大豆分離蛋白膜結(jié)構(gòu)與配方優(yōu)化研究

冉銳敏，王璐瑤，何淑蹇，何賓賓，楊 霞，陳賽艷*，冀俊杰，王彩霞，吳賀君

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，四川雅安 625014；2.山東技師學(xué)院，濟(jì)南 250200）

復(fù)合包裝膜作為當(dāng)前包裝膜的研究熱點(diǎn)，有替代塑料包裝膜的趨勢，尤其在食品包裝上應(yīng)用潛力巨大。可食性膜常用的材料是三大類生物基物質(zhì)，多糖、蛋白質(zhì)和脂類。大豆分離蛋白（soybean protein isolate，以下簡稱 SPI）中含有 90%以上蛋白質(zhì)[1-2]，且具有優(yōu)良的成膜性能[2]，合成的SPI膜的機(jī)械性能和阻隔性均強(qiáng)于其他兩種材料[3]。同時(shí)作為大豆油工業(yè)的副產(chǎn)品，合成的SPI膜用于食品包裝工業(yè)中，可以減少廢棄物產(chǎn)生，同時(shí)提高農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品的應(yīng)用價(jià)值[4]。故本項(xiàng)目選用SPI為主要成膜物質(zhì)，合成可食性包裝膜。

但是，單一SPI膜的易溶于水，導(dǎo)致其應(yīng)用受到限制，故研究者多合成以SPI為基本成膜物質(zhì)的復(fù)合膜。有學(xué)者采用硬脂酸與SPI膜進(jìn)行生物融合，提高膜的耐水性[5]。也有研究者在SPI中加入改性后的大豆秸稈纖維素[6]，促進(jìn)SPI內(nèi)部極性基團(tuán)和大豆秸稈內(nèi)部羥基的交聯(lián)，降低膜水溶性的同時(shí)還能提高SPI膜的機(jī)械強(qiáng)度。由于蛋白質(zhì)分子鍵的剛性作用，單一的蛋白膜脆性大，有研究者通過添加增塑劑減少聚合物相鄰鏈間的分子內(nèi)相互作用[7]，從而增加膜的柔韌性和可加工性。甘油作為常用的增塑劑，安全無毒，能保持SPI膜中的水分，提高其乳化性能[5]，故用于本研究中提高SPI膜的機(jī)械性能。本項(xiàng)目選用SPI為主要成膜物質(zhì)，并添加甘油作為增塑劑，乙醇為消泡劑，合成復(fù)合包裝膜。

1 材料和方法

1.1 材料

大豆分離蛋白，食品級(jí)：哈爾濱高科技大豆食品有限公司；甘油，食品級(jí)：西隴科學(xué)股份有限公司；乙醇，分析純：成都科龍?jiān)噭┯邢薰尽?/p>

1.2 儀器設(shè)備

PHS-25酸度計(jì)：成都世紀(jì)方舟科技有限公司；CR400色差計(jì)：柯尼卡美能達(dá)公司；YT-GM光澤度儀：杭州研特科技有限公司；HD-B6098-S電子顯示拉力試驗(yàn)機(jī)：江蘇海達(dá)儀器有限公司；臺(tái)式干燥箱：北京中興偉業(yè)儀器有限公司；T9-1磁力加熱攪拌器：金壇市富華儀器有限公司；Nicolet 6700紅外光譜儀：賽默飛世爾科技公司；JSM-7500F掃描電鏡：中國富瑞寶國際有限公司；WGW型光電霧度儀：上海儀電物理光學(xué)儀器有限公司。

1.3 膜制備方法

根據(jù)前期試驗(yàn)基礎(chǔ)及文獻(xiàn)[8]所得，稱取一定量的大豆分離蛋白溶解在蒸餾水中，配制成大豆分離蛋白水溶液，加入增塑劑、消泡劑，攪拌20 min，升溫至60～70℃，保溫30 min，用0.1 mol/L NaOH將pH調(diào)節(jié)至10±0.5，再于室溫、真空度為-0.095 MPa下脫氣，以除去溶解在漿料中的氣泡。取30 mL漿液流延至有機(jī)玻璃板上，60℃恒溫干燥5～6 h，取出，在相對(duì)濕度為93%、溫度為25℃的條件下均濕回軟24 h，待測。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在上述操作過程中，以100 mL成膜液為基準(zhǔn)，分別研究不同甘油含量（3、3.5、4、4.5、5 g），乙醇含量（1、2、3、4、5 mL），大豆分離蛋白含量（4、5、6、7、8 g）對(duì)大豆分離蛋白膜的微觀結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能和光學(xué)性能的影響。

