表 1 不同甘油改性增塑剂的配比组合
Table 1 Different combinations of modified glycerol plasticizers
章智华，徐丽娜，严文冰，张华江*，迟玉杰，刘媛媛，吴永庆，阴彤彤
（东北农业大学食品学院，黑龙江 哈尔滨 150030）
摘 要：以大豆分离蛋白（soybean protein isolate，SPI）为主要原料，将甘油进行改性后制备的生物甘油基聚酯加入到成膜液中制备SPI复合膜，通过对贮藏期间SPI复合膜机械性能、水分含量和甘油迁出率进行跟踪测定，比较分析甘油经改性后制备的增塑剂对SPI复合膜的机械性能稳定性、保水性、甘油迁出率稳定性及微观结构的影响。研究结果表明：与未改性甘油增塑的SPI复合膜相比，改性后制备的机械性能稳定性最高的SPI复合膜为生物甘油基聚酯（生物聚甘油和脂肪酸的质量比为1∶1）增塑的复合膜，其拉伸强度稳定性提高了18.08%，断裂延伸率稳定性提高了34.52%，水蒸气透过系数稳定性提高了14.68%，水分含量稳定性提高了17.02%，甘油迁出率稳定性提高了74.28%，膜体系的紧密性和连续性增强，且其表面形成了致密的空间网状结构。生物甘油基聚酯的添加一定程度上提高了SPI复合包装薄膜的机械性能稳定性，为其更广泛的实际应用提供了重要的理论参考和技术支持。
关键词：大豆分离蛋白；甘油改性；生物甘油基聚酯；机械性能稳定性；甘油迁出率
随着工业化的快速发展和人们安全环保意识的增强，塑料包装材料引起的环境及食品安全问题受到越来越多的关注[1]，寻找可持续发展的新资源，探索和研发环境友好材料[2]，成为目前许多科研工作者的重要课题。大豆分离蛋白（soybean protein isolate，SPI）复合膜是以SPI作为成膜主要原料，配合一定的增塑剂和增韧剂[3]，制备成具有一定机械性能的“低碳环保、绿色安全”的新型包装材料[4]。但目前由于其成膜后在不同使用和贮藏条件下，常常表现出抗拉强度、断裂延伸率、阻氧性、阻水性等机械性能稳定性较差的现象[5]，其复合膜通常在2～3 个月的贮存期间各项机械性能指标下降幅度达到42%左右，使其无法在实际中得到广泛应用[6]；因此寻找适当的物质或对其进行一些处理从而使SPI复合膜在贮藏期间具有较好的机械性能稳定性[7-8]，是该领域研究的一个迫切需要解决的问题。
国内外很多学者对提高SPI复合膜的机械稳定性及其贮藏期间机械稳定性有所研究。李颖[9]通过制备碳量子点，研究其对SPI复合膜改性效果的影响，结果表明碳量子点可使复合膜的断面交联程度更好，微观结构更致密，对SPI复合膜的热稳定性影响较小，且复合膜具有较好的机械性能。孟陆丽等[10]研究了贮存时间对植物蛋白膜的影响，得出了蛋白膜的机械性能、透湿性和吸湿率随贮存时间的延长发生变化，通过对膜微观结构的分析，可以看出不同蛋白膜的横截面微观结构存在差异。国外曾有学者认为增塑剂的迁移影响了蛋白膜在贮藏期间的品质[10]，如Startin等[11]研究在一定的贮藏条件下添加剂的迁移行为时，认为增塑剂很容易从聚合物内部迁移到表面。Anker等[12]研究了添加甘油和山梨醇的乳清蛋白膜在贮藏（相对湿度50%）过程中膜的水分含量和机械特性，其结果表明：随着贮存时间的延长，由于甘油的迁移，以甘油为增塑剂的乳清蛋白膜的硬度会增大，柔韧性降低；以山梨醇为增塑剂的乳清蛋白膜却保持良好的稳定性。亦有研究表明增塑剂的用量和种类对膜的性质也有很大的影响，这种影响效果主要在于增塑剂与SPI分子间相互作用情况。
随着科学家们对生物柴油的研究与开发，生物甘油作为其生产过程中的副产物得到了快速发展和广泛应用，目前生物甘油已大量用作化工原料，用于制造合成树脂、塑料和蜂蜡等，郭磊[13]将生物甘油应用于生产高纯度单硬脂酸甘油酯和三醋酸甘油酯。同时由生物甘油和脂肪酸合成的生物甘油基聚酯也得到了广泛应用，可以用于医疗器械、儿童玩具和食品包装材料等安全卫生要求较高的聚氯乙烯制品。
