微波改性蛋白复合膜的制备及性质研究

王 娜 高育哲 王庆峰 肖志刚 王 鹏 李 哲

（1.东北农业大学食品学院，黑龙江 哈尔滨 150030；2.沈阳师范大学粮食学院，辽宁 沈阳 110034）

可降解包装膜是以天然可食性物质（蛋白质、多糖、纤维素等）为原料，通过分子间相互作用形成具有多孔网络结构的薄膜［1］。目前，可食性包装膜的研究已从单一原料逐步转向复合原料，以及对原料改性的研究上［2］。

玉米醇溶蛋白富含大量氨基酸［3］，并且在食品包装中的应用有着悠久的历史，如包裹糖果、水果、坚果、封装药物等［4］。但与其他蛋白膜相比，玉米醇溶蛋白膜过脆且灵活性较差，无法适用于工业加工［5］，这些缺陷限制了玉米醇溶蛋白膜的应用。目前，已有一些报道［6，7］采用脂类、多糖和甘油来降低玉米醇溶蛋白膜的脆性。大豆分离蛋白（soy protein isolated，SPI）来源广泛、价格低廉、具有一定的成膜性［8］，其制成的蛋白膜具有良好的机械性能，能够保持水分，确保食品的原味，故其已经作为生物塑料的可替代资源被用于食品包装领域［9，10］。目前，大豆分离蛋白与动物蛋白、多糖、纳米材料等复合，制备生物薄膜的研究较为广泛，但其与玉米醇溶蛋白复合制膜的研究少有报道。蔡花真等［2］利用大豆分离蛋白与玉米醇溶蛋白制备了可食性复合膜，但制得的复合膜机械性能存在缺陷，断裂伸长率较低。这是由于大豆分离蛋白易溶解在水中而非乙醇溶液，而玉米醇溶蛋白却恰恰相反，若在正常情况下制备大豆分离蛋白与玉米醇溶蛋白复合膜，成膜液中将会出现不溶物沉淀影响复合膜的性质。

微波是一种非电离电磁辐射，它通过电磁场中极性分子之间的相互作用来提高极性物质的温度［11］。微波通过分子的振荡、键能的破坏、粒子之间的相互摩擦和碰撞作用，可以促进分子内极性基团的排列、接触和反应［12］，因此微波技术已广泛应用于蛋白的辅助提取，及蛋白的改性等方面，有报道［13，14］指出，微波可以改善蛋白质的乳化活性、溶解性、起泡能力与泡沫稳定性等。有研究［15］表明，由于具有穿透能力强、选择性好、加热速度快、方便控制、热量均匀等特点，微波已逐渐被用于生物材料属性的研究中。

本试验拟从复合膜机械性能入手，选用微波对玉米醇溶蛋白进行改性，并将改性后的玉米醇溶蛋白与大豆分离蛋白混合制备蛋白复合膜，探讨最佳成膜条件，选取机械性能最优的微波改性蛋白复合膜进行微观结构、热特性和FT—IR分析。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

玉米醇溶蛋白：蛋白质含量为85%，吴江市八坼药用辅料厂；

大豆分离蛋白：蛋白质含量为91%，哈尔滨高科技（集团）有限公司。

无水乙醇、丙三醇、葡萄糖、聚乙二醇400、盐酸、氢氧化钠：分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

