（制糖工程专业论文）可食性大豆分离蛋白与凝胶多糖复合成膜特性及其应用研究.pdf

可食性大豆分离蛋白与凝胶多糖复合 成膜特性及其应用研究 摘要 本文以大豆分离蛋白为主要成膜材料，运用超声波处理来强化可食性 膜的特性，通过添加新材料凝胶多糖，得到了性能优异的复合膜，以此复 合膜作为几种常用抑菌剂的载体，探索了此复合膜在杨桃涂膜保鲜中的应 用，得出如下结论： 1 大豆分离蛋白成膜液在p h 为8 、7 5 下加热2 0 i - i i n ，所得的膜抗拉 强度为6 3 2 m p a 、伸长率为6 2 0 8 、水蒸气透过系数为8 0 1 1 0 一g 帅r 帅2 d k p a 。 2 超声波处理的空化作用、机械作用和热效应强化了膜的空间网络结 构，提高了大豆分离蛋白膜的抗拉强度和阻湿性，但伸长率有所下降。超 声波处理对膜的水溶性影响不大，透光度有一定程度提高。在实验范围内， 可选用超声波功率2 洲、时间10 r i i n ，所得的膜抗拉强度为9 2 9 m p a 、伸长 率为2 2 6 7 、水蒸气透过系数为5 1 0 1 0 一g 砌仃m 2 d k p a 。 3 大豆分离蛋白膜液中添加凝胶多糖作为增强剂，可明显提高膜的性 能。以干燥温度( a ) 、大豆分离蛋白浓度( b ) 、凝胶多糖浓度( c ) 、甘油 浓度( d ) 为正交实验因素，按照l ( 4 5 ) 正交实验表做实验，得到最佳优 化工艺条件a 2 b ，c 4 d ：。此膜抗拉强度为13 3 4 m p a 、伸长率为4 1 3 3 、水蒸 气透过系数为3 2 4 1 0 一g 舢i 咖2 d k p a 。 4 可食性膜的扫描电镜和红外光谱图表明，未经超声波处理得到的膜 表面粗糙：超声波处理后膜表面光滑平整；复合膜中几种分子问存在着强 烈的相互作用，有良好的相容性，膜的表面均匀细致，结构更加致密。可 食性膜微观结构的改善效果与对膜的外观及性能的改善效果是相一致的。 5 杨桃实验结果表明，使用涂膜液的杨桃在室温下可保鲜2 4 2 6 d ， 比对照组延长8 1 0 d 。 关键词：可食性膜大豆分离蛋白凝胶多糖超声波扫描电镜杨桃 保鲜 s t u d y0 fp r o p e r t i e sa n da p p l i c a t l 0 no f e d l b l es o yp r o t e l ni s o l a t ea n d c u r d l a nc o m p o s i t ef l l m s a b s t r a c t t h ee d i b l ef i l m sm a i n l yb a s e do ns o yp r o t e i ni s o l a t e ( s p i ) h a db e e n s t u d i e d i t sp r o p e r t i e sw e r ei m e n s i f i e db yu l t r a s o n i c g o m p o s i t ef i l m sc o u l d b eg o tb ya d d i n gn e wm a t e r i a l - c i l r d l a n ，w h i c hh a de x c e l l e mp r o p e r t i e s b e s i d e s ，t h ea p p l i c a t i o no fc o m p o s i t ef i l m sw a ss t u d i e dt ok e e pc a m m b o l 勰 丘e s h ，w h i c hw e r er e g a r d e da sc a r r i e r so fa m i b a c t e r i a la g e n t s t h em a i n c o n c l u s i o n sa r ea sf b l l o w s ： 1 w h e nt h ef i l m - f o r m i n gs o l u t i o nw 觞a d j u s t e dt op h8a n dh e a t e da t7 5 f o r 2 0 m i n ，t h ef i l mf b 姗e dh a db e n e fp h y s i c a la n dm o i s t u r eb a r r i e r p m p e n i e s 7 n l et e 鹏i l es t r e n 磬hw a s6 3 2 m p a ，e l o n 目t i o nw a s6 2 0 8 ，a n dw a t e r v 印o u rp e m e a b i l i t yp r o p e n yw a s8 0 1 1 0 6 9 m m m n l 2 d k p a 2 a b s t r a c t i o n 、m e c h a n i c a la c t i o na n dt h e r m a le f 【l e c lo fu l t r a s o n i cc o u l d i