壳聚糖-蛋清蛋白复合膜的制备及其性能研究

彭 宁,刘洪竹,窦祎凝

(潍坊工程职业学院,农林科技学院 262500)

长久以来,食品包装多为聚乙烯、聚丙烯等高分子材料制成的塑料薄膜,塑料包装虽然使用方便,性能优良,但是不易降解,容易造成环境污染,并给垃圾处理造成极大的困难[1]。随着消费者对食品安全的重视及环保意识的增强,以生物大分子及其衍生物为基质的可食性膜逐渐成为研究的热点[2]。可食性膜是一种以天然可食性大分子(蛋白质、多糖、脂类等)为主要基料,在分子内和分子间力的作用下形成的具有一定机械性能和阻隔性能的薄膜[3]。可食性膜可以通过包裹、涂布等方式在食品表面进行覆盖,阻止水分、氧气等的渗透,预防风味物质的流失、油脂迁移等现象的发生,对食品起到保护作用,从而延长食品保质期。在各类可食用膜中,以蛋白质为基质的膜是研究的比较早的类型。蛋白质膜具有良好的阻氧性、机械性能及高营养价值,外观和味道也较佳,但是阻湿性能差,当环境湿度很高的时候蛋白质类可食用膜容易吸水溶胀,膜结构遭到破坏。与单一膜相比,由多糖和蛋白质为主要原料制备的复合型可食用膜具有更好的机械性能和阻隔性能,因此广受研究者的关注。Kurek等[4]对壳聚糖、乳清蛋白单一成分以及复合膜分别进行了一系列研究,结果发现,共混膜的阻隔性能最优。Mahsa[5]用不同浓度的羧甲基纤维素与明胶进行复配,结果发现,随着羧甲基纤维素浓度的增加,复合膜的抗拉强度逐渐增强。伍毅[6]对漆籽蛋白和壳聚糖复合膜进行了研究,结果发现添加复合膜的断裂伸长率显著提升,当漆籽蛋白与壳聚糖1:1进行复配时,抗拉强度和断裂伸长率达到最大值。

鸡蛋是自然界存在的最完美的生物制品之一,也是蛋白质、脂质、维生素和矿物质的最佳来源。蛋清蛋白营养丰富,含有人体所必须的八种氨基酸,并且易于被人体消化吸收,具有很高的生物价值,是一种优质蛋白。蛋清蛋白具有优异的成膜性,由其制备的可食性蛋清蛋白膜具备良好的阻气特性,而且相较于其他蛋白膜,蛋清蛋白膜更加透明。但蛋清蛋白膜的机械性能和阻湿性能较差,限制其广泛应用于食品保鲜领域。壳聚糖是一种天然阳离子多糖,能溶于弱酸性溶液中并形成具有一定黏度的胶体,涂于食品表面可形成一层无色透明的薄膜,对于调节食品内外的气体交换,阻止病菌侵入,延长食品贮藏保鲜时间具有一定的作用[7]。壳聚糖具有营养保健、安全无毒、抗菌等优点,是理想的食品保鲜剂。其独特的生物降解性、无毒性、生物相容性和抗真菌性等特性,适合于食用薄膜配方和其他不同的应用[8]。在其他生物聚合物中,壳聚糖在生物 pH上也表现出正电荷,而大多数多糖在相同的条件下带负电,可与多种蛋白质发生静电相互作用。壳聚糖可有效提高单一蛋白膜的性能,如乳清蛋白膜、明胶膜、大豆分离蛋白膜等[4,8,9]。探究壳聚糖-蛋清蛋白复合膜的性能,可以为可食性膜的实际应用提供理论基础。

1 材料与设备

1.1 实验材料与试剂

壳聚糖(国药集团化学试剂有限公司),甘油(国药集团化学试剂有限公司),蛋清蛋白粉(江苏康德蛋业有限公司),去离子水(实验室自制),其他药品均为分析纯。

1.2 实验设备

TA.XT2i物性仪:英国 Stable Micro System 公司;数控恒温水浴锅(W-201):上海申顺生物科技有限公司;UV2600紫外分光光度计:日本岛津公司;Avanti J-26 XP高速冷冻离心机: 美国 Beckman Coulter公司。

