柠檬酸钠对壳聚糖/大豆分离蛋白复合膜性能的影响

关　曼,谢　晶,薛　斌,江海云,邵则淮,孙　涛

(上海海洋大学食品科学与工程学院，上海 201306)



柠檬酸钠对壳聚糖/大豆分离蛋白复合膜性能的影响

关曼,谢晶,薛斌,江海云,邵则淮,孙涛*

(上海海洋大学食品科学与工程学院，上海 201306)

以柠檬酸钠作为交联剂,制备壳聚糖/大豆分离蛋白复合膜。通过红外光谱表征了其结构,研究了柠檬酸钠添加量对壳聚糖/大豆分离蛋白复合膜机械性能、水蒸气阻隔性能和抗氧化性能的影响。结果表明:柠檬酸钠增强了复合膜分子间的相互作用,改善复合膜机械性能。当柠檬酸钠的添加量为0.03%(w/v)时,增强了复合膜水蒸气阻隔性能,降低了复合膜的水溶性,提高复合膜的抗氧化性,复合膜DPPH自由基清除率提高至未添加组的1.72倍。

壳聚糖,大豆分离蛋白,柠檬酸钠,机械性能,抗氧化性能

1　材料和方法

1.1材料与仪器

壳聚糖(CS)脱乙酰度90%浙江金壳药业有限公司;大豆分离蛋白(SPI)食品级河北百味生物科技有限公司;冰醋酸、丙三醇、柠檬酸钠、无水氯化钙和无水乙醇均为分析纯购自国药集团化学试剂有限公司。

FTIR-650傅里叶变换红外光谱仪天津港东科技发展股份有限公司;数显卡尺上海量具刃具厂有限公司;DCP-KZ300型电脑测控抗张实验机四川长江造纸仪器有限责任公司;UV-2000型紫外分光光度计上海龙尼柯仪器有限公司;HHS型电热恒温水浴锅上海博讯实业有限公司医疗设备厂;恒温磁力搅拌器上海雷磁新泾仪器有限公司。

1.2壳聚糖/大豆分离蛋白复合包装膜的制备

将壳聚糖溶于1%(v/v)的冰醋酸溶液中,制得质量分数为2%(w/v)的壳聚糖溶液;将大豆分离蛋白溶于去离子水中制得质量分数为2%的大豆分离蛋白溶液。将壳聚糖和大豆分离蛋白溶液按质量比4∶1的比例混合,然后分别加入1%(v/v)的丙三醇及不同质量的柠檬酸钠,柠檬酸钠的添加量分别为成膜液的0%、0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%(w/v),磁力搅拌至完全溶解,静置消泡后,取80 mL膜液均匀铺展于干燥洁净的有机玻璃板(20 cm×30 cm)上,自然干燥后揭膜,保存于相对湿度(RH)为53%(用饱和硝酸镁溶液保持)的干燥器内备用。

1.3红外光谱(FT-TR)

将干燥处理后的壳聚糖膜、大豆分离蛋白膜、未交联复合膜和交联复合膜碎片1～2 mg,分别与100～150 mg溴化钾充分研磨后压片,尽量使薄片透明[17]。用FTTR-650型傅立叶红外光谱仪将样品在500～4000 cm-1波长范围内扫描8次,将分辨率设为2 cm-1,记录各样品的红外光谱图。

1.4复合膜性能测定方法

1.4.1膜厚的测定采用接触测量法,用电子数显卡尺在被测膜上随机取6点测定膜厚(d),取平均值,单位为mm。

1.4.2机械性能抗拉强度(Tensile strength,TS)表征试样能承受的最大拉伸应力,断裂伸长率(Elongation at break,EB),即膜断裂时长度的变化率。测试方法按照GB 13022-9l《塑料、薄膜拉伸性能实验方法》,采用长条型试样,试样宽度15 mm,标距150 mm,实验速度150 mm/min,在室温条件下测定,每组膜测定6次。

