不同改性方法对碎米蛋白可食用膜性能的影响研究

艾 丹，高 俊，黎 刚，胡秋林

(1.江西花圣食品有限公司，江西 南昌 330115；2.武汉轻工大学食品科学与工程学院，湖北 武汉 430023)

不同改性方法对碎米蛋白可食用膜性能的影响研究

艾 丹1，高 俊1，黎 刚1，胡秋林2

(1.江西花圣食品有限公司，江西 南昌 330115；2.武汉轻工大学食品科学与工程学院，湖北 武汉 430023)

以碎米蛋白作为成膜基质，甘油作为增塑剂，使用超声波物理改性法、亚硫酸钠化学法和谷氨酰胺转氨酶酶法对碎米蛋白进行改性并探讨不同的改性手段对膜抗拉强度、断裂伸长率、水蒸气透过率、透明度以及溶解度的影响。研究结果显示，超声波改性、还原剂亚硫酸钠改性以及TG改性均可不同程度的提升膜的综合性能。综合考虑，在实际生产中可选择亚硫酸钠或超声波作为较佳改性方法。

碎米蛋白可食用膜；改性；性能

蛋白质要形成膜，就必须要经过适度的变性。变性后的蛋白质网络可以进行重组形成结构致密、均匀的薄膜。蛋白质改性的方法有很多，总体可分为物理、化学以及酶等方面的改性。不同方法的改性可使蛋白质的内部结构遭到破坏，其亚基解离，分子得到一定程度展开，然后蛋白质内部的疏水基团、巯基等被暴露出来，使分子间的作用增强，形成了立体网络结构。

物理改性是指通过物理的手段使蛋白质的大分子破碎成小分子，使分子结合更加紧密，其主要机理是物理上的断键作用和自由基的氧化还原。亚硫酸钠改性可打断分子间的二硫键，增多巯基，使其在成膜液干燥过程中形成更多的分子间二硫键。同时，其还可以使多肽链分子质量降低，有利于暴露内部疏水基团，有机会形成更多的疏水相互作用，增强膜的强度和阻隔性[1]。谷氨酰胺转氨酶(TG)是广泛应用的酶交联剂，市面上也很常见。它能够在单一蛋白质以及不同蛋白质之间形成共价交联，使蛋白质形成更多的网络结构，促进蛋白质的机械性能。

我们以碎米蛋白(BRP)作为成膜基质，甘油作为增塑剂，旨在使用不同的改性方法对BRP进行改性并探讨不同的改性手段对膜抗拉强度(TS)、断裂伸长率(EB)、水蒸气透过率(WVP)、透明度(TP)以及溶解度(FS)的影响。

1 材料与方法

1.1材料与试剂

碎米蛋白：自制(水分4.07%、蛋白质质量分数92.43%、脂肪质量分数0.54%、灰分质量分数0.97%)；甘油、氢氧化钠、盐酸、硫酸、无水氯化钙、石蜡，均为分析纯；蜂蜡(BR)；谷氨酰胺转氨酶(TG，酶活力100 U/g)。

1.2仪器与设备

AL204电子分析天平；F50AB胶体磨；LD5-10低速离心机；DELTA 320 pH计；DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器；DZF-6021真空干燥箱；DHG-9240A电热鼓风干燥箱；GSP-9270MBE隔水式恒温培养箱；GF 303647游标卡尺；IP54电子外径千分尺；WFJ 7200分光光度计；KQ2200DV型数控超声波清洗器；TA.XT2i物性测试仪；S-3000N扫描电子显微镜；NEXUS 670傅里叶红外光谱仪。

1.3试验方法

1.3.1碎米蛋白的提取

参照王良东等[2]的方法并略有改进，其工艺流程：碎米→水洗(去灰、石等杂质)→碱液浸泡(质量分数0.1%NaOH，料液比1∶6，时间20 h)→磨浆(至手指感觉无颗粒感)→调pH值到11→搅拌碱提(25℃，2 h)→离心分离(4 000 r/min，20 min)→取上清液→酸沉(pH4.5～5.0)→离心分离(4 000 r/min，10 min)→水洗沉淀3次→pH值调中性→冷冻干燥→低温保存。

1.3.2碎米蛋白可食用膜的制备

碎米蛋白5 g+甘油2.1 g+100 ml蒸馏水→磁力搅拌(2 min)→调pH值至11.5(1 mol/L NaOH)→热反应(87℃，10 min)→冷却→脱气(0.08 MPa，30 min)→倒膜→烘干(50℃，3～6 h)→揭膜→膜性能测定(温度23℃，湿度50%，48 h)→食用膜。

