TG酶和羥丙基甲基纖維素改善乳清蛋白可食膜性能

孫麗娜,姜淑娟,郭蓮東,錢(qián) 方,妥彥峰,牟光慶

(大連工業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,遼寧大連 116034)

可食膜能夠較好地阻隔氣體和水蒸汽,改善食品的營(yíng)養(yǎng)和感官質(zhì)量,延長(zhǎng)保質(zhì)期[1],具有化學(xué)材料基質(zhì)膜無(wú)法比擬的可食與降解優(yōu)勢(shì),因此可食用薄膜的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究近年來(lái)備受關(guān)注。蛋白質(zhì)、多糖、脂質(zhì)等常常被用來(lái)單獨(dú)或混合使用制備可食膜,其中蛋白質(zhì)由于其特殊的理化性質(zhì)、機(jī)械性能好、透明性強(qiáng)、外觀、口感均較理想、阻氣性較高而普遍受到研究者的重視[2]。乳清蛋白由于成膜性能較好[3],營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高,是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。應(yīng)用酶法或化學(xué)法可使蛋白質(zhì)發(fā)生共價(jià)交聯(lián),也是改善蛋白質(zhì)成膜性質(zhì)的一種有效途徑。TG酶是一種催化?；D(zhuǎn)移反應(yīng)的轉(zhuǎn)移酶,常用來(lái)改善蛋白質(zhì)膜的性能。李軍等[4]研究發(fā)現(xiàn),TG酶能夠改善大豆蛋白膜的性能。

目前可食性薄膜的研究向復(fù)合膜方向發(fā)展[5],通常由兩種或兩種以上基質(zhì)復(fù)合而成,以基質(zhì)之間的性能優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),改善復(fù)合膜性能。Anker等[6]通過(guò)在乳清蛋白膜中加入乙酰單甘酯,提高了乳清蛋白膜的阻濕性。羥丙基甲基纖維素(HPMC),是一種纖維素衍生物,可以形成透明、無(wú)臭、無(wú)味、耐油以及適當(dāng)?shù)乃?、氧氣和香味屏障特性的薄?具有較高的抗拉強(qiáng)度和較低的柔韌性[7],常與蛋白及其它多糖協(xié)同作用,制備性能較好的復(fù)合型薄膜。Brindle等[8]研究了乳清蛋白-羥丙基甲基纖維素復(fù)合膜的物理性能,研究發(fā)現(xiàn)羥丙基甲基纖維素會(huì)增加復(fù)合膜的抗拉強(qiáng)度等特性。

但是目前未見(jiàn)應(yīng)用TG酶交聯(lián)與羥丙基甲基纖維素復(fù)合同時(shí)對(duì)乳清蛋白基可食膜研究的報(bào)道,故本研究探究TG酶催化和羥丙基甲基纖維素復(fù)合共存條件對(duì)乳清蛋白成膜性能的影響,分別在添加和不添加TG酶的條件下,制備不同羥丙基甲基纖維素添加量的乳清蛋白-羥丙基甲基纖維素復(fù)合膜,研究羥丙基甲基纖維素和TG酶對(duì)乳清蛋白膜的透光率、抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和消化降解能力等性質(zhì)的影響,并初步評(píng)價(jià)復(fù)合膜的包裝應(yīng)用潛能,以期探究蛋白質(zhì)-多糖復(fù)合膜的可行成膜途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

乳清濃縮蛋白WPC80 德國(guó)米萊乳品公司;羥丙基甲基纖維素 Sigma公司;轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶 酶活100 U/g,江蘇一鳴生物制品有限公司;甘油 天津市恒興化學(xué)試劑公司;其他試劑均為分析純。

