单月桂酸甘油酯添加量对大豆分离蛋白复合膜成膜特性的影响

摘要：研究了单月桂酸甘油酯（glycerol monolaurate，GML）添加量对大豆分离蛋白（soy protein isolate，SPI）复合膜成膜特性的影响，并运用傅里叶变换红外光谱、X射线衍射、差示扫描量热和扫描电子显微镜技术初步探讨了两者的成膜机制。结果表明：随着GML添加量的增加，GML-SPI复合膜的抗拉强度和断裂延伸率呈先上升后下降趋势，该复合膜的水蒸气透过率、透光率、水溶性逐渐下降，而亮度和白度有所增加。傅里叶变换红外光谱证实，复合膜中GML和SPI两种组分主要通过氢键、疏水作用力等次级键相互结合；X射线衍射和差示扫描量热结果显示，与空白对照组相比，GML-SPI复合膜的结晶度和熔融温度均有所提高；扫描电子显微镜结果表明，添加GML有利于减少复合膜内部空隙，但GML添加量超过0.8%时，复合膜中GML和SPI两类组分会出现两相分离现象。本研究成果可为以SPI复合膜为代表的新型可食性包装材料的研发与应用提供理论依据。

关键词：大豆分离蛋白；膜特性；傅里叶变换红外光谱；X射线衍射；差示扫描量热；扫描电子显微镜

传统食品包装袋一般由聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺纤维等材料制成，该类包装袋难降解，易污染环境。近年来，以“可食膜”等为代表的天然生物材料正逐渐成为包装材料领域的研究热点[1]。可食膜材料一般由脂类、树脂、多糖和蛋白质中的一种或几种组成，其中大豆分离蛋白SPI因其营养价值高、成膜性好、易降解等优势，越来越受到研究者关注[2]。据报道，一般添加量在3%～6%的SPI溶液，可以通过加热、调节pH值等处理，得到柔软、表面光滑的薄膜[3]。

SPI虽具有诸多优点，但由于其存在机械性能差、热稳定性低和阻隔性差等缺陷，限制了其在食品工业中的应用。为改善此现状，国内外研究者发现：添加了脂类组分的SPI膜，与空白对照组相比，可大幅提高膜产品自身的性能[4-7]。各脂类组分中，单月桂酸甘油酯（glycerol monolaurate，GML）是一种非离子型表面活性剂，其分子结构不对称，同时含有疏水性的长链烃基以及亲水性的羟基，兼具良好的乳化性及防腐性[8]。SPI和GML共混制得的薄膜或涂层，作为食品包装材料或者涂膜剂可大幅延长食品的货架期，同时兼具可食、可降解等优点。

本实验拟通过研究GML添加量对SPI复合膜成膜特性的影响，并运用傅里叶变换红外（Fourier transform-infrared，FT-IR）光谱、X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）、差示扫描量热（differential scanning calorimetry，DSC）和扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）技术初步探讨了两者的成膜机制，旨在为SPI复合膜等新型可食性包装材料的研发与应用提供理论依据。

1 材料与方法

SPI（食品级，蛋白质量分数90%）河南中成食化有限公司；甘油（食品级）广东阳东县化工工业公司；GML（食品级）河南千志商贸有限公司；NaOH（分析纯）广东西陇化工有限公司。

UV762紫外-可见分光光度计上海仪电分析仪器有限公司；TA.XT Plus质构仪英国Stable Micro Systems公司；UltraScan色差仪美国Hunter Lab公司；211-101数显外径千分尺桂林广陆数字测控股份有限公司；6700 FT-IR光谱仪美国热电尼高力公司；ArlscintagX’Tra型XRD仪美国Thermo Fisher公司；Q2000型DSC仪美国TA公司；S-4700场发射SEM日本Hitachi公司。

精确称取4.0 g SPI，向其中加入100 mL蒸馏水，充分搅拌均匀，采用NaOH调节溶液pH值至10.0，于80 ℃水浴加热30 min。将上述SPI水溶液分成若干等分，每份中分别加入2.0 g甘油和不同质量的GML（使GML添加量分别为0.0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%），高速均质1 min，在-0.075 MPa条件下抽真空脱气，获得不同配方的GML-SPI复合膜成膜液，以GML添加量0.0%作为空白对照组（即SPI膜）。精确移取30 mL成膜液到10 cm×10 cm的自制聚硫酸酯板上，于50 ℃烘箱中干燥8 h，待冷却至室温后揭膜，置于相对湿度55%干燥器中平衡48 h，最终制得GML-SPI复合膜成品。

