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第 30 卷 第 11 期 农 业 工 程 学 报 Vol.30 No.11 2014 年 6 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jun.2014 261 不同类糖接枝改性对花生蛋白膜物理性质的影响 林伟静，刘红芝，刘 丽，石爱民，胡 晖，王 强（中国农业科学院农产品加工研究所/农业部农产品加工综合性重点实验室，北京 100193）摘 要：为了改善花生蛋白膜的性能，利用不同小分子糖对花生蛋白进行接枝改性并将改性蛋白制备成膜，分析了糖接枝对花生蛋白膜的强度、延伸性、透光性、溶解性等物理性质的影响。结果表明：糖类物质能提高花生蛋白膜的拉伸强度，其中木糖改性后蛋白膜强度最高，达未经改性花生蛋白对照膜的 1.77 倍；葡萄糖对蛋白膜的延伸性影响最大，断裂延伸率最高，达对照膜的 1.92 倍；木糖能改善花生蛋白膜的耐水性，使膜的溶解性显著下降。综合来看，木糖接枝改善花生蛋白膜性能的效果较好，当蛋白/木糖质量比为 10 时，蛋白膜拉伸强度为 1.48 MPa，断裂延伸率为 218.92%，溶解性 60.80%，蛋白膜浸泡 24 h 后仍保持完整膜状态。该研究为花生蛋白膜的性能改善以及进一步开发利用提供理论依据。关键词：膜；物理性质；蛋白；花生；蛋白膜；糖接枝 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2014.11.032 中图分类号：TS206.4；TS201.2 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2014)-11-0261-07 林伟静，刘红芝，刘 丽，等.不同类糖接枝改性对花生蛋白膜物理性质的影响J.农业工程学报，2014，30(11)：261267.Lin Weijing,Liu Hongzhi,Liu Li,et al.Effect of different sugars grafting on physical properties of peanut protein filmJ.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2014,30(11):261267.(in Chinese with English abstract)0 引 言 可食性膜是指以天然可食性物质为原料，通过不同分子间相互作用而形成的具有多孔网络结构的薄膜，具有可降解、可再生、无污染等优点1。蛋白、多糖、脂类等天然生物聚合物已被用于制备可食膜2，其中以蛋白为基料的可食性膜成本低，同时由于蛋白质分子间存在强烈的交联作用，使蛋白膜的机械性能和阻隔性能优于多糖膜或脂肪膜3，因此备受人们关注。近年来，国内外对乳清蛋白、大豆蛋白膜进行了较深入、全面的研究4-6，并初步对其他植物蛋白膜如花生7-8、小麦9、豆类10、南瓜11-12、高粱13、葵花籽14等进行了探讨。花生粕是花生榨油过程中产生的副产物，2012年中国花生粕产量高达 300 万 t，但目前主要用作动物饲料，应用价值较低。花生粕中蛋白质质量分数约为 45%，具有成本低、来源广等特点使其成为 收稿日期：2014-03-14 修订日期：2014-05-08 基金项目：“十二五”国家科技支撑计划（2012BAD29B03）和中国农业科学院科技创新工程联合资助。作者简介：林伟静（1985），女，博士生，主要从事粮油加工研究。北京 中国农业科学院农产品加工研究所，100193。Email： 通信作者：王 强（1965），男，研究员，主要从事粮油加工与功能食品研究。北京 中国农业科学院农产品加工研究所，100193。Email： 制备蛋白膜的良好原料8。但是，由于植物蛋白含有较多的亲水基团，使蛋白膜亲水性较强15，同时蛋白分子链之间的相互作用较强，蛋白质基质间的空隙较小，缺乏柔韧性，使蛋白膜具有脆性大的特点，共同导致蛋白膜加工性能较差，限制了其生产应用。因此需对花生蛋白进行改性，Popovi 等16指出添加单糖或者双糖对改善蛋白膜耐水性差、脆性大等缺点具有一定作用。