2 实验方法

2.1 膜的制备

蛋清蛋白膜的制备:称取7g蛋白粉溶于100mL去离子水中,水浴加热搅拌并保持一定温度1h后再加入甘油3g,在室温下搅拌30min后在25℃、5000rpm的条件下离心15min,过滤后于平板上涂膜15g,在烘箱内干燥3h后揭膜。在25℃,相对湿度为54%的条件下平衡24h后进行性质的测定。

壳聚糖膜的制备:称取2g壳聚糖溶于100mL浓度为2%的醋酸溶液中,水浴加热搅拌并保持一定温度1h后再加入甘油3g,在室温下搅拌30min后在25℃、5000rpm的条件下离心15min,过滤后于平板上涂膜15g,在烘箱内干燥3h后揭膜。在25℃,相对湿度为54%的条件下平衡24h后进行性质的测定。

复合膜的制备:分别称取2g的壳聚糖溶于100mL浓度2%的醋酸溶液,7g的蛋白粉溶于100mL去离子水,水浴加热搅拌并保持一定温度1h,按不同配比混合后加入3%甘油,在室温下搅拌30min后在25℃、5000rpm的条件下离心15min,过滤后于平板上涂膜15g,在烘箱内干燥3h后揭膜。在25℃相对湿度为54%的条件下平衡24h后进行性质的测定。

2.2 厚度的测定

使用螺旋测微器在每张膜上选五个随机位置进行测量。注意随机性和准确性。

2.3 抗拉强度和断裂伸长率测定

将膜裁成 2cm×6cm 的长方形,测定膜厚度,用物性测试仪进行拉伸实验,夹具间的距离设定为30 mm。根据蛋白膜断裂时的最大拉力F和两夹具间的最终距离L计算膜的抗拉强度(TS)和断裂伸长率(E)[10]。公式如(1)(2)所示:

(1)

TS为抗拉强度(MPa);F为最大拉力(N);a为试样的宽度(mm);b为试样的厚度(mm)。

(2)

E为断裂伸长率(%);L0为夹具间设定的原始距离(mm);L为试样断裂时两夹具间的距离(mm)。

2.4 水蒸气透过系数测定

将锥形瓶内塞满变色硅胶,并在105℃条件下烘干至恒重。选取光滑平整的膜密封在装有变色硅胶的锥形瓶口,称取其原始重量,将其放置在相对湿度54±2%的环境下,每隔一定时间称取其重量[11]。膜的水蒸气透过系数(WVP)如公式(3)所示:

(3)

WVP为水蒸气透过系数(g·mm/m2·h·kPa);C为瓶重的变化速率(g/h);b为膜厚度(mm);A为瓶口面积(m2);ΔP为膜两侧水蒸气压差(kPa)。膜两侧的相对湿度差为RH=54%,25℃时水的饱和蒸汽压为3.1684kPa,相对湿度为54%时的水蒸气分压为3.1684×0.54=1.7109kPa,故膜两侧的水蒸气分压差为1.7109kPa。

2.5 水溶性的测定

根据任举[12]的方法略作修改测定膜的水溶性。将膜放置于烧杯中,于105℃烘箱中烘至恒重,将烘干的膜加水浸泡溶解24h之后于105℃烘箱中烘至恒重。按公式(4)计算膜的水溶性(FS)。

(4)

式中:FS为膜的溶解度(%);M1为可食性膜的原始质量(g);M2为浸泡并烘箱干燥后膜的质量(g)。

2.6 颜色的测定

取一张色度均匀的蛋白膜样品,使用UltraScan Pro1166高精度分光测色仪进行色差分析,获得 L*、a*、b*值。其中 L*表示亮度;a*为正值时表示样品颜色偏红,为负值时,表示样品颜色偏绿;b*为正值时表示样品颜色偏黄,为负值时,表示样品颜色偏蓝[13]。每张膜选取不同位置的三个点进行测量,取平均值。公式如(5)所示:

2.7 透光率的测定

膜的透光率利用紫外-分光光度计测量复合膜在600nm处的吸光度,每个样品重复5次。

2.8 数据分析

由于方差不受组数限制的特性,本文数据采用方差分析,在P<0.05的情况下采用Tukey检验均值之间的差异。

3 实验结果

3.1 成膜条件对壳聚糖-蛋清蛋白复合膜成膜性质的影响

3.1.1 温度

预实验结果表明,壳聚糖室温下可以形成完整的膜;而蛋清蛋白室温条件下则无法成膜,必需进行加热才能形成蛋白膜。因此,为了制备壳聚糖-蛋清蛋白复合膜,本实验设置了 50℃、60℃、70℃三个温度梯度对蛋清蛋白进行热处理,考察加热温度对复合膜成膜性质的影响。实验结果如表1所示,当加热温度为50℃时,可形成完整的复合膜且膜无色透明,无肉眼可见杂质。当加热温度为60℃时,同样可形成完整的复合膜,但膜中有许多白色不溶物质,导致膜的外观性能较差,这可能是因为在60℃时,已有部分蛋白质发生变性,导致在成膜过程中发生沉淀,形成白色不溶物。而当加热温度为70℃时,膜溶液在加热过程中流动性变的很低,类似果冻状态,无法成膜。因此,本文选择50℃作为蛋清蛋白热处理温度。

表1 温度对复合膜成膜性质的影响

3.1.2 pH值

由于壳聚糖仅在酸性环境中是可溶的,因此将壳聚糖溶于醋酸溶液;蛋清蛋白具有良好的水溶性,可在pH值广泛范围内溶解,但是若蛋清蛋白溶液pH值太高(大于8)会导致壳聚糖-蛋清蛋白复合溶液中产生大量絮状物,后续形成的复合膜中则出现白色不溶物,原因可能是蛋清蛋白与壳聚糖形成不溶的复合物,或者是复合膜溶液体系pH环境不适合壳聚糖的溶解,导致壳聚糖沉淀出来。因此,分别将蛋清蛋白溶液pH值调节至3、5、7,考察其对复合膜成膜性质的影响。结果发现,当蛋清蛋白溶液pH值为7时,与壳聚糖混合后,复合膜溶液中几乎无不溶物,后续形成的蛋白膜光滑透明。因此,本文中蛋清蛋白溶液的pH值选择为7。

3.1.3 增塑剂

增塑剂在膜液体中具有很多功能,一方面它可以稀释聚合物,使物质之间的作用力降低,另一方面它也可以使膜的强度降低,亲和力升高。常用的增塑剂主要包括:多元醇和脂类物质。通常,普通的由生物大分子制得的膜显示出具有一定脆性和硬度。增塑剂作为小分子物质插入大分子中,可以通过阻止分子间和分子内的氢键,增加聚合物分子之间的距离,降低聚合物的玻璃化转变温度来干预聚合物分子之间的反应,并增加反应性和反应速度[10]。增塑剂的添加同样也可以改善膜的物理性质,可以使膜弹性更高,对气体的阻隔性能更好[11]。增塑剂可以吸收水分子,水分子对膜的功能与增塑剂相同,但在低湿度条件下很容易因脱水而损失[12]。因此,添加增塑剂可以减少由于脱水而损失的水,从而增加水含量并保持高水活度。本次实验使用的增塑剂为甘油,研究发现如若不添加甘油或者甘油添加量较少,容易使膜极脆甚至破裂,但如果甘油添加量过多,会造成复合膜黏度过高,最终确定甘油添加量为3%。

