谷朊粉 -大豆分离蛋白复合膜成膜条件研究

王章存 赵学伟 郑坚强 李昌文 王吉中

(郑州轻工业学院食品与生物工程学院,郑州 450002)

谷朊粉 -大豆分离蛋白复合膜成膜条件研究

王章存 赵学伟 郑坚强 李昌文 王吉中

(郑州轻工业学院食品与生物工程学院,郑州 450002)

以谷朊粉为主要原料并添加适量的大豆分离蛋白 (SPI)制备复合蛋白膜,研究了不同成膜条件(如 SPI、甘油、亚硫酸钠和硫酸钙添加量等)对膜性能的影响,并考查了亚硫酸钠的作用。结果表明,在成膜过程中,增加 SPI的比例可提高膜的抗张强度,但降低膜的延伸性能;增加甘油添加量时膜的延伸性提高,但膜的抗张强度下降且透水率增加;添加亚硫酸钠可以明显改善复合膜的抗张强度,但导致透水性增大。在单因素试验的基础上,以膜的透水性、抗张强度和延伸性加权分析结果为指标,用正交试验优化的成膜条件为:大豆蛋白占总蛋白比例为 25%、亚硫酸钠添加量为 0.25%、甘油为 25%、硫酸钙为 0.75%时所得复合蛋白膜的性能最佳。

谷朊粉 大豆分离蛋白 复合蛋白膜 亚硫酸钠

近年来,随着人们对塑料袋的环境污染及其在食品包装中可能产生毒副作用的认识,以天然生物材料为基料的可食性膜成为食品包装材料研究的热点。蛋白质经过适当条件处理后,靠其分子中的氢键、离子键和二硫键等形成一定的立体网络结构,制成具有一定机械性和阻隔性的可食性膜,这种可食性蛋白膜可降解、可作为营养强化剂,国内外的研究给予了广泛重视[1-7]。

谷朊粉是生产小麦淀粉时的副产品,近年来我国谷朊粉产量呈快速增加趋势,其蛋白质含量约80%,其中主要是麦胶蛋白和麦谷蛋白。麦胶蛋白呈球状,相对分子质量小,具有延伸性;麦谷蛋白呈纤维状,相对分子质量大,具有较强弹性。谷朊粉吸水后能形成网络结构,具有优良的黏弹性、延伸性、吸水性、成膜性等,是制备可食性膜的重要原料[8-10],但由于谷朊粉蛋白膜的通透性往往较大,影响了它的应用效果。而以大豆分离蛋白制备的蛋白膜透光率好、抗张强度大,但延伸性较差。前人用不同方法对蛋白膜的性能进行了改良,如在大豆分离蛋白膜中加入十二烷基磺酸钠可以显著降低膜的透水性[11],Wang等[12]以甘油为增塑剂时加入微生物转谷氨酰胺酶(MTGase)降低谷朊粉蛋白膜的延伸性和透水性,提高膜的抗张强度。但有文献报道,在谷朊粉中加入MTGase使蛋白膜的透水性增加,膜的机械性能降低[13]。MTGase的作用在于使蛋白质中的谷氨酰胺脱去酰胺后增加蛋白质分子间的交联机会,上述研究结果的差异可能与其成膜时的其他条件有关。

谷朊粉蛋白中含有较多的二硫键,加入适量的还原剂(如亚硫酸钠)可以打断部分二硫键,有利于在成膜过程中形成新的二硫键交联,对成膜的性能有一定影响,另外,如果在谷朊粉中加入溶解性较好、相对分子质量较小的大豆分离蛋白,制成两种蛋白的复合膜,在亚硫酸钠的作用下成膜过程中则有可能使谷朊粉和大豆分离蛋白形成新的网络结构,或者使两种蛋白质形成比较均匀的多相体系,有利于改善成膜性能,这在文献中未见相同报道。为此,在前人分别对小麦蛋白膜和大豆分离蛋白膜研究的基础上,以膜的透水率、抗张强度、延伸性为主要质量指标,研究两种蛋白质比例、甘油、亚硫酸钠和硫酸钙添加量等条件对谷朊粉 -大豆分离蛋白复合膜成膜性能的影响。

1 材料和方法

1.1 主要材料和仪器

谷朊粉 (含蛋白质 79.6%):郑州新威营养技术公司;大豆分离蛋白(含蛋白质 91.2%):郑州同创益生科技公司;甘油 (AR):上海亿欣生物科技有限公司;亚硫酸钠(AR):上海埃彼化学试剂公司。

TA.XT2质构仪:英国 stableMicro Systems公司; 868型 pH计:上海热电仪器公司;FA1104电子天平:上海精密仪器公司;XHF-1高速分散器:上海金达实验仪器厂;HHS恒温水浴锅:上海医疗器械五厂; 101A-1真空干燥箱:上海市实验仪器总厂。