目前国内外的研究集中在如何添加物质提高和强化SPI复合膜的机械性能，而研究改性增塑剂对SPI复合膜贮藏过程中的机械性能稳定性影响还鲜见相关报道。甘油经改性后制备的生物甘油基聚酯具有迁移率小、耐渗出等特点[14]，从而增强复合膜的贮藏稳定性[15]，这主要是因为生物甘油基聚酯能够使成膜物质之间的交联度增加。本研究的目的是探究改性甘油对贮藏期间SPI复合膜机械性能稳定性的影响，跟踪测定比较其在贮藏期间各项机械性能指标的变化，并结合贮藏前后扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）、接触角等微观网络结构分析，为SPI复合膜的广泛应用提供理论参考。
SPI（纯度90.03%） 哈尔滨高科技（集团）股份有限公司；甘油 天津市凯通化学试剂有限公司；乙醇（体积分数95%） 哈尔滨宏利盛达科技发展有限公司；己二酸天津市盛鑫源伟业贸易有限公司；盐酸 天津市天大化工实验厂；钛酸四正丁酯 南京优普化工有限公司。
TA.XT Plus质构仪 英国Stable Micro Systems公司；TMS-PRO物性质构仪 美国FTC公司；Theta Lite接触角测定仪 瑞典百欧林科技公司；S-EVO 18型SEM德国ZEISS公司。
1.3.1 改性增塑剂的制作工艺
生物甘油基聚酯的制备参考文献[16]。将200 g粉状NaOH和生物甘油（在实验室中根据郭磊[13]的方法制备）添加到装有搅拌器、脱水器、温度计的三口烧瓶中，之后通入氮气缓慢地将温度升高至250～260 ℃，根据出水量合成平均聚合度为8的聚甘油，反应结束后，将液体在1.33 kPa和250～260 ℃条件下抽真空0.5 h，待温度降至90～100 ℃时加入醋酸和催化剂，将产品pH值调至6～7，得到生物聚甘油。
然后将催化剂（钛酸四正丁酯）和生物聚甘油加入到酯化反应器中，缓慢升温至240 ℃，在反应器中分批加入脂肪酸（己二酸），加入的脂肪酸和生物聚甘油的质量比分别为1∶2、1∶1、2∶1，保证脂肪酸在1.5～2.0 h内加完，反应过程中持续通入氮气以除去生成的水，并且不断取样分析酸值，当酸值小于10时结束反应，在240～250 ℃和1.33 kPa的条件下，抽真空0.5 h降温出料，得到生物甘油基聚酯增塑剂。
1.3.2 SPI复合膜的制备工艺
取5 g SPI缓慢溶解于100 mL去离子水中，添加质量分数3%生物甘油基聚酯作为增塑剂以及体积分数95%乙醇，调节成膜液pH值至8.0，磁力搅拌，85 ℃水浴加热并搅拌25 min，之后冷却至室温，双层纱布过滤，然后在专门定制的玻璃板槽上铺膜，在50 ℃下干燥4 h，将干燥成膜后的玻璃板倒放在水浴蒸汽锅上，设置水浴蒸汽锅的温度为80～90 ℃，保持30 s，待到均匀湿润回软后即可，放置于温度25 ℃、相对湿度53%的环境下贮藏，制备添加有改性甘油的SPI复合膜，具体配比见表1，在同样条件参数制备添加甘油的复合膜为对照组，测定5 种SPI复合膜的各项机械性能指标并观察其微观结构。
表 1 不同甘油改性增塑剂的配比组合
Table 1 Different combinations of modified glycerol plasticizers
1.3.3 SPI复合膜的贮藏
将制备好的SPI复合膜置于温度25 ℃、相对湿度53%（湿度通过在空间中放置硝酸镁溶液来实现）的恒温恒湿且光照强度稳定的环境下贮藏，平衡1 d后对SPI复合膜的拉伸强度、断裂延伸率、水蒸气透过系数、水分含量、甘油迁出率和微观指标进行第一次测定。SPI复合膜贮藏期间，每隔5 d对其各项理化指标进行测定，贮藏至60 d时测定其各项机械性能及微观指标。
1.3.4 指标测定
1.3.4.1 拉伸强度及断裂伸长率的测定
利用TA.XT Plus型质构仪对复合膜样品的拉伸强度以及断裂伸长率进行拉伸测定，测定条件为25 ℃、相对湿度53%。将复合膜制成100 mm×20 mm的长条状，有效拉伸长度为50 mm，拉伸速率为5 mm/s，其最小感应力值为5 g。将复合膜粘附于质构仪的探头上，并开启仪器，探头将复合膜缓慢向上拉起，最后直至复合膜发生断裂。每组复合膜样品取3 个平行进行测定，结果取平均值。拉伸强度和断裂伸长率的计算分别见公式（1）、（2）。
