L 半胱氨酸改性对小麦蛋白基塑料板性能的影响研究

李萌萌，卞 科*，万小乐，关二旗

(1. 河南工业大学粮油食品学院，谷物资源转化与利用省级重点实验室，郑州 450001；2. 大连市粮食局粮油检验监测站，辽宁 大连 116021)

0 前言

小麦蛋白又称小麦面筋蛋白(俗称谷朊粉)，是小麦淀粉加工的副产物，具有来源丰富、质优价廉、可再生、无污染、易降解等优点。小麦面筋蛋白占小麦中蛋白质总量的80 %左右，主要由麦谷蛋白和醇溶蛋白组成，前者赋予面团弹性，后者赋予面团黏性和延伸性，因而小麦蛋白具有优良的粘弹性、延伸性和薄膜成型性等特点[1]。小麦蛋白质分子具有众多的氨基、羧基、羟基等活性基团，通过适当的改性可制备出一系列具有优良性能的新材料[2-3]。例如，可以通过加入水、甘油等含有羟基的小分子，提高小麦蛋白的增塑作用和熔体流动性，从而获得具有优异热塑加工性能的改性小麦面筋蛋白[4]。随着石油资源的日趋紧张和人们绿色环保意识的不断增强，利用可再生资源开发新型材料的课题受到了广泛的关注，而小麦面筋蛋白更是以其自身的优势成为该研究的一大热点，其中生物质可降解蛋白质塑料的研究拓宽了小麦面筋蛋白在材料行业中的应用领域。

蛋白质塑料即以蛋白质为塑料的基体材料，通过不同改性方法制得达到应用目的的材料，目前采用小麦蛋白改性制作可降解塑料已有广泛研究[5-7]。如Woerdeman等[8]对小麦蛋白结构进行改性，增加了其韧性和可塑性，从而使小麦蛋白有可能发展成生物降解的高性能工程塑料或复合物。目前制约小麦蛋白改性制作塑料的瓶颈主要是改性试剂的选择以及改性方法的优化。L - 半胱氨酸是白色结晶状粉末，异臭、味酸、易溶于水、微溶于乙醇、对酸稳定，在蛋白质中L - 半胱氨酸常以其氧化型L - 胱氨酸形式存在[9]。L - 半胱氨酸的存在可以保持蛋白质的稳定性，同一条或不同多肽链2个L - 半胱氨酸残基间以二硫键(—S—S—)连接，使蛋白质具有稳定的空间立体结构[10]。本研究正是利用L - 半胱氨酸侧链上的活性巯基对小麦面筋蛋白进行改性。考察了改性剂添加量、改性温度和改性时间对小麦蛋白基塑料板性能的影响，通过正交试验得到L - 半胱氨酸改性小麦面筋蛋白制作塑料板的最佳工艺，为扩大小麦面筋蛋白在非食品领域中的应用提供参考。

1 实验部分

1.1 主要原料

小麦面筋蛋白，浅黄色粉末状，于4 ℃冰箱保存，河南郑州豫香食品有限公司；

L - 半胱氨酸，分析纯，河南绿洲化工产品有限公司；

羟甲基纤维素钠，分析纯，天津市致远化学试剂有限公司。

1.2 主要设备及仪器

导热油加热自动平板硫化机，XLB-Y350*350*2-Z，上海齐才液压机械有限公司；

微机控制万能试验机，MWD-10，济南思达测试技术有限公司；

冲片机，CP-25，无锡东烨仪器厂；

扫描电子显微镜(SEM)，S-3400NII，日本日立公司；

超级循环四孔恒温水浴锅，HH-W4，上海赫田科学仪器有限公司；

精密增力电动搅拌器，JJ-1，金坛市华峰仪器有限公司；

冷冻干燥机，LGJ-18，北京四环科学仪器厂。

1.3 样品制备

以L - 半胱氨酸添加量、改性温度和改性时间为单因素，各选取5个水平进行单因素试验，以拉伸强度、断裂伸长率和吸水率为考察指标进行正交试验，确定L - 半胱氨酸改性小麦面筋蛋白制作塑料板的最佳条件，实验具体操作过程如下：常温下，将约0.1 g羟甲基纤维素钠加入到125 mL蒸馏水中，用磁力搅拌器搅拌均匀，设定不同的改性温度；待溶液温度上升至所设定改性温度时，缓慢向其中加入25 g小麦面筋蛋白，再分别加入不同质量分数的L - 半胱氨酸进行改性，设定不同改性时间，反应完成后，取出溶液，室温下冷却备用；实验过程中L - 半胱氨酸添加量、改性温度和改性时间设置为：

