液体石蜡对麦麸纤维/小麦麸质蛋白复合膜性能的影响

余国贤 高 佳 康 欣 吴贺君 黎杉珊 申光辉 张志清

(四川农业大学食品学院，雅安 625014)

小麦麸质蛋白,又称小麦面筋蛋白、谷朊粉(wheat gluten，WG)其膜因优良的热封性、阻氧性、阻油性且安全可降解，受到广泛关注[1]。但小麦麸质蛋白膜的机械强度低、阻水性差，限制了其在食品工业中的应用[2]。因此，改善小麦麸质蛋白膜的机械性能、阻水性能是当前研究的热点问题。植物纤维素作为天然高分子，拥有良好的生物相容性和降解性，且机械强度高，通常被用作天然增强材料。国内外研究表明，添加纤维素的可提高植物蛋白基膜的机械性能[3-5]。但是，纤维素分子拥有丰富的亲水性基团—OH，与小麦麸质蛋白复合成膜，其阻水性能仍与实际应用存在一定的差距。

脂类物质疏水性好，可有效阻止水分的吸附和传递，在改善蛋白膜阻水性能方面具有良好的应用潜力。常南[6]利用石蜡、蜂蜡和月桂酸分别对小麦麸质蛋白膜进行复合改性，结果表明添加适量脂质可有效地提高小麦麸质蛋白膜的阻水性和阻氧性。Kowalczyk等[7]将乳脂、小烛树蜡、卵磷脂和油酸与豌豆分离蛋白复合成膜，结果显示乳脂与小烛树蜡能显著降低复合膜水蒸气透过系数。Gontard等[8]研究表明，蜂蜡能增强小麦麸质蛋白膜的阻水性，但会降低其机械性能。

液体石蜡属于强疏水性脂质，具有稳定性好、黏度低、乳化性能优良及密度适中等优点，与蛋白或多糖复合成膜结构致密，阻水性能强[9-10]。目前对蛋白基膜性能的改善，大部分为向单一蛋白基质中添加多糖或者脂质以改善其性能，而向多糖/蛋白复合膜液中添加脂质以改善膜阻水性能的研究还较少。因此，为进一步提高麦麸纤维/小麦麸质蛋白复合膜阻水性能，本研究通过向麦麸纤维/小麦麸质蛋白复合成膜系统中添加不同质量分数的液体石蜡，运用数学模型对复合膜的等温吸湿曲线进行拟合，考察添加液体石蜡对复合膜的吸湿动力学过程和吸湿性能的影响，并比较所制备的复合膜透水性能、力学性能及光学性能等指标的差异。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

小麦麸质蛋白，粗蛋白质量分数≥75%；麦麸；单甘酯(食品级)；高效切片石蜡;其他化学试剂均为分析纯。

1.2 主要仪器设备

ST16R冷冻离心机；ZNC-300超微粉碎机；FJ200-SH高速分散机；GJJ高压均质机；TA-XT Plus质构仪；UV-3100紫外-可见分光光度计；NR10QC便携式色差仪；OCAH-200视频接触角测试仪。

1.3 方法

1.3.1 麦麸纤维素的制备

取适量经预处理的麦麸以1∶10(g/mL)混合，煮沸10 min，用NaOH调节pH至13左右，并于80 ℃水浴中浸提4 h，洗涤至中性；再用HCl调节pH至1～2，于60 ℃水浴中浸提2～3 h，洗涤至中性。用75%的乙醇脱水后干燥，经超微粉碎机粉碎至120目以上备用[11-12]。