抗拉强度(TS/MPa)的计算公式如下:

TS=F/A

式中:F-试样断裂时承受的最大张力,N;A-实验前试样的横截面积,mm2。

断裂伸长率的计算公式如下:

EB(%)=(L-L0)/L0×100

式中:L0-膜样测试前的长度,mm;L-膜样在断裂时的长度,mm。

1.4.3水溶性将膜切成20 mm×20 mm的正方形,在干燥器中干燥至恒重后称重(m1),然后加入100 mL蒸馏水中,于室温下溶解12 h,再将膜在60 ℃的条件下干燥至恒重后称重(m2),根据膜质量变化计算水溶性[18]。按下式计算水溶性:

水溶性(%)=[(m1-m2)/m1]×100

1.4.4水蒸气透过系数根据GB-1037-70,采用拟杯子法[19],选取直径为25 mm×40 mm的称量瓶,内装3 g充分粉碎研细的无水氯化钙,称量瓶口用待测莫覆盖密封,将称量瓶放置于底部有一定蒸馏水的干燥器中,使试样两侧保持一定的蒸汽压差,每24 h称量杯子的质量变化,持续一周(168 h)。水蒸气透过系数(Water vapor permeability,WVP)计算公式:

WVP=(q·d)/(t·S·ΔP)

式中:WVP-水蒸气透过系数,g·mm/(h·m2·kPa);q/t-单位时间内透湿杯增加重量的算术平均值,g/h;d-样品膜厚度,mm;S-样品膜实验面积,m2;ΔP-试样两侧的蒸气压差,kPa。

1.4.5透光率在WFZ UV-2000型紫外分光光度计650 nm波长下测定样品的透光率。

1.4.6膜抗氧化性能复合膜的抗氧化性测定参照文献[20]的方法。将0.5 g膜样品放入装有30 mL蒸馏水的烧杯中,浸泡24 h后,得到复合膜浸泡液。将将1 mL 浓度为10-3mol/L的DPPH乙醇溶液与3 mL复合膜浸泡液混合。将混合液放入暗室反应30 min,然后用WFZ UV-2000型紫外分光光度计在517 nm处测定混合液的吸光度。每个样品做3次平行实验,结果取平均值。

DPPH自由基清除率的计算公式如下:

DPPH自由基清除率(%)=(1-As/ADPPH)×100

式中:ADPPH-在517 nm处DPPH乙醇溶液的吸光度;As-在517 nm 处复合膜浸泡液和DPPH乙醇溶混合液的吸光度。

1.5数据统计分析

实验重复3次,每次测3个平行样品;使用SPSS17.0软件对所有数据进行处理,得到的结果表示为平均值±标准误差;Duncan’s多重比较评估同组实验均值间的差异性,置信区间为95%;使用Origin 8.0软件作图。

2　结果与分析

2.1傅里叶红外光谱分析

红外光谱因其能灵敏地检测出各组分间的相互作用(尤其是氢键作用),被广泛应用于共混物间相容性的表征。图1为纯壳聚糖膜、纯大豆分离蛋白膜、壳聚糖/大豆分离蛋白膜及柠檬酸钠交联壳聚糖/大豆分离蛋白膜的红外光谱图。在交联复合膜中3427 cm-1为O-H伸缩振动吸收峰和N-H伸缩振动吸收峰;1632、1567 cm-1分别为复合膜酰胺I带和酰胺II带的吸收峰[21],1567 cm-1处的N-H带较弱,这表明壳聚糖还存在一定数量的乙酰基[22];1429、1385 cm-1为C-H伸缩振动和N-H弯曲振动(酰胺III带)吸收峰;1080 cm-1为多糖类物质C-O键的吸收峰[23]。由图1可知,未交联复合膜与纯壳聚糖膜相比,未交联复合膜中的O-H和N-H伸缩振动吸收峰向低波数移动(红移),这说明壳聚糖和大豆分离蛋白分子间存在着较强的分子间氢键作用[24];同样,交联复合膜与未交联复合膜相比,交联复合膜O-H和N-H伸缩振动吸收峰向低波数移动,且峰宽变窄,酰胺II带的吸收峰也发生了红移,说明了交联能够增强复合膜分子间的相互作用力[13]。