n t e l l s i 母s p a t i a l n e t w o r ks t n l d u r e t h et e 璐i l e s t r e n 粤ha n dw a t e rv a p o u r p e r m e a b i l i t yp r o p e r t i e sw e r es t r e n 舀h e n e d ，b u te l o n 辨t i o nd e c r e a s e d u n r 勰o n i c h a dl i t t l ee f f e c to nw a t e r - s o l u b i l i t y ，b u tt r a n s p a r e n c yg o tb e t t e r w i t ho u t p u t p o w e r 2 0 wa n dt r e a t m e mt i m e 1 0 m i n ， t h et e i l s i l e s t r e n 垂h w a s 9 2 9 m p a ，e 1 0 n 留t i o nw a s2 2 6 7 ，a n dw a t e rv a p o u rp e 姗e a b i l i t yp r o p e n yw a s 5 1 0 1 0 g m m m m 2 d k p a 3 a d d i n gc u r d l a n t os p ia s i n t e n s i f i e r ，p r 叩e n i e sw e r ej n c r e a s e d o b v i o 璐l y 1 ko n h 0 9 0 m ll 1 6 ( 4 5 ) e 即e r i m e m sc h o s ed r y i n gt e m p e r a t u r e 、s p i d e n s i t y 、c u r d l a nd e n s i t ya n dg l y c e r o ld e n s j t ya sf o u rf a c t o r s t l l l eo p t i m u m c o n d i t i o i l st h a ts u m m a r 溉d b yc o m p r e h e l l s i v ea i l a l y s i sp r e s e m e dt h a t5 0 、2 s p i 、1 2 c i l r d l a na n d1 掣y c e r o lc o u l di m p m v ep r o p e r t i e so b v i o u s l y i h e t e 璐i l e s t r e n 磬hw 勰1 3 3 4 m p a ，e l 。n 鲥i 。nw a s4 1 3 3 ，a n dw a t e rv a p 。u r 、一 p e m e a b i “t yp r o p e n yw a s 3 2 4 1 0 _ 6g m n 恂m 2 d k p a 4 7 i h em i c r o s t r i l c t u r e so ft h ee d i b l ef i l m sw e r ei n v e s t i g a t e db ys e m a n d1 7 7 r - i r t h ef i l mu m r e a t e db yu l t r a s o n i cl o o k e dr o u g h c o m p a r e dw i t h t h eu n t r e a t e df i l m ，t h ef i l mt h a tw a st r e a t e db yu l t r a s o n i cs h o w e db e t t e r s t m c t u r e ，f l a t ，s m o o t h t h ec o m p o s i t ef i l ms e e m e dm o r ec o m p a c t ，w h i c h p e r h a p sw a sar e s u l to fs t r o n gi m e r a c t i o na n dg o o dc o m p a t i b i l i t y t h es u r f a c e h o m o g e n e i t yw a si m p r o v e d 5 1 l l er e s u n ss h o w e dt h a tc a r a m b o l ac o a t e dw i t hc o m p l e xc o a t i n ga g e n t s c o u l db ek e p tf k s ha n dp r e s e r v e df o r2 4 2 6d a y sa tr o o mt e m p e r a t u f e ，8 1 0 d a y sl o n g e rt h a nt h o s eu n t r e a t e dc a r a m b o l a k e yw o r d s ： e d i b l ef i l m s ；s o yp r o t e i ni s o l a t e ；c u r d l a n ；u l t r a s o n i c ；s e m ； c a r a m b o l a p r e s e n ，a t i o n 毫 、 j 广西大掌司n b 掌位论文訇r 童佳大豆j 孀 白与奢e 胶多【合成膜特性a 其丘堋研究 1 1 论文的选题背景 第一章前言 1 1 1 问题的提出 本文是广西大学科研基金课题“可食性膜性能强化及其应用基础研究”的部分内容， 主要研究了可食性大豆分离蛋白与凝胶多糖复合成膜特性及其应用。 