1.3.2 复合膜的制备

称取25.6 g小麦麸质蛋白粉溶于154 mL体积分数为35%的乙醇溶液中，于45 ℃水浴加热搅拌，使其分散均匀，调节pH值至11.5，于80 ℃水浴反应15 min进行热碱改性，45 ℃保温备用。取14.4 g麦麸纤维素分散于160 mL蒸馏水中，高速分散10 min备用。将麦麸纤维素液缓慢加入小麦麸质蛋白液中，电动搅拌器不断搅拌使之混合均匀，取86 mL无水乙醇使小麦麸质蛋白液补齐到相同乙醇体积分数，调节pH值至11.5，加入8 g甘油和0.06 g黄原胶，高速分散5 min，25～30 MPa高压均质10 min，45 ℃下保温备用。同时，分别称取质量分数0%、5%、10%、15%、20%的液体石蜡(以小麦麸质蛋白和麦麸纤维素干粉总量计)，并加入总质量分数10%的乳化剂单甘酯和吐温-80(以液体石蜡质量计，其中单甘酯与吐温-80质量比为2∶3)于50 ℃水浴中乳化均匀。将乳化好的液体石蜡倒入保温待用的麦麸纤维素/小麦麸质蛋白复合膜液中，高速分散15 min，真空脱气至无气泡。取22.5 mL膜液倒入自制有机玻璃框(15 cm×15 cm)均匀流延，静置30 min，于55 ℃下干燥成膜。复合膜置于相对湿度(RH)53% ±1% (内装饱和硝酸镁溶液保持其湿度)的干燥器中，(25±1) ℃下平衡48 h后测定性能指标[12]。

1.3.3 复合膜性能指标测定

1.3.3.1 膜厚度的测定

根据GB/T 6672—2001《塑料薄膜和薄片厚度测定-机械测量法》，采用电子数显千分尺测量膜的四个顶点和中心点，取其平均值，用于各项性能计算。

1.3.3.2 膜吸湿性能的测定

复合膜裁剪成3 cm×3 cm的正方形片，于真空干燥箱中干燥24 h至恒重(-0.09 MPa，45 ℃)，然后放于(25±1) ℃下RH为11%、22%、43%、58%、75%、81%和92%(分别用氯化锂、醋酸钾、碳酸钾、溴化钠、氯化钠、溴化钾、硝酸钾的饱和盐溶液控制)的干燥器中，定时称重，至吸湿平衡。吸湿率M按式(1)计算。每个试样重复3次取平均值。

(1)

式中：M1、M2分别表示吸湿前、后试样的质量/g。

利用Peleg数学模型[13]对RH为43%、58%、75%的数据进行拟合，见式(2)。

(2)

式中：Mt为吸湿t小时后的吸湿率/%；M0为最初的含湿量/%；k1、k2为速率常数，k1越大，初始吸湿速率越小，k2越大，吸湿速率越小。

用决定系数(R2)和相对平均偏差(E)评定模型拟合效果。相对平均偏差模量E按式(3)计算[14]。

(3)

式中：n为实验数据数；Mi、Mpi分别为实验测得的第i次吸湿率和拟合的第i次吸湿率。E值小于5表示拟合精确，E值小于10表示拟合较好，E值大于10表示拟合效果差。

1.3.3.3 膜的吸附等温线模拟

BET、GAB理论模型和Oswin经验模型是拟合吸附数据常用的模型，Lewicki理论模型常用于模拟小麦面粉吸附特性拟合[13]。模型方程式见表1，模型拟合效果评价方法同1.3.3.2。

表1 4种吸附等温模型方程

注：Meq表示为水分活度为aw时的水分含量(g水/g干重)，m0为单分子层吸附值(g水/g干重)。

1.3.3.4 膜透水性能的测定

参照GB/T 1037—1988《塑料薄膜和片材透水蒸气性试验方法》，采用拟杯子法测定其水蒸气透过系数(water vapor permeability，WVP)[12]。每个膜样重复3次取其平均值。WVP单位为g·cm-1·s-1·Pa-1。

1.3.3.5 膜机械性能的测定

将待测膜样裁成50 mm×10 mm长方形，参照ASTMD-882(1999)的方法，用质构仪测定膜的抗拉强度(tensile strength，TS)和断裂伸长率(elongation at break，EAB)，夹距间距30 mm，测试速度1 mm/s[12]。每个膜样重复测量6次。TS单位为MPa，EAB单位为%。