(1)L - 半胱氨酸添加量：改性温度设定为50 ℃，L - 半胱氨酸按照小麦面筋蛋白质量百分比的2 %、4 %、6 %、8 %和10 %添加，改性时间为20 min；

(2)改性温度：L - 半胱氨酸添加量为6 %，改性时间为20 min，改性温度分别设定为20、30、40、50、60 ℃；

(3)改性时间：L - 半胱氨酸添加量为6 %，改性温度设定为50 ℃，改性时间分别设定为10、20、30、40、50、60 min；

(4)L - 半胱氨酸改性后处理：以4 000 r/min的速度对L - 半胱氨酸改性后的小麦面筋蛋白溶液离心10 min，除去上清液；取固形物置于冷冻干燥机中进行冷冻干燥后粉碎过250 μm筛，并将筛下物置于用饱和硫酸钾溶液在35 ℃形成的相对湿度为96 %的密闭环境中进行水分调节；当水分含量达到17.26 %时，取20 g样品均匀平铺于模具中，然后在135 ℃、8 MPa和9 min的条件下热压成型，分别测定试样的拉伸强度、断裂伸长率和吸水率；

(5)正交试验：根据以上单因素试验结果，分别以拉伸强度、断裂伸长率和吸水率为指标，从每个因素中各选3个最优水平，进行正交试验，确定最佳的L - 半胱氨酸改性条件。

1.4 性能测试与结构表征

拉伸性能按GB/T 1040.1—2006进行测试，拉伸速率为30 mm/min;

吸水率按GB/T 1034—2008进行测试，并按式(1)计算吸水率(C)：

C=(m2-m1)/m1×100 %

(1)

式中C——试样的吸水率，%

m1——浸水前干燥后试样的质量，mg

m2——浸水后试样的质量，mg

SEM分析：将待测试样进行镀金处理，然后利用SEM在10 kV的条件下进行观察，并设定不同放大倍数，得到改性处理前后试样的断裂面照片。

2 结果与讨论

2.1 L - 半胱氨酸添加量对塑料板性能的影响

在改性温度为50 ℃，改性时间为20 min的条件下，将L - 半胱氨酸按照小麦面筋蛋白量的2 %(0.05 g)、4 %(0.10 g)、6 %(0.15 g)、8 %(0.20 g)和10 %(0.25 g) 5个水平进行添加，研究不同L - 半胱氨酸添加量对塑料板各项性能指标的影响，结果如图1所示。

由图1可知，随着L - 半胱氨酸添加量的增加，小麦蛋白基塑料板的拉伸强度先升高后降低，断裂伸长率则呈现出不断降低的趋势。L - 半胱氨酸作为还原剂，可以清除蛋白质分子内/间的—S—S—，促进巯基(—SH)和—S—S—之间的交换反应，使得蛋白质多肽链广泛地发生聚合[11]，从而导致拉伸强度不断升高；同时，大量分子内/间—S—S—的形成极大降低了多肽链的活动性，导致断裂伸长率的下降。但是，在添加量大于小麦面筋蛋白质量的6 %(此时拉伸强度为26.93 MPa)时，拉伸强度就开始不断下降，说明过量L - 半胱氨酸的存在不能进一步加固已形成的网络结构。这可能是因为过量—SH的存在打破了原—SH和—S—S—之间的平衡，使得越来越多的—S—S—在断开的同时得不到及时重组而最终导致分子链断裂。

(a)拉伸性能 (b)吸水率图1 L - 半胱氨酸添加量对小麦蛋白基塑料板性能的影响Fig.1 Effect of L-cysteine addition amount on properties of wheat-gluten based bioplastics

