（食品科学专业论文）乳清浓缩蛋白可食用膜的研究.pdf

摘要 摘要 可食性包装是一种可以食用、并具有一定的包装保护功能的薄膜，可以作为阻隔层 控制水分迁移、氧气进入、脂肪氧化和挥发物质的损失来保持加工食品的品质，以达到 延长货架期的目的。它是顺应人们对食品包装的方便化和无公害化而迅速发展起来的新 型食品包装。本课题以乳清浓缩蛋白为成膜基质，研究了成膜工艺、酶法改性方法和机 制以及可食用膜的应用特性，为可食用膜的进一步研究提供了一定的理论基础和实践经 验。 首先，论文研究了成膜工艺，分析了成膜因素对可食用膜性能的影响。结果表明， 蛋白质浓度和甘油浓度的增大导致可食用膜阻隔性能和溶解性的下降，但可以提高可食 用膜的机械性能，可使延伸率分别增大4 6 和8 7 ，而对其色差无显著影响。当加热温 度为7 0 时，可食用膜的阻隔性能和抗拉强度达到最佳。响应面优化工艺结果表明，当 蛋白质浓度1 0 0g l 、甘油浓度2 7g l 、加热温度6 9 时，可获得最佳的通透性能，其 透湿系数为0 4 3 5g m m m 2 h k p a ，透氧系数为0 13 4 c m 3 m m m 2 dk p a 。 采用转谷氨酰胺酶( t g ) 对乳清浓缩蛋白进行改性。研究发现，酶反应时间控制在 1 2 0m i n 时，可食用膜的各性能都达到较好水平。此时，可食用膜的透湿系数和透氧系 数分别降低4 7 和4 4 ，可食用膜的溶解性下降1 3 ，延伸率增大4 1 。抗拉强度和 可食用膜的颜色随酶反应时间的进行变化不显著。结果还表明，酶添加量为0 4g l 时， 可食用膜的各项性能都达到较好水平。此时，可食用膜的透湿系数和透氧系数分别降低 4 8 和4 1 ，延伸率增大5 6 。酶添加量增大，膜的溶解性降低1 2 ，但对可食用膜的 颜色影响不大。 分析了酶法改性影响可食用膜性能的机制。h p l c 分析表明t g 处理的蛋白质所含 的大分子量组分比例增大，形成了大分子的聚集体。d s c 分析表明酶法改性促使可食用 膜的变性温度升高。荧光分析显示反应过程中乳清蛋白分子的疏水性增大。表面巯基测 定显示酶法改性初期巯基含量增大，而总巯基测定显示酶法改性除了形成促使蛋白质分 子间形成“谷氨酰基) 赖氨酸共价键，同时促进二硫键的形成。扫描电镜显示可食用 膜的超微结构更加细致、光滑。由此可推断，t g 酶法改性的初期，蛋白质链段得到舒 展，暴露出内部的疏水基团；而随反应的进行，( 丫谷氨酰基) 赖氨酸共价键以及新的 二硫键的形成有助于分子的有序性增加，排列更为紧密，这些分子结构的改变进一步改 善了可食用膜的阻隔性能和机械性能。 采用乳清蛋白涂膜与酶法改性的乳清蛋白涂膜对核桃仁的储藏效果进行试验，发现 两种涂膜均可降低核桃仁在储藏期间脂肪氧化，两个试验组的核桃仁脂肪酸值比对照组 分别低9 - - , 5 1 ，1 0 0 0 , - - 4 8 ，过氧化值分别低于对照组2 1 3 8 ，2 2 0 0 , - , 4 3 。涂膜能 够改善核桃仁的感官性能。 关键词：乳清蛋白可食用膜阻隔性能机械性能转谷氨酰胺酶 a b s t r a e t a b s t r a c t e d i b l ef i l mp a c k a g i n gi sm o r ea n dm o r ep o p u l a rf o ri t sc o n v e n i e n c ea n di n n o c u i t y i t sa 越n do fe d i b l ea n dp r o t e c t i n gf i l mw h i c hc a r lb eu s e da sab a r r i e rl a y e rt oc o n t r o lw a t e r p e r m e a b i l i t y , o x y g e np e r m e a b i l i t y , f a to x i d a t i o n ，a n dv o l a t i l ef l a v o rl o s s ，h e n c ek e e p i n gf o o d i ng o o dc o n d i t i o na n dp r o l o n g i n gf c i o ds h e l f - l i f e t h i sw o r kf o c u s e do ne d i b l ef i l mb a s e do n w h e yp r o t e i nc o n c e n t r a t e ( w p c ) ，s t u d y i n gt h ef i l mf o r m i n gp r o c e d u r e ，e n z y m et r e a t m e n t m e c h a n i s ma n dt h ea p p l i c a t i o np r o p e r t i e so fw h e y p r o t e i ne d i b l ef i l m ，w h i c hi sh e l p f u lt