低温储藏对小麦面筋蛋白膜性能的影响

张 喆，田少君，刘培成，成 明

（河南工业大学 粮油食品学院，河南 郑州 450001）

低温储藏对小麦面筋蛋白膜性能的影响

张 喆，田少君*，刘培成，成 明

（河南工业大学 粮油食品学院，河南 郑州 450001）

以小麦面筋蛋白为原料制得可食性膜，研究在不同低温储藏条件下其性能的变化.结果显示：随冷藏温度的变化，小麦面筋蛋白膜性能变化趋缓，规律性不明显；随冻藏温度的降低，蛋白膜机械特性和阻隔性均随之降低；随着冷藏和冻藏时间的延长，抗拉强度先上升然后下降，延伸率逐渐升高，阻隔性能逐渐变弱.

小麦面筋蛋白膜；性能；冷藏 ；冻藏

0 前言

小麦面筋蛋白（WG）是生产小麦淀粉的副产物，主要由麦谷蛋白和麦醇溶蛋白组成.其相对分子质量分别从2.5万～10万和10万～200万，其含量分别占小麦蛋白组成的30%～40%和40%～50%.麦谷蛋白不溶于水、稀盐和乙醇溶液，能溶于稀酸或稀碱溶液.麦醇溶蛋白不溶于水及中性盐溶液，能溶于70%～80%乙醇溶液.小麦面筋蛋白的黏弹性、延伸性和水不溶性受到了国内外研究者的关注，并从理论上指出它可能成为一种优秀的成膜剂[1-2].植物蛋白膜可以降低水分在食品与环境中的迁移速率，对油脂具有高阻渗性，能够减少食品组分间油脂的迁移，还可以改善冷冻食品的结构和感官特性[3].然而植物蛋白膜对温度和湿度要求较高，极端的温度或湿度可改变其原有的功能特性.正因为如此，植物蛋白膜在低温环境下的储藏成为其应用研究的一个重要方向[4-7].本试验旨在研究不同低温储藏温度和时间对小麦面筋蛋白膜通透性能和机械性能的影响，并试图阐明其原因.

1 材料与方法

1.1 主要原料与试剂

小麦面筋蛋白：上海佳瑞粉业有限公司；甘油（含量≥99.0%）：开封开化有限公司试剂厂；油酸（分析纯）：成都市联合化工试剂研究所.

TA—XT2i物性测试仪：英国StableMicro Systems公司；CO6334型真空泵：沈阳微电机厂；2K—82A电热真空干燥：上海实验仪器厂有限公司；FA25高剪切分散乳化机：FLUKO；HH—4型数显恒温水浴锅：国华电器有限公司.

1.2 试验方法

1.2.1 小麦面筋蛋白膜的制备

蛋白浓度为9%（W/V，蛋白/50%乙醇溶液），甘油添加量为40%（W/W，甘油/蛋白），油酸添加量为10%（W/W，甘油/蛋白），L-半胱氨酸添加量为0.5%（W/W，甘油/蛋白）混合溶解.在70℃水浴反应30 min，均质，真空脱气，冷却后浇注，室温干燥48 h后揭膜[8].

1.2.2 储藏方案的设定

将制好的膜分别放在0℃、2℃、4℃、6℃、8℃、-4℃、-10℃、-15℃、-20℃、-25℃温度下储藏（冷藏和冻藏环境相对湿度分别为45%、50%）.以7 d为一周期，连续观察6周并选择第1周和第4周的指标来反映储藏温度对膜性能的影响.

1.2.3 膜性能的测定

1.2.3.1 膜厚度的测定

根据GB/T 6672-2001[9]，用螺旋测微器在膜上对称选取4个点测厚度，重复测定3次取平均值.

1.2.3.2 膜机械性能的测定

将测定完厚度的膜样裁成标准尺寸后置于物性测试仪上，初始夹距30 mm.测定膜断裂时的抗拉强度（TS）和断裂延伸率（E），其计算公式如下：

式中：F——膜断裂时承受的最大拉力，N；

S——膜的横截面积，m2；

L0——膜样品的长度，mm；

L1——膜断裂时的长度，mm.

1.2.3.4 水蒸气透过率（W vtr）的测定

阻湿性能由水蒸气透过系数（W vp）反映.采用GB1037-1988拟杯子法[10]：膜测其厚度后，用石蜡密封于装有4 g CaCl2称量瓶口处，置于RH100%的干燥器中，每24 h称量1次称量瓶的质量，1周后通过杯质量的增加确定水蒸气的透过量.其计算公式如下：

式中：W vtr——水蒸气透过速率，g/（m2·h）；

W vp——水蒸气透过系数，g·mm·（m2·d·kPa）-1；

ΔW——t时间内称量瓶的质量增加量，g；

A——称量瓶口的面积，m2；

t——测量时间，d；

h——膜的厚度，mm；

Δp——试样两侧的水蒸气压差，kPa.

