甘油对大豆分离蛋白O/W乳液膜性能的影响

摘要：乳液膜具有蛋白类物质的优异成膜性能且具有脂类物质的耐水性能，是可食膜制备的研究热点。甘油作为增塑剂，可以降低膜的脆性，提供更好的延展性。试验以大豆分离蛋白（soy protein isolate，SPI）为基本原料，以大豆油为油相，制备出一种大豆分离蛋白O/W乳液膜，探究甘油添加量（1.9，2.2，2.5，2.8和3.1 g）对O/W乳液膜的色差、不透明度、机械性能、膨胀率、水溶性、水分含量及外观的影响。结果表明，当甘油添加量为2.5 g时，O/W乳液膜的性能较好，不透明度和膨胀率最低，分别为2.5%和10.26%，比蛋白膜高出3倍;机械性能也较好，抗拉强度和断裂伸长率分别为1.14 MPa和3.09%。甘油添加量对膜性能的影响以及制备大豆分离蛋白O/W乳液膜，可以为今后乳液膜的相关应用提供理论基础。

关 键 词：大豆分离蛋白; 甘油; 增塑剂; 乳液膜

中图分类号：TS206.4 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1673－5862.2023.01.011

Effect of glycerol on properties of soy protein isolate O/W emulsion film

XIAO Zhigang， SU Shuang， HUO Jinjie， JIANG Ruisheng， WANG Zhenguo， WANG Haiguan， LI Hang， GAO Yuzhe

（College of Grain Science and Technology， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China）

Abstract：Emulsion film has become a research hotspot in the preparation of edible film because of its excellent film-forming performance of protein film and combined with the water resistance of lipids. Glycerol as a plasticizer can reduce the brittleness of the film and provide better ductility. A soy protein isolate O/W emulsion film was prepared with soy protein isolate（SPI） as the basic raw material and soybean oil as the oil phase. The effects of glycerol addition（1.9， 2.2， 2.5， 2.8 and 3.1 g） on the color difference， opacity， mechanical properties， swell rate， water solubility， moisture content and appearance of O/W emulsion film were investigated. The results show that when glycerol addition is 2.5 g， the performance of O/W emulsion film is better， and the opacity and swell rate are the lowest， 2.5% and 10.26% respectively， which are 3 times higher than that of protein film. The mechanical properties are also good， and the tensile strength and elongation at break are 1.14 MPa and 3.09% respectively. The influence of glycerol addition on film performance and the preparation of soy protein isolate O/W emulsion film can provide a theoretical basis for the future application of emulsion film.

Key words：soy protein isolate; glycerol; plasticizer; emulsion film

人们对环保产品的可持续性越来越关注，促使人们对食用生物降解膜等石油包装替代品产生兴趣［1］。可食膜一般由蛋白质、多糖、脂类及其复合物制备而成［2］，其中蛋白类物质成膜的阻气和阻油性能较好，优于其他物质成膜，但其耐水性和机械性能较差［3］。蛋白乳液膜具有蛋白类物质成膜的优异阻气、阻油性能，且具有脂类物质进而可疏水性而提高蛋白乳液膜的耐水性［4］，因而是目前可食膜研究的热点。

大豆分离蛋白（SPI）是一种大豆蛋白粉，具有优异的成膜性、生物相容性、降解性和环境友好性［5］。但由于SPI膜基质中亲水基团数量较多，导致其耐水性较差［6］，可通过向SPI中添加疏水性的脂类物质改善其耐水性，其中乳液可作为脂质成分添加到SPI膜中制备为乳液膜。SPI膜机械性能较差，甘油等多元醇作为增塑剂可改善SPI膜的柔韧性［7］。近年来，向膜中添加甘油作为增塑剂以及探究甘油添加量对膜性能影响的研究较多，但探究甘油含量对大豆分离蛋白O/W乳液膜性能影响的研究较少。本文以SPI为原料，大豆油为油相，制备大豆分离蛋白O/W乳液膜，并探究甘油添加量对O/W乳液膜性能的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

