pH和双醛淀粉对罗非鱼鱼皮明胶膜性质的影响

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(集美大学生物工程学院,福建厦门 361021)

pH和双醛淀粉对罗非鱼鱼皮明胶膜性质的影响

唐兰兰,赵阳芳,翁武银*,陶忠,郑惠彬

(集美大学生物工程学院,福建厦门 361021)

考察了pH和双醛淀粉(DAS)对鱼皮明胶膜的机械性能和耐水性能的影响。结果表明,随着pH的升高,明胶膜的抗拉伸强度(TS)呈现先增加后降低的趋势,pH7时达到最大值(23.78MPa),而膜的固形物溶解率(MS)和蛋白溶解率(PS)逐渐下降。当明胶膜添加了DAS后,膜的TS显著增大(p<0.05),而MS和PS都显著下降(p<0.05)。另一方面,在pH7下,添加1.5%的DAS可有效提高膜的机械性能和耐水性能。SDS-PAGE分析结果表明,在成膜过程中pH对明胶蛋白组分没有产生明显的影响,DAS与明胶蛋白之间发生了交联反应。

鱼皮明胶膜,双醛淀粉,机械性能,耐水性能

随着人们对生态环境保护意识的日益加强,利用蛋白质、多糖、脂质等天然高分子材料制备可食膜替代传统的塑料膜已成为近年来的研究热点之一[1]。其中,蛋白可食膜不仅具有一定的营养价值,还具备良好的阻气性能和机械性能[2],淡水鱼类明胶蛋白膜机械性能已经接近OPP塑料包装膜[3-4]。然而,由于明胶蛋白中亲水性氨基酸含量较高,导致明胶蛋白膜耐水性能差,机械性能易受环境湿度影响[1,4-5],限制了蛋白膜的应用范围。一般,利用物理交联、化学交联及酶交联等方法促进蛋白分子交联,可以提高蛋白膜的机械性能和耐水性能。然而,物理交联的交联强度不够[6],酶法交联采用的酶制剂成本太高[7],而以戊二醛、甲醛、乙二醛为主的化学交联剂具有毒性,在可食膜中的应用受到限制[8-10]。另一方面,利用氧化剂将淀粉中葡萄糖单元的羟基氧化成醛基得到的双醛淀粉(DAS)具有低毒性、生物可降解性、可再生性等特征[11-12],其醛基与明胶分子中的赖氨酸和羟赖氨酸残基上的ε-氨基容易发生交联反应[13]。据报道,适量的DAS可以显著提高动物明胶膜的耐水性能[14],而且可以提高明胶膜的抗拉伸强度、平衡溶胀率及耐热降解稳定性[15]。然而,关于在不同pH鱼皮明胶成膜液中添加DAS对膜性质的影响目前却鲜有报道。本文利用罗非鱼鱼皮明胶制备可食性蛋白膜,考察了pH和DAS的添加对明胶蛋白膜性质的影响,为利用DAS改良明胶膜的性质提供依据。

1 材料与方法

1.1材料与仪器

新鲜的尼罗罗非鱼鱼皮 由厦门同安源水水产食品有限公司提供；双醛淀粉,AR 泰安市金山变性淀粉有限公司；甘油,AR 国药集团化学试剂有限公司；氢氧化钠,AR 广东光华化学厂有限公司；盐酸,AR 西陇化工股份有限公司；DC蛋白测定试剂盒 美国Bio-Rad公司。

UV-8000A型紫外可见分光光度计 上海元析仪器有限公司；UM-113型搅拌脱泡机 日本Unix有限公司；PSX智能型恒温恒湿箱 宁波莱福科技有限公司；厚度仪 日本Ozaki MFG公司；TMS-PRO质构仪 美国Food Technology公司；WSC-S测色色差计 上海精密科学仪器有限公司；G:Box凝胶成像仪 英国Syngene公司。

1.2实验方法

1.2.1 鱼皮明胶的提取 鱼皮明胶提取参照陈书霖等[16]报道的方法。将罗非鱼鱼皮用相当于其质量三倍的0.05mol/L NaOH溶液在4℃下浸泡16h后,用冰水漂洗至中性,再于室温下用三倍体积的0.05mol/L HCl浸泡2h,用冰水漂洗至中性后,利用80℃水浴浸提1h,迅速冷却至室温后离心(15000×g,25℃,20min),取上清液进行冷冻干燥制备成明胶粉末样品,保存在-18℃下,供以下实验使用。