1.2 试验方法

1.2.1 膜的制备

将谷朊粉(WG)和大豆分离蛋白(SPI)按一定比例溶于 50%乙醇溶液中,并加入一定量的甘油制成为100 g/L的蛋白质溶液,充分摇匀后,用NH4OH调节至 pH 10,在 55℃水浴锅中加热搅拌 30 min使蛋白质溶解,于真空干燥箱中抽气排除溶液中的气泡。然后将一定体积的反应液倒在特制的玻璃盒中 (规格 18 cm×25 cm),置于 55℃水浴保温使溶液均匀展开以保证膜的厚度一致。然后转移到 60℃干燥箱中干燥,揭膜后放在相对湿度 50%的干燥器中平衡水分 48 h,测试膜的性能。

1.2.2 膜透水率的测定[9]

将已制备好的膜密封于装有约 5 g干燥剂(氯化钙)的称量瓶口,然后置于相对湿度为 50%的干燥器中,定期检测称量瓶的增重。膜的透水率按下述公式计算:

式中WVP为透水率(g·m-1·s-1·Pa-1),ΔW为一定时间间隔后称量瓶的增重/g,d为膜的厚度 /m,用螺旋测微器在整块待测膜上随机选取5个点测定取平均值,A为称量瓶口面积/m2,t为测定时间间隔/s,ΔP为测定时膜内外水蒸气分压差/Pa。

1.2.3 膜的机械性能测定[9]

膜的机械性能以抗张强度 (TS)和延伸性能 (E)表示。将膜片裁成 50 mm×10 mm长条固定在 TA. XT2物性仪的夹式模具上,设置初始夹距 (即有效拉伸长度)为30 mm,拉伸速度为 3 mm/s。根据膜断裂时的拉力和伸长量计算抗张强度和延伸性。重复测定三个样品计算平均值。

抗张强度(TS)计算公式为:TS=F/(d×W)

式中 TS为抗拉强度/MPa,F为膜断裂时的拉力读数/N,d为膜的厚度/m,W为膜的宽度/m。

延伸性能也即断裂伸长率,E=L1/L0×100%,式中L1为试样断裂时的膜长/mm,L0为试样拉伸前的长度/mm。

1.2.4 膜综合性能的评价

为了对膜性能进行综合评价,根据抗张强度、延伸性和透水性的重要性,设置三项指标的权重值分别为 65、35和 -10,将不同条件下同一指标中的相对百分值与权重值相乘后加和,即:

式中 G为综合评价得分,TSi和 TSmax、Ei和Emax、Wi和Wmax分别为不同试验条件下抗张强度、延伸性、透水率的测定值和最大值。将透水性权重值设为 -10是因为透水性高者成膜的性能下降。

2 结果和讨论

2.1 蛋白质比例对膜性能的影响

首先考查了大豆分离蛋白与小麦谷朊粉不同比例条件下复合膜的成膜性能,其他条件为:蛋白质质量浓度为 100 g/L,pH 10,加入甘油与蛋白质的质量比为 30%,成膜性能测定试验结果如图 1所示。

图 1 不同蛋白质比例对成膜性能影响

由图 1可以看出,与单纯用谷朊粉制备的膜相比,随着大豆分离蛋白的比例增加,复合膜抗张强度(TS)提高,而透水率和延伸性降低。可能的原因是:大豆分离蛋白是由溶解性较好,相对分子质量较小的球蛋白组成,且其中游离巯基的含量高于谷朊粉。随着大豆分离蛋白添加量的增加,有更多的相对分子质量小的球蛋白插入到谷朊粉蛋白的网络中,使膜蛋白的网络结构更加致密,同时大豆分离蛋白因新的二硫键结合形成的网络结构使谷朊粉蛋白的网络变化自由度降低。

指标的增加对膜的质量具有不同的影响。质量好的膜首先应该具有较高的抗张强度,其次有一定的延伸性,而透水性的增加则导致膜质量下降。根据试验设定的成膜性能综合评分方法计算结果可知,当大豆分离蛋白添加量占 20%时综合得分最高。因此,选择大豆分离蛋白占总蛋白比例为 20%。

2.2 甘油添加量对成膜性能的影响

甘油是制备蛋白膜常用的增塑剂,它可以分散到蛋白质分子之间,提高蛋白分子链的移动性,提高膜的柔韧性和塑性。以大豆分离蛋白占总蛋白比例 20%和 pH 10条件下,改变甘油的添加量,成膜性能测定结果(图 2)表明,随着甘油添加量的增加,复合膜的延伸性有了明显改善。但膜的抗张强度呈逐渐下降趋势,当甘油添加量超过 20%以后,膜的透水率也快速增加,这对膜的综合质量有不利影响。综合评价,当甘油添加量为 25%时膜的得分值最高,故以该比例甘油进一步考查其他因素的影响。