1.3.3.6 膜光学性能的测定

以空白玻璃比色皿为对照，采用分光光度法测定膜样在600 nm处的透光率，并计算其透明度值[12]。每个膜样重复3次取其平均值。透明度值越大，复合膜的透明度越小。

使用便携式色差仪测定复合膜颜色变化。将待测膜样放在白色A4纸上，A4纸颜色参数(L=79.51、a=4.82、b=8.83)，测定膜样的L*、a*、b*和总色差ΔE值。颜色指数是L=0(黑色)到L=100(白色)，-b(蓝色)到+b(黄色)，-a(绿色)到+a(红色)。每个膜样重复3次取其平均值。ΔE按式(4)计算[15]。

ΔE=[(L*-L)2+(a*-a)2+(b*-b)2]0.5

(4)

式中：L*、a*和b*为复合膜样品的颜色参数；L、a和b为标准白板颜色参数。

1.3.3.7 膜水接触角的测定

使用光学接触角仪测试膜样表面的静态水接触角。取一滴去离子水滴到待测膜样表面，1 min后取值。每个膜样重复3次取其平均值。

1.3.4 数据处理与分析

所有实验数据均以平均数±标准差表示。采用SPSS 20.0软件进行数据处理，Origin 9.0软件进行模型拟合和绘图。ANOVA法进行方差分析，Duncan’s多重比较法进行显著性检验(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 复合膜的吸湿动力学

添加液体石蜡对麦麸纤维/小麦麸质蛋白复合膜吸湿曲线的影响结果见图1。

图1 不同相对湿度(RH)下液体石蜡对麦麸纤维/小麦麸质蛋白复合膜吸湿曲线的影响

由图1可见，复合膜的吸湿率随时间的增加而增加，在吸湿过程的初始阶段(0～10 h)，其吸湿率迅速增加，随后增加缓慢，直至吸湿平衡。相同RH条件下，复合膜的平衡吸湿率随液体石蜡添加量的增加而降低，液体石蜡添加量为20%时，43%、58%和75% RH下的平衡吸湿率分别为5.08%、8.44%和12.27%，分别比对照(5.99%、10.61%和16.58%)降低了约15.2%、20.5%和25.0%。同一液体石蜡添加量下，复合膜的平衡吸湿率随环境相对湿度的增大而提高。

由表2可知，将不同RH条件下的复合膜吸湿曲线进行Peleg模型拟合，决定系数R2均大于0.97，相对平均偏差模量E值均小于5%，模型拟合效果好，表明Peleg模型适用于模拟添加液体石蜡的麦麸纤维/小麦麸质蛋白复合膜吸湿过程。在RH(43%、58%)较低情况下，添加液体石蜡对复合膜吸湿曲线常数k1和k2均有影响，k1值随液体石蜡添加量的增加呈上升趋势，在液体石蜡添加为20%时达最大值，为空白对照组的4.47倍和3.78倍；k2值则表现为先增大后减小。表明添加液体石蜡能有效降低复合膜的初始吸湿速率和吸湿速率，且液体石蜡的用量越大，复合膜的初始吸湿速率越小，吸湿速率先降低后增加。其原因为在较低的RH下，适量液体石蜡的加入而引入大量的疏水基团，增大了水蒸气在复合膜表面吸附扩散的阻力[10,16]，从而降低吸湿性能。液体石蜡添加量过大(20%)，在成膜体系中均匀分散困难而形成不连续结构，使得吸湿速率增加。RH为75%时，液体石蜡的加入使k1和k2降低，且都在20%液体石蜡添加量下达最低值，比空白对照降低了约57.8%和12.0%。表明在高RH条件下，加入液体石蜡提高了复合膜的初始吸湿速率和吸湿速率，随着液体石蜡量添加量越大，复合膜的初始吸湿速率和吸湿速率都呈现先降低后升高的趋势，但添加液体石蜡的复合膜平衡吸湿率均低于未添加液体石蜡的复合膜。因此，添加液体石蜡的复合膜在不同RH条件下的吸湿动力学过程不同。

