乳清蛋白-茁霉多糖-阿魏酸复合可食性膜的研制

张慧芸，任国艳，陈树兴，李鑫玲

（河南科技大学食品与生物工程学院，河南 洛阳 471003）

茁霉多糖[1]（Pullulan）又叫短梗霉多糖，是由出芽短梗霉分泌产生的一种胞外多糖，该糖无色无味、无毒，对人体无任何副作用，气密性好，具有优良的水溶性、成膜性、氧气不渗透性、成纤性，是一种具有极大经济价值和开发潜力的多功能新型生物材料。茁霉多糖有很强的阻隔氧气的能力；此外，与其他糖类相比，茁霉多糖还具有机械强度高，薄膜的透气性很低等特点。阿魏酸[2]的化学名称是4-羟基-3-甲氧基肉桂酸，是植物中广泛存在的一种酚酸，具有较强的抗氧化活性和防腐作用。阿魏酸能与蛋白质中的赖氨酸、半胱氨酸、酪氨酸等反应而使蛋白质交联[3]。因而在成膜溶液中添加阿魏酸能改善膜的机械性能并降低膜的水蒸气、氧气和二氧化碳透性[4]。乳清蛋白-茁霉多糖-阿魏酸复合膜的制备目前国内外鲜见资料显示。本文主要研究影响成膜工艺的干燥温度、pH、阿魏酸添加量、茁霉多糖添加量对乳清蛋白-茁霉多糖-阿魏酸复合膜性能的影响，选出最佳成膜条件，为乳清蛋白膜的改性研究提供一定的研究参考。

1 材料与方法

1.1 仪器和试剂

1.1.1 仪器

JJ—1型电动搅拌器：金坛市正基仪器有限公司；202型电热恒温干燥箱：北京市光明医疗仪器厂；笔式酸度计：上海宇隆仪器有限公司；质构仪：美国INSTRON公司。

1.1.2 试剂

乳清浓缩蛋白（WPC80）：新西兰乳业公司；阿魏酸：江苏威霸香料有限公司；茁霉多糖：河南金润食品添加剂有限公司；无水氯化钙、甘油、柠檬酸钠、氢氧化钠、溴化钠均为分析纯：广州苏喏化工有限公司。

1.2 复合膜制备方法

配制一定浓度的乳清蛋白浓缩溶液，加入一定量的阿魏酸、茁霉多糖，搅拌15 min使其充分溶解，调节pH，放入一定温度的水浴锅中加热一段时间，冷却后加5%的甘油，搅匀抽真空脱气，吸取5 mL的成膜液倒入有机玻璃皿（直径8 cm）中，在60℃的干燥箱中干燥3 h成膜，之后在装有饱和溴化钠溶液的干燥器中（56%，20℃）平衡48 h，待测。

1.3 复合膜成膜工艺参数的确定

1.3.1 阿魏酸添加量对乳清蛋白可食性复合膜性能的影响

阿魏酸添加量分别取0、50、100、150、200、250mg/100mL。其他工艺条件为：WPC（浓缩乳清蛋白）浓度10%，变性时间15 min，变性温度80℃，pH8，甘油5%。研究阿魏酸添加量对乳清蛋白可食性膜性能的影响。

1.3.2 茁霉多糖添加量对乳清蛋白可食性复合膜性能的影响

茁霉多糖添加量分别取 0、50、100、150、200、250 mg/100 mL。其他工艺条件为：WPC（浓缩乳清蛋白）浓度10%，变性时间15 min，变性温度80℃，pH8，甘油5%。研究茁霉多糖添加量对乳清蛋白可食性膜性能的影响。

1.3.3 乳清蛋白-茁霉多糖-阿魏酸复合膜的制备

本研究选取L9（34）正交试验表，通过测定温度、pH、阿魏酸和茁霉多糖添加量对乳清蛋白-茁霉多糖-阿魏酸复合膜的拉伸强度、刺穿强度和水蒸气透过系数的影响，确定复合膜的最佳工艺参数。乳清蛋白复合膜成膜因素水平表，见表1。

