琥珀?；男圆俗训鞍谆鶑?fù)合膜制備及其性能研究

李 揚(yáng) 章 鋮 鄒昱成 王 博 鞠興榮

(南京財(cái)經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院；江蘇省現(xiàn)代糧食流通與安全協(xié)同創(chuàng)新中心;江蘇高校糧油質(zhì)量安全控制及深加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210023)

可食性復(fù)合膜可適用于食品的內(nèi)外包裝,且在自然環(huán)境中可以被降解。該復(fù)合膜通過降低食品在儲(chǔ)存過程中可能發(fā)生的品質(zhì)變化，延緩一些氧化反應(yīng)的發(fā)生，抑制微生物生長來達(dá)到防腐保鮮，延長貨架期的目的[1]。目前，可食性復(fù)合膜多由蛋白、多糖與脂質(zhì)組成，這種復(fù)合膜以脂質(zhì)作為阻水組分，蛋白質(zhì)或多糖作為脂質(zhì)的支持介質(zhì)以保持膜的完整性[2]。可食性復(fù)合膜的原料主要有淀粉[3]、果膠[4]、殼聚糖[5]、魔芋葡甘聚糖[6]、明膠[7]、海藻酸鈉[8]、羥丙基甲基纖維素[9]、大豆蛋白[10]等。這些原料不僅來源廣泛，可降解，對(duì)環(huán)境友好，還可以作為食品風(fēng)味料和營養(yǎng)強(qiáng)化劑的載體，是近年來科學(xué)研究的熱點(diǎn)。蛋白類可食性膜營養(yǎng)價(jià)值優(yōu)越，透明度高，分子間交聯(lián)作用強(qiáng)[11]，機(jī)械性能較好。

菜籽蛋白作為可食性膜基料有很多的優(yōu)點(diǎn)。首先菜籽蛋白營養(yǎng)可食，氨基酸組成平衡，并且蛋白消化率達(dá)95%～100%，是一種優(yōu)質(zhì)蛋白[12]。我國以及加拿大等地區(qū)大面積種植菜籽，菜籽主要作為油料作物，其副產(chǎn)品菜籽粕中蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)約35%～40%(干基)[13]，而菜籽粕主要被用作動(dòng)物飼料或者植物堆肥，造成蛋白資源的極大浪費(fèi)。開發(fā)利用菜籽粕中的蛋白資源，有極大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)意義。此外，菜籽蛋白還具有良好的成膜性[14]，特別是改性后的菜籽蛋白，其機(jī)械性能等功能特性得到明顯改善。Wang等[15]的研究表明，利用酰化改性菜籽蛋白溶液噴霧干燥形成的微載體壁材的機(jī)械強(qiáng)度(450 MPa)顯著高于未改性菜籽蛋白微載體(390 MPa)。

HPMC是一種水溶性的纖維素衍生物，具有良好的成膜性[16]。HPMC中含有大量的易形成氫鍵的羥基[17]，可以與蛋白質(zhì)分子形成分子間氫鍵，提高共混膜的機(jī)械性能。而其官能團(tuán)的取代程度，取代類型以及聚合物鏈的長短都會(huì)影響它的溶解性，透水性和機(jī)械性能[18]。

本實(shí)驗(yàn)將SRPI與HPMC復(fù)合制可食性薄膜，通過探討其最佳制備條件，并對(duì)SRPI/HPMC復(fù)合膜的機(jī)械性能、水蒸氣透過性、透明度、二級(jí)結(jié)構(gòu)以及微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，以期為開發(fā)食品的內(nèi)層包裝提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

雙低油菜籽、HPMC(平均摩爾質(zhì)量為16 000 g/mol，甲氧基取代度為1.9,羥丙基取代度為8.5，黏度η為19 mPa/s)、石油醚(沸程 30～60 ℃)、甘油、吐溫20、琥珀酸酐等化學(xué)試劑均分析純。