1.3.3膜厚度的测定

使用精度为0.001 mm的千分尺在膜的中心取1点，膜的四周均匀取4点，共5点位置测定膜的厚度，取其平均值。

1.3.4膜抗拉强度(TS)和断裂伸长率(EB)的测定

设置质构仪的初始距离为20 mm，最大拉力和最大拉伸距离设为500 g和80 mm，测试速度和测后速度分别为1 mm/s和5 mm/s。将膜切成80 mm×10 mm的长条状进行测定。TS、EB的计算见公式(1)、(2)。

(1)

式中，TS为抗拉强度，mPa；F为试样断裂时承受的最大张力，N；L为试样的厚度，m；W为试样的宽度，m。

(2)

式中，E为断裂伸长率，%；L'为试样断裂时膜的长度，m；L为膜原长，m。

1.3.5膜水蒸气透过率(WVP)的测定

参照GB 1037-1988[3]，稍有改变。透湿杯选用质轻、耐腐蚀、耐高温的扁形称量瓶(60 mm×30 mm)。透湿用无水氯化钙需经105℃恒重。称取4 g无水氯化钙(粒径1 mm左右)于称量瓶中，用85%的石蜡和15%的蜂蜡混合蜡将膜密封于称量瓶口。将此称量瓶放置于温度为23℃、相对湿度为90%的干燥器中(用饱和硫酸钾溶液调节)。每隔24 h称量一次至前后两次质量差小于5%。WVP的计算见公式(3)。

(3)

式中，WVP为水蒸气透过率，g·mm/(kPa·d·m2)；m0为膜、透湿杯、干燥剂的原始质量，g；m′为水后膜、透湿杯、干燥剂的质量，g；L为膜的厚度，mm；S为膜的透过面积，m2；t为测量间隔时间，d；△P为膜两侧的水蒸气压差，kPa。

1.3.6膜透明度(TP)的测定

将膜切成40 mm×10 mm的长条状，贴于比色皿的内表面，并小心驱赶气泡，在600 nm下测定膜的透光率，以空比色皿作为对照。

1.3.7膜溶解度(FS)的测定

105℃下烘恒重膜和滤纸，称取0.2 g 左右恒重的膜于烧杯中，加入20 ml的蒸馏水，摇晃均匀后使膜完全没入水中，精确放置24 h后用滤纸过滤，将滤纸和湿膜经105℃恒重。这期间，膜的质量减少即为膜的溶解度。FS的计算见公式(4)。

(4)

式中，FS为膜溶解度，%；mf为恒重后膜的质量，g；m2为滤纸加溶解后膜的质量，g；m1为恒重滤纸的质量，g。

1.3.8扫描电子显微镜

将蛋白膜置于50℃条件下烘10 h，使其充分干燥。将干燥后的膜小心切为2 mm×2 mm的小方片，用导电双面胶固定于样品台上，抽真空镀金10 min。再将样品放入扫描电子显微镜中抽真空后于15 kV下观察膜表面、底面及截面在不同放大倍数下的微观结构，以未经改性的膜作为对照。

1.3.9红外光谱

将蛋白膜置于50℃条件下烘10 h，使其充分干燥。采用傅里叶红外光谱仪进行红外光谱测试，绘制红外光谱图，扫描范围为4 000～500 cm-1，分辨率为4 cm-1。以未经改性的膜作为对照，分析不同改性方法对膜二级结构的影响。

1.4试验方案

1.4.1超声波作用时间和作用功率的选择

参照1.3.2节制备可食用膜，将经87℃反应后的膜液放凉后，放入超声波功率为60 W的超声波清洗器中常温超声5、10、20、30、40、50、60 min，然后再脱气、倒膜。探讨不同的超声波作用时间对膜各项性能的影响。

参照1.3.2节制备可食用膜，将经87℃反应后的膜液放凉后，分别放入超声波功率为40、50、60、70、80、90、100 W的超声波清洗器中常温超声40 min，然后再脱气、倒膜。探讨不同的超声波作用功率对膜各项性能的影响。

1.4.2亚硫酸钠添加量的选择

参照1.3.2节制备可食用膜，在膜液调好pH值11.5后，分别加入0.025%、0.05%、0.1%、0.15%、0.20%的亚硫酸钠，87℃加热反应后制膜。探讨不同的亚硫酸钠添加量对膜各项性能的影响。

1.4.3谷氨酰胺转氨酶(TG)添加量的选择[4]

参照1.3.2节制备可食用膜，将经87℃反应后的膜液放凉，再在膜液中分别加入0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的TG于40℃水浴中保温90 min后制膜。探讨不同的TG添加量对膜各项性能的影响。

