大豆分离蛋白-水溶性大豆多糖可食性复合膜的制备与性质*

赵欣，管骁

(上海理工大学 医疗器械与食品学院，上海，200093)

近年来随着人们对食品品质和保藏要求的提高以及环保意识的增强，天然生物材料制成的可食性食品包装逐渐成为研究的热点［1］。可食性包装膜是以可食性生物大分子物质为主要基质，辅以可食性的增塑剂，通过一定的处理工序使各成膜剂分子间相互作用，使之在干燥后形成一种具有一定力学性能和选择透过性结构致密的薄膜［2］。可食性膜按原料大体上可分为4 类:多糖类可食性膜、蛋白质类可食性膜、脂类可食性膜、复合型可食性膜。多糖膜依靠分子间氢键、分子内氢键和多糖特殊的长链螺旋分子结构，使其化学性质稳定，但它们都属亲水性聚合物，阻湿性差，导致该类膜在较高的湿度环境下容易吸潮而发黏，而且机械性能也有待提高［3］。大豆分离蛋白具有较好的营养价值和生理功能，以其作为基材的膜具有良好的阻气性、一定的阻湿性和机械强度［4］。

为得到性能更良好的可食性膜，本文选择大豆分离蛋白、水溶性大豆多糖为原料，以大豆分离蛋白与水溶性大豆多糖的比例、甘油添加量、海藻酸钠添加量及钙离子浓度为影响因素，在单因素实验结果的基础上，设计正交试验，以确定成膜参数，优化成膜工艺条件，并从水溶性、水蒸气透过性、抗拉伸强度、断裂延伸率等方面对膜的性质进行了综合评价，为新型可食性膜的开发提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

水溶性大豆多糖，购自上海百奥特生物科技有限公司;大豆分离蛋白(干基≥90%)，山东山松生物科技有限公司;甘油，海藻酸钠，NaOH、HCl、CaCl2、消泡剂等均为国产分析纯。

1.2 主要设备

电子天平，北京赛多利斯仪器系统有限公司;四联磁力加热搅拌器，上海硕光电子科技有限公司;数控超级恒温槽，宁波天恒仪器厂;DHG-9210A 型电热恒温鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司;微拉伸试验仪，上海一恒科学仪器有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 膜的制备［5－7］

称取一定量大豆分离蛋白和水溶性大豆多糖混匀后，按1∶20 的料水比加入适量蒸馏水，80℃水浴30 min 充分搅拌，边搅拌边加入一定量海藻酸钠、甘油、可食用消泡剂及不同浓度氯化钙溶液，20 min 后取5 mL 溶液倾入直径9 cm 培养皿内并轻轻摇匀，并水平置于60℃恒温箱内干燥24 h 后揭膜。揭下的膜放在相对湿度为52% (饱和硝酸镁溶液保持其湿度)的干燥器中，室温平衡3 d 后测定各种特性参数。

1.3.2 膜厚度的测定［8］

用游标卡尺在被测膜上随机取5 点进行测定，取平均值，单位为mm。

1.3.3 膜的水溶性测定［9］

将膜剪成50 mm ×50 mm 大小，放在烧杯中，在90 ℃恒温干燥箱中干燥至质量恒定后，加入50 mL蒸馏水使其充分溶解(约24 h)后，将水倒掉，再置于90℃烘箱中干燥至质量恒定。

式中:WS为膜的水溶性，%;m0为膜的初始质量，g ;m为膜溶解后残留杯底的质量，g。

1.3.4 膜的水蒸气透过率( water vapor permeability ，WVP) 的测定［10－12］

将待测的膜密封于装有4 g 无水CaCl2的称量瓶瓶口处，置于相对湿度83%的干燥器中(KBr 饱和溶液保持其湿度)。每24 h 称1 次称量瓶质量，持续1周。通过称量瓶质量的增加，计算得WVP。

水蒸气透过系数以式(2)表示:

式中:WVP为水蒸气透过系数，(g·mm)/(m2·d ·kPa);d为试样厚度，mm;ΔP为试样两侧的水蒸气压差，kPa;t为质量增量的2 次间隔时间，d;Δm为t时间内的质量增加量，g;A为试样透过水蒸气的面积，m2。

1.3.5 抗拉强度( tensile strength，TS) 和断裂伸长率(E) 的测定［13］

抗拉强度(TS)表征试样能承受的最大拉伸应力，断裂伸长率(E)即膜断裂时长度的变化率。测试方法按照GB13022 －1991 用微拉伸试验仪在室温下测定，采用长条型试样，试样宽度20 mm，标距150 mm，试验速度1 mm/s。