TA-XT plus質(zhì)構(gòu)分析儀 英國(guó)Stable Micro System公司;ZXMP-A1150型恒溫恒濕箱 上海智成分析儀器公司;DF-101s 加熱磁力攪拌器 鞏義市予華儀器有限公司;MULTISICAN GO酶標(biāo)儀 美國(guó)Thermo公司;Eppendorf冷凍離心機(jī) Eppendorf公司;MAP-500D型袋式氣調(diào)包裝機(jī) 德清拜杰電器有限公司;V-100D型可見(jiàn)分光光度計(jì) 上海美譜達(dá)儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 膜的制備 交聯(lián)膜的制備參考姜?jiǎng)倌械萚9]的方法并做了適當(dāng)修改:用去離子水配制蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的乳清濃縮蛋白溶液,分別加入0、5%、10%、15%、20%、25%(以蛋白質(zhì)質(zhì)量計(jì))的HPMC,磁力攪拌2 h,根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,TG酶的添加量為6 U/g蛋白時(shí),復(fù)合膜性能最優(yōu),故本研究中TG酶為6 U/g蛋白的添加量添加到成膜液中,于50 ℃反應(yīng)2 h,置于80 ℃滅酶5 min,冷卻至室溫,加入甘油(根據(jù)前期預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,確定甘油適宜添加量為甘油與乳清蛋白的質(zhì)量比1∶2.2)。用移液管量取9 mL置于滅菌培養(yǎng)皿中,沿水平方向晃動(dòng)液面至水平,放置在恒溫恒濕箱中于35 ℃,相對(duì)濕度(RH)50%的條件下烘干,揭膜后于25 ℃,RH 50%條件回軟24 h,備用。以不加TG酶的膜為對(duì)照。

1.2.2 膜性質(zhì)測(cè)定方法

1.2.2.1 透光率測(cè)定 對(duì)膜拍照,觀察其外觀,并使用可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定其透光率。將膜裁剪成1 cm×4 cm的條狀,正確放入比色皿內(nèi)側(cè),在波長(zhǎng)600 nm下測(cè)定其透光值,以空比色皿作為對(duì)照。

1.2.2.2 厚度測(cè)定 采用平均值法[10],使用數(shù)顯外徑千分尺測(cè)定膜的厚度,在裁切好的膜上隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn)側(cè)量厚度,取其平均值為膜的厚度。

1.2.2.3 斷裂伸長(zhǎng)率及抗拉強(qiáng)度測(cè)定 使用質(zhì)構(gòu)儀側(cè)定膜的斷裂伸長(zhǎng)率[11]及抗拉強(qiáng)度[12],將膜裁剪成1 cm×4 cm的長(zhǎng)方形,選擇A/TG探頭,初始夾距設(shè)為20 mm,有效拉伸距離為30 mm,拉伸速度設(shè)為1 mm/s,記錄樣品初始長(zhǎng)度、斷裂時(shí)的長(zhǎng)度以及斷裂時(shí)所受到的力,每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)量9次。

式(1)

式中,E-斷裂伸長(zhǎng)率,%;L1-樣品斷裂時(shí)的長(zhǎng)度,mm;L0-樣品的初始長(zhǎng)度,m。

式(2)

式中,Ts-膜的拉伸強(qiáng)度,MPa;F-軸向拉伸力,N;L-膜的寬度,mm;X-膜的厚度,mm。

1.2.2.4 水蒸汽透過(guò)率測(cè)定 水蒸汽采用擬杯子法[13],結(jié)合González A等[14]的方法,稍加修改。在玻璃杯(杯口直徑為2.6 cm,深度為3 cm)中添加3.0 g的無(wú)水氯化鈣,用已經(jīng)制備好的膜封蓋,暴露于蒸汽傳輸位置的膜區(qū)域?yàn)?.31 cm2,稱(chēng)量貼膜后的玻璃杯重量,將玻璃杯置于25 ℃,RH 50%的恒溫恒濕箱中,每隔1 h測(cè)量覆蓋薄膜的玻璃杯重量,并記錄,持續(xù)測(cè)定9 h,以透過(guò)膜進(jìn)入測(cè)定裝置中的水蒸汽質(zhì)量相對(duì)于時(shí)間的變化繪圖計(jì)算斜率。

式(3)

式中,WVT-水蒸汽傳輸;F-線(xiàn)性圖斜率;A-暴露于蒸汽傳輸?shù)拿娣e，m2。

式(4)

式中,WVP-水蒸汽透過(guò)率g·m·Pa-1·s-1·m2;S-在25 ℃時(shí)的飽和壓力,MPa;(RH1-RH2)-杯內(nèi)外部濕度差;e-膜的厚度,m。

1.2.2.5 消化降解能力測(cè)定 模擬胃腸液的配制,主要參照美國(guó)藥典方法[15]。將烘干后的1 cm2膜樣品,參照Pierro等[16]方法進(jìn)行溶脹。將溶脹后的膜樣品分別放入模擬胃液和模擬腸液進(jìn)行體外消化,參考由艷燕等[17]方法,并作適當(dāng)修改。取10 mL配制的模擬胃液于玻璃試管中,37 ℃預(yù)熱15 min,將溶脹后的膜加入試管中,胃蛋白酶與膜的質(zhì)量比為1∶25,37 ℃反應(yīng)2 h,胃蛋白酶活力為50000 U/g。