因为小分子糖可作为增塑剂，减弱分子链间的相互作用，从而增加蛋白膜的柔韧性17；此外，蛋白质与糖类物质发生的羰氨缩合使蛋白分子得到一定程度的伸展，内部的疏水基团、巯基进一步暴露，促使蛋白分子成膜时发生交联，分子间的作用力加强，蛋白空间网状结构紧密，从而改善蛋白膜的机械性能和耐水性。研究发现，木糖、半乳糖、葡萄糖、蔗糖等对乳清蛋白膜、玉米醇溶蛋白膜、大豆蛋白膜等具有增加强度、提高延伸性、改善耐水性等作用18-20，但是小分子糖对花生蛋白及其膜性能的影响尚不明确。本研究以花生粕为原料，提取其中的花生分离蛋白（peanut protein isolate，PPI）并制备蛋白膜，有利于花生副产物的综合利用，同时提高花生粕的附加值；研究不同小分子糖类物质接枝改性对花生蛋白膜的机械性能、耐水性等物理性质的影响，确定能有效改善花生蛋白膜性能的糖类物质，及其对花生蛋白膜物理性质的增强效果，以期为花生蛋白农业工程学报 2014 年 262 膜的进一步开发与利用提供依据。1 材料与方法 1.1 试验材料 花生蛋白粉（由花生粕粉碎而成，粉碎粒度为100 目，蛋白质量分数为 45.90%），山东蓝山集团总公司；木糖、甘露糖、葡萄糖、半乳糖、乳糖、蔗糖、甘油，均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司。1.2 仪器设备 90-4 型数显控温磁力搅拌器（上海振荣科学仪器有限公司）；PB-10 型 pH 计（赛多利斯科学仪器北京有限公司）；LXJ IIB 型低速大容量多管离心机（上海安亭科学仪器厂）；B-290 小型喷雾干燥机（瑞士 BUCHI 公司）；Dhg-9240A 型烘箱（上海精宏实验仪器有限公司）；UV-1201 紫外可见分光光度计（北京北分天普仪器技术有限公司）；TA-XT2i 型物性测试仪（英国 Stable Micro Systems公司）。1.3 试验方法 1.3.1 花生分离蛋白的制备 花生分离蛋白的制备参照 He 等21的方法，具体工艺流程如下：花 生 蛋 白 粉 去 离 子 水 调 浆（料 液 比100:1 g/L）用 1 mol/L NaOH 调至 pH 值为 9.0 25下搅拌 2 h4 200 r/min 下离心 10 min收集滤液用 1 mol/L HCl 调至 pH 值为 4.5静置30 min4 200 r/min 下离心 10 min收集沉淀 洗涤沉淀至中性加水复溶使溶液中蛋白质量分数约为 10%喷雾干燥（进口温度 140，出口温度 70）花生分离蛋白 PPI（蛋白质量分数为90.44%）1.3.2 花生蛋白糖接枝及膜的制备 花生蛋白糖接枝改性参照 Soininen 等4的方法并稍作改良。分别配制质量浓度 100 g/L PPI 溶液和100 g/L 的各种糖溶液（木糖、甘露糖、乳糖、半乳糖、葡萄糖、蔗糖）。将不同量的 PPI 溶液和糖液混合，使 PPI/糖质量比为 5、10、20、50、100，并补水使 PPI 最终浓度为 50 g/L。根据糖种类将添加木糖、甘露糖、乳糖、半乳糖、葡萄糖和蔗糖的 PPI分组为 X、M、L、Ga、G 和 S 组，根据 PPI/糖质量比又将其细分为 X-5、X-10、X-20、X-50、X-100、M-5、M-10 等。分别将各组溶液混合均匀后在 70水浴加热 2 h 进行接枝反应，用 4冷水迅速降温至25终止反应后得到不同糖类接枝改性的蛋白液。花生蛋白膜的制备参照刘媛媛等7的方法。按照蛋白质量分数的 25%向各组改性蛋白液中添加甘油，混匀后倒入平板，60干燥 1 h。平板置于盛有饱和溴化钠溶液（相对湿度 58%）的干燥器内，25放置 48 h 后揭膜测定。相同条件下，以质量浓度为 50 g/L PPI 溶液不添加糖在 70水浴加热 2 h后，在相同制膜条件下制备无糖对照膜。1.3.3 机械性能测定 膜的拉伸强度（tensile strength，TS）和断裂延伸率（elongation at break，EB）参照 GB 13022-1991测定。1.3.4 透光性 透光性的测定参照 Shi 等22的方法，将蛋白膜裁剪成长约 40 mm 宽 10 mm 的长方形贴于比色皿内壁，扫描膜在 400900 nm范围内的吸光值图谱，以峰下面积表示蛋白膜的透光性，面积越大透光性越差。