葡萄糖糖基化改性乳清蛋白成膜性研究

宋彦显,李胜强,闵玉涛

(郑州工程技术学院 化工食品学院,河南 郑州 450044)

可食性薄膜由多糖、蛋白质、脂质或它们的混合物制成,相比多糖或脂质基薄膜,蛋白膜的功能特性更加广泛和多样。乳清蛋白具有较好的凝胶性,其成膜性能也比较好,且可生物降解,在生物基食品包装材料中应用广泛,但由于乳清蛋白中含有较高比例的亲水基团,单一乳清蛋白膜的机械强度较低,水蒸气阻隔性能较差,限制了其在食品包装领域的应用。蛋白质糖基化改性可强化分子间的作用力,促使其形成更致密均匀的网络结构,天然蛋白的溶解性、流变性、乳化性、起泡性、凝胶性、成膜性、热稳定性、抗氧化活性、致敏性和抗菌性等功能都得到改善[1-3]。因蛋白质糖基化产物可赋予新性能,也常用于改善蛋白膜性能。[4-8]本文以乳清蛋白为原料,以葡萄糖为修饰剂,对其湿法糖基化改性,并制备葡萄糖糖基化乳清蛋白可食性膜,对膜的透明度、厚度、机械强度进行表征,以膜的拉伸强度和断裂伸长率为考察指标,优化糖基化工艺,以期为蛋白基薄膜的工业化生产提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

乳清分离蛋白(WPI,蛋白质>90%)：美国 Hilmar 公司;葡萄糖：分析纯,国药集团化学试剂有限公司;丙三醇、氢氧化钠：分析纯,国药集团化学试剂有限公司。其余试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

TA.XT PLUS物性测定仪：英国Stable Micro Systems公司;0-10X30数显千分测厚规：浙江德清盛泰芯电子科技有限公司;Ci7600色度仪：美国爱色丽(上海)色彩科技有限公司;S-3400N扫描电子显微镜：日本日立公司;CS-820分光测色仪器：中国杭州彩谱科技有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 乳清蛋白-葡萄糖糖基化可食性膜的制备

取一定量乳清蛋白、葡萄糖,加至50 mL蒸馏水,充分搅拌均匀,特定温度下加热60 min,再加入甘油,混合均匀,取10 mL于平板上流延成膜, 30 ℃恒温箱中保温24 h后,揭膜,放入58%湿度的恒湿箱中回软备用。

1.3.1.1 甘油用量的优化

在pH 9.0,90 ℃,9 %乳清蛋白,3.2%葡萄糖条件下,反应60 min,分别添加甘油1,1.5,2g,混匀,取10 mL于平板上流延成膜,通过对膜的性能评价,选择出最适的甘油用量。

1.3.1.2 乳清蛋白浓度的优化

在pH 9.0,90 ℃,9 %乳清蛋白,3.2%葡萄糖条件下,分别取8%,9%的乳清蛋白,反应60 min后,分别添加1.5g甘油,混匀,各取10 mL于平板上流延成膜,通过对膜的性能分析,选择出最适的乳清蛋白浓度。

1.3.1.3 葡萄糖浓度的优化

在8%乳清蛋白,pH 9.0, 90 ℃条件下,葡萄糖的浓度分别取3.2%,4.0%,4.8%,反应60 min,分别添加1.5g甘油,混匀,各取10 mL于平板上流延成膜,通过对膜的性能分析,选择最适的葡萄糖浓度。

1.3.2 乳清蛋白-葡萄糖可食性膜成膜工艺优化

8%乳清蛋白,1.5g甘油条件下,对比分析pH、加热温度、葡萄糖浓度对乳清蛋白-葡萄糖可食性膜性能的影响,优化乳清蛋白-葡萄糖可食性膜成膜工艺。

1.3.3 可食性膜的性能测定

1.3.3.1 可食性膜厚度的测定

选取完整均匀的可食性膜,电子厚度测量仪测量厚度。根据薄膜样品中5个不同位置处的测量值计算平均厚度。

1.3.3.2 可食性膜水溶性的测定

取可食性膜0.500g,置于40 mL蒸馏水中,24 h后用布氏漏斗抽滤,然后干燥至恒重,按式(1)计算乳清蛋白-可溶性淀粉可食性膜的水溶性。

(1)

