不同硬脂酸添加量下大豆分離蛋白/海藻酸鈉膜特性研究

朱秀清 陳 華 和銘鈺 馮旭梅 李 楊,2 滕 飛

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.黑龍江省綠色食品科學(xué)研究院， 哈爾濱 150028)

0 引言

傳統(tǒng)塑料使用帶來(lái)的不可再生資源消耗以及塑料廢棄物處理造成的環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重，因此研究人員正致力于開(kāi)發(fā)廉價(jià)且優(yōu)質(zhì)的新型生物降解包裝材料[1]。目前用于生產(chǎn)食品包裝材料的天然高分子物質(zhì)有多糖、脂類(lèi)和蛋白質(zhì)。大豆分離蛋白(Soy protein isolate，SPI)因其成本低、成膜性能優(yōu)異、生物相容性好而備受關(guān)注，但SPI膜普遍存在機(jī)械強(qiáng)度不足、耐水性低等問(wèn)題[2]。近年來(lái)，研究者們普遍采用改性處理如物理改性、化學(xué)改性和酶改性等提高蛋白膜性能[3-5]。此外，聯(lián)合改性也是改善膜性能的有效方法，多糖或脂肪酸與蛋白復(fù)合，可以增強(qiáng)膜的物理化學(xué)性質(zhì)，如多糖可以提高蛋白膜的機(jī)械性能，脂肪酸則可以提高蛋白膜的阻水性能[6]。文獻(xiàn)[7]利用殼聚糖顯著提高了明膠膜的機(jī)械性能和耐水性。文獻(xiàn)[8]將不同類(lèi)型的多糖(海藻酸丙二醇酯、果膠、卡拉膠和蘆薈多糖)直接添加或共混干燥到SPI/月桂酸膜中，用于改善膜的力學(xué)性能和耐水性。

海藻酸鈉(Sodium alginate，NaAlg)是從褐藻或馬尾藻中提取的一種天然多糖物質(zhì)，具有生物降解性、良好的凝膠性、成膜性和生物相容性，可與蛋白、多糖和脂類(lèi)等大分子物質(zhì)復(fù)合制成具有良好性能的復(fù)合膜[9]。文獻(xiàn)[10]制備并表征了以水楊酸與阿魏酸交聯(lián)的海藻酸鈉可食用膜，以了解兩者對(duì)膜特性變化的影響。文獻(xiàn)[11]制備了具有緩慢釋放抗菌物質(zhì)的海藻酸鈉/玉米醇溶蛋白抗菌復(fù)合膜并對(duì)其表征以及對(duì)抗菌性能進(jìn)行了分析。SPI/NaAlg復(fù)合膜[12]與單一膜相比，機(jī)械性能有了極大提高，但柔韌性較差，脆性較強(qiáng)，極大地限制了其在食品工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，因此可以通過(guò)添加脂類(lèi)來(lái)改善復(fù)合膜的阻水性能。疏水性物質(zhì)硬脂酸(Stearic acid，SA)是一種含有十八碳鏈的飽和脂肪酸，天然存在于動(dòng)植物體內(nèi)。在復(fù)合膜中添加硬脂酸不僅可以提高膜的阻水性能，還可以降低復(fù)合膜的表面活性，提高膜的接觸角，構(gòu)造出疏水表面[13]。硬脂酸還可以起到增塑的作用，增加膜內(nèi)分子的柔韌性和運(yùn)動(dòng)空間，降低分子之間的作用力[14]。文獻(xiàn)[15]研究了緩沖液的酸堿度、乙醇添加量、載姜黃素量、膜中硬脂酸量等因素對(duì)姜黃素從殼聚糖-果膠-硬脂酸膜中釋放的影響。文獻(xiàn)[16]使用酪蛋白酸鈉和硬脂酸制備可食用膜，研究了硬脂酸和酪蛋白酸鈉與水的比例對(duì)所制備膜的水蒸氣透過(guò)率和機(jī)械性能的影響。