2 结果与讨论

2.1不同改性方法对膜TS和EB的影响

2.1.1超声波作用时间和功率对膜TS和EB的影响

超声波处理具有空穴效应和超混合效应，这可使得分子中一部分的化学键断裂，粒子大小降低；同时，空穴效应有巨大的爆发力和冲击力，可对分子产生高温高压，加大分子间的相互作用，使膜的结构更加致密[5]。超声波作用时间对膜TS和EB的影响见图1。由图1可知，随着超声波作用时间的增长，膜的TS先上升再下降，在处理时间为40 min时，膜的TS达到最大约为5.7 MPa。当超声时间继续增长时，膜的强度反而下降，可能是因为在40 min时间内，膜内部的网络结构已经结合完成。膜的EB走势与TS相反，由最初处理可达到的160%下降到60%左右。可见超声波是改良蛋白膜机械性能的一种良好的物理处理手段。

图1 超声波作用时间对膜TS和EB的影响

超声波作用功率对膜机械性能的影响见图2。

图2 超声波作用功率对膜TS和EB的影响

由图2可知，随着超声波功率的增加，膜的TS先上升后下降，在超声波功率为60 W左右时，膜的TS最大。功率增大到60 W以后膜的强度反而下降，可能是由于大量的化学键已经断裂，很难产生新的可结合点，难以形成更多的致密的网络结构。分子间的相互作用变得更加混乱，从而使膜的TS降低。膜的EB随超声波功率的增加先降低后增加，其与TS呈负相关关系。

由超声波处理的时间和功率单因素试验可以得出超声波处理的较佳条件为60 W、40 min。

2.1.2亚硫酸钠添加量对膜TS和EB的影响

亚硫酸钠作为一种还原剂可以使分子中的二硫键断裂，蛋白质分子展开更多，重新形成更为坚固的网络结构，使得膜的TS增加。

亚硫酸钠添加量对膜TS和EB的影响见图3。

图3 亚硫酸钠添加量对膜TS和EB的影响

由图3可知，随着亚硫酸钠添加量的增加，膜的TS逐渐增加，从7.6 MPa左右上升到8.1 MPa左右，此数值约是对照组膜TS的两倍多。膜的EB随亚硫酸钠添加量的增加而逐渐减小。这可能是因为过量的还原剂阻碍了膜网络结构的重排。试验发现亚硫酸钠添加量的继续增加对膜的机械性能贡献不大，但是添加与不添加却有很大的差别。考虑成本原因，可以选择亚硫酸钠的添加量为0.05%，此时膜的机械性能较佳。

2.1.3TG添加量对膜TS和EB的影响

TG添加量对膜机械性能的影响见图4。

图4 TG添加量对膜TS和EB的影响

由图4可知，随着TG添加量的增加，膜的机械性能先下降再上升。当添加量为0.1%～0.3%时，膜的TS和EB有所下降。随着TG添加量增加至0.5%，膜的机械性能有显著回升。试验发现，添加少量TG时，膜液中出现很多不溶解的微小颗粒物，受不溶解颗粒物的影响，膜的TS有所下降。随着TG添加量的增加，酶中的杂质及不溶解成分聚集后沉淀，反而使膜液更加均匀。由于参与反应的有活性的酶越来越多，使得分子发生了共价交联，形成了高分子聚合物，膜的性能最后有所改善[6-7]。不过，TG的增加会使EB显著下降。综合分析结果和节约经济成本等原因，选择TG添加量为0.1%，此时可食用膜的TS和EB较佳。

综合以上三种改性方法对膜机械性能的影响结果分析，三种改性方法均可显著提高BRP膜的TS。其中亚硫酸钠改性膜的TS上升幅度最大。

2.2不同改性方法对膜WVP的影响

2.2.1超声波作用时间和功率对膜WVP的影响

超声波的空穴效应和高频振荡作用促使膜液中水分子和蛋白质分子发生高频震动，从而增加了接触机会。使水分子迅速均匀地渗透到高黏度的蛋白质-水缔合网络中，加速了夺水成核作用[8-9]，同时超声波使微晶粒产生局部震动，控制并稳定住了晶粒的均衡发展，提高了BRP膜的分子结晶度，进而影响膜的WVP。

超声波作用时间和功率对膜WVP的影响见图5和图6。

由图5和图6可以看出，随着超声处理时间的延长和功率的增大，膜的WVP都是先下降后上升。当超声波处理时间为40 min，超声波处理功率为60 W时，膜的WVP最低，阻水性最优。

