超声改性对可食性壳聚糖-大豆分离蛋白复合膜的影响

梁 栋，张华江，王 旭，王胜男，李 亮，魏春丽，孟灵楠

（东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨 150030）

可食性膜是以天然可食性物质（蛋白质、多糖、纤维素及衍生物等）为原料，通过不同分子间相互作用形成的具有多孔网络结构的薄膜。可食性膜的实用性能与合成塑料包装膜基本一样，更有合成塑料无法比拟的优越性，它的阻水性、透气性和可降解性等性能受到了越来越多人的青睐［1］。大豆分离蛋白作为一种优良的可再生资源而被广泛用做制取可食性膜的材料，壳聚糖是虾、蟹、昆虫等甲壳的提取物，也被用来制取果蔬类保鲜膜的原料［2］，用大豆分离蛋白和壳聚糖为原料制成的膜利用了各组分的长处［3］，使膜的综合性能得到了很大的改善。目前对可食性膜的研究主要集中在以下几个方面:膜成分的研究;复合膜的研究;膜增塑的研究;物理、化学改性的研究等［4－5］。超声波能对介质产生空穴作用、机械作用和超混合效应等，能促使介质化学键的断裂、形成和暴露更多的反应中心，从而加速反应进行。经过超声处理后，制成的膜内部形成的网状结构更为紧致，增加膜的机械强度，改善其阻隔性能等［6－7］。

本实验着重对壳聚糖－大豆分离蛋白复合膜的超声改性进行研究，得到了在膜的综合性能最佳的情况下超声处理的最佳工艺参数。为今后的研究提供了可行性研究及参考，对大豆蛋白膜的综合利用以及新产品的开发提供了基础研究资料。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

壳聚糖;大豆分离蛋白 哈尔滨高新技术;甘油、95%乙醇 均为国产分析纯。

DHG－9240A鼓风干燥箱 上海一恒;TA－XT质构仪 天津市普博科技;JJ－1电子精密增力搅拌器金坛市佳美仪器有限公司;HH－2型数显恒温水浴锅天津泰斯特有限公司;电子天平 上海医用激光仪器厂;JY92－Ⅱ超声波细胞粉碎机 宁波新芝生物科技股份有限公司;PARAM CHY－C2测厚仪 济南兰光机电技术有限公司;酸度计 上海蓝化科技有限公司;自制亚克力成膜板槽;循环水真空泵SHZ－DIII 巩义市予华仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 工艺流程 加入3g大豆分离蛋白→加入100mL水搅拌溶解→加入1.5g壳聚糖→加入5mL乙醇→调节pH至8→90℃水浴加热10min→加入2g甘油→水浴搅拌30min→超声处理→静置到室温→真空抽滤→倒板→60℃鼓风干燥箱干燥8h→放置24h→回软揭膜→性能测试

1.2.2 厚度测定 参照GB－T 6672－2001用厚度测厚仪测定膜的厚度。

1.2.3 拉伸强度（TS）和断裂伸长率（E）的测定 将膜剪切成长20cm，宽2cm的膜做样品，然后放在质构仪上测定其力学性能（拉伸强度和断裂伸长率）。拉伸速度为50mm/min，每个材料样品做三个平行实验。分别按下面公式计算拉伸强度和断裂伸长率，求其平均值。

式中:L1－试样断裂时膜长;L0－膜原长（mm）;F－试样断裂时承受的最大拉力（N）;S－式样的截面积（m2）。

1.2.4 吸水性测定 参照GB－1034－70进行测试。

1.2.5 物理性能模糊综合评价方法 在本实验中需要综合考虑多个物理性能指标来对大豆分离蛋白和壳聚糖复合膜的质量进行评价，所以在此采用了模糊综合评价法，即通过引入隶属度函数［8］

式中X（u）－待分析点的隶属度函数值;Xi－待分析点的数据值;Xmax－待分析点所在数据列的最大值;Xmin－待分析点所在数据列的最小值;

将膜的多个性能指标经过模糊变换成综合评价的累加加权得到的隶属度值∑X（u）·Y做为膜的综合评分k值，即k=∑X（u）·Y，它能表示含有多个物理指标的膜的整体、综合性能。本实验中需要考虑膜的机械性能有抗拉伸强度、断裂伸长率和吸水性。考虑抗拉伸强度（TS）、断裂伸长率（E）和吸水性的重要程度，确定综合评价的权重子集Y分别为{0.6，0.3，0.1}。即待分析点的综合评价累加加权隶属度值∑X（u）×Y=K=X（u）（拉伸强度）×0.6+X（u）（断裂伸长率）×0.3+X（u）（吸水率）×0.1。

