殼聚糖添加量對大豆分離蛋白復(fù)合包裝材料性能的影響

郭曉飛，張 超，李 武，馬 越，趙曉燕

（北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心，農(nóng)業(yè)部華北地區(qū)園藝作物生物學(xué)與種質(zhì)創(chuàng)制重點實驗室，農(nóng)業(yè)部都市農(nóng)業(yè)（北方）重點實驗室，北京 100097）

殼聚糖添加量對大豆分離蛋白復(fù)合包裝材料性能的影響

郭曉飛，張 超，李 武，馬 越，趙曉燕*

（北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心，農(nóng)業(yè)部華北地區(qū)園藝作物生物學(xué)與種質(zhì)創(chuàng)制重點實驗室，農(nóng)業(yè)部都市農(nóng)業(yè)（北方）重點實驗室，北京 100097）

研究殼聚糖添加量對大豆分離蛋白復(fù)合材料機(jī)械性能、阻隔性能、顏色和結(jié)構(gòu)的影響，以提高大豆分離蛋白可食性包裝材料的性能。結(jié)果表明：當(dāng)殼聚糖與大豆分離蛋白的質(zhì)量比為1∶1時，復(fù)合材料的綜合性能最佳，其抗拉強(qiáng)度提高，斷裂伸展率、水蒸氣透過率和氧氣透過率降低，顏色略微發(fā)黃。紅外光譜分析結(jié)果顯示提高復(fù)合材料的機(jī)械性能和阻隔能力的主要原因可能是大豆分離蛋白與殼聚糖之間形成醚鍵或C－N鍵。

大豆分離蛋白；殼聚糖；包裝材料；阻隔性能；紅外光譜

塑料包裝具有使用方便、成本低廉等優(yōu)點，但不可降解，會對自然環(huán)境造成威脅[1]。近年來，以多糖、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)為原材料制備的可食性包裝材料因其可降解性和可食性而受到關(guān)注[2]，研究發(fā)現(xiàn)可食性材料已經(jīng)顯示出延長食品貨架期，提高食品安全性等功能[3-5]。大豆分離蛋白（soybean protein isolate，SPI）可食性材料以其優(yōu)良的氧氣阻隔性和可降解性[5-8]而受到關(guān)注，但是，SPI中球蛋白含量高，致其機(jī)械性能較差；而豐富的親水性基團(tuán)降低其對水蒸氣的阻隔能力[9]。殼聚糖是以2-氨基-2-脫氧-β-D-葡萄糖為重復(fù)單元的線性多糖，具有良好的可降解性和阻隔性能[10-11]。使用SPI和殼聚糖制備復(fù)合包裝材料將有效提高復(fù)合材料的性能。

前期研究發(fā)現(xiàn)SPI和殼聚糖具有良好的生物相容性和可降解性[12]；將殼聚糖添加至魔芋膠和SPI復(fù)合材料可以有效提高其水蒸氣阻隔能力[13]。因此，在SPI中添加殼聚糖制備的包裝材料可能具有巨大的應(yīng)用潛力。但是，關(guān)于殼聚糖添加量對SPI復(fù)合材料性能的系統(tǒng)研究還鮮有報道，本研究系統(tǒng)評價殼聚糖添加量對SPI復(fù)合材料性能的影響，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入探討。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大豆分離蛋白（GS5000） 山東谷神科技股份有限公司。

殼聚糖（脫乙酰度80%～95%）、甘油（純度≥99%）國藥集團(tuán)化學(xué)試劑北京有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

T-10 Basic手持分散機(jī) 德國IKA公司；TA·XT plus物性分析儀 英國SMS公司；OX-TRAN Model 2/61 氧氣透過率儀、PERMATRAN-W Model 1/50G水蒸氣透過率儀 美國Mocon公司；CM-3700d 色差分析儀 日本Konica Minolta公司；UV-1800型分光光度計 日本島津公司；FTIR 6700型傅里葉紅外色譜儀 美國尼高力公司。