此外，小麦面筋蛋白基塑料板的吸水率随L - 半胱氨酸添加量的增加表现出先降低后升高的趋势，并且在添加量为6 %时达到最小值74.93 %。由图中趋势可以看出，吸水率和拉伸强度的变化规律呈负相关。分析认为，蛋白质的聚合程度随L - 半胱氨酸添加量的增加而不断升高，使得网络结构中空隙的数量和大小持续减少，最后造成吸水率不断降低；而当L - 半胱氨酸过量时，该网络结构因为部分分子链的断裂而趋于松散，导致其容积增大，吸水性能得到提高。综合考虑3个指标，当L - 半胱氨酸添加量为小麦面筋蛋白质量的6 %时，各项指标达到最佳水平。

2.2 改性温度对塑料板性能的影响

为了确定L - 半胱氨酸改性的最佳反应温度，在L - 半胱氨酸添加量为6 %，改性时间为20 min的条件下，设定改性温度为20、30、40、50、60 ℃，研究改性温度对塑料板各项性能指标的影响，结果见图2。

(a)拉伸性能 (b)吸水率图2 改性温度对小麦蛋白基塑料板性能的影响Fig.2 Effect of temperature for modification on properties of wheat-gluten based bioplastics

由图2可知，随着反应温度的上升，拉伸强度整体上表现出先升高后降低的趋势，并在40 ℃时取得最大值30.87 MPa；而断裂伸长率则表现为先不断降低，然后基本保持不变；吸水率则整体下降，且在改性温度为50 ℃时剧烈下降至最低值。可能的原因是，随着反应温度的上升，蛋白质受热发生变性，其立体结构得到了一定程度的伸展，部分疏水性氨基酸也得以暴露，并参与了—S—S—的断开和重组，使蛋白质的交联更加紧密，分子内自由体积减小，链段的活动性也随之降低，最终导致拉伸强度不断增大，断裂伸长率和吸水率不断下降[12]。当温度大于40 ℃，蛋白质受热变性过度，结构遭到了破坏，所以拉伸强度转而下降；此时，蛋白质的结构松散、老化，仅靠固有的化学键来维持，使得断裂伸长率降至最低值13.60 %。

2.3 改性时间对塑料板性能的影响

为了研究L - 半胱氨酸改性的最佳反应时间，在L - 半胱氨酸添加量为6 %，改性温度为50 ℃的条件下，设定改性时间为10、20、30、40、50、60 min，研究改性时间对塑料板各项性能指标的影响，结果见图3。

由图3可知，随L - 半胱氨酸改性时间的延长，拉伸强度先增大后减小，并在50 min时达到最大值30.79 MPa；断裂伸长率则表现为不断降低，然后基本保持不变；吸水率不断升高，然后急剧下降，并在60 min时取得最小值65.58 %。随改性时间延长，蛋白质的热变性更为充分，单位体积蛋白质接受的热能越多，较易达到化学键的活化能，从而使得L - 半胱氨酸侧链上的活性—SH与蛋白质间的交联反应更广泛。蛋白质交联度也随之大幅度提升，所以拉伸强度不断增大，吸水率也随之上升。而当改性时间大于50 min时，蛋白质结构遭到破坏，使得拉伸强度转而下降。实验过程中发现，当改性时间超过40 min后，溶液中的固形物较难搅拌，蛋白质聚集成团，且韧性较弱，黏性下降。且当改性时间超过40 min时，吸水率急剧下降，从侧面也证明了蛋白质结构变得较为松散，持水性下降。

(a)拉伸性能 (b)吸水率图3 改性时间对小麦蛋白基塑料板性能的影响Fig.3 Effect of time for modification on properties of wheat-gluten based bioplastics

2.4 正交试验

依据以上单因素实验结果，以小麦蛋白基塑料板的两项主要性能指标拉伸强度和断裂伸长率为评价指标，选取L - 半胱氨酸添加量、改性温度和改性时间每个因素的3个最优水平，按照正交表L9(34)进行正交试验确定优化条件，结果见表1至表3。

