大豆分离蛋白膜结构与配方优化研究

冉锐敏，王璐瑶，何淑蹇，何宾宾，杨 霞，陈赛艳*，冀俊杰，王彩霞，吴贺君

（1.四川农业大学食品学院，四川雅安 625014；2.山东技师学院，济南 250200）

复合包装膜作为当前包装膜的研究热点，有替代塑料包装膜的趋势，尤其在食品包装上应用潜力巨大。可食性膜常用的材料是三大类生物基物质，多糖、蛋白质和脂类。大豆分离蛋白（soybean protein isolate，以下简称 SPI）中含有 90%以上蛋白质[1-2]，且具有优良的成膜性能[2]，合成的SPI膜的机械性能和阻隔性均强于其他两种材料[3]。同时作为大豆油工业的副产品，合成的SPI膜用于食品包装工业中，可以减少废弃物产生，同时提高农业副产品的应用价值[4]。故本项目选用SPI为主要成膜物质，合成可食性包装膜。

但是，单一SPI膜的易溶于水，导致其应用受到限制，故研究者多合成以SPI为基本成膜物质的复合膜。有学者采用硬脂酸与SPI膜进行生物融合，提高膜的耐水性[5]。也有研究者在SPI中加入改性后的大豆秸秆纤维素[6]，促进SPI内部极性基团和大豆秸秆内部羟基的交联，降低膜水溶性的同时还能提高SPI膜的机械强度。由于蛋白质分子键的刚性作用，单一的蛋白膜脆性大，有研究者通过添加增塑剂减少聚合物相邻链间的分子内相互作用[7]，从而增加膜的柔韧性和可加工性。甘油作为常用的增塑剂，安全无毒，能保持SPI膜中的水分，提高其乳化性能[5]，故用于本研究中提高SPI膜的机械性能。本项目选用SPI为主要成膜物质，并添加甘油作为增塑剂，乙醇为消泡剂，合成复合包装膜。

1 材料和方法

1.1 材料

大豆分离蛋白，食品级：哈尔滨高科技大豆食品有限公司；甘油，食品级：西陇科学股份有限公司；乙醇，分析纯：成都科龙试剂有限公司。

1.2 仪器设备

PHS-25酸度计：成都世纪方舟科技有限公司；CR400色差计：柯尼卡美能达公司；YT-GM光泽度仪：杭州研特科技有限公司；HD-B6098-S电子显示拉力试验机：江苏海达仪器有限公司；台式干燥箱：北京中兴伟业仪器有限公司；T9-1磁力加热搅拌器：金坛市富华仪器有限公司；Nicolet 6700红外光谱仪：赛默飞世尔科技公司；JSM-7500F扫描电镜：中国富瑞宝国际有限公司；WGW型光电雾度仪：上海仪电物理光学仪器有限公司。

1.3 膜制备方法

根据前期试验基础及文献[8]所得，称取一定量的大豆分离蛋白溶解在蒸馏水中，配制成大豆分离蛋白水溶液，加入增塑剂、消泡剂，搅拌20 min，升温至60～70℃，保温30 min，用0.1 mol/L NaOH将pH调节至10±0.5，再于室温、真空度为-0.095 MPa下脱气，以除去溶解在浆料中的气泡。取30 mL浆液流延至有机玻璃板上，60℃恒温干燥5～6 h，取出，在相对湿度为93%、温度为25℃的条件下均湿回软24 h，待测。

1.4 试验设计

在上述操作过程中，以100 mL成膜液为基准，分别研究不同甘油含量（3、3.5、4、4.5、5 g），乙醇含量（1、2、3、4、5 mL），大豆分离蛋白含量（4、5、6、7、8 g）对大豆分离蛋白膜的微观结构、机械性能和光学性能的影响。

1.5 膜测定方法

1.5.1 傅里叶变换红外光光谱

采用Nicolet 6700红外光谱仪测定红外光谱图，定性表征物质的结构，扫描范围400～4 000 cm-1[9]。

1.5.2 扫描电子显微镜

采用高真空工作，加速电压15～20 kV范围下对膜的横断面进行电子显微镜观[10]。

1.5.3 透明度

按照《GB/T 2410-2008》[11]的方法用 WGW 型数字自动光电数字雾度计测定膜的透明度。

1.5.4 光泽度

参照《GB/T 8941-2013》[12]中的方法检测薄膜的光泽度。

1.5.5 厚度

参照《GB/T 6672-2001》[13]方法测定薄膜的厚度。

1.5.6 机械性能

参照《GB/T 1040.3-2006》[14]中的方法检测薄膜的拉伸强度（TS）和断裂伸长率（EAB）。将膜裁剪为80 mm×15 mm的长条，将初始距离设置为40 mm，测定速度为1 mm/s。每组样品测试3个平行样品，TS、EAB按照公式分别进行计算：