1.1.2 主要仪器设备

电子分析天平：DF110型，中国轻工机械总公司常熟衡器工业公司；

数显搅拌水浴锅：HH－4型，常州赛普实验仪器厂；

数字酸度计：PHS－25℃型，上海大普仪器有限公司；

磁力搅拌器：CJ－881型，江苏省金坛市医疗仪器厂；

自动定氮仪：Kjeltec 8400型，丹麦FOSS全自动定氮仪公司；

微波光波炉：G8023CSL－K3型，广东格兰仕集团有限公司；

质构仪：CT3型，美国博勒飞公司；

扫描电子显微镜：S4800型，日本日立公司；

差热扫描量热分析仪：TA－Q20型，美国TA公司；

傅里叶红外光谱仪：Nicolet 6700型，美国热电公司。

1.2 方法

1.2.1 微波改性蛋白复合膜的制备 取6.7%（m/V）的大豆分离蛋白溶于蒸馏水中制成大豆分离蛋白液；取6.7%（m/V）的玉米醇溶蛋白溶于蒸馏水中制成玉米醇溶蛋白液；用0.1mol/L NaOH调节玉米蛋白溶液pH值到12.0后将溶液经微波改性处理，处理条件为60℃、350W、2min。然后将大豆分离蛋白溶液和微波改性玉米蛋白溶液按不同比例混合，加入不同体积比的无水乙醇，并用0.1mol/L NaOH调节混合液至不同pH值后，向混合液中加入2.0%（V/V）的聚乙二醇400、1.0%（V/V）的丙三醇和0.1%（m/V）的葡萄糖，置于磁力搅拌器上搅拌30min。搅拌均匀后将混合液于不同温度的水浴锅中加热15min（在水浴过程中应持续搅拌溶液，使其受热均匀）。加热完成后，冷却至室温，超声去泡，倒膜，然后于电热鼓风干燥箱中45℃恒温干燥，再取出置于相对湿度为80%的干燥器中回软，揭膜，即得大豆分离蛋白与改性玉米醇溶蛋白复合膜。

1.2.2 微波改性蛋白复合膜机械性能的测定 根据ASTM标准方法（D882－01）并加以改进，本试验选用抗破强度和断裂距离来衡量样品的机械性能。将待测样品用TA－DE型号夹具固定于质构仪上，选用TA41型号探针，触发点负载5g，负载距离20mm，测试速度0.5mm/s。每个试验做3个平行，取算术平均数。

1.2.3 微波改性蛋白复合膜成膜条件单因素试验设计 选取大豆分离蛋白液与改性玉米醇溶蛋白液体积比、无水乙醇添加量、成膜液pH值及水浴温度为因素，以复合膜的机械性能为指标，固定其他因素考查某一因素的变化情况，进行单因素试验。

（1）蛋白液体积比的影响：无水乙醇添加量为20%，成膜液pH为12，水浴温度为80℃，大豆分离蛋白液与改性玉米醇溶蛋白液体积比选取4∶1，3∶1，2∶1，1∶1，1∶2，考察蛋白液体积比对蛋白复合膜机械性能的影响。

（2）无水乙醇添加量的影响：蛋白液体积比为3∶1，成膜液pH为12，水浴温度80℃，无水乙醇添加量选取10%，20%，30%，40%，50%，考察无水乙醇添加量对蛋白复合膜机械性能的影响。

（3）成膜液pH值的影响：蛋白液体积比为3∶1，无水乙醇添加量为20%，水浴温度为80℃，成膜液pH选取9，10，11，12，13，考察pH值对蛋白复合膜机械性能的影响。

（4）水浴温度的影响：蛋白液体积比为3∶1，无水乙醇添加量为20%，成膜液pH为12，水浴温度选取50，60，70，80，90℃，考察水浴温度对蛋白复合膜机械性能的影响。

1.2.4 微波改性蛋白复合膜微观结构分析 取待测样品放置于60℃烘箱中烘干12h，取出后用液态氮冷冻破碎，分别将破碎后样品的表面和截面放入离子溅射仪中镀膜，再置于S4800扫描电子显微镜中，于5kV加速电压、2 000和5 000倍放大倍数下进行观察与拍照。

1.2.5 微波改性蛋白复合膜热特性分析 取5mg样品于专用铝盒中压片，以空铝盒为空白对照，测定参数设置：扫描温度25～220℃、扫描速率10℃/min，得DSC图谱，并通过TA Universal Analysis软件对图谱进行分析。

1.2.6 微波改性蛋白复合膜FT—IR分析 采用衰减全反射法收集样品的傅里叶变换红外光谱，扫描光谱范围4 000～400cm－1［16］。

1.2.7 数据处理方法 采用SPSS 20.0软件对数据进行处理，用Microsoft Excel 2003绘制试验中折线图、Origin 8.0绘制DSC图谱和FT—IR色谱图。

2 结果与分析

2.1 蛋白液体积比的影响

图1 蛋白液体积比对微波改性蛋白复合膜机械性能的影响Figure 1 Influence of protein liquid volume ratio on the mechanical properties of microwave modified blended protein films

