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1、大豆分离蛋白-酶改性胡萝卜纤维可食性复合膜性能的研究中国农业科技导报,2010,12(1):6671JournalofAgriculturalScienceandTechnology大豆分离蛋白/酶改性胡萝卜纤维可食性复合膜性能的研究刘欢,王新伟,孙秀秀,连紫璇,吕红菊,李明,钟恬,马中苏(吉林大学生物与农业工程学院,长春130025)摘要:将大豆分离蛋白(SPI)与酶改性胡萝卜纤维(cF)复合制备可食膜,研究cF质量分数,纤维素酶浓度和酶促反应时间3个素对町食膜膜性能的影响,分析SPI和cF的复合反应以及纤维素酶改性cF过程的作用机理.结果表明,3个因素对可食膜性能具有显着影响(P<0
2、.05).随着CF质量分数的增大(025%),抗张强度()增大,断裂伸长率()减小,水蒸气透过系数(WVP)先减小后增大;当cF质量分数增到16.7%时,WVP减小到最小值.随着纤维素酶浓度的增大或维素酶反应时间的延长,和均先增大后减小,WVP减小;当纤维素酶的浓度为0.2mg/mL时,或当处理时间达到1h时,和最大,WVP变化趋于稳定.关键词:可食膜;大豆分离蛋白;胡萝卜纤维;纤维素酶doi:10.3969/j.issn.1008-0864.2010.01.12中图分类号:TS206.4文献标识码:A文章编号:1008-0864(2010)01-0066-06StudiesonEdibleM
3、embranePropertyofSoyProteinIsolateandCellulaseModifiedCarrotFiberLIUHuan,WANGXinwei,SUNXiuxiu,LIANZixuan,LVHong-ju,LIMing,ZHONGTian,MAZhongSU(SchoolofBiologicalandAgriculturalEngineering,JilinUniversity,Changchun130025,China)Abstract:Inthispaper,ediblemembranesmadefromsoyproteinisolate(SPI)andcellul
4、asemodifiedcarrotfiber(CF)weretakenasmaterialtostudytheeffectofthreefactors:CFcontent,cellulaseconcentration.enzymereactiontime,onediblemembranepropey;toanalyzethecompositereactionofSPIandCFandthemechanismofcelluasemodifiedCF.Theresultshowedthatthe3factorshadsignificantimpactonediblemembraneproperti
5、es(P<0.05).WiththeincreaseofCFcontent(O一25%),thetensilestrength()increasedandelongation(E)decreased,whilepermeabilityindex(WVP)firstlydecreasedandthenincreased.WhenCFcontentreached16.7%.redueedtominimum.Witbtheaugmentationofcellulaseconcentrationorprolongationofcellulasereactiontime.andEfirstlyin