式中F：膜断裂时承受的最大张力/N；B：膜宽度/mm；H：膜的厚度/mm；D：膜断裂时的长度/mm；L：膜的初始长度/mm。

1.5.7 色度

参照《GB/T 7921-2008》[15]，用 SC-10 分光测色计（苏州欣美和仪器有限公司）对膜颜色进行表征，按公式计算出ΔE：

式中：L*、a*、b* 为膜的色度值，L=97.40，a=-0.65，b=0.55为标准白的色度值。

2 结果与分析

2.1 薄膜的红外光谱图

大豆分离蛋白膜与甘油的红外光谱对比图如图1所示，1 036 cm-1处是C-O的伸缩振动，1 625 cm-1处是C=O键的伸缩振动峰，1 537 cm-1是N-H的弯曲的吸收峰[5]，1 235 cm-1处C-N和N-H的伸缩振动峰[16]，3 270 cm-1处是O-H键的伸缩振动和N-H的弯曲振动吸收峰，2 852、2 923 cm-1处是C-H键的吸收峰[17]，这些吸收峰均来自于大豆分离蛋白膜。甘油的特征吸收峰在成膜后均消失或减弱，其中强度最大且位于1 645 cm-1处的特征峰也完全消失[18]，表明甘油与大豆分离蛋白之间存在化学交联，融合性强。

图1 大豆分离蛋白膜与甘油的傅里叶红外光谱对比图（a：甘油，b：SPI膜）Figure 1 Comparison of Fourier infrared spectra between soybean protein isolate film and glycerin（a：glycerin；b：SPI film）

2.2 薄膜的SEM图

膜的微观结构反映膜的均一性和致密性。大豆分离蛋白膜在加入甘油前后的扫描电镜图如图2所示。由图可见，未加入甘油的SPI膜横截面有大量的褶皱；加入甘油后，褶皱消失，内部结构均一。表明甘油与SPI粉末具有良好的融合性，甘油的填充作用及其与薄膜基体的强交联，有利于形成更致密，更均匀的三维网络结构。这与红外光谱图得出的结论一致。

图2 大豆分离蛋白膜加入甘油前后的扫描电镜对比图Figure 2 SEM of SPI films with or without glycerin

2.3 甘油含量对薄膜性能的影响

依据前期文献所得，取6 g大豆分离蛋白，4 mL乙醇和不同量的甘油，通过流延法制备大豆分离蛋白膜并测定其性能。不同甘油含量对薄膜光学性能的影响如表1所示，对薄膜机械性能的影响如图3所示。其中，光泽度采用75°角测试。膜的色度值采用Lab系统表示。L代表明度，范围从0到100，0表示黑色，100表示白色；+a表示膜色度偏红，-a表示膜色度偏绿；+b表示膜色度偏红黄，-b表示膜色度偏蓝。色差用ΔE表示。

图3 不同甘油添加量对薄膜拉伸强度和断裂伸长率的影响Figure 3 Effects of different glycerin contents on tensile strength and elongation at break of films

由表1可知，SPI膜的L值随着甘油含量增加而降低，a值随着甘油含量增加先降低后升高，b值随着甘油含量增加先升高后降低。以上数据表明，随着甘油含量增加，SPI膜的明度降低。a值为正，表明SPI膜颜色偏红，b值为正，表明SPI膜颜色偏黄。同时，色差随着甘油含量增加先降低后升高，在甘油添加量为4 g时，色差值达到最小，其值为3.69±0.29。由于甘油本身是黄色，在混合进SPI膜的分子链中时，造成SPI膜色调偏黄，但随着甘油加入过量，大豆分离蛋白的双键与乙醇交联重组完成，过量的增塑剂不再进入薄膜内部，SPI膜结构紧密，色度稳定（P＞0.05），这与前人的研究相似[19]。SPI在成膜过程中，致密的空间网络结构会增加薄膜的不透明度并降低L值。在包装领域，薄膜的L值降低有助于防止包装内食品的氧化变质。当甘油添加量为3～4 g时，薄膜透明度随着甘油含量的增加而降低，这有利于阻止光照对食品品质的损坏，体现出SPI膜在包装领域的应用潜力。