1.5 膜測定方法

1.5.1 傅里葉變換紅外光光譜

采用Nicolet 6700紅外光譜儀測定紅外光譜圖，定性表征物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，掃描范圍400～4 000 cm-1[9]。

1.5.2 掃描電子顯微鏡

采用高真空工作，加速電壓15～20 kV范圍下對(duì)膜的橫斷面進(jìn)行電子顯微鏡觀[10]。

1.5.3 透明度

按照《GB/T 2410-2008》[11]的方法用 WGW 型數(shù)字自動(dòng)光電數(shù)字霧度計(jì)測定膜的透明度。

1.5.4 光澤度

參照《GB/T 8941-2013》[12]中的方法檢測薄膜的光澤度。

1.5.5 厚度

參照《GB/T 6672-2001》[13]方法測定薄膜的厚度。

1.5.6 機(jī)械性能

參照《GB/T 1040.3-2006》[14]中的方法檢測薄膜的拉伸強(qiáng)度（TS）和斷裂伸長率（EAB）。將膜裁剪為80 mm×15 mm的長條，將初始距離設(shè)置為40 mm，測定速度為1 mm/s。每組樣品測試3個(gè)平行樣品，TS、EAB按照公式分別進(jìn)行計(jì)算：

式中F：膜斷裂時(shí)承受的最大張力/N；B：膜寬度/mm；H：膜的厚度/mm；D：膜斷裂時(shí)的長度/mm；L：膜的初始長度/mm。

1.5.7 色度

參照《GB/T 7921-2008》[15]，用 SC-10 分光測色計(jì)（蘇州欣美和儀器有限公司）對(duì)膜顏色進(jìn)行表征，按公式計(jì)算出ΔE：

式中：L*、a*、b* 為膜的色度值，L=97.40，a=-0.65，b=0.55為標(biāo)準(zhǔn)白的色度值。

2 結(jié)果與分析

2.1 薄膜的紅外光譜圖

大豆分離蛋白膜與甘油的紅外光譜對(duì)比圖如圖1所示，1 036 cm-1處是C-O的伸縮振動(dòng)，1 625 cm-1處是C=O鍵的伸縮振動(dòng)峰，1 537 cm-1是N-H的彎曲的吸收峰[5]，1 235 cm-1處C-N和N-H的伸縮振動(dòng)峰[16]，3 270 cm-1處是O-H鍵的伸縮振動(dòng)和N-H的彎曲振動(dòng)吸收峰，2 852、2 923 cm-1處是C-H鍵的吸收峰[17]，這些吸收峰均來自于大豆分離蛋白膜。甘油的特征吸收峰在成膜后均消失或減弱，其中強(qiáng)度最大且位于1 645 cm-1處的特征峰也完全消失[18]，表明甘油與大豆分離蛋白之間存在化學(xué)交聯(lián)，融合性強(qiáng)。

圖1 大豆分離蛋白膜與甘油的傅里葉紅外光譜對(duì)比圖（a：甘油，b：SPI膜）Figure 1 Comparison of Fourier infrared spectra between soybean protein isolate film and glycerin（a：glycerin；b：SPI film）

2.2 薄膜的SEM圖

膜的微觀結(jié)構(gòu)反映膜的均一性和致密性。大豆分離蛋白膜在加入甘油前后的掃描電鏡圖如圖2所示。由圖可見，未加入甘油的SPI膜橫截面有大量的褶皺；加入甘油后，褶皺消失，內(nèi)部結(jié)構(gòu)均一。表明甘油與SPI粉末具有良好的融合性，甘油的填充作用及其與薄膜基體的強(qiáng)交聯(lián)，有利于形成更致密，更均勻的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這與紅外光譜圖得出的結(jié)論一致。

