鼠尾草酸米糠蛋白复合膜的制备及性能研究

齐艺惠，吴隆坤，董生忠，单秀峰，徐杰

鼠尾草酸米糠蛋白复合膜的制备及性能研究

齐艺惠，*吴隆坤，董生忠，单秀峰，徐杰

（沈阳师范大学粮食学院，实验教学中心，辽宁沈阳110034）

开发具有生物活性的鼠尾草酸可食性米糠蛋白复合膜，并研究其物理性能、结构及抗氧化活性。以米糠分离蛋白为成膜基质，添加鼠尾草酸制成复合膜，通过检测抗拉强度测试其机械性能，通过测定水蒸气透过率、透光率，通过扫描电镜等手段阐明其组织结构，并通过氧自由基清除能力判断其抗氧化性，研究和探讨鼠尾草酸米糠蛋白复合膜的理化性能。鼠尾草酸添加量在0~0.8%（W/V）时，随着添加量的增加，复合膜的透明度升高，颜色逐渐加深变为墨绿色，抗拉强度和断裂伸长距离均先升高后降低；0.5%鼠尾草酸添加量下米糠蛋白复合膜具有最大抗拉强度（984 g）和最长断裂距离（5.89mm）。添加鼠尾草酸的米糠蛋白复合膜水蒸气透过率比未添加对照组有所提高，可见该膜具有较好的组织结构。添加鼠尾草酸的米糠蛋白复合膜，随着添加量的增大，该复合膜的自由基（DPPH·）清除活性提高，该复合膜的抗氧化活力（p<0.05）显著提高。结果显示，所制备的鼠尾草酸米糠蛋白复合膜具有抗氧化性能，可应用于包装行业。

米糠蛋白；鼠尾草酸；膜；机械特性；抗氧化性

以多糖、蛋白质等天然可食性物质为原料，利用分子间相互作用而形成的薄膜，具有绿色环保、可降解、无污染等特点，可用于食品包装和食品风味料、营养强化剂等领域[1]。目前，蛋白质来源的可降解和可食性膜的发展已引起了显著的关注，已研究的可食性蛋白膜成膜材料主要包括大豆分离蛋白、小麦面筋蛋白、胶原蛋白、玉米醇溶蛋白、酪蛋白、明胶等[2]，以米糠蛋白研究较少。米糠蛋白的氨基酸种类齐全，所含人体必需氨基酸约占米糠蛋白氨基酸总量的41.9%，消化率高、过敏率极低[3]，其乳化性、溶解性和稳定性与大豆分离蛋白相似，具有较广的用途。将稻米加工中副产物米糠蛋白用于可食用膜的研究，是米糠低值产品的高值利用，既能够减轻环境负担产生的生态环保效应，又能合理利用自然资源，因此具有一定的研究意义和生态价值。

鼠尾草酸（Carnosic acid，CA）是迷迭香和药用鼠尾草的主要抗氧化活性成分，分子量为332.42，为酚型二萜类化合物（分子式C20H28O4），具有抗炎、抗菌、抗肿瘤等生理活性[4-6]，淡黄色粉末晶体易溶于油脂不溶于水，能够延长油脂类食物的保质期，高效、安全，作为一种天然的抗氧化剂被广泛应用于药品、化妆品、保健食品和香料等领域[7]。试验利用鼠尾草酸和米糠蛋白相互作用，制备鼠尾草酸米糠蛋白复合膜，研究不同添加量的鼠尾草酸对米糠蛋白复合膜理化性质和抗氧化活性的影响，为开发新型食品包装膜提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 主要材料与仪器

米糠分离蛋白（蛋白质质量分数为85%），陕西帕尼尔生物科技有限公司提供；鼠尾草酸（98%），西安百川生物科技公司提供；盐酸、氢氧化钠、溴化钠、氯化钙、无水乙醇、丙三醇，沈阳市东兴试剂厂提供；1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（1,1-Diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH），美国Sigma公司提供。以上所用试剂均为分析纯。

HH-4型数显搅拌水浴锅，常州赛普实验仪器厂产品；DF110型电子分析天平，中国轻工机械总公司常熟衡器工业公司产品；CT3型质构仪，美国博勒飞公司产品；GFL-125型烘干机，天津市莱玻特瑞仪器设备有限公司产品；S4800型扫描电子显微镜，日本日立公司产品。