3.2 蛋清蛋白与壳聚糖配比对壳聚糖-蛋清蛋白复合膜性能的影响

3.2.1 厚度

复合膜的性质和其基质的种类和配比是密切相关的。如表2所示,复合膜的厚度随着壳聚糖含量的升高而增加,与单一蛋清蛋白膜(185μm)相比,单一壳聚糖膜(334μm)的厚度甚至达到了蛋清蛋白膜的两倍。

表2 不同成膜材料配比下的厚度

3.2.2 抗拉强度和断裂伸长率

如表3所示,单一蛋清蛋白膜抗拉强度为4.5Mpa,断裂伸长率为42.35%,而单一壳聚糖膜抗拉强度为6.21Mpa,断裂伸长率为25.41%,表明蛋清蛋白膜具有较低的抗拉强度,但延伸率较好;而壳聚糖膜具有较高的抗拉强度,但延伸率较低。随着复合膜中壳聚糖浓度不断增加,复合膜的拉升强度表现出先上升后略微下降的趋势,而断裂伸长率是逐渐降低的。当二者比例为1:1时,复合膜的抗拉强度最高,达11.2Mpa,断裂伸长率为35.22%。原因可能是在此条件下,蛋清蛋白与壳聚糖的相互作用力最大,因而形成的复合膜机械性能最佳。

表3 不同成膜材料配比下的机械性能

3.2.3 水蒸气透过率

如表4所示,纯蛋清蛋白膜的水蒸气透过系数最高,为1.76g·mm/m2·h·kPa,随着壳聚糖含量的增加,复合物的水蒸气透过率呈现先降低后升高的趋势,当二者比例为1:1时,复合膜的水蒸气透过率最低,为0.79g·mm/m2·h·kPa,表明阻湿性最佳。原因可能是在此条件下,蛋清蛋白与壳聚糖的相互作用最强,形成的复合膜网络结构最为致密,因而可有效阻隔水蒸气的通过。

表4 不同成膜材料配比下的透湿性

3.2.4 水溶性

如表5所示,纯蛋清蛋白膜的水溶性最大,为29.8%,这可能与蛋清蛋白具有良好的水溶性有关。

表5 不同成膜材料配比下的溶解度

随着壳聚糖含量的增加,复合物的的水溶性逐渐降低,纯壳聚糖膜的水溶性降至最低,为11.5%。研究结果表明,壳聚糖的添加可以增加复合膜的耐水性。

3.2.5 透光率

如表6所示,膜的透光率呈下降的趋势,膜中壳聚糖含量越高透光率越低,这也是由于壳聚糖自身的理化性质导致的,蛋清溶液相较于壳聚糖溶液而言较为清澈透明。

表6 不同成膜材料配比下的透光率

3.2.6 颜色

如表7所示,通过色差仪检测,壳聚糖的比值越高,薄膜的L*值越低,这表示薄膜的颜色呈慢慢变暗的趋势,a*值和b*值高,表示薄膜的颜色越红或越黄。这是由于蛋清蛋白膜是无色透明的,所以壳聚糖含量越高膜的颜色越深。

表7 成膜材料配比对复合膜色度的影响

4 结论

以蛋清蛋白和壳聚糖为主要原料制备壳聚糖-蛋清蛋白复合膜,考察温度、pH值、增塑剂添加量、蛋清蛋白与壳聚糖的配比对复合膜成膜性质及膜性能的影响,主要研究结论如下:

蛋清蛋白热处理温度为50℃,pH值为7,甘油添加量为3%时,可形成完整的复合膜,且膜光滑、无色、透明,无肉眼可见杂质;当壳聚糖与蛋清蛋白比例为1:1时制备的复合膜性能最优越,其厚度为0.285±0.041mm、抗拉强度为11.2±0.72Mpa、断裂伸长率为35.22±1.25%、水蒸气透过性为0.79±0.33g·mm/m2·h·kPa、溶解度为18.95±2.22%、透光率为74.21±0.45%、L*值为75.48±2.55、a*值为1.61±0.23、b*值为25.88±2.79。