图5 超声波作用时间对膜WVP的影响

图6 超声波作用功率对膜WVP的影响

2.2.2亚硫酸钠添加量对膜WVP的影响

还原剂亚硫酸钠可改变膜中蛋白质分子间和分子内的二硫键[10-11]，减弱蛋白质的结构，使蛋白质伸展开来，使成膜后期可以形成更加致密的网络结构。

亚硫酸钠添加量对膜WVP的影响见图7。

图7 亚硫酸钠添加量对膜WVP的影响

由图7可知，随着亚硫酸钠添加量的增加，膜的WVP先减小后增大，然后趋于平稳。当亚硫酸钠添加量为0.1%时，膜获得最低的WVP。随着亚硫酸钠的继续增加，还原剂的过分作用使蛋白质结构疏松，增大了膜的WVP。

2.2.3TG添加量对膜WVP的影响

TG添加量对膜的WVP影响见图8。

图8 TG添加量对膜WVP的影响

由图8可知，TG的加入可使膜的WVP显著下降。当TG添加量由0.1%增加至0.4%时，膜的WVP明显下降。随着TG添加量的继续增大，膜的WVP反而有轻微上升，可能跟膜的厚度有关。

综合以上三种改性方法对膜WVP的影响结果分析，三种改性方法均可降低膜的WVP。其中超声波处理对膜的WVP影响效果最为明显。

2.3不同改性方法对膜TP和FS的影响

不同改性膜的TP和FS测定结果见表1，表中的BRP对照膜是指未经过任何改性处理的膜。

表1 改性膜的TP和FS

由表1中数据可以看出，超声波处理使膜的TP有所增加，这是因为超声波使膜的结构更加致密，膜的表面更加光滑，增加了膜的TP。另外，超声处理还可使膜内部的气泡破裂，间接起到消除气泡的作用。超声膜的FS有所下降，可能是因为膜结构越来越致密，能溶解的量相对减少。经亚硫酸钠处理的膜其TP较对照膜未发生明显变化，而FS却有所上升。经TG改性的膜，由于部分未溶解的TG混合在膜液中，使得膜的浑浊度增加，膜的颜色变成乳白色使TP下降。膜的FS无明显变化。

2.4改性膜的扫描电子显微镜比较

可食用膜的机械性能和阻隔性能在很大程度上取决于蛋白质分子在成膜时的均匀性，分子间的作用力以及蛋白质在溶液中的FS，我们可以通过观察其微观结构来发现相关问题。膜表面指与空气接触的那一面，底面指与培养皿接触的那一面。

2.4.1改性膜的扫描电镜表面图

改性膜的扫描电镜表面图见图9。

(a)BRP对照膜

(b)超声波改性膜

(c)亚硫酸钠改性膜

(d)TG改性膜

由图9可知，未经任何处理的膜其表面结构较为粗糙，高低不平，有很多小孔。经过超声波处理的膜，其表面很光滑，质地均匀。经过超声处理后，膜液中粒子减小，分子内部包藏的许多反应基团暴露，部分氨基酸重排，发生分子间共价交联，强化了膜的空间结构，提高了膜的强度[12]。而经过亚硫酸钠和TG处理的膜其表面结构并未见很明显的区别。

2.4.2改性膜的扫描电镜底面图

改性膜的扫描电镜底面图见图10。

(a)BRP对照膜

(b)超声波改性膜

(c)亚硫酸钠改性膜

(d)TG改性膜

由图10可知，对照膜的底面有很多的气泡，结构并不紧密。经过超声波处理后，膜的底面很光滑，几乎不见任何小孔。经亚硫酸钠和TG处理的膜其底面结构也变光滑，但不如超声处理的效果明显。

2.4.3改性膜的截面图

改性膜的截面图见图11。由图11可知，经超声波处理后，膜中大分子破碎程度增加，新形成的膜截面非常致密，很紧实，膜的厚度减小。在相同的放大倍数下，亚硫酸钠改性膜的厚度增加，进一步说明，亚硫酸钠还原了膜液中的二硫键，使得成膜干燥时有更多的基团参与反应，促使了膜厚度的增加。经TG改性的膜其断面结构致密，较齐整。

(a)BRP对照膜

(b)超声波改性膜

(c)亚硫酸钠改性膜

(d)TG改性膜

扫描电镜的结果表明，超声波可改善膜的表面和底面结构，使膜更加光滑、均匀，膜的厚度减小。还原剂亚硫酸钠和TG改善了膜的底面形态，其中亚硫酸钠改性膜的厚度增加。TG改性膜的截面较为整齐。