1.2.3.5 脂质阻隔能力的测定

油脂渗透系数（P o）作为膜脂质阻隔能力的指示.用试管装5 mL色拉油，膜样本盖上，再放一张滤纸，倒置于RH40%的干燥器中，每24 h记录滤纸片的质量，持续 1周[11].P o（g·m·（m2·d）-1）值按下式计算：

式中：△W——质量变化，g；

h——膜厚度，mm；

A'——试管口面积，m2；

t——测试时间，d.

2 结果与分析

2.1 原料成分分析及膜厚度

小麦面筋蛋白中粗蛋白（干基）83.60%，粗脂肪（干基）0.98%，水分 7.49%，灰分（干基）0.60%.膜厚度约为0.050 mm.

2.2 冷藏温度对小麦面筋蛋白膜的影响

2.2.1 冷藏温度对小麦面筋蛋白膜机械性能的影响

由图1可以看出，随冷藏温度的升高，WG膜第1周TS和E变化较为平缓，而第4周呈逐渐上升趋势.这可能是由于在相对高温高湿的环境下蛋白分子间相互作用加速，结合作用增强，而水分的增加使蛋白分子间或分子内相互作用减弱，软化了小麦面筋蛋白的刚性结构，赋予其柔韧性[12].再有，原来蛋白内部的巯基和疏水性氨基酸侧链残基等暴露在分子表面,从而有利于蛋白质分子内和分子间相互作用，形成更为坚固的网络结构，进而使其机械性能上升.

图1 冷藏温度对WG膜机械性能的影响

2.2.2 冷藏温度对小麦面筋蛋白膜水蒸气透过率的影响

由图2和图3可以看出，随着冷藏温度的升高，WG膜W vp先呈上升趋势而后下降，P o先趋于平缓而后下降.原因可能是冷藏温度与环境相对湿度共同作用的结果.Noguchi曾报道随环境温度的上升极性基团的水合作用增大，在0℃左右其所研究的生物聚合物的水合作用是室温下的2倍[13].较多的自由—NH2，—OH等亲水基团，较有利于吸附水分子，宏观上表现出很强的吸湿性[14].另外，随冷藏温度升高蛋白原来内部的巯基和疏水性氨基酸侧链残基等暴露在分子表面，使蛋白质相互作用增强，网络结构更为坚固；巯基和二硫键的交换反应，使膜二硫键的联结增多，阻隔能力又得以增强.

图2 冷藏温度对WG膜水蒸气透过率的影响

图3 冷藏温度对WG膜脂质阻隔能力的影响

2.3 冻藏温度对小麦面筋蛋白膜的影响

2.3.1 冻藏温度对小麦面筋蛋白膜机械性能的影响

由图4可以看出，随冻藏温度的不断下降，WG膜的机械性能呈下降趋势.在-4℃至-15℃之间TS和E变化相对较为活跃，其原因可归结为冷冻速率较慢所致.表面能的差异会造成小冰晶有融化、重结晶或集聚在晶核上的趋势.由于重结晶导致冰晶体体积增大以及其形状和定向运动发生改变，这将引起组织结构破坏，加剧蛋白质的变性.此外，冻结时冰晶的形成、体积的变化和内部存在的温度阶梯等，会导致产生机械应力并产生机械损伤[3].随着冻藏温度的不断降低，蛋白膜所受的机械损伤越来越大，因而其机械特性呈逐级下降趋势.

图4 冻藏温度对WG膜机械性能的影响

2.3.2 冻藏温度对小麦面筋蛋白膜水蒸气透过率和脂质阻隔能力的影响

由图5和图6可以看出，随着冻藏温度的降低，WG膜的通透性也在逐渐变大.推测可能原因为：在冻藏过程中，冰晶和重结晶现象引起蛋白组织结构的破坏.根据热动力学规律，冰晶形成所引起的脱水作用使可溶性蛋白质（麦谷蛋白）的相互作用被破坏，疏水直链和片段进一步暴露，导致蛋白质构象发生变化.在水转化为冰的过程中，体系需利用疏水作用和离子强度增加蛋白质的相互作用而使系统的自由能尽可能保持最低，这进一步增加了蛋白质的变性和蛋白质聚集体的形成[3].此外，体系中的脂质油酸低温下脆性增加，发生收缩，从而也导致蛋白膜通透性上升.因此，当温度降到冰点以下时，蛋白膜的稳定性也将降低.

