不同相对湿度环境条件下 玉米醇溶蛋白膜的稳定性研究

郭兴凤,崔和平,魏 倩,张莹莹,阎 欣,王 雪,王莺颖

(1.河南省谷物资源转化与利用重点实验室,河南郑州 450001;2.河南工业大学 粮油食品学院,河南郑州 450001)

蛋白质是一种天然大分子物质,因其分子侧链基团的多样性,在成膜过程中可以发生分子间的相互作用而赋予蛋白膜较好的机械特性,是理想的制备可降解包装膜材料的原料之一。玉米醇溶蛋白(zein)是玉米的储藏蛋白,分子含有大量的含硫氨基酸,且非极性侧链的含量远大于极性侧链,无水乙醇中不溶解,而易溶于60%～90%的乙醇溶液或70%～80%的丙酮溶液[1]。玉米醇溶蛋白具有优良的成膜特性,因此,目前对其成膜条件和成膜特性进行了诸多研究[2-5]。作为一种包装材料,环境条件下的稳定性是评价蛋白膜的一个重要指标。环境因素如温度、湿度、氧气、光照等都可能导致蛋白膜机械性能发生变化[6-8],目前的研究也逐步聚焦在稳定性的研究。Su等[7]研究了大豆分离蛋白/聚乙烯醇复合膜在大气环境条件下的稳定性,发现在30 d的储藏过程中,蛋白膜的抗拉伸强度和断裂延伸率均逐渐降低,添加的聚乙烯醇比例越大,储藏过程中抗拉伸强度的变化越小,断裂延伸率的变化越大。本实验室已就不同条件下制备的玉米醇溶蛋白膜在不同的环境条件下进行储藏,结果表明不同蛋白质浓度条件下制备的玉米醇溶蛋白膜在不同的环境温度条件下存放一段时间后其机械性能会发生变化,在35 ℃条件下储藏,制备条件对膜的机械性能的影响较大,而在5 ℃环境条件下,制备条件对膜的机械性能的影响较小,证实环境温度是影响玉米醇溶蛋白膜机械性能的一个重要的因素[6]。作为一种包装材料特别是食品的包装材料,防止食品的品质劣变是蛋白膜的重要功能之一,而这种功能主要是受到蛋白膜的阻隔性能的影响,比如阻隔氧气防止食品的氧化,膜的水分含量变化会影响到膜的阻隔性能及其机械性能,膜的水分含量受环境相对湿度的影响[8]。因此,在不同的环境湿度条件下蛋白膜的机械性能的稳定性是限制蛋白膜应用的一个重要因素。

为了考察玉米醇溶蛋白膜在短期存放(从成膜到应用期间)时环境湿度对蛋白膜机械性能的影响,在前期研究基础上,依据自然环境湿度变化范围,分别选择了高中低五个水平的相对湿度作为玉米醇溶蛋白膜的储藏环境,将不同条件制备的玉米醇溶蛋白膜存放在不同的相对湿度条件下,研究其机械性能的变化,考察其在不同湿度环境条件下的稳定性,为玉米醇溶蛋白膜性能的改进和应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

玉米醇溶蛋白粉 蛋白质含量91.16%±0.50%,南京都莱生物技术有限公司;无水乙醇、聚乙二醇-400、丙三醇等试剂 均为分析纯。

TA. XTplus物性测定仪 英国Stable Micro System公司;螺旋测微器(1 μm) 上海量具刃具厂;AY-120分析天平 日本岛津公司;81-2型磁力搅拌器 上海司乐仪器有限公司;HH-2型电热恒温水浴锅 金坛市华峰仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 玉米醇溶蛋白膜的制备 玉米醇溶蛋白膜的制备参照崔和平等[6]人的方法,工艺如下:

将玉米醇溶蛋白溶解在乙醇溶液中,加入甘油和聚乙二醇,80 ℃恒温水浴加热15 min,然后搅拌15 min使其混合均匀,最后量取一定量的蛋白液(含蛋白质的量为1.56 g)浇注在成膜托盘(密胺材质,130 mm×130 mm)上,设定的成膜温度条件下在水浴加热成膜,待膜干燥后揭膜。膜的制备条件见表1。为了使结果更确切的反映甘油含量所产生的影响,同时也能间接地反映聚乙二醇对膜机械性能产生的作用,在研究甘油添加量对膜的稳定性的影响时,制膜溶液中未添加聚乙二醇。

表1 玉米醇溶蛋白膜的制备条件Table 1 Preparing condition of zein films

1.2.2 储藏实验 为了更好的控制玉米醇溶蛋白膜的储藏环境条件,环境湿度分别采用MgCl2、K2CO3、Mg(NO3)2、NaNO2和(NH4)2SO4的饱和溶液进行调节[9],对应的相对湿度(Relative Humidity,RH)分别为34%、43%、54%、65%和80%。