圖2 大豆分離蛋白膜加入甘油前后的掃描電鏡對(duì)比圖Figure 2 SEM of SPI films with or without glycerin

2.3 甘油含量對(duì)薄膜性能的影響

依據(jù)前期文獻(xiàn)所得，取6 g大豆分離蛋白，4 mL乙醇和不同量的甘油，通過流延法制備大豆分離蛋白膜并測定其性能。不同甘油含量對(duì)薄膜光學(xué)性能的影響如表1所示，對(duì)薄膜機(jī)械性能的影響如圖3所示。其中，光澤度采用75°角測試。膜的色度值采用Lab系統(tǒng)表示。L代表明度，范圍從0到100，0表示黑色，100表示白色；+a表示膜色度偏紅，-a表示膜色度偏綠；+b表示膜色度偏紅黃，-b表示膜色度偏藍(lán)。色差用ΔE表示。

圖3 不同甘油添加量對(duì)薄膜拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率的影響Figure 3 Effects of different glycerin contents on tensile strength and elongation at break of films

由表1可知，SPI膜的L值隨著甘油含量增加而降低，a值隨著甘油含量增加先降低后升高，b值隨著甘油含量增加先升高后降低。以上數(shù)據(jù)表明，隨著甘油含量增加，SPI膜的明度降低。a值為正，表明SPI膜顏色偏紅，b值為正，表明SPI膜顏色偏黃。同時(shí)，色差隨著甘油含量增加先降低后升高，在甘油添加量為4 g時(shí)，色差值達(dá)到最小，其值為3.69±0.29。由于甘油本身是黃色，在混合進(jìn)SPI膜的分子鏈中時(shí)，造成SPI膜色調(diào)偏黃，但隨著甘油加入過量，大豆分離蛋白的雙鍵與乙醇交聯(lián)重組完成，過量的增塑劑不再進(jìn)入薄膜內(nèi)部，SPI膜結(jié)構(gòu)緊密，色度穩(wěn)定（P＞0.05），這與前人的研究相似[19]。SPI在成膜過程中，致密的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會(huì)增加薄膜的不透明度并降低L值。在包裝領(lǐng)域，薄膜的L值降低有助于防止包裝內(nèi)食品的氧化變質(zhì)。當(dāng)甘油添加量為3～4 g時(shí)，薄膜透明度隨著甘油含量的增加而降低，這有利于阻止光照對(duì)食品品質(zhì)的損壞，體現(xiàn)出SPI膜在包裝領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

表1 不同甘油添加量對(duì)膜的顏色影響Table 1 Effects of different glycerin contents on the color of films

單一的蛋白膜中，蛋白質(zhì)分子鍵的作用是剛性的，膜較脆，往往需要添加增塑劑通過減少聚合物相鄰鏈間的分子內(nèi)相互作用[8]，從而來增加膜柔韌性和可操作性。由圖3可知，隨著甘油添加量的增加，大豆分離蛋白膜的拉伸強(qiáng)度降低，斷裂伸長率增加。這與魏倩等[20]得到的甘油對(duì)大豆蛋白基可食性膜的機(jī)械性能的影響趨勢相同。當(dāng)甘油添加量為3～5 g時(shí)，小分子甘油滲透到大分子聚合物中，與酰胺基團(tuán)形成氫鍵，減少分子內(nèi)部的氫鍵作用，同時(shí)削弱了蛋白質(zhì)分子間的范德華力，使相鄰蛋白質(zhì)聚合鏈間的分子相互作用降低，分子鏈之間的空隙增加，結(jié)晶度降低，膜的剛性結(jié)構(gòu)被軟化，柔韌性增加[21]。同時(shí)，隨著甘油含量增大，膜內(nèi)的羥基鍵結(jié)合的水分子量增加，作為增塑劑的水分子可增強(qiáng)高聚物內(nèi)分子鏈的流動(dòng)性和柔韌性，導(dǎo)致復(fù)合膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散，拉伸過程中產(chǎn)生較大形變，提高了SPI膜的斷裂伸長率[22]。加入甘油后的復(fù)合膜比純SPI膜表面光滑、結(jié)構(gòu)致密。但值得注意的是，當(dāng)甘油添加量超過4 g時(shí)，過量的甘油不能與大豆分離蛋白充分結(jié)合，易造成增塑劑遷移和析出，膜黏性增大，不利于食品包裝。綜合上述分析，選擇SPI膜的甘油含量為4 g。

