干燥条件对大豆分离蛋白膜理化性能的影响

刘培成，田少君，马 燕，胡 思

（河南工业大学 粮油食品学院，河南 郑州 450001）

0 前言

分子合成塑料的广泛应用及对环境的危害促使人们寻找可降解材料，农业衍生聚合物如蛋白质和多糖，在某些领域可代替合成塑料，并可制得具有更高附加值的农业产品，如食品包装[1-4].与其他植物蛋白源相比，以大豆蛋白为原料的膜更加柔韧、光滑和透明[5-6].大豆蛋白膜通常用浇铸法制作，将成膜溶液倾倒于一定形状规格的模具里，而后固化干燥成膜.对于蛋白膜，适用的干燥方式有微波干燥、真空干燥、红外干燥、加热干燥等.

尽管国内外学者已对食用蛋白膜做了大量的研究，但就干燥条件对其影响的研究较少.可食用膜干燥时，膜的最终含水率对其性能影响较大，因此，研究干燥条件的影响时需控制膜的含水率.在干燥期间，当水分逐渐减少，蛋白质的构象就发生变化，蛋白质展开的程度决定其共价键（S—S 键）和非共价键（疏水键、氢键、离子键）的比例.当蛋白质变性时，链可以更强烈、更容易相互作用，特别是二硫键.因此，最终由这些键能提供的凝聚力所形成的网络将决定膜的性能.

Gennadio 等[7]研究表明，热固化可以改善大豆蛋白膜的水分阻隔性.Perez-Gago 等[8]报道，热变性乳清蛋白膜比普通膜具有更高的拉伸性.其他人的研究表明：热固化改善了各种蛋白质的韧性和抗湿性[9-10].Jiang 等[11]报道经转谷氨酰胺酶处理的大豆分离蛋白膜的机械性能随干燥温度的改变而改变.Jangchud 等[12]研究了干燥温度对花生蛋白膜的影响：机械性能随温度的升高而增强，而阻水性和阻氧性随温度升高而减弱.Alcantara 等[13]验证了提高干燥效率可以改善乳清蛋白膜的强度和阻隔性.然而，Menegalli 等[14]却发现明胶膜的结果是不同的，高相对湿度和温度条件下干燥导致凝胶融化、相分离以及干燥速率下降.

目前实验室大多采用自然风干法成膜，但干燥时间较长，膜的性能受自然环境影响较大.本试验采用鼓风加热、水浴加热、真空加热3 种方式，控制不同条件，研究干燥条件对SPI 膜机械性能、水蒸气阻隔性能、水溶性和微结构的影响，以期为提高蛋白膜制备过程中的干燥效率提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

大豆分离蛋白：安阳漫天雪蛋白有限公司；甘油（分析纯）：天津市化学试剂有限公司；油酸（分析纯）、L-半胱氨酸（分析纯）：天津市科密欧化学试剂有限公司；氢氧化钠（分析纯）：洛阳市化学试剂厂.

1.2 仪器与设备

HJ-3 型恒温磁力搅拌器：江苏医疗器械厂；PHS-3C 型精密pH 计：上海大普仪器有限公司；傅里叶红外光谱仪：NICOLET 公司（美国）；TA.XT2 Texture Analyzers：英国SMS；2300 Kjeltec Analyzer Unit：瑞典福斯特瓦托公司；FA25 高剪切分散乳化机：FLUKO 公司；电热真空干燥箱：天津泰斯特仪器公司；GZX-9240 MBE 电热鼓风干燥箱：上海博迅实业有限公司医疗仪器厂；螺旋测微仪：河北黄华市振兴仪器厂；FA2004 电子天平：上海精科天平；仪表恒温水浴锅：上海树立仪器仪表有限公司；PhenomTMG2 Pro 飞纳台式扫描电镜：复纳科学仪器（上海）有限公司.

1.3 方法

1.3.1 膜的制备[15]

16 g 大豆分离蛋白+200 mL 水→搅拌→加入6.4 g 甘油+1.6 g 油酸+0.16 g L-半胱氨酸→磁力搅拌5 min →加入2 mol/L 的氢氧化钠调pH 至11→80 ℃水浴锅中反应30 min→均质→真空脱气10 min→冷却→浇注在PP 材质的盘子中→在不同的干燥条件下成膜.