1.2.6 超声处理条件研究 针对影响超声改性的超声时间、超声功率、超声温度三个因素，保持两个因素不变，改变另一个因素水平进行单因素实验。单因素实验的因素水平如下:超声时间分别采用:10、15、20、25、30min;超声功率分别采用:10、20、30、40、50W;超声温度分别采用:30、40、50、60、70℃。即当超声时间为20min、超声功率为30W时，超声温度取值为30、40、50、60、70℃;当超声功率为 30W、超声温度为50℃时，超声时间取值为 10、15、20、25、30min;当超声时间为20min、超声温度为50℃时，超声功率的取值为10、20、30、40、50W。以未超声改性处理的膜做空白对照组。

在单因素的基础上，采用3因素3水平进行响应面设计。以超声时间（X1）、超声功率（X2）、超声温度（X3）为自变量，膜的综合性能评分K值为响应值进行实验。因素水平编码如表1。

表1 因素水平编码表Table 1 Factor level encoding table

1.3 数据处理

实验数据采用Origin8.5以及Design－expert7.05软件进行处理

2 结果与分析

2.1 超声处理单因素实验

图1所示，经过超声波处理后的膜，抗拉强度有很大的提高，呈现先增大后减小的趋势。超声处理能够增强膜的网络结构，从而提高了抗拉强度。其原因可能是超声波处理的空化作用和超混合效应使分子中的一些化学键断裂，粒子大小降低，使很多反应基团暴露出来，利于分子间的相互作用，同时空穴效应产生巨大的爆发力和冲击力，对分子产生高温高压作用，使分子间的相互作用更加迅速有序，这必然使膜更加坚韧，使膜的抗拉强度增大。随着功率增大到一定值时，抗拉强度反而下降，可能是随着大量的化学键的断裂，很难再形成致密的网络结构，同时空穴效应的高温高压作用，生成高度反应性自由基，引发一系列的其他化学反应，杂乱的相互作用使淀粉分子之间难以形成有序的结构，从而使拉伸强度降低［9］。

图1 超声功率对膜的机械性能的影响Fig.1 Ultrasonic power on the mechanical properties of the membrane

另外，经过超声处理，膜的断裂伸长率有所降低，随着功率的逐渐增加，断裂伸长率先减小后增大。随着时间的延长，伸长率呈下降趋势，这是由于超声波加速了水分子、蛋白质分子、壳聚糖分子之间的摩擦，引起一些化学键的裂解。另一方面，空化效应产生的高温高压使分子链断裂，最终引起大分子链降解。超声处理增加了分子间有序相互作用，形成致密的膜基质，所以柔韧性下降，伸长率减小［10］。

如图2所示，随着超声处理时间的延长，膜的拉伸强度呈增加的趋势，但是延长到25min后，增加程度不太明显。断裂伸长率随着时间的延长呈现逐渐下降的趋势［11］。

图2 超声时间对膜的机械性能的影响Fig.2 Ultrasonic time on the mechanical properties of the film

图3所示，温度对膜的影响与功率相似，随着温度的升高，各种分子之间的相互碰撞、摩擦几率增加，促进分子间的相互作用，使分子之间的反应更加迅速和彻底。分子之间的相互作用增强使抗拉伸强度增强［12］。但是，当温度逐渐升高时，蛋白质容易变性。

图3 超声温度对膜的机械性能的影响Fig.3 Ultrasonic temperature on the mechanical properties of the film

超声处理对膜的吸水性的影响趋势大致和对伸长率的影响一样。大豆分离蛋白的亲水性主要依赖位于球蛋白结构表面的－NH2和COO－，随着超声功率的增大，隐藏在分子内部的疏水基团－CH3、CH5、－H等逐渐暴露，吸水性有所下降［13］。

2.2 超声处理工艺优化实验

采用响应面分析法［14］进行工艺优化，实验设计与数据处理采用软件Design－Expert来完成。以膜的综合评分K值为响应值，选择A时间（min）、B功率（W）和C温度（℃）为影响因素，响应面实验方案及结果见表2。

表2 实验设计及结果Table 2 Experimental design and results

利用Design－Expert软件对表2实验数据进行多元回归拟合，获得膜的综合评分 K值对时间A（min）、功率B（W）和温度C（℃）的二次多项回归模型方程为:

R=0.90－0.00875A－0.015B－0.00625C－0.005AB+0.018AC+0.00001BC－0.018A2－0.046B2－0.038C2

采用Design－Expert软件对膜的综合评分K模型方程进行方差分析，结果见表3。

由表3可知，方程因变量与自变量之间的线性关系明显。通过显著性分析可以得到，该模型回归显著（p=0.0005），失拟项不显著（p=0.1889＞0.05），并且该模型中R2=95.89%=90.61%，说明方程因变量与自变量之间的线性关系明显，该模型与实验拟合良好，自变量与响应值之间线性关系显著，可以用于该反应的理论推测。由F检验可以得到因子贡献率为:B＞A＞C，即超声功率＞超声时间＞超声温度。各因素交互作用对膜的综合评分K值影响的响应面图见图4。

应用响应面分析优化方法对回归模型进行分析，得到了影响超声处理优化工艺的最佳工艺条件为超声温度58.82℃，超声功率28.52W，超声时间23.54min，在此条件下，复合膜的综合评分K的最大值为0.91。

为了验证模型预测的准确性，在超声温度59℃，超声功率为29W，超声时间24min条件下，进行3次验证实验，取平均值得到复合膜的综合评分为0.90，与模型预测值0.91较接近，说明响应值的实验值与回归方程预测值吻合良好，此时，对应的复合膜的抗拉伸强度（TS）为3652N/m2，断裂伸长率为28.7%。未经超声改性的膜的抗拉伸强度为2856N/m2，断裂伸长率为20.3%。经超声处理后，抗拉伸强度和断裂伸长率都得到了很大的提高。最终确定超声改性的最佳优化条件为:超声温度59℃，功率29W，时间24min。

表3 回归方程的方差分析结果Table 3 ANOVA results of regression equation

图4 各因素交互作用对膜综合评分K值影响的响应面图Fig.4 Influence of various interactions on the membrane composite score k values

3 结论

本研究通过研究超声改性的方法对大豆分离蛋白－壳聚糖复合膜的影响，利用响应面分析的方法得到了超声处理的最佳工艺参数:超声温度59℃，功率29W，时间24min，此时，膜的综合评分的最大值为0.90。对应的复合膜的抗拉伸强度（TS）为3652N/m2，断裂伸长率为28.7%。改性后，可食性壳聚糖－大豆分离蛋白复合膜的综合性能得到了极大的改善，为以后的研究奠定了一定的基础。

［1］张华江，迟玉杰，穆莹.可降解大豆分离蛋白复合薄膜制备技术的研究［J］.中国粮油学报，2009，24（8）:32－36.

［2］吉伟之，张峻，熊何建，等.壳聚糖成膜特性的研究［J］.食品科学，2001（9）:33－35.

［3］孙秀秀，马中苏.大豆分离蛋白/壳聚糖可食膜的制备及其性能的研究［J］.中国农业科技导报，2009，11（6）:80－85.

［4］张涛，魏安池，刘若瑜.大豆蛋白改性技术研究进展［J］.粮油食品科技，2011（5）:7－10.

［5］陈复生，侯红江，程小丽，等.复合增塑剂对大豆分离蛋白可生物降解材料性能影响的研究［J］.食品工程，2010（3）:94－98.

［6］杨会丽，马海乐.超声波对大豆分离蛋白物理改性的研究［J］.中国酿造，2009，5:24－27.

［7］宋臻善，熊犍.超声辐射对大豆分离蛋白膜性能的影响［J］.食品工业科技，2007（5）:94－97.

［8］贾云芝，陈志周.还原剂对大豆蛋白/聚乙烯醇复合薄膜性能的影响［J］.农业工程学报，2012，28（5）:312－316.

［9］孙，孙春玉，陈光，等.不同功率超声波处理对大豆分离蛋白膜性能和结构的影响［J］.吉林农业大报，2010，32（6）:693－696.

［10］Wang zhe，Sun xiuxiu，Lian zixuan.The effects of ultrasonic/microwave assisted treatment on the properties of soy protein isolate/microcrystalline wheat－ bran cellulose film［J］.Journal of Food Engineering，2013，64:183－191.

［11］任红，杨洋，韦小英.超声波强化大豆分离蛋白膜性能的研究［J］.现代食品科，2006，11（2）:101－103.

［12］Ren hong，Yang yang，Wei xiaoiying.Study on the properties of soy protein isolate films with ultrasonically enhanced［J］.Modern Food Science and Technology，2006，22（2）:101－103.

［13］Sun chunyu，Chen guang.The impact of properties and structures with different power ultrasonic treatment on soy protein isolate film［J］.Jilin Agricultural University of science，2010，32（6）:693－696.

［14］吴琼，陈丽娜，代永刚.响应面优化转谷氨酰胺酶改性大豆分离蛋白工艺［J］.食品科学，2011，32（4）:7－10.