图1　复合膜傅立叶红外光谱图Fig.1　FT-IR analysis of the of composite film

2.2柠檬酸钠对CS/SPI复合膜机械性能的影响

柠檬酸钠添加量对CS/SPI复合膜机械性能的影响见图2。可知,随着柠檬酸钠添加量的增加,复合膜拉伸强度呈显著上升趋势(p<0.05)。柠檬酸钠添加量0.05%时,与未添加柠檬酸钠相比,增加约23.5%。加入柠檬酸钠拉伸强度增大,因为柠檬酸钠促进壳聚糖分子与大豆分离蛋白分子,以及壳聚糖分子与分子间的交联[12],降低了分子间的移动性,从而提高复合材料的抗拉强度,红外光谱分析也得到交联能够增强复合膜分子间的相互作用力。随着柠檬酸钠添加量的增加,复合膜的断裂伸长率呈先降后增的趋势,当柠檬酸钠添加量0.04%时,复合膜断裂降低了约1.92%。壳聚糖和大豆分离蛋白具有良好的成膜性,加入柠檬酸钠,增加了复合膜的强度,但膜的延展性和柔韧性受到一定的损坏。

图2　柠檬酸钠添加量对CS/SPI复合膜机械性能的影响Fig.2　Effect of sodium citrate content on the mechanical properties of CS/SPI film

2.3柠檬酸钠对CS/SPI复合膜水溶性的影响

食品中通常都含有一定量的水分,作为食品包装膜,应该具有较好的阻水性,从而起到保护食品的作用。水溶性是评价膜性能的重要指标,可以反映复合膜的亲水性能。亲水基团越多,基团亲水性越好,则复合膜的水溶性越高。柠檬酸钠添加量对CS/SPI复合膜水溶性的影响见图3。随着柠檬酸钠添加量的增加,复合膜的水溶性逐渐降低,柠檬酸钠添加量为0.05%时最低,降低了约25.2%。柠檬酸钠的添加显著(p<0.05)降低了复合膜的水溶性,因为柠檬酸根与壳聚糖质子化氨基的静电相互作用,固定了游离氨基,使膜结构更加稳定,从而大幅度降低了水溶性[17]。

图3　柠檬酸钠添加量对CS/SPI复合膜水溶性的影响Fig.3　Effect of sodium citrate content on water solubility of CS/SPI film

2.4柠檬酸钠对CS/SPI复合膜水蒸气透过系数的影响

水蒸气透过系数是评价包装材料的重要指标。如图4,CS/SPI复合膜水蒸气透过系数随柠檬酸钠添加量的增加,呈显著(p<0.05)降低趋势。柠檬酸钠添加量为0.05%时,复合膜的水蒸气透过系数为0.219 g·mm/(h·m2·kPa),降低了约30.3%。可能是因为柠檬酸钠交联剂的加入增强了CS和SPI分子间的相互作用,使复合膜的水分子通道关闭或者缩小,因而其对水蒸气阻隔能力增强。而高翔[17]发现柠檬酸钠的添加,增大了壳聚糖膜的水蒸气透过率。这是由于其将壳聚糖膜浸泡在一定浓度的柠檬酸钠溶液中,可能会导致壳聚糖膜的网络结构发生改变,水蒸气透过率增大。

图4　柠檬酸钠添加量 对CS/SPI复合膜水蒸气透过系数的影响Fig.4　Effect of sodium citrate content on WVP of CS/SPI film

