成膜溶液蛋白质浓度对玉米醇溶蛋白膜储藏稳定性的影响

崔和平，崔会娟，郑 慧，郭丽敏，孙小红，朱建升，郭兴凤

（河南工业大学 粮油食品学院，河南 郑州 450001）

0 引言

环境污染已成为全社会普遍关注的问题，因此，绿色环保材料的研究和开发是科研工作者面临的一项亟待解决的任务.蛋白质分子是天然高分子化合物，可再生、无污染，而且具有可食性，以蛋白质制得的膜材料凭借其良好的生物降解性、营养特性以及阻隔性能备受人们关注.

玉米醇溶蛋白（zein）是玉米主要的储藏蛋白之一，占玉米蛋白总量的65%左右.醇溶蛋白疏水性高，具有很强的耐热性和耐脂性，肠溶性和抗氧化特点也比较显著[1].值得一提的是，玉米醇溶蛋白的成膜性非常好.玉米醇溶蛋白膜在喷雾干燥或者温湿度都较大的条件下能抑制油脂氧化，特殊的分子形状和分子结构决定了其透明、柔软的特点，并且具有较强的保水性和保油性，是比较理想的可食性包装材料[2].

在玉米醇溶蛋白膜的研究中，膜的稳定性是限制其应用的一个重要因素.因此不同储藏温度下蛋白膜的稳定性研究有比较重要的意义.蛋白膜的性能对其应用环境比较敏感，已有学者针对环境温度对亲水性植物蛋白膜性能的影响进行了一定的研究[3-4].玉米醇溶蛋白膜疏水性较强，关于环境温度对其影响的研究较少.笔者将玉米醇溶蛋白膜在不同环境温度下储藏24 d，以膜的抗拉强度和断裂延伸率为指标，考察其储藏稳定性.

1 材料与方法

1.1 试验材料

玉米醇溶蛋白粉（蛋白质含量 91.2%，N×6.25）：南京都莱生物技术有限公司；无水乙醇：天津市天力化学试剂有限公司；丙三醇：天津市瑞金特化学品有限公司；聚乙二醇-400、碳酸钾：天津市科密欧化学试剂有限公司.所有试剂均为分析纯.

1.2 仪器与设备

AY-120电子分析天平：日本岛津天平制作所；81-2型磁力搅拌器：上海市司乐仪器有限公司；HH-2型电热恒温水浴锅：金坛市华峰仪器有限公司；101型电热鼓风干燥箱：北京市永光明医疗仪器厂；HZQ-F160全温振荡培养箱：哈尔滨市东联电子技术开发有限公司；螺旋测微器（0.001 mm）：上海量具刃具厂；TA.XT2i质构测定仪：英国SMS有限公司.

1.3 试验方法

1.3.1 玉米醇溶蛋白膜的制备

称取一定量的玉米醇溶蛋白粉，置于75%的乙醇溶液中.用磁力搅拌器将蛋白液搅拌混合均匀，分别加入0.2和0.4 g/g的增塑剂甘油和聚乙二醇-400，继续搅拌20 min，80℃恒温水浴15 min，接着搅拌15 min.最后量取一定量的蛋白液（蛋白质含量为1.56 g）涂于成膜托盘（密胺材质，130 mm×130 mm）上水浴加热成膜，2 h后揭膜.

1.3.2 蛋白膜的储藏

由于在相对湿度为43%的环境中蛋白膜的机械性能比较理想，因此制备的玉米醇溶蛋白膜放在相对湿度为43%的干燥器中（干燥器内置K2CO3饱和溶液），在储藏条件下平衡72 h后第一次测定膜的机械性能，温度通过冰箱和恒温生化培养箱调节，储藏湿度为43%.玉米醇溶蛋白膜储藏24 d，每6 d测定一次机械性能.

1.3.3 蛋白膜取样及厚度测定

选取玉米醇溶蛋白膜光滑、均匀的部分，裁成10 mm×50 mm的小块，对称选取8个点测量厚度，取其平均值.

1.3.4 蛋白膜机械性能测定

用质构测定仪测定膜样的机械性能.采用A/TG探头，设置有效拉伸长度为30 mm，测试速率为1.0 mm/s，每个样品平行测定3次，试验数据表示为：平均值±标准偏差，抗拉强度（TS）和断裂延伸率（EB）的计算公式如下：

式中：TS为抗拉强度（MPa）；F 为最大拉力（N）；δ为膜样品的厚度（mm）；W为膜样品的宽度（mm）；EB为断裂延伸率（%）；L0为膜拉伸前的有效长度（mm），膜样有效长度为30 mm；L′为膜断裂时拉伸的长度（mm）.

