成膜溶液蛋白質濃度對玉米醇溶蛋白膜儲藏穩(wěn)定性的影響

崔和平，崔會娟，鄭 慧，郭麗敏，孫小紅，朱建升，郭興鳳

（河南工業(yè)大學 糧油食品學院，河南 鄭州 450001）

0 引言

環(huán)境污染已成為全社會普遍關注的問題，因此，綠色環(huán)保材料的研究和開發(fā)是科研工作者面臨的一項亟待解決的任務.蛋白質分子是天然高分子化合物，可再生、無污染，而且具有可食性，以蛋白質制得的膜材料憑借其良好的生物降解性、營養(yǎng)特性以及阻隔性能備受人們關注.

玉米醇溶蛋白（zein）是玉米主要的儲藏蛋白之一，占玉米蛋白總量的65%左右.醇溶蛋白疏水性高，具有很強的耐熱性和耐脂性，腸溶性和抗氧化特點也比較顯著[1].值得一提的是，玉米醇溶蛋白的成膜性非常好.玉米醇溶蛋白膜在噴霧干燥或者溫濕度都較大的條件下能抑制油脂氧化，特殊的分子形狀和分子結構決定了其透明、柔軟的特點，并且具有較強的保水性和保油性，是比較理想的可食性包裝材料[2].

在玉米醇溶蛋白膜的研究中，膜的穩(wěn)定性是限制其應用的一個重要因素.因此不同儲藏溫度下蛋白膜的穩(wěn)定性研究有比較重要的意義.蛋白膜的性能對其應用環(huán)境比較敏感，已有學者針對環(huán)境溫度對親水性植物蛋白膜性能的影響進行了一定的研究[3-4].玉米醇溶蛋白膜疏水性較強，關于環(huán)境溫度對其影響的研究較少.筆者將玉米醇溶蛋白膜在不同環(huán)境溫度下儲藏24 d，以膜的抗拉強度和斷裂延伸率為指標，考察其儲藏穩(wěn)定性.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

玉米醇溶蛋白粉（蛋白質含量 91.2%，N×6.25）：南京都萊生物技術有限公司；無水乙醇：天津市天力化學試劑有限公司；丙三醇：天津市瑞金特化學品有限公司；聚乙二醇-400、碳酸鉀：天津市科密歐化學試劑有限公司.所有試劑均為分析純.

1.2 儀器與設備

AY-120電子分析天平：日本島津天平制作所；81-2型磁力攪拌器：上海市司樂儀器有限公司；HH-2型電熱恒溫水浴鍋：金壇市華峰儀器有限公司；101型電熱鼓風干燥箱：北京市永光明醫(yī)療儀器廠；HZQ-F160全溫振蕩培養(yǎng)箱：哈爾濱市東聯(lián)電子技術開發(fā)有限公司；螺旋測微器（0.001 mm）：上海量具刃具廠；TA.XT2i質構測定儀：英國SMS有限公司.

1.3 試驗方法

1.3.1 玉米醇溶蛋白膜的制備

稱取一定量的玉米醇溶蛋白粉，置于75%的乙醇溶液中.用磁力攪拌器將蛋白液攪拌混合均勻，分別加入0.2和0.4 g/g的增塑劑甘油和聚乙二醇-400，繼續(xù)攪拌20 min，80℃恒溫水浴15 min，接著攪拌15 min.最后量取一定量的蛋白液（蛋白質含量為1.56 g）涂于成膜托盤（密胺材質，130 mm×130 mm）上水浴加熱成膜，2 h后揭膜.

1.3.2 蛋白膜的儲藏

由于在相對濕度為43%的環(huán)境中蛋白膜的機械性能比較理想，因此制備的玉米醇溶蛋白膜放在相對濕度為43%的干燥器中（干燥器內置K2CO3飽和溶液），在儲藏條件下平衡72 h后第一次測定膜的機械性能，溫度通過冰箱和恒溫生化培養(yǎng)箱調節(jié)，儲藏濕度為43%.玉米醇溶蛋白膜儲藏24 d，每6 d測定一次機械性能.

1.3.3 蛋白膜取樣及厚度測定

選取玉米醇溶蛋白膜光滑、均勻的部分，裁成10 mm×50 mm的小塊，對稱選取8個點測量厚度，取其平均值.

1.3.4 蛋白膜機械性能測定

用質構測定儀測定膜樣的機械性能.采用A/TG探頭，設置有效拉伸長度為30 mm，測試速率為1.0 mm/s，每個樣品平行測定3次，試驗數(shù)據表示為：平均值±標準偏差，抗拉強度（TS）和斷裂延伸率（EB）的計算公式如下：

式中：TS為抗拉強度（MPa）；F 為最大拉力（N）；δ為膜樣品的厚度（mm）；W為膜樣品的寬度（mm）；EB為斷裂延伸率（%）；L0為膜拉伸前的有效長度（mm），膜樣有效長度為30 mm；L′為膜斷裂時拉伸的長度（mm）.

