大豆分离蛋白-瓜尔胶共混复合膜的研究

摘要：文章以大豆分离蛋白作为成膜基质，添加天然高分子材料瓜尔胶作为共混物，通过变化大豆分离蛋白、瓜尔胶间量的关系以及改变甘油含量，结合调节共混溶液pH，研究在不同条件下获得复合膜的抗拉强度和断裂伸长率。

Abstract: This paper attempts to research the changes of tensile strength and breaking elongation from a serial of blend membranes with soy protein isolate as film substrate, which are mixed by adding a natural polymer material-guar gum, changed the contents of glycerol, proportion of guar gum and soy protein isolate, pH.

关键词：大豆分离蛋白；瓜尔胶；共混膜

Key words: soy ptotein isolate；guar gum；blend membrane

中图分类号：G31文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）２2-0303-02

0引言

大豆分离蛋白（SPI）由于其来源丰富，价格便宜，加工成型方便，且其膜具有可降解性、透氧率低[1]，已经成为各国研究者广泛关注的重要天然高分子材料之一。但同时由于大豆分离蛋白分子中含有许多氨基、羧基等亲水性基团，和石油为原料合成的聚烯烃类材料相比，大豆分离蛋白膜在机械强度及耐水性方面有一定的缺陷[2，3]。经天然共混改性制备的生物薄膜具有可降解性、生物相容性、通透性相比单组分大豆分离蛋白膜有所改善等优点。利用天然多糖等高分子材料替代有污染、难降解的人工合成材料具有非常重要的现实意义和广阔的应用前景。

瓜尔胶是从瓜尔豆中提取的一种天然可再生高分子中性多糖，具有安全无毒、生物相容性好、可被生物完全降解等优点，被广泛地应用于各个领域中。瓜尔胶含多-OH有望与蛋白质分子中-NH2、-COOH等基团作用，减弱大豆蛋白分子间和分子内的氢键相互作用，提高蛋白质链段的运动能力，从而增加膜材的柔顺性，改善大豆蛋白的加工性能。

因此，本课题采用大豆分离蛋白为成膜基质，天然瓜尔胶多糖为添加剂，通过调节二者间的质量比例关系，采取加热的方式使大豆分离蛋白变性，以甘油为增塑剂，调节大豆分离蛋白的空间网络结构及柔韧性，蒸馏水和无水乙醇为溶剂，通过变化大豆分离蛋白、瓜尔胶以及增塑剂间量的关系，结合调节共混溶液pH，优化膜的抗拉强度和断裂伸长率。

1试验材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 材料大豆分离蛋白（SPI，哈高科大豆食品有限责任公司）水分5.31%、蛋白质91.60%、灰分4.51%；瓜尔胶（印度进口，天津华裕经济贸易有限公司）其余试剂均为国产分析纯。

1.1.2 设备电子分析天平（0.001g，北京赛多利斯仪器系统有限公司）；DZW电热恒温水浴锅（天津莱斯特仪器有限公司）；PH计（上海雷磁仪器厂）；JJ-1型定时电动搅拌器（江苏省金坛市金城国胜实验仪器厂）；干燥器（湖南汇虹试剂有限公司）；螺旋测微器（0.001mm哈尔滨量具刃具厂）；TA.XT.Plus质构仪（Stable Micro System Ltd）；电热恒温鼓风干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司）；自制玻璃板。

1.2 方法

1.2.1 膜性能测定①膜厚（Film Thickness，FT）。在被测膜上随机取5点，用螺旋测微器（0.001mm）测定厚度，取平均值。膜厚单位为mm。②抗拉强度（tensile strength，TS）。抗拉强度测定前，先将待测样品防止装有饱和溴化钾水溶液的室温条件干燥器中，均衡48h。将膜裁切成工字型长条，用质构仪测定，拉伸速度为5mm/s，有效拉伸距离为100mm，记录膜破裂时的抗拉力[5]。每种膜测定3个样，取平均值即得。③断裂伸长率（Breaking Elongation，BE）。将膜裁切成长如图所示尺寸的工字型长条，用质构仪测定，拉伸速度为5mm/s，有效拉伸距离为100mm，记录膜受到张力至断裂时的膜长[5]，根据下式计算：E=（L1-L0）/L0×100%；