1.3.5 含水率及溶解性 将膜样品称量质量后（w1，g），在 70下干燥 24 h 至恒定质量，再称量质量（w2，g）。计算出湿基含水率（water cotent,WC）：WC（%）=（w1-w2）/w1100%；取另一膜样品（2 cm2 cm）称量质量（w3，g）后置于盛有 10 mL 蒸馏水的离心管中，在 25下震荡24 h后4 200 r/min下离心15 min，沉淀膜块在70 下干燥 24 h 至恒定质量（w4，g），得到不溶性干物质。溶解性以总可溶性固形物含量（total soluble matter，TSM）表示，按以下公式计算：()43TSM%1100%100WC（）（）=ww 此外，将膜块（2 cm2 cm）浸没于盛有蒸馏水的烧杯中，在浸泡不同时间后观察膜的状态。1.4 数据处理分析 采用 Microsoft Excel 软件进行数据整理，采用 DPS 软件包中的 Tuckey 检验进行显著性分析，取=0.05。测定重复次数 n=3。2 结果与分析 2.1 各组糖接枝改性对花生蛋白膜拉伸强度的影响 糖接枝改性对花生蛋白膜拉伸强度（TS）具有一定的提高作用（图 1），其中木糖的影响最显著（TS 是未改性 PPI 对照膜的 1.011.77 倍），其次为甘露糖（TS 是对照膜的 1.101.63 倍），而乳糖对蛋白膜强度无显著影响（P0.05），这可能与不同糖与蛋白质发生美拉德反应的活性与速度有关23。吴惠玲等24对比木糖、半乳糖、葡萄糖、蔗糖等对美拉德反应的影响时发现，各种糖与赖氨酸反应的活性木糖最强，而蔗糖最弱，与本研究结果基本一致。这是因为木糖是五碳糖，相对于半乳糖、葡萄第 11 期 林伟静等：不同类糖接枝改性对花生蛋白膜物理性质的影响 263 糖等六碳糖来说，其碳链较短，碳架空间位阻效应小，更易发生美拉德反应；乳糖是还原性双糖，但因分子量相对较大，故反应较慢，而蔗糖是非还原糖，不参与美拉德反应。图 1 糖接枝改性对花生蛋白膜拉伸强度的影响 Fig.1 Effects of sugar grafting on tensile strength of peanut protein films 木糖和甘露糖对蛋白膜强度的作用总体上随着糖浓度的增加而增加，其中 X-50 蛋白膜强度为1.38 MPa，显著高于对照膜 0.84 MPa（P0.05），但随着糖浓度增加，当 PPI/糖质量比低于 10 时，X-5 蛋白膜强度呈下降趋势；甘露糖改性蛋白膜中以 M-5 强度最高，达 1.37 MPa；低浓度的半乳糖对蛋白膜的强度具有提高作用，其中 Ga-10的 TS 最高为 1.07 MPa，但随着糖浓度增加，Ga-5蛋白膜强度呈下降趋势；而葡萄糖和蔗糖在低浓度时（G-100 和 S-100）花生蛋白膜的强度已有所提高，分别是 PPI 对照膜的 1.30 和 1.27 倍，糖浓度的增加使蛋白膜强度略有下降，但是不同浓度间无显著影响（P0.05）。这是由于在用量水平较低时，糖类物质的添加使蛋白质分子间的相互作用加强，从而使网络结构变得紧密，但是进一步增加糖用量，过量的糖分子进入蛋白质的三维网络结构后插入到蛋白质分子间，使体系中蛋白质分子间的空隙增大、相互作用减弱，导致蛋白膜强度有所下降20。张曦等18和 Ghanbarzadeh 等19分别研究了木糖对乳清蛋白及半乳糖对玉米醇溶蛋白膜强度的影响，发现当乳清蛋白/木糖质量比值为 4、玉米醇溶蛋白/半乳糖质量比值为 2 时，蛋白膜强度有所提高，但随着木糖或半乳糖含量增加，膜强度呈下降趋势，与本研究结果一致。2.2 各组糖接枝改性对花生蛋白膜延伸性的影响 葡萄糖对花生蛋白膜的延伸性影响最大（图2），EB 最高（255.22%）达对照膜的 1.92 倍；其次为木糖，X-10 和 X-20 蛋白膜 EB（218.92%和220.54%）分别是 PPI 对照膜的 1.66 和 1.67 倍。各种小分子糖对蛋白膜延伸性的影响基本随糖浓度的增加而增加，因为小分子糖插入到蛋白质分子链之间，使分子间的作用力减弱，从而增加分子链的移动性和润滑性，因此使膜的柔韧性和延展性得到增强25，但当 PPI/糖质量比低于 10，X-5、M-5、L-5 和 Ga-5 蛋白膜 EB 呈下降趋势。