表1 不同甘油添加量对膜的颜色影响Table 1 Effects of different glycerin contents on the color of films

单一的蛋白膜中，蛋白质分子键的作用是刚性的，膜较脆，往往需要添加增塑剂通过减少聚合物相邻链间的分子内相互作用[8]，从而来增加膜柔韧性和可操作性。由图3可知，随着甘油添加量的增加，大豆分离蛋白膜的拉伸强度降低，断裂伸长率增加。这与魏倩等[20]得到的甘油对大豆蛋白基可食性膜的机械性能的影响趋势相同。当甘油添加量为3～5 g时，小分子甘油渗透到大分子聚合物中，与酰胺基团形成氢键，减少分子内部的氢键作用，同时削弱了蛋白质分子间的范德华力，使相邻蛋白质聚合链间的分子相互作用降低，分子链之间的空隙增加，结晶度降低，膜的刚性结构被软化，柔韧性增加[21]。同时，随着甘油含量增大，膜内的羟基键结合的水分子量增加，作为增塑剂的水分子可增强高聚物内分子链的流动性和柔韧性，导致复合膜内部结构松散，拉伸过程中产生较大形变，提高了SPI膜的断裂伸长率[22]。加入甘油后的复合膜比纯SPI膜表面光滑、结构致密。但值得注意的是，当甘油添加量超过4 g时，过量的甘油不能与大豆分离蛋白充分结合，易造成增塑剂迁移和析出，膜黏性增大，不利于食品包装。综合上述分析，选择SPI膜的甘油含量为4 g。

2.4 乙醇含量对薄膜性能的影响

取6 g大豆分离蛋白，4 g甘油和不同含量的乙醇溶液，通过流延法制备大豆分离蛋白膜并测定其性能。不同乙醇含量对薄膜的光学性能的影响如表2所示。对薄膜机械性能的影响如图4所示。其中，光泽度采用75°角测试。由表2可知，SPI膜的L值在乙醇添加量为3 mL时，达到最大值89.07±0.89，此时明度最高。但是整体明度偏差不超过0.50，明度稳定。薄膜的a值为正，颜色偏红；b值为正，颜色偏黄。随着乙醇含量增加，薄膜的红色加深，黄色减弱，可以理解为薄膜的色度来自于甘油，随着乙醇含量增加，乙醇分子融进甘油分子的链结构，导致薄膜色度变浅。由表2还可发现，随着乙醇含量增加，膜的透明度降低，这是因为乙醇易与水发生共混作用，从而削弱了蛋白质-水的相互作用，促使蛋白质内部发生分子间或分子内的键合作用，形成致密的空间网络结构，降低了薄膜的透明度[23]。同时由于致密的空间结构不利于可溶性蛋白质扩散到空气/水界面，导致表面张力降低，起泡能力下降，有利于后期形成均匀的薄膜。当乙醇添加量超过3 mL时，膜的光泽度下降，是因为过量的乙醇改变了溶剂的组成，增加了溶剂挥发速度，SPI粉末未能在溶剂中充分溶解及分散，即留存在膜内部，造成SPI膜表面不均匀、颗粒度大，光泽度下降。

表2 不同乙醇添加量对膜的颜色影响Table 2 Effects of different ethanol contents on the color of films

由图4可知，当乙醇含量低于3 mL时，薄膜的拉伸强度和断裂伸长率随乙醇含量增加而增大；在乙醇含量3 mL时，机械强度达到最大值，拉伸强度为3.89 MPa，断裂伸长率为70.47%。乙醇作为溶液，一定程度上可增加蛋白质聚合物链的流动性和延展性，使蛋白质分子内部二硫键、巯基和疏水基团暴露出来，在成膜过程中，诱发更强烈的交联反应发生，增强膜的拉伸强度；当乙醇含量超过3 mL时，薄膜的拉伸强度和断裂伸长率均降低。这是因为过量的乙醇易导致蛋白质变性，造成不溶性和凝块的产生，严重者甚至会造成空隙和裂缝等缺陷[24]，降低了膜的机械性能，故在接下的试验中选择消泡剂（乙醇）的最佳含量为3 mL，同时甘油的含量是4 g。