2 結果與分析

2.1 5℃下儲藏的玉米醇溶蛋白膜的機械性能變化規(guī)律

選用75%的乙醇溶液為溶劑，甘油和聚乙二醇-400的添加量均為0.3 g/g zein，水浴成膜溫度為70℃，蛋白質濃度分別為8%、10%、12%.制備的膜在5℃、相對濕度43%的環(huán)境中平衡72 h，然后在相同環(huán)境下儲藏24 d.5℃儲藏的蛋白膜穩(wěn)定性見圖1和圖2.

圖1 5℃儲藏時不同蛋白濃度的膜的抗拉強度

圖2 5℃儲藏時不同蛋白濃度的膜的斷裂延伸率

由圖1和圖2可見，從總體上看，隨著儲藏時間的延長，玉米醇溶蛋白膜的抗拉強度呈先上升后下降的趨勢，3個蛋白質濃度水平分別在6、12和6 d達到最大值.而斷裂延伸率呈先下降后上升的趨勢，3個蛋白質濃度水平分別在6、12和12 d達到最小值.在儲藏過程中，膜內部的蛋白質網絡發(fā)生重組，在大分子鏈間形成了更多的新的鍵合作用[5-6]，有些未反應的巰基在儲藏過程中發(fā)生氧化，產生二硫交聯(lián)[7]，使得蛋白膜的強度增大.另外，膜中的甘油在儲藏期間會發(fā)生分子遷移，由填充于蛋白質大分子之間的狀態(tài)轉為游離析出于蛋白膜的表面，這既使蛋白膜失去增塑的效果，也會使蛋白膜的斷裂延伸率降低[8].

Caner等[9]在對殼聚糖可食性膜的性能研究時發(fā)現(xiàn)隨著儲藏時間的延長，膜的抗拉強度呈單調遞增的趨勢，Artharn等[10]的研究與其相似.這可能是由于制備可食性膜的材料不同，儲藏穩(wěn)定性也有很大不同.玉米醇溶蛋白膜在儲藏一段時間后抗拉強度減小、斷裂延伸率增加，這可能與膜材料老化有關，使膜強度下降.張喆[11]利用紅外光譜對植物蛋白膜性能進行研究，發(fā)現(xiàn)長期儲藏后的大豆分離蛋白膜α螺旋結構的比例有大幅減小的趨勢，而β折疊結構略有增多，蛋白膜從抗拉性向延展性轉變；小麥面筋蛋白膜的無規(guī)卷曲和β轉角含量升高，蛋白結構的無序性增強.這種變化很有可能也會導致長時間儲藏的蛋白膜斷裂延伸率上升.制備條件不同，蛋白膜結構重組、強度提高階段與膜材料老化階段的轉折點也不同.綜合膜的抗拉強度和斷裂延伸率來看，成膜溶液的蛋白濃度越高，機械性能變化轉折點越遲，這種現(xiàn)象在常溫儲藏和35℃儲藏的膜的變化表現(xiàn)更明顯.這可能是由于成膜液蛋白濃度越大，儲藏期間蛋白分子重排和交聯(lián)的條件就越充分，這一結構重新整合的過程就越持久.

由圖1—圖2可知，3個蛋白質濃度水平的膜抗拉強度最大值和最小值之間的變化幅度分別是1.82 MPa（8%）、1.58 MPa（10%） 和 1.03 MPa（12%），斷裂延伸率最大值和最小值之間的變化幅度 分 別 為 169.40%（8%）、124.34%（10%）和133.93%（12%）.在5℃儲藏條件下，成膜溶液中蛋白質濃度10%的玉米醇溶蛋白膜具有較好的穩(wěn)定性.這可能是由于低蛋白濃度的膜內部大分子交聯(lián)程度不夠致密，穩(wěn)定性不高；而蛋白濃度過高時加入的聚乙二醇含量也高，儲藏過程中聚乙二醇本身會老化降解[12]，從而影響蛋白膜的穩(wěn)定性.

2.2 常溫儲藏的玉米醇溶蛋白膜的機械性能變化規(guī)律

以75%的乙醇溶液為溶劑制成膜液，其中蛋白質濃度分別為8%、10%和12%，甘油和聚乙二醇-400的添加量均為0.3 g/g，在70℃下水浴成膜.制備的膜在常溫、相對濕度43%的環(huán)境中平衡72 h，然后在相同環(huán)境下儲藏24 d.常溫儲藏的蛋白膜穩(wěn)定性見圖3和圖4.