2.5柠檬酸钠对CS/SPI复合膜透光率的影响

柠檬酸钠添加量对CS/SPI复合包装膜的透光率的影响见图5,随着柠檬酸钠添加量的增加,复合膜的透光率逐渐降低。柠檬酸钠添加量为0.05%,透光率为89.13%,仅降低了约0.8%。因为柠檬酸钠的添加量相对较少,充分溶解于成膜液后,对CS/SPI复合膜透光率影响较小。

图5　柠檬酸钠添加量对CS/SPI复合膜透光率的影响Fig.5　Effect of sodium citrate content on the transmittance of CS/SPI film

2.6柠檬酸钠对CS/SPI复合膜抗氧化性的影响

DPPH自由基清除能力是评价物质抗氧化能力的标准方法之一[25]。图6显示了柠檬酸钠添加量对CS/SPI复合膜DPPH自由基清除率的影响。随着柠檬酸钠添加量的增加,DPPH自由基清除率呈先增后降的趋势,柠檬酸钠添加量0.03%时的清除率是未添加的1.72倍,在CS/SPI复合膜中添加柠檬酸钠显著(p<0.05)提高了复合膜的DPPH自由基清除能力。可能是因为添加柠檬酸钠能够使复合膜中抗氧化活性基团-NH2和-OH更多的被释放出来,从而提高了复合膜的DPPH自由基清除能力,相关机理有待进一步研究。

图6　柠檬酸钠添加量 对CS/SPI复合膜DPPH自由基清除率的影响Fig.6　Effect of sodium citrate content on DPPH radical scavenging activity of CS/SPI film

3　结论

考察柠檬酸钠对壳聚糖/大豆分离蛋白复合膜性能的影响。柠檬酸钠增强了复合膜分子间的相互作用。可改善复合膜机械性能、水蒸气阻隔性能和抗氧化性能。柠檬酸钠添加量为0.05%,与未添加柠檬酸钠相比,拉伸强度增加约23.5%;水溶性降低了约25.2%;WVP为0.219 g·mm/(h·m2·kPa),降低了约30.3%。当柠檬酸钠添加量为0.03%(w/v)时,复合膜DPPH自由基清除率提高至未添加时的1.72倍,当柠檬酸钠添加量为0.03%～0.04%(w/v)时,复合膜的综合性能较好。

[1]李琳琳,高佳,杨翔华,等.可降解塑料的生物降解性能研究进展[J].湖北农业科学,2013,52(11):2481-2485.

[2]董昕,张燕达,宋永健,等.可降解塑料的发展与绿色环保[J].包装与食品机械,2009,27(2):52-55.

[3]Aider M.Chitosan application for active bio-based films production and potential in the food industry:Review[J].LWT-Food Sci Technol,2010,43(6):837-842.

[4]Dutta P,Tripathi S,Mehrotra GK,et al.Perspectives for chitosan based antimicrobial films in food applications[J].Food Chemistry,2009,114(4):1173-1182.

[5]刘少博,陈复生,刘昆仑,等.酶改性大豆分离蛋白的研究进展[J].食品工业科技,2013,34(09):376-379.

[6]Na Cao,Fu Yuhua,Junhui He.Preparation and physical properties of soy protein isolate and gelatin composite films[J].Journal of Functional Materials,2009,21(2):1153-1162.

[7]Duna P K,Tripathi S,Mehrotra G K,et al.Perspectives for chitosan based antimicrobial films in food applications[J].Food Chemistry,2009,114(4):1173-1182.

[8]Silva S S,Santos M I,Coutinho O P,et al.Physical properties and biocompatibility of chitosan/soy blended membranes[J].Journal of Materials Science:Materials in Medicine,2005,16(6):575-579.

[9]Silva S S,Goodfellow B J,Benesch J,et al.Morphology and Miscibility of Chitosan/soy protein Blended Membranes[J].Carbohydrate Polymers,2007,70(1):25-31.