1.3 方法

1.3.1 復(fù)合材料的制備

分別將100 g的SPI和殼聚糖分別溶于1 000 mL濃度為0.1 mol/L的乙酸溶液，室溫下磁力攪拌24 h；將攪拌均勻的SPI與殼聚糖溶液分別按照質(zhì)量比100∶0、75∶25、50∶50、25∶75和0∶100的比例進(jìn)行混合；在上述溶液中分別添加25%甘油（占固形物的百分比）；90℃高溫攪拌30 min；使用手持高速分散機(jī)高速攪拌5 min；使用超聲振蕩器對溶液振蕩30 min，待其冷卻至室溫，澆注至聚乙烯平板；在30℃烘箱中干燥48 h成復(fù)合材料，依次命名為SPI100、SPI75、SPI50、SPI25和SPI0；將復(fù)合材料放置于飽和硝酸鎂的干燥器中平衡48 h（相對濕度（55±3）%，25℃），檢測相關(guān)性能參數(shù)。

1.3.2 材料厚度的測定

樣品厚度測定依據(jù)GB/T 6672－2001《塑料薄膜與薄片厚度的測定 機(jī)械測量法》，每個樣品對稱選取12個點進(jìn)行測定，取其平均值。

1.3.3 機(jī)械性能的測定

樣品機(jī)械性能測試采用美國實驗材料學(xué)會方法，測定材料的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸展率[14]。將樣品裁成25mm×80mm的矩形進(jìn)行力學(xué)性能測試，初始夾具為45mm，觸發(fā)力為5g，拉伸速率為1mm/s，重復(fù)4次，求其平均值。按照公式（1）、（2）計算抗拉強(qiáng)度和斷裂伸展率。

式中：F為材料斷裂所承受最大拉力/N；a為材料的厚度/mm；b為材料寬度/mm；L0為材料的長度/mm；L1為斷裂時材料的長度/mm。

1.3.4 水蒸氣透過率的測定

樣品水蒸氣通過率測定依據(jù)美國實驗材料學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測試。樣品測試面積為5 cm2，高純氮氣吹掃材料的兩側(cè)，滲透側(cè)和干燥側(cè)的濕度分別為50%和15%。材料的水蒸氣透過率按照公式（3）計算。

式中：v為水蒸氣的傳遞速率/（（g·MPa）/（m2·d））；ΔP為樣品兩側(cè)的壓差（0.1 MPa）；d為樣品的厚度/m。

1.3.5 氧氣透過率的測定

氧氣透過率的測定根據(jù)美國實驗材料學(xué)會的方法[15]。在常壓、25℃和55%的濕度下利用透氧儀測定材料的氧氣透過率，材料的測試面積為10 cm2，材料的上側(cè)為高純氧氣，下側(cè)吹掃氣體為氮氫混合氣（氫氣含量為2%）。

1.3.6 顏色的測定

利用色差分析儀測定樣品顏色，首先對色差分析儀進(jìn)行黑板和白板校正，然后測定樣品的L*、a*和b*值。L*從0（黑）到100（白）；a*值范圍從－80（黃）到100（紅）；b*值從－80（藍(lán)）到70（黃）。

1.3.7 傅里葉紅外光譜的測定

利用ATR附件對樣品進(jìn)行紅外光譜掃描，樣品測試前進(jìn)行空白校正，扣除空氣中CO2和水分子對樣品的干擾，掃描32次，掃描分辨率為4 cm-1，掃描范圍為4 000～650 cm-1。

1.4 數(shù)據(jù)處理

實驗重復(fù)3次，每次測定做3個平行樣品，結(jié)果以±s表示。利用Origin 8.0（美國Origin Lab公司）對圖像進(jìn)行繪制；SAS9.1.3（美國SAS公司）對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，Duncan’s多重比較評估同組實驗均值間的差異性，置信區(qū)間為95%。

