壳聚糖添加量对大豆分离蛋白复合
包装材料性能的影响

郭晓飞,张 超,李 武,马 越,赵晓燕*

(北京市农林科学院蔬菜研究中心,农业部华北地区园艺作物生物学与种质创制重点实验室,

农业部都市农业(北方)重点实验室,北京 100097)

 

摘 要:研究壳聚糖添加量对大豆分离蛋白复合材料机械性能、阻隔性能、颜色和结构的影响,以提高大豆分离蛋白可食性包装材料的性能。结果表明:当壳聚糖与大豆分离蛋白的质量比为11时,复合材料的综合性能最佳,其抗拉强度提高,断裂伸展率、水蒸气透过率和氧气透过率降低,颜色略微发黄。红外光谱分析结果显示提高复合材料的机械性能和阻隔能力的主要原因可能是大豆分离蛋白与壳聚糖之间形成醚键或C-N键。

关键词:大豆分离蛋白;壳聚糖;包装材料;阻隔性能;红外光谱

 

Effect of Chitosan Addition on Properties of Soybean Protein Isolate Composite Packaging Materials

 

GUO Xiao-fei, ZHANG Chao, LI Wu, MA Yue, ZHAO Xiao-yan*

(Key Laboratory of Biology and Genetic Improvement of Horticultural Crops (North China), Ministry of Agriculture, Key Laboratory of Urban Agriculture (North), Ministry of Agriculture, Beijing Vegetable Research Center,
Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100097, China)

 

Abstract: The effect of chitosan addition on the color, mechanical properties and barrier properties of soybean protein isolate (SPI) composite packaging materials was evaluated. The composite packaging materials showed the best properties when the ratio of chitosan to SPI was 1:1. The tensile strength of the composite packaging materials increased, while the elongation at break, water vapor permeability and oxygen permeability decreased. Moreover, the color turned slightly yellow within the range of consumer acceptance. The formation of ether linkage or C-N bond between SPI and chitosan could be the major reasons for the improvement of these properties.

Key words: soybean protein isolate; chitosan; packaging materials; barrier properties; infrared spectroscopy

中图分类号:TS201.2 文献标志码:A 文章编号:1002-6630(2014)01-0093-04

doi:10.7506/spkx1002-6630-201401018

塑料包装具有使用方便、成本低廉等优点,但不可降解,会对自然环境造成威胁[1]。近年来,以多糖、蛋白质和脂质为原材料制备的可食性包装材料因其可降解性和可食性而受到关注[2],研究发现可食性材料已经显示出延长食品货架期,提高食品安全性等功能[3-5]。大豆分离蛋白(soybean protein isolate,SPI)可食性材料以其优良的氧气阻隔性和可降解性[5-8]而受到关注,但是,SPI中球蛋白含量高,致其机械性能较差;而丰富的亲水性基团降低其对水蒸气的阻隔能力[9]。壳聚糖是以2-氨基-2-脱氧-β-D-葡萄糖为重复单元的线性多糖,具有良好的可降解性和阻隔性能[10-11]。使用SPI和壳聚糖制备复合包装材料将有效提高复合材料的性能。

前期研究发现SPI和壳聚糖具有良好的生物相容性和可降解性[12];将壳聚糖添加至魔芋胶和SPI复合材料可以有效提高其水蒸气阻隔能力[13]。因此,在SPI中添加壳聚糖制备的包装材料可能具有巨大的应用潜力。但是,关于壳聚糖添加量对SPI复合材料性能的系统研究还鲜有报道,本研究系统评价壳聚糖添加量对SPI复合材料性能的影响,并对其结构进行深入探讨。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

大豆分离蛋白(GS5000) 山东谷神科技股份有限公司。

壳聚糖(脱乙酰度80%~95%)、甘油(纯度99%) 国药集团化学试剂北京有限公司。

1.2 仪器与设备

T-10 Basic手持分散机 德国IKA公司;TA•XT plus 物性分析仪 英国SMS公司;OX-TRAN Model 2/61 氧气透过率仪、PERMATRAN-W Model 1/50G水蒸气透过率仪 美国Mocon公司;CM-3700d 色差分析仪 日本Konica Minolta公司;UV-1800型分光光度计 日本岛津公司;FTIR 6700型傅里叶红外色谱仪 美国尼高力公司。

1.3 方法

1.3.1 复合材料的制备

分别将100g的SPI和壳聚糖分别溶于1000mL浓度为0.1mol/L的乙酸溶液,室温下磁力搅拌24h;将搅拌均匀的SPI与壳聚糖溶液分别按照质量比1000、7525、5050、2575和0100的比例进行混合;在上述溶液中分别添加25%甘油(占固形物的百分比);90℃高温搅拌30min;使用手持高速分散机高速搅拌5min;使用超声振荡器对溶液振荡30min,待其冷却至室温,浇注至聚乙烯平板;在30℃烘箱中干燥48h成复合材料,依次命名为SPI100、SPI75、SPI50、SPI25和SPI0;将复合材料放置于饱和硝酸镁的干燥器中平衡48h(相对湿度(55±3)%,25℃),检测相关性能参数。