选择整片均匀、平整的膜，在上面随机选择5 个点，用精确度为0.001的千分尺测量膜的厚度。

参考文献[9]的方法，将膜剪成1 cm×5 cm的长条，采用质构仪测试其机械性能，包括抗拉强度（tensile strength，TS）/MPa和断裂伸长率（percent elongation at break，E）/%，其计算公式分别如式（1）、（2）所示。质构仪测试条件：A/TG模式，夹头间距离30 mm，触发力为5 g，测速1.0 mm/s。

式中：F为材料断裂所承受最大拉力/N；a为试样膜的厚度/mm；b为试样的宽度/mm。

参考文献[10]的方法，选择整片均匀、平整的膜，测定其厚度后，密封于装有无水氯化钙的透湿杯杯口，称质量后放入底部为氯化钾饱和溶液、相对湿度75%的干燥器中，每隔24 h称质量，根据式（3）计算水蒸气透过率（water vapor permeability，WVP）。

式中：Δm为t时间内的质量增量/g；d为试样厚度/mm；A为试样透水蒸气的面积/m2；t为质量增量稳定后的两次间隔时间/h；Δp为试样两侧的水蒸气压差/kPa。

参考文献[11]的方法，将膜裁剪成约2 cm×2 cm的正方形，在105 ℃条件下干燥至恒质量（m1）后放入50 mL去离子水中，溶解24 h后将膜取出，再次在105 ℃条件下干燥至恒质量（m2），记录其质量变化，并根据式（4）计算膜的水溶性。

参考文献[12]的方法，将膜裁剪成约1 cm×3 cm的长条，使其可紧贴比色皿的内表面，在660 nm波长处测量透光率。

参考文献[13-14]的方法，选择整片均匀、平整的膜，在上面随机选择5 个点，采用色差仪直接测定样品的亮度（L*）、红绿度（a*）和黄蓝度（b*），并根据式（5）计算样品的白度（whiteness，W）。

参考文献[15]的方法，选择整片均匀、平整的膜，放置于FT-IR光谱仪上，采用红外光谱衰减全反射法在400～4 000 cm-1波数范围内进行扫描，分辨率为4 cm-1。

选择整片均匀、平整的膜，将其固定于金属样品板上，进行XRD分析[16]，放射源采用CuKα，2θ角扫描范围为10º～60º。样品结晶度由MDI Jade 5.0软件采用分峰法计算得出。

DSC测试条件[17]：样品5.0 mg，首先以10 ℃/min的速率从20 ℃升至200 ℃，保持5 min，再以10 ℃/min的速率降温至-30 ℃，最后以10 ℃/min的速率升至200 ℃，绘制复合膜的结晶曲线与熔融曲线。

选择整片均匀、平整的膜，采用冷冻干燥去除水分后，再分别对膜表面和横断面进行喷金镀膜，最后用SEM观察膜表面和横断面的形貌图像，加速电压为15 kV。

本研究运用SPSS 19.0软件和Origin 8.0软件进行数据处理和作图，以单因素方差分析（one-way ANOVA）法对所得数据进行差异显著性分析。

2 结果与分析

从图1可见，TS与E的变化规律基本相似，均在GML添加量为0.2%时达到最大值。当GML添加量等于或者超过0.4%时，TS呈逐步下降趋势但整体降幅较缓，而E变化趋势不明显，仅在GML添加量为1.0%时显著下降（P＜0.05）。有研究指出，蛋白膜中添加脂类组分（单硬脂酸甘油酯[18]、蔗糖脂肪酸酯[19]、蜂蜡[19]）会导致复合膜的机械性能变差。然而，值得注意的是，当GML添加量较低时（0.2%左右），GML-SPI复合膜的机械性能却达到最佳，原因可能如下：低添加量情况下，GML可以比较均匀地分布在SPI蛋白网络结构中，使复合膜的机械性能提高；但GML添加量进一步增加，SPI蛋白网络结构中各个作用力的键合作用会被削弱，造成复合膜的机械性能变差。

