大豆分离蛋白复合膜制备工艺*

雷会宁，刘锐，王苗苗，李建，张民

(天津科技大学食品工程与生物技术学院，天津，300457)

可食性蛋白膜作为食品包装和涂布材料，具有可降解性和可食性，可用于多种食品的包装保鲜，是一种无污染的包装涂布材料，具有很好的开发前景［1］。目前国内对蛋白膜的研究还不成熟，蛋白膜的机械强度、透气透水性无法达到工业化生产的要求，也无法取代塑料膜而应用于商业生产。因此，国内外可食性包装膜的研究已经从单一基料逐步转向复合基料包装膜及对可食性包装膜改性的研究上。采用2种或2种以上的材料作为成膜基质，各基质能够取长补短，使可食性膜具有更广泛的功能性如机械强度、阻隔性能等。本研究将大豆分离蛋白与卡拉胶复合成膜，优化成膜工艺，提高可食性膜的机械性能、阻隔性能和热稳定性等性质，提高可食性膜的实用价值。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

大豆分离蛋白:食品级，山东嘉华植物蛋白有限公司;卡拉胶:食品级，福建省绿麒食品胶体有限公司;其余试剂均为分析纯。

TE32物性测试仪，英国Stable Micro System公司;UVmini-1240紫外可见分光光度计，日本岛津公司;DSC 200F3差示扫描量热仪，德国耐驰仪器制造有限公司生产;XL-3型扫描电镜，Phlips公司;JSPM-5200原子力显微镜，日本电子公司。

1.2 实验方法

1.2.1 可食性膜的制备

大豆分离蛋白膜的制备:准确称取5.00 g大豆分离蛋白(SPI)，2.50 g甘油(GLY)，加100 mL蒸馏水，70℃磁力搅拌30 min，在0.09 MPa下脱气，在玻璃板上涂膜(0.5 g SPI/100 cm2)，50℃干燥4h，室温回软1 h后揭膜，于RH为50%(硝酸镁饱和溶液)的干燥器中室温保存2 d，测定膜性能［2］。

卡拉胶膜的制备:料液比1∶70(g∶mL)，称取一定量的卡拉胶(CGN)溶解于蒸馏水中，充分搅拌后置于磁力搅拌器上，按照50%的比例边搅拌边加入甘油，磁力搅拌30 min，使其充分混合均匀，70℃恒温磁力搅拌15 min，静置30 min消泡，气泡完全消除后趁热涂膜(0.5 gCGN/100 cm2)，50℃干燥4 h，室温回软1 h后揭膜，于RH为50%(硝酸镁饱和溶液)的干燥器中室温保存2 d，测定膜性能［3］。

复合蛋白膜的制备:准确称取5.00 g大豆分离蛋白，按照一定的比例添加卡拉胶和甘油，溶解于150 mL蒸馏水中，磁力搅拌30 min，使其充分混合均匀，调节膜液的pH值，一定温度下恒温搅拌30 min，在0.09 MPa下脱气，在玻璃板上涂膜(0.5 gSPI/100 cm2)，50℃干燥4 h，室温回软1 h后揭膜，于RH为50%(硝酸镁饱和溶液)的干燥器中室温保存2 d，测定膜性能。

1.2.2 可食性膜的性质测定

膜厚度及透光率的测定采用文献［4］的方法;抗拉强度及断裂伸长率的测定采用文献［5］的方法;水蒸气透过系数的测定根据GB1037－1988［6］，采用拟杯子法，按Kaya的方法［7］计算水蒸气透过系数;水溶性的测定采用文献［8］的方法;热稳定性的测定采用文献［9］的方法;形态观察采用文献［10］的方法;隶属度值的计算采用文献［11］的方法;实验重复次数n=3。

1.2.3 复合蛋白膜单因素试验

将大豆分离蛋白与卡拉胶进行复合，以复合蛋白膜的机械性能、透水性、水溶性及透光性等为指标，通过单因素实验，研究卡拉胶含量(2%、6%、10%、14%、18%)、甘油含量(20%、30%、40%、50%、60%、70%)、成膜液 pH 值(6、7、8、9、10、11、12)及温度(65、70、75、80、85、90℃)对复合蛋白膜性能的影响。