表2 不同相对湿度下Peleg模型拟合的吸湿曲线常数(k1和k2)、决定系数(R2)及相对平均偏差模量(E)

2.2 复合膜的吸附等温线

吸附等温线是描述在一定的温度和压力下，物料平衡含水率与水活度之间的热力学关系，可用于预测亲水膜材料的吸湿特性，并深入分析水与亲水膜材料组分间的相互作用[17-18]。由图2可知，25 ℃条件下，随着水分活度(aw)的增加，麦麸纤维/小麦麸质蛋白复合膜的水分含量呈整体上升的趋势，且与对照相比，添加液体石蜡可降低复合膜的水分含量。在较低水分活度(aw< 0.6)下，复合膜的水分含量增加缓慢，随后急剧上升。

图2 25 ℃条件下液体石蜡对麦麸纤维/小麦麸质蛋白复合膜吸附等温曲线的影响

由表3可知，通过GAB模型拟合的R2均大于0.99，且E值均小于5%，模型拟合精确；通过BET模型拟合的R2均大于0.98，其最高E值范围介于5%～10%，可用于复合膜的吸附等温曲线模型拟合；通过Oswin和Lewicki模型拟合的大部分E值大于10%，表明模型拟合效果差。

GAB模型中，单分子层吸附值m0表示每克干复合膜以单分子层形式排列后的最大吸湿量，可以用于衡量吸附位点的多少[19]。从表3可以看出，液体石蜡的添加降低了m0值，且在添加量为20%时达m0值最低，较对照降低了约40.4%，表明添加液体石蜡有效阻碍了一部分水分子在复合膜表面的吸附，从而降低复合膜的吸湿性能。C和k值均为热力学比例常数[20]，其中C值随液体石蜡添加量的增加表现出先增加后降低的趋势，添加15%液体石蜡复合膜的C值最高，比对照提高了约4.51倍。C值增加，表明单分子层的吸附热升高，水分子与复合膜表面吸附点的结合强度增大，水分子在复合膜表面吸附后不易解吸，复合膜具有更强的持水能力。GAB模型相较于BET模型，拟合结果更精确，因为GAB模型中引入了k值，而k值与复合膜的多分子层吸附热相关[21]，表明添加液体石蜡的麦麸纤维/小麦麸质蛋白复合膜水分子吸附过程解释为多分子层吸附更为准确。

表3 25 ℃条件下复合膜吸附等温模型参数、决定系数(R2)及相对平均偏差模量(E)

注：“—”表示模型无该参数。

2.3 复合膜的透水性能

图3 液体石蜡添加量对麦麸纤维/小麦麸质蛋白复合膜抗拉强度、断裂伸长率和水蒸气透过率的影响

由图3可知，添加液体石蜡后，麦麸纤维/小麦麸质蛋白复合膜WVP降低，且随液体石蜡添加量的增加呈先降低后升高的趋势。液体石蜡添加量为15%时，复合膜的WVP最小，为0.847×10-12g·cm-1·s-1·Pa-1，比对照(WVP=1.624×10-12g·cm-1·s-1·Pa-1)降低了约47.8%。液体石蜡属于典型的强疏水性物质，加入复合膜液中，减少了水分子与复合膜中亲水基团结合，宏观表现为WVP的降低。但液体石蜡添加过量，导致乳化不均，在复合膜中形成不连续状态，而导致复合膜WVP升高。进一步分析，水蒸气透过膜的过程包括吸附—扩散—解吸三步[22]，根据表3中GAB模型对复合膜吸附等温线的拟合数据，与对照相比，加入15%液体石蜡，使得m0值降低，C值升高，表明水蒸气在复合膜表面的吸附量减少，且吸附强度增大，水蒸气在复合膜表明解吸更为困难，解吸量降低，从而表明出WVP的下降。