Ghanbarzadeh等19发现当果糖占玉米醇溶蛋白的质量分数从0.7 g/g 蛋白增加至 1.0 g/g 蛋白，玉米醇溶蛋白膜的延伸性有所下降，这可能是由于含量过高的糖分子使蛋白质分子间的间隙过度增加，导致蛋白质间的相互作用被过度弱化，最终对膜的延伸性产生负面影响。图 2 糖接枝改性对花生蛋白膜延伸性的影响 Fig.2 Effects of sugar grafting on elongation at break of peanut protein films 2.3 各组糖接枝改性对花生蛋白膜透光性的影响 糖类物质与蛋白质发生美拉德反应使蛋白膜颜色发生改变，从而影响膜的透光性（以膜的吸收峰面积表示，面积越大透光性越差）。不同种类小分子糖接枝改性对花生蛋白膜透光性的影响见表1，其中 PPI 对照膜的吸收峰面积为 113.0711.16。甘露糖、乳糖、葡萄糖和蔗糖的添加虽然使蛋白膜的透光性略有下降，但与 PPI 对照膜相比无显著差异（P0.05）；木糖和半乳糖对透光性的影响较大，改性后蛋白膜透光性均有所下降，且透光性随糖浓度的增加而降低，当花生分离蛋白/木糖质量比为100、50、20、10、5 时，蛋白膜的吸收峰面积分别为 118.17、120.50、134.03、126.01 和 139.51，而经半乳糖改性的蛋白膜吸收峰面积的变化范围则为 118.84141.83。蛋白膜透光性的变化与美拉德反应的程度有关，研究表明26，美拉德反应与反应农业工程学报 2014 年 264 物浓度成正比，且与糖的种类有关：单糖的美拉德反应速度，五碳糖约是六碳糖的 10 倍，六碳糖中半乳糖甘露糖葡萄糖；还原性双糖类，因其分子比较大，故反应比较缓慢。吴惠玲等24对比不同糖类对美拉德反应的影响时发现，各种糖与赖氨酸反应的活性依次为木糖半乳糖葡萄糖蔗糖，且反应速度随糖浓度的增加而增加，与本文结果基本一致。表 1 糖接枝改性对花生蛋白膜透光性的影响 Table 1 Effects of sugar grafting on opacity of peanut protein films 花生分离蛋白/糖质量比 Mass ratio of peanut protein isolate to sugar 糖种类 Sugars 无糖对照膜 Peanut protein film without sugar 100:1 50:1 20:1 10:1 5:1 木糖 Xylose 113.0711.16b 118.1715.77b 120.508.71b 134.030.92ab 126.0111.10ab 139.5113.95a 甘露糖 Mannose 113.0711.16a 104.625.12a 123.805.66a 121.1413.45a 107.675.83a 125.267.17a 乳糖 Lactose 113.0711.16a 122.9328.15a 126.354.70a 133.1430.14a 137.840.46a 137.973.33a 半乳糖 Galactose 113.0711.16b 118.8418.91b 135.541.96ab 135.942.41ab 124.7313.72ab 141.831.29a 葡萄糖 Glucose 113.0711.16a 113.8311.16a 116.912.63a 115.825.24a 122.0223.12a 122.855.23a 蔗糖 Sucrose 113.0711.16a 122.091.48a 126.5918.60a 125.132.51a 123.4514.08a 135.3210.55a 注：同一行中的不同英文字母表示在 0.05 水平上的差异显著性。表中透光性用吸收峰面积表示。Note:Different letters in same row indicate significant(p0.05）；因为花生蛋白和小分子糖中均含有大量游离羟基，亲水性强，因此蛋白膜的耐水性较差，易于溶解。而添加木糖后的花生蛋白膜溶解性显著下降（P0.05）。