2 结果与分析

2.1 5℃下储藏的玉米醇溶蛋白膜的机械性能变化规律

选用75%的乙醇溶液为溶剂，甘油和聚乙二醇-400的添加量均为0.3 g/g zein，水浴成膜温度为70℃，蛋白质浓度分别为8%、10%、12%.制备的膜在5℃、相对湿度43%的环境中平衡72 h，然后在相同环境下储藏24 d.5℃储藏的蛋白膜稳定性见图1和图2.

图1 5℃储藏时不同蛋白浓度的膜的抗拉强度

图2 5℃储藏时不同蛋白浓度的膜的断裂延伸率

由图1和图2可见，从总体上看，随着储藏时间的延长，玉米醇溶蛋白膜的抗拉强度呈先上升后下降的趋势，3个蛋白质浓度水平分别在6、12和6 d达到最大值.而断裂延伸率呈先下降后上升的趋势，3个蛋白质浓度水平分别在6、12和12 d达到最小值.在储藏过程中，膜内部的蛋白质网络发生重组，在大分子链间形成了更多的新的键合作用[5-6]，有些未反应的巯基在储藏过程中发生氧化，产生二硫交联[7]，使得蛋白膜的强度增大.另外，膜中的甘油在储藏期间会发生分子迁移，由填充于蛋白质大分子之间的状态转为游离析出于蛋白膜的表面，这既使蛋白膜失去增塑的效果，也会使蛋白膜的断裂延伸率降低[8].

Caner等[9]在对壳聚糖可食性膜的性能研究时发现随着储藏时间的延长，膜的抗拉强度呈单调递增的趋势，Artharn等[10]的研究与其相似.这可能是由于制备可食性膜的材料不同，储藏稳定性也有很大不同.玉米醇溶蛋白膜在储藏一段时间后抗拉强度减小、断裂延伸率增加，这可能与膜材料老化有关，使膜强度下降.张喆[11]利用红外光谱对植物蛋白膜性能进行研究，发现长期储藏后的大豆分离蛋白膜α螺旋结构的比例有大幅减小的趋势，而β折叠结构略有增多，蛋白膜从抗拉性向延展性转变；小麦面筋蛋白膜的无规卷曲和β转角含量升高，蛋白结构的无序性增强.这种变化很有可能也会导致长时间储藏的蛋白膜断裂延伸率上升.制备条件不同，蛋白膜结构重组、强度提高阶段与膜材料老化阶段的转折点也不同.综合膜的抗拉强度和断裂延伸率来看，成膜溶液的蛋白浓度越高，机械性能变化转折点越迟，这种现象在常温储藏和35℃储藏的膜的变化表现更明显.这可能是由于成膜液蛋白浓度越大，储藏期间蛋白分子重排和交联的条件就越充分，这一结构重新整合的过程就越持久.

由图1—图2可知，3个蛋白质浓度水平的膜抗拉强度最大值和最小值之间的变化幅度分别是1.82 MPa（8%）、1.58 MPa（10%） 和 1.03 MPa（12%），断裂延伸率最大值和最小值之间的变化幅度 分 别 为 169.40%（8%）、124.34%（10%）和133.93%（12%）.在5℃储藏条件下，成膜溶液中蛋白质浓度10%的玉米醇溶蛋白膜具有较好的稳定性.这可能是由于低蛋白浓度的膜内部大分子交联程度不够致密，稳定性不高；而蛋白浓度过高时加入的聚乙二醇含量也高，储藏过程中聚乙二醇本身会老化降解[12]，从而影响蛋白膜的稳定性.

2.2 常温储藏的玉米醇溶蛋白膜的机械性能变化规律

以75%的乙醇溶液为溶剂制成膜液，其中蛋白质浓度分别为8%、10%和12%，甘油和聚乙二醇-400的添加量均为0.3 g/g，在70℃下水浴成膜.制备的膜在常温、相对湿度43%的环境中平衡72 h，然后在相同环境下储藏24 d.常温储藏的蛋白膜稳定性见图3和图4.