图2 甘油添加量对成膜性能的影响

2.3 亚硫酸钠添加量对成膜性能的影响

小麦谷朊粉中主要是麦胶蛋白和麦谷蛋白,它们含有较多的二硫键。虽然二硫键是蛋白质膜的重要结构基础,但成膜前的蛋白质二硫键作用并不明显。如果将蛋白质中的二硫键打开后再与成膜的其他成分混和,在成膜过程形成新的二硫键结合,则可大大改善膜的性能。为此,在大豆分离蛋白占总蛋白比例20%,甘油25%时,研究了不同亚硫酸钠添加量时的成膜性能,结果如图 3所示。由图 3可知,添加亚硫酸钠可以明显改善复合膜的抗张强度,当亚硫酸钠比例为 0.25%时,抗张强度最高,与不加添加亚硫酸钠者相比提高 45%。当亚硫酸钠比例为0.15%时,膜的延伸性提高13%。但加入亚硫酸钠后膜的透水性也增加,且当亚硫酸钠添加量分别超过 0.15%和 0.25%后,膜的延伸性和抗张强度又呈下降趋势,可能是蛋白质中的游离巯基在较高亚硫酸钠浓度时无法形成二硫键网络所致。因此,控制亚硫酸钠添加量为 0.2%较合适。

图 3 不同亚硫酸钠添加量时对成膜性能的影响

2.4 钙离子对成膜性能的影响

钙离子对蛋白质的交联也起着重要作用,其在大豆分离蛋白中应用效果更加明显。本试验考查了当大豆分离蛋白占总蛋白比例 25%、甘油 25%和亚硫酸钠 0.2%时不同硫酸钙添加量对膜质量的影响,结果(见图 4)表明,随着硫酸钙添加量的增加,复合膜的抗张强度、延伸性逐渐增加,其中抗张强度的增加幅度为14.3%,延伸性增加7%,尔后又逐渐降低;而透水性则随着硫酸钙添加量的增加而降低,说明膜的密度有所增加。综合评价,硫酸钙添加量为0.75%时复合膜的得分值最高。

图 4 硫酸钙添加量对成膜性能的影响

2.5 成膜条件的优化

为了进一步优化蛋白复合膜的成膜条件,在单因素试验的基础上,采用正交试验设计方法考查不同蛋白质比例和甘油、亚硫酸钠、硫酸钙添加比例时的成膜性能及其综合评分情况,并以综合分数为指标进行统计,结果见表 1。

根据正交试验结果可知,甘油对成膜的透水性和延伸性影响最大,其次分别是蛋白质比例和亚硫酸钠含量。对成膜抗张强度影响最大的因素是亚硫酸钠,其次是蛋白质比例和甘油。将试验结果加权分析后,按成膜性能综合分数看 (如表 1所示),亚硫酸钠比例变化对成膜的性能影响较大,其次是蛋白质比例和甘油添加量。而硫酸钙添加比例对成膜的性能影响较小,可能是该正交试验所选择的硫酸钙添加比例已是单因素试验时确定的较合适的比例。因此,根据上述分析可得出以下结论:当大豆分离蛋白占总蛋白比例为 25%、亚硫酸钠添加量为 0.25%、甘油添加量为25%、硫酸钙添加量为0.75%时,所制备的复合膜质量最好。由于正交试验中没有该条件组合,研究中以上述条件重新制备复合膜并进一步分析相关指标,综合得分为 75.22,优于表 1中的结果,表明该研究结论是可靠的。

表1 成膜条件的正交试验结果

3 结论

研究表明,以小麦谷朊粉为主要蛋白的制膜溶液中添加适量的大豆分离蛋白、甘油和亚硫酸钠等有利于提高复合膜的抗张强度和延伸性,其中,亚硫酸钠添加量的变化对膜综合性能的影响较大,甘油浓度较高时由于膜的透水性增加较快,反而使成膜综合性能下降。通过对影响膜性能的指标加权分析和正交试验方法优化了谷朊粉 -大豆分离蛋白复合膜的成膜条件,与对照相比膜的综合性能有所改善。

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Forming Conditions ofWheat Gluten-SPI Edible Compound Film

Wang Zhangcun Zhao Xuewei Zheng Jianqiang Li Changwen Wang Jizhong

(School of Food&Bioengineering,Zhengzhou University ofLight Industry,Zhengzhou 450002)

Edible compound protein film was prepared takingwheat gluten(WG)as chiefmaterial and appen2 ded with soy protein isolates(SPI).The effectsof fil m forming conditions such as dosesof SPI,glycol,sodium sulfite and calcium sulphate on product performance were researched with tensile strength(TS),extensibility(E)and wa2 ter vapor per meability(WVP)of produced film as evaluation indexes of product perfor mance.Results:Adding SPI improves TS but reduces E;adding glycol improves E but reduces TS and increaseWVP;adding sodium sulfite im2 proves TS but increase WVP.According to the comprehensive evaluation based on single factor test and orthogonal test,the established best film forming conditions are rate of SPI to total protein(WG+SPI)25%,sodium sulfite dose 0.25%,glycol dose 25%and calcium sulphate dose 0.75%.The performance of the produced film is superex2 cellent.

wheat gluten,soy protein isolates,edible composite film,sodium sulfite

TS201.1 文献标识码:A 文章编号:1003-0174(2010)05-0005-05

郑州轻工业学院博士基金(2007BJ0016)

2009-06-26

王章存,男,1963年出生,博士,教授,粮油蛋白质深加工