虽添加木糖后体系的亲水性增强，但是由于木糖能快速、充分与花生蛋白发生美拉德反应，使蛋白中的疏水性基团暴露，并促进分子间的作用力加强，减少蛋白中的缝隙和空洞使结构变得紧密，从而提高花生蛋白膜的耐水性27。表 2 糖接枝改性对花生蛋白膜溶解性的影响 Table 2 Effects of sugar grafting on solubility of peanut protein films%花生分离蛋白/糖质量比 Mass ratio of peanut protein isolate to sugar 糖种类 Sugars 100:1 50:1 20:1 10:1 5:1 木糖 Xylose 91.400.60a 80.946.18b 74.812.40c 60.802.24d 64.470.96d 甘露糖 Mannose 96.370.30a 95.361.14a 94.451.03a 96.551.54a 94.102.55a 乳糖 Lactose 94.751.15a 95.291.36a 95.190.23a 95.061.84a 96.420.88a 半乳糖 Galactose 96.981.72a 96.240.47a 97.311.18a 96.860.46a 96.453.44a 葡萄糖 Glucose 93.802.27a 96.260.99a 95.031.75a 96.973.15a 96.582.06a 蔗糖 Sucrose 97.891.37a 97.650.69a 97.502.11a 96.191.62a 95.330.61a 注：同一行中的不同英文字母表示在 0.05 水平上的差异显著性。表中溶解性以总可溶性固形物（TSM）表示，%。Note:Different letters in same row indicate significant(p0.05)difference.Solubility of film is expressed in terms of total soluble matter,%.糖接枝改性对蛋白膜溶解性的影响还可从图 3看出，PPI 对照膜（图 3a）和添加甘露糖、乳糖、半乳糖、葡萄糖和蔗糖等 5 种糖的蛋白膜，浸泡于水中后迅速分散成小片状，膜的完整形态消失（图略）；如 PPI 对照膜浸泡 1 h 后蛋白膜基本完全溶解于水中，呈浑浊悬浮液状（图 3b）。添加木糖的花生蛋白膜浸泡于水中吸水膨胀但仍保持完整膜形态（图 3c）；浸泡 12 h 后，低木糖浓度蛋白膜（X-100）分散成小片（图 3d），而其余蛋白膜仍保持完整膜形态（图 3e）；浸泡 24 h，X-100 蛋白膜大部分溶解并呈浑浊悬浮状（图 3f），X-50 蛋白膜呈不完整片状（图略），高木糖浓度蛋白膜（X-10见图 3g，X-5 和 X-20 图略）仍保持完整形态，但是浸泡溶液变浑浊，这与膜中可溶性物质溶出有关。上述结果与表 2 一致。虽然木糖使花生蛋白膜的溶解性得到显著改善，但是实际应用中 60%的溶解性仍偏高，因此花生蛋白的木糖接枝改性工艺仍有待进一步研究和改善。第 11 期 林伟静等：不同类糖接枝改性对花生蛋白膜物理性质的影响 265 a.无糖对照膜 浸泡初始 a.Initial stage of soaking of peanut protein film without sugar b.无糖对照膜 浸泡 1 h b.Peanut protein film without sugar soaked for 1h c.X-100 膜浸泡初始c.Initial stage of soaking of X-100 filmd.X-100 膜浸泡 12 hd.X-100 film soaked for 12 h e.X-10 膜浸泡 12 he.X-10 film soaked for 12 h f.X-100 膜浸泡 24 h f.X-100 film soaked for 24h h g.X-10 膜浸泡 24 hg.X-10 film soaked for 24 h 注：X-100：花生分离蛋白/木糖质量比为 100 的蛋白膜；X-10：花生分离蛋白/木糖质量比为 10 的蛋白膜。