殼聚糖-蛋清蛋白復(fù)合膜的制備及其性能研究

彭 寧,劉洪竹,竇祎凝

(濰坊工程職業(yè)學(xué)院,農(nóng)林科技學(xué)院 262500)

長久以來,食品包裝多為聚乙烯、聚丙烯等高分子材料制成的塑料薄膜,塑料包裝雖然使用方便,性能優(yōu)良,但是不易降解,容易造成環(huán)境污染,并給垃圾處理造成極大的困難[1]。隨著消費者對食品安全的重視及環(huán)保意識的增強(qiáng),以生物大分子及其衍生物為基質(zhì)的可食性膜逐漸成為研究的熱點[2]。可食性膜是一種以天然可食性大分子(蛋白質(zhì)、多糖、脂類等)為主要基料,在分子內(nèi)和分子間力的作用下形成的具有一定機(jī)械性能和阻隔性能的薄膜[3]。可食性膜可以通過包裹、涂布等方式在食品表面進(jìn)行覆蓋,阻止水分、氧氣等的滲透,預(yù)防風(fēng)味物質(zhì)的流失、油脂遷移等現(xiàn)象的發(fā)生,對食品起到保護(hù)作用,從而延長食品保質(zhì)期。在各類可食用膜中,以蛋白質(zhì)為基質(zhì)的膜是研究的比較早的類型。蛋白質(zhì)膜具有良好的阻氧性、機(jī)械性能及高營養(yǎng)價值,外觀和味道也較佳,但是阻濕性能差,當(dāng)環(huán)境濕度很高的時候蛋白質(zhì)類可食用膜容易吸水溶脹,膜結(jié)構(gòu)遭到破壞。與單一膜相比,由多糖和蛋白質(zhì)為主要原料制備的復(fù)合型可食用膜具有更好的機(jī)械性能和阻隔性能,因此廣受研究者的關(guān)注。Kurek等[4]對殼聚糖、乳清蛋白單一成分以及復(fù)合膜分別進(jìn)行了一系列研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn),共混膜的阻隔性能最優(yōu)。Mahsa[5]用不同濃度的羧甲基纖維素與明膠進(jìn)行復(fù)配,結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著羧甲基纖維素濃度的增加,復(fù)合膜的抗拉強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。伍毅[6]對漆籽蛋白和殼聚糖復(fù)合膜進(jìn)行了研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加復(fù)合膜的斷裂伸長率顯著提升,當(dāng)漆籽蛋白與殼聚糖1:1進(jìn)行復(fù)配時,抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率達(dá)到最大值。

雞蛋是自然界存在的最完美的生物制品之一,也是蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、維生素和礦物質(zhì)的最佳來源。蛋清蛋白營養(yǎng)豐富,含有人體所必須的八種氨基酸,并且易于被人體消化吸收,具有很高的生物價值,是一種優(yōu)質(zhì)蛋白。蛋清蛋白具有優(yōu)異的成膜性,由其制備的可食性蛋清蛋白膜具備良好的阻氣特性,而且相較于其他蛋白膜,蛋清蛋白膜更加透明。但蛋清蛋白膜的機(jī)械性能和阻濕性能較差,限制其廣泛應(yīng)用于食品保鮮領(lǐng)域。殼聚糖是一種天然陽離子多糖,能溶于弱酸性溶液中并形成具有一定黏度的膠體,涂于食品表面可形成一層無色透明的薄膜,對于調(diào)節(jié)食品內(nèi)外的氣體交換,阻止病菌侵入,延長食品貯藏保鮮時間具有一定的作用[7]。殼聚糖具有營養(yǎng)保健、安全無毒、抗菌等優(yōu)點,是理想的食品保鮮劑。其獨特的生物降解性、無毒性、生物相容性和抗真菌性等特性,適合于食用薄膜配方和其他不同的應(yīng)用[8]。在其他生物聚合物中,殼聚糖在生物 pH上也表現(xiàn)出正電荷,而大多數(shù)多糖在相同的條件下帶負(fù)電,可與多種蛋白質(zhì)發(fā)生靜電相互作用。殼聚糖可有效提高單一蛋白膜的性能,如乳清蛋白膜、明膠膜、大豆分離蛋白膜等[4,8,9]。探究殼聚糖-蛋清蛋白復(fù)合膜的性能,可以為可食性膜的實際應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與設(shè)備

1.1 實驗材料與試劑

殼聚糖(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司),甘油(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司),蛋清蛋白粉(江蘇康德蛋業(yè)有限公司),去離子水(實驗室自制),其他藥品均為分析純。