1.2 方法

1.2.1 菜籽蛋白(RPI)制備

雙低菜籽脫殼，粉碎，過篩(60目)，石油醚脫脂8 h，并干燥過篩(40目)，得到脫脂菜籽粕。用蒸餾水按料液比1∶10溶解脫脂菜籽粕，用1 mol/L NaOH調(diào)節(jié)pH至8.0，離心(4 ℃，8 000 g，20 min)，取上清液用1 mol/L HCl調(diào)節(jié)pH至4.5，靜置1 h，離心(4 ℃，8 000 g，20 min)，得沉淀。取沉淀進(jìn)行透析(100 ku)，冷凍干燥，得到菜籽蛋白。

1.2.2 琥珀?；男圆俗训鞍?SRPI)

取適量菜籽蛋白配制10%(m/V)的菜籽蛋白溶液，用1 mol/L NaOH調(diào)節(jié)pH至8.0，分次加入10%琥珀酸酐(以蛋白質(zhì)量計(jì))，用1 mol/L NaOH維持pH=8.0，恒溫磁力攪拌(45 ℃)，當(dāng)pH基本穩(wěn)定不變，反應(yīng)完成，經(jīng)過濾，透析，冷凍干燥，得琥珀?；男圆俗训鞍住?/p>

1.2.3 琥珀?；男圆俗训鞍谆鶑?fù)合膜制備

按照表1，取相應(yīng)質(zhì)量的RPI，SRPI溶于100 mL餾水中，恒溫磁力攪拌(50 ℃，500 r/min，1 h)。HPMC溶液恒溫磁力攪拌(90 ℃，500 r/min，1.5 h)。按照表1各成分的配比等體積混合蛋白與HPMC的成膜液并磁力攪拌(90 ℃，500 r/min，0.5 h)，并添加2.0% 的甘油作為增塑劑，1.5%的吐溫20 作為乳化劑，使各組分混合均勻。量取制得的各種成膜液25 mL傾倒于聚四氟乙烯平板(PTFE) (10 cm × 10 cm ×1 mm)。在恒溫恒濕箱中干燥24 h，成膜(50 ℃，RH=50%)。SRPI∶HPMC=1∶1，SRPI∶HPMC=2 ∶1，SRPI∶HPMC=3∶1，保存以待測量。

表1 不同配比的各成分的成膜液/100 mL

1.2.4 Zeta電位的測定

將樣品稀釋至0.01%，取少量注入電位池(緩緩注入，防止氣泡產(chǎn)生)，放入電位儀中，測試溫度為25 ℃，即可測得Zeta電位值。均進(jìn)樣3次，每次重復(fù)記錄3次，取其平均值。

1.2.5 厚度測定

在SRPI/HPMC復(fù)合膜表面隨機(jī)選取7個(gè)點(diǎn),用電子數(shù)顯卡尺測量其厚度,取其平均值,用于復(fù)合膜機(jī)械性能、水蒸氣透過性等參數(shù)的計(jì)算。

1.2.6 透明度測定

將SRPI/HPMC復(fù)合膜剪成5 cm×1 cm的矩形長條,貼在玻璃比色皿的一側(cè)，在λ=600 nm下測定吸光度，空白比色皿作對(duì)照，重復(fù)測定5次。計(jì)算公式為：

Opacity=λA

(1)

式中：Opacity為膜的透明度；A為在波長600 nm下測得的吸光度。

1.2.7 傅立葉變換紅外測定

取SRPI/HPMC復(fù)合膜60 ℃下干燥3 h，在Bruker Tensor 27傅立葉變換紅外光譜儀中對(duì)其進(jìn)行檢測分析，測試參數(shù)為:掃描波長范圍800～4 000 cm-1，分變率4 cm-1，掃描次數(shù)32 次[20]。曲線去卷積擬合和峰值分布用軟件PeakFit(v 4.12 Systat軟件有限公司，加利福尼亞)。定量分析蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu) 如表2所示：

表2 酰胺Ⅰ帶各峰的指認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)[19]