式中：F表示样品断裂时承受的最大张力/N；S表示试样的截面积/m2；L表示样品原始标线间距/mm；L0表示样品断裂时标线间距离/mm。
1.3.4.2 水蒸气透过系数的测定
采用拟杯子法对复合膜的水蒸气透过系数进行测定。准确秤取约3.00 g无水氯化钙，并将其装入50 mL的广口三角瓶当中，并用复合膜将三角瓶进行密封，通过测量三角瓶的质量变化来计算复合膜的水蒸气透过系数，具体计算见式（3）。
式中：Δm表示水蒸气迁移的质量/g；A表示膜面积/m2；t表示测定时间/h；L表示膜的厚度/mm；ΔP表示膜两侧的水蒸气压差/kPa；24是将t单位换算成d的换算系数。
1.3.4.3 水分含量的测定
参照文献[17]对复合膜中的水分含量进行测定。将膜样（2 cm×2 cm）置于105 ℃条件下干燥至质量恒定，通过干燥前后质量变化计算水分含量。1.3.4.4 蛋白膜甘油迁出率的测定
蛋白膜甘油迁出率的测定参考文献[18]。对贮藏一段时间后的SPI复合膜进行称质量，并将其装入纸信封中同时放在250 mL的锥形瓶中，加入150 mL的蒸馏水浸泡4 h后沥干取出，然后用0.05 mol/L NaOH溶液调节pH值至7.8～8.0，加入5 mL 60 g/L的高碘酸钠溶液，混合均匀，盖上表面皿，在温度不超过35 ℃暗处放置30 min，之后加入5 mL乙二醇与蒸馏水体积比为1∶1的溶液，置于同样条件下放置20 min后加入5 mL 1 mol/L的甲酸钠溶液，再用0.1 mol/L NaOH标准溶液滴定pH值至7.8～8.0。未放置复合膜的纸信封做空白实验，复合膜中甘油迁出率的计算如式（4）所示。
式中：V1表示测试样品消耗NaOH标准溶液的体积/mL；V2表示空白实验消耗NaOH标准溶液的体积/mL；c表示NaOH标准溶液的浓度/（mol/L）；0.092 1表示甘油摩尔质量/（g/mmol）；m表示SPI复合膜的质量/g。
1.3.4.5 接触角的测定
将复合膜试样裁剪为10 mm×10 mm的正方形，并将其粘附于载玻片上，将复合膜整理平整，并置于接触角测定仪进行测试，接触角测定仪的参数设置为：测量精度为±0.1°，试样的接触角测量范围0°～180°，注射针滴水量0.5 μL，其角度算法为拉普拉斯•杨法。
1.3.4.6 SEM分析
将待测的复合膜试样制成1 cm×1 cm的正方形，将复合膜按实验观察顺序分别粘贴到圆形样品台上，并对其进行喷金镀膜处理，最后利用SEM对制样进行拍照观察。SEM的离子溅射仪实验距离设为5 cm，电流控制在30 mA，真空度0.05 mbar，试样的喷金厚度需大于5 nm，溅射时间50 s左右。样品处理后，放入已开启预热30 min SEM观察室，并抽真空，施加5 kV电压，调整尺寸，将焦距调节清晰后，对试样表面结构进行观察，最终获取复合膜表面形貌以及结构图像。
通过Microsoft Excel 2013软件对数据进行处理，采用Origin 7.5软件制图，用统计分析软件SPSS 22.0软件对实验数据进行单因素方差分析，显著性水平为α＝0.05。
图 1 5 种膜在贮藏期间拉伸强度的变化
Fig. 1 Change in tensile strength of five films during storage
字母不同表示贮藏结束时差异显著（P＜0.05)。下同。
