增塑剂优化及对玉米蛋白膜拉伸强度与表观的影响

王大为，张婷婷，刘鸿铖，崔海月

(吉林农业大学食品科学与工程学院，吉林 长春 130118)

玉米蛋白粉(corn gluten meal，CGM)是玉米湿法生产淀粉的副产物[1]。玉米醇溶蛋白占玉米蛋白粉的65%，是玉米中主要贮藏蛋白[2]，易溶于60%～95%乙醇[3-4]。玉米醇溶蛋白由大量的非极性氨基酸组成，因而玉米醇溶蛋白具有较强的疏水性。玉米醇溶蛋白分子间以疏水键、氢键和二硫键连接在一起，易于形成薄膜[5-6]。单一的玉米醇溶蛋白形成的薄膜，虽然具有透明度高、隔氧、防潮等优点[7]，但其机械性能较差，如脆性强、易断裂，柔韧性差，不符合食品包装需要，严重影响了其实际应用价值[8]。为了改善玉米醇溶蛋白膜的机械性能，常采用增塑剂如多羟基化合物、糖类、脂肪酸等[9]。山梨醇具有亲水性，其—OH可与玉米醇溶蛋白分子以氢键结合，提高膜的机械性能，山梨醇的吸湿性还使膜结合更多的水分子，提高膜的柔韧度[10]。半乳糖能使膜与水接触角增大，增加膜表面张力，提高膜的机械性能[11]。油酸和玉米醇溶蛋白分子都是疏水性物质，制膜时油酸分子可介入到玉米醇溶蛋白分子之间，减弱玉米醇溶蛋白分子间的应力而使膜变得柔韧[12]。3种增塑剂从不同的方面改善蛋白膜的机械性质。本研究采用响应面分析了复合增塑剂组成及用量对玉米醇溶蛋白膜拉伸强度的影响，并用扫描电镜观察蛋白膜的表面结构，确定最佳复合增塑剂用量，为玉米醇溶蛋白在可食性食品包装材料方面的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玉米醇溶蛋白粉 实验室自制。

无水乙醇(分析纯) 北京化工厂；半乳糖(食品级)、山梨醇(食品级) 上海迈潮有限公司；油酸(分析纯) 天津市光夏精细化工研究所。

1.2 仪器与设备

JJ500型精密电子天平 美国双杰兄弟(集团)有限公司；101A-2E型数显式电热鼓风干燥箱 上海实验仪器厂有限公司；PHS-3BW型电脑数显酸度计 上海理达仪器厂；SSX-550扫描电子显微镜 日本岛津公司；TA-XT2i性物性仪 Stable Micro Systems；螺旋测微计 香港丰量国际集团有限公司。

1.3 方法

1.3.1 玉米醇溶蛋白膜制备及工艺流程

取玉米醇溶蛋白粉2.00g，用80%乙醇溶液配制成为10g/mL的玉米蛋白醇膜溶液，加入复合增化剂，调节膜液pH8后，60℃恒温、300r/min条件磁力搅拌30min，脱气消泡后，浇入聚丙烯盘上，于50℃干燥2h，起膜，置于室温环境下(相对湿度50%)平衡48h后用于膜性机械能测试。

1.3.2 玉米醇溶蛋白膜机械性能测定[13]

1.3.2.1 拉伸强度(TS)

式中：TS为膜的拉伸强度/MPa；P为断裂负荷/N；b为膜的宽度/mm；d为膜的厚度/mm。

1.3.2.2 断裂伸长率(E)

式中：E为膜的断裂伸长率/%；L1膜断裂后的长度/mm；L0膜断裂前的长度/mm。

1.3.3 复合增塑剂各组分用量对玉米蛋白膜机械性能影响的单因素试验

1.3.3.1 山梨醇用量对玉米醇溶蛋白膜拉伸强度的影响

玉米醇溶蛋白2.00g、半乳糖用量0.25g/g pro、油酸用量0.30g/g pro，考察山梨醇用量分别为0.10、0.15、0.20、0.25、0.30g/g pro时，对玉米醇溶蛋白膜拉伸强度的影响。

1.3.3.2 半乳糖用量对玉米醇溶蛋白膜拉伸强度的影响

玉米醇溶蛋白2.00g、山梨醇用量0.20g/g pro、油酸用量0.30g/g pro，半乳糖用量分别为0.05、0.10、0.15、0.20、0.25g/g pro时，对玉米醇溶蛋白膜拉伸强度的影响。

