琥珀?；男圆俗训鞍谆鶑?fù)合膜制備及其性能研究

1、<p>　　琥珀?；男圆俗训鞍谆鶑?fù)合膜制備及其性能研究</p><p>　　李揚(yáng) 章鋮 鄒昱成 王博 鞠興榮</p><p>　　（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,</p><p>　　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）</p><p>　　摘要 琥珀酰化改性菜籽

2、蛋白（SRPI）與羥丙基甲基纖維素（HPMC）復(fù)合制得薄膜。通過對(duì)復(fù)合膜機(jī)械性能、水蒸氣透過性、透明度、二級(jí)結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。結(jié)果表明：菜籽蛋白（RPI）經(jīng)琥珀酰化改性后，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%，透明度提高121%，并且蛋白膜的二級(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。此外，當(dāng)SRPI:HPMC=3:1時(shí)，復(fù)合膜與SRPI膜相比阻水性提高24.1%，拉伸強(qiáng)度提高1

3、01.3%，α-螺旋與無規(guī)則卷曲的占比無明顯變化，而β-轉(zhuǎn)角占比提升，有利于蛋白膜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并且復(fù)合膜微觀結(jié)構(gòu)緊湊，均勻，這表明琥珀?；男圆俗训鞍着c羥丙基甲基纖維素具有良好的相容性。本研究為菜籽蛋白基復(fù)合膜的開發(fā)與利用提供了理論依據(jù)。</p><p>　　關(guān)鍵詞 琥珀酰化 菜籽蛋白 羥丙基甲基纖維素 復(fù)合膜</p><p>　　中圖分類號(hào)：TS206.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文

4、章編號(hào)：</p><p>　　Study on preparation and properties of succinylated rapeseed protein based composite films</p><p>　　Li Yang Zhang Cheng Zou Yucheng Wang Bo Zhou Runsong Ju Xingrong</p

5、><p>　　(School of Food Science and Engineering, Nanjing University of Finance and Economics, Collaborative Innovation Center of Modern Grain Circulation and Security of Jiangsu Provincial ,Jiangsu University Ke

6、y Laboratory of Grain and Oil Quality and Safety Control and Deep Processing, Nanjing, Jiangsu 210023, China)</p><p>　　ABSTRACT The composite films were prepared by succinylated rapeseed protein (SRPI) and

7、hydroxypropyl methyl cellulose (HPMC). The mechanical properties, water vapor permeability, opacity, secondary structure and microstructure of composite films were characterized. Compared with the RPI film, the tensile s

8、trength of SRPI film increased by 18.7%, elongation at break increased by 38.7%, opacity increased by 121%, α- helix content increased and unordered content decreased in the secondary structur</p><p>　　Keywo

9、rds succinylation, rapeseed protein, hydroxyl propyl methyl cellulose, composite film</p><p>　　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

10、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]?？墒承詮?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。

11、</p><p>　　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)品菜籽粕中蛋白含量約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

12、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）。</p><p>　　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。

13、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]。</p><p>　　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，為開發(fā)食品的內(nèi)層包裝提供數(shù)據(jù)支撐。</p><p><b>　　1 材料與方法</b><

14、/p><p><b>　　1.1 實(shí)驗(yàn)材料</b></p><p>　　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)試劑均購自上海阿拉丁生物化學(xué)技術(shù)有限公司，分析純。</p><p>&l

15、t;b>　　1.2 實(shí)驗(yàn)方法</b></p><p>　　1.2.1 菜籽蛋白（RPI）制備</p><p>　　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1mol/L HCl調(diào)節(jié)pH

16、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。</p><p>　　1.2.2琥珀酰化改性菜籽蛋白（SRPI）</p><p>　　取適量菜籽蛋白配置10%（w/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

17、，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，得琥珀酰化改性菜籽蛋白。</p><p>　　1.2.3 琥珀?；男圆俗训鞍谆鶑?fù)合膜制備</p><p>　　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

18、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% (w/v)的甘油作為增塑劑，1.5%（w/v）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︰

19、1，SRPI︰HPMC=3︰1，保存以待測量。</p><p>　　表1 不同配比的各成分的成膜液/100 mL</p><p>　　1.2.4 Zeta電位的測定</p><p>　　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)樣三次，每次重復(fù)記錄三次，取其平均值。</p&