图3 常温储藏时不同蛋白浓度的膜的抗拉强度

图4 常温储藏时不同蛋白浓度的膜的断裂延伸率

图5 35℃储藏时不同蛋白浓度的膜的抗拉强度

从图3和图4可见，在常温储藏过程中，3个蛋白质浓度水平蛋白膜的抗拉强度先增大后减小，分别在12、6和6 d达到最大值.断裂延伸率先减小后增加，分别在6、6和12 d达到最小值.膜抗拉强度最大值和最小值之间的变化幅度分别是 1.69 MPa（8%）、2.91 MPa（10%）和 3.27 MPa（12%），断裂延伸率最大值和最小值之间的变化幅度分别为102.76%（8%）、100.47%（10%）和158.02%（12%）.成膜溶液蛋白质浓度为10%的蛋白膜机械性能的稳定性最强.储藏过程中，蛋白质的构象会发生比较大的变化，分子重排，新的键合作用形成，蛋白膜的内部网络得到优化和改善，进而使膜的抗拉强度上升，断裂延伸率下降.环境温度越高，越有利于膜中蛋白质之间产生新的交联，合适的储藏温度和储藏时间提高了膜材料的强度[13].蛋白质浓度为12%的膜抗拉强度在储存期间的最大值高于其他两个蛋白浓度水平，这也在某种程度上佐证了上述观点.与5℃相比，常温储藏的蛋白膜从平衡72 h后的第6天开始机械性能变得更稳定，这大概由于合适的温度促使储藏过程中的蛋白膜充分交联的缘故.

成膜溶液中蛋白浓度8%的膜抗拉强度高于10%和12%的膜，可能是因为成膜溶液中过高的蛋白浓度导致蛋白质不能充分溶解，蛋白膜的均匀性降低，影响了蛋白质致密的网络结构的形成[14].

2.3 35℃储藏的玉米醇溶蛋白膜的机械性能变化规律

乙醇溶液浓度为75%的成膜液中，蛋白质浓度分别为8%、10%和12%，分别添加0.3 g/g的甘油和聚乙二醇-400作为增塑剂，在70℃下水浴成膜.制备的膜在35℃、相对湿度43%的环境中平衡72 h，然后在相同环境下储藏24 d.35℃储藏的玉米醇溶蛋白膜稳定性见图5和图6.

由图5—图6可知，随着储藏时间的延长，3个蛋白质浓度水平蛋白膜的抗拉强度和断裂延伸率总体上分别呈先增后减和先减后增的趋势，抗拉强度分别在12、6和12 d达到最大值，断裂延伸率分别在12、6和6 d达到最小值；3个蛋白质浓度水平的膜抗拉强度最大值和最小值之间的变化幅度分别是 3.07 MPa（8%）、4.21 MPa（10%）和 5.42 MPa（12%），断裂延伸率最大值和最小值之间的变化幅度分别为 111.03%（8%）、67.01%（10%）和121.30%（12%），成膜液中的蛋白浓度为10%的蛋白膜性能比较稳定.35℃储藏时，成膜溶液蛋白质浓度12%的蛋白膜在储藏初期抗拉强度大幅提高，抗拉强度最大值随着蛋白浓度的升高而递增，这可能是因为较高的储藏温度和较大的蛋白质总量提高了蛋白质大分子发生交联的概率，膜的强度得到加强.而储藏后期成膜液蛋白浓度越大的蛋白膜越不稳定，可能与蛋白膜中聚乙二醇自身的老化降解有关.

对于相同制备工艺得到的蛋白膜，储藏温度升高时，膜的抗拉强度总体呈增大趋势，而断裂延伸率减小.这与Stuchell等[15]对大豆分离蛋白膜的研究结果相同.储藏温度较高时，分子的无规则运动加剧，玉米醇溶蛋白膜中蛋白大分子在合适的温度下发生结构重组，新的二硫键形成，加深了蛋白网络的交联程度，从而获得更高的抗拉强度.总体上看，与5℃储藏相比，35℃储藏使不同蛋白浓度的膜的机械性能差异更明显，这很可能是不同蛋白浓度的膜对温度的敏感程度不一样，对于温度的储藏稳定性也不同.5℃储藏时，蛋白膜的抗拉强度和断裂延伸率在增至最大值或者降为最小值之后减小或者增大的幅度较大，而常温储藏和35℃储藏的蛋白膜，这一阶段的变化趋势较平缓，说明常温或高温环境能够使储藏期的蛋白膜内部结构充分发生重组，产生更稳定的构象，提高了储藏稳定性.

图6 35℃储藏时不同蛋白浓度的膜的断裂延伸率

3 结论

环境温度和储藏时间都影响着玉米醇溶蛋白膜的机械性能，不同蛋白质浓度的膜在不同环境温度下性能稳定性不尽相同.一般情况下，随着储藏时间的延长，蛋白膜的抗拉强度和断裂延伸率分别呈先增后减和先减后增的趋势，在储藏6 d或12 d后抗拉强度和断裂延伸率达到最值.综合考虑，成膜溶液中蛋白质浓度10%的蛋白膜机械性能的稳定性较好.随着储藏温度的上升，玉米醇溶蛋白膜的抗拉强度呈上升趋势，断裂延伸率呈下降趋势.

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