式中:TS为抗拉强度，MPa;F为膜所受拉力，N;S为膜的横截面积，m2。

式中:E为膜的断裂伸长率，%;L0为膜断裂时的长度，mm;L为膜的原始长度，mm。

1.3.6 实验设计

以大豆分离蛋白与水溶性大豆多糖的比例、甘油、海藻酸钠添加量及钙离子浓度为影响因素，并在通过感官评定单因素实验的基础上，以膜的水溶性、膜的水蒸气透过系数(WVP)、抗拉强度(TS)和断裂伸长率(E)为衡量指标，选择单因素中合适的自变量并确定自变量水平，进行4 因素3 水平L9(43)的正交试验设计，采用Minitab 软件，通过直观分析确定各因素的影响强弱并对可食性复合膜的综合性能进行评价，得到最优工艺条件。

1.3.7 可食膜综合性能评价标准［14］

该试验中大豆蛋白-多糖复合膜的评价指标共有4 项，分别是水溶性(WS)、水蒸气透过系数(WVP)、抗拉伸强度(TS)、断裂延伸率(E)。复合膜综合性能采用加权法和分段插值法进行计算。各项性能分值为:WS，15 分;WVP，20 分;TS，30 分;E，30 分，其他，5 分。各项性能评分标准如下:

(1)膜水溶性WS(15 分)。WS＜0.05%，分值15 分;0.05%≤WS＜0.08%，13 分≤分值＜15 分;0.08%≤WS＜0.11%，11 分≤分值＜13 分;0.11%≤WS＜0.14%，9 分≤分值＜11 分;0.14%≤WS＜0.17%，7 分≤分值＜9 分;0.17%≤WS＜0.20%，5分≤分值＜7 分。

(2)水蒸气透过系数WVP(20 分)。WVP＜2.0(g·mm)/(kPa·d·m2)，分值25 分;2.0(g·mm)/(kPa·d·m2)≤WS＜2.5(g·mm)/(kPa·d·m2)，18 分≤分值＜20 分;2.5(g·mm/kPa·d·m2)≤WS＜3.0(g·mm/kPa·d·m2)，16 分≤分值＜18 分;3.0(g·mm/kPa·d·m2)≤WS＜3.5(g·mm/kPa·d·m2)，14 分≤分值＜16 分;3.5(g·mm/kPa·d·m2)≤WS＜4.0(g·mm/kPa·d·m2)，12 分≤分值＜14 分;4.0(g·mm/kPa·d·m2)≤WS＜4.5(g·mm/kPa·d·m2)，10 分≤分值＜12 分。

(3)抗拉伸强度(30 分)。TS＞10.0 MPa，分值30 分;8.0MPa ≤WS ＜10.0MPa，25 分≤分值＜30分;6.0MPa ≤WS＜8.0MPa，20 分≤分值＜25 分;4.0MPa ≤WS＜6.0MPa，15 分≤分 值＜20 分;2.0MPa≤WS＜4.0MPa，10 分≤分值＜15 分;0MPa≤WS＜2.0MPa，5 分≤分值＜10 分。

(4)断裂伸长率(30 分)。E＞100%，分值30分;80%≤E＜100%，25 分≤分值＜30 分;60%≤E＜80%，20 分≤分值＜25 分;40%≤E＜60%，15分≤分值＜20 分;20%≤E＜40%，10 分≤分值＜15分;0≤E＜20%，5 分≤分值＜10 分。

(5)其他因素(5 分)。观察所成的膜的表面光滑程度，揭膜难易程度，揭膜破损情况酌情给分。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验

2.1.1 大豆分离蛋白和水溶性大豆多糖的比例对膜外观的影响

将大豆分离蛋白与水溶性大豆多糖分别按照质量比1∶1，1∶3，1∶5，1∶7，1∶9 的比例混匀后(总质量10 g)，添加200 mL 蒸馏水、3 mL 甘油、3 g 海藻酸钠、1 mL 消泡剂、1 mol/L CaCl2，按照制备复合膜的操作过程，观察不同比例对成膜的影响，结果表示如表1 所示。

由表1 可知，SPI 与SSPS 比例的不同对膜的外观影响显著，当SPI 与SSPS 的质量比为1∶1 时，膜表面极不均匀，无弹性，易碎，无法应用于指标测定;当SPI 与SSPS 的比例为1∶9 时，膜太厚并且较硬，不适宜测定。因此，选用SPI 与SSPS 的比例分别为1∶3、1∶5、1∶7 继续后续实验。

