超声处理对豌豆蛋白—卡拉胶复合膜性能的影响

梁月 李源 郭旭 付玮 孙瑜聪 张春红

摘要：以豌豆分离蛋白（PPI）为原料，添加卡拉胶（CGN）制备豌豆蛋白—卡拉胶（PPI-CGN）复合膜，并研究超声处理对复合膜性能的影响。结果表明：超声处理显著提高了PPI-CGN复合粒子的Zeta电位绝对值和复合膜的机械性能、阻隔性及溶胀度（p<0.05）;降低了复合粒子的粒径和复合膜的厚度、溶解度及水分含量（p<0.05）。與豌豆蛋白膜相比，经超声处理的PPI-CGN复合膜的粒径、Zeta电位绝对值、机械性能、水分含量、阻隔性均显著提高（p<0.05）;水溶性显著降低（p<0.05）。

关键词：豌豆分离蛋白;卡拉胶;复合膜;超声处理;性能

中图分类号：TS206.4    文献标识码：A    文章编号：1674-1161（2022）03-0049-04

豌豆分离蛋白（PPI）来源广泛、营养价值高，且具有非致敏性和良好的成膜性，是一种理想的可降解类食品包装材料。卡拉胶（CGN）具有良好的成膜性、稳定性和增稠性，利用CGN与蛋白制作复合膜可以改善单一基质蛋白膜机械性能和阻隔性能差的问题。超声波技术具有操作简便、安全环保等优点，超声波作用于介质会产生空化效应，使更多参与反应的基团暴露出来，增加粒子间的相互作用。本课题以豌豆分离蛋白为原料，添加卡拉胶制备豌豆蛋白—卡拉胶（PPI-CGN）复合膜，并研究超声处理对复合膜性能的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

豌豆分离蛋白：自制;盐酸、氢氧化钠、碘化钾、丙三醇：沈阳化学试剂厂。

1.2 仪器与设备

FA2004B型电子天平：常州欣耀宇仪器制造有限公司;HH-601型电热恒温水浴锅：常州国华电器有限公司;pHS-3C型精密pH计：上海理达仪器厂;DHG-DHG-9070S型电热鼓风干燥箱：宁波乐电仪器制造有限公司;Q2LF型螺旋测微器：苏州量子仪器有限公司;电子拉力试验机：常州隆和仪器制造有限公司;TG1650-WS型立式高速冷冻离心机：德国Eppendorf;VCX750型超声波细胞破碎仪：Sonics Uirbacell公司;FTIR-650型傅里叶变红外光谱分析仪：Thermo Nicolet公司。

1.3 试验方法

1.3.1 豌豆分离蛋白的提取 参照蔡丽美的方法。

1.3.2 豌豆蛋白膜的制备 配置7%的SPI溶液（W/V），调节pH值为10，80 ℃下加热30 min，再加入3.5%的甘油（W/V），充分混合并脱气，采用流延法将100 mL膜液倒在15 cm×15 cm的玻璃板上，60 ℃下干燥4 h，待膜回软后揭膜，备用。

1.3.3 豌豆蛋白—卡拉胶复合膜的制备 配置7%的SPI溶液，调节pH值为10，80 ℃下加热30 min，再加入0.1%的卡拉胶（W/V）和3.5%的甘油，充分混合并脱气，采用流延法将100 mL膜液倒在15 cm×15 cm的玻璃板上，60 ℃下干燥4 h，待膜回软后揭膜，备用。

1.3.4 豌豆蛋白—卡拉胶复合膜的超声处理 配置7%的SPI溶液，调节pH值为10，80 ℃下加热30 min，再加入0.1%的卡拉胶和3.5%的甘油，充分混合，以一定的超声功率和超声时间对膜液进行处理，真空脱气，采用流延法将100 mL膜液倒在15 cm×15 cm的玻璃板上，70 ℃下干燥3 h，待膜回软后揭膜，备用。