ot h e f u r t h e ra p p l i c a t i o no fe d i b l ef i l m n ei n f l u e n c e so fp r o t e i nc o n c e n t r a t i o n ，g l y c e r o lc o n c e n t r a t i o n ，a n dh e a t i n gt e m p e r a t u r e o nf i l mf o r m a t i o nw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tw a t e rv 即o rp e r m e a b i l i t y ( w v p ) a n d o x y g e np e r m e a b i l i t y ( o p ) i n c r e a s e dw i t hi n c r e a s ei nb o t hp r o t e i na n dg l y c e r o lc o n c e n t r a t i o n s i nt h ef i l mf o r m i n gs o l u t i o n a si n c r e a s i n gp r o t e i na n dg l y c e r o lc o n c e n t r a t i o ne l o n g a t i o n i n c r e a s e db y4 6 a n d8 7 r e s p e c t i v e l y w v pa n do pv a l u e sr e a c h e dt h el o w e s tw h e nt h e h e a t i n gt e m p e r a t u r ew a s7 0 c o m b i n e dg r a d eo fw v pa n do p , b a r r i e rp r o p e r t yw a s i n v e s t i g a t e du s i n gr e s p o n s es u r f a c em e t h o d s m i x t u r ep r o p o r t i o n so fp r o t e i nc o n c e n t r a t i o n 10 0g l ，g l y c e r o lc o n c e n t r a t i o n2 7e d l ，h e a t i n gt e m p e r a t u r e6 9 ，w o u l dy i e l da ne d i b l ef i l m w i t h p0 4 3 5g m m m 2 h k p aa n do po 13 4c m 3 m m m 2 d k p a e n z y m a t i ct r e a t m e n ts h o w e dt h a t ，w h e ne n z y m a t i cr e a c t i o nt i m ew a s12 0m i n ，w v p o p a n df i l ms o l u b i l i t y ( f s ) d e c r e a s e db y4 7 ，4 4 a n d13 ，r e s p e c t i v e l y , w h i l ee l o n g a t i o no f f i l mi n c r e a s e db y4 1 e n z y m er e a c t i o nt i m eh a dn os i g n i f i c a n te f f e c to nt e n s i l es t r e n g t ha n d f i l mc o l o r a sar e s u l t ，e n z y m er e a c t i o nt i m ef i x e da t12 0m i ni sa d v i s a b l ef o re d i b l ef i l m p r o p e r t y w h e ne n z y m ec o n t e n tw a s0 4e g l ，w v p o p , f sd e c r e a s e db y4 8 ，41 a n d12 ， r e s p e c t i v e l y , w h i l ee i n c r e a s e db y5 6 ，a n dn os i g n i f i c a n te f f e c to nt sa n df i l mc o l o rw e r e o b s e r v e d 0 4 lw a st h eo p t i m u me n z y m ea m o u n tf o rf i l mp r o p e r t i e s t h ee n z y m a t i ct r e a t m e n tm e c h a n i