1.3.2 材料厚度的测定

样品厚度测定依据GB/T 6672-2001《塑料薄膜与薄片厚度的测定 机械测量法》,每个样品对称选取12个点进行测定,取其平均值。

1.3.3 机械性能的测定

样品机械性能测试采用美国实验材料学会方法,测定材料的抗拉强度和断裂伸展率[14]。将样品裁成25mm×80mm的矩形进行力学性能测试,初始夹具为45mm,触发力为5g,拉伸速率为1mm/s,重复4次,求其平均值。按照公式(1)、(2)计算抗拉强度和断裂伸展率。

535216.jpg (1)

535231.jpg (2)

式中:F为材料断裂所承受最大拉力/N;a为材料的厚度/mm;b为材料宽度/mm;L0为材料的长度/mm;L1为断裂时材料的长度/mm。

1.3.4 水蒸气透过率的测定

样品水蒸气通过率测定依据美国实验材料学会标准方法进行测试。样品测试面积为5cm2,高纯氮气吹扫材料的两侧,渗透侧和干燥侧的湿度分别为50%和15%。材料的水蒸气透过率按照公式(3)计算。

水蒸气透过率/((gm)/(m2d))=v×(dP) (3)

式中:v为水蒸气的传递速率/((g•MPa)/(m2•d));ΔP为样品两侧的压差(0.1MPa);d为样品的厚度/m。

1.3.5 氧气透过率的测定

氧气透过率的测定根据美国实验材料学会的方法[15]。在常压、25℃和55%的湿度下利用透氧仪测定材料的氧气透过率,材料的测试面积为10cm2,材料的上侧为高纯氧气,下侧吹扫气体为氮氢混合气(氢气含量为2%)。

1.3.6 颜色的测定

利用色差分析仪测定样品颜色,首先对色差分析仪进行黑板和白板校正,然后测定样品的L*、a*和b*值。L*从0(黑)到100(白);a*值范围从-80(黄)到100(红);b*值从-80(蓝)到70(黄)。

1.3.7 傅里叶红外光谱的测定

利用ATR附件对样品进行红外光谱扫描,样品测试前进行空白校正,扣除空气中CO2和水分子对样品的干扰,扫描32次,扫描分辨率为4cm-1,扫描范围为4000~650cm-1。

1.4 数据处理

实验重复3次,每次测定做3个平行样品,结果以

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±s表示。利用Origin 8.0(美国Origin Lab公司)对图像进行绘制;SAS9.1.3(美国SAS公司)对数据进行统计分析,Duncan’s多重比较评估同组实验均值间的差异性,置信区间为95%。

2 结果与分析

2.1 壳聚糖添加量对SPI复合材料厚度的影响

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小写字母不同表示差异显著(P<0.05)。下同。

图 1 壳聚糖添加量对SPI复合材料厚度的影响(

x

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±sn=3)

Fig.1 Effect of chitosan content on the thickness of SPI composite packaging materials (

x

535297.jpg

±sn=3)

由图1可知,SPI100的厚度显著高于添加壳聚糖的包装材料厚度。因为壳聚糖为线性链状多糖,为致密有序结构,因而含有壳聚糖的包装材料结构更加紧密,厚度降低。类似的结论,Kristo等[16]也曾报道,他们发现以多糖为基质的包装材料的致密性一般优于蛋白质,提高多糖的在包装材料中的比例,可以降低复合材料的厚度,且呈现出更为优良的气体阻隔能力和力学性能[3,17]。

2.2 壳聚糖添加量对SPI复合材料机械性能的影响

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图 2 壳聚糖添加量对SPI复合材料机械性能的影响(

x

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±sn=3)

Fig.2 Effect of chitosan content on the mechanical properties of SPI composite packaging materials (

x

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±sn=3)

由图2可知,SPI100的抗拉强度显著低于其他各复合材料,随着壳聚糖添加量的增加,复合材料的抗拉强度呈显著上升趋势(P<0.05)。原因可能在于SPI富含丰富的官能团促进其与壳聚糖分子内和分子间的交联,降低了分子间的移动性,从而提高复合材料的抗拉强度。所制备包装材料的抗拉强度略高于孙秀秀等[18]的研究结果,低于Jia Dongying等[13]以壳聚糖、SPI的魔芋胶三相体系的包装材料。复合材料的断裂伸展率呈现与抗拉强度相反的变化趋势。其中,SPI100和SPI75的断裂伸展率显著高于其他复合材料,并且复合材料的断裂伸展率随壳聚糖添加量升高而降低。

2.3 壳聚糖添加量对SPI复合材料水蒸气透过率的影响

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图 3 壳聚糖添加量对SPI复合材料水蒸气透过率的影响(

x

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±sn=3)

Fig.3 Effect of chitosan content on the water vapor permeability of SPI composite packaging materials (

x

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±sn=3)