将新制备的玉米醇溶蛋白膜存放在选定的相对湿度的密闭容器中,(20±0.5) ℃平衡48 h,测定膜的机械性能,并在此温度条件下进行储藏实验,每6 d测定一次玉米醇溶蛋白膜的机械性能,共储藏24 d。

1.2.3 膜机械性能的测定 玉米醇溶蛋白膜的机械性能用抗拉强度和断裂延伸率表示,参照崔和平等[6]的方法进行测定。抗拉强度(Tensile Strength,TS)用下式表示:

式(1)

式中:TS为蛋白膜的抗拉强度(MPa);F为最大拉力(N);t为蛋白膜的厚度(mm);W为蛋白膜的宽度(mm),本实验中W是10 mm。

膜的断裂延伸率(elongation at break,EB)用下式表示:

式(2)

式中:EB为蛋白膜的断裂延伸率(%);30为蛋白膜拉伸前的有效长度(mm);L为断裂时蛋白膜延伸的长度(mm)。

1.3 统计分析

每个玉米醇溶蛋白膜样品至少测定5次,数据采用Excel和SPSS Statistic 19.0进行分析,用“平均值±标准偏差”表示结果。

2 结果与分析

2.1 玉米醇溶蛋白浓度对玉米醇溶蛋白膜储藏稳定性的影响

不同玉米醇溶蛋白浓度下制备的玉米醇溶蛋白膜在不同湿度条件下储藏,其机械性能的变化如图1所示。

图1 玉米醇溶蛋白浓度对玉米醇溶蛋白膜储藏稳定性的影响Fig.1 Effect of zein concentration on storage stability of zein film

从图1(a～c)可以看出,在24 d的储藏过程中,相同蛋白质浓度成膜溶液制备的蛋白膜,在环境湿度34%、43%、54%和65%的条件下进行储藏,其机械性能的变化趋势基本一致,TS呈现先增加后降低的变化趋势,EB则呈现先降低后增加的趋势;而在80%相对湿度环境条件下进行储藏,玉米醇溶蛋白膜的TS值在储藏过程中呈现逐步增加的趋势,EB则逐渐减少,在储存中后期快速降低。比较几种环境湿度条件下玉米醇溶蛋白膜的机械性能变化,80%的相对环境湿度是对储藏过程中膜的机械性能影响最大的环境湿度。

从图1中可以看出,不同蛋白浓度的成膜溶液制备的玉米醇溶蛋白膜在34%、43%和54%的湿度环境条件下均具有较好的稳定性。因此,以RH54%环境条件比较不同成膜溶液蛋白质浓度制备的膜的稳定性,结果见图1d。由图1d可以看出,10 g/100 mL成膜蛋白质浓度制备的蛋白膜,储藏期间TS和EB具有较小的变异,因此具有较好的稳定性。12 g/100 mL蛋白浓度时成膜,储藏期间蛋白膜的EB变化最大。前期研究了在43%的相对湿度条件下,不同储藏温度时成膜溶液蛋白质浓度对膜的稳定性的影响,同样得出10 g/100 mL的成膜溶液蛋白质浓度制备的膜具有较好的稳定性[6]。

蛋白膜在储藏的过程中,蛋白质分子之间以及蛋白质和增塑剂之间仍然发生新的交联,使蛋白膜的抗拉强度上升,断裂延伸率下降[10-11]。除此之外,膜中水分含量的变化也是导致玉米醇溶蛋白膜的机械性能变化的一个重要诱因。水是一种小分子的物质,在蛋白膜中可以作为增塑剂,高湿环境中膜吸收的水分增加,削弱了膜网络结构中大分子之间的相互作用,影响了蛋白膜的机械性能;在高湿环境下,蛋白膜中的聚乙二醇也容易发生老化,影响到蛋白膜的机械性能[7,10,12]。由于玉米醇溶蛋白中的疏水性氨基酸较多,对水的相容性和耐受性较差,高湿环境中更容易引起蛋白膜机械性能的变化,进而导致膜的断裂延伸率迅速下降[10]。

2.2 甘油添加量对玉米醇溶蛋白膜储藏稳定性的影响

不同甘油添加量制备的玉米醇溶蛋白膜在不同湿度条件下储藏,其机械性能的变化如图2所示。从图2(a～c)可以看出,不同甘油添加量的玉米醇溶蛋白膜在储藏期间,膜的机械性能的变化趋势一致,TS均呈现先增加后降低的趋势,EB呈现先降低后增加的趋势,这种趋势和蛋白浓度的影响是不一样的,在高湿度环境中,玉米醇溶蛋白膜的EB也是呈现先降低后增加的趋势。在研究甘油添加量的影响时,制膜溶液中没有添加聚乙二醇,这应该是造成这个结果的直接原因。比较图1和图2中的数据发现,不添加聚乙二醇的条件下,玉米醇溶蛋白膜具有较大的TS值,而EB却很小,说明玉米醇溶蛋白膜的柔韧性较小,而刚性较大。