1.2.4 复合蛋白膜正交试验

根据上述单因素实验，选择卡拉胶含量、甘油含量、成膜液pH值、温度进行4因素3水平L9(34)正交实验，考察不同工艺条件对膜性能影响，以隶属度值为评价指标，确定复合蛋白膜的最佳工艺配方。因素水平表见表1。

表1 正交试验因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

实验中需要综合多个指标对复合蛋白膜性能进行评价，所以在此采用了模糊综合评价法，即引入了隶属度函数［11］:

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

将复合蛋白膜的多个指标经过模糊变换成综合评价的累加加权隶属度值∑X(u)·Y，累加加权隶属度值越大，表明膜的性能越好。实验中需要考虑的指标有抗拉强度(正效应)、断裂伸长率(正效应)、水蒸气透过系数(负效应)、水溶性(负效应)及透光性(正效应)，其综合评价的权重子集Y为{0.2，0.2，0.2，0.2，0.2}。

2 结果和讨论

2.1 复合蛋白膜单因素试验结果

2.1.1 卡拉胶含量对复合蛋白膜性能的影响

由表2可知，蛋白膜的抗拉强度随着卡拉胶含量的增加而增大，断裂伸长率和透光率随着卡拉胶含量的增加而减小，水溶性和水蒸气透过系数在卡拉胶含量为10%时值最小，且在此含量下蛋白膜的隶属度值最大，表明在此含量下蛋白膜综合性能好。分析原因可能是卡拉胶和大豆分离蛋白之间通过羰基或氨基相互作用会形成氢键，分子之间的相互作用增加，分子结构更加致密，而当卡拉胶含量过高时，膜液流动性差，容易快速变成固体凝胶，影响制备膜网络结构的形成。因此，卡拉胶含量选取6%～14%进行后续正交试验。

表2 卡拉胶含量对复合蛋白膜性能的影响(±SD)Table 2 Effects of carrageenan content on properties of composite protein films(±SD)

表2 卡拉胶含量对复合蛋白膜性能的影响(±SD)Table 2 Effects of carrageenan content on properties of composite protein films(±SD)

卡拉胶含量/%抗拉强度/MPa断裂伸长率/%透光率/%水溶性/%水蒸气透过系数/［g·mm·(m2·d·kPa)－1］隶属度值2 3.794±0.100 60.95±0.02 85.6±1.8 35.33±0.32 14.081±0.664 0.429 6 5.570±0.337 43.08±1.20 83.1±2.1 35.61±0.31 14.163±0.533 0.362 10 7.342±0.478 32.06±2.39 78.6±1.1 31.23±0.67 13.177±0.284 0.733 14 8.391±0.118 19.75±0.76 72.0±1.0 33.52±0.18 13.538±0.885 0.475 18 9.344±0.452 15.25±0.85 65.0±0.7 33.43±0.02 13.518±0.240 0.430

2.1.2 甘油含量对复合蛋白膜性能的影响

由表3可知，随着甘油含量的增加，复合蛋白膜抗拉强度逐渐降低，而断裂伸长率和水蒸气透过系数逐渐增大。主要是因为增塑剂甘油的加入减少了蛋白分子之间的相互作用，软化了膜的刚性结构［12］，使膜内部的网络结构变得疏松，增加了链的流动性。而在50%～60%时，复合蛋白膜具有较低的水溶性和较高的透光性。结合隶属度值可知，甘油含量选取40%～60%进行后续正交试验。

表3 甘油含量对复合蛋白膜性能的影响(±SD)Table 3 Effects of glycerol content on properties of composite protein films( ±SD)

表3 甘油含量对复合蛋白膜性能的影响(±SD)Table 3 Effects of glycerol content on properties of composite protein films( ±SD)

甘油含量/%抗拉强度/MPa断裂伸长率/%透光率/%水溶性/%水蒸气透过系数/［g·mm·(m2·d·kPa)－1］隶属度值20 10.522±0.339 2.88±0.23 77.7±0.6 26.84±0.45 4.726±0.053 0.652 30 12.277±0.351 17.07±1.40 77.3±1.5 28.40±0.30 7.104±0.330 0.639 40 9.950±0.256 23.90±2.44 76.9±0.2 28.82±0.49 10.149±0.813 0.537 50 7.580±0.295 24.45±2.15 79.3±1.2 27.53±0.25 13.784±0.128 0.670 60 5.380±0.123 30.69±2.70 77.9±0.4 27.26±0.15 16.560±0.632 0.544 70 3.861±0.260 33.27±2.59 76.3±0.6 30.32±1.04 19.784±0.577 0.200