目前，广泛用于食品内包装的便是塑料膜，虽然塑料膜具有防水性、阻气性好、强 度高等许多特点，但它的缺点我们是决不能忽视的。塑料中的有些添加剂有害健康，塑 料中含有某些增塑或防老剂，如生产聚氯乙烯时加入了邻苯二甲酸二丁酯，食用后有发 生慢性铅中毒的，因为塑料膜与食品表面直接接触，所以在储存过程中塑料中的有害成 分难免会向食品内部转移，从而影响物质的品质。如何有效解决以上问题成为人们目前 极为关注和亟待解决的课题。 随着社会经济的发展和人民生活水平的不断提高，以及人类对环境保护的日益重 视，对食品包装要求向方便化和无公害化方向发展，用可食性包装代替传统的包装是顺 应这一发展潮流的一种有效途径，己成为当前包装行业的一大热门话题【l 】o 面对污染和安全性等问题，各国都在努力寻找一种“绿色包装”材料。发展“绿色 包装”，减少包装材料对环境的污染和危害，是当今世界各国极为重视的问题，食品包 装也成为减少废物运动的焦点之一。所谓“绿色包装”，是指能够循环使用、再生利用 或在自然界降解腐烂，且在产品的整个生命周期中对人体及环境不造成公害的符合可持 续发展原则的包装1 2 1 。在众多的“绿色包装”材料中，可食性膜备受关注。国内外对生 物降解、光生物降解塑料和一次性纸制容器的研究和开发进展迅速，已在减少环境污 染中起到重大作用。可食性聚合膜提供了无需环保花费的可替代包装，是一种安全性、 环保性最好的生物可降解包装材料，并具有传统包装所缺乏的功能，全世界对这种膜的 兴趣及研究热情一直有增无减。 可食性膜具有悠久的历史，远在明朝，郑和下西洋时即采用蜂蜡包封水果，使水果 能在长时间经受不同环境气候的影响而得以贮藏，从现在的包装角度上认为，蜂蜡是一 种理想的可食性包装膜。英国人1 6 世纪已使用涂油法来减缓食品失水，1 9 世纪后期有 建 j 广西大学硕士掌位论文可 ? 性大豆分离蛋白与期e 胶多囊| 复合成膜特性反其届l 用研究 人提出使用明胶防止食品腐败。几十年来，大家熟知的糖果包装使用的糯米纸，包装冰 激凌的玉米烘烤包装杯，包装肉菜用的豆腐皮和包装肉馅的肠衣及医药用的胶囊，都属 于可食性包装p l 。 正是因为对再生资源的需求，因为可食性膜对食品的保鲜功能，人们极力开发新型 的可食性包装材料，假如能对它的性能进行强化，可食性膜作为食品内包装应用前景将 会更广泛。 112 本文研究的目的及意义 本文以大豆分离蛋白为主要成膜材料，辅以其它成分，采用不同的工艺条件对膜性 能进行强化，并利用超声波技术来处理膜液，使膜的性能达到更佳。通过正交优化实验， 研究出新型的大豆分离蛋白可食性复合膜，并将其用于果蔬的内包装，从而达到较好的 包装及保鲜效果。 可食性膜提供了无需环保花费的可替代包装，是一种安全性、环保性最好的生物可 降解包装材料。通过浸、喷、涂，使食品覆盖上有效的可食性膜，可降低其对包装的要 求可食性膜作为湿气、氧、芳香物质的阻隔层，有助于减少包装的层数，可食性膜还 可在外包装打开后，防止食品湿度的改变、氧的吸收、香味的损失等，有利于保持食品 的食用品质，对多组分食品的保鲜品质更为重要。 以天然生物材料制造的可食性包装已成为“绿色包装”领域研究的一大热点。但到 目前为止，几乎没有可食性包装膜得到工业化生产和实际应用，主要是可食性膜的机械 强度和阻隔性能不足。在我国，对膜本身性能的研究不多，主要着眼于膜的应用研究上。 本文对可食性膜的成膜特性进行了研究，主要是对机械强度和阻隔性能的强化进行了研 究。本文的研究成果对食品的内包装及保鲜等发挥一定的作用，可为可食性膜的中试和 工业化生产提供有参考价值的实验参数及数据。 1 2 文献综述 1 2 1 可食性膜的定义 可食性膜是利用可以食用的材料，经混合、加热、涂布、烘干等步骤而制成的，是 一种无毒、可以食用、能保鲜食品并具有一定的包装保护功能的薄膜，该膜视其阻隔性、 机械性、稳定性等的差异可包装不同种类的食品。它是以天然可食性物质蛋白质、多糖、 2 ，#雾 广西大掌硕士学位爿? 文可 ? 性大豆分宵j 白与瑚u 窿多| 复合成膜特性a 其矗用研究 脂肪、纤维素及其衍生物等为原料，通过分子间相互作用形成的具有多孔网络结构的膜 【4 l o 可通过包裹( p a c l 【i n g ) 、涂布( c o a t i n g ) 、微胶囊( m i c r o e i l c a p s u l a t i n g ) 等形式覆盖 于食品表面( 或内部) ，可以阻隔水汽、其它气体或各种溶质的渗透，并起到保护作用。 