6、creased,thendecreased.andWVPdecreased.Whencellulaseconcentrationreached0.2mg/mL.orcellulasereactiontimewas1h.andEweremaximumandthechangeofWVPbecamestable.Keywords:ediblefilms;soyproteinisolate;carrotfiber;cellulase可食膜是以可食性生物大分子物质(如多糖,蛋白质和脂类)及其衍生物为主要基质J,辅以可食性添加剂,经过加工后形成一种具有一定工程性质的薄膜.因为可食膜特有的阻隔性,安全性,无
7、环境污染等优点,使其在食品和药品的包装领域中具有广阔的开发前景l4J.目前,可食性膜的研究主要集中在优化其组份和工艺配方,以及提高膜的性能(机械性能,阻气性和热封性等).等方面.大豆蛋白分子中存在大量的氢键,疏水键,离子键等,使得大豆蛋白具有较好的成膜性能和良好的阻隔气体与油的特性,但由于蛋白质的亲水收稿日期:200911-02;修回日期:200912-04基金项目:国家863计划项目(2008AA10Z308);吉林省科技发展计划项目(20060717)资助.作者简介:刘欢,博士研究生,主要从事可食膜的研究.E-mail:liuhuan800331yahoo.Cll.通讯作者:马中苏,教授,
8、博士生导师,研究方向为可食性生物聚合材料.Email:l期刘欢等:大分离蛋/酶改性胡萝卜纤维可食复合膜性能的研究67性,导致膜的阻湿和机械性能较差,限制了它在食品包装材料中的应用.唐传核等用转谷胺酰胺酶对大豆分离蛋白(SPI)进行改性,酶改性后添加不同种类增塑剂的sPI膜疏水性增大,使膜在成膜过程中水分损失率降低.Rhim等发现由于非极性部分的SDS分子进入蛋白质分子,并中断其疏水氨基酸残基之间的连接,使十二烷基硫酸钠(SDS)能够提高SPI膜的阻水性和延展性.曹娜等将明胶与SPI复合,发现随着明胶含量的增大,膜的机械性能得到提高,膜的透光率也有所增大.纤维素分子的带状构象和紧密的片层结构使纤
9、维素具有很强的机械强度,可以提高包装材料阻隔性和机械性能.全球每年利用植物可生产数千亿t的纤维素,若能有效和充分地利用这一宝贵资源,将带来一定的经济效益.目前,对纤维的研究主要集中于木材和麦秆等材料中锄.酶改性纤维已成为纤维改性的生物技术手段之一.研究表明,经纤维素酶处理后,纤维素聚合度降低,纤维问的结合力增强,在不影响使用性能的情况下能提高纤维素的反应能力船.从胡萝卜深加工废弃物中提取出不溶性纤维作为生产原料,可以节约产品成本川.同时,胡萝卜不溶性纤维有很多功能特性,如对人体具有降血糖,血脂和胆固醇的作用等,增加了可食膜的营养价值.本文主要采用胡萝卜渣作为原材料,从中提取纤维(CF)并对其进
10、行酶改性,研究CF质量分数,纤维素酶浓度和酶促反应时问对可食膜性能的影响,分析SPI和CF的复合反应以及纤维素酶改性CF过程的作用机理.1材料与方法1.1材料及仪器SPI:大豆分离蛋白,一级品,含量>95%;CF:自制;甘油,柠檬酸,醋酸,氢氧化钠,盐酸均为分析纯;纤维素酶:1万IU/g,南宁东恒华道生物科技有限责任公司生产.有机玻璃成膜器(20cmX20cm);FA25型高剪切分散乳化机;HJ4型多头磁力搅拌器;GB一303型电子天平;SHZD(m)型循环水式真空泵;KFG-O1型电热恒温鼓风干燥箱;螺旋测微器;调温,调湿箱;XL一50A型拉伸性能试验机.1.2膜制备工艺流程1.2.1
11、SPI改l#-SPI于80加热40min溶解,加入tj油(1.5%,V/V),65保温15min.1.2.2CF制备取500g胡萝卜洗净,切块,然后在IO0C水中煮沸10min,捞出后在打浆机中打浆,压榨过滤,滤渣与水按质量比1:2混合,用10%盐酸调节料液的pH为1.5,于85C下浸提2.0h,过滤,热水洗涤滤渣,合并滤液用于提取果胶,滤渣水洗至中性.按料液比1g:10mL加入10%NaOH溶液,室温浸提20h,用滤布过滤,滤液经3000r/rain离心10rain,提取半纤维素,滤渣用水洗除碱,加入等量次氯酸钠,再用50%醋酸调节pH至67,加热1h,冷却至室温,过滤,用95%酒精洗涤,干