1.3.2 干燥条件的选择

选择真空干燥，鼓风加热，水浴加热3 种干燥方式，温度控制为30、40、50、60、70 ℃.

1.3.3 厚度的测定

通过控制浇注成膜液的量，膜厚度控制在0.1 mm 左右.在膜上选取对称4 个点及中心共计5 个点，使用螺旋测微仪测定厚度，重复3 次，并取其平均值.

1.3.4 机械性能的测定[16]

将膜裁成50 mm×10 mm 大小后，将其置于物性仪探头上，设定初始夹距为30 mm.测定最大拉伸距离和最大拉力，膜的TS 和E 计算公式如下：

式中：F 为最大拉力，N；S 为横截面积，m2；L0为膜样品的长度，mm；L1为断裂时长度，mm.

1.3.5 水溶性的测定[12]

取适量蛋白膜，将其在105 ℃下干燥24 h，准确称其质量m1，然后放在蒸馏水中室温溶解48 h，再取出蛋白膜并在105 ℃下干燥24 h，准确称其质量m2，计算其水溶性.

1.3.6 水蒸气透过率的测定

取测定过的蛋白膜，用其密封装有蒸馏水的称量瓶，然后放置干燥器中，在（25±1）℃下每隔24 h 对称量瓶称质量，连续称量7 d.

式中：WVP 为水蒸气透过率，g·mm·（m2·d·kPa）-1；△W 为质量差，g；t 为时间，h ；A 为瓶口面积，m2；h 为膜的厚度，mm；△P 为试样两侧的水蒸气压差，3.169 kPa.

1.3.7 傅里叶变换红外光谱的分析[17]

将1～2 mg 蛋白膜样品在研钵中与200 mg 溴化钾充分研磨，研磨粒度小于2 μm，然后压成透明薄片.傅里叶红外光谱仪在波数500～4 000 cm-1范围内测出其吸收峰的变化.

1.3.8 扫描电镜的分析

采用扫描电镜对蛋白膜的横截面拍摄照片，并对其结构进行分析.

2 结果与分析

2.1 原料成分分析

SPI 各组分含量如表1 所示.

表1 SPI 成分 %

2.2 不同干燥条件成膜时间的确定

成膜液在不同的条件下干燥，控制干燥完成的蛋白膜水分含量在（16±1）%，其中真空加热下真空度为0.095 MPa.如表2 所示，可以看出，真空加热干燥时间较长，30 ℃时甚至需要11.25 h.

表2 不同干燥条件下的干燥时间 h

2.3 不同干燥条件对SPI 膜机械性能的影响

不同干燥条件对SPI 膜抗拉强度和膜延展率的影响见图1 和图2.

图1 不同干燥条件对SPI 膜抗拉强度的影响

图2 不同干燥条件对SPI 膜延展率的影响

由图1 可知，水浴加热和鼓风加热条件下，随着温度的升高，SPI 膜的抗拉强度呈先增强后减弱的趋势，在60 ℃时达到最高，而真空条件下的蛋白膜TS 呈先下降后上升趋势，在40 ℃时最小，到60 ℃和70 ℃时又趋于平缓.真空加热和水浴加热方式下，60 ℃时的蛋白膜TS 几乎一样且都高于鼓风加热方式.由图2 可知，3 种条件下的蛋白膜延展率呈先升高后平缓再上升趋势，30 ℃时，真空加热方式下的蛋白膜延展率比其他两种方式要高，而40～70 ℃时，水浴加热方式的蛋白膜延展率则更高，且3 种干燥方式下的蛋白膜延展率升高不明显.

蛋白膜干燥的机理可认为是各基团、键交联固化的化学干燥和溶剂逐渐蒸发的物理干燥过程的结合，在干燥的过程中，溶剂蒸发，各组分间反应变为三维聚合物，随后组分运动性能降低，反应速率也下降，甚至停止[18].从30～60 ℃，随着温度的升高，膜液黏度下降，分子运动加剧，通过氢键、二硫键等的结合形成有序、稳定的立体网络结构，宏观上表现出机械性能的提高[19].随着温度的继续升高，蛋白质分子过度变性，分子链被打坏，且溶剂挥发过快，在成膜组分充分结合之前过早的固定下来，导致膜的性能降低[20].