表1 乳清蛋白复合膜成膜因素水平表Table 1 Factors and Levels for formation of whey protein composite film

1.4 可食性膜性能评定方法

1.4.1 膜厚度的测定方法

选择完好、均匀的膜，随机取5个点，用螺旋测微器测量其厚度，取平均值。

1.4.2 膜刺穿性能（PS）的测定[5]

采用质构仪进行测定。将完整均匀的待测膜样品放在两片自制的有机玻璃板之间，其中有机玻璃板中心有3.2cm的圆孔，四周由螺丝钉固定。选用直径2mm的探针，探针下移速度为1 mm/s。

式中：PS为刺穿强度，（N/mm）；FP为最大刺穿力，N；L为膜样品的厚度，mm。

1.4.3 膜拉伸性能（TS）的测定[6]

用锋利的刀片将待测膜裁成长条，并将两端分别贴上双面胶以防拉伸过程中从根部断裂，最终有效拉伸长度为40×6 mm。使用质构仪的拉伸装置，拉伸速度为1 mm/s。可从压力-应变曲线上计算获得。

式中：TS 为拉伸强度，MPa；Ft为最大拉力，N；L 为膜样品的厚度，mm；W为膜样品的宽度（即6 mm）。

1.4.4 膜水蒸气透过系数（WVP）的测定[7]

采用拟杯子法。将完整均匀的膜密封在含有5 g无水氯化钙（0%RH）的自制有机玻璃透湿杯表面，膜外露面积为19.6 cm2。将透湿杯装置放入恒温恒湿箱中（80%，25℃），每隔24小时测定透湿杯的增重量。

式中：WVP 为膜水蒸汽透过系数，g·mm/m2·d·kPa；W为透湿杯的增重，g；x为膜的厚度，mm；A为膜外露面积（即 19.6 cm2）；T 为测量间隔时间（即 24 h）；Δ 为膜两侧的水蒸气压差（ΔP=2.5347 kPa）。

1.4.5 蛋白膜水分含量（MC）的测定[8]

将蛋白膜剪切成大小合适，将其放在铝盒中称其重量；放在105℃烘箱中烘8 h，取出后称其重量，根据膜烘干前后重量变化计算蛋白膜平衡水分含量。

式中：MC为蛋白膜水分含量；Δm为膜烘干前后重量变化；m0为膜烘干前重量。1.4.6 蛋白膜溶解性（S）的测定[9]

称取质量为m1(≈0.1 g)的已干燥的膜放入盛有40 mL水的培养皿中，在25℃下溶解24 h之后将膜捞出，用滤纸吸干膜表面的水分，再在105℃的条件下干燥至恒重，称得质量为m2。

2 结果与分析

2.1 阿魏酸添加量对乳清蛋白膜性能的影响

阿魏酸添加量对乳清蛋白膜性能的影响如表2所示。

表2 阿魏酸添加量对乳清蛋白膜性能的影响Table 2 The influence of different quantity of feralic acid on the film performance

由表2可知，阿魏酸添加量对膜的厚度影响不显著（P>0.05）。随着阿魏酸添加量的增加，含水量和溶解性呈先降低随后升高的趋势，但总体差异不显著（P>0.05），可见阿魏酸对膜的含水量和溶解性影响不大。

膜拉伸强度和刺穿强度先升高之后略有降低。这可能是因为蛋白多肽链中只含有有限的疏基或二硫键的缘故[10]，当阿魏酸添加量达到150 mg/100 mL时，它可能已经饱和了它所能接触到并与其发生还原氧化反应的所有疏基或二硫键，这时再增加阿魏酸的添加量已不能提高膜体系中二硫键的含量。随阿魏酸添加量的增加，WVP先降低之后升高。当阿魏酸添加量为150 mg/100 mL时WVP最低。