1.3.3.3 油酸用量对玉米醇溶蛋白膜拉伸强度的影响

玉米醇溶蛋白2.00g、山梨醇用量0.20g/g pro、半乳糖用量0.20g/g pro，油酸用量分别为0.10、0.20、0.30、0.40、0.50g/g pro时，对玉米醇溶蛋白膜拉伸强度的影响。

1.3.4 增塑剂用量的Box-Behnken试验设计

在单因素试验的基础上，根据Box-Behnken试验设计原理[14-15]，设计3因素3水平响应面试验，选取山梨醇用量(A)、半乳糖用量(B)、油酸用量(C)为自变量，玉米醇溶蛋白膜拉伸强度为响应值，试验因素水平见表1。

表 1 Box-Behnken试验设计因素水平及编码Table 1 Coded values of Box-Behnken design

1.4 数据处理

采用Design Expert 7.0.0软件处理，并进行显著性分析。

1.5 玉米醇溶蛋膜表面结构扫描电子显微镜图析

利用溅射镀膜法对含不同增塑剂组分的玉米醇溶蛋白膜表面进行镀金，然后置于扫描电子显微镜下观察，工作条件为：加速电压(AccV)为15kV，电子束(Probe)为4.0，放大倍数(Mag)为500倍和5000倍，工作距离(WD)为17mm和18mm，探头(Det)为二次电子检测器(SE)[16]。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 山梨醇用量对玉米醇溶蛋白膜拉伸强度的影响

图 1 山梨醇用量对玉米醇溶蛋白膜的拉伸强度的影响Fig.1 Effect of sorbitol concentration on the tensile strength of zein films

由图1所示，随着山梨醇用量增加，玉米醇溶蛋白膜拉伸强度有所增大，当山梨醇用量大于0.20g/g pro时，膜的拉伸强度呈下降趋势。山梨醇的用量和玉米醇溶蛋白分子间作用力有关，当山梨醇用量较小时，山梨醇和玉米醇溶蛋白分子以氢键结合，软化膜的刚性结构[17-18]，增加柔韧性，提高膜的拉伸强度；当山梨醇用量在0.20g/g pro时，山梨醇与玉米醇溶蛋白充分结合，联系密切，使膜的拉伸强度最大；当山梨醇用量继续增加，膜体系中—OH过多，结合水分子增加，阻碍玉米醇溶蛋白分子间结合，使膜的拉伸强度下降。

2.1.2 半乳糖用量对玉米醇溶蛋白膜拉伸强度的影响

图 2 半乳糖用量对玉米醇溶蛋白膜的拉伸强度的影响Fig.2 Effect of galactose concentration on the tensile strength of zein films

由图2所示，随着半乳糖用量增大，玉米醇溶蛋白膜拉伸强度增加，半乳糖用量大于0.20g/g pro时，膜的拉伸强度呈下降趋势。半乳糖用量和玉米醇溶蛋膜表面张力有关，当半乳糖用量较小时，能提高玉米醇溶蛋白膜与水分子的接触角，使膜表面张力增大[11]，并结合少量水分子，软化膜的刚性，增加膜的柔韧性，提高膜的拉伸强度；当半乳糖用量过大时，玉米醇溶蛋白膜与水的接触角过高，使膜表面张力过大，结合大量水分子，阻碍玉米醇溶蛋白分子间结合，玉米醇溶蛋白膜的拉伸强度减小。

2.1.3 油酸用量对玉米醇溶蛋白膜拉伸强度的影响

图 3 油酸用量对玉米醇溶蛋白膜的拉伸强度的影响Fig.3 Effect of oleic acid concentration on the tensile strength of zein films

由图3可知， 随着油酸用量的增大，玉米醇溶蛋白膜的拉伸强度增加，当油酸用量大于0.30g/g pro时，膜拉伸强度开始下降。当油酸用量较小时，油酸分子介入玉米醇溶蛋白分子间，增加玉米醇溶蛋白分子相对移动，减弱醇溶蛋白结晶趋势，增加膜的柔韧性[12,19]，提高膜的拉伸强度；当油酸用量过大时，过量的油酸分散于玉米醇溶蛋白分子间，阻碍玉米醇溶蛋白分子间结合，使膜的拉伸强度减小。