1.2.8 機(jī)械性能測試

根據(jù)美國材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)制定的薄型塑料片材拉伸性能的標(biāo)準(zhǔn)測試方法ASTM- D882-02，將薄膜剪切為6 cm×2 cm的長條狀,采用TA-XT2i型物性儀測試其抗拉強(qiáng)度TS和伸長率E。初始夾距50 mm,拉伸速度1 mm/s,測試前將樣品置于23 ℃，RH=53%恒溫恒濕箱內(nèi)平衡72 h,重復(fù)測試5次，取其平均值。抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率計(jì)算見公式:

(2)

(3)

式中: TS為復(fù)合膜的抗拉強(qiáng)度/MPa;F為拉伸最大應(yīng)力/N;S為拉伸前截面積/mm2;E為復(fù)合膜斷裂伸長率;L0的原始長度/mm; ΔL膜條斷裂時(shí)伸長長度/mm。

1.2.9 水蒸氣透過性(WVP)

根據(jù)GB1037，采用“杯法”測定。用雙面膠和石蠟將膜樣品密封于內(nèi)裝有8 g無水硫酸銅的小玻璃燒杯杯口，置于裝有20 mL的飽和氯化鎂溶液的干燥器內(nèi)168 h,每隔24 h測量1次燒杯的重量，按公式計(jì)算水蒸氣透過率WVP：

(4)

式中：W為增加的燒杯質(zhì)量/g;L為膜的平均厚度/mm;t為測量的時(shí)間長/168 h;S為杯口的面積/m2;ΔP為式樣兩側(cè)的水蒸氣壓差/kPa，25 ℃下為 3.167 1 kPa。

1.2.10 SRPI/HPMC復(fù)合膜表面及橫截面形態(tài)

SRPI/HPMC復(fù)合膜表面及橫截面形態(tài)結(jié)構(gòu)在TM3000型掃描電鏡(SEM)下進(jìn)行觀察，膜樣品用雙面膠固定在鋁盤上，表面進(jìn)行噴金處理，加速電壓為15.0 kV，放大倍數(shù)為1 000。

2 結(jié)果與分析

2.1 成膜液的Zeta電位

Zeta電位的數(shù)值與分散系的穩(wěn)定性有關(guān)，反映分散系中顆粒相互排斥與吸引力的大小。Zeta 電位絕對(duì)值越高，體系越穩(wěn)定。從表3中可以看出，所有的溶液的Zeta電位絕對(duì)值均大于30，說明溶液都有較好的穩(wěn)定性。

表3 不同配比的SRPI/HPMC復(fù)合膜的厚度和Zeta電位絕對(duì)值

注：小寫字母不同表示差異顯著性 (P<0.05)。

2.2 厚度和透明度

表3測定數(shù)據(jù)顯示，不同配比的SRPI/HPMC復(fù)合膜厚度在0.158～0.167 mm之間，與市售保鮮膜厚度相近(約0.10 mm)。食品包裝材料的透明度直接影響食品的感官特性。因在堿性條件下制得的RPI膜，顏色略微偏黃，一定程度上影響膜的感官性狀，通過與HPMC復(fù)合制備的膜的透明度較RPI膜顯著提高(P<0.05)。不同復(fù)合配比的膜透明度能無明顯差異(P>0.05)。從圖1可以看出不同配比的SRPI/HPMC復(fù)合膜都有良好光學(xué)性能，滿足食品包裝透明可見的要求。