1.2 试验方法

1.2.1 米糠蛋白复合膜制备方法

参考Abayomip A等人[8]的方法，略有修改。配制质量分数为5%的米糠分离蛋白溶液，搅拌20 min使其充分溶解，然后加入质量分数为2.0%的甘油，加热至80℃持续30 min后冷却到室温，再加入充分溶解于5 mL乙醇中质量分数分别为0，0.025%，0.050%，0.100%，0.200%，0.400%，0.800%（W/V）的鼠尾草酸[9]，量取混合液倒入一次性培养皿上，水平放置1 h。放入55℃鼓风干燥箱中干燥，揭膜即可得到添加鼠尾草酸米糠蛋白复合膜，揭膜后放置在相对湿度（RH）50%干燥器下平衡48 h后测定以下性能指标。

1.2.2 机械性能测定

根据ASTM标准方法（D882-01）并加以改进[10]，试验选用抗拉强度和断裂距离测定样品的机械性能。用TA-DE型号夹将所测样品具固定在质构仪上，选用TA26型探针，触发点负载5 g，负载距离20 mm，测试速度0.5 mm/s。每组试验做3个平行样品，取算术平均数。

1.2.3 透光率的测定

参考Shiku Y等人[11]的方法，用紫外-可见分光光度计测定膜于波长600 nm处的透光率，每个样品重复测定3次，取平均值。

1.2.4 水蒸气透过系数的测定

根据GB 1037—88塑料薄膜和片材透水蒸气性试验方法，采用拟杯子法[12]，将完整均匀的膜密封在含有无水氯化钙（烘干2 h）的三角烧瓶上，之后将烧瓶放入恒温恒湿箱中（80%，25℃），膜外露面积为2.54 cm2，每隔24 h测定烧瓶杯的增质量。按下式计算水蒸气透过系数（Watervapourpermeability，WVP）：

式中：W——烧瓶杯的增质量，g；

x——膜的厚度，mm；

A——膜外露面积（2.54 cm2）；

T——测量间隔时间（24 h）；

ΔP——膜两侧的水蒸气压差，kPa，由于膜两侧的相对湿度梯度为100%，测定温度为25℃，故ΔP为2.535 kPa。

1.2.5 蛋白膜宏观形态分析

将8种待测蛋白膜分别裁成5 cm×4 cm大小，置于光滑平坦的白色平面背景上，分别对其进行宏观形态观察并拍照。

1.2.6 蛋白膜扫描电子显微镜（SEM）分析

取待测样品放置于60℃烘箱中烘干12 h，取出后将破碎后样品的表面于5 kV加速电压，5 000倍放大倍数下，用S4800型扫描电子显微镜对其表面形态进行观察与拍照[10]。

1.2.7 膜的抗氧化能力评价

参照Mayachiew P和李鹏等人[13-14]的试验方法进行适当调整，测鼠尾草酸米糠蛋白复合膜的抗氧化能力。在100 mL蒸馏水的烧杯中放置膜样品（30 mm× 30mm），室温下置于恒温磁力搅拌器（转速150 r/min）上，定时取1mL样品溶液加入到DPPH甲醇（4mL，150μmol/L）溶液中混合均匀，以蒸馏水为空白对照，避光静置30 min，使清除自由基反应充分发生，用紫外分光光度计测定波长516 nm处的吸光度并计算DPPH自由基清除活性。

式中：Asample——样品的吸光度；

Acontrol——空白的吸光度。

1.2.8 数据处理方法

试验数据用SPSS软件进行处理，Microsoft Excel 2010绘制试验中折线图。

2 结果与分析

2.1 鼠尾草酸添加量对膜抗拉强度和断裂距离的影响

鼠尾草酸添加量对米糠蛋白复合膜机械性能的影响见图1。

图1 鼠尾草酸添加量对米糠蛋白复合膜机械性能的影响

拉伸试验中，抗拉强度为试样直至断裂时所受到的最大拉伸应力，材料被拉断后所拉长距离为断裂距离。由图1可知，添加鼠尾草酸后，米糠蛋白膜的抗拉强度和断裂距离均呈现先升高后降低的趋势，随着鼠尾草酸添加量的增加，当鼠尾草酸添加量为0.025%时，复合膜的抗拉强度和断裂距离达到最大值；而当鼠尾草酸添加量超过0.200%时，复合膜的抗拉强度开始显著降低（p<0.05）。研究表明，添加适量鼠尾草酸的米糠蛋白膜抗拉强度增加，主要是因为大分子聚合物与鼠尾草酸相互作用，减小了大分子之间的流动性，而鼠尾草酸添加过多又会导致形成不连续的异质膜结构，鼠尾草酸与复合膜蛋白质聚合体形成交互作用，取代了复合膜蛋白质之间较强的交联作用，减弱了复合膜的网络结构，因此降低了复合膜的抗拉强度。在试验过程中发现，鼠尾草酸添加量在0.800%以上时，成膜溶液混合后产生颗粒沉淀，表明鼠尾草酸与米糠分离蛋白没有全部参与反应，致使复合膜的抗拉强度和断裂距离大幅度降低。