2.4 乙醇含量對(duì)薄膜性能的影響

取6 g大豆分離蛋白，4 g甘油和不同含量的乙醇溶液，通過流延法制備大豆分離蛋白膜并測定其性能。不同乙醇含量對(duì)薄膜的光學(xué)性能的影響如表2所示。對(duì)薄膜機(jī)械性能的影響如圖4所示。其中，光澤度采用75°角測試。由表2可知，SPI膜的L值在乙醇添加量為3 mL時(shí)，達(dá)到最大值89.07±0.89，此時(shí)明度最高。但是整體明度偏差不超過0.50，明度穩(wěn)定。薄膜的a值為正，顏色偏紅；b值為正，顏色偏黃。隨著乙醇含量增加，薄膜的紅色加深，黃色減弱，可以理解為薄膜的色度來自于甘油，隨著乙醇含量增加，乙醇分子融進(jìn)甘油分子的鏈結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致薄膜色度變淺。由表2還可發(fā)現(xiàn)，隨著乙醇含量增加，膜的透明度降低，這是因?yàn)橐掖家着c水發(fā)生共混作用，從而削弱了蛋白質(zhì)-水的相互作用，促使蛋白質(zhì)內(nèi)部發(fā)生分子間或分子內(nèi)的鍵合作用，形成致密的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低了薄膜的透明度[23]。同時(shí)由于致密的空間結(jié)構(gòu)不利于可溶性蛋白質(zhì)擴(kuò)散到空氣/水界面，導(dǎo)致表面張力降低，起泡能力下降，有利于后期形成均勻的薄膜。當(dāng)乙醇添加量超過3 mL時(shí)，膜的光澤度下降，是因?yàn)檫^量的乙醇改變了溶劑的組成，增加了溶劑揮發(fā)速度，SPI粉末未能在溶劑中充分溶解及分散，即留存在膜內(nèi)部，造成SPI膜表面不均勻、顆粒度大，光澤度下降。

表2 不同乙醇添加量對(duì)膜的顏色影響Table 2 Effects of different ethanol contents on the color of films

由圖4可知，當(dāng)乙醇含量低于3 mL時(shí)，薄膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率隨乙醇含量增加而增大；在乙醇含量3 mL時(shí)，機(jī)械強(qiáng)度達(dá)到最大值，拉伸強(qiáng)度為3.89 MPa，斷裂伸長率為70.47%。乙醇作為溶液，一定程度上可增加蛋白質(zhì)聚合物鏈的流動(dòng)性和延展性，使蛋白質(zhì)分子內(nèi)部二硫鍵、巰基和疏水基團(tuán)暴露出來，在成膜過程中，誘發(fā)更強(qiáng)烈的交聯(lián)反應(yīng)發(fā)生，增強(qiáng)膜的拉伸強(qiáng)度；當(dāng)乙醇含量超過3 mL時(shí)，薄膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率均降低。這是因?yàn)檫^量的乙醇易導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性，造成不溶性和凝塊的產(chǎn)生，嚴(yán)重者甚至?xí)斐煽障逗土芽p等缺陷[24]，降低了膜的機(jī)械性能，故在接下的試驗(yàn)中選擇消泡劑（乙醇）的最佳含量為3 mL，同時(shí)甘油的含量是4 g。

2.5 大豆分離蛋白含量對(duì)薄膜性能的影響

取4 g甘油，3 mL乙醇溶液和不同含量的大豆分離蛋白，通過流延法制備大豆分離蛋白膜并測定其性能。不同大豆分離蛋白含量對(duì)薄膜光學(xué)性能的影響如表3所示，對(duì)薄膜拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率的影響如圖5所示。其中，光澤度采用75°角測試。

