。

1.8 巯基和二硫键含量测定方法

根据欧仕益等［12］的方法进行测定。

2 结果与讨论

2.1 机械性能变化

随着加热温度的升高，SPI膜抗张强度逐渐增大，并且在70℃到90℃内抗张强度增幅最大，升高36.2%;90 ℃ 时 SPI膜抗张强度为(9.31±1.57)MPa，比60℃处理制得的SPI膜抗张强度升高37%(图1)。热处理温度超过90℃，SPI膜抗张强度变化不明显。蛋白质的结构靠二硫键、疏水力、范德华力、氢键等维持［13］。适当的热处理使蛋白质分子从原来有序的紧密结构变为无序的松散结构，使原来藏在分子内部的巯基和疏水性氨基酸侧链残基暴露出来，蛋白质分子则通过疏水相互作用、二硫键等的结合形成均匀的立体网络结构，提高膜机械性能［14］。但若加热温度过高，时间过长，会造成蛋白质分子过度变性、分子链断裂，不利于网络结构的形成［15］。因此不同热处理条件对SPI膜机械性能的影响是不同的。

加热温度对于SPI膜的断裂延伸率影响不显著。

图1 热处理温度对SPI膜机械性能的影响

2.2 水蒸气透过率及接触角变化

SPI膜的接触角可直观地显示其疏水能力，随着加热温度升高，接触角不断增加，在90℃达到最大值74.2°(图2)，表明SPI膜在此温度下疏水能力最强。而SPI膜水蒸气透过率随着热处理温度升高而略微降低。这表明适当的热处理能促进蛋白质分子中的氢键和二硫键断裂，结构展开，疏水性基团暴露出来，提高大豆蛋白疏水性，加强了分子间相互作用和二硫键重新分布，形成坚固的网络结构，提高其阻水性能。但是，不同处理温度间SPI膜水蒸气透过率差异并不明显，这表明热处理温度并不是影响SPI膜水蒸气透过率的主要因素。

图2 热处理温度对SPI膜水蒸气透过率和膜表面接触角的影响

2.3 氧气透过率变化

图3显示随着加热温度升高，SPI膜氧气透过率逐渐降低，在90℃氧气透过率最小为(1.15 ±0.23)mL·mm·m－2·d－1。适当的热处理使大豆蛋白的结构发生变化，SPI膜结构更加致密紧凑，从而使氧气分子在膜表面溶解吸附及在膜中的迁移扩散速率降低，SPI膜阻气性能提高。

图3 热处理温度对SPI膜氧气透过率的影响

2.4 蛋白成膜液二硫键和巯基变化

二硫键由两个巯基形成，可以把肽链的不同区段牢固地连接在一起，形成稳定的网络结构，从而加强膜性能。图4显示随加热温度升高，巯基数量逐渐增加，二硫键数量降低。这是由于加热使蛋白质发生变性，蛋白中原有的二硫键受热分解形成巯基，因而在加热后的成膜液中测得巯基的数量显著升高，90 ℃时巯基含量为(14.86 ±1.24)μmol/g。二硫键的形成，主要是在干燥成膜的过程中进行的。伴随着水分的蒸发，成膜液中展开的蛋白质分子首先通过疏水相互作用发生聚集，二硫键是随着聚集过程中局部蛋白质含量的增加而开始形成的［16］。因此，成膜液中含有的巯基数量越多，亦即热处理过程中受热分解的二硫键越多，在成膜过程中能够重新形成更多分子间二硫键，形成更为致密紧凑的网络空间结构，提高SPI膜的强度和阻隔性能。

表1 膜性能参数的相关性

图4 热处理温度对成膜液巯基和二硫键含量的影响

2.5 热处理温度与各测定指标间的相关性

由表1可以得出，制膜过程中热处理温度与SPI膜的抗张强度和接触角呈显著的正相关(P＜0.05)，与成膜液中形成的巯基数量具有显著的正相关性(P＜0.05)，而与成膜液中二硫键含量呈极显著的负相关(P＜0.01)。热处理温度对于SPI膜抗张强度的影响效果，主要取决于加热过程在成膜液中形成的巯基和二硫键数量，而蛋白膜成膜过程中形成二硫键是决定SPI膜抗张强度的关键因素。

成膜液中二硫键数量与SPI膜水蒸气透过率呈显著的正相关(P＜0.05)，而与膜表面接触角呈显著的负相关(P＜0.05);巯基含量与膜氧气透过率呈极显著的负相关(P＜0.01)，与膜表面接触角呈显著的正相关(P＜0.05)。因此，二硫键充分展开有助于提高SPI膜的致密性和表面疏水性，提高SPI膜的阻隔性能。

3 结论

试验结果表明，蛋白成膜液在90℃加热处理，制得的SPI膜综合性能较好。热处理可以促进蛋白质分子中的氢键和二硫键断裂，疏水性基团暴露，提高SPI膜的机械强度和阻隔性能。相关性分析显示热处理引发的蛋白成膜液中巯基与二硫键之间的转化，是影响SPI膜强度和阻隔性能的根本因素。

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Effects of Thermal Treatment on Functional Properties of Edible Films Based on Soybean Protein Isolate

Guo Kuan1，2Zhang Chao1Zhao Xiaoyan1Ma Yue1Li Xihong2
(Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Vegetable Research Center1，Beijing 100097)
(Key Laboratory of Food Nutrition and Safety of Ministry of Education，Tianjin University of Science ＆ Technology2，Tianjin 300457)

The effect of temperature on properties of edible films based on soy protein isolate was evaluated.The tensile strength of soy protein isolate increased，while percentage elongation at break，water vapor permeability and oxygen permeability decreased when the temperature of the heat treatment increased.The tensile strength(9.31 ±1.57)MPa and oxygen permeability(1.15 ±0.23)mL·mm·m－2·d－1of the films were the best after the heat treatment at 90℃.The correlation analysis showed the transformation between sulfhydryl and disulfide bonds in films was main factor inducing the property varieties of the soy protein isolate films.

edible film，soy protein isolate film，heat treatment，disulfide bonds，contact angle

TS201.9

A

1003－0174(2011)07－0027－04

2010－09－02

郭宽，男，1980年出生，博士，食品深加工

赵晓燕，女，1969年出生，研究员，食品中功能性因子