2.5 大豆分离蛋白含量对薄膜性能的影响

取4 g甘油，3 mL乙醇溶液和不同含量的大豆分离蛋白，通过流延法制备大豆分离蛋白膜并测定其性能。不同大豆分离蛋白含量对薄膜光学性能的影响如表3所示，对薄膜拉伸强度和断裂伸长率的影响如图5所示。其中，光泽度采用75°角测试。

由表3可知，随着大豆分离蛋白含量的增加，薄膜的L值降低，明度降低。而随着SPI含量增加，a值和b值分别降低和升高，表面薄膜颜色由浅红色，并朝着黄色方向加深。但a值的增量在0.20之内，b值变化在0.50之内，总体色度稳定。主要是因为SPI本身具有淡黄色，故薄膜的色度偏黄[24]。薄膜的光泽度随着大豆分离蛋白含量的增加而增加，这是由于蛋白质含量增加，导致新形成的二硫键增强了大分子间的连接作用，从而形成了更加致密的网状结构，表面结构均匀，使得薄膜的光泽度增加。薄膜的透明度随着大豆分离蛋白含量的增加而降低，在8 g时达到最低值83.4±20.17，这是因为单位体积的成膜液中固形物含量随着大豆分离蛋白浓度的增加而增加，导致膜厚度增加，光的屏蔽作用被提高[25]，薄膜透明度降低。

表3 不同大豆分离蛋白添加量对膜的颜色影响Table 3 Effects of different soybean protein isolate contents on the color of films

由图5可知，薄膜的拉伸强度随着SPI含量的增加而升高，断裂伸长率随着SPI含量的增加降低。当SPI含量为8 g时，拉伸强度为6.35 MPa，断裂伸长率为22.44%，相对于SPI含量为4 g时，拉伸强度和断裂伸长率分别升高了约44%，降低了约68%。原因是大豆分离蛋白主要依靠二硫键（S-S）的作用成膜[26]。S-S键初步还原裂解成（SH）基，分散在溶剂中，降低多肽分子量，同时分散的蛋白质分子又被氧化，重新形成S-S键，完成成膜过程。随着大豆分离蛋白的含量增大，蛋白质凝聚时产生的氢键、S-S键增多，疏水性相互作用增大，使膜的拉伸强度变大。同时更多二硫键的形成会增大分子间的相互作用，促使多肽链的链内与链间的交联，流动阻力增大，膜刚性增加，柔韧性降低。但当SPI含量增加达到一定程度后，表面出现未溶解性的SPI颗粒，产生团聚现象影响膜的流平性，同时使膜在受到外力时，团聚区域受力过于集中，膜整体的柔韧性偏低[27-28]。通过拉伸强度及断裂伸长率的变化趋势对比，发现大豆分离蛋白含量为6 g时，膜的性能适中，适合用于食品包装。

从以上分析可知，当甘油添加量为4 g时，SPI膜表面光滑、结构致密；当乙醇含量3 mL时，机械强度达到最大值；当大豆分离蛋白添加量为6 g时，通过拉伸强度及断裂伸长率的变化趋势对比，发现此时膜的性能适中，适合用于食品包装中。综合考虑，蛋白质含量取6 g，同时乙醇含量取3 mL，甘油含量取4 g，此时大豆分离蛋白膜的综合性能最佳。

3 结论

本研究以大豆分离蛋白（SPI）为原料，甘油为增塑剂，乙醇为消泡剂，通过交联的方式制备大豆分离蛋白膜，研究了大豆分离蛋白含量、甘油含量、乙醇含量对大豆分离蛋白膜性能的影响。结果表明：当大豆分离蛋白含量为6 g，甘油为4 g，乙醇为3 mL时，制备出的薄膜光学性能优良，色差为9.71±0.76，透明度（85.08±0.61）%，光泽度为 33.31±0.61，薄膜的拉伸强度为5.80 MPa，断裂伸长率为35.63%。膜具有光滑的外观和优良的机械性能，是一种无毒，可生物降解的绿色包装材料，具有极大的发展潜力。