1.3.5 膜厚度和机械性能的测定 参照GB/T 6672—2001中的方法。

1.3.6 膜水蒸气透过率和水溶性的测定 参照钟天辰的方法。

1.3.7 膜氧气透过率的测定 参照GB 5009.227—2016中的方法。

1.3.8 复合粒子Zeta电位和颗粒尺寸的测定 参照熊文飞的方法。

2 结果与分析

2.1 超声处理对PPI-CGN复合粒子粒径的影响

2.1.1 超声功率对PPI-CGN复合粒子粒径的影响 不同超声功率下PPI-CGN复合粒子粒径测定结果如图1所示（图中字母表示同组存在显著性差异，p<0.05）。

由图1可以看出：超声处理后复合粒子的粒径显著降低（p<0.05）;随着超声功率增大，粒径呈先减小后增大的趋势（p<0.05），当超声功率为60 W时粒径最小（p<0.05）。这可能是因为超声处理对颗粒的分散具有一定的影响;过度超声处理会导致蛋白质发生解折叠和聚集。

2.1.2 超声时间对PPI-CGN复合粒子粒径的影响 不同超声时间下PPI-CGN复合粒子粒径测定结果如图2所示（图中字母表示同组存在显著性差异，p<0.05）。

由图2可以看出：超声处理后复合粒子的粒径呈先减小后增大的趋势（p>0.05），当超声处理15 min时粒径最小（p<0.05）。这可能是因为超声时间越长，空化效应所产生的能量越大，使得颗粒分散均匀、粒径减小;之后过度超声处理使得蛋白的结构发生了变化，导致粒径增大。

2.2 超声处理对PPI-CGN复合粒子Zeta电位的影响

2.2.1 超声功率对PPI-CGN复合粒子Zeta电位的影响 不同超声功率下PPI-CGN复合粒子Zeta电位测定结果如图3所示（图中字母表示同组存在显著性差异，p<0.05）。

由图3可以看出：随着超声功率的增大，复合粒子的Zeta电位变化不显著（p>0.05）;Zeta电位绝对值大于30 mV，表明PPI-CGN共聚物相对稳定。这可能是因为在粒子分子之间具有较强的静电排斥作用。

2.2.2 超声时间对PPI-CGN复合粒子Zeta电位的影响 不同超声时间下PPI-CGN复合粒子Zeta电位测定结果如图4所示（图中字母表示同组存在显著性差异，p<0.05）。

由图4可以看出：随着超声时间的延长，复合粒子的Zeta电位呈先增加后趋于稳定的趋势，当超声时间超过10 min后Zeta电位之间差异不显著（p>0.05）。这可能是因为超声处理使得复合粒子中带负电荷的氨基酸数量增多，导致Zeta电位的绝对值增大。

2.3 超声处理对PPI-CGN复合膜机械性能的影响

2.3.1 超声功率对PPI-CGN复合膜机械性能的影响 不同超声功率下PPI-CGN复合膜机械性能测定结果如图5所示（图中字母表示同组存在显著性差异，p<0.05）。

由图5可以看出：超声处理显著提高了复合膜的机械强度（p<0.05）。随着超声功率的增大，复合膜的抗拉伸强度变化差异不显著（p>0.05）;断裂伸长率呈先增大后减小的趋势，当超声功率为60 W时断裂伸长率最大（p<0.05）。

2.3.2 超声时间对PPI-CGN复合膜机械性能的影响 不同超声时间下PPI-CGN复合膜机械性能测定结果如图6所示（图中字母表示同组存在显著性差异，p<0.05）。

由图6可以看出：当超声处理15 min时复合膜的机械性能最好;当超声处理15～25 min时复合膜的机械性能显著降低（p<0.05）。这可能是因为液体受到超声波的作用后产生了充满气体的微泡，随着微泡在液体表面发生破裂，颗粒变小，分子间相互作用增加。由于超声作用具有空化效应，长时间超声处理会破坏膜的网络结构，使得膜的机械性能有所降低。