目前，硬脂酸影響蛋白基膜的阻水性能主要通過(guò)測(cè)定水蒸氣滲透性、表面潤(rùn)濕性、含水率及水溶性等指標(biāo)體現(xiàn)，然而關(guān)于硬脂酸影響SPI/NaAlg復(fù)合膜阻水性能的結(jié)構(gòu)變化及結(jié)構(gòu)與性能相關(guān)性仍存在研究空白。因此本文利用硬脂酸復(fù)合SPI和海藻酸鈉，采用改性技術(shù)制備三元復(fù)合膜，探究硬脂酸對(duì)復(fù)合膜的機(jī)械性能和阻水性能的影響，并對(duì)其進(jìn)行微觀表征，以期為SPI/NaAlg復(fù)合膜的研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大豆分離蛋白(純度91.32%)，河南川錦生物科技有限公司；硬脂酸(分析純，純度98%)，上海麥克林生化科技有限公司；海藻酸鈉(化學(xué)純，粘度(200±20) mPa·s)，上海麥克林生化科技有限公司；甘油(分析純，99%)，上海源葉生物科技有限公司；其它試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

AUY 120型分析天平(精度0.000 1 g)，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；HWS-26型電熱恒溫水浴鍋，上海一恒儀器有限公司；S22-2型恒溫磁力攪拌器，上海司樂(lè)儀器有限公司；SB25-12 DTD型超聲波細(xì)胞破碎儀，寧波新芝生物科技股份有限公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司；HP-50型數(shù)顯推拉力計(jì)測(cè)試機(jī)，樂(lè)清市艾德堡儀器有限公司；數(shù)顯游標(biāo)卡尺，得力集團(tuán)有限公司；視頻光學(xué)動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)量?jī)x，瑞典百歐林科技有限公司；臺(tái)式高速冷凍離心機(jī)，湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開(kāi)發(fā)有限公司；傅里葉變換紅外光譜儀，賽默飛世爾科技(中國(guó))有限公司；S-3400 N型掃描電子顯微鏡，日本日立公司。

1.3 方法

1.3.1SPI/NaAlg/SA復(fù)合膜制備

準(zhǔn)確稱(chēng)取5.00 g SPI、0.50 g海藻酸鈉，加2.50 mL甘油、150 mL蒸餾水，磁力攪拌30 min，然后分別添加0、2%、4%、6%、8%和10%(占成膜液中SPI質(zhì)量分?jǐn)?shù))的硬脂酸，在70℃下恒溫水浴并攪拌40 min，制備SPI/NaAlg/SA成膜液。對(duì)上述成膜溶液進(jìn)行超聲200 W、脫氣20 min，然后傾倒至平板，置于65℃干燥箱中干燥3 h后揭膜，揭膜后將其置于相對(duì)濕度(RH)為75%(飽和氯化鈉溶液)的干燥器中平衡2 d，測(cè)定膜性能。

1.3.2機(jī)械性能測(cè)定

參照文獻(xiàn)[17]的方法，稍作修改。利用數(shù)顯推拉力計(jì)測(cè)試機(jī)對(duì)復(fù)合膜樣品的拉伸強(qiáng)度以及斷裂伸長(zhǎng)率進(jìn)行測(cè)定。將裁剪好的膜樣品夾在兩個(gè)探頭之間，有效拉伸長(zhǎng)度為50 mm，十字頭速率為15 mm/min，記錄膜樣品斷裂時(shí)的最大作用力和長(zhǎng)度，膜的拉伸強(qiáng)度(Tensile strength，TS)和斷裂伸長(zhǎng)率(Elongation at break，EB)計(jì)算公式為

(1)

(2)

式中T——樣品拉伸強(qiáng)度，MPa

F——樣品斷裂時(shí)承受的最大作用力，N

S——樣品橫截面面積，mm2

E——樣品斷裂伸長(zhǎng)率，%

L——樣品斷裂時(shí)的長(zhǎng)度，mm

L0——樣品初始長(zhǎng)度，mm

1.3.3水蒸氣滲透性測(cè)定

水蒸氣滲透性的測(cè)定采用擬杯子法，參照文獻(xiàn)[18]的方法，并稍作修改。在20℃條件下，將干燥的硅膠放入玻璃杯至杯口5 mm處(RH為0；水蒸氣壓力為0 kPa)。選擇厚度均勻且完整的復(fù)合膜，先用游標(biāo)卡尺測(cè)量厚度，然后再用凡士林將膜密封于杯口，稱(chēng)量。保持20℃的條件，將玻璃杯放在盛有蒸餾水的干燥器中(RH為100%；水蒸氣壓力為2.346 kPa)，使復(fù)合膜兩側(cè)保持0/100%的相對(duì)濕度差。每隔2 h稱(chēng)量一次，共稱(chēng)量6次，且每組試驗(yàn)重復(fù)3次，水蒸氣透過(guò)系數(shù)(Water vapor permeability，WVP)計(jì)算公式為