圖3 常溫儲藏時不同蛋白濃度的膜的抗拉強度

圖4 常溫儲藏時不同蛋白濃度的膜的斷裂延伸率

圖5 35℃儲藏時不同蛋白濃度的膜的抗拉強度

從圖3和圖4可見，在常溫儲藏過程中，3個蛋白質濃度水平蛋白膜的抗拉強度先增大后減小，分別在12、6和6 d達到最大值.斷裂延伸率先減小后增加，分別在6、6和12 d達到最小值.膜抗拉強度最大值和最小值之間的變化幅度分別是 1.69 MPa（8%）、2.91 MPa（10%）和 3.27 MPa（12%），斷裂延伸率最大值和最小值之間的變化幅度分別為102.76%（8%）、100.47%（10%）和158.02%（12%）.成膜溶液蛋白質濃度為10%的蛋白膜機械性能的穩(wěn)定性最強.儲藏過程中，蛋白質的構象會發(fā)生比較大的變化，分子重排，新的鍵合作用形成，蛋白膜的內部網絡得到優(yōu)化和改善，進而使膜的抗拉強度上升，斷裂延伸率下降.環(huán)境溫度越高，越有利于膜中蛋白質之間產生新的交聯(lián)，合適的儲藏溫度和儲藏時間提高了膜材料的強度[13].蛋白質濃度為12%的膜抗拉強度在儲存期間的最大值高于其他兩個蛋白濃度水平，這也在某種程度上佐證了上述觀點.與5℃相比，常溫儲藏的蛋白膜從平衡72 h后的第6天開始機械性能變得更穩(wěn)定，這大概由于合適的溫度促使儲藏過程中的蛋白膜充分交聯(lián)的緣故.

成膜溶液中蛋白濃度8%的膜抗拉強度高于10%和12%的膜，可能是因為成膜溶液中過高的蛋白濃度導致蛋白質不能充分溶解，蛋白膜的均勻性降低，影響了蛋白質致密的網絡結構的形成[14].

2.3 35℃儲藏的玉米醇溶蛋白膜的機械性能變化規(guī)律

乙醇溶液濃度為75%的成膜液中，蛋白質濃度分別為8%、10%和12%，分別添加0.3 g/g的甘油和聚乙二醇-400作為增塑劑，在70℃下水浴成膜.制備的膜在35℃、相對濕度43%的環(huán)境中平衡72 h，然后在相同環(huán)境下儲藏24 d.35℃儲藏的玉米醇溶蛋白膜穩(wěn)定性見圖5和圖6.

由圖5—圖6可知，隨著儲藏時間的延長，3個蛋白質濃度水平蛋白膜的抗拉強度和斷裂延伸率總體上分別呈先增后減和先減后增的趨勢，抗拉強度分別在12、6和12 d達到最大值，斷裂延伸率分別在12、6和6 d達到最小值；3個蛋白質濃度水平的膜抗拉強度最大值和最小值之間的變化幅度分別是 3.07 MPa（8%）、4.21 MPa（10%）和 5.42 MPa（12%），斷裂延伸率最大值和最小值之間的變化幅度分別為 111.03%（8%）、67.01%（10%）和121.30%（12%），成膜液中的蛋白濃度為10%的蛋白膜性能比較穩(wěn)定.35℃儲藏時，成膜溶液蛋白質濃度12%的蛋白膜在儲藏初期抗拉強度大幅提高，抗拉強度最大值隨著蛋白濃度的升高而遞增，這可能是因為較高的儲藏溫度和較大的蛋白質總量提高了蛋白質大分子發(fā)生交聯(lián)的概率，膜的強度得到加強.而儲藏后期成膜液蛋白濃度越大的蛋白膜越不穩(wěn)定，可能與蛋白膜中聚乙二醇自身的老化降解有關.

對于相同制備工藝得到的蛋白膜，儲藏溫度升高時，膜的抗拉強度總體呈增大趨勢，而斷裂延伸率減小.這與Stuchell等[15]對大豆分離蛋白膜的研究結果相同.儲藏溫度較高時，分子的無規(guī)則運動加劇，玉米醇溶蛋白膜中蛋白大分子在合適的溫度下發(fā)生結構重組，新的二硫鍵形成，加深了蛋白網絡的交聯(lián)程度，從而獲得更高的抗拉強度.總體上看，與5℃儲藏相比，35℃儲藏使不同蛋白濃度的膜的機械性能差異更明顯，這很可能是不同蛋白濃度的膜對溫度的敏感程度不一樣，對于溫度的儲藏穩(wěn)定性也不同.5℃儲藏時，蛋白膜的抗拉強度和斷裂延伸率在增至最大值或者降為最小值之后減小或者增大的幅度較大，而常溫儲藏和35℃儲藏的蛋白膜，這一階段的變化趨勢較平緩，說明常溫或高溫環(huán)境能夠使儲藏期的蛋白膜內部結構充分發(fā)生重組，產生更穩(wěn)定的構象，提高了儲藏穩(wěn)定性.

圖6 35℃儲藏時不同蛋白濃度的膜的斷裂延伸率

3 結論

環(huán)境溫度和儲藏時間都影響著玉米醇溶蛋白膜的機械性能，不同蛋白質濃度的膜在不同環(huán)境溫度下性能穩(wěn)定性不盡相同.一般情況下，隨著儲藏時間的延長，蛋白膜的抗拉強度和斷裂延伸率分別呈先增后減和先減后增的趨勢，在儲藏6 d或12 d后抗拉強度和斷裂延伸率達到最值.綜合考慮，成膜溶液中蛋白質濃度10%的蛋白膜機械性能的穩(wěn)定性較好.隨著儲藏溫度的上升，玉米醇溶蛋白膜的抗拉強度呈上升趨勢，斷裂延伸率呈下降趨勢.

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