由图1可知，蛋白液体积比对复合膜机械性能影响明显，随着大豆分离蛋白含量的减少，复合膜的抗破强度和断裂距离呈现先小幅度升高后大幅度下降的趋势。在蛋白液体积比为3∶1时，蛋白复合膜具有最佳的机械性能：抗破强度2 900g，断裂距离16.08cm。可能是随着大豆分离蛋白含量的减少，两种蛋白质分子凝聚时产生的氢键、二硫键减少，疏水性相互作用降低，使得复合膜的机械性能减退。但大豆分离蛋白含量过高时，蛋白成膜溶液中出现未溶解的蛋白质颗粒，影响了复合膜的均匀性，阻碍了蛋白质紧密网络结构的形成［17］，致使复合膜的抗破强度降低。同时适量的改性玉米醇溶蛋白的添加，使复合膜在形成过程中分子间作用力增强，蛋白分子间以氢键结合得更紧密，有利于形成稳定的刚性结构。因此选取大豆分离蛋白液与改性玉米醇溶蛋白液体积比为3∶1较为适宜。

2.2 乙醇添加量的影响

由图2可知，随着乙醇添加量的增加，蛋白复合膜的抗破强度和断裂距离均呈现先升高后降低的趋势。乙醇添加量在20%时，抗破强度和断裂距离达到最大值。可能是过低的乙醇浓度致使蛋白质之间的交联程度不完全，不能形成致密、均匀的蛋白复合膜，从而影响了膜的机械性能［18］。并且在试验过程中发现，乙醇添加量在30%以上时，成膜液易产生颗粒沉淀，表明大豆分离蛋白没有完全溶解参与反应，导致膜的抗破强度和断裂距离大幅度降低［19］。故选取20%的乙醇添加量较为适宜。

图2 乙醇添加量对微波改性蛋白复合膜机械性能的影响Figure 2 Influence of ethanol content on the mechanical properties of microwave modified blended protein films

2.3 成膜液pH值的影响

由图3可知，随着成膜液pH值的升高，复合膜的抗破强度和断裂距离呈逐渐上升的趋势；在pH 12时达到最大值，而继续增大成膜液pH，复合膜的机械性能却有所降低。可能是pH值的增加使得蛋白分子的外部环境和内部结构发生改变，从而导致分子内巯基和疏水基团的暴露，增加了蛋白质分子之间的作用力，这些作用力提高了蛋白复合膜的机械性能［8］。而当pH值为13时，溶液呈现强碱性，蛋白分子结构破坏严重，致使膜机械性能降低。故选取成膜液pH值为12。

图3 pH对微波改性蛋白复合膜机械性能的影响Figure 3 Influence of pH on the mechanical properties of microwave modified blended protein films

2.4 水浴温度的影响

由图4可知，随着水浴温度的升高，蛋白复合膜的机械性能逐渐提高，在80℃时提取率达到最大值，可能是随着成膜温度的升高，蛋白分子运动加剧，有利于分子间氢键、二硫键和疏水键的形成［20］，使得复合膜具有较为致密的空间结构，提高复合膜的机械性能。当温度超过80℃时，抗破强度增加得不明显，且断裂距离有所降低，可能是较高的温度使得溶剂迅速蒸发，导致蛋白质分子间交联反应不彻底，蛋白质分子网状结构不稳定［19］，从而引起复合膜易断裂。综合考虑，水浴温度80℃较为适宜。

图4 水浴温度对微波改性蛋白复合膜机械性能的影响Figure 4 Influence of water bath temperature on the mechanical properties of microwave modified blended protein films

2.5 微波改性蛋白复合膜微观结构分析

对上述最佳成膜条件下获得的微波改性蛋白复合膜的表面和横断面分别做扫描电子显微镜观察，结果见图5。

图5 微波改性蛋白复合膜扫描电镜图Figure 5 Scanning electron micrographs of the microwave modified blended protein film