1.2 實驗設(shè)備

TA.XT2i物性儀:英國 Stable Micro System 公司;數(shù)控恒溫水浴鍋(W-201):上海申順生物科技有限公司;UV2600紫外分光光度計:日本島津公司;Avanti J-26 XP高速冷凍離心機(jī): 美國 Beckman Coulter公司。

2 實驗方法

2.1 膜的制備

蛋清蛋白膜的制備:稱取7g蛋白粉溶于100mL去離子水中,水浴加熱攪拌并保持一定溫度1h后再加入甘油3g,在室溫下攪拌30min后在25℃、5000rpm的條件下離心15min,過濾后于平板上涂膜15g,在烘箱內(nèi)干燥3h后揭膜。在25℃,相對濕度為54%的條件下平衡24h后進(jìn)行性質(zhì)的測定。

殼聚糖膜的制備:稱取2g殼聚糖溶于100mL濃度為2%的醋酸溶液中,水浴加熱攪拌并保持一定溫度1h后再加入甘油3g,在室溫下攪拌30min后在25℃、5000rpm的條件下離心15min,過濾后于平板上涂膜15g,在烘箱內(nèi)干燥3h后揭膜。在25℃,相對濕度為54%的條件下平衡24h后進(jìn)行性質(zhì)的測定。

復(fù)合膜的制備:分別稱取2g的殼聚糖溶于100mL濃度2%的醋酸溶液,7g的蛋白粉溶于100mL去離子水,水浴加熱攪拌并保持一定溫度1h,按不同配比混合后加入3%甘油,在室溫下攪拌30min后在25℃、5000rpm的條件下離心15min,過濾后于平板上涂膜15g,在烘箱內(nèi)干燥3h后揭膜。在25℃相對濕度為54%的條件下平衡24h后進(jìn)行性質(zhì)的測定。

2.2 厚度的測定

使用螺旋測微器在每張膜上選五個隨機(jī)位置進(jìn)行測量。注意隨機(jī)性和準(zhǔn)確性。

2.3 抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率測定

將膜裁成 2cm×6cm 的長方形,測定膜厚度,用物性測試儀進(jìn)行拉伸實驗,夾具間的距離設(shè)定為30 mm。根據(jù)蛋白膜斷裂時的最大拉力F和兩夾具間的最終距離L計算膜的抗拉強(qiáng)度(TS)和斷裂伸長率(E)[10]。公式如(1)(2)所示:

(1)

TS為抗拉強(qiáng)度(MPa);F為最大拉力(N);a為試樣的寬度(mm);b為試樣的厚度(mm)。

(2)

E為斷裂伸長率(%);L0為夾具間設(shè)定的原始距離(mm);L為試樣斷裂時兩夾具間的距離(mm)。

2.4 水蒸氣透過系數(shù)測定

將錐形瓶內(nèi)塞滿變色硅膠,并在105℃條件下烘干至恒重。選取光滑平整的膜密封在裝有變色硅膠的錐形瓶口,稱取其原始重量,將其放置在相對濕度54±2%的環(huán)境下,每隔一定時間稱取其重量[11]。膜的水蒸氣透過系數(shù)(WVP)如公式(3)所示:

(3)

WVP為水蒸氣透過系數(shù)(g·mm/m2·h·kPa);C為瓶重的變化速率(g/h);b為膜厚度(mm);A為瓶口面積(m2);ΔP為膜兩側(cè)水蒸氣壓差(kPa)。膜兩側(cè)的相對濕度差為RH=54%,25℃時水的飽和蒸汽壓為3.1684kPa,相對濕度為54%時的水蒸氣分壓為3.1684×0.54=1.7109kPa,故膜兩側(cè)的水蒸氣分壓差為1.7109kPa。

2.5 水溶性的測定

根據(jù)任舉[12]的方法略作修改測定膜的水溶性。將膜放置于燒杯中,于105℃烘箱中烘至恒重,將烘干的膜加水浸泡溶解24h之后于105℃烘箱中烘至恒重。按公式(4)計算膜的水溶性(FS)。

(4)

式中:FS為膜的溶解度(%);M1為可食性膜的原始質(zhì)量(g);M2為浸泡并烘箱干燥后膜的質(zhì)量(g)。

2.6 顏色的測定

取一張色度均勻的蛋白膜樣品,使用UltraScan Pro1166高精度分光測色儀進(jìn)行色差分析,獲得 L*、a*、b*值。其中 L*表示亮度;a*為正值時表示樣品顏色偏紅,為負(fù)值時,表示樣品顏色偏綠;b*為正值時表示樣品顏色偏黃,為負(fù)值時,表示樣品顏色偏藍(lán)[13]。每張膜選取不同位置的三個點進(jìn)行測量,取平均值。公式如(5)所示:

2.7 透光率的測定

膜的透光率利用紫外-分光光度計測量復(fù)合膜在600nm處的吸光度,每個樣品重復(fù)5次。

2.8 數(shù)據(jù)分析

由于方差不受組數(shù)限制的特性,本文數(shù)據(jù)采用方差分析,在P<0.05的情況下采用Tukey檢驗均值之間的差異。

3 實驗結(jié)果

3.1 成膜條件對殼聚糖-蛋清蛋白復(fù)合膜成膜性質(zhì)的影響

3.1.1 溫度

預(yù)實驗結(jié)果表明,殼聚糖室溫下可以形成完整的膜;而蛋清蛋白室溫條件下則無法成膜,必需進(jìn)行加熱才能形成蛋白膜。因此,為了制備殼聚糖-蛋清蛋白復(fù)合膜,本實驗設(shè)置了 50℃、60℃、70℃三個溫度梯度對蛋清蛋白進(jìn)行熱處理,考察加熱溫度對復(fù)合膜成膜性質(zhì)的影響。實驗結(jié)果如表1所示,當(dāng)加熱溫度為50℃時,可形成完整的復(fù)合膜且膜無色透明,無肉眼可見雜質(zhì)。當(dāng)加熱溫度為60℃時,同樣可形成完整的復(fù)合膜,但膜中有許多白色不溶物質(zhì),導(dǎo)致膜的外觀性能較差,這可能是因為在60℃時,已有部分蛋白質(zhì)發(fā)生變性,導(dǎo)致在成膜過程中發(fā)生沉淀,形成白色不溶物。而當(dāng)加熱溫度為70℃時,膜溶液在加熱過程中流動性變的很低,類似果凍狀態(tài),無法成膜。因此,本文選擇50℃作為蛋清蛋白熱處理溫度。

表1 溫度對復(fù)合膜成膜性質(zhì)的影響

3.1.2 pH值

由于殼聚糖僅在酸性環(huán)境中是可溶的,因此將殼聚糖溶于醋酸溶液;蛋清蛋白具有良好的水溶性,可在pH值廣泛范圍內(nèi)溶解,但是若蛋清蛋白溶液pH值太高(大于8)會導(dǎo)致殼聚糖-蛋清蛋白復(fù)合溶液中產(chǎn)生大量絮狀物,后續(xù)形成的復(fù)合膜中則出現(xiàn)白色不溶物,原因可能是蛋清蛋白與殼聚糖形成不溶的復(fù)合物,或者是復(fù)合膜溶液體系pH環(huán)境不適合殼聚糖的溶解,導(dǎo)致殼聚糖沉淀出來。因此,分別將蛋清蛋白溶液pH值調(diào)節(jié)至3、5、7,考察其對復(fù)合膜成膜性質(zhì)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)?shù)扒宓鞍兹芤簆H值為7時,與殼聚糖混合后,復(fù)合膜溶液中幾乎無不溶物,后續(xù)形成的蛋白膜光滑透明。因此,本文中蛋清蛋白溶液的pH值選擇為7。

3.1.3 增塑劑

增塑劑在膜液體中具有很多功能,一方面它可以稀釋聚合物,使物質(zhì)之間的作用力降低,另一方面它也可以使膜的強(qiáng)度降低,親和力升高。常用的增塑劑主要包括:多元醇和脂類物質(zhì)。通常,普通的由生物大分子制得的膜顯示出具有一定脆性和硬度。增塑劑作為小分子物質(zhì)插入大分子中,可以通過阻止分子間和分子內(nèi)的氫鍵,增加聚合物分子之間的距離,降低聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度來干預(yù)聚合物分子之間的反應(yīng),并增加反應(yīng)性和反應(yīng)速度[10]。增塑劑的添加同樣也可以改善膜的物理性質(zhì),可以使膜彈性更高,對氣體的阻隔性能更好[11]。增塑劑可以吸收水分子,水分子對膜的功能與增塑劑相同,但在低濕度條件下很容易因脫水而損失[12]。因此,添加增塑劑可以減少由于脫水而損失的水,從而增加水含量并保持高水活度。本次實驗使用的增塑劑為甘油,研究發(fā)現(xiàn)如若不添加甘油或者甘油添加量較少,容易使膜極脆甚至破裂,但如果甘油添加量過多,會造成復(fù)合膜黏度過高,最終確定甘油添加量為3%。