式中：E为断裂伸长率（100%）；L1为膜断裂时的长度（m）；L0为膜的原长（m）；每种膜测定3个样，取平均值即得。

1.2.2 成膜工艺①不同大豆分离蛋白（SPI）浓度膜的制备工艺。将3.0、4.0、5.0、6.0%（w/v）SPI粉末，1.5%（w/v）增塑剂丙三醇加入到装有去离子水：无水乙醇=4：1（v/v）的烧杯中，未加瓜尔胶多糖，30±1℃恒温水浴锅均质，水浴加热至80±1℃，维持温度反应30min，冷却消泡，溶液浇铸于模具中，自然晾干，在室温条件下溴化钾饱和水溶液的干燥器中均衡备用，依大豆分离蛋白的用量由低到高将膜分别标记为：IG3-0、IG4-0，IG5-0和IG6-0，作为空白实验作对照。②不同瓜尔胶（GG）浓度膜的制备工艺。将3.0、4.0、5.0、6.0%（w/v）SPI粉末，1.5%（w/v）增塑剂丙三醇和0.15%、0.20%和0.25%（w/v）的瓜尔胶多糖加入到装有去离子水：无水乙醇=4：1（v/v）的到烧杯中。接下来方法同1）。依瓜尔胶多糖和大豆分离蛋白的用量由低到高将大豆分离蛋白复合膜分别标记为：IG3-3，IG3-4和IG3-5； IG4-3，IG4-4和IG4-5；IG5-3，IG5-4和IG5-5；IG6-3，IG6-4和IG6-5。③不同甘油浓度膜的制备工艺。将5.0%（w/v）SPI粉末，0.5、1.0、1.5、2.0、3.0%（w/v）增塑剂丙三醇和0.15%（w/v）的瓜尔胶多糖加入到装有去离子水：无水乙醇=4：1（v/v）的到烧杯中。接下来方法同1）。依据增塑剂丙三醇的用量由低到高将大豆分离蛋白复合膜分别标记为：IGG-0.5、IGG-1.0，IGG-1.5和IGG-2.0；IGG-3.0。④不同pH条件膜的制备工艺。将5.0%（w/v）SPI粉末，1.5（w/v）增塑剂丙三醇和0.20%（w/v）的瓜尔胶多糖加入到装有去离子水：无水乙醇=4：1（v/v）的到烧杯中，在30±1℃恒温水浴锅均质得到共混水溶液。室温条件下用配置的2mol/L或0.1mol/L的NaOH和HCl溶液调节混合体系pH分别为6.0、7.0、8.0、9.0、10.0，80±1℃水浴锅反应30min，冷却消泡，溶液浇铸于模具中，自然晾干，揭膜，在室温条件下溴化钾饱和水溶液的干燥器中均衡备用，依据增塑剂丙三醇的用量由低到高将大豆分离蛋白复合膜分别标记为：IG-6、IG-7、IG-8、IG-9、IG-10。

2结果与分析

2.1 大豆分离蛋白复合膜IG抗拉强度的研究

2.1.1 大豆分离蛋白和瓜尔胶浓度对复合膜抗拉强度的影响如图1表示的是大豆分离蛋白浓度分别为3、4、5、6%（w/v）和瓜尔胶浓度分别为0.00、0.15、0.20、0.25%（w/v）得到IG3、IG4、IG5、IG6四个系列16种复合膜的抗拉强度变化柱状图。IG3指的是蛋白浓度为3%（w/v），瓜尔胶浓度分别为0.00，0.15，0.20， 0.25%（w/v）对应复合膜IG3-0、IG3-3、IG3-4、IG3-5，IG4、 IG5 、IG6类同。由图可以看出四种瓜尔胶浓度，均是大豆分离蛋白浓度为5%（w/v）时复合膜的抗拉强度最大，并且在同样瓜尔胶浓度条件下，复合膜抗拉强度随大豆分离蛋白浓度由3%到6%先增大后降低。这可能是由于随着大豆蛋白浓度的增大，经加热变性的蛋白量增多，暴露出更多的活性基团，这些活性基团经相互作用有助于形成致密的网络结构，但当蛋白浓度增大到6%时，由于大量蛋白没有溶解，变性蛋白量没有继续增大，而致使蛋白没有增多的活性基团经相互作用形成致密的网络结构，所以复合膜的抗拉强度有所降低。瓜尔胶浓度由0.15%到0.25%，复合膜的抗拉强度呈现增大的趋势，这可能是由于大豆分离蛋白体系中加入瓜尔胶后发生了氢键或疏水等相互作用，改变了蛋白原来的结构，形成新的立体网络结构，随着瓜尔胶浓度的增大，新的网络结构越来越致密，最终使复合膜的抗拉强度增大。

2.1.2 pH对大豆分离蛋白复合膜抗拉强度的影响取大豆分离蛋白浓度3、4、5、6%w/v复合膜抗拉强度最大的5%w/v浓度作为pH影响因子的后续研究浓度。取瓜尔胶浓度为0.20%w/v以及甘油浓度为1.5%w/v得到在不同pH条件下的复合膜IG-6、IG-7、IG-8、IG-9、IG-10，测得相应膜的抗拉强度随pH的变化柱状图如图2。从柱状图分析可以得出，在pH大于7.0情况下，随着pH增大，复合膜的抗拉强度稍有增大，这与莫文敏等人研究的结果一致[6]。这是由于随着成膜液碱性增强，结合受热条件，蛋白变性更加明显，蛋白分子结构发生重组，这有助于形成紧密的空间网络结构，最终使复合膜的抗拉强度增大。

2.1.3 甘油浓度对大豆分离蛋白膜抗拉强度的影响图3表示的是随着复合膜IGG-1、IGG-1.5、IGG-2、IGG-3材料中添加甘油量的增加其抗拉强度的变化柱状图，在大豆分离蛋白复合膜中，甘油添加量为0.50%w/v时不能成膜，所以选取甘油浓度1.0、1.5、2.0和3.0%w/v进行试验。图可以看出，随着添加增塑剂甘油量的增加，膜的抗拉强度是降低的，这是因为甘油是一种多羟基物质，含量增加，单位体积羟基的数目增多，结合水分子的数目也增多，使膜中蛋白质相对含量下降，削弱了其分子间的相互作用，结构变差，膜的致密性下降[7]。

