甘油含量对玉米醇溶蛋白膜储藏稳定性的影响

崔和平，孙小红，郑 慧，崔会娟，郭丽敏，郭兴凤

（河南工业大学 粮油食品学院，河南 郑州 450001）

0 引言

绿色环保材料的开发是日前研究的热点.蛋白质是天然的高分子化合物，以蛋白质制得的膜材料可再生、无污染，而且具有可食性.玉米醇溶蛋白（zein）是玉米主要的储藏蛋白，疏水性高，具有很强的耐热性和耐脂性，肠溶性和抗氧化特点也比较显著[1]，成膜性非常好.玉米醇溶蛋白特殊的分子形状和结构决定了其制得的膜材料透明、光滑，并且具有较强的保水性和保油性[2].玉米醇溶蛋白膜包装油脂或者高含油的干果食品，还具有较好的抗氧化效果，因此是比较理想的可食性包装材料.

纯的玉米醇溶蛋白膜质地较脆，增塑剂的加入可以有效改善膜的机械性能[3-4].多元醇类作为增塑剂，能够破坏蛋白质分子间的相互作用，进入蛋白网状结构，同时可以与水分子结合，弱化蛋白膜的强度[4-6]，蛋白质-蛋白质相互作用被蛋白质-多元醇相互作用取代[7]，此时蛋白交联网络疏松，蛋白膜刚度大大降低.甘油具有很好的增塑效果，并且安全无毒，是可食性蛋白膜理想的增塑剂[8].甘油具有较强的亲水性，容易与水分子形成氢键.当蛋白膜中甘油添加量较高时，甘油会吸收环境中的水分，水分进入蛋白膜中也会起到增塑的效果，此时膜的体积会发生一定程度的膨胀，更强烈地影响蛋白膜的机械性能[9].在蛋白膜的储存过程中，甘油在不同的阶段产生的作用不完全一致，可能会影响蛋白膜性能的稳定性.蛋白膜的稳定性差直接限制了其作为食品内包装的应用，因此研究不同甘油添加量的蛋白膜的储藏稳定性有比较重要的意义.已有学者针对甘油对蛋白膜理化性质的影响进行了研究[10-11]，但是甘油对玉米醇溶蛋白膜稳定性的影响研究较少.作者将玉米醇溶蛋白膜在3 个环境温度水平下储藏24 d，以膜的抗拉强度和断裂延伸率为测定指标，揭示其储藏稳定性的规律.

1 材料与方法

1.1 材料

玉米醇溶蛋白粉（蛋白质含量91.2%，N×6.25）：南京都莱生物技术有限公司；无水乙醇：天津市天力化学试剂有限公司；丙三醇：天津市瑞金特化学品有限公司；碳酸钾：天津市科密欧化学试剂有限公司，均为分析纯.

1.2 仪器与设备

AY-120 电子分析天平：日本岛津天平制作所；81-2 型磁力搅拌器：上海市司乐仪器有限公司；HH-2 型电热恒温水浴锅：金坛市华峰仪器有限公司；101 型电热鼓风干燥箱：北京市永光明医疗仪器厂；HZQ-F160 全温振荡培养箱：哈尔滨市东联电子技术开发有限公司；螺旋测微器（0.001 mm）：上海量具刃具厂；TA.XT2i 质构测定仪：英国SMS有限公司.

1.3 试验方法

1.3.1 玉米醇溶蛋白膜的制备

称取5.32 g 的玉米醇溶蛋白粉3 份，分别置于55 mL 的75%乙醇溶液中.利用磁力搅拌器将蛋白溶液搅拌混合均匀，分别添加0.2、0.3、0.4 g/g（甘油与玉米醇溶蛋白质量比）甘油作为增塑剂，继续搅拌20 min，80 ℃恒温水浴加热15 min，接着搅拌15 min.然后取16 mL 蛋白液（蛋白质含量为1.56 g）涂于成膜托盘（密胺材质，涂膜面积130 mm×130 mm）上水浴加热成膜，成膜温度为70 ℃，2 h 后揭膜.

1.3.2 蛋白膜的储藏

制备的玉米醇溶蛋白膜置于相对湿度为43%的干燥器中（干燥器内置K2CO3饱和溶液），平衡72 h 后第一次测定膜的机械性能，储藏环境和平衡环境一致，即湿度为43%，温度设定为5 ℃、常温和35 ℃.温度的调节通过冰箱和恒温生化培养箱实现.玉米醇溶蛋白膜储藏24 d，每6 d 测定一次机械性能.

1.3.3 蛋白膜的取样及其厚度的测定

选取玉米醇溶蛋白膜光滑、均匀的部分，裁出10×50 mm 的样品，对称选取8 个点测量厚度，取其平均值.

1.3.4 蛋白膜机械性能的测定

用物性仪对膜样进行机械性能的测定.采用A/TG 探头，设置有效拉伸长度为30 mm，测试速率为1.0 mm/s，每个样品平行测定3 次，试验数据表示为：平均值±标准偏差，抗拉强度（TS）和断裂延伸率（EB）的计算公式为：

式中：TS 为抗拉强度，MPa；F 为最大拉力，N；δ 为膜样品的厚度，mm；W 为膜样品的宽度，mm.