叮食性股主要通过防止气体、水汽等的辽移来防止食品在贮运过程中发生风味、质构等 方面的变化，进而保证食品的质量，延长食品货架期，或降低外包装成本。 1 2 2 可食性麒的分类 可食件膜按成膜材料町分为以下几类： 1 2 2 1 脂质膜 脂质具有极性弱和易于形成致密分子网状结构的特点，所形成的膜阻水能力极强。 k s t 盯与f c n 姗a 研究了各种脂质在滤纸表面所成膜的阻水能力，其中以蜂蜡最佳。目 前，可食性膜材中最常用的脂质为蜂蜡、石蜡、乙酰单甘酯、硬脂酸、软脂酸等，应用 的形式一般是以热融态浸涂，或喷涂于食品表面，然后在室温下固化，尽管已有一些这 类脂质膜的报道，但存在的问题是，膜厚与均匀性难以控制；制备时膜易产生裂纹或孔 洞因而降低阻水能力；易于产生蜡质口感。因而，9 0 年代后，在可食性膜研究报道中， 脂质已很少单独使用，而通常与蛋白质、多糖类复合使用。 1 2 2 2 多糖膜 许多多糖及其衍生物可被用作成膜材料，常用的有淀粉、纤维素类、壳聚糖、海藻 酸钠等。 淀粉膜质脆、强度低、实用性差，使用时经常先对其改性1 5 】或与其它原料复配使用 1 6 1 。郭新华用等人研究了淀粉与大豆蛋白复合膜，发现复合膜的最大抗拉强度为4 m p a 左 右，透光率为7 0 左右；陈雪【5 】等人用普鲁兰酶使淀粉中的支链淀粉脱支而形成直链淀 粉，从而提高了淀粉膜的成膜性能及强度。淀粉经改性生成的羟丙基淀粉所形成的膜阻 氧性非常强，但阻湿性极低。m a r i a a g a r c i a 【8 1 等用稀碱液对淀粉进行改性处理，加入甘 油作增塑剂，用配好的膜液处理草莓，于0 、相对湿度8 4 4 的条件下储存3 0 d 后，处 理果腐烂率3 0 ，对照果1 0 0 。夏杨毅1 9 l 等人研究了淀粉包装膜机械强度的强化，发现 聚乙二醇可提高膜的伸长率，以三氯氧磷交联后的膜，抗拉强度和直角撕裂强度先增后 减。不过，关于淀粉膜的研究还处于初级阶段，还有大量的工作要做。 c m c n a 是一种被广泛使用的食品增稠剂和稳定剂，是天然食品成分纤维素的衍 生物。陈维新【1 0 1 以c m c 作为成膜基质，研究了琼脂、壳聚糖、硬脂酸对成膜性能的影 3 l|f 广西大掌硕士掌位论文可食性大豆分离蛋白与奢e 肢多糖复合成膜特性覆其启佣研究 响，结果发现琼脂可以改善膜的持水性，膜的柔韧性下降，壳聚糖可增加膜的强度，抗 拉强度为1 7 3 m p a ，硬脂酸会有效的增加膜的阻湿性能，但浓度大时会导致油脂分布不 均匀，出现分层现象。 壳聚糖是甲壳素的脱乙酰广物，有良好的成膜性和广谱抗菌陛。纯的壳聚糖具有良 好的阻氧性，但阻水汽性略差。壳聚糖膜的性质受p h 值、增塑剂和其它高分子材料以 及膜的储存时间的影响。 海藻酸钠是存在于褐藻类中的一种天然高分子，由于其良好的生物降解性和生物相 容性，被广泛应用于化学、生物、医药、食品等领域i “l 。海藻酸钠以其良好的成膜性被 广泛用于制备各种用途的膜材料，然而海藻酸钠膜质脆、耐水性差，所以一般情况下和 其它原料混合使用成膜【1 2 1 。海藻酸钠和聚乙烯醇、纤维素【1 3 】、壳聚糖【1 4 】、羧甲基壳聚 糖【1 5 1 等高分子材料共混，可改善膜的力学性能。 凝胶多糖具有许多独特的理化性质，根据其成膜性，可作为方便食品的包装袋、人 造肠衣，相对于其它微生物多糖来说，凝胶多糖在国内研究较少，主要是由于难以纯化， 日本研究的比较成熟，并以p i l r c g l 嘲n 为商品名作为食品添加剂广泛使用【1 6 1 。国内主要 侧重于发酵工艺优化及菌种诱变与选育方面，把之用于可食性膜，即扩大了其在食品添 加剂等上游产品的开发与应用。 1 2 2 3 蛋白膜 用于膜制剂的蛋白质主要有小麦面筋蛋白、大豆分离蛋白、酪蛋白等。 小麦面筋蛋白膜柔韧、牢固、阻氧性好，但阻水性和透光性差，限制了其在商业上 的应用，尤其在果蔬内包装上很少用【切。 酪蛋白、胶原蛋白、明胶等在果蔬上用的较少，蛋白类膜具有较大的透湿性，要与 其它成分复合使用效果才好。 在上面所提到的膜材料中，大豆分离蛋白最具吸引力，这是因为：采用蛋白质制 成的膜透气性很低，例如大豆分离蛋白膜对氧气的透性比低密度p e 膜、甲基纤维素膜、 淀粉和果胶膜分别低5 0 0 、2 6 0 、5 4 0 和6 7 0 倍【”l 。蛋白质分子之间的交联作用较为强 列1 9 1 ，膜的机械性能优于多糖和脂肪膜。它可提高食品的营养价值。 最早的蛋白质膜是直接用豆奶做成的。7 0 年代，有人用大豆分离蛋白做成膜的材 料。大豆蛋白膜较之豆奶膜，外表较为光洁。王若兰刚的研究表明，p h 值是影响蛋白 质成膜质量的关键因素，如果用弱碱处理后，团状卷曲的蛋白质四级结构就会被溶解， 散开而成为长链状结构，这种结构有更多的机会发生交联，这样，所形成的膜就会有较 4 广西大掌硕士掌位论文胃1 性大豆分离蛋白与凝胶多疆 复合成j 瞳特性及其应用研究 好的阻氧性和较高的强度。a h b r a n d e n b u r g 【2 l l 的实验证明了这一点。 康宇杰【塌等人研究了几种多糖和交联剂对可食性大豆分离蛋白膜性能的影响。