2 結(jié)果與分析

2.1 殼聚糖添加量對SPI復(fù)合材料厚度的影響

圖1 殼聚糖添加量對SPI復(fù)合材料厚度的影響Fig.1 Effect of chitosan content on the thickness of SPI composite packaging materials

由圖1可知，SPI100的厚度顯著高于添加殼聚糖的包裝材料厚度。因為殼聚糖為線性鏈狀多糖，為致密有序結(jié)構(gòu)，因而含有殼聚糖的包裝材料結(jié)構(gòu)更加緊密，厚度降低。類似的結(jié)論，Kristo等[16]也曾報道，他們發(fā)現(xiàn)以多糖為基質(zhì)的包裝材料的致密性一般優(yōu)于蛋白質(zhì)，提高多糖的在包裝材料中的比例，可以降低復(fù)合材料的厚度，且呈現(xiàn)出更為優(yōu)良的氣體阻隔能力和力學(xué)性能[3,17]。

2.2 殼聚糖添加量對SPI復(fù)合材料機(jī)械性能的影響

圖2 殼聚糖添加量對SPI復(fù)合材料機(jī)械性能的影響Fig.2 Effect of chitosan content on the mechanical properties of SPI composite packaging materials

由圖2可知，SPI100的抗拉強(qiáng)度顯著低于其他各復(fù)合材料，隨著殼聚糖添加量的增加，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度呈顯著上升趨勢（P＜0.05）。原因可能在于SPI富含豐富的官能團(tuán)促進(jìn)其與殼聚糖分子內(nèi)和分子間的交聯(lián)，降低了分子間的移動性，從而提高復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度。所制備包裝材料的抗拉強(qiáng)度略高于孫秀秀等[18]的研究結(jié)果，低于Jia Dongying等[13]以殼聚糖、SPI的魔芋膠三相體系的包裝材料。復(fù)合材料的斷裂伸展率呈現(xiàn)與抗拉強(qiáng)度相反的變化趨勢。其中，SPI100和SPI75的斷裂伸展率顯著高于其他復(fù)合材料，并且復(fù)合材料的斷裂伸展率隨殼聚糖添加量升高而降低。

2.3 殼聚糖添加量對SPI復(fù)合材料水蒸氣透過率的影響

圖3 殼聚糖添加量對SPI復(fù)合材料水蒸氣透過率的影響Fig.3 Effect of chitosan content on the water vapor permeability of SPI composite packaging materials

水蒸氣透過率是評價包裝材料的重要指標(biāo)，包裝材料水蒸氣透過率過高直接影響食品的色、香、味等感官品質(zhì)。由圖3可知，添加殼聚糖有效降低復(fù)合材料的水蒸氣透過率。而SPI含有58%極性氨基酸，會形成水分子通道，因而其對水蒸氣阻隔能力較弱，SPI100的水蒸氣透過率顯著高于其他復(fù)合材料（P ＜0.05）。SPI50和SPI0的水蒸氣透過率相當(dāng)，大約僅為SPI100的50%。與實驗的結(jié)論一致，F(xiàn)erreria等[19]發(fā)現(xiàn)殼聚糖添加量增加可以降低乳清蛋白-殼聚糖復(fù)合材料的水蒸氣透過率。

2.4 殼聚糖添加量對SPI復(fù)合材料氧氣阻隔能力的影響

氧氣是食品品質(zhì)降低的主要原因之一，提高包裝材料的氧氣阻隔能力可減緩食品氧化變質(zhì)的速率，延長其貨架期。本研究是在55%的濕度環(huán)境下對材料的氧氣透過率進(jìn)行測定，由圖4可知，殼聚糖添加顯著降低SPI復(fù)合材料氧氣透過率，并且隨著殼聚糖添加量增加，復(fù)合材料的氧氣透過率呈現(xiàn)下降的趨勢，與Park等[20]的研究結(jié)論一致。

圖4 殼聚糖添加量對SPI復(fù)合材料氧氣透過率的影響Fig.4 Effect of chitosan content on the oxygen permeability of SPI composite packaging materials