2.2 大豆分离蛋白复合膜IG断裂伸长率的研究

2.2.1 大豆分离蛋白和瓜尔胶浓度对复合膜断裂伸长率的影响

图4表示的是不同大豆分离蛋白浓度以及不同瓜尔胶浓度条件下复合膜IG3-0、IG4-0，IG5-0、IG6-0；IG3-3、IG4-3、IG5-3、 IG6-3；IG3-4、IG4-4、IG5-4、IG6-4；IG3-5、IG4-5、IG5-5、IG6-5的断裂伸长率变化柱状图。由图可以看出，随着大豆分离蛋白浓度由3.0%w/v增大到5.0%w/v，同等瓜尔胶浓度条件下比较，复合膜的断裂伸长率是降低的。但当蛋白浓度达到6.0%w/v时，各种不同瓜尔胶浓度复合膜的断裂伸长率增大。另外，当大豆分离蛋白浓度一定时，随着瓜尔胶浓度的增大（0.15~0.25%w/v）复合膜的断裂伸长率是下降的（大豆分离蛋白浓度6.0%w/v对应复合膜除外），这可能是由于瓜尔胶与大豆分离蛋白经微弱的氢键或疏水相互作用改变了大豆分离蛋白原来致密的机构，形成比较疏松的结构，由于这种作用比较微弱，而使断裂伸长率降低。

2.2.2 pH对大豆分离蛋白复合膜断裂伸长率的影响图5表示的是随着大豆分离蛋白复合膜IG-6、IG-7、IG-8、IG-9、IG-10成膜溶液的pH变化，复合膜断裂伸长率的变化柱状图。由图可以看出，随着pH由6.0变化到10.0，复合膜的断裂伸长率成递增的趋势，这是因为，随着溶液碱性增强，大豆分离蛋白变性明显，这对于膜的机械强度改善是有利的，断裂伸长率的增加，意味着大豆分离蛋白经变性后其原来的分子内和分子间氢键受到破坏，增大了分子空间的流动性，因此复合膜的柔韧性增大，断裂伸长率增大。

2.2.3 甘油含量对大豆分离蛋白复合膜断裂伸长率的影响图6表示的大豆分离蛋白-瓜尔胶复合膜IGG-1、IGG-1.5、IGG-2、IGG-3在增塑剂浓度由1.0% w/v逐渐增大到3.0%w/v时，相应膜的断裂伸长率变化柱状图，并且发现随着增塑剂甘油浓度的增大，复合膜的断裂伸长率明显增大，甚至当甘油浓度为3.0%w/v时，复合膜的断裂伸长率增至111.43%。这是因为甘油作为小分子穿插与大豆分离蛋白分子的立体结构中，对膜的柔韧性起了很关键的作用，所以膜的断裂伸长率随着甘油浓度的增大而增大。

3小结

3.1 给定实验条件下，蛋白浓度为5%w/v时复合膜的抗拉强度最大，且随着瓜尔胶在复合膜中含量的增加，其抗拉强度是增大的；随着pH由7.0变化到10.0，复合膜的抗拉强度是增大的；随着甘油含量的增大，复合膜的抗拉强度是降低的。

3.2 在给定实验条件下，蛋白浓度为5%w/v时复合膜的断裂伸长率最小，且随着瓜尔胶在复合膜中含量的增加，其断裂伸长率是降低的（复合膜中蛋白浓度为3、4、5%w/v时）；随着pH由6.0变化到10.0，复合膜的断裂伸长率是增大的；随着甘油含量的增大，复合膜的断裂伸长率是增大的。

参考文献：

[1]Tang C.H., Jiang Y.，Wen Q.B.，Yang X.Q.2005. Effect of transgluta-minase treatment on the properties of cast films of soy protein isolates.Journal of Biotechnology，120（3）:296-307.

[2]Cao N.，Fu Y.，He J.2007. Preparation and physical properties of soy protein isolate and gelatin composite films.Food Hydrocolloids，21（7）:1153-1162.

[3]Kumar R.，Zhang L.2008. Water-induced hydrophobicity of soy protein materials containing 2，2-diphenyl-2-hydroxyethanoic acid.Biomacromolecules， 9（9）:2430-2437.

[4]汪学荣，阚建全，汪水平.2008.可食性大豆分离蛋白膜的制膜工艺研究[J].食品科学.29（05）：153-158.

[5]莫文敏，曾庆孝，张孝祺.2001.热处理和碱处理对可食性大豆分离蛋白膜性能的影响.食品工业科技，22（3）:22-24.

[6]李建昌，李静茹.2006.大豆分离蛋白膜工艺参数的设计[J].粮油食品科技，14（3）:27-28.

推荐访问： 大豆 蛋白 分离 复合膜 研究

---