(3)

式中W——水蒸氣透過(guò)系數(shù)，g·mm/(m2·h·kPa)

Δm——穩(wěn)定后膜質(zhì)量增量，g

d——膜平均厚度，mm

A——有效透過(guò)水蒸氣膜的面積，m2

t——測(cè)定時(shí)間間隔，h

Δp——膜兩側(cè)水蒸氣壓差，kPa

1.3.4含水率及水溶性測(cè)定

參照文獻(xiàn)[19]的方法，稍作修改。將膜樣品稱(chēng)量之后，置于105℃干燥箱中干燥24 h，再稱(chēng)量。膜的含水率計(jì)算公式為

(4)

式中Mc——膜含水率，%

m1——干燥前膜質(zhì)量，g

m2——干燥24 h之后膜質(zhì)量，g

將干燥后的膜樣品置于盛有30 mL蒸餾水的燒杯中，室溫(20℃)放置24 h，之后5 000 r/min離心5 min，將不溶性的膜再次干燥至質(zhì)量恒定，再次稱(chēng)量。膜水溶性指數(shù)計(jì)算公式為

(5)

式中Ws——膜水溶性指數(shù)，%

m3——最終干燥膜質(zhì)量，g

1.3.5接觸角測(cè)定

參照文獻(xiàn)[20]的方法，稍作修改。通過(guò)坐滴法來(lái)測(cè)定膜的表面潤(rùn)濕性。首先將1.3.1節(jié)的成膜液濃度增大，蛋白質(zhì)量濃度由3.33 g/(100 mL)增大為5 g/(100 mL)，其他物質(zhì)基于SPI的相對(duì)含量不變，然后干燥成膜。25℃條件下，將裁好的膜片固定于測(cè)試臺(tái)上，滴1滴去離子水(約5 μL)，此時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，10 s后拍攝膜的接觸角圖像。試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。

1.3.6傅里葉變換紅外光譜分析

參照文獻(xiàn)[21]的方法，稍作修改。使用傅里葉紅外光譜儀在波數(shù)400～4 000 cm-1范圍內(nèi)對(duì)干燥處理后的膜進(jìn)行掃描，25℃環(huán)境下，以分辨率4 cm-1，掃描32次，得到紅外吸收光譜。

1.3.7掃描電鏡分析

參照文獻(xiàn)[22]的方法，稍作修改。應(yīng)用鎢燈絲掃描電子顯微鏡觀察膜的表面以及橫斷面形貌，用雙面膠將膜固定在樣品臺(tái)表面上，用噴金儀在真空狀態(tài)下噴金，加速電壓設(shè)為5.00 kV，膜的表面和橫斷面均放大1 000倍。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

在本研究中，所有收集的數(shù)據(jù)均為3次測(cè)定的平均值及3次重復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(SD)，利用SPSS Statistics 22軟件，使用方差分析(ANOVA)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性比較，P<0.05為顯著性差異。采用Origin 9.5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、圖表繪制及圖譜分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 機(jī)械性能