2.2 复合增塑剂各组分用量优化

2.2.1 响应面法优化试验结果

在单因素试验基础上，选取山梨醇用量(A)、半乳糖用量(B)、油酸用量(C)为自变量，玉米醇溶蛋白膜拉伸强度为响应值，根据三因素三水平的响应面试验设计，共建立17个试验点，其中12个为析因点、5个为零点，零点试验进行5次。试验设计方案及结果见表2。

表 2 Box-Behnken试验设计与结果Table 2 Box-Behnken design and experimental results

2.2.2 回归模型的建立与显著性分析

利用Design Expert 7.0.0软件对表2试验数据进行二次多元回归拟合分析，得到玉米醇溶蛋白膜的拉伸强度(Y)对山梨醇用量、半乳糖用量和油酸用量3个因素的二次多项式回归模型为：Y=16.67－0.62A－1.11B＋0.23C－0.13AB－0.84AC－0.61BC－1.58A2－1.01B2－1.64C2。二次多项式回归模型分析结果见表3。

表 3 拟合二次多项式模型的方差分析Table 3 Analysis of variance (ANOVA) for the fitted quadratic polynomial model

从表3可知，模型的P值小于0.01，说明Y与A、B和C的回归方程的关系是极显著的，所以模型极显著，并与实际试验拟合较好。本试验中模型决定系数R2=0.9848，校正系数RAdj2=0.9652，说明玉米醇溶蛋白膜拉伸强度的试验值与模型的回归值有较好的一致性，即模型能够解释各因素与响应值的变化关系。失拟项F=5.06，P=0.0757＞0.05，不显著，说明该模型拟合程度较好，即回归方程能充分反映实际情况。因此，可以用此模型来分析和预测复合增塑剂对玉米醇溶蛋白膜拉伸强度的影响。回归方程各项的方差分析结果表明各因素对玉米醇溶蛋白膜的拉伸强度影响强弱顺序为：半乳糖用量＞山梨醇用量＞油酸用量。其中，A、B、A2、B2、C2、AC、BC对玉米醇溶蛋白膜拉伸强度的影响极显著。

2.2.3 响应面分析结果

利用Design Expert 7.0.0软件对表2试验数据进行二次多元回归拟合，得到的回归方程的响应面及其等高线图如图4所示。

图 4 各因素交互作用对玉米醇溶蛋白膜拉伸强度影响的响应面及等高线图Fig.4 Response surface and contour plots showing the effect of pairwise interaction among different factors on zein films

图4a所示，在响应面图中，当油酸用量固定在零水平时，随着半乳糖用量的增多，蛋白膜拉伸强度呈现先上升后下降的趋势；随着山梨醇用量的增加，膜拉伸强度变化也呈现先上升后下降的趋势。在半乳糖用量0.15～0.18g/g pro、山梨醇用量0.18～0.20g/g pro时，膜的拉伸强度出现最大值。等高线呈圆形，说明山梨醇用量与半乳糖用量交互作用不显著。图4b所示，当半乳糖用量固定在零水平时，在油酸用量0.3～0.35g/g pro、山梨醇用量0.18～0.20g/g pro时，膜拉伸强度出现最大值。等高线呈椭圆形，表明山梨醇用量与油酸用量交互作用显著，而且山梨醇用量对膜拉伸强度的影响较油酸用量的影响明显。图4c所示，当山梨醇用量固定在零水平时，随着半乳糖用量的增多，膜的拉伸强度呈现先上升后下降的趋势；随着油酸用量的增加，膜的拉伸强度也呈现先上升后下降的趋势。在半乳糖用量0.15～0.18g/g pro、油酸用量0.3～0.35g/g pro时，膜的拉伸强度出现最大值。等高线呈椭圆形，说明油酸用量与半乳糖用量交互作用显著。

2.2.4 复合增塑剂优化组合及验证

为进一步确定最佳参数，对拟合的回归方程分别求一阶偏导数，得A=－0.103、B=－0.297、C=0.214，即最佳参数为：山梨醇用量0.19g/g pro、半乳糖用量0.17g/g pro、油酸用量0.32g/g pro，玉米醇溶蛋膜拉伸强度理论值为17.10MPa。实际测得玉米醇溶蛋膜拉伸强度为16.95MPa，比理论预测值低0.88%，该模型对实验结果具有较好的预测性。