2.5 殼聚糖添加量對SPI復(fù)合材料顏色的影響

表1 殼聚糖添加量對SPI復(fù)合材料顏色的Table 1 Effect of chitosan content on the color of SPI composite packaging materi

表1 殼聚糖添加量對SPI復(fù)合材料顏色的Table 1 Effect of chitosan content on the color of SPI composite packaging materi

注：同列字母不同表示差異顯著（P＜0.05）。

樣品編號L*a*b* SPI10040.6±0.39a－0.40±0.09bc1.26±0.51aSPI7541.1±0.31a－0.35±0.02ab1.35±0.11aSPI5040.3±0.65a－0.44±0.05bc1.81±0.21aSPI2541.2±0.19a－0.46±0.07c1.43±0.45aSPI041.0±0.01a－0.27±0.01a0.36±0.01b

包裝材料的顏色直接影響消費者的選擇取向，是評價包裝材料的重要指標(biāo)。由表1可知，殼聚糖添加量對SPI復(fù)合材料的L*值沒有顯著性影響；對復(fù)合材料的a*值產(chǎn)生顯著影響（P＜0.05），但從包裝材料的外觀來看并沒有太大異同；b*代表材料的黃藍(lán)值，SPI100的b*值顯著高于SPI0（P＜0.05），SPI50的b*值最大，推測SPI和殼聚糖發(fā)生了交聯(lián)反應(yīng)，提高了b*值。而復(fù)合材料的b*值顯著低于以殼聚糖和瓜爾豆膠為基質(zhì)的包裝材料[21]，顏色略黃，一般消費者可以接受。

2.6 傅里葉紅外光譜分析

圖5 復(fù)合材料的傅里葉紅外光譜分析Fig.5 FT-IR analysis of the composite packaging materials

由圖5可知，在SPI100中3273cm-1為O－H鍵的伸縮振動；2930、2877cm-1為C－H鍵的伸縮振動峰[22]；1628、1538cm-1分別為復(fù)合材料酰胺Ⅰ帶和酰胺Ⅱ帶的吸收峰[23-24]；1 241～1 471 cm-1為C－H伸縮振動和N－H彎曲振動（酰胺Ⅲ帶）吸收峰。在SPI0中1 374、1 413 cm-1分別為C－H對稱變形模式；1 651、1 563、1 320 cm-1分別對應(yīng)酰胺Ⅰ帶、酰胺Ⅱ帶和酰胺Ⅲ帶吸收峰；1 029 cm-1為C－O鍵的吸收峰[24]。隨著復(fù)合材料中殼聚糖添加量的提高，酰胺Ⅰ帶和酰胺Ⅱ帶紅外吸收強(qiáng)度變?nèi)酰l(fā)生一定程度的藍(lán)移。1 000～1 100 cm-1為多糖類物質(zhì)C－O鍵的吸收峰[25]，因此復(fù)合材料中1 029 cm-1呈現(xiàn)很強(qiáng)的吸收峰，掩蓋了芳香氨基酸在1 040 cm-1的O－H鍵面外彎曲振動的尖銳吸收峰，并使其發(fā)生一定紅移[26]。SPI100中的1 398 cm-1吸收峰隨著殼聚糖添加量的增加逐漸紅移至SPI0的1 374 cm-1處，推斷為殼聚糖和SPI發(fā)生了化學(xué)交聯(lián)，是生成的醚鍵或C－N鍵的吸收[27-28]。

3 結(jié) 論

添加殼聚糖可提高SPI-殼聚糖復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度，降低其斷裂伸展率、水蒸氣透過率和氧氣透過率，使其顏色略微發(fā)黃。紅外光譜分析結(jié)果顯示提高復(fù)合材料的機(jī)械性能和阻隔能力的主要原因可能是大豆分離蛋白與殼聚糖之間形成醚鍵或C－N鍵。

[1] THARANATHAN R N. Biodegradable fi lms and composite coatings: past, present and future[J]. Trends in Food Science & Technology, 2003, 14(3): 71-78.