不同添加量硬脂酸對(duì)復(fù)合膜拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的影響如圖1(不同小寫(xiě)字母表示P<0.05水平上差異顯著，下同)所示，與二元復(fù)合膜相比，隨著硬脂酸添加量的增加，復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。添加2%、4%、6%硬脂酸，復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度增加可能是因?yàn)镾PI和海藻酸鈉通過(guò)共價(jià)鍵、氫鍵等化學(xué)鍵形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，加入的硬脂酸則分布在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的縫隙中，能夠形成良好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，鍵與鍵之間結(jié)合較強(qiáng)，從而導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度增加[23]；當(dāng)添加量繼續(xù)增加時(shí)，拉伸強(qiáng)度下降，這可能是因?yàn)镾PI游離的氨基被硬脂酸的長(zhǎng)碳鏈取代，氫鍵減少，從而拉伸強(qiáng)度降低[24]。斷裂伸長(zhǎng)率隨著硬脂酸添加量的增加則呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。斷裂伸長(zhǎng)率降低可能與含水率減小和蛋白質(zhì)鏈之間的空間位阻增加有關(guān)[24]，SPI和海藻酸鈉能夠形成良好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了蛋白質(zhì)鏈之間的空間位阻，這導(dǎo)致斷裂伸長(zhǎng)率降低；添加10%硬脂酸時(shí)，斷裂伸長(zhǎng)率增加，這可以表明硬脂酸起到了增塑的作用，可以增加蛋白質(zhì)分子的柔韌性，降低蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間的作用力，因此隨著硬脂酸濃度的增加，斷裂伸長(zhǎng)率增加。文獻(xiàn)[25]以不同比例的硬脂酸和胱氨酸制備具有良好力學(xué)性能和阻水性能的SPI膜，斷裂伸長(zhǎng)率研究也有類(lèi)似結(jié)果。

圖1 硬脂酸添加量對(duì)SPI/NaAlg復(fù)合膜機(jī)械性能的影響Fig.1 Effect of different concentrations of stearic acid on mechanical properties of SPI/NaAlg composite films

2.2 水蒸氣滲透性

水蒸氣透過(guò)系數(shù)是評(píng)價(jià)包裝材料的重要指標(biāo)。由表1可知，隨著硬脂酸添加量的增加，復(fù)合膜的水蒸氣透過(guò)系數(shù)呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。當(dāng)硬脂酸添加量為8%時(shí)，復(fù)合膜的水蒸氣透過(guò)系數(shù)達(dá)到最小值(2.95±0.49) g·mm/(m2·h·kPa)(P<0.05)，這可能是因?yàn)樵诔赡み^(guò)程中，SPI和海藻酸鈉通過(guò)共價(jià)鍵、氫鍵等化學(xué)鍵形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，加入的硬脂酸則分布在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的縫隙中，使得復(fù)合膜能夠形成良好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有效提高復(fù)合膜的阻水性能[23]。但添加過(guò)量的硬脂酸會(huì)造成乳化不均，使得硬脂酸在膜表面結(jié)晶不連續(xù)，從而導(dǎo)致WVP升高[26]。

表1 硬脂酸添加量對(duì)SPI/NaAlg膜水蒸氣滲透性、含水率及水溶性的影響Tab.1 Effects of different concentrations of stearic acid on water vapor permeability, water content and water solubility of SPI/NaAlg films

2.3 含水率及水溶性

由表1可知，硬脂酸添加量對(duì)三元復(fù)合膜的含水率無(wú)顯著影響(P>0.05)，但二元復(fù)合膜的含水率顯著高于添加硬脂酸的三元復(fù)合膜的含水率。這可能是因?yàn)橛仓崾且环N疏水性很強(qiáng)的物質(zhì)，可以降低復(fù)合膜對(duì)水分的吸附能力[27]。

水溶性可以反映膜的親水性能，膜含有的親水基團(tuán)越多或基團(tuán)親水性越好，復(fù)合膜的水溶性也就越高[28]。試驗(yàn)過(guò)程中膜保持了完整性。由表1可知，膜的水溶性隨著硬脂酸添加量的增加而顯著降低(P<0.05)，當(dāng)添加量大于6%時(shí)，水溶性變化不顯著。這可能是由于硬脂酸的添加阻礙了蛋白和多糖分子的運(yùn)動(dòng)，使能自由活動(dòng)的親水基團(tuán)減少，導(dǎo)致復(fù)合膜的水溶性下降[26]。