s mw a si n v e s t i g a t e d e n z y m a t i ct r e a t e d p r o t e i n c o n t a i n e dm o r eh i g hw e i g h tm o l e c u l a rc o m p o n e n ta c c o r d i n gt oh p l cr e s u l t ，w h i c hi n d u c e d c r o s s l i n kb e t w e e np r o t e i n sm o l e c u l a r d e n a t u r e dt e m p e r a t u r eo fe d i b l ef i l mi n c r e a s e d a c c o r d i n gt o d s cr e s u l t b e s i d e s ，w h e yp r o t e i nh y d r o p h o b i cp r o p e r t yw a sd e v e l o p e d a c c o r d i n gt of l u o r e s c e n c ea n a l y s i s ，w h i l es u r f a c e s hc o n t e n ti n c r e a s e d ，w h i c hs u g g e s t e dt h a t p r o t e i nc h a i n su n f o l d e da n dh y d r o p h o b i cg r o u pw a su n c o v e r e d ，t o t a l s hc o n t e n td e c r e a s e d s u g g e s t e dm a tc r o s s - l i n k i n gp r o m o t e df o r m i n gn e ws sb o u n da m o n gp r o t e i nc h a i n s t h e s e mp i c t u r es h o w e df i l mh a das m o o t h e rs u r f a c e i tc o u l db ec o n c l u d e dt h a te n z y m a t i c t r e a t m e n th e l pp r o t e i nt of o r mm o r ec o m p a c ts t r u c t u r e ，a l lt h e s et r a n s f o r m a t i o ni m p r o v et h e b a r r i e ra n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fe d i b l ef i l m w p c c o a t i n gw i t 王la n dw i t h o u te n z y m a t i ct r e a t m e n tc a nl o w e rt h ef a ta c i dv a l u eo f w a l n u tb y9 - - 51 ，10 - - 4 8 ，r e s p e c t i v e l y , a n dd e c r e a s e dp e r o x i d ev a l u eb y21 - - - 38 a n d 2 2 4 3 ，r e s p e c t i v e l y c o a t i n gc a ni m p r o v et h es e n s o r yp r o p e r t i e s k e y w o r d s ：w h e yp r o t e i n , e d i b l ef i l m ，b a r r i e rp r o p e r t y , m e c h a n i c a lp r o p e r t y , t r a n s g l u t a m i n a s e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签 名：日期： 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签 名： 导师签名： 加爬f 幻 日 期i c k 卯驴矿，眇 第一章绪论 第一章绪论 1 1 乳清蛋白 乳清是干酪或干酪素生产的副产品，它是从牛乳中分离提取的一种营养价值极高， 并具有多种活性成分和保健作用的蛋白质。由于乳清蛋白含有的氨基酸种类齐全、数量 充足、比例适当，并且低脂肪、不含胆固醇( 胆固醇在制作奶酪时被除去) 等性质，故 对孕妇、产妇、生长发育期的儿童和青少年、免疫力和抵抗力低下的人、病后术后康复 期的患者以及运动员等补充优质蛋白质有重要的营养价值i lj 。 许多生产商看到了乳清蛋白产品广阔的市场前景，纷纷开发新项目来满足市场的需 要。