由图5可知，微波改性蛋白复合膜具有光滑的外表，其表面结构十分平整，凸起和凹陷均很少，孔数极少且孔径很小；微波改性蛋白复合膜内部结构均匀致密，少有漏洞，洞孔直径较小且非常稀疏。可能是微波改性后的玉米醇溶蛋白分子内部结构发生了一定的改变，分子重新排列组合，与大豆分离蛋白混合后，分子内非共价键的相互作用力增强，蛋白分子间氢键和氢氧根形成更紧凑的结构，使得蛋白分子间结合更紧密，从而蛋白复合膜具有致密的空间网络结构［21］。这表明孔洞和凹陷直接影响到复合膜的抗破强度和断裂距离，其与黄国平等［22］研究结果相似。

2.6 微波改性蛋白复合膜热特性分析

热稳定性是衡量蛋白膜在食品加工和保藏过程中的一个重要因素，本试验对上述最佳成膜条件下获得的微波改性蛋白复合膜做DSC测定分析，DSC图谱见图6。

如图6所示微波改性蛋白复合膜在检测温度范围内有2个吸热峰，DSC检测结果表明，微波改性蛋白复合膜的玻璃态转化温度Tg为（81.11±0.48）℃，热变性温度Tm为（172.69±0.61）℃，变性热焓 ΔHf为（40.10±0.46）J/g。这表明微波改性蛋白复合膜具有较高的热稳定性，并且其热变性温度普遍高于常规条件下制得的大豆分离蛋白膜［23］，Kokoszka等［24］证实蛋白质相互作用的增加，将会促进热量的聚集，从而提高膜的热变性温度；同时微波改性的处理使维持蛋白质分子结构的化学键以及相互作用力发生改变，与大豆分离蛋白混合后，蛋白分子间伴随着不同程度的降解和聚合，分子间相互交联成稳定的网状结构，从而改善了膜的热性能［25］，有利于提高其加工性能。

图6 微波改性蛋白复合膜DSC图谱Figure 6 DSC thermogram of the microwave modified blended protein film

2.7 微波改性蛋白复合膜FT—IR分析

蛋白质分子红外光谱分为3个区域，即在1 700～1 600cm－1范围内C—O的伸缩振动（酰胺Ⅰ）；在1 600～1 500cm－1范围内N—H的变角振动 （酰胺Ⅱ）；在1 220～1 330cm－1范围内C—N的伸缩振动和N—H的变角振动（酰胺Ⅲ）［26，27］，其振动频率则可以反映出多肽或者蛋白质的二级结构（α－螺旋、β－折叠、β－转角和无规则卷曲）［28］。

微波改性蛋白复合膜的红外光谱图见图7，综合现有文献［25，29］从图7中可知：复合膜在1 630cm－1（酰胺Ⅰ）处有较强烈的C—O伸缩振动峰，此振动可形成β－转角；在1 530cm－1（酰胺Ⅱ）存在 N—H 的变角振动，其属于β－折叠，是由伸展的多肽链组成的；在1 240cm－1（酰胺Ⅲ）处的峰属于N—H变角振动和C—N伸缩振动所形成的α－螺旋和无规则卷曲；在2 980～2 850cm－1出现的通常为—CH2和—CH3的饱和C—H 反射峰；在3 280cm－1附近存在由O—H和N—H形成的较宽的吸收带。由此可知大豆分离蛋白与改性玉米醇溶蛋白分子间的—OH与展开的C—O键相互作用，形成了致密的空间网络结构［30］；并且在变性及成膜过程中，微波改性蛋白复合膜在二级结构上并没有被完全破坏，仍保留一定的特征结构，复合膜仍具备蛋白质的典型特征。

图7 微波改性蛋白复合膜FT—IR图谱Figure 7 FT—IR spectrum of the microwave modified blended protein film

3 结论

（1）本试验研究表明微波改性蛋白复合膜成膜的最佳单因素条件为：大豆分离蛋白液与改性玉米醇溶蛋白液体积比为3∶1、无水乙醇添加量20%、成膜液pH值12、水浴温度80℃，此条件下制得的微波改性蛋白复合膜的抗破强度为2 900g，断裂距离为16.08cm。

（2）微波改性蛋白复合膜表面光滑、凹凸有秩、孔数极少且孔径很小、内部结构均匀致密；热稳定性好，具有较高的热变性温度；分子间相互作用紧密，二级结构没有被完全破坏，仍具有蛋白质的典型特征。

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