2.2 茁霉多糖添加量对乳清蛋白膜性能的影响

茁霉多糖添加量对乳清蛋白膜性能的影响如表3所示。

表3 茁霉多糖添加量对乳清蛋白膜性能的影响Table 3 The influence of different quantity of pullulan on the film performance

由表3可知，茁霉多糖添加量对膜的厚度影响不显著（P>0.05）。茁霉多糖的添加对膜含水量和溶解性影响较小，不同添加量的茁霉多糖对膜含水量和溶解性影响差异不显著（P>0.05）。

膜的拉伸强度和刺穿强度随着茁霉多糖的加入而明显升高，但当加入量大于150 mg/100 mL时呈下降趋势，甚至在250 mg/100 mL时，无法成膜，这是因为茁霉多糖具有很强的胶黏性，加入量适当则可提高膜的机械性能[11]，当加入量过多时，就会出现过于黏稠，造成大量小气泡，甚至无法成膜。茁霉多糖添加量在50 mg/100 mL～150 mg/100 mL时，WVP呈降低趋势，而当添加量大于150 mg/100 mL时则上升，这是由于相对高浓度、高黏度的膜液中小气泡的增多使得膜的致密性降低。

2.3 正交试验结果及分析

正交试验结果及分析见表4，可知，对拉伸强度影响最显著的是阿魏酸添加量，其次是茁霉多糖添加量、pH、最后是干燥温度。分析其原因是阿魏酸是很好的一种交联剂，可加强聚合物分子结构，在不影响阻隔性的前提下，能大大提高拉伸强度。由此可见，阿魏酸对于膜材分子的缓冲作用和对膜刚性结构的软化作用是影响乳清浓缩蛋白复合膜拉伸强度的最直接因素，构成膜的基本骨架物质以及膜液中大分子结合的有序程度也是影响拉伸强度的关键因素。以拉伸强度高为优选原则，可得到各因素的最优水平分别为：A3、B3、C3、D3。

对刺穿强度影响最显著的是茁霉多糖添加量，其次是阿魏酸添加量、pH，最后是干燥温度。分析其原因为茁霉多糖具有极佳的成膜性、成纤维性、可塑性及黏结性，在乳清浓缩蛋白基础膜液中加入具有此功能的茁霉多糖，使得膜的性能大大改善，刺穿强度也明显提高。以刺穿强度高为优选原则，可得到各因素的最优水平分别为：A3、B3、C3、D3。

表4 正交试验结果及分析Table 4 Data and analysis of optimal experiment

对水蒸气透过系数影响最显著的是pH，其次是阿魏酸添加量、茁霉多糖添加量，最后是干燥温度。原因是在不断增强的碱的作用下，由于碱处理既能促使蛋白质变性，加强分子间相互作用，形成网络结构，另一方面又会使蛋白质分子带负电荷，产生静电排斥力，阻碍膜的形成，共同作用的结果是乳清蛋白膜的水蒸气透过性增大。以水蒸气透过系数小为优选原则，可得到各因素的最优水平，分别为：A3、B3、C3、D3。

2.4 验证试验

由正交试验极差分析可知，最优组合理论为A3B3C3D3，而正交试验结果显示试验号3（A1B3C3D3）的各项指标均较优。故需做验证试验，A3B3C3D3条件下测得乳清蛋白膜拉伸强度为3.86MPa，刺穿强度为26.78N/mm，水蒸气透过系数为 1.57 g·mm/m2·d·kPa；A1B3C3D3条件下测得乳清蛋白膜拉伸强度为3.46MPa，刺穿强度为24.54 N/mm，水蒸气透过系数为 1.71 g·mm/m2·d·kPa；由验证试验可知，仍是A3B3C3D3条件下各项指标最优。

3 结论

乳清浓缩蛋白中添加茁霉多糖和阿魏酸作为增强剂，可明显提高膜的性能。最优工艺条件为成膜温度80℃，pH9.0，阿魏酸添加量200 mg/100 mL，茁霉多糖添加量150 mg/100 mL。

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