由图1可知，随着贮藏时间的延长，添加甘油、生物聚甘油和制备的3 种生物甘油基聚酯增塑剂的SPI复合膜在60 d的贮藏期内，拉伸强度都呈现先升高后下降的趋势，这是由于在贮藏初期，新制的SPI复合膜内部发生了蛋白质的自聚集交联[19]、美拉德反应等反应，提高了蛋白质分子之间的交联程度，增强了复合膜的刚性结构，降低了膜的柔韧性，而后期随着膜内部物质流失，拉伸强度逐渐降低。在60 d的贮藏期内，甘油、生物聚甘油、生物甘油基聚酯Ⅰ、生物甘油基聚酯Ⅱ和生物甘油基聚酯Ⅲ增塑的SPI复合膜的拉伸强度的变化幅度分别为21.27%、15.45%、7.36%、3.19%、11.85%，由图1可知，与甘油增塑的SPI复合膜相比，由甘油改性制得的增塑剂增塑的SPI复合膜拉伸强度稳定性都明显上升（P＜0.05），生物聚甘油、生物甘油基聚酯I、生物甘油基聚酯II和生物甘油基聚酯III增塑的SPI复合膜拉伸强度稳定性分别增加5.82%、13.91%、18.08%、9.42%。由此可以说明甘油改性制得的增塑剂增塑的SPI复合膜拉伸强度稳定性大小为：生物甘油基聚酯II增塑SPI复合膜＞生物甘油基聚酯I增塑SPI复合膜＞生物甘油基聚酯Ⅲ增塑SPI复合膜＞生物聚甘油增塑SPI复合膜＞甘油增塑SPI复合膜。这是由于甘油、生物聚甘油含有较多的羟基，具有亲水性，在复合膜中能够较多地与水分子结合，在初期表现出较好的拉伸强度，但是随着贮藏时间的延长，物质的迁出会使羟基数目减少，进而影响膜的稳定性。而经改性后的生物甘油基聚酯，其亲水性降低，在一定程度上也能够更好地与膜体系内的物质结合，且在其生成过程中发生了聚合反应[20]，分子间距离缩小，形成稳定致密的立体空间结构，因此在整个贮藏期间甘油经改性后增塑的膜具有较好的拉伸强度。
图 2 5 种膜在贮藏期间断裂延伸率的变化
Fig. 2 Change in elongation at break of five films during storage
由图2可知，随着贮藏时间的延长，添加甘油、生物聚甘油和制备的3 种生物甘油基聚酯增塑的5 种SPI复合膜在60 d的贮藏期间内，拉伸强度都呈现逐渐下降的趋势，这说明甘油改性前后得到的增塑剂对复合膜的断裂延伸率有显著影响（P＜0.05）。这是因为未经改性处理的甘油和生物甘油基聚酯Ⅲ存在较多的羟基，保水性和贮藏稳定性较差[21]，致使膜在贮藏期间失水率下降幅度增大，断裂延伸性能迅速降低。贮藏60 d后，甘油、生物聚甘油、生物甘油基聚酯Ⅰ、生物甘油基聚酯Ⅱ和生物甘油基聚酯Ⅲ增塑的SPI复合膜的断裂延伸率的变化幅度分别为75.90%、78.03%、51.82%、41.38%、81.19%，从数据结果中可以明显看出，与甘油增塑的SPI复合膜相比，由生物聚甘油和生物甘油基聚酯Ⅲ增塑的SPI复合膜断裂延伸率稳定性分别下降2.13%、5.29%，而由生物甘油基聚酯Ⅰ和生物甘油基聚酯Ⅱ增塑的SPI复合膜断裂延伸率稳定性明显上升，分别增加24.08%、34.52%。由此可以说明甘油改性制得的增塑剂增塑的SPI复合膜断裂延伸率稳定性为：生物甘油基聚酯II增塑SPI复合膜＞生物甘油基聚酯I增塑SPI复合膜＞甘油增塑SPI复合膜＞生物聚甘油增塑SPI复合膜＞生物甘油基聚酯Ⅲ增塑SPI复合膜。甘油经改性后，生物甘油基聚酯中的羟基能够与SPI复合膜中大分子物质形成氢键，从而代替了部分大分子间的相互作用，形成了网状结构，从而形成更多的网孔，使复合膜的弹性增大，断裂延伸率增大，且生物甘油基聚酯Ⅱ具有脂肪酸和甘油的部分性质，能够通过各种相互作用力分布在膜中，使分子间结合得更加牢固，不轻易随时间的延长而流失，并且能够较好地牵制住膜内的水分子，提高SPI复合膜的断裂延伸率稳定性。
图 3 5 种膜在贮藏期间水蒸气透过系数的变化
Fig. 3 Change in water vapor permeability coefficient of five films during storage