结果 表明，在大豆分离蛋白成膜液中添加0 5 ( 帅) 的果胶能有效增加膜的机械强度，添 加0 1 ( w v ) 的葡萄糖能有效降低膜对水蒸气、氧气的透性，机理叮能是它们增加了 蛋白质分子之间的交联。陈志周1 2 3 j 等人研究了还原剂对大豆分离蛋白膜性能的影响，认 为膜液中加入亚硫酸钠，能显著的增加膜的抗拉强度，抗拉强度达到6 8 5 m p a ，透光率 为7 7 5 。郭乾初等人l 研究了阿魏酸对可食性大豆蛋白膜理化特性的影响，结果表明 用大豆分离蛋白制备可食性包装膜时，在成膜溶液中添加阿魏酸能增加膜的抗拉强度和 断裂伸长率，降低膜的水蒸气透性。欧仕益等1 2 5 l 研究了大豆分离蛋白成膜后营养特性的 变化，其消化率和赖氮酸有效性随成膜液p h 值的升高而下降，并因交联剂( 如单宁、 阿魏酸和过氧化氢等) 的加入而降低。 国外有人把2 5 的大豆分离蛋白膜液涂在香肠原料上，采用真空包装进行冷藏， 经过1 4 d 的储存，风味、功能特性等都没有受到影响，水分损失有所改善，外观也有所 提高【2 6 1 。p a r kp a r ks 等人【钥研究戊二醛交联的大豆蛋白生物聚合物，抗张强度和延展 性高于甘油增塑的膜，但是经过戊二醛处理的膜，黄色明显加深。 1 2 2 4 复合膜 复合膜是由多糖、脂质类及蛋白质中的两种或三种经一定处理而形成的膜。复合膜 的研究和应用是当前的发展趋势。由于三者性质不同和功能上的互补性，所形成的膜应 当会有更为理想的性能。k e s t c r 和f c n n e m a 认为，多糖类物质提供了结构上的基本构造； 蛋白质通过分子问的交叠使结构致密；而脂类则是一个良好的阻水剂。这种组合方式克 服了可食性膜在应用中的许多问题，如机械强度、膜的阻隔性能、稳定性等。国内有人 利用这种复合膜对阳山水蜜桃进行保鲜，效果较好。王辉娜【勰l 等把大豆蛋白、蔗糖酯及 卵磷脂等复合涂膜液用于香蕉、桔子的保鲜上，取得了明显的效果。日本人用淀粉、蛋 白质等高分子溶液，加上植物油制成的混合涂料，喷在柑橘、苹果上，干燥后在产品表 面形成直径为o 0 0 1 m m 的膜，抑制呼吸作用，使贮藏寿命延长3 5 倍【“。 2 3 可食性膜的特点 1 2 3 1 可食性膜与合成材料薄膜的共同特点 可食性膜作为一种新型的包装材料，使用目的也是用来包装食品，从而延长食品的 货架期。因此它具有和合成材料薄膜相同的特点。 5 广西大掌硕士掌位论文可t 性大置分离叠白与凝肢多糖复合成膜特性反其应用研究 ( 1 ) 阻湿性能 影响食品品质一个很关键的因素就是食品中水的含量和水分活度的大小。许多食品 必须将水分活度保持在临界水平上，才能保证食品的质量和可接受的安全性，否则会导 致食品的腐败变质。| 日j 时，影响食品品质变化的凶素，如脂质氧化、酶促褐变、美拉德 反应、蠓败等等都和食品中的水分活度的高低密切相关；另外，食品保持一定的组织结 构和形状也与食品中的水分有关；还有一些具有生命活性的食品，比如说果蔬，其贮藏 方式是要维持其起码的生命活动，水分的含量也起着重要的作用。因此，为了延长食品 的货架期，保持食品的外形，控制水分的传递过程是至关蘑要的一步，可食性膜可以阻 止食品组分间以及组成单元间相应的水分迁移，从而有利于延长食品的货架期。对高水 分食品，可以防止水分的散失；对于低水分食品，可以防止吸收环境中的水分，减少或 避免微生物的生长及各种化学和酶的反应，以保证食品的质量。 ( 2 ) 阻气性能 通常大多数食品不是真空贮藏，都是处在一定的气体环境中，在这个环境中氧气和 二氧化碳的含量，会影响到食品或原料贮藏的稳定性和货架期。许多食品中含有易于氧 化的成分，如脂类、维生素、风味物质和色素等等，对于这些食品，控制氧气渗入对于 食品的品质和贮藏都十分重要。氧气和二氧化碳含量的高低对于许多新鲜果蔬的贮藏也 是非常的重要。通过可食性膜涂层对气体的选择性交换，有效的阻止氧气的渗透，调节 气体比例和含量，可延长食品的货架寿命，并且还可以减少非可食性外包装的费用。 ( 3 ) 阻止油脂迁移性能 可食性膜具有阻止油脂迁移特性，这进一步增加了它在食品工业中的应用价值。例 如，在油炸鸡以及油炸肉时预涂一层具有阻止油脂迁移的可食性膜，可有效阻止在煎炸 过程中外界油脂向食品的大量渗入，使最终产品鲜嫩可口。最为引入注目的是在糖果工 业和焙烤工业中的应用，例如，果仁巧克力、奶油巧克力、浸涂巧克力曲奇饼等在存放 期间，内心的油脂非常容易向外层巧克力迁移，导致巧克力变软、粘牙、起霜，同时引 起内心品质的下降，整个食品的质量由此受到影响，在这种情况下，如果在内心与外层 间夹入一层可食性膜，可延缓食品中水和油及其它成分的迁移和扩散。 ( 4 ) 阻止溶质迁移性能 可食性膜除了阻水，阻气、阻油外，还具有较好的阻溶质性，如防止防腐剂、抗菌 物质的迁移，有利于保持食品品质。 1 2 3 2 可食性膜独具的优点弧制 6 可它性大豆分离蛋白与奔e 肢多鞠- 复合成膜特性反其置l 用研究 可食性膜是一种新型的无污染的食品内包装材料。