注：小寫字母不同表示差異顯著性 (P<0.05)。余同。圖1 RPI和不同配比的SRPI/HPMC復(fù)合膜的透明度

2.3 傅立葉變換紅外光譜分析

圖2為RPI、SRPI、HPMC、SRPI/HPMC膜在800～4 000 cm-1范圍的FT-IR光譜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與對(duì)照組比較不同配比的SRPI/HPMC復(fù)合膜3 300 cm-1附近有一個(gè)強(qiáng)而寬的吸收峰，是由羥基O—H伸縮振動(dòng)引起的[20]。在SRPI/HPMC復(fù)合膜3 287 cm-1處的吸收峰由分子間氫鍵O—H和酰胺N—H伸縮振動(dòng)引起的，1 550 cm-1處是酰胺Ⅱ帶(—NH彎曲振動(dòng))的吸收峰[21]，1 247 cm-1的吸收是C—N伸縮振動(dòng)造成的，1 403 cm-1是C—OH振動(dòng)，2 923、2 867 cm-1處是烷烴C—H伸縮振動(dòng)引起的較弱的吸收，1 037、945 cm-1是由C—O—C伸縮振動(dòng)引起的。SRPI/HPMC復(fù)合膜的3 460～3 160 cm-1處出現(xiàn)一個(gè)較寬的吸收，隨著蛋白比例增大，峰值變寬，角度變鈍，推測其原因可能是由于蛋白中發(fā)生氫鍵間的締合作用增多。從紅外光譜分析中可以看出,隨著菜籽蛋白比例的提高，SRPI/HPMC復(fù)合膜特征峰強(qiáng)度明顯增強(qiáng),共混主要表現(xiàn)成膜分子之間的共價(jià)鍵的變化。當(dāng)兩種組分之間的相互作用加強(qiáng)時(shí)，表明這兩組分相容性較好，為SRPI/HPMC復(fù)合膜的制備提供理論基礎(chǔ)。從圖2中可以看出，與RPI相比，SRPI膜的二級(jí)結(jié)構(gòu)中β-折疊與α-螺旋占比增大，無規(guī)則卷曲占比減小，α-螺旋是一種相對(duì)規(guī)則的構(gòu)象，主要位于蛋白質(zhì)內(nèi)部,其中包含大量的容易與其他極性集團(tuán)發(fā)生作用的氫鍵[22]。β-轉(zhuǎn)角所占面積減小，β-折疊面積增大，發(fā)生β-轉(zhuǎn)角向β-折疊的轉(zhuǎn)變，這是由氨基酸殘基跟琥珀酸酐反應(yīng)造成的[23]。不同配比的SRPI/HPMC 復(fù)合膜α-螺旋占比無明顯變化，無規(guī)則卷曲占比減小，而β-轉(zhuǎn)角占比提升，這可能與復(fù)合膜的機(jī)械性能和阻水性有關(guān)。

圖2 不同配比的SRPI/HPMC復(fù)合膜的紅外光譜圖

圖3 酰胺I帶各峰在高斯曲線擬合后峰值所占的面積

2.4 機(jī)械性能測試

圖4 RPI 和不同配比的SRPI/HPMC共混膜機(jī)械性能

拉伸強(qiáng)度(TS)和斷裂伸長率(E)是反映膜機(jī)械性能的2個(gè)主要指標(biāo)。各實(shí)驗(yàn)組機(jī)械性能測試結(jié)果見圖4，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，RPI膜拉伸強(qiáng)度值太小(<4.0 MPa)，不能滿足食品包裝材料的使用要求。SRPI膜與RPI膜相比，拉伸強(qiáng)度提高18.7%，斷裂伸長率提高38.7%，SPRPI/HPMC復(fù)合膜拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率較SRPI都有顯著提升(P<0.05)，當(dāng)SRPI∶HPMC=3∶1時(shí)，拉伸強(qiáng)度提高101.3%，說明RPI經(jīng)琥珀?；男院螅芤壕环€(wěn)定，是形成SRPI/HPMC共混膜良好機(jī)械性能的重要基礎(chǔ)。此外，不同配比的SRPI/HPMC復(fù)合膜機(jī)械性能測試結(jié)果表明，SRPI比例的增加，制備的SRPI/PMC共混膜拉伸強(qiáng)度顯著降低(P<0.05)，膜的斷裂伸長率顯著增大(P<0.05)。這可能因?yàn)閱挝惑w積中SRPI聚集的越多，形成的蛋白質(zhì)分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將加強(qiáng)分子鏈間的相互作用，宏觀上表現(xiàn)為膜的斷裂伸長性能增加。HPMC的結(jié)構(gòu)單元D-吡喃式葡萄糖殘基上含有—OCH3(—[OCH2CH—(CH3)]nOH)與未反應(yīng)的—OH，屬活性基團(tuán)，且支鏈較長，與SRPI分子上的氨基或酰氨基之間產(chǎn)生了分子間氫鍵作用，使得膜的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，從而表現(xiàn)出TS值的增大[24-25]。