式中,S为乳清蛋白-可溶性淀粉可食性膜的水溶性,%;m0为可食性膜的质量,g;m1为滤纸的质量,g;m2为滤纸和未溶解可食膜的质量,g。

1.3.3.3 可食性膜透光率的测定

将可食性膜裁为40mm×10mm的矩形,紧贴在比色皿的一侧,以空比色皿作对照,在波长为500 nm处测定吸光度值,每种膜测3条取平均值。

1.3.3.4 可食膜机械性能的测定

参照穆凯宇等[9]的方法,略作改动。选取厚度均匀的膜样品,裁成 1cm×6cm 的长条。质构仪的初始夹距设定为45 mm,拉伸速率设定为1 mm/s,测定拉伸强度和断裂伸长率。拉伸强度按式(2)计算,断裂伸长率按式(3)计算。

(2)

式中,Ts为拉伸强度,MPa;Fm为试样断裂时承受的最大张力,N;FT为膜厚度,mm;w为膜宽度,mm。

(3)

式中,E为所测膜的断裂伸长率,%;L0为初测膜的长度,mm;L为膜断裂时的长度,mm。

2 结果与分析

2.1 甘油用量及乳清蛋白浓度的优化

通过比较揭膜的难易程度,发现不加甘油,膜在平板上呈碎片式掀起。甘油用量为1 g时,形成的膜过薄,揭膜时容易破碎;甘油量为2 g时,容易黏平板,膜不易揭下;当甘油量为1.5 g时成膜性最好,能形成完整均匀的膜,且易揭,因此最优甘油用量为1.5g。8%和9%乳清蛋白制备出的膜的机械性能几乎一致,乳清蛋白浓度为8%时,膜的厚度较薄。因此,选择8%乳清蛋白制备可食膜。

2.2 乳清蛋白-葡萄糖可食性膜成膜工艺的优化

2.2.1 pH值对膜性能的影响

2.2.1.1 不同pH值对膜厚度的影响

8 %乳清蛋白,1.5 g甘油,膜液总体积50 mL,90 ℃条件下,考察不同pH值对可食性膜厚度的影响。结果可得,pH8.0时膜厚度为0.134mm,pH10.0时膜厚度为0.128mm,pH在8.0～10.0之间时,随着pH值的增大,膜厚度略有下降,但变化不大。pH值可改变蛋白质的结构,影响蛋白质的稳定性,对膜厚度一定影响。

2.2.1.2 不同pH值对膜透光率的影响

8%乳清蛋白,1.5 g甘油,膜液总体积50mL,90℃条件下,考察不同pH值对可食性膜透光率的影响。结果可得,随着pH值的增大,乳清蛋白-葡萄糖可食性膜透光率逐渐降低, pH 8.0时,透光率最高为97.83%,pH10.0时为,透光率最低93.53%。美拉德反应pH值越低,溶液中蛋白质分子的质子化氨基越多,因此获得的蛋白质-多糖美拉德缀合物在初始阶段越少,美拉德反应的中间体和最终产物随反应pH增加而增加[10]。反应程度越高,最终产物越多,透光率越低。随着pH值的增大,膜的颜色加深,且有白色物质附着在可食性膜表面,导致乳清蛋白-葡萄糖可食性膜的透光率下降。

2.2.1.3 不同pH值对膜机械性能的影响

8%乳清蛋白,1.5 g甘油,膜液总体积50 mL,90℃条件下,考察不同pH值对可食性膜拉伸强度和断裂伸长率的影响。以pH值为横坐标,拉伸强度和断裂伸长率为纵坐标作图,如图1所示。