[2] GONTARD N, GUILBERT S. Bio-packaging: technology and properties of edible and/or biodegradable material of agricultural origin[M]. New York: Aspen Publishers Inc., 1994: 159-181.

[3] ZHANG Chao, GAO Dandan, MA Yue, et al. Effect of gelatin addition on properties of pullulan fi lms[J]. Journal of Food Science, 2012, doi: 10.1111/j.1750-3841.2012.02925.x.

[4] DENAVI G A, PéREZ-MATEOS M, A?óN M C, et al. Structural and functional properties of soy protein isolate and cod gelatin blend fi lms[J]. Food Hydrocolloids, 2009, 23(8): 2094-2101.

[5] ZHANG Chao, GUO Kuan, MA Yue, et al. Incorporations of blueberry extracts into soybean-protein-isolate fi lm preserve qualities of packaged lard[J]. International Journal of Food Science and Technology, 2010, 45: 1801-1806.

[6] HERNANDEZ-IZQUIERDO V M, KROCHTA J M. Thermoplastic processing of proteins for fi lm formation: a review[J]. Journal of Food Science, 2008, 73(2): 30-39.

[7] ZHANG Chao, MA Yue, ZHAO Xiaoyan, et al. Development of soybean protein-isolate edible fi lms incorporated with beeswax, span 20, and glycerol[J]. Journal of Food Science, 2010, 75(6): 493-497.

[8] ZHAO Xiaoyan, GUO Kuan, ZHANG Chao, et al. Effect of 11S/7S ratios on mechanical and barrier properties of edible fi lms based on soybean protein isolate[J]. Advanced Materials Research, 2011, 335-336: 312-319.

[9] SU Junfeng, HUANG Zhen, YUAN Xiaoyan, et al. Structure and properties of carboxymethyl cellulose/soy protein isolate blend edible films crosslinked by Maillard reactions[J]. Carbohydrate Polymers, 2010, 79(1): 145-153.

[10] DUTTA P K, TRIPATHI S, MEHROTRA G K, et al. Perspectives for chitosan based antimicrobial films in food applications[J]. Food Chemistry, 2009, 114(4): 1173-1182.

[11] ARVANITOYANNIS I S, NAKAYAMA A, AIBA S I. Chitosan and gelatin based edible fi lms: state diagrams, mechanical and permeation properties[J]. Carbohydrate Polymers, 1998, 37(4): 371-382.

[12] SILVA S S, SANTOS M I, COUTINHO O P, et al. Physical properties and biocompatibility of chitosan/soy blended membranes[J]. Journal of Materials Science: Materials in Medicine, 2005, 16(6): 575-579.

[13] JIA Dongying, FANG Yu, YAO Kai. Water vapor barrier and mechanical properties of konjac glucomannan-chitosan-soy protein isolate edible films[J]. Food and Bioproducts Processing, 2009, 87(C1): 7-10.

[14] Norma A D. 638. Standard test method for tensile properties of plastics[S]. Annual Book of ASTM Standards. 2003, American Society for Testing and Matericals: Philadelphia, PA.

[15] ASTM D 3985-95, Oxygen gas transmission rate through plastic film and sheeting using a coulometric sensor[S]. Annual Book of ASTM Standards. 1995, American Society for Testing and Matericals: Philadelphia, PA.

[16] KRISTO E, BILIADERIS C G, ZAMPRAKA A. Water vapour barrier and tensile properties of composite caseinate-pullulan films: biopolymer composition effects and impact of beeswax lamination[J]. Food Chemistry, 2007, 101(2): 753-764.

[17] GOUNGA M E, XU Shiying, WANG Zhang. Whey protein isolatebased edible films as affected by protein concentration, glycerol ratio and pullulan addition in film formation[J]. Journal of Food Engineering, 2007, 83(4): 521-530.

[18] 孫秀秀, 馬中蘇. 大豆分離蛋白/殼聚糖可食膜的制備及其性能的研究[J]. 中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報, 2009, 11(6): 80-85.