[10]高翔,刘炳杰,李梦琦,等.离子交联法制备壳聚糖/结冷胶可降解复合膜的研究[J].食品工业科技,2012,33(21):282-285.

[11]张华,王振宇,王雪,等.多糖化学改性方法及其生物活性研究进展[J].食品与发酵工业,2010,36(7):102-107.

[12]陈强,吕伟娇,张文清,等.醛交联剂对壳聚糖复合膜性能的影响[J].华东理工大学学报,2005,31(3):398-402.

[13]崔铮,相艳,张涛.硫酸交联壳聚糖膜质子传导行为的研究[J].化学学报,2007,65(17):1902-1906.

[14]Shu X Z,Zhu K J,Song W H.Novel pH sensitive citrate cross-linked chitosan film for drug controlled release[J].International Journal of Pharmaceutics,2001,212:19-28.

[15]张英,周长民.柠檬酸钠的特性与应用[J].辽宁化工,2007,36(5):350-352.

[16]高美玲,汪东风,杨伟,等.离子交联壳聚糖/海藻酸钠可降解复合膜的研究[J].中国海洋大学学报,2011,41(10):61-66.

[17]高翔.多糖可食用包装膜的制备与应用研究[D].青岛:中国海洋大学,2013.

[18]王亚珍,谢晶,孙涛,等.壳寡糖对壳聚糖-明胶-壳寡糖三元复合膜的性能影响研究[J].食品工业科技,2015,36(08):134-137.

[19]王强.大豆分离蛋白基可食性膜性质的研究[D].济南:山东工业大学,2010.

[20]王丽岩.壳聚糖基活性包装膜的性能及其在食品贮藏中应用的研究[D].长春:吉林大学,2013.

[21]Mathew S,Abraham T E.Charaeterisation of ferulic acid incorporated starch-chitosan blend films[J].Food Hydrocolloids,2008,22(5):826-835.

[22]Pearson F G,Marchessault R H,Liang C Y.Infrared spectra of crystalline polysaccharides.V.Chitin[J].Polymer Science,2003,43:101-116.

[23]张智宏,程春生,覃宇悦,等.壳聚糖/柠檬草精油复合膜的制备及性能研究[J].食品工业科技,2013,34(09):150-153.

[24]周翠.大豆分离蛋白材料化研究[D].无锡:江南大学,2009.

[25]勾明玥,刘梁,张春枝.采用DPPH测定26种植物的抗氧化性[J].食品与发酵工业,2010,36(3):148-150.

Effect of sodium citrate on properties of chitosan/soybean protein isolate composite films

GUAN Man,XIE Jing,XUE Bin,JIANG Hai-yun,SHAO Ze-huai,SUN Tao*

(College of Food Science and Engineering,Ocean University of China,Shanghai 201306,China)

A composite films was prepared by chitosan(CS)and soybean protein isolate(SPI),with sodium citrate as cross-linker.The structure of films was characterized by FT-IR.The influence of sodium citrate on the mechanical properties,water vapor barrier properties and antioxidant property of CS/SPI composite film were evaluated.The results showed that the molecular interaction of composite film was increased by sodium citrate.The mechanical properties and water vapor barrier properties of composite film was improved,water solubility was decreased,and the antioxidant property of composite film was improved by 0.03%(w/v)sodium citrate,meanwhile the DPPH radical scavenging activity was 1.72 times that of the control.

chitosan;soybean protein isolate;sodium citrate;mechanical properties;antioxidant property

2015-09-25

关曼(1989-)，女，在读硕士研究生，研究方向：多糖的改性及应用，E-mail：461857092@qq.com。

孙涛(1970-)，女，博士，副教授，研究方向：多糖的改性及生物功能的开发，E-mail：taosun@shou.edu.cn。

国家自然科学基金面上项目(31571914)；上海市科委(14dz1205101)。

TS206.4

A

1002-0306(2016)09-0277-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.09.045