它具有如下优点： ( 1 ) 可与被包装食品一起食用，易被生物降解，无任何环境污染； ( 2 ) 可作为食品添加剂( 如色素、抗氧化剂、防腐剂、食品风味料、甜味料、营养 强化剂等) 的载体； ( 3 ) 可食性膜的许多材料具有一定的营养价值或生理作用，如蛋白质可以提高食 品的营养价值，壳聚糖具有保健功能等； ( 4 ) 可方便的对食品进行单体包装：应用于塑料包装膜内层，减少塑料中有害残 留物向食品的迁移； ( 5 ) 可食性膜可提高食品表面机械强度使其易于加工处理； ( 6 ) 具有优良的阻隔性能，合理的膜材组成可有效调控食品在储存期间与外界环 境以及内部组成之间的传递，以提高食品质量延长货架寿命，以及节省包装材料等。 2 4 可食性膜存在的问题 可食性膜当前存在的最大问题就在于性能强化方面。比如阻止水蒸气渗透能力差、 机械强度小、热封性差等等。 由于许多材料的优良性能仅仅集中在某一方面，只有将材料改性或多种材料复配， 才能够研制出性能优异的可食性膜。目前关于强化膜性能的研究甚少，因此，研究并强 化膜的成膜性能，将其应用于食品保鲜方面是目前研究工作的重点。 1 3 本课题研究的主要内容 本文以大豆分离蛋白为主要成膜材料，通过加热、调节p h 值对其进行改性，根据 超声波技术对大分子物质的作用机理，运用超声波处理来强化蛋白膜的机械性能和阻隔 性能，添加凝胶多糖作为增强剂，通过正交实验，得到了性能优异的复合膜，以此复合 膜作为几种常用抑菌剂的载体，探索了此复合膜在杨桃涂膜保鲜中的应用。本研究主要 集中在以下几方面： 1 研究基本成膜条件和影响因素( 温度、p h 值、处理时问等) 对膜性能的影响， 从中选取最重要的影响因素和最佳的成膜条件； 2 对成膜液进行超声波处理，从而强化可食性膜的性能； 3 可食性大豆分离蛋白与凝胶多糖复合膜的制备，并比较了几种膜的微观结构； 4 探索可食性大豆分离蛋白与凝胶多糖复合膜在杨桃涂膜保鲜中的应用。 7 广西大掌硕士学位论文可童性大豆分离叠白与凝胶多精复合成膜特性a 其应用研究 第二章大豆分离蛋白膜的研究 大豆分离蛋白( s p i ) 中蛋白质含量在9 0 以上，是大豆制品中蛋白质含量最高、 应用回较广的商附加值产品。大豆分离蛋白分子在溶液中呈现卷曲的紧密结构，分子中 存在大量的氢键、疏水键、离子键、二硫键等作用，具有乳化性、结膜性等诸多重要的 功能特性，大豆分离蛋白膜具有较好的阻气性和机械强度，且大豆分离蛋白具有较好的 营养价值和生理作用，因此大豆分离蛋白膜用于食品内包装具有很大的前景。 本章主要研究了热处理和碱处理对大豆分离蛋白成膜性能的影响。鉴于前人的研究 经验和本人的摸索实验，选用大豆分离蛋白浓度为4 ，以甘油为增塑剂，添加量为1 ， 膜的干燥温度为6 5 。 2 1 实验材料与方法 2 1 1 实验材料 大豆分离蛋白 甘油 氢氧化钠 氯化钙 2 1 2 实验仪器 电子精密天平 精密p h 计 恒温双向磁力搅拌器 数显恒温水浴锅 电热鼓风干燥箱 电脑测控抗张实验机 电动厚度测定仪 切纸刀 自制玻璃板 山东临沂山松生物制品有限公司 分析纯上海化学试剂有限公司 分析纯广东汕头新宇化工厂 分析纯广东汕头新宁化工厂 p l 2 0 0 2 p h s 一3 c 9 0 3 i | 1 2 l o l a 一2 b d c k z 3 0 0 c y q z 1 1 a y q z 一1 4 8 梅特勒一托利多仪器上海有限公司 上海雷磁仪器厂 上海振荣科学仪器有限公司 常州国华电器有限公司 上海实验仪器厂有限公司 四川省长江造纸仪器厂 四川省长江造纸仪器厂 四川省长江造纸仪器厂 广西大掌硕士掌位论文 可童性大豆分离备白与凝肢多糖复合成膜特性及其应用研究 2 1 3 实验方法 2 1 3 1 可食性膜性能评定方法 ( 1 ) 膜的厚度 在包装材料中，经常用到的一个参数就足膜厚，因为膜的坞度町以影响到膜的物理 性能、机械性能及阻隔性能等。 测定膜厚的方法有螺旋测微器法、测厚仪等。 本文选用电动厚度测定仪进行测试。在待测膜上随机取5 点测定，取平均值为所测 膜厚，单位m m 。 ( 2 ) 抗拉强度( t s ) 和伸长率( e ) 抗拉强度是膜材料在测试方向上能承受的最大拉力，断裂伸长率是膜拉断时长度的 变化率。可食性膜必须具有较高的抗拉强度以经受其在应用、运输、处理中的压力，维 持其结构的完整性。 参照g b l 3 0 2 2 - 9 1 ，计算公式如下： 嚣一南( 砌) ( 2 1 ) 式中：p 最大负荷、断裂负荷、屈服负荷，n ； b 试样宽度，m m ： d 一试样厚度，m m 。 e 。生生( 2 2 ) 厶 式中：b 试样原始标线距离，i i l l n ； 卜试样断裂时或屈服时标线间距离，蚴。 用电脑测控抗张实验机来测定，单位m p a 。采用长条型试样，宽度1 5 m m ，标距为 5 0 m m ，每次做三个平行试样，取平均值。 ( 3 ) 透湿性 透湿性是指水蒸气对可食薄膜的透过情况，薄膜具有透湿性，会直接影响被包装物 的质量和保存期。透湿性常用水蒸气透过系数( w v p ) 表示。水蒸气透过系数是指在 规定的温度、相对湿度环境中，在单位压差下，单位时间内透过单位面积和单位厚度的 膜的水蒸气的量。 测试方法可参照g b l 0 3 7 ，采用拟杯子法来测试【3 l 】，结合a y d i n l i 【3 2 1 和k a y a 【3 3 1 的观 9 广西大掌硕士掌位谨! 