表1 正交试验因素水平表Tab.1 Orthogonal factor level table

表2反映了采用L - 半胱氨酸改性小麦面筋蛋白制备塑料板的过程中，以拉伸强度为主要考察指标所进行正交试验的方差分析表。由方差分析结果可知，各因素对拉伸强度的影响顺序为B>A>C，即改性温度>L - 半胱氨酸添加量>改性时间，同时由表2中方差分析可验证，改性温度对拉伸强度的影响均为显著。综上所述，若以拉伸强度为主要考察指标，L - 半胱氨酸改性小麦面筋蛋白的最佳条件为A2B2C3，即L - 半胱氨酸添加量为6 %，改性温度为40 ℃，改性时间为50 min，此时小麦蛋白基塑料板的拉伸强度为37.68 MPa，断裂伸长率为22.83 %，吸水率为76.08 %。

表2 拉伸强度正交试验方差分析表(a=0.05)Tab.2 Orthogonal test variance analysis table of tensile strength

表3反映了小麦面筋蛋白基塑料板的L - 半胱氨酸改性中，以断裂伸长率为主要考察指标所进行正交试验的方差分析表。由正交试验结果分析可知，各因素对断裂伸长率的影响顺序为B>A>C，即改性温度对断裂伸长率的影响最大，L - 半胱氨酸添加量次之，最后为改性时间。同时由表3中方差分析可知，改性温度对断裂伸长率的影响均为显著。综上所述，若以断裂伸长率为主要考察指标， L - 半胱氨酸改性的最佳条件为A1B1C1，即L - 半胱氨酸添加量为4 %，改性温度为30 ℃，改性时间为30 min，此时小麦蛋白基塑料板的拉伸强度为13.24 MPa，断裂伸长率为80.19 %，吸水率为80.31 %。

表3 断裂伸长率正交试验方差分析表(a=0.05)Tab.3 Orthogonal test variance analysis table of breaking elongation

2.5 模压板断裂面SEM分析

经过改性后的小麦蛋白基塑料板界面性能发生了明显变化，图4即显示了平衡水分为17.26 %时的谷朊粉和经L - 半胱氨酸改性且达到同一平衡水分后的谷朊粉模压板断裂面的SEM照片。从图中可以看出，改性前模压板断裂面结构细腻而平整，致密程度较高，说明模压板分子结构均匀单一，同时也印证了主要由麦谷蛋白和醇溶蛋白交联而成聚合物的大量存在。也可进一步推论，由于没有其他类型大分子聚合物的存在，使得模压板被拉伸时自身分子抗力单一，韧性不足导致断裂面出现清晰可辨的层状纹理。经L - 半胱氨酸改性后，模压板断裂面大而粗糙，分子排列呈网状交错结构，有大小不一的孔洞存在，说明在改性剂L - 半胱氨酸的作用下，由麦谷蛋白和醇溶蛋白交联而成的聚合物在不同肽链间被进一步广泛交联，形成分子量更大却又各不相同的聚合体，使得分子抗力机制多样化，从而使小麦蛋白基模压板的力学性能得以提高。

(a)改性前 (b)改性后图4 改性前后小麦面筋蛋白基模压板断裂面SEM照片Fig.4 SEM of wheat-gluten based bioplastics modified by L-cysteine or not

3 结论

(1)若以拉伸强度为主要考察指标，L - 半胱氨酸改性小麦面筋蛋白的最佳条件为L - 半胱氨酸添加量6 %，改性温度40 ℃，改性时间50 min，此时小麦蛋白基塑料板的拉伸强度为37.68 MPa，断裂伸长率为22.83 %，吸水率为76.08 %；

(2)若以断裂伸长率为主要考察指标，L - 半胱氨酸改性小麦面筋蛋白的最佳条件为L - 半胱氨酸添加量4 %，改性温度30 ℃，改性时间30 min，此时小麦蛋白基塑料板的拉伸强度为13.24 MPa，断裂伸长率为80.19 %，吸水率为80.31 %；

(3)经L - 半胱氨酸改性后，小麦蛋白分子内部多肽链发生了广泛地聚合，模压板的内部分子排列呈网状交错结构，说明该改性方法可以提高小麦蛋白基模压板的力学性能。

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