1.2.2 鱼皮明胶蛋白膜的制备 在明胶粉末中加入适量蒸馏水溶胀30min后,利用60℃水浴30min使明胶完全溶解,根据Lowry法[17]利用试剂盒测定溶液中的蛋白含量,将明胶蛋白浓度调配至2%(w/v),添加蛋白质量20%的甘油,利用1mol/L NaOH将溶液pH调整至目标值后,混合均匀得到成膜液,利用搅拌脱泡机对其脱泡后倒在5cm×5cm的有机硅树脂框内,置于恒温恒湿箱中,在温度(25±1)℃、相对湿度(RH)50%±5%下干燥24h后制备成明胶蛋白膜。将膜从有机硅树脂上小心剥离,在温度(25±1)℃、RH 50%±5%的恒温恒湿箱中平衡24h后,作为实验的测试样品。

为了考察DAS对明胶膜性质的影响,将经80℃水浴完全溶解的DAS添加到上述成膜液中。其中,考察不同pH下DAS对明胶膜性质的影响时,DAS的添加量为明胶蛋白质量分数的1%；考察DAS添加量对明胶膜性质的影响时,成膜液的pH为7。

1.2.3 蛋白膜机械性能的测定 明胶蛋白膜机械性能参考翁武银等[1]报道的方法进行测定。膜的抗拉伸强度(tensile strength,TS)和断裂延伸率(elongation at break,EAB)按照以下公式进计算：

TS(MPa)=F/S

EAB(%)=(E/30)×100

式中,F为膜断裂时承受的最大张力(N),S为膜的横断面积(m2)；E为膜断裂时被拉伸的长度(mm),30为拉伸测试时初始间隔的距离(mm)。

1.2.4 蛋白膜颜色的测定 蛋白膜的颜色利用WSC-S测色色差计进行测定。膜的颜色参数为：L*(明度),a*(红绿值),b*(黄蓝值),其中白板的参数值为：L*=91.86,a*=-0.88,b*=1.42。

1.2.5 蛋白膜的蛋白溶解率和固形物溶解率的测定 将蛋白膜称重后放入含有0.1%叠氮钠水溶液的锥形瓶中,在30℃下振荡24h后,未溶解的蛋白膜在105℃常压下干燥测定其重量,溶解在水中的蛋白质量根据Lowry法[17]进行测定,膜中总蛋白质量利用凯氏定氮法进行测定。蛋白溶解率为溶解的蛋白质量占膜中总蛋白质量的百分比,固形物溶解率为溶解的蛋白膜干重占原始膜干重的百分比。

1.2.6 SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE) 蛋白膜利用蛋白变性剂(2% SDS、8mol/L尿素、20mmol/L Tris-HCl,pH8.8的溶液)进行溶解后,溶解的蛋白利用6%的分离胶在10mA恒流下进行电泳,电泳结束后用考马斯亮蓝R-250染色液染色,然后用脱色液(V甲醇∶V乙酸∶V水=30∶10∶60)脱色到背景完全透明为止,利用凝胶成像仪进行拍照保存。

1.2.7 数据统计与分析 所有数据采用SPSS 17.0软件进行ANOVA方差分析,显著性检验方法为Duncan多重检验,检测限为0.05[18]。

2 结果与分析

2.1 pH对添加DAS罗非鱼鱼皮明胶膜性质的影响

2.1.1 明胶膜的机械性能 pH和DAS对罗非鱼鱼皮明胶膜的抗拉伸强度(TS)及断裂延伸率(EAB)的影响如图1所示。在未添加DAS的条件下,随着成膜溶液pH的升高,膜的TS出现先增大后减小的趋势,在pH7时达到最大值。当明胶成膜溶液中添加蛋白质量1%的DAS后,任一pH下膜的TS都得到了显著提高(p<0.05),而且在碱性条件下制备的膜其TS明显高于酸性条件。DAS中的醛基与明胶分子中赖氨酸(Lys)和羟赖氨酸(Hyl)残基上的ε-氨基容易发生交联反应[13],结果导致明胶膜的强度得到提高(图1),可能在碱性条件下,明胶溶液中产生较多的游离Lys和Hyl[19],促进DAS与其交联,因此TS的增加幅度更大。