20、gt;<p><b>　　1.2.5厚度測定</b></p><p>　　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。</p><p>　　1.2.6透明度測定</p><p>　　將SRPI/HPMC復(fù)合膜剪成5 cm×1 cm的矩形

21、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)算公式如下：</p><p><b>　　（1）</b></p><p>　　式中：Opacity為膜的透明度；A為在波長600 nm下測得的吸光度。</p><p>　　1.2.7 傅立葉變換紅外測定</p><p>　　取S

22、RPI/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：</p><p>　　表2 酰胺I帶各峰的指認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)[19]&

23、lt;/p><p>　　1.2.8 機(jī)械性能測試</p><p>　　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

24、值?？估瓘?qiáng)度和斷裂伸長率計(jì)算見公式:</p><p>　　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 ); △ L膜條斷裂時(shí)伸長長度( mm )。</p><p>　　1.2.9水蒸氣透過性(WVP)</p><p>　　根據(jù)GB1037，采

25、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，按如下公式計(jì)算水蒸氣透過率WVP：</p><p>　　式中：W為增加的燒杯重量（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）; △p為式樣兩側(cè)的水蒸氣壓差（KPa），25℃下為 3.1671K

26、Pa。</p><p>　　1.2.10 SRPI/HPMC復(fù)合膜表面及橫截面形態(tài)</p><p>　　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100 0×。</p><p><b>　　2 結(jié)果與分析</b&

27、gt;</p><p>　　2.1 成膜液的Zeta電位</p><p>　　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。</p><p>　　表3 不同配比的SRPI/HPMC復(fù)合膜的厚度和Zeta電位絕

28、對(duì)值</p><p>　　小寫字母不同，表示差異顯著性 （p < 0.05）</p><p>　　2.2 厚度和透明度</p><p>　　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，

29、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。這就滿足食品包裝透明可見的要求。</p><p>　　小寫字母不同，表示差異顯著性 （ p < 0.05）</p><p>　　圖 1 RPI和不同配

30、比的SRPI/HPMC復(fù)合膜的透明度</p><p>　　2.3傅立葉變換紅外光譜分析</p><p>　　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

31、 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，

32、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</p><p>　　圖2 不同配比的SRPI/HPMC復(fù)合膜的紅外光譜圖</p><p>　　圖3 酰胺I帶各峰在

33、高斯曲線擬合后峰值所占的面積</p><p>　　2.4 機(jī)械性能測試</p><p>　　拉伸強(qiáng)度（TS）和斷裂伸長率(E)是反映膜機(jī)械性能的兩個(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

34、和斷裂伸長率較SRPI都有顯著地提升（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)琥珀酰化改性后，溶液均一穩(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

35、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)</p><p>　　字母不同，表示差異顯著性 （ p < 0.05）</p><p>　　圖 4 RPI

36、 和不同配比的SRPI/HPMC共混膜機(jī)械性能</p><p>　　2.5 水蒸氣透過性</p><p>　　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/m2spa)，與之對(duì)比，不同配比的SRPI/HPMC復(fù)合膜WVP均

37、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。</p>&l

38、t;p>　　字母不同，表示差異顯著性 （ p < 0.05）</p><p>　　圖 5 RPI和不同配比的SRPI/HPMC復(fù)合膜的透水性</p><p>　　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</p><p>　　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

39、。純的菜籽蛋白膜（RPI）和琥珀?；男缘牟俗训鞍祝⊿RPI）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6 C），當(dāng)SRPI︰HPMC=3︰1時(shí)（如圖6 E），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。 </p><p>　　圖 6

40、不同配比的SRPI/HPMC復(fù)合膜表面和橫截面的掃描電鏡圖：A: RPI; B: SRPI; C: 1︰1; D: 2︰1; E:3︰1;</p><p>　　F: RPI橫截面; G:SRPI橫截面；H: 1︰1橫截面; I：2︰1橫截面; J: 3︰1橫截面</p><p><b>　　3 結(jié)論</b></p><p>　　本實(shí)驗(yàn)通

41、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，通過共混的方式，實(shí)現(xiàn)了菜籽蛋白膜性能的改進(jìn)，提升了菜籽蛋白基膜的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，為可食性膜的應(yīng)用提供理論

42、參考。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] BERTUZZI M A, GOTTIFREDI J C, ARMADA M. Mechanical properties of a high amylose content corn starch based film, gelatinized at low temperature[J

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