由图3可知，贮藏6 0 d后，水蒸气透过系数最大的膜为甘油增塑的S P I复合膜，其值为33.67 （g·mm）/（m2·d·kPa），而生物甘油基聚酯Ⅲ增塑的SPI复合膜的水蒸气透过系数最小，为26.23 （g·mm）/（m2·d·kPa）。在60 d的贮藏期内，甘油、生物聚甘油、生物甘油基聚酯Ⅰ、生物甘油基聚酯Ⅱ和生物甘油基聚酯Ⅲ增塑的SPI复合膜的水蒸气透过系数的变化幅度分别为92.51%、97.97%、86.71%、77.83%、55.95%，随着贮藏时间的延长，与甘油增塑的SPI复合膜相比，由生物聚甘油增塑的SPI复合膜水蒸气透过系数稳定性下降5.46%，而由生物甘油基聚酯Ⅰ、生物甘油基聚酯Ⅱ和生物甘油基聚酯Ⅲ增塑的SPI复合膜的水蒸气透过系数稳定性明显上升（P＜0.05），分别增加5.80%、14.68%、36.56%，由此可以说明甘油改性制得的增塑剂增塑的SPI复合膜水蒸气透过系数稳定性为：生物甘油基聚酯Ⅲ增塑SPI复合膜＞生物甘油基聚酯Ⅱ增塑SPI复合膜＞生物甘油基聚酯Ⅰ增塑SPI复合膜＞甘油增塑SPI复合膜＞生物聚甘油增塑SPI复合膜。甘油经改性后的生物甘油基聚酯中含有较多的长链脂肪醇酯以及长链烷烃[22-23]，能够对水分在膜内扩散产生限制作用，影响其扩散效果，致使膜具有较低的水蒸气透过系数，而甘油是分子质量较小的亲水性物质[24]，含有较多的羟基化合物且具有一定的迁移性，对环境中的水分有较强的吸收作用；因此在复合膜的贮藏过程中，甘油会在一定程度上造成膜内蛋白质的相对含量降低，进而造成物质间建立的致密空间网状结构疏松，水蒸气透过系数增加。并且伴随着贮藏时间的延长，SPI复合膜在微生物的作用下会导致物质间的化学键断裂，断裂后的分子间迁移性变大，致使蛋白质与生物甘油基聚酯间形成的致密空间结构遭到破坏，因此水蒸气透过系数呈现不断升高的趋势。
图 4 5 种膜在贮藏期间水分含量的变化
Fig. 4 Change in water content of five films during storage
由图4可知，随着贮藏时间的延长，添加甘油、生物聚甘油和制备的3 种生物甘油基聚酯增塑的5 种SPI复合膜在60 d的贮藏期间内，水分含量都呈现先局部上升后逐渐下降的趋势。贮藏60 d 后，甘油经改性后的增塑剂能够显著提高膜内水分含量（P＜0.05），与甘油增塑的SPI复合膜相比，生物甘油基聚酯Ⅱ增塑的SPI复合膜提高的幅度最大，为17.02%。从图4可以看出，在60 d的贮藏期后，甘油、生物聚甘油、生物甘油基聚酯Ⅰ、生物甘油基聚酯Ⅱ和生物甘油基聚酯Ⅲ增塑的SPI复合膜的水分含量的变化率分别为36.36%、33.18%、28.11%、19.34%、23.19%。贮藏60 d后，与甘油增塑的SPI复合膜相比，生物聚甘油、生物甘油基聚酯Ⅰ、生物甘油基聚酯Ⅱ和生物甘油基聚酯Ⅲ增塑的SPI膜的水分含量稳定性分别提高了3.18%、8.25%、17.02%、13.17%，即生物甘油基聚酯Ⅱ增塑SPI复合膜＞生物甘油基聚酯Ⅲ增塑SPI复合膜＞生物甘油基聚酯Ⅰ增塑SPI复合膜＞生物聚甘油增塑SPI复合膜＞甘油增塑SPI复合膜。在贮藏初期，甘油改性前后的增塑剂通过破坏蛋白质多肽链间的氢键来减少各物质间的相互作用力，在一定程度上增大了各物质分子间的距离，进而使膜的柔韧性增加，增加膜体系网络中的空隙，由此增强膜系统吸收水分子的能力。随着贮藏时间的延长，复合膜内的增塑剂成分会逐渐地从体系中迁移出去，同时水分子不仅与膜体系中的蛋白质分子相互作用，还有一部分水分子会与亲水性增塑剂结合，因此一部分水分也会挥发出去，虽然生物甘油基聚酯能牵制住膜系统内的一部分水分，但是膜内水分的散失主要是由于分子内部的浓度梯度[18]，此过程也伴随着蛋白膜的腐败变质，因此复合膜内的水分含量有所下降。
图 5 5 种膜在贮藏期间甘油迁出率的变化
Fig. 5 Change in glycerol migration rate of five films during storage