2.3 不同增塑剂获得的玉米醇溶蛋白膜扫描电镜图比较与分析

表 4 不同玉米醇溶蛋白膜增塑剂配方和膜机械性能Table 4 Plasticizer fomulations and their influence on the mechanical properties of zein films

图 5 玉米蛋白膜扫描电镜图Fig.5 SEM images of zein films

增塑剂与蛋白质分子间作用力形式及强弱影响其成膜性及膜的致密性和均匀程度，而适当致密、均匀的蛋白膜网状结构可改善蛋白膜的性能[20-21]，高品质膜表面光滑，较少有孔隙、凸起和缝隙[22]。由表4和扫描电镜图5可以看出不同增塑剂对蛋白膜表面结构具有较大影响。样品a为无添加增塑剂，采用玉米醇溶蛋白单一成分制备的玉米蛋白膜，在放大500倍时，结构非常紧密并表面光滑，没有凸起和孔隙；放大5000倍时，可以清晰观察膜表面没有任何凸起和孔隙，光滑、紧密，但膜刚性强、质地较脆、易断裂，拉伸强度仅为5.72MPa，无实际应用意义。样品b在放大500倍时，膜表面较光滑，微观结构较为紧密，有少量凸起，没有孔隙和缝隙；放大5000倍时，虽然有少量孔隙，但均小于2μm，膜表面较光滑，拉伸强度为16.95MPa，约为单纯玉米醇溶蛋白膜拉伸强度的3倍；断裂伸长率为2.68%，是单纯玉米醇溶蛋白膜的1.6倍。样品c在放大500倍时，微观结构松散、表面粗糙，出现缝隙，缝隙大于20μm；放大5000倍时，能清楚看到蛋白分子间出现较大缝隙；其主要原因是山梨醇用量过多，在成膜过程中玉米醇溶蛋白分子间吸收了大量的水分，在干燥过程中水分蒸发，致使膜表面出现缝隙、拉伸强度较样品b的1/3。较多使用油酸的样品d在放大500倍时，表面较为光滑，微观结构出多孔状，孔隙小于20μm，放大5000倍时，可以清楚看到膜表面孔隙大于2μm，孔隙边缘较为光滑，表面有油酸析出，拉伸强度约为样品b的1/2。半乳糖使用量较大的样品e在放大500倍时，微观结构呈多层片状、表面粗糙，放大5000倍时，表面结构依然粗糙，出现孔隙，孔隙在2μm左右，拉伸强度较样品样品b大幅度降低。对照样品f在放大500倍时，膜表面光滑，并且微观结构紧密，有少量的凸起；放大5000倍时，可以清楚看到凸起小于2μm；样品b的拉伸强度及断裂伸长率皆为对照样的1.2倍，即对照样f的抗拉伸和抗断裂能力均不及样品b。Ghasemlou等[23]经实验发现，甘油能使膜表面更光滑，粗糙度降低，但山梨醇在改善膜的拉伸强度方面优于甘油。Ghanbarzadeh等[24]曾在实验中，10%玉米醇溶蛋白液中分别加入甘油和橄榄油为0.3g/g和0.7g/g，250r/min搅拌30min，经测量得拉伸强度和断裂伸长率如图6、7所示。甘油玉米醇溶蛋白膜断裂伸长率与样品b相接近，但样品b拉伸强度比甘油玉米醇溶蛋白膜有显著提高。橄榄油玉米醇溶蛋白膜断裂伸长率和拉伸强度均比样品b明显降低。

图 6 几种玉米醇溶蛋白膜的拉伸强度Fig.6 Tensile strength of films based on zein from different sources

图 7 几种玉米醇溶蛋白膜的断裂伸长率Fig.7 Elongation at break of films based on zein from different sources

3 结 论

3.1 采用响应面法优化复合增塑剂各组成成分配比，并考察其对玉米蛋白膜拉伸强度的影响，复合增塑剂最佳配比为山梨醇用量0.19g/g pro、半乳糖用量0.17g/g pro、油酸用量0.32g/g pro，以此制备的玉米蛋白膜拉伸强度为16.95MPa，断裂伸长率为2.68%。

3.2 采用山梨醇、半乳糖、油酸制备的复合增塑剂成膜性及制备的蛋白膜表面性能优于采用甘油和油酸组成的增塑剂制备的蛋白膜，膜拉伸强度增大，抗断裂能力增强，膜表面结构光滑，柔韧度较好，具有实际应用价值。

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