目前乳清产品的种类有： 甜性乳清粉：由新鲜乳清干燥制得； 乳清浓缩蛋白( w h e yp r o t e i nc o n c e n t r a t e ，w p c ) ：采用凝胶过滤，吸收，超滤或多 聚磷酸沉淀等技术，去除了大部分的乳糖和盐分等非蛋白成分制得；由于加工方法的不 同，有蛋白质含量3 4 9 0 的系列乳清浓缩蛋白。 乳清分离蛋i 兰t ( w h e yp r o t e i ni s o l a t e ，w p i ) ：w p i 是在w p c 的基础上经过进一步的 工艺处理得到的高纯度乳清蛋白，蛋白质含量可达9 0 以上，但其价格昂贵，是w p c 的2 3 倍，同时更容易被消化吸收； 改性乳清产品( 低乳糖乳清粉，脱盐乳清粉) ：选择性地去除乳清中的乳糖或矿 物质而制得。 乳清蛋白主要由a 乳白蛋白、d 乳球蛋白、牛血清白蛋白、免疫球蛋白等组成，另 外还含有一些具有生物活性的微量成分，包括乳铁蛋白、乳过氧化物酶、溶菌酶、酪蛋 白巨肽、脂肪球膜蛋白、生长因子等。 在9 0 年代，由于膜分离技术和离子交换技术的进步以及对乳清蛋白认识的提高， 人们逐渐认识到乳清蛋白具有许多独特的功能特性。乳清蛋白在没有热变性的条件下。 在较大的p h 值范围表现出良好的溶解性和分散性。1 0 的乳清浓缩蛋白溶液在正常产 品p h 值甚至p h2 0 条件下能保持其溶解性和分散性。乳清蛋白能在脂肪球和水滴之间 形成一层界面膜，从而防止乳状液分层及凝聚沉淀，具有良好的乳化性。乳清蛋白凝胶 化后具有较好的凝胶性和持水性，并且凝胶后应用范围更广，可制成耐热型、颗粒型、 低钙型、水解型等多种形态的产品。在适当的热处理条件下，乳清蛋白溶液能形成热变 性不可逆凝胶。乳清蛋白开始形成凝胶的温度和凝胶的特性取决于蛋白质浓度、p h 值， 溶液中其他组分及其工艺条件。乳清蛋白作为营养强化剂和组织改良剂添加到食品中， 对提高产品营养价值和品质特性有非常重要的作用，且对食品组织结构和流变特性有重 要的作用。 由于乳清蛋白较好凝胶形成性能使其具有较好的成膜性，可被广泛应用于食品体系 中。如可被用来做胶囊膜，并且乳清蛋白也已成功应用于乳状液体系，保护对p h 敏感 的油滴粒子，防止其发生各种不利的生物学变化。乳清蛋白还可以在增塑剂存在时与各 种精油形成的生物膜具有良好的抗菌性【2 1 。乳清蛋白膜可用于包裹在深度煎炸的食物表 江南大学硕士学位论文 面来减少脂肪等变质【3 】。乳清蛋白还可与果胶形成复合膜，z a l e s k a 等人研究报道了不同 配比复合膜的各种膜性能指标 4 1 。 1 2 可食用膜的发展历史 可食用膜技术思路来源于某些食品自身所具有的保护性膜物质，如水果和蔬菜表面 的皮膜、农作物种子的表皮等。早在1 2 1 3 世纪，中国人就已在使用给新鲜柑桔和柠檬 涂膜的方法来防止水果发干。英国人在1 6 世纪使用脂肪涂抹食品来减缓食品的失水。 1 9 世纪后期有人提出可使用明胶薄膜来防止肉类和其它食品的腐败。1 9 世纪3 0 年代， 热熔石蜡被大量用于涂抹柑桔以减少失水。1 9 世纪5 0 年代初，巴西棕榈蜡油水乳化剂 被用于涂抹新鲜果蔬。利用动物的小肠形成肠衣包裹加工出来的灌肠食品是可食用膜技 术最为广泛、最为成功的范例【5 】。 食品在储藏及运输过程中会发生生物、化学和物理等方面的降解，这主要是由食品 中的各成分与氧气、水分及光等的相互作用而导致的。一般来讲包装食品发生降解通常 是氧气引起的，如使不饱和脂肪酸或其他食品组分发生风味、颜色以及营养损失。因而， 保护食品中各组分使之不与氧气发生反应是包装食品的首要标准，良好的隔氧性能可以 维持包装食品的质量【6 j 。 可食性包装是顺应人们对食品包装的方便化和无公害化而迅速发展起来的新型食 品包装【7 1 。它是一种可以食用，并具有一定的包装保护功能的薄膜，可以作为阻隔层控 制水分迁移、氧气进入、脂肪氧化和挥发物质的损失来保持加工食品的品质，以达到延 长货架期的目的1 6 。目前各种可食用膜已经被广泛应用于果蔬保鲜、肉类制品的保鲜以 及干果、冷冻鱼的保鲜。 上世纪9 0 年代以来，环境与包装已成为世界关注的焦点问题。近期，国务院办公 厅发出通知，称购物袋已成为“白色污染 的主要来源，自2 0 0 8 年6 月1 日起，在所 有超市、商场、集贸市场等商品零售场所实行塑料购物袋有偿使用制度，一律不得免费 提供塑料购物袋。与被称为白色污染的塑料膜相比，可食用膜可被生物降解，从而受到 世界各国科学家的重视，成为研究重点【引。因此，发展绿色包装己成为世界各国包装研 究的最新发展趋势。 根据所要加工食品的生理特性，选择合适的膜材料，制成稳定的乳状液，再通过浸 涂或喷涂于食品表面经风干或自然干燥后形成一层均匀透明或半透明的三维网络结构 的薄膜。这一结构特点，使可食用膜具有以下作用： 可食用膜易被生物降解，无任何环境污染； 可食用膜能延缓食品中的水分和油及其它成分的迁移、扩散； 可食用膜对c 0 2 、0 2 等具有可选择的透气性； 可食用膜可提高食品表面机械强度使其易于加工处理； 可食用膜可作为食品添加剂，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； 可食用膜可阻止食品中风味物质挥发，有效调控食品在储存期间与外界环境以及 与其内部组织之间的传递，从而可大大提高食品质量，延长货架寿命，节省包装材料。 