2.2 复合膜透光率和水蒸气透过率的影响

鼠尾草酸添加量对米糠蛋白复合膜透光率和水蒸气透过率的影响见图2。

由图2可知，在600 nm可见光下，添加鼠尾草酸米糠蛋白复合膜的透光率随着鼠尾草酸添加量的增加而降低，对照组未添加鼠尾草酸的米糠蛋白复合膜透光率为27.6%，鼠尾草酸添加量为0.800%的米糠蛋白复合膜透光率为5.8%，这可能是在膜蛋白网络中的鼠尾草酸对光具有一定的散射作用。与未添加鼠尾草酸的对照膜相比，添加鼠尾草酸的米糠蛋白复合膜具有更低的透光率（p<0.05），导致最主要原因是鼠尾草酸中自身含有颜色成分，以及在其成膜过程中参与膜蛋白网络结构形成，因此鼠尾草酸的添加可影响米糠蛋白复合膜的外观颜色和对光具有阻隔作用。

由图2可知，0.025%添加组的鼠尾草酸米糠蛋白复合膜水蒸气透过率高于对照组，其余组随着添加量的增加水蒸气透过率逐渐降低，其原因可能是添加0.025%鼠尾草酸的米糠蛋白复合膜结构较为疏松，酚类物质尚未形成分子层覆盖蛋白质表面，能够让水蒸气在薄膜内部较快扩散，增加了水蒸气的透过性（p<0.05），这与张慧芸等人研究相似。而随着鼠尾草酸添加量的增加，如5组薄膜的WVP值明显低于0.025%组（p<0.05），说明这几种组分鼠尾草酸米糠蛋白复合膜的阻隔性较强，能降低WVP值。

2.3 鼠尾草酸的米糠蛋白复合膜宏观形态分析

鼠尾草酸的米糠蛋白复合膜宏观形态见图3。

图3 鼠尾草酸的米糠蛋白复合膜宏观形态

由图3可知，鼠尾草酸不同添加量的米糠蛋白复合膜均具有较为光滑平整的外观，添加量越大复合膜表面越粗糙、脆性增加、柔韧度降低，0.400%和0.800%的复合膜出现边缘断裂现象，0.800%的复合膜表面不均匀，机械性能出现降低现象。随着鼠尾草酸添加量的增加，该复合膜的颜色逐渐加深，透光率越来越低，也与前面复合膜的颜色及透光度描述信息相一致。

2.4 鼠尾草酸米糠蛋白复合膜微观结构分析

鼠尾草酸米糠蛋白复合膜扫描电镜见图4。

图2 鼠尾草酸添加量对米糠蛋白复合膜透光率和水蒸气透过率的影响

图4 鼠尾草酸米糠蛋白复合膜扫描电镜

由图4可知，不同鼠尾草酸添加量的米糠蛋白复合膜微观结构的不同表现在其表面光滑程度及孔洞的数量。对照组的米糠蛋白复合膜表面比较致密；低添加量（0.025%和0.050%）米糠蛋白复合膜表面未见孔洞，与对照组相比表面粗糙度有增加；中度添加量（0.100%和0.200%）出现了一些孔洞和凸起；在较高添加量（0.400%和0.800%）的米糠蛋白复合膜中出现多、大且深的孔洞，并且存在很深的裂痕。分析其原因可能是成膜液在加热过程中与丙三醇和鼠尾草酸混合后，由于分子内非共价键的相互作用，米糠蛋白分子结构发生较大的改变，构象发生变化，蛋白分子间氢键和氢氧根形成新的结构，相互作用力变低，形成孔洞和凹陷的情况。而孔洞数量、凹陷造成的结构致密程度将直接影响到蛋白膜的抗拉强度和断裂距离，这与王娜等人[10]研究结果相似，一般而言表面平滑、结构均匀的膜通常作为包装首选。