12、燥后即得纤维素拍.1.2.3CF改性CF中加入纤维素酶溶液(用pH为5.3柠檬酸缓冲液配制),在50C下反应,80cc加热30rain终止反应,调pH为7.1.2.4膜制备工艺流程改性SPI中加入改性CF,10000r/rain,2rain均质,0.09MPa下抽真空脱气,有机玻璃成膜器流延成膜,干燥,成品保存于干燥器中待测性能.1.2.5测试前的膜处理条件温度为232oC,相对湿度(RH)为50%5%,处理时间为6h.1.3试验设计本试验采用CF质量分数,纤维素酶浓度和纤维素酶促反应时间3个试验因素进行试验,其中,每个因素设5个水平,进行3次重复.CF质量分数设0,8.3%,16.7%,25
13、%和33.3%共5个水平即SPI与CF质量配比分别为3:0,2.75:0.25,2.5:0.5,2.25:0.75和2:1;纤维素酶浓度水平设0,0.1rag/mL,0.2mg/mL,0.3rag/mL和0.4mg/mL;纤维素酶促反应时问为0,0.5h,1h,1.5h和2h.1.4测试指标1.4.1膜厚()采用接触测量法,用螺旋测微器在被测膜上随机取点测定膜厚(d),取平均值,单位为mm.1.4.2抗张强度()和断裂仲长率(E)测试方法按照GB1302291,采用长条型试样,试样宽度20mm,标距150mm,试验速度50mm/min,用拉力试验机(XL一50A型,广州试验机厂)在室温中国农业
14、科技导报12卷条件下测定.1.4.3水蒸气透过系数(WVP)按照GB10371988塑料薄膜和片材透水蒸气性试验方法杯式法测定.1.5统计分析应用DPS软件对试验结果进行统计分析.2结果与分析2.1CF质量分数对膜性能的影响在甘油添加量为1.5%,纤维素酶浓度0.2mg/mL,纤维素酶反应时间1h的情况下,对膜的,E和WVP进行测定,比较CF质量分数不同时三者的变化趋势,实验结果如表1所示.随着cF质量分数的增大,先增大后减小,当cF质量分数为25%时,膜的达到最大值,为26.9MPa.CF质量分数的变化(025%)导致值存在显着性变化(P<0.05).这是因为纤维素含有大量的羟基,与S
15、P1分子链上羧基和氨基以化学键相结合,使膜形成时高分子链间的相互作用增强,分子问交联更紧密,膜的致密性与连续性增大,形成一个良好的刚性网络结构.但随着cF质量分数的进一步增大(CF质量分数>25%),纤维素分子链内和分子链间的氢键作用在膜结构中起主导作用,破坏了网络结构,使减小表1CF质量分数对膜性能的影响Table1EffectsofCFcontentOilpropertiesoffilm注:每个数值都是3次重复试验的平均值和标准偏差.在同一列数据中,不同的字母表示差异显着(P<0.05).Note?eachvalueisthemeanofthreereplicateswitht
16、hestandarddeviation.AnytwomeansinthesamecolumnfollowedbydifferentletteraIesignificantlydifferent(P<0.05).随着CF质量分数的增大,E逐渐减小(P<0.05).在拉伸试验中发现,CF质量分数为33.3%的膜发生断裂破坏时,几乎没有出现屈服现象,破坏发生迅速,且断面平整,表现出脆性断裂;而CF质量分数为0,8.3%,16.7%和25%时的膜断口周围有微白色的裂纹,表现出塑性断裂.纤维素添加使高分子链在分子内和分子问形成氢键,由于氢键的作用而使分子链的刚性增大,膜的连续性和柔韧性降低,
17、分子链段的活动能力减弱.聚合物材料大分子链的柔韧性越好,链段活动能力越强,则材料的越大,反之E越小.因此,随CF质量分数的增大,膜的不断减小.随CF质量分数的增大,WVP先减小后增大.CF质量分数为8.3%,16.7%,25%和33.3%时WVP低于CF质量分数为0时的WVP(P<0.05).当CF质量分数增到16.7%时,WVP下降到最小值,继续增大cF的质量分数,WVP随之增大.蛋白膜虽然具有良好的阻气性和阻油性,但由于它的亲水性,导致膜的阻湿性较差.纤维素的添加,可以改善膜阻湿性,这是因为纤维素含有大量的羟基,与SP/分子链上羧基和氨基以化学键相结合,使膜的结构更加致密,网络结构更