取10 mL模擬腸液,將溶脹后的膜,通過(guò)模擬腸液體系消化,胰蛋白酶與膜的質(zhì)量比1∶50,在25 ℃反應(yīng)20 h,在10000 r/min、4 ℃條件下離心10 min,取出0.5 mL與0.5 mL 1 mol/L NaOH混合(終止反應(yīng)),用Folin-Ciocalteau試劑測(cè)定L-酪氨酸釋放量[16]。

1.2.3 應(yīng)用實(shí)驗(yàn) 選用HPMC添加量為乳清蛋白質(zhì)量20%的交聯(lián)復(fù)合膜進(jìn)行包裝實(shí)驗(yàn)。把制備好的復(fù)合膜裁剪成相同大小形狀,包裝奶茶粉、方便面調(diào)料、油料、餅干,用氣調(diào)包裝機(jī)進(jìn)行普通包裝封口,熱封時(shí)間為10 s。每種原料包裝做3個(gè)平行,將包裝后的調(diào)料包及油包放入方便面袋中,蘇打餅干及奶茶粉包放入自封袋中,室溫下每隔1 d測(cè)定包裝產(chǎn)品質(zhì)量變化,連續(xù)測(cè)定12 d,觀察其外觀變化以及質(zhì)量變化。

1.3 數(shù)據(jù)處理

每組實(shí)驗(yàn)至少重復(fù)3次。實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用軟件IMB SPSS Statistics 20中Duncan檢驗(yàn)對(duì)交聯(lián)膜和非交聯(lián)膜組內(nèi)分別進(jìn)行差異顯著性分析,p<0.05認(rèn)為數(shù)值差異顯著,采用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)分析組間差異顯著性,利用軟件Origin 8.5繪圖報(bào)告結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 膜的透光性

以不加酶的復(fù)合膜為例,其表觀形貌如圖1所示,表觀平整,光滑,沒(méi)有裂紋。通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析HPMC添加量以及酶處理都對(duì)膜的透光率有影響,隨著HPMC添加量的增加,膜的透光率逐漸降低,當(dāng)HPMC的添加量為WPC質(zhì)量的0、5%,10%、15%、20%、25%時(shí),膜的透光率依次為48.6%,28.7%,24.6%,23.3%,18.3%,13.6%,分散在可食膜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的HPMC使透光率下降。這一結(jié)果與陳梅峰等[18]的研究相一致,其研究中指出透光率的降低是因?yàn)镠PMC與蛋白之間發(fā)生較強(qiáng)的相互作用,使得膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加整齊緊密,導(dǎo)致透光性能變差。

圖1 未加酶的復(fù)合膜的照片

2.2 膜的斷裂伸長(zhǎng)率

羥丙基甲基纖維素添加量以及酶處理對(duì)膜的斷裂伸長(zhǎng)率的影響如圖2所示,乳清蛋白-羥丙基甲基纖維素復(fù)合膜的斷裂伸長(zhǎng)率呈顯著差異,隨著羥丙基甲基纖維素添加量的增加,膜的斷裂伸長(zhǎng)率逐漸降低。這是因?yàn)榱u丙基甲基纖維素和乳清蛋白分子的相互作用增強(qiáng),使膜的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得整齊,分子間流動(dòng)性變差,延展性下降,斷裂伸長(zhǎng)率隨之而下降[19]。經(jīng)TG酶處理后膜的斷裂伸長(zhǎng)率都有顯著提高(p<0.05),與未加酶交聯(lián)的復(fù)合膜之間存在顯著差異。

圖2 HPMC和TG酶對(duì)復(fù)合膜斷裂伸長(zhǎng)率的影響

2.3 膜的抗拉強(qiáng)度

羥丙基甲基纖維素添加量以及酶處理對(duì)膜抗拉強(qiáng)度的影響如圖3所示。TG酶對(duì)乳清蛋白-羥丙基甲基纖維素復(fù)合膜的抗拉強(qiáng)度沒(méi)有產(chǎn)生顯著性影響隨著羥丙基甲基纖維素添加量的增加,膜的抗拉強(qiáng)度逐漸增加。這是因?yàn)榱u丙基甲基纖維素加入形成了增強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),從而在一定程度上提高了膜的抗拉強(qiáng)度。馬中蘇等[20]研究發(fā)現(xiàn)綠豆皮納米纖維素添加量對(duì)蛋白膜抗拉強(qiáng)度影響顯著,認(rèn)為納米纖維素表面的羥基與乳清蛋白表面的極性基團(tuán)通過(guò)氫鍵相連接,形成了增強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),提高了膜的抗拉強(qiáng)度,這與本研究結(jié)果相一致。