3.2 蛋清蛋白與殼聚糖配比對殼聚糖-蛋清蛋白復(fù)合膜性能的影響

3.2.1 厚度

復(fù)合膜的性質(zhì)和其基質(zhì)的種類和配比是密切相關(guān)的。如表2所示,復(fù)合膜的厚度隨著殼聚糖含量的升高而增加,與單一蛋清蛋白膜(185μm)相比,單一殼聚糖膜(334μm)的厚度甚至達(dá)到了蛋清蛋白膜的兩倍。

表2 不同成膜材料配比下的厚度

3.2.2 抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率

如表3所示,單一蛋清蛋白膜抗拉強(qiáng)度為4.5Mpa,斷裂伸長率為42.35%,而單一殼聚糖膜抗拉強(qiáng)度為6.21Mpa,斷裂伸長率為25.41%,表明蛋清蛋白膜具有較低的抗拉強(qiáng)度,但延伸率較好;而殼聚糖膜具有較高的抗拉強(qiáng)度,但延伸率較低。隨著復(fù)合膜中殼聚糖濃度不斷增加,復(fù)合膜的拉升強(qiáng)度表現(xiàn)出先上升后略微下降的趨勢,而斷裂伸長率是逐漸降低的。當(dāng)二者比例為1:1時,復(fù)合膜的抗拉強(qiáng)度最高,達(dá)11.2Mpa,斷裂伸長率為35.22%。原因可能是在此條件下,蛋清蛋白與殼聚糖的相互作用力最大,因而形成的復(fù)合膜機(jī)械性能最佳。

表3 不同成膜材料配比下的機(jī)械性能

3.2.3 水蒸氣透過率

如表4所示,純蛋清蛋白膜的水蒸氣透過系數(shù)最高,為1.76g·mm/m2·h·kPa,隨著殼聚糖含量的增加,復(fù)合物的水蒸氣透過率呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢,當(dāng)二者比例為1:1時,復(fù)合膜的水蒸氣透過率最低,為0.79g·mm/m2·h·kPa,表明阻濕性最佳。原因可能是在此條件下,蛋清蛋白與殼聚糖的相互作用最強(qiáng),形成的復(fù)合膜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最為致密,因而可有效阻隔水蒸氣的通過。

表4 不同成膜材料配比下的透濕性

3.2.4 水溶性

如表5所示,純蛋清蛋白膜的水溶性最大,為29.8%,這可能與蛋清蛋白具有良好的水溶性有關(guān)。

表5 不同成膜材料配比下的溶解度

隨著殼聚糖含量的增加,復(fù)合物的的水溶性逐漸降低,純殼聚糖膜的水溶性降至最低,為11.5%。研究結(jié)果表明,殼聚糖的添加可以增加復(fù)合膜的耐水性。

3.2.5 透光率

如表6所示,膜的透光率呈下降的趨勢,膜中殼聚糖含量越高透光率越低,這也是由于殼聚糖自身的理化性質(zhì)導(dǎo)致的,蛋清溶液相較于殼聚糖溶液而言較為清澈透明。

表6 不同成膜材料配比下的透光率

3.2.6 顏色

如表7所示,通過色差儀檢測,殼聚糖的比值越高,薄膜的L*值越低,這表示薄膜的顏色呈慢慢變暗的趨勢,a*值和b*值高,表示薄膜的顏色越紅或越黃。這是由于蛋清蛋白膜是無色透明的,所以殼聚糖含量越高膜的顏色越深。

表7 成膜材料配比對復(fù)合膜色度的影響

4 結(jié)論

以蛋清蛋白和殼聚糖為主要原料制備殼聚糖-蛋清蛋白復(fù)合膜,考察溫度、pH值、增塑劑添加量、蛋清蛋白與殼聚糖的配比對復(fù)合膜成膜性質(zhì)及膜性能的影響,主要研究結(jié)論如下:

蛋清蛋白熱處理溫度為50℃,pH值為7,甘油添加量為3%時,可形成完整的復(fù)合膜,且膜光滑、無色、透明,無肉眼可見雜質(zhì);當(dāng)殼聚糖與蛋清蛋白比例為1:1時制備的復(fù)合膜性能最優(yōu)越,其厚度為0.285±0.041mm、抗拉強(qiáng)度為11.2±0.72Mpa、斷裂伸長率為35.22±1.25%、水蒸氣透過性為0.79±0.33g·mm/m2·h·kPa、溶解度為18.95±2.22%、透光率為74.21±0.45%、L*值為75.48±2.55、a*值為1.61±0.23、b*值為25.88±2.79。