材料与试剂的选用见表1，仪器与设备的选用见表2。

1.2 试验方法

1.2.1 蛋白膜及O/W乳液膜的制备

称取4 g大豆分离蛋白和100 mL去离子水分别与1.9，2.2，2.5，2.8与3.1 g甘油混合均匀，在60 ℃条件下水浴加热30 min后冷却至室温。添加0.3 g大豆油，在13 500 r·min-1的条件下均质4 min，取20 mL成膜液倒入塑料平皿中，于40 ℃的烘箱烘干14 h，取出放入干燥器回软3 h（底部为NaBr饱和溶液），测定膜性能前48 h手动剥离薄膜。本实验以纯SPI膜作为蛋白膜与O/W乳液膜进行对照。

1.2.2 色差的测定

使用色差仪测定膜的色差，测量前使用白板进行校准，记录参数L*（亮度）、a*（红色）和b*（黄色），使用下面公式进行计算。

1.2.3 不透明度的测定及膜外观

采用Wang［8］等的方法测定不透明度（opacity， OP）。使用分光光度计测定测量膜（40 mm×10 mm）在600 nm处的吸光度，根据公式进行计算。膜外观通过拍照的方式记录。

式中：A为膜在600 nm处的吸光度值;x为薄膜厚度（mm）。

1.2.4 膨胀率的测定

参照Basiak［9］等的方法测定膜的膨胀率（swell rate， SR）。将膜裁剪20 mm×20 mm的大小，置于105 ℃烘箱至恒重，准确称量膜恒重后的质量记为W1（g），将膜样品浸于蒸馏水5 min后取出吸干水分，称量膜质量记为W2（g）。根据公式计算膜的膨胀率（SR）：

1.2.5 水溶性的测定

参照Weng［10］等的方法测定膜的水溶性（water solubility， WS）。将膜裁剪成20 mm×20 mm的大小，置于105 ℃烘箱至恒重，准确称量膜恒重后的质量记为M1（g），将膜样品放入装有50 mL蒸馏水的烧杯中磁力搅拌24 h后，取不溶物于105 ℃烘箱烘至恒重，准确称量恒重后质量记为M2（g）。根据公式计算膜的水溶性（WS）：

1.2.6 水分含量的测定

将膜裁剪成一定形状的小块，准确称量初始的膜质量记为M0（g），将膜置于105 ℃烘箱至恒重，准确称量恒重后膜的质量记为M1（g）。根据公式计算膜的水分含量（moisture content， MC）：

1.2.7 机械性能的测定

将膜裁剪成60 mm×15 mm的长条，根据Liu［11］的方法采用质构仪测定膜的拉伸强度（tensile strength， TS）和断裂伸长率（elongation at break，EB），目标距离设置为60 mm，测试速度为0.2 mm·min-1，负载为0.1 N，记录所测得的强度和距离，根据公式计算蛋白膜的拉伸强度（TS）和断裂伸长率（EB）：

式中：F为最大断裂力（N）;A为横截面积（mm2）;ΔL为在断裂点处的长度增加（mm），L是初始长度（mm）。

1.2.8 数据统计与分析

使用Origin和SPSS进行数据处理和作图分析，试验结果均为平均值±标准偏差，每个试验均重复3次。

2 结果与分析

2.1 甘油添加量对膜色差的影响

O/W乳液膜及蛋白膜的色差值见表3。随着甘油添加量的增加，蛋白膜和O/W乳液膜的L*值均呈现先增加后降低的趋势。在相同甘油添加量下，O/W乳液膜的亮度均低于蛋白膜，可能是由于大豆油在膜中均匀分布，促进了光的分散。Erdem和Kaya［12］通过冷冻干燥法制备大豆分离蛋白和葵花籽油复合膜时，得到了类似的结论。O/W乳液膜的a*降低而b*增加，表明乳液膜的颜色更深，偏向绿、黄色，黄色的增加可能是由于添加的大豆油颜色为黄色导致［13］。甘油添加量为2.5 g时，乳液膜的亮度最高，且ΔE最低，表明总色差最低且膜基质更均匀。