圖3 HPMC和TG酶對(duì)復(fù)合膜抗拉強(qiáng)度的影響

2.4 膜的水蒸汽透過(guò)率

羥丙基甲基纖維素添加量以及酶處理對(duì)膜水蒸汽透過(guò)率的影響如圖4所示。隨著羥丙基甲基纖維素添加量的增加,從數(shù)據(jù)結(jié)果看復(fù)合膜的水蒸汽透過(guò)率略有增加,但不顯著,這可能是由于乳清蛋白與羥丙基甲基纖維素均為親水性物質(zhì),對(duì)水蒸汽沒(méi)有較好的屏障作用。據(jù)Sánchez-González等[21]報(bào)道,羥丙基甲基纖維素膜比羥丙基甲基纖維素-茶樹(shù)油復(fù)合膜水蒸汽屏障性能較差。由圖4可知加酶處理對(duì)乳清蛋白-羥丙基甲基纖維素復(fù)合膜的水蒸汽透過(guò)率沒(méi)有顯著影響。

圖4 HPMC和TG酶對(duì)復(fù)合膜水蒸汽透過(guò)率的影響

2.5 膜的消化降解能力分析

羥丙基甲基纖維素添加量以及酶處理對(duì)可食復(fù)合膜消化降解能力的影響如圖5所示,可以看出,羥丙基甲基纖維素添加量對(duì)乳清蛋白-羥丙基甲基纖維素復(fù)合膜的消化降解能力無(wú)顯著影響。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看,未經(jīng)過(guò)TG酶處理的復(fù)合膜每平方厘米可釋放出13 μmol左右的酪氨酸,隨著HPMC添加量的增加,釋放量逐漸減少,但不顯著。加酶后每平方厘米膜可釋放9 μmol左右的酪氨酸,說(shuō)明加入轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶對(duì)膜的消化降解能力有一定影響。Pierro等[16]報(bào)道TG酶使蕓豆分離蛋白-殼聚糖復(fù)合膜釋放的酪氨酸含量減少。

圖5 HPMC和TG酶對(duì)復(fù)合膜消化降解能力的影響

2.6 包裝應(yīng)用潛能評(píng)價(jià)

從圖6可以看出,四種產(chǎn)品經(jīng)過(guò)12 d的包裝貯藏后表觀并沒(méi)有明顯變化,包裝的密封性及膜的柔韌性也沒(méi)有明顯的改變,在包裝儲(chǔ)藏期間對(duì)包裝樣品進(jìn)行了重量的測(cè)定,根據(jù)質(zhì)量變化來(lái)觀察復(fù)合膜是否具有包裝應(yīng)用潛能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)無(wú)論是奶茶粉包、調(diào)料包、油包還是餅干包,它們的質(zhì)量損失都是先增大后減小,奶茶粉包和蘇打餅干的重量變化范圍較小?？赡苁怯捎跇悠分械乃帧⒍趸?、氧氣等物質(zhì),在儲(chǔ)存初期散失所致,這與高翔等[22]研究結(jié)果相似。對(duì)于方便面調(diào)料包裝研究,在測(cè)重量的同時(shí)還在油包下墊上一層濾紙,每天觀察濾紙上是否有油跡出現(xiàn)。由于整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程濾紙上沒(méi)有油跡出現(xiàn),表明復(fù)合膜有一定的阻油性。

圖6 樣品包裝第12 d照片

3 結(jié)論

羥丙基甲基纖維素和轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶的添加對(duì)復(fù)合膜的性能影響較大,羥丙基甲基纖維素顯著提高了乳清蛋白膜的抗拉強(qiáng)度(p<0.05),降低了斷裂伸長(zhǎng)率(p<0.05),轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶的交聯(lián)改善了復(fù)合膜的柔韌性,獲得機(jī)械性能較好的乳清蛋白-羥丙基甲基纖維素復(fù)合膜。初步包裝實(shí)驗(yàn)顯示TG酶交聯(lián)乳清蛋白-羥丙基甲基纖維素復(fù)合膜穩(wěn)定性較好,具有一定的包裝應(yīng)用潛能,可進(jìn)一步深入研究可食性膜的實(shí)際包裝應(yīng)用性能。

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