2.5改性膜的红外光谱比较

利用傅里叶红外光谱仪对各改性方法制备的可食用蛋白膜以及BRP膜的二级结构进行分析，结果见图12。由图12可以看出，各改性方法在不同程度上改变了BRP膜的二级结构。

对比改性膜与BRP膜的红外光谱图可以看出，超声波改性、亚硫酸钠改性和TG改性没有明显改变可食用蛋白膜的吸收峰数量、吸收峰的位置及吸收峰的形状，但改变了各吸收峰的强度，这说明超声波改性、亚硫酸钠改性和TG改性没有从根本上改变蛋白的一级结构，但改变了蛋白质的次级结构。改性处理在不同程度上改变了可食用膜的性能，可能是改性处理改变了蛋白膜中基团的对称性、数量和浓度，使蛋白质分子多肽链的特有规则发生了变化。

(a)BRP对照膜

(b)超声波改性膜

(c)亚硫酸钠改性膜

(d)TG改性膜

(e)空白对照与三种改性膜拟合

3 结论

超声波改性、还原剂亚硫酸钠改性以及TG改性均可不同程度的提升膜的综合性能。其中，经过超声波改性的膜结构更加致密，WVP更低，膜的透明度更好。亚硫酸钠改性可以促进成膜过程中巯基和二硫键的交换反应，使蛋白质的网络结构更加完善，亚硫酸钠改性膜的TS(7.89 MPa)为对照膜(2.97 MPa)的两倍多。TG改性后的膜性能也有所提升，但效果不如前两种改性方法明显。综合考虑，在实际生产中可选择亚硫酸钠或超声波作为较佳改性方法。

[1] 莫文敏,邹英昭,曾庆孝，等.还原剂影响可食性大豆分离蛋白膜性能的研究[J].食品与发酵工业,2001,27(11):5-8.

[2] 上海天之冠可再生能源有限公司.一种提取大米蛋白并联产酒精的 方法[P].中国,ZL200610147768.7,2007-07-18.

[3] 吴德珍,常向前,张贵荣.GB 1037-1988塑料薄膜和片材透水蒸气性试验方法杯式法[S].北京:国家标准局,1988.

[4] 孙红玉,崔 莉,王 平，等. 酶促交联谷朊蛋白及其成膜性能的研究[J]. 生物学杂志,2016,33(2):44-48.

[5] 任 红,杨 洋,韦小英，等.超声波强化大豆分离蛋白膜性能的研究[J].现代食品科技,2006,22(2):101-103.

[6] 张雪喜,王存芳,王建民. 转谷氨酰胺酶对乳蛋白的作用机理及其应用进展[J]. 乳业科学与技术,2016,39(3):29-32.

[7] CHOI W S，HAN J H.Physical and mechanical properties of pea protein based edible films[J].Food Sic，2001,66(2):319-322.

[8] 韦小英,任 红,杨洋等.超声处理对大豆蛋白膜性能和微观结构的影响[J].食品科技,2006(10):55-58.

[9] 陈 光,王香琪,孙 旸，等.超声波对玉米淀粉成膜性能影响的研究[J].现代食品科技,2010,26(12):1314-1318.

[10] 莫文敏,邹英昭,曾庆孝，等.还原剂影响可食性大豆分离蛋白膜性能的研究[J].食品与发酵工业,2001,27(11):5-8.

[11] ADEBIYI A P，ADEBIYI A O，JIN D,et al. Rice bran protein-based edible films[J]. International Journal of Food Science and Technology,2008,43:476-483.

[12] 单成俊.大米蛋白可食用膜成膜机理及应用研究[D].无锡：江南大学,2005.

Effectofdifferentmodificationmethodsonthepropertiesofbrokenriceproteinediblefilms

AI Dan，GAO Jun，LI Gang，HU Qiu-lin

(1. Jiangxi Hua Sheng Food Co. Ltd., Nanchang 330115,China; 2. College of Food science and Engineering, Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430023, China)

Broke rice protein was used as film forming substrate, glycerol as the plasticizer,modification methods including ultrasonic physical method,sodium sulfite chemical method and TG enzymic method were used to enhance the properties of protein edible films.TS, EB,WVP,TP and FS of the films were as evaluation indexes to research the effect of different modification methods. The results showed that all the three modification methods could improve the film's property to some degree. Comprehensive consideration, in the actual production we can choose sodium sulfite or ultrasonic as better modification methods.

broke rice protein edible films;modification;propeties

2017-03-31；

2017-09-20

艾 丹(1987-)，女，硕士，主要从事粮食、油脂及植物蛋白工程。

10.7633/j.issn.1003-6202.2017.10.005

TS210.9

A

1003-6202(2017)10-0019-08

(责任编辑梅竹)