由表3可知，隨著大豆分離蛋白含量的增加，薄膜的L值降低，明度降低。而隨著SPI含量增加，a值和b值分別降低和升高，表面薄膜顏色由淺紅色，并朝著黃色方向加深。但a值的增量在0.20之內(nèi)，b值變化在0.50之內(nèi)，總體色度穩(wěn)定。主要是因?yàn)镾PI本身具有淡黃色，故薄膜的色度偏黃[24]。薄膜的光澤度隨著大豆分離蛋白含量的增加而增加，這是由于蛋白質(zhì)含量增加，導(dǎo)致新形成的二硫鍵增強(qiáng)了大分子間的連接作用，從而形成了更加致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，表面結(jié)構(gòu)均勻，使得薄膜的光澤度增加。薄膜的透明度隨著大豆分離蛋白含量的增加而降低，在8 g時(shí)達(dá)到最低值83.4±20.17，這是因?yàn)閱挝惑w積的成膜液中固形物含量隨著大豆分離蛋白濃度的增加而增加，導(dǎo)致膜厚度增加，光的屏蔽作用被提高[25]，薄膜透明度降低。

表3 不同大豆分離蛋白添加量對(duì)膜的顏色影響Table 3 Effects of different soybean protein isolate contents on the color of films

由圖5可知，薄膜的拉伸強(qiáng)度隨著SPI含量的增加而升高，斷裂伸長率隨著SPI含量的增加降低。當(dāng)SPI含量為8 g時(shí)，拉伸強(qiáng)度為6.35 MPa，斷裂伸長率為22.44%，相對(duì)于SPI含量為4 g時(shí)，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率分別升高了約44%，降低了約68%。原因是大豆分離蛋白主要依靠二硫鍵（S-S）的作用成膜[26]。S-S鍵初步還原裂解成（SH）基，分散在溶劑中，降低多肽分子量，同時(shí)分散的蛋白質(zhì)分子又被氧化，重新形成S-S鍵，完成成膜過程。隨著大豆分離蛋白的含量增大，蛋白質(zhì)凝聚時(shí)產(chǎn)生的氫鍵、S-S鍵增多，疏水性相互作用增大，使膜的拉伸強(qiáng)度變大。同時(shí)更多二硫鍵的形成會(huì)增大分子間的相互作用，促使多肽鏈的鏈內(nèi)與鏈間的交聯(lián)，流動(dòng)阻力增大，膜剛性增加，柔韌性降低。但當(dāng)SPI含量增加達(dá)到一定程度后，表面出現(xiàn)未溶解性的SPI顆粒，產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象影響膜的流平性，同時(shí)使膜在受到外力時(shí)，團(tuán)聚區(qū)域受力過于集中，膜整體的柔韌性偏低[27-28]。通過拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長率的變化趨勢對(duì)比，發(fā)現(xiàn)大豆分離蛋白含量為6 g時(shí)，膜的性能適中，適合用于食品包裝。

從以上分析可知，當(dāng)甘油添加量為4 g時(shí)，SPI膜表面光滑、結(jié)構(gòu)致密；當(dāng)乙醇含量3 mL時(shí)，機(jī)械強(qiáng)度達(dá)到最大值；當(dāng)大豆分離蛋白添加量為6 g時(shí)，通過拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長率的變化趨勢對(duì)比，發(fā)現(xiàn)此時(shí)膜的性能適中，適合用于食品包裝中。綜合考慮，蛋白質(zhì)含量取6 g，同時(shí)乙醇含量取3 mL，甘油含量取4 g，此時(shí)大豆分離蛋白膜的綜合性能最佳。

3 結(jié)論

本研究以大豆分離蛋白（SPI）為原料，甘油為增塑劑，乙醇為消泡劑，通過交聯(lián)的方式制備大豆分離蛋白膜，研究了大豆分離蛋白含量、甘油含量、乙醇含量對(duì)大豆分離蛋白膜性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)大豆分離蛋白含量為6 g，甘油為4 g，乙醇為3 mL時(shí)，制備出的薄膜光學(xué)性能優(yōu)良，色差為9.71±0.76，透明度（85.08±0.61）%，光澤度為 33.31±0.61，薄膜的拉伸強(qiáng)度為5.80 MPa，斷裂伸長率為35.63%。膜具有光滑的外觀和優(yōu)良的機(jī)械性能，是一種無毒，可生物降解的綠色包裝材料，具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>