2.5 鼠尾草酸添加量对米糠蛋白复合膜抗氧化活性的影响

鼠尾草酸添加量对米糠蛋白复合膜DPPH自由基清除能力的影响见图5。

图5 鼠尾草酸添加量对米糠蛋白复合膜DPPH自由基清除能力的影响

由图5可知，与未添加鼠尾草酸的米糠蛋白复合膜相比，添加鼠尾草酸显著提高了米糠蛋白复合膜的DPPH自由基清除能力（p<0.05）。对照复合膜的DPPH自由基清除活力为8.90%，当鼠尾草酸添加量为0.025%，0.050%，0.100%时，复合膜的DPPH自由基清除能力分别为48.60%，52.30%，53.25%；当鼠尾草酸的添加量为0.800%时，复合膜的抗氧化性最高达到71.83%。添加鼠尾草酸后米糠蛋白复合膜的抗氧化活性显著提高，表明添加到复合膜中的鼠尾草酸与蛋白质基质形成强交互作用的同时，依据保留了其抗氧化特性。鼠尾草酸具有二酚双萜结构，苯环上有2个羟基，在苯环电子的离域作用下，酚羟基容易发生离子化，是良好的供氢体，这也是鼠尾草酸发挥抗氧化等活性功能的结构基础。

3 结论

添加鼠尾草酸，一定程度上影响了米糠蛋白复合膜的理化性能和抗氧化活性。当鼠尾草酸添加量为0.025%，0.050%，0.100%时，复合膜的抗拉强度有所提高，而且前二组复合膜的断裂伸长率比对照组也有所提高。对添加鼠尾草酸的米糠蛋白复合膜在600 nm可见光下，复合膜的透光率随着鼠尾草酸添加量的增加而升高。0.025%添加组的鼠尾草酸米糠蛋白复合膜水蒸气透过率高于对照组，其余组随着添加量的增加水蒸气透过率逐渐降低。不同添加量鼠尾草酸的米糠蛋白复合膜均具有较为光滑平整的外观，添加量越大膜表面越粗糙、脆性增加、柔韧度降低。在加热变性及成膜过程中，米糠蛋白复合膜在蛋白质二级结构上发生改变，蛋白质的特征结构表现不明显，但是从红外光谱中可看出不同鼠尾草酸米糠蛋白复合膜在2 400-1~1 800-1范围内，随着添加量增加吸收峰有逐渐增加的趋势。根据以上研究结果，鼠尾草酸米糠蛋白复合膜可能被作为食品包装材料，尤其是包装具有高氧化性的食品，进一步将以检测该复合膜对不同食品的应用效果进行研究。

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Preparation and Properties of Rice Bran Protein Film Incorporated with Carnosic Acid

QIYihui，*WU Longkun，DONG Shengzhong，SHAN Xiufeng，XU Jie
（Grain Science and Technology College，Shenyang Normal University Experimental Teaching Center Shenyang，Liaoning 110034，China）

In this study，objective to develop a novel bioactive edible rice bran protein film,and study its physical properties，structure and antioxidant activity.Protein from rice bran as membrane separation matrix，made of composite film added carnosic acid of different concentration，by testing the tensile strength test of itsmechanical properties，through the determination ofwater vapour transmission rate，transmittance and by scanning electronmicroscopy to elucidate the theme structure，and through the oxygen free radical scavenging ability to determine its antioxidant properties，physicochemical properties research and discussion of carnosic acid of rice bran protein film.Carnosic acid（CA）concentrations ranging from 0 to 0.8%（W/V），incorporated in a rice bran protein（RBP）films are used.Physical，mechanical，barrier，and antioxidant properties of RBP films are evaluated.Film with 0.5%CA has themaximal breaking strength（984 g）and the highest fracturing distance（5.89 mm）.Additionally，CA incorporated films became darker and showed a higherΔE value.The RBP film has the better microstructure.The CA of rice bran protein films，with the increase of concentration ofmembrane free radical（DPPH·）scavenging activity increased，the antioxidant activity of rice bran protein membrane（p<0.05）significantly improved.Research shows that the rice bran protein film prepared with antioxidant properties，with applications in packaging potential.

rice bran protein；arnosic acid；films；physical characteristics；antioxidant activity

TS201.2

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.04.001

1671-9646（2017）04a-0001-04

2017-03-01

国家级大学生创新创业训练计划（201610166028）；沈阳师范大学科研项目“米糠蛋白成膜机理研究”（L201520）。

齐艺惠（1997—），女，在读本科，研究方向为粮食蛋白研究。

*通讯作者：吴隆坤（1980—），女，在读博士，讲师，研究方向为粮食、油脂及植物蛋白。