2.4 复合膜的机械性能

由图3可见，复合膜TS和EAB均随液体石蜡添加量的增加而降低，液体石蜡添加量为5%时，和EAB降低都显著(P<0.05)。随着添加量继续增大，其TS和EAB降低变缓，液体石蜡添加量10%～15%，TS下降不显著；在添加量为5%～15%时，EAB下降不明显。这是因为液体石蜡含有大量的疏水基团，与麦麸纤维和小麦麸质蛋白复合，降低了其原有的网络结构的致密程度[23]，导致其机械性能降低。

2.5 复合膜的光学性能

由表4可知，在液体石蜡添加量为0%～15%时，b*未有显著变化，表明复合膜的颜色向黄色方向变化不明显。添加液体石蜡使得复合膜的L*、a*和总色差ΔE变化显著(P<0.05)，其中L*随液体石蜡添加量的增加而降低，a*和总色差ΔE均随着液体石蜡添加量的增加而升高，表明复合膜的颜色在往黑色和红色方向变化，这可能与液体石蜡的添加增加了麦麸纤维素和小麦麸质蛋白中的脂溶性色素溶出量有关[24]。复合膜的透明度值随液体石蜡添加量的增加而增大，当液体石蜡添加量为20%时，其透明度值最高，比对照膜样增加了约71.6%，说明添加液体石蜡的复合膜能有效阻挡部分自然光线的透射，但又仍然保持着一定的透明性，适用于一些光敏性物质的包装。

表4 液体石蜡添加量对麦麸纤维/小麦麸质蛋白复合膜色泽和透明度值的影响

注：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05),下同。

2.6 复合膜的接触角

由表5可知，添加液体石蜡能显著增大复合膜的水接触角(P<0.05)，且随液体石蜡添加量的增加呈现出先增加后降低的变化规律。未添加液体石蜡的复合膜水接触角为54.2°，亲水性较强，当添加15%液体石蜡时达最大，比对照膜样增加了约63.9%。结果表明添加液体石蜡能有效增强复合膜的疏水性，且在添加量为15%时，疏水性最强。这一结果主要是因为液体石蜡本身为强疏水性物质，加入复合膜液成膜可以阻碍一部分亲水基团与水分子结合，这也与复合膜吸附等温线的分析结果相吻合。

表5 液体石蜡添加量对麦麸纤维/小麦麸质蛋白复合膜水接触角的影响

3 结论

添加液体石蜡可降低麦麸纤维/小麦麸质蛋白复合膜的平衡吸湿率，改善复合膜的吸湿性能。通过Peleg模型研究RH为43%、58%和75%的吸湿动力学发现，不同RH条件下，添加液体石蜡的复合膜吸湿动力学过程不同。在低相对湿度下，添加液体石蜡会使复合膜的初始吸湿速率和吸湿速率降低；高相对湿度下，添加液体石蜡会提高复合膜的初始吸湿速率和吸湿速率。等温吸附曲线模型拟合结果表明，GAB模型对麦麸纤维/小麦麸质蛋白复合膜吸附等温线的拟合效果最好(R2>0.99，E<5%)，液体石蜡能降低复合膜的单分子层吸附值，增大水分子与复合膜大分子间的结合强度。液体石蜡作为强疏水性脂质，可大幅度降低麦麸纤维/小麦麸质蛋白复合膜的透水性，增大复合膜的水接触角，添加质量分数15%的液体石蜡可使复合膜的WVP值降低约47.8%，水接触角从54.2°增大至88.9°。此外，添加液体石蜡降低了复合膜的抗拉强度、断裂伸长率和透明度，加深了复合膜的色泽。综合添加液体石蜡对复合膜的各项性能影响，15%液体石蜡添加量所制备的液体石蜡/麦麸纤维/小麦麸质蛋白复合膜具有良好的阻水性能，并保持一定的机械强度和透光性。