18、加紧凑,从而改善膜的阻湿性.但随着CF质量分数的增大,紧凑网络结构被破坏,使迅速增大.2.2纤维素酶浓度对膜性能的影响在甘油添加量为1.5%,CF质量分数16.7%,纤维素酶反应时间1h条件下,对膜的,E和WVP进行测定,比较不同纤维素酶浓度时三者的变化趋势,实验结果如表2所示.随着纤维素酶浓度的增大,先增大后减小(P<0.05).当纤维素酶的浓度为0.2mg/mL时,最大.改性纤维素涉及到一组复合的纤维素酶作用过程,必须依靠cx酶,c1酶和B一葡萄糖苷酶3种组分的协同作用才能完成.纤维素酶cx作用于纤维素表面,长链纤维素分子末端l期刘欢等:大豆分离蛋白/酶改性胡萝卜纤维可食件复合膜性能
19、的研究69注:每个数值都是三次重复试验的平均值和标准偏差.在同一列数据中,不同的字母表示差异显着(P<0.05).Note:Eachvalueisthemeanofthreereplicateswiththestandarddeviation.Datainthesamecolumnfollowedbydifferentletteraresignificantlydifferent(P<0.05).部分游离和暴露,使纤维素葡萄糖基环上游离羟基反应活性和反应物到达纤维素分子上羟基的可及度增加,即SP1分子链羧基和氨基与CF羟基以化学键结合更容易,从而可形成致密的刚性网络结构.宏观表现为
20、膜的增大.但随着纤维素酶浓度的增大,短链纤维素的增多,在c1酶和13一葡萄糖苷酶作用下的酶促反应明显加强,一小部分短链纤维素被分解为葡萄糖分子,膜结构破坏,减小.随着纤维素酶浓度的增大,E先增加后减小.纤维素酶浓度为0.1mg/mL,0.2mg/mL,0.3mg/mL和0.4mg/mL时E高于纤维素酶浓度为0时的E值(P<0.05).纤维高分子链越长,内旋转氢键的数目越多,分子的刚性变小,分子链段的活动能力增强.因此,长链纤维素反应活性增加,与SPI化学键结合更容易,使膜的E增加.但随着纤维素酶浓度继续增大,长链高分子被分解,短链纤维素和葡萄糖分子数目增多,膜的连续性和柔韧性降低,使E减
21、小.随着纤维素酶浓度的增大,减小.纤维素酶浓度为0.1rag/mL,0.2rag/mL,0.3mg/mL和0.4mg/mL时WVP低于纤维素酶浓度为0时1VVP(P<0.05).加入纤维素酶后,SP1分子链羧基和氨基与CF羟基以化学键结合更容易,使膜的结构更加致密,网络结构更加紧凑,从而改善可食膜的阻湿性,即WVP随CF酶浓度的增大而减小.但随着纤维素酶浓度增大到一定值(0.2rag/mE)后,纤维素酶cx的底物浓度下降,与底物反应的效率下降,反应达到相对平衡状态,WVP变化趋于稳定.2.3纤维素酶反应时间对膜性能的影响在甘油添加量为1.5%,CF质量分数16.7%,纤维素酶浓度0.2m
22、g/mL的情况下,对膜的,E和WVP进行测定,比较不同纤维素酶反应时间时三者的变化趋势,实验结果如表3所示.随着纤维素酶反应时间的延长,先增大后减小,存在显着性差异(P<0.05);当纤维素酶反应时间为1h时,最大.反应初期纤维素酶只作用于纤维表面,纤维素酶Cx起主导作用,纤维素葡萄糖基环上游离羟基反应活性和反应物表3纤维素酶反应时间对膜性能的影响Table3Effectsofcellulasereactiontimeonpropertiesoffilm注:每个数值都是三次重复试验的平均值和标准偏差.在同一列数据中,不同的字母表示差异显着(P<0.05).Note:Eachvalu
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