2 第一章绪论 1 3 可食用膜的涂敷方法 目前，可食用膜的涂敷工艺有两种：浸涂法和喷涂法【9 - 1 1 1 。 浸涂法是指将涂料配成适当浓度的溶液，将所要加工的食品浸入，蘸上一层薄薄的 涂料后即取出，在室温下固化或用无菌塑料袋( 或可食用膜) 紧密地包裹即成。 喷涂法是指在所要加工的食品表面上喷涂一层均匀和极薄的涂料，固化后形成一层 可食用膜。喷涂又可分为加压喷涂、静电喷涂等。其中加压喷涂是指采用加压的方法使 涂料喷涂于食品表面上。静电喷涂则是通过静电作用将微粒化的涂料喷涂于食品表面 上。 浸涂和加压喷涂这两种方法是目前使用时间最长、应用最广的方法，且操作简便， 但它们的缺点是加工质量和工艺参数不易控制，而且涂料和能量消耗较大，从而影响产 品质量和新产品的开发。静电喷涂技术已广泛用于其它的工业领域，如医药、照明、汽 车、自行车等产品的表面装饰。但食品表面静电喷涂技术在国外才刚刚起步，尚未见到 国内在这方面研究的报道。静电涂敷具有产品质量高，节省涂料，降低能耗，易实现自 动控制和复合涂敷等优点【8 j 。 可以预见，随着人们对可食用膜成膜物质、成膜工艺和涂膜技术研究的不断深入， 可食用膜技术在食品加工中具有十分广阔的应用前景。 。j 1 4 可食用膜的成膜基质及其分类 构成膜基质的主要成分是生物大分子蛋白质、多糖、脂类及微生物膜。一般来 说，增加组成膜的高聚物分子链的长度和极性可使膜的黏性增强，极性基团在分子链上 的均匀分布，也能增加膜的黏性及网络结构的紧密性。这是由于极性基团的均匀分布增 加了高分子间氢键和静电引力的作用，从而为形成具有一定可选择透气性的网络结构奠 定基础。在众多的蛋白质原料中，常用的有面筋蛋白、大豆分离蛋白、乳清蛋白及玉米 醇溶蛋白等。 除上述组分构成可食用膜的基质外，还需要添加一些疏水成分。这些疏水成分可通 过与蛋白质或多糖等成分的疏水基团的相互作用而形成具有一定阻湿性、阻氧性的薄 膜。这些疏水成分主要是一些脂类，包括蜂蜡、巴西棕榈蜡、石蜡、脂肪酸以及乙酰甘 油酯等。此外尚需添加一定量的增塑剂，从而对高聚物起稀释作用，减小高分子间的作 用力，虽然增塑剂的添加会使膜的强度降低，但增加了膜的亲和性，使之易溶于溶剂中。 常用的增塑剂主要有多元醇( 如山梨醇、甘油、甘油衍生物及聚乙醇等) 及脂类物质( 如 脂肪酸、单甘油脂、表面活性剂等_ ) 。 可食用膜按其成膜基质可分为五类：多糖为基质的可食用膜、脂肪为基质的可食用 膜、蛋白质为基质的可食用膜、微生物共聚聚酯可食用膜以及复合膜【1 2 】。 1 4 1 多糖为基质的可食用膜 多糖类可食用膜是以各种多糖为主要原料形成的膜，是一种研究和应用得比较早的 生物大分子可食用膜，它具有透明度好、强度高等特点f l3 1 。多糖类可食用膜以植物多 糖或动物多糖为基质，主要有淀粉膜、改性纤维素膜、动植物胶膜、壳聚糖膜和葡干聚 糖膜等【1 4 j 。 江南大学硕士学位论文 淀粉是形成可食用膜的天然聚合物，是一种可降解的生物大分子并被广泛应用于食 品及药品工业。近年来，淀粉被单独或者与其他生物大分子一起形成成膜基质来制造可 食用膜，有关淀粉膜提高食品货架期的研究报道屡见不鲜【1 5 1 引。天然淀粉有两种：直链 淀粉和支链淀粉。直链淀粉含量高，膜强度高；支链淀粉含量高，膜溶解性好【1 9 】。以玉 米淀粉、可溶性玉米淀粉及木薯淀粉为主要原料制备可食用膜的研究较多【2 0 】。 1 4 2 脂肪为基质的可食用膜 脂肪为基质的可食用膜通常用来阻止不期望的水分转移，最有效的脂肪类可食用膜 是石蜡，但它的感官性质很差。近期人们多集中在以石蜡单独或形成乳状液或微乳涂敷 在果蔬表面的研究上【1 8 2 1 。2 3 1 。脂肪为基质的可食用膜具有较差的机械性能，这就要求它 必须和其他的蛋白质或多糖同时使用制作可食用膜。 1 4 3 蛋白质为基质的可食用膜 天然蛋白质分子中含有大量的氢键、二硫键以及疏水相互作用等可以维持膜的稳定 结构，因而可食性蛋白膜具有优良的机械屏障特性。从原理上讲，构成膜基质的主要成 分生物大分子蛋白质，将蛋白质与增塑剂按照一定比例溶于去离子水中，加热，使 得蛋白质适当变性，空间结构展开，蛋白质内部的疏水基团暴露出来，形成空间网状结 构，维持膜的稳定结构。 蛋白质可食用膜有营养、易消化、机械性能好、透明性强，且外观及口感均较理想， 特别是其较高的阻气性，近年来普遍受到研究者的重视。目前，以蛋白质为基质的可食 用膜研究多集中在大豆分离蛋白、小麦面筋蛋白、玉米醇溶蛋白、卵清蛋白、乳清蛋白 和酪蛋白等的研究上。 大豆蛋白产品有四种，即大豆粉( 也称全豆粉) 、浓缩大豆蛋白、分离大豆蛋白和 组织蛋白，在肉制品中主要用作乳化剂和粘结剂。适当的加热处理和碱处理可以使蛋白 质分子适当变性，得到一定程度的伸展，内部的疏水基团、巯基暴露出来，分子间相互 作用加强，同时二硫键断裂并重新交联，从而形成立体网络结构，得到具有一定强度和 阻隔性的膜【7 j 。 