由图5可知，随着贮藏时间的延长，添加甘油、生物聚甘油和制备的3 种生物甘油基聚酯增塑的5 种大豆蛋白复合膜在60 d的贮藏期间内，甘油迁出率都呈现显著的上升趋势（P＜0.05）。在60 d的贮藏期后，甘油、生物聚甘油、生物甘油基聚酯Ⅰ、生物甘油基聚酯Ⅱ和生物甘油基聚酯Ⅲ增塑的SPI复合膜的甘油迁出率的变化幅度分别为281.90%、224.87%、221.93%、207.62%、221.65%，可以看出与甘油增塑的SPI膜相比，由甘油改性制得的增塑剂增塑的SPI膜甘油迁出率稳定性明显上升，生物聚甘油、生物甘油基聚酯Ⅰ、生物甘油基聚酯Ⅱ和生物甘油基聚酯Ⅲ增塑的SPI复合膜的水分含量稳定性相比于甘油增塑的SPI复合膜分别提高了57.03%、59.97%、74.28%、70.25%。由此可以说明甘油改性制得的增塑剂增塑的SPI复合膜甘油迁出率的稳定性为：生物甘油基聚酯Ⅱ增塑SPI复合膜＞生物甘油基聚酯Ⅲ增塑SPI复合膜＞生物甘油基聚酯Ⅰ增塑SPI复合膜＞聚甘油增塑SPI复合膜＞甘油增塑SPI复合膜。由复合膜内水分含量的分析结果可知，随着水分子的不断迁出，膜内的一些溶剂分子由于复合膜内产生的空隙会在一定程度上更易进入，溶胀层不断扩大并逐渐向内部渗透，溶胀作用会影响甘油的进一步迁出[25]，复合膜松弛和增塑剂迁出速率几乎相等，同时甘油分子在蛋白膜中不是与蛋白质分子产生共价键合作用，而以弱相互作用的方式结合在一起[26]，甘油和水都可以认为是复合膜的增塑剂，由于水分和甘油之间相互作用，水分和甘油的迁移是相互影响的，二者的迁移速率比基本保持不变，即随着贮藏时间的延长，复合膜水分含量降低，水分迁移速率也逐渐降低，甘油迁移速率也呈现出逐渐下降的趋势[27]，并且可以说明SPI复合膜内甘油迁移率的变化与膜内水分含量变化基本一致，但是甘油经改性后的增塑剂由于其内部的致密结构，会在一定程度上对膜内甘油的迁移起到一定的限制作用。
膜材料的疏水性在一定程度上可以通过复合膜接触角来体现，一般情况下，复合膜的接触角值高，说明其表面具有较强的疏水作用和较低的湿润性。本实验中对5 组膜的贮藏初期（1 d）与末期（90 d）进行了接触角分析，图6为贮藏前后的各组SPI复合膜疏水性的测定结果。
图 6 5 种膜在贮藏初期和末期接触角的变化对比
Fig. 6 Change in contact angle of five films during storage
A～E、F～J.分别表示表示甘油、生物聚甘油、生物甘油基聚酯Ⅰ、生物甘油基聚酯Ⅱ、生物甘油基聚酯Ⅲ增塑的SPI复合膜贮藏1、60 d后的接触角。
由图6可知，随着贮藏时间的延长，添加甘油、生物甘油基和制备的3 种生物甘油基聚酯增塑的5 种SPI复合膜在60 d的贮藏期内，接触角都存在着不同程度的减小。贮藏初期，甘油、生物聚甘油、生物甘油基聚酯Ⅰ、生物甘油基聚酯Ⅱ和生物甘油基聚酯Ⅲ增塑的SPI复合膜的接触角分别为110.4°、107.8°、111.0°、114.4°、115.6°，贮藏60 d后，各组膜的接触角分别为93.6°、90.4°、97.5°、101.8°、99.1°。在60 d的贮藏期内，甘油、生物聚甘油、生物甘油基聚酯Ⅰ、生物甘油基聚酯Ⅱ和生物甘油基聚酯Ⅲ增塑的SPI复合膜的甘油迁出率的变化幅度分别为15.22%、16.14%、12.16%、11.01%、14.27%，从数据结果中可以明显看出，与甘油增塑的SPI复合膜相比，由甘油改性制得的生物聚甘油增塑的SPI复合膜接触角减小幅度较大，使膜体系疏水性增强，而由生物甘油基聚酯增塑的SPI复合膜的接触角都有明显的增大趋势（P＜0.05），说明生物甘油基聚酯会在一定程度上增强膜的疏水性。就膜体系疏水性的稳定性而言：生物甘油基聚酯Ⅱ增塑SPI复合膜＞生物甘油基聚酯Ⅰ增塑SPI复合膜＞生物甘油基聚酯Ⅲ增塑SPI复合膜＞甘油增塑SPI复合膜＞生物聚甘油增塑SPI复合膜。结合前面所分析的SPI复合膜的水分含量和甘油迁出率，发现甘油经改性制备的生物甘油基聚酯对于膜体系的物质有很好的保持能力，这可能是因为蛋白质、生物聚甘油和脂肪酸之间有较好的交联效果，复合膜的紧密性和连续性增强，形成了十分紧密的空间结构，且相互之间形成了大量的价键，同时复合膜的亲水性也会因裸露在外面的亲水基团逐渐减少而出现降低的现象，进而使复合膜的接触角增大。
图 7 甘油改性前后增塑的SPI复合膜在贮藏前后表面SEM图
Fig. 7 SEM images of SPI films before and after glycerol modification
A～C.甘油、生物聚甘油、生物甘油基聚酯Ⅱ增塑SPI复合膜；下标1.贮藏1 d（×1 000）；下标2.贮藏60 d（×1 020）。