式中：EB 为断裂延伸率，%；L0为膜拉伸前的有效长度，mm，本试验中膜样有效长度为30 mm；L1为膜断裂时拉伸的长度，mm.

2 结果与分析

2.1 5 ℃储藏的玉米醇溶蛋白膜的稳定性

图1 和图2 表示了储藏在5 ℃环境下不同甘油添加量的蛋白膜机械性能的变化情况.从应用价值角度考虑，蛋白膜的断裂延伸率应较低.由于在蛋白膜的实际应用中需要较好的延展性，断裂延伸率较低的膜很难满足这一条件.这与玉米醇溶蛋白本身的性质有关.纯的玉米醇溶蛋白膜质地很脆，所以通常使用复合增塑剂对其进行改性.在本试验中，采用单一增塑剂甘油进行改良，以避免多种增塑剂共混时的增效作用产生的影响，因此得到的蛋白膜断裂延伸率小.从图1 和图2 总体上看，随着储藏时间的延长，玉米醇溶蛋白膜的抗拉强度呈先上升后下降趋势，而断裂延伸率呈先下降后上升趋势.综合分析，5 ℃的储藏环境下甘油添加量为0.2 g/g 的膜机械性能比较稳定.

图1 5 ℃储藏时不同甘油含量的膜的抗拉强度

图2 5 ℃储藏时不同甘油含量的膜的断裂延伸率

在储藏的过程中，蛋白膜内部的大分子网络结构重组，在分子内以及分子间形成了更多的相互作用[8].蛋白质中部分未反应的巯基在储藏过程中很容易发生氧化，生成二硫键，增加了分子交联[12].这很可能导致蛋白膜的强度增大.同时，膜中的甘油在储藏期间会发生分子迁移，由填充于蛋白质大分子之间的状态转而游离析出于蛋白膜的表面，这也会促使蛋白质之间的交联[8，13].储藏后期，蛋白膜的断裂延伸率转而递增，与Orliac 等[8]对葵花籽蛋白膜的研究结果一致，这种现象可能与蛋白结构的无序性增大有关系[14].Caner 等[15]和Artharn 等[16]对可食性膜的稳定性研究，发现膜的断裂延伸率随着储藏时间的延长呈单调递减的趋势，这很可能与制备可食性膜的材料种类或者蛋白质种类有关，不同的材料由于其内部结构的不同，在储藏过程中键合作用变化的位置和速率也不同，从根本上导致膜在储藏期机械性能变化规律的差异.与甘油添加量为0.2 g/g 和0.3 g/g 的蛋白膜相比，添加0.4 g/g 甘油的蛋白膜没有经历抗拉强度提高的阶段，而是直接下降进而保持稳定，说明在低温储藏环境下较高浓度的甘油可以有效抑制蛋白膜在储藏期分子间的交联，这可能与其增塑机制有关.

2.2 常温储藏的玉米醇溶蛋白膜的稳定性

常温储藏的不同甘油含量的玉米醇溶蛋白膜的机械性能如图3 和图4 所示.

图3 常温储藏时不同甘油含量的膜的抗拉强度

图4 常温储藏时不同甘油含量的膜的断裂延伸率

在储藏初期，甘油含量越高，膜的抗拉强度越小，这与Gillgren[17]和Lim[10]的研究结论一致.在整个储藏的过程中，蛋白膜抗拉强度先增大后减小，断裂延伸率先减小后增加.在常温储藏的膜中，甘油含量0.3 g/g 的蛋白膜机械性能的稳定性最强.正如2.1 所述，储藏过程中蛋白质的构象会发生变化，蛋白膜的内部网络得到改善，会使膜的抗拉强度上升，断裂延伸率下降[18].甘油能够破坏蛋白质分子的交联，从而嵌入蛋白基质网络内部，这对于储藏期蛋白质的整合、新的键合作用形成产生抑制作用.甘油的添加量越大，抑制作用越显著.因此从抗拉强度来看，低甘油含量的蛋白膜储藏稳定性不佳.当蛋白膜中甘油添加量过高时，甘油会吸收环境中较多的水分，水分进入蛋白膜中也会起到增塑的效果，此时膜的体积还会发生一定程度的膨胀[9].这可能是甘油含量为0.4 g/g 的蛋白膜性能的稳定性不如含量为0.3 g/g 的一个原因.试验发现，甘油添加量为0.4 g/g 的蛋白膜在储藏过程中发生较严重的甘油析出现象，这与Orliac[8]和Mojumdar 等[7]的研究结果一致，Mojumdar 等随后对高含甘油的蛋白膜的热学稳定性进行的试验分析，发现甘油添加量较高的蛋白膜中存在大量的甘油-甘油相互作用，甘油分子聚集成为独立于蛋白膜的液相，这一过程经历了玻璃化转变，膜的机械性能及其稳定性随即发生较大的变化[7].Orliac等[8]也通过研究得到随着储存时间延长，增塑剂与蛋白质的相互作用减弱的结论.另外，本试验发现低温储藏能够明显抑制蛋白膜中甘油析出的现象.与5 ℃的储藏环境相比，常温环境下甘油与水的融合会更加充分，膜的返潮现象则越严重，特别在高甘油添加量的条件下.