[19] FERREIRA C O, NUNES C A, DELGADILLO I, et al. Characterization of chitosan-whey protein films at acid pH[J]. Food Research International, 2009, 42(7): 807-813.

[20] PARK S I, MARSH K S, DAWSON P. Application of chitosanincorporated LDPE film to sliced fresh red meats for shelf life extension[J]. Meat Science, 2010, 85: 493-499.

[21] RAO M S, KANATT S R, CHAWLA S P, et al. Chitosan and guar gum composite fi lms: preparation, physical, mechanical and antimicrobial properties[J]. Carbohydrate Polymers, 2010, 82(4): 1243-1247.

[22] PRANOTO Y, RAKSHIT S K, SALOKHE V M. Enhancing antimicrobial activity of chitosan films by incorporating garlic oil, potassium sorbate and nisin[J]. LWT-Food Science and Technology, 2005, 38(8): 859-865.

[23] SCHMIDT V, SOLDI V. Infl uence of polycaprolactone-triol addition on thermal stabili ty of soy protein isolate based films[J]. Polymer Degradation and Stability, 2006, 91(12): 3124-3130.

[24] MATHEW S, ABRAHAM T E. Characterisation of ferulic acid incorporated starch-chitosan blend fi lms[J]. Food Hydrocolloids, 2008, 22(5): 826-835.

[25] JACKSON M, CHOO L, WATSON P H, et al. Beware of connective tissue proteins: assignment and implications of collagen absorptions in infrared spectra of human tissues[J]. Biochima et Biophysica Acta, 1995, 1270: 1-6.

[26] RHIM J W, MOHANTY K A, SINGH S P, et al. Preparation and properties of biodegradable multilayer films based on soy protein isolate and poly (lactide)[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2006, 45(9): 3059-3066.

[27] KAPSE S K, HIWASE V V, KALAMBE A B. Synthesis and semi conducting behaviour of the ter-polyligand derived from p-hydroxyacetophenone, quinhydrone and melamine[J]. Journal of Chemical and Pharmaceutical Research, 2012, 4(3): 1734-1739.

[28] VELAMAKANNI A, BLACKWELL D L, YANG D, et al. Synthesis and characterization of functionalized silane-based copolymers for thermally robust polymer-silica hybrids[J]. Polymer Chemistry, 2010, 1(6): 916-921.

Effect of Chitosan Addition on Properties of Soybean Protein Isolate Composite Packaging Materials

GUO Xiao-fei, ZHANG Chao, LI Wu, MA Yue, ZHAO Xiao-yan*
(Key Laboratory of Biology and Genetic Improvement of Horticultural Crops (North China), Ministry of Agriculture, Key Laboratory of Urban Agriculture (North), Ministry of Agriculture, Beijing Vegetable Research Center, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100097, China)

The effect of chitosan addition on the color, mechanical properties and barrier properties of soybean protein isolate (SPI) composite packaging materials was evaluated. The composite packaging materials showed the best properties when the ratio of chitosan to SPI was 1:1. The tensile strength of the composite packaging materials increased, while the elongation at break, water vapor permeability and oxygen permeability decreased. Moreover, the color turned slightly yellow within the range of consumer acceptance. The formation of ether linkage or C－N bond between SPI and chitosan could be the major reasons for the improvement of these properties.

soybean protein isolate; chitosan; packaging materials; barrier properties; infrared spectroscopy

TS201.2

A

1002-6630(2014)01-0093-04

10.7506/spkx1002-6630-201401018

2012-12-13

北京市優(yōu)秀人才項目（2010D002020000012）

郭曉飛（1986—），男，碩士研究生，主要從事農(nóng)產(chǎn)品加工研究。E-mail：zhangchao@nercv.org

*通信作者：趙曉燕（1969—），女，研究員，博士，主要從事果蔬加工研究。E-mail：zhaoxiaoyan@nercv.org