小麦蛋白( 或面筋蛋白) 是小麦淀粉生产的副产物，蛋白质含量高达7 2 8 5 。 作为优质的植物蛋白源，小麦蛋白本身具有很高的营养价值。同时，由于麦醇溶蛋白具 有延伸性，麦谷蛋白具有弹性，能与水形成网络结构，从而使小麦蛋白具有优良的黏弹 性、延伸性、吸水性和吸脂乳化性【2 4 】。用小麦蛋白质研制的可食用膜具有柔韧、牢固、 阻氧性好的特点。在以往的研究中，因为工艺上的缺陷研制出的小麦蛋白质膜透光性差 而限制了它的应用。 肌原蛋白膜的功能性质要优于其它的蛋白膜，尤其是拉伸强度，甚至能和低密度的 聚乙烯薄膜相媲美【2 5 1 。 乳清蛋白最近几年才被用作可食用膜的基质材料。以乳清蛋白为基质，甘油、山梨 醇、蜂蜡、羧甲基纤维素钠等为增塑剂制成的各种乳清蛋白可食用膜具有透水、透氧率 低、强度高、透明性好的特点( 2 6 】。 4 第一章绪论 1 4 4 微生物共聚聚酯可食用膜 以自然资源糖蜜、油脂等为原料，通过微生物发酵产生的3 羟基丁酯、3 羟基戊酯、 4 羟基丁酯、己内酯等聚酯可制成可食用膜。当前微生物共聚聚酯研究开发的产品有英 国i c i 公司3 羟基丁酯和3 羟基戊酯( 9 0 ) 的共聚聚酯膜以及美国麻省理工大学开发 的脂肪族共聚聚酯膜。这类膜的特点是光学性能好、透明有光泽、物理性能优良、化学 性能稳定、易加工成形和广泛的代用性等优点，并且具有可食性和完全生物分解性，受 到各国的重视【z7 1 。 1 4 。5 复合可食用膜 复合膜是由多糖、脂肪和蛋白质中的两种或两种以上物质经过一定的处理而形成的 膜。复合成分性质不同且功能上互补，形成的膜拥有更为理想的性能【2 引。有人认为，多 糖类物质提供结构上的基本构造；蛋白质通过分子间的交叠使结构紧密：而脂类则是良 好的阻水剂1 2 9 j 。在多种可食用膜中，多糖类可食用膜、蛋白质类可食用膜在较低的相对 湿度下表现出良好的阻氧性，且形成的膜具有较好透明特性；同时由于蛋白质可食用膜 和多糖类可食用膜具有较高的亲水性，在较高相对湿度条件下其使用受到限制，具有较 低的阻水性【3 ，此时加入一定量的脂肪可以改善膜的阻水性能。 1 5 国内外的研究现状 在国外，将可食用膜应用于果蔬保鲜己有广泛研究。关于淀粉类可食用膜的研究很 多，除了单一基质的淀粉可食用膜研究还对引入增塑剂、表面活性剂的淀粉可食用膜及 复合膜进行了研究。c h i e n 等人研究当使用壳聚糖包裹芒果切片时可以明显延缓芒果切 片的水分损失及感官品质的下降，同时提高了可溶性固形物的含量，并且可以阻止微生 物的生长，得出壳聚糖可食用膜可延长芒果切片的货架期的结论【i 引。r o d r i g u e z 等人研 究在马铃薯淀粉中加入甘油作为增塑剂、吐温2 0 为表面活性剂制作可食用膜，分析所 得到膜的透水性及机械性能，发现甘油作为增塑剂添加到成膜液中可适当提高膜的柔韧 性和透水率。当甘油含量非常低时，表面活性剂将会降低膜的表面张力；而当甘油含量 相对较高时，表面活性剂卵磷脂将会显著降低膜的表面张力；当成膜液中不含甘油时， 表面活性剂对膜的机械性能产生显著影响，但是并不会影响膜的透水率【3 。b r a v i n 等人 研究了玉米淀粉、纤维素以及大豆油所形成的复合膜的各项膜性能指标，着重研究相对 湿度、膜厚度分别对膜透水率、抗拉强度、延伸率的影响p 引。 许多学者已经将目光转向蛋白质为基质的可食用膜的研究并取得了一定成果。c h 0 等人研究经过膜处理的大豆浓缩蛋白在不同的成膜p h 值下所形成膜的机械性能，隔阻 性能及物理性能，同时与大豆分离蛋白膜进行对比。研究发现，当p h 从7 增大到1 0 时，膜越发透明、变黄并且阻氧性能降低，而抗拉强度随p h 的变化不明显【3 3 1 。s o t h o m v i t 等人以乳清分离蛋白与甘油按照一系列配比得到不同的成膜液，采用喷涂法成膜，研究 了压膜温度及压膜强度对膜各项性能指标的影响，试验结果显示，可食用膜的弹性模量 和抗拉强度随甘油含量的增加而降低，而延伸率受甘油含量影响不大【l 。p e r e z g a g o 等 人研究乳清浓缩蛋白为基质并加入蜂蜡形成的复合膜在延缓苹果切片褐变方面的应用 例，发现在乳清浓缩蛋白与蜂蜡为基质的成膜液中加入半胱氨酸可很大程度上延缓苹果 江南大学硕士学位论文 切片褐变，并且发现当乳清浓缩蛋白含量超过6 5 时与当乳清分离蛋白相比，在延缓苹 果切片褐变上效果相当。 近年来，在国内有关可食用膜的研究发展迅速，多集中在淀粉类可食用膜。蛋白质 类可食用膜的研究多以大豆蛋白、玉米醇溶蛋白以及各种肌原蛋白为成膜基质。有关乳 清蛋白可食用膜在食品保藏中应用的文章，近年来陆续有研究报道。姚晓敏等人报道了 乳清蛋白成膜工艺的研究，主要针对确定乳清蛋白的成膜条件进行研究，并测定了乳清 蛋白膜对番茄的保鲜效果。乳清蛋白在8 0 乙二醇中溶解效果良好。将1g8 0 乳清蛋 白加入至1 0m l8 0 乙二醇中，6 0 保温3 0m i n ，再加入4 3m l4 甘油，在8 0 恒温 条件下干燥6 0m i n ，可以形成具有一定强度的可食性薄膜。