图1 不同pH值对乳清蛋白-葡萄糖可食性膜机械性能的影响

由图1可知,pH值对葡萄糖接枝乳清蛋白膜机械性能影响效果显著。随着pH的增大,拉伸强度逐渐增加,断裂伸长率先减小后增加。pH10.0时,拉伸强度和断裂伸长率达到最大。增加pH有利于网络结构的形成,在pH8.0-10.0范围内,蛋白膜的拉伸强度随着pH的增加,从2.63 MPa提高至3.43 MPa;断裂伸长率也随着pH增加而有所增加,并在pH10.0时达到最大26.1%。蛋白质碱性条件下巯基和疏水基团更多暴露,有利于新化学键的形成,蛋白膜的溶解度增加,膜的强度和延伸性均显著增加。此外,pH的增加使美拉德反应加强,也使蛋白膜的机械性能增强[11]。但当pH进一步增加至11.0,延伸性急剧下降。这可能是因为pH过高时会导致分子间产生的过度交联,使蛋白网络变得紧密,延伸性急剧下降,同时,交联过度会限制蛋白分子的活动性,导致蛋白膜的延伸性下降[12]。

综合考虑乳清蛋白-葡萄糖可食性膜的厚度、透光率、拉伸强度和断裂伸长率,选择pH10.0较为合适,在此条件下可食性膜的厚度为0.128mm,透光率为94.1%,拉伸强度和断裂伸长率分别为3.43 MPa和26.1%。

2.2.2 温度对膜性能的影响

2.2.2.1 不同温度对膜厚度的影响

8%乳清蛋白,1.5 g甘油,膜液总体积50 mL,pH 10.0条件下,考察不同温度对可食性膜厚度的影响。结果可知,70～90℃范围内,膜厚度从0.134下降到0.128mm,随温度的增加略有下降,但影响不大。

2.2.2.2 不同温度对膜透光率的影响

8%乳清蛋白,1.5 g甘油,膜液总体积50 mL,pH 10.0条件下,考察不同温度对可食性膜透光率的影响。可知温度对乳清蛋白-葡萄糖可食性膜透光率的影响显著。温度越高,膜的颜色越深。随着温度的升高,透光率逐渐减小,温度为70℃时,透光率最高为93.4%;温度为90℃时,透光率最低为90.5%。反应温度升高,底物溶解度提高,反应速率加快,反应程度提高,美拉德反应产物增多,从而影响膜的透光性。从70℃升高到90℃的过程中,随着温度的升高,蛋白质结构改变,适当变性,稳定的网状结构被破坏。

2.2.2.3 不同温度对膜机械性能的影响

8%乳清蛋白,1.5 g甘油,膜液总体积50mL,pH10.0,考察不同温度对可食性膜拉伸强度和断裂伸长率的影响。以温度为横坐标,拉伸强度和断裂伸长率为纵坐标作图,如图2所示。

图2 温度对乳清蛋白-葡萄糖可食性膜机械性能的影响

由图2可知,随着温度的升高,拉伸强度和断裂伸长率逐渐增大。加热温度过低,不易成膜,无法形成均匀且完整的薄膜。加热温度超过70℃时,随着温度的升高,拉伸强度和断裂伸长率不断升高。升温使蛋白质内能增加,且有利于蛋白质分子的伸展。蛋白质结构改变,变得松散且没有秩序,分子内部的疏水性氨基酸侧链残基暴露出来,蛋白质分子通过二硫键、疏水键相互连接形成坚固的网状结构,膜的机械性能增强。同时,温度升高有利于美拉德反应的进行,从而进一步增强蛋白之间的相互作用,使蛋白膜的延伸性能得到提高。前期实验表明当温度为100℃,成膜性差,有很多颗粒,可能是高温导致蛋白发生聚集所致。因此,选用 90℃为最适温度,拉伸强度和断裂伸长率分别为3.4 MPa和21.1%。

综合考虑乳清蛋白-葡萄糖可食性膜的厚度、透光率、拉伸强度和断裂伸长率,选择90℃为最适温度,在此条件下可食性膜的厚度为0.128 mm,透光率为90.5%,拉伸强度和断裂伸长率分别为3.4 MPa和21.1%。