2.2 甘油添加量对膜不透明度及外观的影响

用于食品包装的膜应具有一定的遮光性能， 但其具有光滑透明的外观更易被大众所接受。 O/W乳液膜及蛋白膜的不透明度值如图1所示。 无论甘油添加量如何， O/W乳液膜的不透明度均高于蛋白膜，原因可能是含有的大豆油在膜中均匀分布，促进了光的分散［14］。甘油添加量为2.5 g时，乳液膜不透明度最低为2.5，比蛋白膜高出约3倍，但在O/W乳液膜中拥有最透明的外观。

O/W乳液膜及蛋白膜的外观如图2所示。O/W乳液膜表面有少量油滴析出，原因可能是在干燥过程中油滴向膜的上表面迁移［15］。从图中可以看出，O/W乳液膜的外观比蛋白膜更不透明，这与图1中的不透明度值相对应。当甘油添加量为2.5 g时，O/W乳液膜具有遮光性且外观最好，易被消费者所接受。

2.3 甘油添加量对膜膨胀率的影响

O/W乳液膜及蛋白膜的SR值见表4，更低的SR代表更高的耐水性［16］。在相同的甘油添加量下，O/W乳液膜的SR值均低于蛋白膜的SR值，表明O/W乳液膜的耐水性更好。可能是由于均匀的油分布会降低水的结合能力，从而降低了SR值［17］。当甘油添加量为2.5 g时，O/W乳液膜的SR达到最低值10.26%，比蛋白膜低了17%。原因可能是此时的O/W乳液膜中各组分之间相互作用，形成了致密的网络结构。Wang［18］等研究得出较弱的分子间相互作用会导致薄膜结构松散，因此膜的膨胀率降低。

2.4 甘油添加量对膜水溶性的影响

O/W乳液膜及蛋白膜的WS值见表4，更低的WS值代表更高的耐水性［3］。在相同的甘油添加量下，O/W乳液膜的WS值均稍高于蛋白膜的WS值，但总体相差不大。随着甘油添加量的增加，O/W乳液膜及蛋白膜的WS值随之增加，可能是因为甘油会增加薄膜系统的极性，因此

对于膜的耐水性有负面的影响［19］。当甘油添加量为2.5 g时，O/W乳液膜的WS值为21.26%。

2.5 甘油添加量对膜水分含量的影响

O/W乳液膜及蛋白膜的MC值见表4。在相同的甘油添加量下，O/W乳液膜的MC值均低于蛋白膜的MC值。表明均质后O/W乳液膜中的SPI分子可能部分或完全暴露疏水基团，SPI疏水侧链和甘油结合，与水自由结合的自由域更少，所以O/W乳液膜的MC值较低。Carpiné［20］等有类似的结论。随着甘油添加量的增加，O/W乳液膜及蛋白膜的MC值随之增加。

2.6 甘油添加量对膜机械性能的影响

O/W乳液膜及蛋白膜的TS，EB值如图3和图4所示。除了甘油添加量为3.1 g时，其他O/W乳液膜的TS值均高于蛋白膜的TS值。无论甘油添加量如何，O/W乳液膜的EB值均高于蛋白膜的EB值。随着甘油添加量的增加，O/W乳液膜及蛋白膜的TS值均降低，而EB值随之增加。抗拉强度降低可能是因为甘油提高了薄膜的柔韧性［21－22］。

3 结 语

不同甘油添加量对蛋白膜及O/W乳液膜的性能有不同的影响，O/W乳液膜的性能优于SPI膜。当甘油添加量为2.5 g时，大豆分离蛋白O/W乳液膜的整体性能最佳，不透明度和膨胀率最低，分别为2.5%和10.26%，比蛋白膜分别高出3倍和低17%;此时机械性能也较好，抗拉强度和断裂伸长率分别为1.14 MPa和3.09%。可能是由于均质作用使O/W乳液膜的结构更致密，大豆油的存在增加了膜的耐水性。本研究为今后乳液膜的相关应用提供了理论基础。

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收稿日期：2022－05－06

基金项目：国家自然科学基金资助项目（32072139）;辽宁省“揭榜挂帅”科技攻关专项计划（2021JH/104000340201）。

作者简介：肖志刚（1972—），男，黑龙江庆安人，沈阳师范大学教授，博士;

通信作者：高育哲（1982—），黑龙江双城人，沈阳师范大学讲师，博士。