图1 pH和双醛淀粉(DAS)对罗非鱼鱼皮明胶膜 抗拉伸强度和断裂延伸率的影响

明胶膜的EAB在pH6时最低,添加了DAS后,在pH6和pH7下制备的明胶膜其EAB都得到显著增加。这可能是DAS中含有较多的羟基,具有明显的增塑作用,使明胶膜的延展性得到增强[14]。然而,在pH5、8下DAS的添加没有使明胶膜的EAB产生明显的变化(p<0.05),而且也没有观察到pH对DAS-明胶膜的EAB产生明显的影响,表明DAS的增塑作用具有一定的饱和性。

2.1.2 明胶膜的色泽 色泽是表征蛋白膜性能的一项重要指标,pH和DAS对罗非鱼鱼皮明胶蛋白膜色泽影响结果如表1所示。由表1可知,未添加DAS时,pH对明胶膜的L*值、a*值和b*值均无显著影响(p>0.05)。当明胶膜添加了蛋白质量1%的DAS后,在pH7和pH8下制备的膜的L*值得到显著提高(p<0.05),表明膜的透明性得到增强。而膜的a*值和b*值则随着DAS的添加分别出现降低和升高,且随着pH的上升,两者的变化趋势增强。通常,DAS与明胶蛋白之间的美拉德反应在中性或碱性条件下相对酸性条件时更易发生[20],结果使膜的颜色变黄。

2.1.3 明胶膜的SDS-PAGE分析 明胶膜中蛋白组分的SDS-PAGE分析结果如图2所示。由图2可以看出,未添加DAS时,不同pH成膜溶液制备的明胶膜中主要蛋白组分没有明显差异,都是由β肽链、α1肽链和α2肽链组成。而当明胶膜添加了DAS后,在SDS-PAGE中观察到浓缩胶顶部存在明显的高分子组分(HMWF),表明DAS与明胶蛋白之间在干燥成膜过程中发生了交联反应,使膜的强度增强(图1)。

表1 pH和DAS对罗非鱼鱼皮明胶膜颜色的影响

注：同一列不同小写字母表示显著性差异(p<0.05),表2～表4同。

图2 罗非鱼鱼皮明胶膜的SDS-PAGE图谱

2.1.4 明胶膜的耐水性能 膜的固形物溶解率(MS)可作为评价蛋白膜耐水性能的指标[14],而膜的蛋白溶解率(PS)也用于判断膜中蛋白的交联效果[21]。pH和DAS对罗非鱼鱼皮明胶膜MS和PS的影响结果如表2所示。由表2可以看出,未添加DAS时,明胶膜的MS和PS都随着成膜液pH的上升呈现降低的趋势,与文献[19]的报道相一致。当添加DAS后,膜的MS和PS也出现降低的趋势。通常,明胶蛋白中的氨基可与水结合形成氢键,而DAS容易与Lys和Hyl的ε-氨基发生交联,且在碱性条件下交联反应更易发生,因此降低了膜的吸水能力,使明胶膜的耐水性能得到提高。

表2 pH和DAS对罗非鱼鱼皮明胶膜固形物溶解率(MS) 和蛋白溶解率(PS)的影响

以上结果表明,中性及碱性条件下的成膜液制备的明胶膜其机械性能(图1)和耐水性能(表1)都优于酸性条件下的样品。另一方面,明胶膜中添加DAS后,在中性及偏碱性条件下,明胶膜的强度得到明显提高(p<0.05),且其耐水性能也得到有效改善(表2)。然而,在实际应用中,中性条件的蛋白膜更适合用于包装食品,因此在pH7条件下进一步考察DAS添加量对明胶膜性质的影响。

2.2 DAS添加量对罗非鱼鱼皮明胶膜性质的影响

2.2.1 明胶膜的机械性能 在pH7条件下,随DAS添加量的增加,明胶膜的TS出现先增加后降低的趋势(图3)。这可能是由于DAS与明胶蛋白形成了过多局部交联点使膜的应力集中导致其强度降低[15]。另一方面,少量的DAS会使明胶膜的EAB出现上升的趋势,当DAS的添加量超过蛋白质量的1.0%时,膜的EAB不再发生明显的变化。这个现象再次表明DAS对鱼皮明胶膜的增塑作用具有一定的饱和性。