图1 GML添加量对GML-SPI复合膜TS和E的影响
Fig. 1 Effect of GML addition on TS and E of GML-SPI film

膜的WVP越低，表明涂膜食品与空气中水分接触的可能性越小，保鲜效果越好。由图2可知，与空白对照样相比，添加GML可以有效降低GML-SPI复合膜的WVP。当GML添加量在0.2%～0.4%时，WVP下降幅度较小；而当GML添加量大于0.4%时，WVP显著下降（P＜0.05）。分析原因如下：SPI具有亲水性，因此空白对照组（SPI膜）WVP值最高。此外，GML-SPI成膜液在干燥过程中，一部分GML分布于SPI蛋白膜中，形成蛋白质/脂质网络结构，使GML-SPI复合膜的结构变得致密；另一部分GML则由于乳化液的非稳定状态，在复合膜表面形成脂质层[20]，两方面因素综合作用使得GML-SPI复合膜的WVP下降。综上，SPI膜中添加GML可显著降低其水蒸气透过能力，在食品保鲜领域拥有广阔的应用前景。

图3 GML添加量对GML-SPI复合膜水溶性的影响
Fig. 3 Effect of GML addition on water solubility of GML-SPI film

由图3可见，由于GML具有疏水作用[21]，GML-SPI复合膜的水溶性随着GML添加量的增加而降低，但当GML添加量到达1.0%时，水溶性略微上升，这可能是由于GML添加量超过一定范围时，脂质和蛋白两相分离逐渐严重，脂质层和蛋白层的作用力开始减弱所致。因此，在包装高含水量的食品时，选用低水溶性的GML-SPI复合膜，其产品质量稳定性较好。

表1 GML添加量对GML-SPI复合膜透光率和色泽的影响
Table 1 Effect of GML addition on light transmittance and color of GML-SPI film

注：同列小写字母不同代表数据间具有显著性差异（P＜0.05）。

膜的透光率越高，越能充分展现涂膜食品的色泽和外观；反之则表明该膜具有良好的光阻隔性能，适用于保存易发生光氧化食品。由表1可知，GML-SPI复合膜的透光率随着GML添加量的增加而降低，当GML添加量为0.4%时，透光率已降至空白对照组的60%左右。据此推测，使用低透光率的GML-SPI复合膜包装光敏性食品（含肌红蛋白、虾青素、β-胡萝卜素等光敏剂成分），可延长其货架期。然而，值得注意的是，GML-SPI复合膜的L*值和W值却随着GML添加量的增加而上升，这可能与GML-SPI复合膜中的结晶度上升有关。可食性包装膜自身的色泽一定程度上会影响食品感官品质，而GML-SPI复合膜L*值、W值高，在此方面优势突出。

由图4可知，3 330～3 060 cm-1和3 650～3 200 cm-1分别是N—H和O—H的伸缩振动特征吸收带[22]。各组样品均在3 270 cm-1处有宽而强的吸收峰，分析原因与蛋白质分子中的羟基和氨基之间形成的氢键有关：氢键强弱不同，峰宽及形态均不尽相同[23]。2 900 cm-1处为C—H的伸缩振动峰，而1 730 cm-1处有吸收峰则证明羰基的存在[24]。从化学结构角度分析，GML是由月桂酸和甘油两种化合物直接酯化合成，其含有甲基、亚甲基以及酯键等官能团。由图4可见，随着GML添加量的增加，2 900 cm-1的峰形变得尖锐且强度增大；当GML添加量超过0.4%时，1 730 cm-1处开始出现较为明显的吸收峰。酰胺Ⅰ带、Ⅱ带的特征吸收峰分别位于1 650～1 690 cm-1以及1 530～1 600 cm-1范围内，随着GML添加量的增加，GML-SPI复合膜在上述区域内的吸收峰强度逐渐降低，可能原因是：GML充斥于蛋白网络结构中，使一部分蛋白质分子链发生断裂。蛋白质分子链断裂也是造成