文可食性大豆分7 膏蛋白与奢e 胶多糖复合成膜特性及其应用研究 点，计算如下： 聊。尘旦一 ( 2 3 ) f s a p 式中：q ，t 一在稳定透过时，单位时间内透湿杯增加重量的算术平均值( g d ) ； 卜试样厚度( m m ) ； 洲样的实验面积( m m 2 ) ，本实验中膜测试面积固定为1 9 6 2 5m m 2 ； 卜试样两侧的蒸汽压差( k p a ) ，由于膜两侧的r h 梯度为1 0 0 ，测定温度为 2 5 ，故a p 约为3 1 6 8 k pa 【。 ( 4 ) 水溶性的测定驯 先将膜在1 0 0 的条件下干燥2 4 h ，称重后放入加有5 0 m l 水的烧杯中，在室温下 溶解2 4 h 后，将膜在1 0 0 的条件下干燥2 4 h 称重，根据膜溶解前后重量的变化计算水 溶性。 ( 5 ) 透光度的测定【2 2 1 将膜裁成合适的长条，贴在比色皿一侧，在5 0 0 n m 下测定透光度，以空皿做空白。 大量资料表明，大豆分离蛋白膜的阻氧性非常高，所以本文就不再测定膜的透氧系 数了，重点强化可食性膜的机械性能和阻气性能。 2 1 3 2 成膜工艺 膜制备的基本工艺路线如下： 大豆分离蛋白( 4 ) 一加水溶胀( 1 2 h ) 一增塑剂( 1 ) 一磁力搅拌( 1 0 m i n ) 一恒 温水浴一调节p h 值( 使用1 m o l ，l 的n a o h 溶液进行调节) 一倒膜( 自制玻璃板) 一干 燥( 6 5 ) 一成品 成膜浓度要适当，一般来说，大豆分离蛋白的成膜能力随其浓度的增加而增大，膜 的抗拉强度也随之增大，但由于浓度太大时，其溶液黏度大，不易脱气，易形成气孔， 膜厚度也不均匀；浓度太小时，则其流动性太大，成膜太薄，不便于揭膜，且干燥时间 较长。选用甘油作为增塑剂，用量太多，膜的强度下降，膜发黏；用量太少，膜发脆。 干燥温度对大豆分离蛋白膜性能也有一定的影响。自然干燥的膜比较平整，不易出 现皱褶，但干燥时问较长，并且低温干燥可能造成薄膜中的水分含量较高；在高温时干 燥，水分的蒸发速度过快，聚合物之间还没有定向排列，在聚合之前过旱地沉积下来， 可能造成气孔和裂缝等缺陷；6 5 左右干燥的膜抗拉强度和耐水性较好。主要是因为在 此温度下，水分的蒸发速度适中，形成的膜结构比较有序且致密程度高。 1 0 广西大掌硕士学位髓! 文可 ? 性大豆分离j 白与凝胶多糖复合成膜特性夙其应用研究 2 1 3 3 操作要点 ( 1 ) 实验中固体原料选用质量百分比浓度，液体原料选用体积百分比浓度，原料 应混合充分、均匀； ( 2 ) 倒膜时，采用定容法，保证每次得到的膜的厚度一致： ( 3 ) 膜在烘干过程中要确保自制玻璃板的水平，以至于膜的厚度比较均匀； ( 4 ) 膜性能测试之前处理条件：温度2 3 ，相对湿度5 0 6 0 ，不少于4 h 。 2 2 实验结果与讨论 2 2 1 热、碱对大豆分离蛋白膜抗拉强度的影响 实验选取加热温度6 5 、7 5 、8 5 、9 5 四个温度，加热处理时间1 0 m i i l 、2 0m m 、 3 0m i n ，热处理对s p i 膜抗拉强度的影响见图2 1 。 7 6 5 重4 ：3 卜2 l 0 盯羹。 黧 _ 霍簇j 7 5 8 5 9 5 r m d e r a t u r c ( ) 四l o m j n i 髓2 0 m i n ； 目3 0 m i n 图2 1 热处理对s p i 膜抗啦强度的影响 f i g 2 1e 胁o f h e a t 一仃e a t e do n 髑o f s p i 丘l 螂 注：成膜液的p h 值为8 由图2 1 可以看出，大豆分离蛋白成膜液经适当的热处理可以显著的提高其抗拉强 度，但温度过高处理时间过长时，其强度又会有所下降。在7 5 水浴中加热、处理时 间为2 0 l n i n 时，大豆分离蛋白膜的抗拉强度比经其它条件处理的膜性能要好一些。 蛋白质分子经过热处理，原来有序的紧密结构变的无序松散，藏在分子内部的巯基 和疏水性氨基酸侧链残基等暴露于分子表面，加强了蛋白质分子内或分子间相互作用， 1 1 厦h，-。，。i 司门r 性大豆书 蛋白与期e 肢多糖复合成膜精r 性反箕矗用研j 电 从而形成网络结构，使抗拉强度增加。当处理温度低于二7 5 时，热能不足以较完全地 使蛋白分子的球状结构舒展开来，蛋白多肽链之间的相互作用相对较少，表现为膜相对 较低的抗拉强度。随着膜液处理温度的不断上升，蛋白分子的舒展程度不断增加，多肽 链之问的相互作用点也不断增多，膜抗拉强度不断提岛。随着加热温度的升高、处理时 间的延长时，蛋白质分子会过度变性，使得蛋白质分子链大量断裂，不再利于网络结构 的形成。温度的进一步升高对其舒展度无明显的影响。大豆分离蛋白成膜液在7 5 下 加热2 0 m i i i 所得到的膜强度最佳，为6 3 2 m p a 。 g e n n a d i o s 和b r a n d c n b u 唱等曾经研究了p h 值对大豆分离蛋白膜性能的影响f 3 5 】。