将该膜用于番茄的涂膜保鲜， 可使8d 内番茄的失重率从1 5 3 降至0 9 4 1 3 4 j 。 1 6 可食用膜在食品工业中的应用 1 6 1 果蔬的涂膜保鲜 新鲜果蔬成熟后会发生一系列的生化反应和呼吸作用，加速果蔬组织的损伤。并且 在室温下，采摘后的果蔬更易于失去水分，发生外观、组织、质量等的变质。采用可食 用膜涂层保鲜水果是室温下有效的果蔬储藏方法。包裹在果蔬表面的可食用膜不仅阻止 气体交换、控制果蔬呼吸速率、降低营养成分损失、减少水分蒸发并且防止微生物的入 侵。鉴于可食用膜的这种功效保持水果饱满有光泽并且延长其货架期，果蔬的涂膜 保鲜被证明是一种有效的保鲜技术，同时可以提高果蔬的经济价值【2 。 1 6 2 水产品的涂膜保鲜 影响海产品货架期的主要因素包括自身的分解、微生物引起的变性、氧化和干耗1 3 5 1 。 海产品品质下降主要表现在游离水减少、肉质地变差、风味变差。冻藏是保存海产品的 有效方法，但冻藏过程中也会造成食品本身品质一定程度的下降，尤其对于淡水鱼类， 品质下降更为严重。可食用膜在鱼类冻藏中的应用开始于七十年代后期。研究证明可食 用膜可以有效保存冻藏海产品，控制其水分流失，并且与抗氧化剂结合时可以有效延缓 其脂肪衰败，降低过氧化值峰值，达到延长货架期的目的【3 6 j 。 1 6 3 肉及肉制品的涂膜保鲜 鲜肉富含营养物质并且水分活度高，是微生物生长的良好基质。因此在加工、运输、 贮藏和消费过程中极易受微生物污染及周围环境的影响，而发生变质、变色和变味，导 致鲜肉质量下降。涂膜保鲜是将肉类涂抹或浸泡特殊的保鲜剂，在肉的表面形成一层保 护性薄膜，以防止外界微生物的侵入。涂膜还减少了肉与外界空气接触的机会，防止脂 肪酸氧化酸败和肉色变暗，此外还可以减少肉汁流失，在一定时间内保持肉类的新鲜， 从而提高保藏品质【37 1 。 1 6 4 糖果制品的涂衣 在糖果工业中，对于巧克力以及表面抛光的糖果生产来说，由于对挥发性组分扩散 的规定提高了要求，所以用水溶性添加剂取代通常所用的含挥发性有机组分的涂膜剂是 必要的。可食用膜可以在糖果表面形成一层光泽外衣，并且控制氧气、水分的转移【2 酬。 乳清蛋白可食用膜可以显著减少糖果中挥发性有机组分的扩散。 6 第一章绪论 1 6 5 油炸食品中的应用 普遍流行的即食食品中产量较大的一类是深层油炸食品。采用适当的成膜剂如蛋白 质或多糖对油炸食品预先涂膜，可以降低油炸食品中游离脂肪酸的含量，降低食品在油 炸过程中色泽的变化程度，此外还可以降低产品的耗油量，延长油的使用寿命【2 7 l 。 1 7 立题意义 可食用膜凭借其独特的功能特性和乐观的应用前景引起人们的广泛关注。首先，可 食用膜能被生物降解和再生；其次，可食用膜可作为食品添加剂如色素、抗氧化剂等的 理想载体添加到食品中去；利用其选择性的阻隔性能可以调节并有效控制食品在储存期 间各组分或食品成分与环境之间不希望的物质传递，如抑制果蔬呼吸及生理活动、阻止 食品的风味物质散失、防止食品氧化及失水褐变等，从而达到食品保鲜及延长货架期的 目的。 淀粉类可食用膜是可食性包装材料中研究较早的类型，在其组分、工艺、设备及膜 的性质和应用等方面均进行了广泛的研究，并取得了一系列进展。淀粉膜的强度与刚性 较高，但韧性较低；并且由于天然的可食性高分子材料本身具有亲水性，在工业化生产 中受到一定的限制。 9 0 年代后蛋白质为基质的可食用膜成为可食用膜研究的焦点。与淀粉膜相比，蛋白 质可食用膜具有以下优势：有营养、易消化、机械性能好、透明性强、外观及口感均较 理想，特别是阻气性好。但是蛋白质类可食用膜明显的缺点是阻湿性差，阻氧性受环境 湿度影响大。当环境湿度较高时，蛋白质将迅速吸收水而膨胀，使得膜结构松弛，氧气 分子便易于穿透。而在环境湿度较低或用于含水量较低的食品如糖果、干果、谷物等， 蛋白质类可食用膜仍具有其他类可食用膜无法比拟的优势。 一 本课题选取乳清蛋白为成膜基质，研究蛋白质浓度、甘油浓度、加热温度以及酶处 理对乳清蛋白可食用膜性能的影响，较完整地讨论了乳清蛋白在不同成膜条件下的各个 性能指标。另外，将乳清蛋白酶改性制成可食用膜，将酶法改性机制研究与可食用膜性 质研究结合在一起，研究改性机制对可食用膜性质的影响，为乳清蛋白可食用膜、乳清 蛋白酶法改性可食用膜的进一步研究提供了一定的理论基础和实践经验。 1 8 主要研究内容 本课题主要研究以乳清蛋白为基质的可食用膜，研究其成膜工艺、酶法改性和应用 特性，具体研究内容如下： 1 乳清浓缩蛋白成膜工艺的研究。研究蛋白质浓度、增塑剂甘油浓度及加热强度 对膜性能的影响，测定不同因素不同水平膜的各项指标，采用响应面优化成膜工艺。 2 利用转谷氨酰胺酶对乳清蛋白进行改性，以改性乳清蛋白为基质制备可食用膜， 研究改性可食用膜的性能。 3 利用高效液相色谱测定改性乳清蛋白分子量分布，研究交联对膜性能的影响； 并通过表面巯基、总巯基和疏水性的测定研究改性乳清蛋白结构的变化；扫描电子显微 镜观察其超微结构。 7 江南大学硕士学位论文 4 乳清浓缩蛋白可食用膜的应用。核桃仁中脂肪成分主要是不饱和脂肪酸，并且 脂肪含量接近7 0 ，使用乳清蛋白可食用膜包裹核桃仁，研究可食用膜对核桃仁储藏过 程中的影响。 