2.2.3 葡萄糖浓度对膜性能的影响

2.2.3.1 不同葡萄糖浓度对膜厚度的影响

8%乳清蛋白,1.5 g甘油,膜液总体积50 mL,pH 10.0,90℃条件下,考察不同葡萄糖浓度对可食性膜厚度的影响。以葡萄糖浓度为横坐标,可食性膜厚度为纵坐标作图,如图3所示。

图3 不同葡萄糖浓度对乳清蛋白-葡萄糖可食性膜厚度的影响

由图3可得,乳清蛋白-葡萄糖可食性膜最厚为0.138 nm,最薄为 0.119 mm,由此可知,葡萄糖浓度的大小对可食性膜的厚度影响不大。葡萄糖分子较小,在乳清蛋白-葡萄糖美拉德反应体系中一般处于饱和状态,对反应产物的形成影响不大。

2.2.3.2 不同葡萄糖浓度对膜透光率的影响

8%乳清蛋白,1.5 g甘油,膜液总体积50 mL,pH 10.0,90℃条件下,考察不同葡萄糖浓度对可食性膜透光率的影响。以葡萄糖浓度为横坐标,可食性膜透光率为纵坐标作图,如图4所示。

图4 不同葡萄糖浓度对乳清蛋白-葡萄糖可食性膜透光率的影响

由图4可得,透光率随着葡萄糖浓度的增大而减小,膜透光率与美拉德反应的程度有关,一般来说,反应程度越高,透光率越低。不添加葡萄糖时,透光率最高为97.6。葡萄糖浓度为4.8%时,透光率最低为92.15%。此结果与膜颜色有关,随着葡萄糖浓度的增加,美拉德反应产物越多,膜的颜色越深,导致膜的透光率越低。

2.2.3.3 不同葡萄糖浓度对膜机械性能的影响

8%乳清蛋白,1.5 g甘油,膜液总体积50mL,pH10.0,90℃条件下考察不同温度对可食性膜拉伸强度和断裂伸长率的影响。以葡萄糖浓度为横坐标,拉伸强度和断裂伸长率为纵坐标作图,如图5所示。

图5 不同葡萄糖浓度对乳清蛋白-葡萄糖可食性膜机械性能的影响

由图5可知,断裂伸长率随葡萄糖浓度的增大先增大后减小,当葡萄糖浓度为4%时,断裂伸长率最大为22.7%。随着葡萄糖浓度的升高,反应体系中蛋白质与葡萄糖相互碰撞的几率增大,两者接枝度增大,膜结构更加紧密,断裂伸长率也随之升高。但葡萄糖浓度进一步提高,蛋白和糖分子过度的交互作用反而限制了蛋白的流动性,致膜的延伸性下降。葡萄糖对乳清蛋白糖基化改性后,拉伸强度随着葡萄糖浓度的增大而增大,当葡萄糖浓度为4%时拉伸强度最大为2.76 MPa,这是由于在糖基化反应过程中,蛋白质分子链上的氨基与还原糖的醛基接合,逐渐形成了更加稳固的网络结构[13]。综合考虑,拉伸强度和断裂延伸率,选择葡萄糖浓度为4%。

综合考虑乳清蛋白-葡萄糖可食性膜的厚度、透光率、拉伸强度和断裂伸长率,选择葡萄糖浓度为4 %,在此条件下可食性膜的厚度为0.119 mm,透光率为94.76 %,拉伸强度和断裂伸长率分别为2.76 MPa和22.7%。

3 结论

pH值、温度及葡萄糖浓度对葡萄糖-乳清蛋白膜厚度影响非常小,透光率随糖基化程度的增加而下降,膜厚度变化较小;在最优条件甘油1.5 g,pH 10.0,90℃,4.0 %葡萄糖下,制备的葡萄糖-乳清蛋白膜的拉伸强度和断裂伸长率分别是原乳清蛋白膜的1.72倍和1.91倍,葡萄糖糖基化修饰可显著改善乳清蛋白膜的机械性能,可进一步对果蔬涂膜包装测试,开发新型可食包装膜。