2.5 水蒸氣透過性

水蒸氣透過性(WVP)是一個(gè)表征膜重要的性質(zhì),其直接反映膜控制水分在食品與外界環(huán)境中遷移的能力[26-27]。不同配比的SRPI/HPMC復(fù)合膜WVP詳見圖 5，測定結(jié)果顯示，RPI膜WVP為0.4 317 ng/(m2·s·Pa)，與之對(duì)比，不同配比的SRPI/HPMC復(fù)合膜WVP均顯著降低(P<0.05)，主要原因是HPMC的結(jié)構(gòu)單元D-吡喃式葡萄糖殘基上含有甲氧基(—OCH3)，—OCH3是疏水性基團(tuán)，HPMC大分子上的羥丙基與蛋白質(zhì)分子的—NH2和—COO—基團(tuán)之間形成氫鍵，形成較為穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使大量的疏水集團(tuán)暴露在體系中，從而提高膜的疏水性。當(dāng)SRPI∶HPMC=3∶1時(shí)，復(fù)合膜與SRPI膜相比阻水性提高24.1%。可見，SRPI/HPMC復(fù)合膜具有更好的阻水性能。

圖5 RPI和不同配比的SRPI/HPMC復(fù)合膜的透水性

2.6 蛋白基膜的的表面和橫截面的微觀結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖

圖6反映了不同配比的蛋白基膜的的表面和橫截面的微觀結(jié)構(gòu)。RPI和HPMC能夠形成相對(duì)比較光滑的薄膜，無明顯不均勻空洞。純的菜籽蛋白膜(RPI)和琥珀酰化改性的菜籽蛋白(SRPI)表面較為平整，出現(xiàn)細(xì)小裂痕，并且有蛋白質(zhì)結(jié)晶，這可能會(huì)導(dǎo)致膜的機(jī)械性能和阻水性能較差。SRPI∶HPMC=1∶1時(shí)，SRPI/HPMC復(fù)合膜結(jié)構(gòu)不均勻，出現(xiàn)團(tuán)塊小顆粒(圖6C)，當(dāng)SRPI∶HPMC=3∶1時(shí)(如圖6E)，膜表面結(jié)構(gòu)變得緊湊、均勻，表明當(dāng)復(fù)合膜中菜籽蛋白含量較高時(shí)，與HPMC容易形成結(jié)構(gòu)致密的復(fù)合膜。

注：A為RPI;B為SRPI;C為1∶1;D為2∶1;E為3∶1;F為RPI橫截面; G為SRPI橫截面；H為1∶1橫截面; I為2∶1橫截面; J為3∶1橫截面。圖6 不同配比的SRPI/HPMC復(fù)合膜表面和橫截面的掃描電鏡圖

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)通過琥珀?；男缘牟俗训鞍着c羥丙基甲基纖維素復(fù)合制得可食性薄膜條件的研究，結(jié)果表明，SRPI膜與RPI膜相比，拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率和透明度都有顯著提高，并且蛋白膜的二級(jí)結(jié)構(gòu)中無規(guī)則卷曲占比減小，微觀結(jié)構(gòu)較為緊密。HPMC作為菜籽蛋白的良好的復(fù)合材料，在SRPI∶HPMC=3 ∶1時(shí)，能顯著地改善SRPI膜的機(jī)械性能，光學(xué)性能以及阻水性能。