8 第二章乳清浓缩蛋白可食用膜成膜工艺的研究 第二章乳清浓缩蛋白可食用膜成膜工艺的研究 2 1 前言 蛋白类可食用膜是以各种蛋白质为主要原料形成的膜。以乳清蛋白为成膜基质的可 食用膜较现有高生产成本合成塑料膜成本低，考虑到w p c 和w p i 形成的可食用膜性能 相当且w p c 成本较低，w p c 具有更大的产业化生产优势【5 j 。 可食用膜的性能指标包括通透性、机械性能、溶解性和色泽分析。可食用膜通透性 的指标为透湿系数和透氧系数。透湿系数大，则阻水性差；透氧系数大，则阻氧性差， 即透湿系数和透氧系数越小，可食用膜的阻水性能和阻氧性能即膜的阻隔性能越好。膜 的机械性能也是可食用膜的主要性能之一，它包括抗拉强度和延伸率，机械性能影响膜 在制作、喷涂、处理、应用等过程中的完整程度及可操作程度。可食用膜的溶解性在一 定程度上对它的整体性能及应用非常重要。有报道称可食用膜可作为快餐食品的调料包 装，譬如方便面的佐料袋，且在使用时只要放入热水中一冲即溶，不用开包便可伴料溶 化，食用时还具有营养和特别的风味【3 引。由此可见，可食用膜的溶解性也可能会限制它 的应用。感官性能主要是在食品包装过程中，可食用膜赋予食品的感官性状，包装材料 薄、平整光滑、鲜亮透明，它不仅能保证食品原有的性状、色泽，而且可以通过包装改 善食品的感官性状，甚至刺激消费者的购买欲望，提高食品的附加值，因此可食用膜的 色泽也是很重要的一个方面p 引。 本实验选用乳清浓缩蛋白w p c 8 0 为成膜基质、甘油为增塑剂制备可食性蛋白质膜， 研究可食用膜的阻水性、阻氧性、抗拉强度、延伸率、水溶性、色差等性质，并对成膜 工艺进行优化。 2 2 实验材料与设备 2 2 1 实验材料 乳清浓缩蛋白w p c 8 0 ( 蛋白质含量为8 0 ) 其他药品均为分析纯 2 2 2 实验设备 o x 1 0 0 a 测氧仪 l z b 4 玻璃电子流量计 k q 2 2 0 0 d b 型数控超声波清洗器 w s c s 测色色差计 t a x t 2 i 物性仪 2 3 实验方法 2 3 1 可食用膜的制备 新西兰恒天然有限公司 浙江建德梅城电化分析仪器厂 杭州富阳华表仪仪器有限公司 昆山市超声仪器有限公司 上海精密科学仪器有限公司 英国s t a b l em i c r os y s t e m 公司 称取一定量w p c 8 0 加入t r i s h c l 缓冲溶液中( p h = 8 o ) 搅拌均匀，水浴加热一定 温度并保持1 5m i n ，冷却后加入甘油，搅拌均匀，超声波除去气泡，于有机玻璃板( 聚 9 江南大学硕士学位论文 甲基丙烯酸甲酯，p m m a ) 涂膜，干燥后揭膜。在2 5 ，相对湿度( i m ) 为5 0 的环境 中平衡4 8h 进行性质测定【3 9 1 。 2 3 2 透湿系数的测定 采用修正的a s t m ( a m e r i c a ns o c i e t yf o rt e s t i n ga n dm a t e r i a l s ) 法测定4 0 1 。干燥器底部 放入b a c l 2 饱和溶液，2 5 下，b a c l 2 饱和溶液使干燥器内的r h 保持在9 0 。透湿杯 内装无水氯化钙，c a c l 2 使用前先粉碎，并在1 6 0 c 烘箱中干燥2h 恒重。透湿杯上覆盖 待测薄膜，置于r h 为9 0 的干燥器内，每隔一定时间称量透湿杯的重量，作透湿杯重 时间的关系曲线，得到二者线性相关。线性斜率为水蒸气通透速率c ( e g h ) 。使用千 分尺，随机选取五个点测定膜的厚度。 可食用膜单位面积的水蒸气透过速率山按式2 1 计算 j ：一c 2 1 彳 式中：卜单位面积水蒸气透过速率，g l l m 2 ； c l 一透湿杯重时间关系曲线的斜率，g l l ； 么透湿杯的有效面积，本研究中为7 0 6 x 1 0 c m 2 。 膜的透湿系数( w a t e rv a p o rp e r m e a b i l i t y , 以下简称r e v p ) ，按式2 - 2 计算 聊：旦堕 a p 式中：朋伊一透湿系数，g m m m 2 h k p a ； 卜膜厚，m m ； 2 - 2 么卜膜两侧水蒸气压差。膜两侧的水分湿度梯度为r h = 9 0 ，2 5 c 时水蒸气的饱 和蒸汽压为3 1 6 8 4k p a ，相对湿度为9 0 的水蒸气压为3 1 6 8 4 0 9 - - 2 8 5 1 6k p a ，故膜两 侧的水蒸气压差为2 8 5 1 6k p a 。 2 3 3 透氧系数的测定 采用a s t m 标准方法d 3 9 8 5 8 1 ( 浓度增减法) 测定f 3 3 】。将待测膜夹在透氧率测定装 置的上、下腔室中间。上腔室通氧气，下室通氮气，并维持通气1 0m i n ，直至上腔室的 氧气的体积百分数稳定在1 0 0 - 士1 ，下室氧气体积百分数为。士0 1 。上腔室维持恒定的 氧气流速0 6m l s ，关闭氮气室的阀门，以氧气测定仪开始监测氮气室( 氮气室体积6 2 0 9 c m 3 ) 中氧气体积百分数随时间的变化。以氧气体