2.4 接觸角

通常用接觸角來(lái)衡量膜的親水或疏水特性，當(dāng)接觸角小于90°時(shí)，膜親水；反之膜疏水[17]。圖2反映了水在復(fù)合膜表面的分散狀況。二元復(fù)合膜表現(xiàn)出高度親水的性質(zhì)，接觸角最小，為58.80°±7.47°(P<0.05)。隨著硬脂酸添加量的增加，復(fù)合膜的接觸角呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)硬脂酸添加量為8%時(shí)，復(fù)合膜的接觸角最大，為91.68°±9.02°(P<0.05)。試驗(yàn)結(jié)果表明添加適量硬脂酸能有效提高SPI/NaAlg復(fù)合膜的耐水性，同時(shí)也側(cè)面驗(yàn)證WVP試驗(yàn)的結(jié)果。

圖2 不同硬脂酸添加量的SPI/NaAlg/SA復(fù)合膜接觸角圖像Fig.2 Contact angle pictures of SPI/NaAlg/SA composite films

2.5 紅外光譜分析

圖3 不同硬脂酸添加量的SPI/NaAlg/SA復(fù)合膜紅外光譜圖Fig.3 FTIR spectra of SPI/NaAlg/SA composite films with different amounts of stearic acid addition

2.6 掃描電鏡分析

圖4為添加不同比例硬脂酸的復(fù)合膜放大1 000倍下的表面掃描電鏡圖。由圖4可知，SPI/NaAlg二元復(fù)合膜的表面光滑平坦，這表明SPI、甘油和海藻酸鈉的混合物是均勻的。隨著硬脂酸添加量的增加，硬脂酸聚集并嵌入到膜基質(zhì)中，從而導(dǎo)致相對(duì)不均勻的表面。表面出現(xiàn)白點(diǎn)可能與硬脂酸的不均勻填充有關(guān)[35]。當(dāng)添加10%時(shí)，膜的表面更為粗糙且呈現(xiàn)出不連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這可能是因?yàn)閺?fù)合膜中過(guò)量的硬脂酸聚集而影響SPI與海藻酸鈉形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響膜的阻水性能[36]。

圖4 不同硬脂酸添加量的SPI/NaAlg/SA復(fù)合膜表面掃描電鏡圖Fig.4 SEM images of outer surface of SPI/NaAlg/SA composite films with different amounts of stearic acid addition

圖5 不同硬脂酸添加量的SPI/NaAlg/SA復(fù)合膜的截面掃描電鏡圖Fig.5 SEM images of cross section of SPI/NaAlg/SA composite films with different amounts of stearic acid addition

圖5為添加不同比例硬脂酸的復(fù)合膜放大1 000倍下的截面掃描電鏡圖。由圖5可知，隨著硬脂酸添加量的增加，膜內(nèi)空隙逐漸減少，這可能是因?yàn)榧尤氲挠仓崽畛湓趶?fù)合膜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，形成復(fù)雜的蛋白質(zhì)-多糖-脂質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，使得復(fù)合膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得十分致密[37]。當(dāng)添加10%時(shí)，復(fù)合膜表面已經(jīng)出現(xiàn)球狀的硬脂酸顆粒，這可能是因?yàn)楫?dāng)硬脂酸添加量較大時(shí)，三者相容性較差，在緩慢的干燥過(guò)程中，部分硬脂酸向膜表面遷移，并最終在復(fù)合膜表面形成脂質(zhì)層[38]。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)添加不同添加量硬脂酸制備SPI/NaAlg/SA三元復(fù)合膜，對(duì)比復(fù)合膜機(jī)械性能和阻水性能的不同，并通過(guò)傅里葉變換紅外光譜圖和掃描電鏡圖對(duì)復(fù)合膜進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)表征，探究硬脂酸對(duì)其耐水性變化的影響。結(jié)果表明：添加8%硬脂酸后，三元復(fù)合膜的斷裂伸長(zhǎng)率、水蒸氣透過(guò)率顯著下降，接觸角最大，對(duì)其含水率及水溶性也有顯著影響。此外，紅外光譜結(jié)果表明復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度及水分阻隔性的增加可能是因?yàn)橛仓崤c蛋白質(zhì)和海藻酸鈉之間發(fā)生了相互作用，使之形成了相對(duì)穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過(guò)掃描電鏡圖可以看出添加8%硬脂酸的三元復(fù)合膜表面結(jié)構(gòu)較為光滑平整，出現(xiàn)的空隙較少，復(fù)合膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密。綜上添加適量硬脂酸能有效提高SPI/NaAlg復(fù)合膜的耐水性。