一种新型大豆分离蛋白膜的制备及其性能

张轩，周玉茹，杜娟

武汉设计工程学院食品与生物科技学院（武汉 430205）

大蒜油被称为“天然广谱抗生素”，对多种微生物具有较强的杀灭或抑制作用，具有高效广谱、安全无毒的特点。大豆分离蛋白（SPI）易消化、有营养[1]，又因其大量的蛋白质分子间作用力的存在，制得的膜阻隔性能良好，且具有较强的机械强度，成为可降解、可食用保鲜膜研究的热点，被广泛应用于食品工业，如大豆分离蛋白膜替代香肠肠衣，作为功能性食品添加剂改善肉制品、面制品和乳制品的品质等[2-5]。研究向可食性大豆分离蛋白膜成膜基质中添加经β-环糊精包埋后的大蒜油，一方面隔绝了大蒜的刺激性气味，同时可通过大蒜素的逐步缓释实现抑菌隔菌的目的，从而制备出一种新型的可降解、安全可食用抗菌保鲜膜。通过研究其制备工艺参数，为可抗菌大豆分离蛋白膜的生产应用提供一定价值的参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

大蒜油（自制）；β-环糊精（分析纯，天津市科密欧化学试剂开发中心）；大豆分离蛋白（蛋白质质量分数90%，哈尔滨高科技大豆食品有限责任公司）；甘油、亚硫酸钠（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）。

紫外可见分光光度计（潍坊埃尔派粉体技术设备有限公司）；CJJ78-1磁力搅拌器（上海君竺仪器制造有限公司）；FA1004分析天平（上海越平科学仪器有限公司）；B220电热恒温水浴锅（上海亚荣生化仪器厂有限公司）；TS-2101双层次全温恒温培养振荡器（上海天呈试验仪器制造有限公司）；DHG-9240A电热恒温鼓风干燥箱（上海精宏试验设备有限公司）；ZQ-990拉力机（东莞市智取精密仪器有限公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 可抗菌大豆分离蛋白膜的制备

称取4 g大豆分离蛋白溶入适量的蒸馏水中，先用玻璃棒搅拌均匀，然后用磁力搅拌器进一步搅拌30 min直到搅拌均匀，搅拌过程中依次添加1 g大蒜油-β-环糊精包埋物，按比例添加2 g甘油、0.1 g亚硫酸钠，并调节体系pH 7，同时将搅拌好的溶液定容至100 mL，在80 ℃恒温水浴锅中加热30 min，用移液管除去泡沫，在室温下冷却并在PVC塑料胶片上流延成膜，放置于40 ℃恒温干燥箱干燥24 h，揭膜备用。

1.2.2 单因素试验

1.2.2.1 大豆分离蛋白与甘油配比对膜性能的影响

改变大豆分离蛋白与甘油的配比（1.0∶1，1.5∶1，2.0∶1，2.5∶1和3.0∶1 g/g），其他条件不变，按照1.2.1的方法制备可抗菌大豆分离蛋白膜，研究大豆分离蛋白与甘油配比对膜性能的影响。

1.2.2.2 亚硫酸钠添加量对膜性能的影响

改变亚硫酸钠添加量（0.05%，0.10%，0.15%，0.20%和0.25%），其他条件不变，按照1.2.1的方法制备可抗菌大豆分离蛋白膜，研究亚硫酸钠浓度对膜性能的影响。

1.2.2.3 大蒜油-β-环糊精包埋物添加量对膜性能的影响

改变大蒜油-β-环糊精包埋物添加量（0.5%，1.0%，1.5%，2.0%和2.5%），其他条件不变，按照1.2.1的方法制备可抗菌大豆分离蛋白膜，研究大蒜油-β-环糊精包埋物浓度对膜性能的影响。

1.2.2.4 反应温度对膜性能的影响

改变反应温度（70，75，80，85和90 ℃），其他条件不变，按照1.2.1的方法制备可抗菌大豆分离蛋白膜，研究反应温度对膜性能的影响。

1.2.2.5 反应体系pH对膜性能的影响

改变反应体系pH（6，7，8，9和10），其他条件不变，按照1.2.1的方法制备可抗菌大豆分离蛋白膜，研究反应体系pH对膜性能的影响。

1.2.3 正交试验

根据单因素试验结果，选取对膜性能参数影响较大的大豆分离蛋白与甘油配比、亚硫酸钠添加量、反应温度、体系pH四个因素，进行四因素三水平正交试验。

1.2.4 性能参数测定方法

1.2.4.1 透光率的测定

将成品膜剪裁成大小合适的长条状，紧贴在比色皿的一侧，在600 nm的波长下测其吸光度，以空白比色皿作为对照[6]。

1.2.4.2 水溶率的测定

将所得膜剪成半径为3 cm的圆形，放入干净的小烧杯中，在100 ℃下干燥至恒重（一般24 h），称定此时膜的质量，然后向烧杯加入适量水，在室温下放置12 h后，把水倒掉，再次将烧杯移至干燥箱中干燥至恒重，称定干燥后的膜的质量，根据式（1）计算其水溶率[7]。

式中：M为膜的初始质量，g；m为水解后剩余质量，g。

1.2.4.3 抗拉强度及伸长率的测定

将制得的膜裁剪成长度×宽度=30 mm×70 mm的方形样品，用拉力机测定膜抗拉强度及伸长率。测定条件：拉伸速率50 mm/min，间距50 mm，标距45 mm[8]。

1.2.4.4 隔菌率的测定

向培养皿中倒入培养基，将制备得到的可抗菌大豆分离蛋白膜经紫外灭菌后紧贴在培养基上，对照组不加保鲜膜，然后将浓度为105CFU/mL的病原菌（如金黄色葡萄球菌）菌悬液均匀涂抹于保鲜膜表面，在37 ℃下培养48 h，参照式（2）计算各组隔菌率[9]。