对于不同的干燥方式，其传热方式也不同.真空条件下，以辐射传热为主，热传递较慢；水浴加热则主要是传导加热；而鼓风加热是对流和热辐射加热的结合.有研究表明，自然风干的蛋白膜，由于溶剂挥发较慢，环境温和，有助于氢键、二硫键等的充分形成，其机械性能较好.采取同样的前序工艺，在室温下自然风干48 h 的蛋白膜TS 为（5.59±0.3）MPa，E 为（297.71±20）%，结合图1 和图2 可以看出，不同温度下，3 种干燥方式下的蛋白膜机械性能各有优劣，其中，水浴70 ℃下的膜TS 和E 与自然风干的最为接近，并且可节约较长时间，提高干燥效率，而综合比较干燥时间、60 ℃和70 ℃下TS 和E 的差异，选取水浴60 ℃加热的干燥条件最好.

2.4 不同干燥条件对SPI 膜水蒸气透过率的影响

综合SPI 膜的抗拉强度和延展率，比较水浴60 ℃、鼓风60 ℃、真空70 ℃和室温风干条件下的膜的WVP.由图3 可知，总体上不同干燥方式对SPI 膜WVP 影响较小.相对于室温条件下，水浴加热所得蛋白膜的WVP 较高，可能是因为水浴周围环境湿度更大，大分子聚合物片段排列较紊乱，有较多的自由—OH 亲水基团，较有利于吸附水分子，宏观上表现出较强的吸湿性，因此水分更容易穿过[21].

图3 不同干燥方式对SPI 膜WVP 的影响

2.5 不同干燥条件对SPI 膜水溶性的影响

同样，取机械性能较好的3 种膜与室温下的比较，由图4 可知，水浴60 ℃和鼓风60 ℃干燥条件下的SPI 膜水溶性和室温下的差异较小，真空70 ℃条件下膜水溶性则比较低.在可食用蛋白膜作为方便食品中油料外包装时，考虑到需要较好的水溶性，因此，比较几种干燥条件，选择水浴60℃和鼓风60 ℃两种较为合适.

图4 不同干燥方式对SPI 膜水溶性的影响

2.6 傅里叶变换红外光谱分析

取真空70 ℃、水浴60 ℃和室温风干3 种干燥条件下的SPI 膜，利用傅里叶变换红外光谱对其分析，结果如图5 所示.

图5 不同SPI 膜的红外扫描图谱

由图5 可看出，在3 400 cm-1左右可明显观察到吸收峰，该峰被认为是—OH 的延伸，室温条件下更加尖锐，可能是因为室温风干干燥时间较长，分子间氢键结合得更充分.C＝O 的特征峰接近1 650 cm-1，分子重排使成膜后该峰相当明显，而水浴60 ℃下的峰更尖锐，可能此条件使得分子重排更加剧烈，成膜后蛋白空间结构更完整紧凑[22].

2.7 扫描电镜分析

对水浴60 ℃加热条件和室温风干条件下的SPI 膜的横截面进行扫描电镜分析，由图6 可看出，水浴60 ℃加热条件下获得的膜较为致密，室温下的膜有较多的裂纹和破碎，可能是温度的升高使蛋白质分子以及各组分之间的运动更剧烈，交联得更均匀，因此室温下获得的膜的TS 较小.由图6 还可看出，水浴条件下的膜有较多的小孔，因此其WVP 比室温下的要高一些.

图6 室温风干条件（a）和水浴60 ℃加热条件（b）下获得的SPI 膜的横截面的SEM（×2 000）

3 结论

水浴60 ℃加热和真空70 ℃加热的干燥条件下获得的SPI 膜具有较好的机械性能，且抗拉强度优于室温风干条件下的；3 种方式对SPI 膜的水蒸气透过率影响差异不明显；真空70 ℃条件下的SPI 膜具有较低的水溶性.以机械性能为最主要指标，考虑到干燥时间以及能源问题，真空条件较难实施及成本较高，因此，干燥条件选择水浴60 ℃加热为最好.

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