水蒸气透过率是评价包装材料的重要指标,包装材料水蒸气透过率过高直接影响食品的色、香、味等感官品质。由图3可知,添加壳聚糖有效降低复合材料的水蒸气透过率。而SPI含有58%极性氨基酸,会形成水分子通道,因而其对水蒸气阻隔能力较弱,SPI100的水蒸气透过率显著高于其他复合材料(P<0.05)。SPI50和SPI0的水蒸气透过率相当,大约仅为SPI100的50%。与实验的结论一致,Ferreria等[19]发现壳聚糖添加量增加可以降低乳清蛋白-壳聚糖复合材料的水蒸气透过率。

2.4 壳聚糖添加量对SPI复合材料氧气阻隔能力的影响

氧气是食品品质降低的主要原因之一,提高包装材料的氧气阻隔能力可减缓食品氧化变质的速率,延长其货架期。本研究是在55%的湿度环境下对材料的氧气透过率进行测定,由图4可知,壳聚糖添加显著降低SPI复合材料氧气透过率,并且随着壳聚糖添加量增加,复合材料的氧气透过率呈现下降的趋势,与Park等[20]的研究结论一致。

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图 4 壳聚糖添加量对SPI复合材料氧气透过率的影响(

x

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±sn=3)

Fig.4 Effect of chitosan content on the oxygen permeability of SPI composite packaging materials (

x

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±sn=3)

2.5 壳聚糖添加量对SPI复合材料颜色的影响

表 1 壳聚糖添加量对SPI复合材料颜色的影响(

x

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±sn=3)

Table 1 Effect of chitosan content on the color of SPI composite packaging materials (

x

550707.jpg

±sn=3)

样品编号

L*

a*

b*

SPI100

40.6±0.39a

-0.40±0.09bc

1.26±0.51a

SPI75

41.1±0.31a

-0.35±0.02ab

1.35±0.11a

SPI50

40.3±0.65a

-0.44±0.05bc

1.81±0.21a

SPI25

41.2±0.19a

-0.46±0.07c

1.43±0.45a

SPI0

41.0±0.01a

-0.27±0.01a

0.36±0.01b

 

注:同列字母不同表示差异显著(P<0.05)。

 

包装材料的颜色直接影响消费者的选择取向,是评价包装材料的重要指标。由表1可知,壳聚糖添加量对SPI复合材料的L*值没有显著性影响;对复合材料的a*值产生显著影响(P<0.05),但从包装材料的外观来看并没有太大异同;b*代表材料的黄蓝值,SPI100的b*值显著高于SPI0(P<0.05),SPI50的b*值最大,推测SPI和壳聚糖发生了交联反应,提高了b*值。而复合材料的b*值显著低于以壳聚糖和瓜尔豆胶为基质的包装材料[21],颜色略黄,一般消费者可以接受。

2.6 傅里叶红外光谱分析

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图 5 复合材料的傅里叶红外光谱分析

Fig.5 FT-IR analysis of the composite packaging materials

由图5可知,在SPI100中3273cm-1为O-H键的伸缩振动;2930、2877cm-1为C-H键的伸缩振动峰[22];1628、1538cm-1分别为复合材料酰胺Ⅰ带和酰胺Ⅱ带的吸收峰[23-24];1241~1471cm-1为C-H伸缩振动和N-H弯曲振动(酰胺Ⅲ带)吸收峰。在SPI0中1374、1413cm-1分别为
C-H对称变形模式;1651、1563、1320cm-1分别对应酰胺Ⅰ带、酰胺Ⅱ带和酰胺Ⅲ带吸收峰;1029cm-1为C-O键的吸收峰[24]。随着复合材料中壳聚糖添加量的提高,酰胺Ⅰ带和酰胺Ⅱ带红外吸收强度变弱,并发生一定程度的蓝移。1000~1100cm-1为多糖类物质C-O键的吸收峰[25],因此复合材料中1029cm-1呈现很强的吸收峰,掩盖了芳香氨基酸在1040cm-1的O-H键面外弯曲振动的尖锐吸收峰,并使其发生一定红移[26]。SPI100中的1398cm-1吸收峰随着壳聚糖添加量的增加逐渐红移至SPI0的1374cm-1处,推断为壳聚糖和SPI发生了化学交联,是生成的醚键或C-N键的吸收[27-28]。

3 结 论

添加壳聚糖可提高SPI-壳聚糖复合材料的抗拉强度,降低其断裂伸展率、水蒸气透过率和氧气透过率,使其颜色略微发黄。红外光谱分析结果显示提高复合材料的机械性能和阻隔能力的主要原因可能是大豆分离蛋白与壳聚糖之间形成醚键或C-N键。

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收稿日期:2012-12-13

基金项目:北京市优秀人才项目(2010D002020000012)

作者简介:郭晓飞(1986—),男,硕士研究生,主要从事农产品加工研究。E-mail:zhangchao@nercv.org

*通信作者:赵晓燕(1969—),女,研究员,博士,主要从事果蔬加工研究。E-mail:zhaoxiaoyan@nercv.org