2.1.2 甘油添加量对膜外观的影响

按1∶5 的比例准确称取大豆分离蛋白和水溶性大豆多糖共10 g，添加200 mL 蒸馏水、3g 海藻酸钠、1 mL 消泡剂、1 mol/L Ca2+，按照制备复合膜的操作过程，分别添加1%，2%，3%，4%，5%的甘油进行实验，观察不同甘油添加量对成膜的影响，结果表示如表2 所示。

表2 甘油添加量对膜的外观影响Table 2 The effect of the addition amount of glycerin on appearance of the film

由表2 可知，甘油添加量的不同对膜的外观影响较大。甘油可以通过减少聚合物相邻链间的分子内相互作用而降低膜的脆性及易碎性，增加膜基质间的空隙，赋予膜一定的柔韧性［15－16］。当甘油添加量为1%时，所制得的可食膜有裂痕，无法揭膜;当甘油添加量为5%时，所制得的可食膜薄厚不均匀并且太硬，因此，选用甘油添加量分别为2%、3%、4%继续后续实验。

2.1.3 海藻酸钠添加量对膜外观的影响

按质量比1∶5 的比例准确称取大豆分离蛋白和水溶性大豆多糖共10 g，添加200 mL 蒸馏水、3 mL甘油、1 mL 消泡剂、1mol/L Ca2+，按照制备复合膜的操作过程，分别添加1%，2%，3%，4%，5%的海藻酸钠进行实验，观察不同海藻酸钠添加量对成膜的影响，结果表示如表3 所示。

表3 海藻酸钠添加量对膜的外观影响Table 3 The effect of the addition amount of sodium alginate on appearance of the film

由表3 可知，海藻酸钠添加量的不同对膜的外观影响较大。海藻酸盐是一种含聚甘露糖醛酸和聚古罗糖醛酸链段结构的天然聚合物［17］，相对分子质量较大，分子链较长，可形成一种可食性膜;由于水溶性大豆多糖黏度低，因此添加了一定量的海藻酸钠改善其黏性，当海藻酸钠的添加量分别为2%、3%、4%时，膜的综合品质较好，因此，选用海藻酸钠添加量分别为2%、3%、4%继续后续实验。

2.1.4 钙离子浓度对膜外观的影响

按1∶5 的质量比准确称取大豆分离蛋白和水溶性大豆多糖共10 g，添加200 mL 蒸馏水、3 mL 甘油、3 g 海藻酸钠、1 mL 消泡剂，按照制备复合膜的操作过程，分别添加0.5、1.0、1.5、2.0 mol/L Ca2+进行实验，观察不同Ca2+浓度对成膜的影响，结果表示如表4 所示。

表4 Ca2+浓度对膜的外观影响Table 4 The effect of the addition amount of calcium ion concentration on appearance of the film

由表4 可知，以CaCl2作为交联剂，当海藻酸钠与钙离子作用时，钙离子交联聚合链的缔合链段之间，产生了抑制水分流动的三维结构，从而使膜的水溶性降低。钙离子浓度的不同对膜的外观影响不大。从外观而言，各种钙离子浓度制得的膜相差无几，但是利用钙离子能增加多糖、蛋白质等大分子间的交联，改善膜的综合特性，提高膜的机械强度，是目前解决可食性膜强度低的有效方法［18］。

2.2 正交试验设计及结果

在单因素实验结果的基础上，选择SPI 与SSPS的质量比、甘油添加量、海藻酸钠添加量及钙离子浓度4 个因素，设计4 因素3 水平(L9(43))正交试验，考察其对复合膜水溶性、水蒸汽透过率(WVP)、抗拉强度(TS)、断裂伸长率(E)的综合影响。实验设计和实验结果分别见表5、表6。

表5 水溶性大豆多糖与大豆分离蛋白复合膜制备正交试验因素与水平表Table 5 Factors and levels of orthogonal tests

表6 水溶性大豆多糖与大豆分离蛋白复合膜制作正交试验设计及结果Table 6 Design table of orthogonal experiment and results