2.1.3 pH值对复合蛋白膜性能的影响

由表4可知，pH值为11时，隶属度值最大，复合蛋白膜综合性能好。主要是因为碱使蛋白质变性，内部集团暴露，有利于坚固网络结构的形成。使得膜的机械性能提高。而在极端碱性pH值条件，负离子之间极强的静电排斥力作用阻碍了蛋白质分子内或分子间的连接，从而阻碍了膜的形成［5］。因此，pH值选取9～11进行后续正交试验。

表4 pH值对复合蛋白膜性能的影响(±SD)Table 4 Effects of pH on properties of composite protein films(±SD)

表4 pH值对复合蛋白膜性能的影响(±SD)Table 4 Effects of pH on properties of composite protein films(±SD)

pH值 抗拉强度/MPa断裂伸长率/%透光率/%水溶性/%水蒸气透过系数/［g·mm·(m2·d·kPa)－1］隶属度值2 12.656±0.529 0.101 7 6.099±0.155 25.64±1.68 51.1±2.1 31.37±0.29 12.546±0.263 0.467 8 6.215±0.205 26.56±1.76 72.7±2.3 30.47±0.63 11.189±0.327 0.668 9 5.717±0.142 23.55±1.34 75.4±1.8 31.79±0.73 12.310±0.566 0.486 10 5.542±0.201 28.63±1.48 78.0±2.3 32.43±0.28 12.372±0.440 0.513 11 7.162±0.255 35.78±2.32 80.8±1.7 33.28±0.76 10.816±0.090 0.824 12 6.945±0.296 31.60±1.94 82.7±0.8 37.08±0.6 4.980±0.218 18.42±1.14 18.5±1.2 33.75±0.3 36 9.416±0.370 0.732

2.1.4 温度对复合蛋白膜性能的影响

由表5可知，温度为70℃时，隶属度值最大，复合蛋白膜综合性能好。适当的热处理可以加强蛋白质分子之间的疏水作用［5］，但是温度太高，蛋白质分子会过度变性，分子链断裂，难以形成致密的网络结构，透水性加强。因此，温度选取65～75℃进行后续正交试验。

表5 温度对复合蛋白膜性能的影响(±SD)Table 5 Effects oftemperture on properties of composite protein films( ±SD)

表5 温度对复合蛋白膜性能的影响(±SD)Table 5 Effects oftemperture on properties of composite protein films( ±SD)

温度/℃抗拉强度/MPa断裂伸长率/%透光率/%水溶性/%水蒸气透过系数/［g·mm·(m2·d·kPa)－1］隶属度值64 12.355±0.420 0.624 70 6.856±0.253 30.12±1.62 79.0±0.8 37.48±0.24 12.966±0.500 0.805 75 7.132±0.659 31.41±2.98 78.4±1.0 38.24±0.18 13.069±0.792 0.795 80 6.696±0.088 28.00±0.61 77.8±0.6 38.29±0.08 15.071±0.291 0.421 85 6.661±0.209 29.52±1.06 77.3±1.1 38.42±0.11 14.130±0.683 0.488 90 5.795±0.239 26.50±2.85 76.5±1.2 40.13±0.65 6.650±0.046 25.24±1.84 77.7±0.7 36.15±0.60 14.669±0.196 0.352

2.2 复合蛋白膜正交试验结果

由表6和表7可知，各因素对复合蛋白膜性能影响的主次顺序为:卡拉胶含量＞甘油含量＞pH值＞温度;卡拉胶含量对复合膜性能具有极显著性差异(P＜0.01)，甘油含量具有显著性差异(P＜0.05)，pH值和温度没有显著性差异;根据显著性及经济合理原则，复合蛋白膜制备的最优组合为A2B1C1D1，即卡拉胶含量 10%、甘油含量 40%、pH值 9、温度65℃。在此条件下进行验证实验，测得复合蛋白膜的抗拉强度为11.925 MPa，断裂伸长率为28.52%，水蒸气透过系数为 13.404 g·mm/(m2·d·kPa)，水溶性33.26%，透光率81.6%。将验证实验组与上述正交实验各组进行比较，通过计算所得验证实验组与正交实验组中最佳值的隶属度值分别为0.710和0.648，验证实验组所得膜综合性能优于正交实验中最佳值，因此正交实验得出的工艺条件能够改善膜的各性能。