从图7可以看出，在贮藏初期生物甘油基聚酯Ⅱ增塑的SPI复合膜和甘油增塑的SPI复合膜与生物聚甘油增塑的SPI复合膜相比，表面光滑度较好，复合膜物质之间结合紧密，所形成的空间网状结构致密，因此生物甘油基聚酯Ⅱ增塑的SPI复合膜机械性能得以更好地改善。经过60 d贮藏期后，甘油增塑的SPI复合膜表面变化极为显著，表面出现许多孔洞，结合前面对于复合膜的机械性能、水分含量及甘油迁出率的分析，这些孔洞的出现很可能是由于膜体系内大量甘油及部分水分子的迁出，使原本紧密的结构变得疏松，交联度降低，严重影响了机械性能，而生物甘油基聚酯Ⅱ增塑的SPI复合膜由于膜内存在长链脂肪醇酯，且内部物质交联度较好，在一定程度上可以限制甘油和水分子从膜体系内迁出，因此贮藏一段时间后，其内部结构依然较为完整致密。
甘油经改性后制成的生物甘油基聚酯增塑的SPI复合膜与甘油增塑的SPI复合膜相比，在60 d的贮藏期内，生物聚甘油增塑SPI复合膜、生物甘油基聚酯Ⅰ增塑SPI复合膜、生物甘油基聚酯Ⅱ增塑SPI复合膜、生物甘油基聚酯Ⅲ增塑SPI复合膜的拉伸强度稳定性分别提高了5.82%、13.91%、18.08%、9.42%；断裂延伸率稳定性分别降低了2.13%，提高了24.08%、34.52%，降低了5.29%；水蒸气透过系数稳定性分别降低了5.46%，提高了5.80%、14.68%、36.56%；水分含量稳定性分别提高了3.18%、8.25%、17.02%、13.17%；甘油迁出率稳定性分别提高了57.03%、59.97%、74.28%、70.25%。综合SPI复合膜的各项机械性能指标及其稳定性，生物甘油基聚酯Ⅱ增塑的SPI复合膜机械性能稳定性最优，同时生物甘油基聚酯Ⅱ增塑的SPI复合膜体系空间网状结构显著，物质间交联度高，对甘油和水分子具有较强的保持能力。
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Impact of Glycerol-Based Biopolyester on Mechanical Stability of Soybean Protein Composite Films during Storage
ZHANG Zhihua, XU Lina, YAN Wenbing, ZHANG Huajiang*, CHI Yujie, LIU Yuanyuan, WU Yongqing, YIN Tongtong
(College of Food Science, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)
Abstract:Soybean protein isolate (SPI) as a major ingredient was mixed with glycerol-based biopolyester prepared from modified glycerol to obtain SPI composite films, and changes in the mechanical properties, water content and glycerol migration rate of the resulting films during storage were monitored to investigate the effect of modified glycerol as a plasticizer on the film mechanical stability, water-holding capacity, glycerol migration stability and microstructure. The results showed that the composite films plasticized by a mixture of