图5 冻藏温度对WG膜水蒸气透过率的影响

图6 冻藏温度对WG膜脂质阻隔能力的影响

2.4 冷藏、冷冻时间对小麦面筋蛋白膜的影响

2.4.1 冷藏、冷冻时间对小麦面筋蛋白膜机械性能的影响

由表1可以看出随着冷藏和冷冻时间的延长，至第4周WG膜TS呈平缓上趋势（与其他各周差异显著（p<0.05））然后下降；延伸率逐渐升高（分别在第5周和第4周与第1周差异显著（p<0.05））.推测原因可能是由于暴露在氧化环境中蛋白质的三级结构发生改变形成新的二硫键和疏水键.再有，未参加反应的脂质及其降解产物可以与氨基发生作用导致多肽链的链内和链间交联.另外，对TS贡献较大的可能是麦谷蛋白.一方面是由于其相对分子质量高，会出现分子缠结的现象，强度较大；另一方面则是由于麦谷蛋白中存在分子间二硫键,可以增强蛋白质多肽链间的交联，使形成的膜具有更高的强度.而对E贡献较大的主要是麦醇溶蛋白[15].有报道称：低温储藏若干天后，膜中醇溶蛋白（醇溶朊）的百分含量稍有增加.然而随储藏时间延长，蛋白质分子变性，分子链断裂，破坏网络结构的稳定性以及冻藏期间冰晶形成所引起机械损伤也随之加大，机械性能又将随之下降[16].

表1 储藏时间对小麦面筋蛋白膜功能特性影响

2.4.2 冷藏、冻藏时间对小麦面筋蛋白膜水蒸气透过率和脂质阻隔能力的影响

由表1可以看出随着冷藏时间的延长WG膜W vp和P o呈上升趋势，至第5周差异显著（p<0.05），变化加剧.随冻藏时间的延长W vp和P o也呈上升的趋势，分别至第4周和第3周差异显著（p<0.05），变化幅度较快.随储藏时间的延长，蛋白质相互作用减弱必然会导致膜的阻水性、阻油性的降低.再有，W vp不仅与膜组成、亲水性有关，还与水分子的运动状态、膜的玻璃化转变温度及环境因素有关.水分子透过膜有两种方式，如果膜致密，水分子通过吸附、溶解、扩散、解吸等步骤透过膜；膜结构比较松散，水分子则可以从微孔中扩散而直接透过，即为水蒸气的压力作用引起的[17].储藏时间过长，水分子透过更多会借助膜结构中微小孔隙和高分子链间的自由体积变化形成的瞬间缝隙.另外，静电作用是维持蛋白质三级结构和四级结构的主要作用力，未冻相中的离子强度的突然增加将引起与已存在的静电键的竞争，反过来改变蛋白质结构和其熵和能量状态，使蛋白质变性和亚单位解离[3].因而冻藏环境下蛋白膜的通透性要比冷藏储藏环境下变化幅度大，更为活跃.

3 结论

WG膜的机械特性和阻隔性受冻藏温度的影响明显高于冷藏温度.随冷藏温度的变化，其功能特性变化趋缓，规律性不明显.而随冻藏温度的降低，其功能特性均随之变弱.随冷藏和冻藏时间的延长TS呈上升趋势均至第4周（与其他各周差异显著（p<0.05））然后下降；E逐渐升高，分别在第5周和第4周差异显著（p<0.05）.而随着冷藏时间的延长W vp和P o呈上升趋势，至第5周差异显著（p<0.05），变化加剧.随冷冻时间的延长W vp和P o也呈上升的趋势，分别至第4周和第3周差异显著（p<0.05），变化幅度加快.

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EFFECTSOF LOW TEMPERATURE STORAGE ON PROPERTY OF EDIBLE WHEAT GLUTEN FILM

ZHANG Zhe，TIAN Shao-jun，LIU Pei-cheng，CHENG M ing
（School of Food Science and Technology， Henan University of Technology， Zhengzhou 450001， China）

The paper studied the property of edible wheat gluten film under different storage conditions.The results showed that the property of the wheat gluten film changed slow ly and had no obvious regularity as the cold storage temperature changed;the mechanical property and the barrier property of the wheat gluten film decreased as the frozen storage temperature decreased;and the tension strength (TS)increased firstly and then decreased,the elongation gradually increased,and the barrier property gradually decreased as the cold storage time and the frozen storage time prolonged.

wheat gluten film； property； cold storage； frozen storage

TS201.1

B

CNKI:41-1378/N.20111220.1501.003

1673-2383(2011)06-0013-05

http://www.cnki.net/kcms/detail/41.1378.N.20111220.1501.003.html

网络出版时间：2011-12-20 03:01:44PM

2011-08-13

张喆（1986-），男，黑龙江友谊人，硕士研究生，研究方向为植物蛋白科学与工程.

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