2 结果与分析

2.1 大豆分离蛋白与甘油配比对膜性能的影响

表1为大豆分离蛋白与甘油配比对膜各项性能的影响。随着大豆分离蛋白与甘油配比的增加，膜的水溶率逐渐降低，隔菌率逐渐提高，膜的抗拉强度、最大伸长率、透光率均呈现先升高后降低的趋势。这是由于大豆分离蛋白本身所含有的7S球蛋白在一定浓度下对一些病原菌有良好的抑菌作用[10]，因此，随着大豆分离蛋白与甘油配比的增加，其隔菌率逐渐提升。当配比为2.0∶1（g/g）时，膜的抗拉强度为7.5 MPa，最大伸长率为40.21%，膜的机械性能较好，但随着大豆分离蛋白与甘油配比的进一步提高，其隔菌率上升不大，透光率下降较明显，因此，大豆分离蛋白与甘油的最适配比选择2.0∶1（g/g）。

表1 大豆分离蛋白浓度对膜性能的影响

2.2 亚硫酸钠添加量对膜性能的影响

表2为亚硫酸钠添加量对膜性能的影响。随着亚硫酸钠添加量的增加，膜的透光率逐渐提高，隔菌率无显著差异，膜的抗拉强度、最大伸长率、水溶率均呈现先升高后降低的趋势。亚硫酸钠作为还原剂改善了大豆分离蛋白本身的浅黄色，从而使得膜的透光率随亚硫酸钠浓度的增加而逐渐提高。当亚硫酸钠添加量为0.15%时，膜的抗拉强度为9.1 MPa，最大伸长率为52.37%，水溶率为40.89%，膜的机械性能较好，但随着亚硫酸钠添加量的进一步提高，其透光率改变不大，隔菌率亦无显著改变，因此亚硫酸钠最适添加量选择0.15%。

表2 亚硫酸钠添加量对膜性能的影响

2.3 大蒜油-β-环糊精包埋物添加量对膜性能的影响

表3是大蒜油-β-环糊精包埋物添加量对膜性能的影响。大蒜油-β-环糊精包埋物添加量的改变对膜的透光率、水溶率、抗拉强度、最大伸长率的影响不大，隔菌率随着大蒜油-β-环糊精包埋物添加量的增加而逐渐上升，当大蒜油-β-环糊精包埋物添加量为2%后，继续增大其添加量，膜的隔菌率变化不大，从成本角度考虑，大蒜油-β-环糊精包埋物的最适添加量选择2.0%。

表3 大蒜油-β-环糊精包埋物添加量对膜性能的影响

2.4 反应温度对膜性能的影响

表4为反应温度对膜性能的影响。随着反应温度的提高，大豆分离蛋白高级结构遭到破坏，肽链舒展，膜的交联度提高，膜分子间作用力增强，因此水溶率逐渐下降，而透光率逐渐上升，在膜的机械强度上表现为抗拉伸强度显著提高，而最大伸长率缓慢下降，随温度的升高，隔菌率无显著变化，若继续升温至90 ℃以上，沸腾产生的气泡滞留在膜材料中将对膜的性能造成不良影响。因此，最适反应温度选择90 ℃。

表4 反应温度对膜性能的影响

2.5 反应体系pH对膜性能的影响

表5为反应体系pH对膜性能的影响。大豆分离蛋白的等电点约为5，等电点附近蛋白变性沉淀难以成膜，随着pH的增高，膜交联度和致密度提高，当pH为9时，膜的交联度最高，此时水溶率和最大伸长率最低，而透光率和抗拉强度最大，隔菌率无显著变化，继续提高pH，水溶率和最大伸长率变化不大，而膜的颜色开始加深，透光率下降。因此，最适反应体系pH为9。

表5 反应体系pH对膜性能的影响

2.6 正交试验结果

由表6可知，膜制备条件对大豆分离蛋白膜透光率和抗拉强度的影响程度为大豆分离蛋白与甘油配比＞体系pH＞反应温度＞亚硫酸钠添加量，最优组合为A2B3C1D2，即控制大豆分离蛋白与甘油配比2.0∶1（g/g）、亚硫酸钠添加量0.20%、反应温度85 ℃和体系pH 9。在此最优条件下进行3组平行验证试验，膜的平均透光率为93.98%，平均抗拉强度为8.91 MPa。

表6 L9(34)正交试验设计及结果

2.7 膜抗菌效果检测

金黄色葡萄球菌和大肠杆菌是最有代表性的革兰氏阳性菌和阴性菌，将以最佳工艺制备得到的可抗菌大豆分离蛋白膜与市售PE保鲜膜、普通大豆分离蛋白膜进行隔菌率的比对。由表7可知，各组保鲜膜的隔菌率均较高，其中加入大蒜油-β-环糊精包埋物的抗菌大豆分离蛋白膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的隔菌率均最高，表现出良好的抗菌性能。

表7 抗菌性能测定结果

3 结论

由正交试验得到大豆分离蛋白膜的最佳制备参数：控制大豆分离蛋白与甘油配比2∶1（g/g）、亚硫酸钠添加量0.20%、大蒜油-β-环糊精包埋物添加量1%、反应温度85 ℃和体系pH 9。在此最优工艺参数下进行膜的制备，其透光率为93.98%，抗拉强度为8.91 MPa，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的隔菌率分别为85.67%和84.31%，表现出良好的抗菌能力。此次试验对可抗菌大豆分离蛋白膜的最佳成膜参数进行了初步研究，后续还需要进一步对其抗拉强度及最大伸长率等指标进行研究，以期在机械性能上更接近市售PE保鲜膜，同时降低制膜成本，以获得广泛应用。