2.4 超声处理对PPI-CGN复合膜性能的影响

3种膜的性能测定结果见表1。

由表1可知：超声处理显著降低了复合粒子的粒径和厚度（p<0.05），这可能是由于颗粒间碰撞和溶液中空化气泡坍塌产生的冲击波引起的;显著增加了复合粒子的Zeta电位绝对值（p<0.05）;显著提高了复合膜的机械性能（p<0.05），这可能是由于超声作用产生的空化效应使得卡拉胶聚集体分散，更容易进入豌豆蛋白的空隙中;显著提高了复合膜的阻隔性，显著降低了水分含量（p<0.05），这可能是由于豌豆蛋白与卡拉胶之间具有较强的相互作用，形成的网络结构较为紧密;显著降低了复合膜的溶解度（p<0.05），这可能是由于超声处理使得蛋白质分子中的疏水基团暴露出来，导致膜的溶解度有所降低;显著增大了膜的溶胀度（p<0.05），这可能是由于超声处理破坏了蛋白分子链的紧密连接程度，使得大量的水分子进入蛋白内部，导致复合膜吸水膨胀。

与豌豆蛋白膜相比，经超声处理的PPI-CGN复合膜的粒径、Zeta电位绝对值、机械性能、水分含量、阻隔性均显著提高（p<0.05）;水溶性显著降低（p<0.05）。

3 结论

1） 超声处理显著提高了PPI-CGN复合粒子的Zeta电位绝对值和复合膜的机械性能、阻隔性及溶胀度（p<0.05）;显著降低了复合粒子的粒径和复合膜的厚度、溶解度、水分含量（p<0.05）。

2） 与豌豆蛋白膜相比，经超声处理的PPI-CGN复合膜的粒径、Zeta电位绝对值、机械性能、水分含量、阻隔性均显著提高（p<0.05）;水溶性顯著降低（p<0.05）。

参考文献

[1] 蔡丽美.豌豆蛋白抑菌膜的制备及性能研究[D].沈阳：沈阳农业大学，2019.

[2] 侯婷.玉米醇溶蛋白/纳米二氧化硅复合膜的超声波制备技术研究[D].镇江：江苏大学，2020.

[3] 熊文飞.电荷密度调控多尺度下卵白蛋白—羧甲基纤维素静电复合机制及应用[D].武汉：华中农业大学，2018.

[4] 钟天辰.麝香草酚和香芹酚对花生蛋白膜性能影响的研究[D].沈阳：沈阳农业大学，2018.

[5] FALADE E O，MU T-H，ZHANG M.Improvement of ultrasound microwave-assisted enzymatic production and high hydrostatic pressure on emulsifying，rheological and interfacial characteristics of sweet potato protein hydrolysates[J].Food Hydrocolloids，2021（117）：106 684-106 688.

Effect of Ultrasonic Treatment on Performance of Pea

Protein-carrageenan Composite Membrane

LIANG Yue1，2， LI Yuan2， GUO Xu1， FU Wei1， SUN Yucong2， ZHANG Chunhong2*

（1. Shenyang Institute of Product Quality Supervision and Inspection， Shenyang 110022， China; 2. Shenyang Agricultural University， Shenyang 110866， China）

Abstract： Pea protein isolate（PPI） was used as material， pea protein-carrageenan（PPI-CGN） composite membrane was prepared by adding carrageenan （CGN）. The effect of ultrasonic treatment on the properties of composite membrane was studied. The results showed that： Ultrasonic treatment significantly improved the absolute value of Zeta electric potential for the composite particles， mechanical properties， barrier property and swelling degree of PPI-CGN composite membrane（p<0.05）; The composite particle size， thickness， solubility and moisture content of composite membrane were decreased （p<0.05）. Compared with pea protein membrane， the particle size， absolute value of Zeta electric potential， mechanical properties， moisture content and barrier property of the composite membrane treated by ultrasound were significantly improved （p<0.05）; Water solubility was significantly reduced （p<0.05）.

Key words： pea protein isolate; carrageenan; composite membrane; ultrasonic treatment; performance