Note:X-100:peanut protein film with a mass ratio of peanut protein isolate to sugar as 100;X-10:peanut protein film with a mass ratio of peanut protein isolate to sugar as 10.图 3 糖接枝改性对花生蛋白膜溶解性的影响 Fig.3 Effects of sugar grafting on solubility of peanut protein films 膜或包装材料应该保持其包装产品的含水率水平，产品中的水分不应该转移至膜中或包装材料中并使其溶解。因此，膜的溶解性（以总可溶性固形物含量表示，TSM）是食品包装应用中的一项重要指标，以膜中可溶性物质占初始膜质量的百分比表示28，TSM 越低，越有利于膜在食品包装中的应用。目前，测定蛋白膜 TSM 的方法，一般是将烘干后的蛋白膜浸泡 24 h，将剩余膜片再烘干并计算可溶性物质的质量29，Sun 等30和 Jangchud 等31分别采用此法测定并得出花生蛋白膜的 TSM 为16.48%和 37.35%48.17%。大量研究指出热处理可以促进蛋白质自由巯基和疏水基团的重组和聚合，使分子间或分子内形成交联和紧密的网络结构17，蛋白膜溶解前经过长时间烘干处理已使蛋白结构发生改变并导致蛋白膜溶解性有所改变，因此该结果并不能反映蛋白膜溶解性的真实情况。相比之下，本研究直接测定湿膜在水中的溶解情况，更能体现蛋白膜的溶解性。3 结 论 1）除乳糖外的 5 种小分子糖均能提高花生蛋白膜的拉伸强度，其中以木糖作用最显著，改性后蛋白膜的强度最高（1.48 MPa）为对照膜的 1.77 倍。糖浓度水平较低时蛋白膜强度随糖浓度增加而提高，但当糖浓度过高（花生分离蛋白/糖质量比0.05）。3）添加甘露糖、半乳糖、葡萄糖、蔗糖和乳糖等 5 种糖的花生蛋白膜几乎完全溶解，浸泡 1 h后呈浑浊悬浮液状，溶解性范围为 93.80%97.89%；而木糖则使花生蛋白膜的耐水性得到明显改善，蛋白膜溶解性随着木糖浓度的增加而下降，花生分离蛋白/木糖质量比为 10 的蛋白膜溶解性最低为 60.80%，花生分离蛋白/木糖质量比分别为 5、10 和 20 的蛋白膜浸泡 24h 后仍保持完整膜形态。4）综合来说，木糖改善花生蛋白膜性质的效果最好，其中花生分离蛋白/木糖质量比为 10 的蛋白膜综合性能最佳：拉伸强度为 1.48 MPa，断裂延伸率为 218.92%，透光性（吸收峰面积）为 126.01，溶解性 60.80%，蛋白膜浸泡 24 h 后仍保持完整膜状态。木糖接枝改性能有效提高花生蛋白膜的拉伸强度和延伸性，同时显著降低了蛋白膜的溶解性。但是由于 60%左右的溶解性对于蛋白膜的实际应用来说仍然偏高，因此花生蛋白的木糖接枝改性工艺仍有待进一步研究和改善。利用糖接枝改性改善花生蛋白膜性能，为生产出适用于食品包装中的花生蛋白膜提供了一定的技术依据。由于改性过程操作简便、对设备要求简单，仅加热即可使反应进行，有利于连续化工业生产的实现。参 考 文 献 1 刘媛媛，王强，王春艳.花生蛋白膜研究进展J.食品科学，2011，32(1)：251255.Liu Yuanyuan,Wang Qiang,Wang Chunyan.Research progress of peanut protein filmJ.Food Science,2011,32(1):251255.(in Chinese with English abstract)2 贾云芝，陈志周.还原剂对大豆蛋白/聚乙烯醇复合薄膜性能的影响J.农业工程学报，2012，28（增刊 1）：312316.Jia Yunzhi,Chen Zhizhou.Effects of reducing agents on common properties of soy protein/polyvinyl alcohol 农业工程学报 2014 年 266 filmsJ.Transactions of the Chinese Society of 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