图3 DAS添加量对罗非鱼鱼皮明胶膜的抗拉伸强度(TS) 和断裂延伸率(EAB)的影响

2.2.2 明胶膜的色泽 在pH7条件下,伴随着DAS添加量的增加,明胶膜的L*值没有显著变化,而a*值和b*值分别呈现下降和增加的趋势(表3)。这主要是DAS的添加促进了干燥成膜过程中的美拉德反应的发生,导致明胶蛋白膜变得越黄,这一结果类似于DAS添加对大豆分离蛋白膜[21]和蛋清膜[22]颜色的影响。

表3 DAS添加量对罗非鱼鱼皮明胶膜颜色的影响

2.2.3 明胶膜的SDS-PAGE分析 利用SDS-PAGE分析DAS-明胶膜的蛋白组分,结果表明,在pH7条件下,DAS添加量为0.5%～1.5%时,浓缩胶顶部HMWF的条带浓度与添加量成正相关关系。然而,当进一步增加DAS时,HMWF条带浓度出现了降低的趋势。这可能是过量的DAS与明胶蛋白组分大量交联,导致明胶膜在蛋白质变性剂(2% SDS、8mol/L尿素)中的溶解性下降(数据未显示),因此形成的HMWF的条带浓度在SDS-PAGE中也降低。

图4 罗非鱼鱼皮明胶膜的SDS-PAGE图谱

2.2.4 明胶膜的耐水性能 表4显示的是DAS添加量对明胶蛋白膜的MS和PS的影响。由表4可知,在pH7条件下,随着添加量的增加,明胶蛋白膜的MS逐渐降低(p<0.05),这与文献14相吻合。当DAS添加量超过2.0%时,膜的MS和PS的下降幅度明显减缓(表4)。虽然DAS与戊二醛一样都含有醛基,能够与明胶蛋白分子发生交联反应[13],但可能是DAS分子量较大会产生空间位阻,与明胶蛋白的交联反应不容易发生彻底[10,22],导致膜的MS和PS与DAS添加量之间没有呈现出线性关系。此外,有意思的是明胶膜的PS总是高于MS,表明了明胶膜的耐水性能主要取决于明胶蛋白的溶解性。

表4 DAS添加量对罗非鱼鱼皮明胶膜的MS和PS的影响

3 结论

利用罗非鱼鱼皮明胶可以制备无色透明的可食膜,成膜溶液的pH对明胶膜的色泽没有显著的影响,在中性和偏碱性条件下可以获得机械性能和耐水性能良好的明胶膜。当明胶膜添加了适量DAS后,膜的机械性能、耐水性能可以得到有效改善,而且碱性条件下的效果优于酸性条件。这主要是在碱性条件下DAS的添加会促进明胶蛋白分子之间发生交联反应,使膜的颜色变黄。

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Effect of pH and dialdehyde starch on the properties of tilapia skin gelatin films

TANGLan-lan,ZHAOYang-fang,WENGWu-yin*,TAOZhong,ZHENGHui-bin

(College of Biological Engineering,Jimei University,Xiamen 361021,China)

The effect of pH and dialdehyde starch(DAS)on the mechanical properties and water resistance of edible gelatin films prepared from tilapia skins was investigated. With increasing pH of film-forming solution,the tensile strength(TS)of films firstly increased,but a decrease of TS was observed after pH7,where the maximum TS of 23.78MPa was found. However,the matter solubility(MS)and protein solubility(PS)of gelatin films decreased gradually with increasing pH. The TS of gelatin films increased when incorporating DAS into film-forming solution,while their MS and PS declined significantly. On the other hand,the mechanical properties and water resistance of films were effectively improved by adding 1.5% DAS at pH7. Based on the SDS-PAGE analysis,no obvious change in the gelatin components was found at different pH during the film forming process,and the crosslinking between gelatin proteins was mainly induced by DAS.

gelatin films;dialdehyde starch;mechanical properties;water resistance

2013-07-01 *通讯联系人

唐兰兰(1989-),女,硕士研究生,主要从事蛋白质化学和水产加工研究。

福建省高校新世纪优秀人才支持计划(JA11143)；大学生创新创业训练计划项目(Z81255)；厦门市科技计划项目(3502Z20123025)。

TS206.4

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：1002-0306(2014)01-0098-05