表6 正交试验结果Table 6 The results of orthogonal test

表7 方差分析结果Table 7 The results of variance analysis

2.3 复合蛋白膜热稳定性实验

差示扫描量热法(differential scanning calorimetry，DSC)，是在温度程序控制下，测量输送给被测物质和参比物质的能量差值与温度之间的关系的一组技术［13］。食品生产的过程中，普遍存在着加热处理，在加热过程中，所有的成分都在发生着变化，除此之外，加热还可能会引起食品流变学性质的变化，同时还会伴随能量的变化。

通过DSC分析3种膜的热稳定性差异，结果如表8所示。由表8可以看出，复合蛋白膜的起始温度、峰值温度及终止温度均高于单一膜，表明经大豆分离蛋白和卡拉胶复合后膜的热稳定性增强，膜的加工性能提高。

表8 单一膜和复合蛋白膜吸收峰主要参数Table 8 Heat-trapping parameters of single films and composite protein films

2.4 复合蛋白膜形态观察实验

2.4.1 扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)

膜的微观结构反应了膜的均一性和致密性，如果膜具有较高的均一性和致密性，就能使膜具有较高的抗拉强度。从图1中可以看到，卡拉胶膜和复合蛋白膜的表面微观结构不存在任何的裂隙，为均匀、光滑的表面形态，没明显相分离现象。大豆分离蛋白膜表面有白色小颗粒，表面粗糙，可能是因为大豆分离蛋白溶解不充分。由图2可知，3种薄膜具有紧密而均一的横截面形态，而复合蛋白膜优于单一膜。另外，横截面上的横纹和鳞片状是人工切割和撕裂膜截面造成的。图4可知，复合蛋白膜表面更平整，膜更均一，与扫描电镜结果相符。说明大豆分离蛋白和卡拉胶相容性好。

图1 大豆分离蛋白膜、卡拉胶膜以及复合蛋白膜表面扫描电镜图Fig.1 The surface scanning electron micrograph of SPI film，CGN film and composite protein film

图2 大豆分离蛋白膜、卡拉胶膜以及复合蛋白膜断面扫描电镜图Fig.2 The cross-section scanning electron micrograph of SPI film，CGN film and composite protein film

图3 大豆分离蛋白膜、卡拉胶膜以及复合蛋白膜相位图Fig.3 The phase map of SPIfilm，CGN film and composite protein film

图4 大豆分离蛋白膜、卡拉胶膜以及复合蛋白膜的三维生成图Fig.4 The three-dimension graph of SPI film，CGN film and composite protein film

表9 单一膜和复合蛋白膜的粗糙度Table 9 Roughness of single films and composite protein films

3 结论

大豆分离蛋白具有低成本、可降解、高蛋白含量和较好的成膜性等特点，因此以大豆分离蛋白为基质的可食性膜的研究已成为国内外研究热点。但是，纯大豆分离蛋白膜的机械性能、热稳定性和阻水性能低，限制了大豆分离蛋白膜的应用。将大豆分离蛋白和卡拉胶复合来改善大豆分离蛋白性能的不足具有积极的意义。本文在单因素实验的基础上，进行了正交实验，通过正交实验表明各因素对复合蛋白膜性能影响的主次顺序为:卡拉胶含量＞甘油含量＞pH值＞温度，最佳工艺参数:以大豆分离蛋白为基数，卡拉胶含量10%、甘油含量40%、pH值9、温度65℃;最佳工艺条件下测得复合蛋白膜的抗拉强度为11.925 MPa，断裂伸长率为28.52%，水蒸气透过系数为13.404 g·mm/(m2·d·kPa)，水溶性 33.26%，透光率81.6%。DSC实验结果表明，经复合后，复合蛋白膜热稳定性提高，实用性加强;SEM和AFM实验结果表明，复合蛋白膜比单一膜更加均匀和致密，表明大豆分离蛋白和卡拉胶具有良好的相容性，复合蛋白膜的综合性质良好。大豆蛋白是大豆榨油产业的副产品，将其附加值加以利用，具有较大的理论意义和较高的实际应用价值。

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