由表6 可知，在影响制备复合膜4 个因素中，对 复合膜水溶性的影响顺序为:Ca2+浓度(D)＞ 海藻酸钠添加量(C)＞甘油添加量(B)＞SPI 与SSPS 比例(A);复合膜的水溶性在SPI 与SSPS 比例为1∶3，甘油添加量为3%，海藻酸钠添加量为4%，Ca2+浓度为0.5 mol/L 时最低。蛋白质本身为亲水性大分子，含有较多羟基等亲水性基团，水分较容易与SPI 分子结合。甘油分子中有较多羟基，因此甘油含量越多越容易溶于水，促进了水蒸气在大豆分离蛋白膜上的迁移。对复合膜水蒸汽透过率的影响顺序为:SPI 与SSPS 比例(A)＞甘油添加量(B)＞Ca2+浓度(D)＞海藻酸钠添加量(C);复合膜的水蒸汽透过率在SPI与SSPS 比例为1∶7，甘油添加量为4%，海藻酸钠添加量为2%，Ca2+浓度为1.5 mol/L 时最低。膜的WVP 值越小，阻湿性能越好。对复合膜抗拉强度的影响顺序为:SPI 与SSPS 比例(A)＞海藻酸钠添加量(C)＞甘油添加量(B)＞Ca2+浓度(D);复合膜的水溶性在SPI 与SSPS 比例为1∶7，甘油添加量为4%，海藻酸钠添加量为2%，Ca2+浓度为1.0 mol/L 时最大。对复合膜断裂伸长率的影响顺序为:SPI 与SSPS比例(A)＞海藻酸钠添加量(C)＞甘油添加量(B)＞Ca2+浓度(D)。复合膜的水溶性在SPI 与SSPS 比例为1 ∶7，甘油添加量为4%，海藻酸钠添加量为2%，Ca2+浓度为1.0 mol/L 时最大。Ca2+的添加对大豆分离蛋白膜的E 值影响很大，主要是因为Ca2+的加入影响膜的脆度，从而影响膜的断裂伸长率。甘油的添加对E 值影响也很大，这主要是甘油的加入减少了蛋白分子之间的相互作用，软化了膜的刚性结构，使膜内部的网络结构变得疏松，增加了链的流动性［19］。

2.3 可食膜综合性能评价

采用加权法对可食性复合膜的综合性能进行评价，结果见表7。

由表7 可知，SPI 与SSPS 复合膜综合性能最佳的配方工艺为:SPI∶SSPS 的比例为1∶7，甘油添加量为2%，海藻酸钠添加量为4%，Ca2+浓度为1.0 mol/L。此条件下复合膜的综合性能评分最高，达67.8。极差分析结果显示，影响复合膜综合性能的因素的影响程度从高到低依次为:SPI 与SSPS 的比例、海藻酸钠添加量、甘油添加量、Ca2+浓度。罗丽娟［14］等研究了湿法工艺制备可食性大豆分离蛋白膜，认为在SPI质量分数为5.0%，pH 值为10，温度为90℃时得到的膜综合性能最佳。在该条件下制备的膜的抗拉强度为3.19 MPa，WVP为17.51 (g·mm)/(m2·d·kPa)。任红［5］等研究了凝胶多糖与大豆分离蛋白可食性复合膜的制备，认为在干燥温度为50℃，SPI 浓度为2.0%，凝胶多糖浓度为1.2%，甘油浓度为1%时所得膜具有较好的抗拉强度和阻湿性能，在该条件下制备的膜的抗拉强度为13.34 MPa，水蒸气透过系数为3.24(g·mm)/(m2·d·kPa)。本文以大豆分离蛋白和水溶性大豆多糖2 种材料复合制备的可食性膜比单一大豆分离蛋白制备的可食膜具有更高的抗拉强度和较好的阻湿性，其抗拉强度为6.416 MPa，WVP为2.8912(g·mm)/(m2·d·kPa)，但抗拉强度较之于凝胶多糖与大豆分离蛋白可食性复合膜则较低。综上所述，以大豆分离蛋白和水溶性大豆多糖为成膜基材的可食性复合膜具有良好的阻湿性能，可以根据其特征，将其作为食品的内包装应用在速食方便面调料包、速溶咖啡等领域。

表7 复合膜综合性能正交试验结果分析Table 7 Comprehensive evaluation results of the composite film

3 结论

本文以制备性能良好的大豆分离蛋白-水溶性大豆多糖可食性复合膜为目标，考查了大豆分离蛋白与水溶性大豆多糖的比例、甘油、海藻酸钠添加量及Ca2+浓度等影响因素，通过单因素与正交实验对成膜配方进行研究，并从水溶性、水蒸气透过性、抗拉伸强度、断裂延伸率等方面对膜的性质进行了综合评价。结果表明:对SPI-SSPS 复合膜综合性能影响因素的显著程度为:SPI∶SSPS (A)＞海藻酸钠添加量(C)＞甘油添加量(B)＞Ca2+浓度(D)，最佳的配方为:SPI∶SSPS 的质量比为1∶7，甘油添加量为2%，海藻酸钠添加量为4%，Ca2+浓度为1.0 mol/L。此条件下复合膜的综合性能评分最高，达67.79。

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