结 果表明，在p h l p h 3 与p h 6 一p h l 2 之间能成膜，在等电点( p h = 4 6 ) 附近因蛋白质溶解 性差，制得的膜虽有一定的抗拉强度，但其延伸率接近零，基本上没有实际应用价值， 同时在该点制得的膜不透明。在等电点处，净电荷含量为零的大豆蛋白分子的疏水基团 在没有静电斥力的条件下，相互接近，发生作用，形成一种内部为疏水相，外部为亲水 相的结构紧凑的球状颗粒，随着颗粒的不断增大进而从水相游离沉淀出来。而p h 6 p h l 2 之间形成的膜无论其机械性能还是阻隔性能均优于p h l 叩m 问形成的膜。李建昌等人采 用正交设计法优化大豆分离蛋白膜的工艺参数，得知在碱性条件下膜的透光率和抗拉强 度均优于酸性条件下的这些性能指标【矧。因此本实验结合热处理( 大豆分离蛋白成膜液 在7 5 下加热2 0 m i l l ) 研究了大豆分离蛋白在碱性条件下的成膜性能。 6 8 8 9i o1 11 2 图2 2p h 值对s p i 膜抗拉强度的影响 f i 辱2 - 2 雕融o f p h 髑o f s p i 丘l m 注： 6 8 为大豆分离蛋白成膜液的原始p h 值 7 6 5 4 3 2 l o 龟i ) b 广西大学硕士学位论文匐- 童佳大豆分离蛋白与凝肢多翱复合成膜特性及其盛堋研究 由图2 2 可以看出，从p h 6 8 p h l 2 ，大豆分离蛋白膜的抗拉强度略有增大，这主 要是由于碱性环境使蛋白质变性，内部基团暴露，从而有利于网络结构的形成。在 p h 8 一p h l 0 之间大豆分离蛋白膜的抗拉强度变化不大，但当p h 值超过1 0 时，大豆分离 蛋白膜的抗拉强度反i uf 降，这是由于极端碱性p h 值条件下，负离子之间极强的静电 排斥作用阻碍了蛋白质分子内或分子间的连接，所以阻碍了蛋白膜紧密结构的形成。另 外，热处理和碱处理的共同作用使蛋白质分子适度变性，促进了蛋白质分子的溶解，使 溶液中蛋白质分子增多。团状卷曲的蛋白质四级结构就会被溶解，散开而成为长链状结 构，这种结构有更多的机会发生交联，形成更多的蛋白质蛋白质相互作用，使得大豆 分离蛋白膜的抗拉强度增大。 2 2 2 热、碱对大豆分离蛋白膜伸长率的影响 注：成膜液的p h 值为8 7 58 59 5 t b m p c r a t u r c ( ) 图2 3 热处理对s p i 膜伸长率的影响 f i 孚2 - 3e 帕f e c to fh e a t - t a t e do neo fs p i 丘l m s 面面习 旧2 0 m i n l i 旦! ! ! 垫l 加蛐加m o 广西大学硕士掌位论文訇r 食性大豆分离蛋白与麓胶多糖复合成膜特性覆其皇l 用研究 8 0 7 0 6 0 s 5 0 4 0 3 0 6 8891 0l l1 2 图2 4p h 值对s p i 膜伸长率的影响 f i 孚2 - 4 e 黝o f p h 蛐e o f s 兀珂螂 由图2 - 3 、图2 4 可以看出，加热温度与处理时间对大豆分离蛋白膜伸长率的影响 不是很大，伸长率的变化趋于缓和；相对于热处理而言，p h 值对大豆分离蛋白膜伸长 率的影响较大。随着p h 值的增大，伸长率呈上升趋势，当p h 值超过1 1 时，伸长率略 有下降。 天然蛋白质靠分子中的氢键、离子键和疏水键交互作用、偶极相互作用、二硫键来 维持其稳定的结构。大豆蛋白质分子在溶液中呈卷曲的紧密结构，有些甚至呈球形，表 面被水化膜包围，具有相对稳定性，大豆分离蛋白成膜液经过热处理和碱处理，会破坏 蛋白质内部的相互作用，使蛋白质亚基解离，分子变性，使其分子得到一定程度的伸展， 大分子由原来有序的紧密结构变为无序的松散结构，球状结构舒展较为完全，由原来的 球状分子结构变为线形分子结构，分子内部的巯基和疏水性氨基酸侧链残基等暴露，重 新排列，使分子呈定向规则分布而趋于紧密，分子定向程度提高，形成新的规则有序的 蛋白质分子内或分子间相互作用，因此膜的伸长率大大提高。另外，随着大豆分离蛋白 成膜液碱性的增强，还使分子中静电斥力增强，削弱了大分子间的结合，增加了链的流 动性，从而使膜变的柔软，伸长率缓慢上升。 1 4 广西大掌司陆掌位嵌? 文可 ? 性大豆分离蛋白与毒e 肢多糖复合成用特性a 其童u 再研究 2 2 3 热、碱对大豆分离蛋白膜水燕气透过系数的影响 7 58 59 5 t c n 弘m t 啪( ) 图2 5 热处理对s p i 膜水蒸气透过系数的影响 f i 孚2 5 呦o f h e a t t r e 种e d 蛆w v p o f s h 矗l m s 注：成膜液的p h 值为8 由图2 5 可以看出，随着膜液热处理温度的升高，膜的水蒸气透过系数基本呈现先 减小后递增趋势，在热处理温度为7 5 下，处理时间为2 0 i n i n 时膜的水蒸气透过系数 最小。热处理能促进蛋白质分子中的氢键和二硫键断裂，使蛋白质分子结构展开，内部 疏水基团暴露，加强了分子问二硫键和疏水相互作用，形成网络结构，则其阻隔性能提 高。但加热温度过高，处理时间过长，同样不利于大豆分离蛋白膜紧密结构的形成。 6 889l o1 l1 2 图2 6p h 值对s p i 膜水蒸气透过系数的影响 f 嬉2 - 6 e 雎c l o f p h o n w v