biopolyglycerol and fatty acid ratio (1:1, m/m) had the highest mechanical stability, and that of the tensile strength, extension at break, water vapor permeability coefficient, water content and glycerol migration rate increased by 18.08%, 34.52%, 14.68%, 17.02% and 74.28%, respectively, compared with the SPI films without unmodified glycerol. Moreover, the structure of the films plasticized by modified glycerol was more compact and continuous, forming a compact network on the surface. In conclusion, the incorporation of glycerol-based biopolyester could improve the mechanical stability of SPI composite films, which will provide the theoretical basis and technical support for broadening the application of SPI composite films.
Keywords:soybean protein isolate (SPI); glycerol modification; glycerol-based biopolyester; mechanical stability; glycerol migration rate
DOI:10.7506/spkx1002-6630-201815030
收稿日期：2017-03-24
基金项目：黑龙江省博士后科研启动金资助项目（LBH-Q16019）；2016年东北农业大学学术骨干项目（16XG21）；黑龙江省自然科学基金面上项目（C2018026)；黑龙江省高校科技成果产业化前期研发培育项目（1253CGZH26）；东北农业大学博士启动基金项目（2012RCB02）
第一作者简介：章智华（1995—），女，本科生，研究方向为农产品加工与贮藏。E-mail：zjavazhang@126.com
*通信作者简介：张华江（1976—），男，教授，博士，研究方向为农产品深加工。E-mail：hjthzhang@163.com
中图分类号：TS206.1
文献标志码：A
文章编号：1002-6630（2018）15-0207-07
引文格式：
章智华, 徐丽娜, 严文冰, 等. 生物甘油基聚酯对大豆分离蛋白复合膜贮藏期间机械性能稳定性的影响[J]. 食品科学,2018, 39(15): 207-213. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201815030. http://www.spkx.net.cn
ZHANG Zhihua, XU Lina, YAN Wenbing, et al. Impact of glycerol-based biopolyester on mechanical stability of soybean protein composite films during storage[J]. Food Science, 2018, 39(15): 207-213. (in Chinese with English abstract)DOI:10.7506/spkx1002-6630-201815030. http://www.spkx.net.cn