2.1.1节中GML-SPI复合膜机械性能下降的原因之一。进一步观察图4发现，不同GML添加量的GML-SPI复合膜样品其FT-IR图较为相似，当添加GML后，除羰基特征峰外，FT-IR图中未出现其他新的特征峰，据此推测GML与SPI分子间主要靠氢键、疏水键等次级键作用相互结合，并未产生新的化学键，国内外学者对于其他复合膜的研究结果也支持了上述推测[16,25]。

图4 不同GML添加量的GML-SPI复合膜的FT-IR图
Fig. 4 FT-IR spectra of GML-SPI films with different amounts of GML addition

图5 不同GML添加量的GML-SPI复合膜的XRD图
Fig. 5 XRD patterns of GML-SPI films with different amounts of GML addition

表2 GML添加量对GML-SPI复合膜结晶度的影响
Table 2 Crystallinity of GML-SPI films with different amounts of GML addition

由图5可知，空白对照组样品（SPI膜）与不同GML添加量的复合膜其XRD图基本一致，均在2θ为20°处有较宽的主峰，在其他区域未有新衍射峰出现，表明SPI和GML可能未发生化学反应而产生新的物质，两者仅是物理相互作用。采用MDI Jade软件计算得到：SPI膜的结晶度为0.55%，而加入0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%的GML后，GML-SPI复合膜的结晶度分别提升到1.78%、22.17%、35.80%、39.21%、39.76%（表2）。观察图5发现，SPI膜的衍射峰宽且较平滑，表明该膜是一种非结晶聚合物，这与蒋莹丽等[26]的研究结果一致；当加入GML后，图5中开始出现较窄、较尖锐的衍射峰，表明GML-SPI复合膜中出现了结晶析出的现象。推测原因是GML的添加改变了SPI膜原有的空间结构，提高了氢键、疏水键等相互作用力，从而使GML-SPI复合膜的结晶度大大提高。结晶度的提高会增加膜的致密性，使膜表面光泽度提高，L*值和W值上升；另一方面，结晶使分子链排列更加紧密[27]，膜的耐溶剂和渗透性等性能有所提高，但同时球晶的存在也会引起光波的散射，造成膜的透明度降低。

图6 不同GML添加量的GML-SPI复合膜的DSC曲线
Fig. 6 DSC curves of GML-SPI films with different amounts of GML addition

由图6可知，当GML添加量小于或等于0.2%时，GML-SPI复合膜无明显结晶峰出现；而当GML添加量超过0.2%时，GML-SPI复合膜在10～20℃范围内开始出现结晶峰，且随着GML继续添加，结晶温区变窄、结晶峰形变尖、结晶热增大，表明GML-SPI复合膜的结晶度会随着GML添加量的增加而升高[28]，此结果与2.2.2节中XRD的结果基本一致。另一方面，分析熔融曲线可知，添加GML后，GML-SPI复合膜在40～50℃左右均有吸收峰出现（为玻璃化转化峰），推测GML添加量对GML-SPI复合膜的玻璃化转化温度影响不大。值得注意的是，空白对照组样品（SPI膜）无明显玻璃化转化峰，可能原因是SPI膜为无定形结构，其结晶度较低。观察熔融曲线还可发现，在120～140 ℃范围内出现了另一吸收峰（为熔融峰），并且随着GML添加量的增加，熔融峰面积减小，熔融起始温度提高，GML-SPI复合膜的熔融温度逐渐升高可能与分子链中引入极性基团导致分子链的柔顺性降低有关[29]。

图7 不同GML添加量的GML-SPI复合膜的表面SEM图（×5 000）
Fig. 7 SEM of the outer surface of GML-SPI films with different amounts of GML addition (× 5 000)

图8 不同GML添加量的GML-SPI复合膜的截面SEM图
Fig. 8 SEM pictures of the cross section of GML-SPI films with different amounts of GML addition

膜的微观结构与其自身渗透性以及机械性能等指标密切相关[30]。由图7可见，GML的添加改变了GML-SPI复合膜表面平整度：未添加GML时，SPI膜表面较为平滑；GML添加量为0.2%时，复合膜表面平整度开始发生变化；GML添加量超过0.2%时，复合膜表面平整度大幅下降。