图2 甘油添加量对玉米醇溶蛋白膜储藏稳定性的影响Fig.2 Effect of glycerol ratio on storage stability of zein film

相同的储藏时间的玉米醇溶蛋白膜,其TS值随着相对环境湿度的增加呈现减小的趋势,特别是对于甘油添加量0.3 g/g zein和0.4 g/g zein的玉米醇溶蛋白膜,储存的时间越长,这种趋势就越明显,这和Lawton[13]的研究结果一致。Lawton认为产生这种结果主要是因为在高水分环境条件下,增塑剂的亲水性造成膜中的水分含量增加,而在几种常用的增塑剂中,添加甘油的玉米醇溶蛋白膜的吸水性是最强的。甘油是亲水性小分子,蛋白膜内的甘油可以吸收环境中的水分,增加蛋白膜表面的润湿性,水分在蛋白膜内部与蛋白质分子之间产生相互作用(主要是氢键)进而改变蛋白膜的网络结构,使膜的机械性能发生变化[14-15]。

从图2d可以看出,相同湿度环境条件下,膜中的甘油含量越高,膜的TS值越低,而EB值越高,这是由甘油的增塑作用引起的[4]。低甘油含量条件下,蛋白膜吸收的水分减小了由甘油含量引起的膜性能的差别[16];当蛋白膜中甘油添加量增加时,甘油吸水量增加,水分进入蛋白膜的体积发生一定程度的膨胀,也会导致膜的机械性能发生变化[17-18]。Orliac等[10]研究了不同增塑剂的大豆蛋白膜在储藏期间机械性能的变化,发现大豆蛋白膜的TS随着储藏时间的延长而增加,而EB则逐渐减少,认为主要是因为在储藏过程中增塑剂的迁移和减少造成的。大豆蛋白和玉米醇溶蛋白在性质上存在较大的差异,其疏水性造成了其与亲水性的甘油的相容性较差,储存过程中甘油会迁出,也会在一定程度上影响玉米醇溶蛋白膜的机械性能。

2.3 成膜温度对玉米醇溶蛋白膜储藏稳定性的影响

不同成膜温度下制备的蛋白膜在不同湿度条件下储藏期间其TS和EB的变化见图3(a～c)。在24 d的储藏期间,玉米醇溶蛋白膜的TS依然是呈现先增加后减小的趋势,而EB则呈现先降低后增加的趋势。究其原因应该和前面两个影响因素一样,主要是由于储藏过程中水分和甘油的变化。

图3 成膜温度对玉米醇溶蛋白膜储藏稳定性的影响Fig.3 Effect of film forming temperature on storage stability of zein film

图3d表示不同成膜温度条件下制备的玉米醇溶蛋白膜在储藏期间机械性能的变化。成膜温度较高时,蛋白质分子更易变性,内部的疏水基团、游离巯基更容易暴露出来,使得分子之间发生相互作用聚集交联的几率增加;同时,较高的成膜温度能够增加成膜溶液的流动性,聚合物链段的移动加快,分子之间相互作用的速度加快,形成的蛋白膜的分子网络更加致密,对膜的机械强度有很好的促进作用[19-21]。

不同成膜温度条件下制备的玉米醇溶蛋白膜在不同相对湿度环境中机械性能变化趋势与不同蛋白浓度以及不同甘油含量制备的膜在不同的相对湿度环境中机械性能的变化趋势基本一致。相同的储藏时间内,在不同湿度环境中储存的膜的机械性能差别较大,说明对玉米醇溶蛋白膜的稳定性起决定作用的是环境湿度,制备条件对膜的稳定性起次要的作用。

3 结论

相对湿度对玉米醇溶蛋白膜的储藏稳定性具有显著的影响(p<0.05)。不同的单一因素条件下制备的玉米醇溶蛋白膜,在相同的湿度环境中储藏,膜的机械性能变化趋势基本一致,而相同条件下制备的玉米醇溶蛋白膜在不同的湿度环境条件下,膜的机械性能的变化趋势和变化幅度都有较大的差别:在34%、43%和54%的相对湿度条件下,玉米醇溶蛋白膜具有相对较好的稳定性,而在高湿环境条件下,玉米醇溶蛋白膜的机械性能更容易发生变化。鉴于环境湿度与玉米醇溶蛋白膜的机械性能的影响,在制备玉米醇溶蛋白膜时,一定要考查蛋白膜使用的环境条件。聚乙二醇能够有效的改善玉米醇溶蛋白膜的机械性能。

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