2.3 35 ℃储藏的玉米醇溶蛋白膜的稳定性

35 ℃环境下储藏的玉米醇溶蛋白膜的机械性能如图5 和图6 所示.

图5 35 ℃储藏时不同甘油含量的膜的抗拉强度

图6 35 ℃储藏时不同甘油含量的膜的断裂延伸率

随着储藏时间的延长，蛋白膜的抗拉强度和断裂延伸率总体上分别呈先增后减和先减后增的趋势；高温环境中含有0.3 g/g 甘油的蛋白膜性能比较稳定.从图5 可知，甘油的加入并不像低温和常温储藏时表现出通过对蛋白质分子交联的抑制来增加膜的稳定性，而是使膜的抗拉强度发生大幅波动.这可能是由于较高的环境温度更容易促进了分子迁移，加速了甘油的析出，从而导致甘油含量为0.4 g/g 的蛋白膜抗拉强度的变化最大.从图6 可知，与低温和常温储藏相比，35 ℃储藏的蛋白膜储藏后期断裂延伸率急剧上升.甘油的添加大幅降低了玉米醇溶蛋白膜的玻璃转化温度Tg[11]，Tg越低，蛋白膜的网络结构越难以维持，蛋白膜越容易经历由大分子网络的致密到交联作用的瓦解，稳定性降低[19].高温环境下甘油从膜内部析出显著，也使得蛋白膜在储藏后期更容易发生玻璃态转化[7].

对于相同制备工艺得到的蛋白膜，储藏温度较高时，膜的抗拉强度总体较大，而断裂延伸率相反.这与Stuchell 等[20]对大豆分离蛋白膜的研究结果相同.环境温度高，分子的无规则运动加剧，新的二硫键也更容易形成，抗拉强度提高.本试验中随着储藏温度的升高，蛋白膜的抗拉强度达到最大值的时间延长，也可以佐证这一观点.此外，在储藏后期玉米醇溶蛋白膜抗拉强度逐渐下降的阶段，常温储藏的蛋白膜抗拉强度减小幅度最小，甚至出现短暂的回升，这可能是因为储藏过程中膜内的甘油析出损失，提高了膜的刚性[8].低温储藏能够明显抑制甘油分子的迁移、析出，而高温储藏虽然促进了甘油与蛋白质分子的分离但是也促使环境中的水分进入膜的内部，充当了增塑剂的角色，因此抗拉强度降低的幅度较大[9，13].不同的储藏温度下，蛋白膜的稳定性大小同样有较大的区别.表1 列出了在蛋白膜的储藏过程中抗拉强度和断裂延伸率最大值与最小值的差，差值越大则表明蛋白膜机械性能的变化幅度越大，储藏稳定性越差.如表1 所示，甘油含量为0.2 g/g 的蛋白膜在5 ℃储藏时抗拉强度最稳定，常温储藏次之，35 ℃储藏最不稳定；其余蛋白膜的机械性能均在常温下最稳定，5 ℃储藏比常温略差，35 ℃储藏时很不稳定.低温储藏蛋白膜时蛋白质分子的运动缓慢，构象不易发生变化，表现出较高的储藏稳定性[14].而在常温下蛋白膜内部结构得到整合，更多二硫键的形成增强了分子的交联程度，进而也可能对提高膜的储藏稳定性有一定利处[21].

表1 不同储藏温度下蛋白膜抗拉强度与断裂延伸率的最大值最小值之差

3 结论

添加不同含量甘油的玉米醇溶蛋白膜在不同环境温度下储藏稳定性不尽相同.一般情况下，随着储藏时间的延长，蛋白膜的抗拉强度和断裂延伸率分别呈先增后减和先减后增的趋势.综合考虑，5 ℃的储藏温度下甘油含量为0.2 g/g 的蛋白膜机械性能的稳定性较好，常温储藏和35 ℃环境下储藏时甘油含量为0.3 g/g 的蛋白膜机械性能的稳定性较好.储藏温度越高，玉米醇溶蛋白膜的抗拉强度越大，而断裂延伸率越小.与低温和常温储藏相比，35 ℃储藏的蛋白膜储藏后期机械性能发生急剧变化.常温环境储藏玉米醇溶蛋白膜稳定性最佳.此外，甘油含量对蛋白膜稳定性的影响作用与蛋白膜水分之间的关系不甚明了，添加甘油的玉米醇溶蛋白膜在储藏过程中的热稳定也有待进一步研究.仅使用甘油作增塑剂制备的玉米醇溶蛋白膜断裂延伸率较低，不适用于食品内包装材料，可以考虑作为可降解材料在手提袋等用品方面应用.

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