观察图8发现，未添加GML的SPI膜中存在较多空隙，结构不紧密，这与SPI膜中各组分间的物理相互作用较弱有关。GML添加量为0.2%时，膜内空隙减少；而当添加量超过0.2%时，膜内空隙消失，可能原因是：小分子质量的GML填充在SPI膜的网络结构中，形成复杂的蛋白质-脂质网络，使得GML-SPI复合膜内部结构变得十分致密。膜的内部结构与其结晶度呈正相关性，2.2.2节中XRD结果同样证实添加GML后，GML-SPI复合膜的结晶度提高，而结晶度增加，分子链排列趋于紧密，导致孔隙率下降[29]。进一步观察图8e1、f1可知，复合膜表面已经出现小球状的GML颗粒，表明当GML添加量大于或等于0.8%时，GML-SPI复合膜中发生了两相分离现象。GML属于亲油性的酯类，当GML添加量较大时，与SPI相容性较差，在缓慢的干燥过程中，部分GML向膜表面迁移，并最终在GML-SPI复合膜表面形成脂质层。

3 结论

本实验研究了GML添加量对GML-SPI复合膜成膜特性的影响。结果表明，随着GML添加量的增加，GML-SPI复合膜的TS和E呈先上升后下降趋势，该复合膜的WVP、透光率、水溶性逐渐下降，而L*值和W值有所增加。通过FT-IR、XRD、DSC和SEM分析发现：GML和SPI分子间主要以氢键、疏水作用力等次级键相互结合，并未产生新的化学键；添加GML可使GML-SPI复合膜的结晶度提高，熔点升高；同时也会造成复合膜的内部空隙逐渐减小，变得更加致密；当GML添加量超过0.8%时，GML-SPI复合膜中会出现两相分离现象。

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Effect of Glycerol Monolaurate Addition on the Properties of Soy Protein Isolate Composite Film

GU Saiqi, YU Xiaomei, CAI Yanping, DING Yuting*
(Ocean College, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:The study investigated the effect of glycerol monolaurate (GML) addition on the properties of soy protein isolate(SPI) composite film, and discussed the formation mechanism of GML-SPI film by several analytical techniques including Fourier transform-infrared (FT-IR) spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), differential scanning calorimetry (DSC) and scanning electron microscope (SEM). The results showed that with the increase of GML addition, tensile strength and elongation at break increased at first and then decreased. Three other indicators including water vapor permeability, light transmittance and water solubility continuously decreased, while brightness and whiteness increased. FT-IR results showed that SPI and GML were bound mainly by hydrogen bonds, hydrophobic force or other secondary bonds. According to XRD and DSC results, the crystallinity and melting temperature of GML-SPI film were both increased due to the addition of GML.However, SEM pictures suggested that GML addition led to decreased internal voids in GML-SPI film. In addition, phase separation of GML and SPI in composite film could be observed when the amount of GML addition was larger than 0.8%.The study may provide a theoretical basis for the development and application of some new edible packaging materials such as soy protein isolate composite film.

Key words:soy protein isolate; film properties; Fourier transform-infrared spectroscopy; X-ray diffraction; differential scanning calorimetry; scanning electron microscope

引文格式：顾赛麒, 余晓梅, 蔡燕萍, 等. 单月桂酸甘油酯添加量对大豆分离蛋白复合膜成膜特性的影响[J]. 食品科学, 2017,38(21): 245-251.

GU Saiqi, YU Xiaomei, CAI Yanping, et al. Effect of glycerol monolaurate addition on the properties of soy protein isolate composite film[J]. Food Science, 2017, 38(21): 245-251. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201721039. http://www.spkx.net.cn

基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目（31601500）；浙江省公益性技术研究农业项目（2016C32056）；浙江省教育厅一般项目（Y201534918）

作者简介：顾赛麒（1984—），男，讲师，博士，研究方向为食品加工、储藏与质量安全控制。E-mail：gusaiqi@126.com

*通信作者：丁玉庭（1963—），男，教授，博士，研究方向为食品加工、储藏与质量安全控制。E-mail：dingyt@zjut.edu.cn

单月桂酸甘油酯添加量对大豆分离蛋白复合膜成膜特性的影响

1 材料与方法

2 结果与分析

3 结 论

3 结论