1、琥珀酰化改性 菜籽蛋白 基复合 膜 制备及其 性能研究 1 李扬 章铖 邹昱成 王博 鞠兴荣 * 2 （ 南京财经大学食品科学与工程学院 /江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心 , 3 江苏高校粮油质量安全控制及深加工重点实验室，南京 210023） 4 5 摘要 琥珀酰化改性菜籽蛋白（ SRPI）与羟丙基甲基纤维素（ HPMC） 复合 制得薄膜。通过6 对 复合 膜 机械性能、水蒸气透过性 、 透明度 、二级结构和微观结构 进行 表征 。 结果表明： 菜7 籽蛋白 （ RPI） 经 琥珀酰化 改性后 ， SRPI 膜与 RPI 膜相比， 拉伸强度提高 18.7%，断裂伸长8 率提高 38.7
2、%，透明度提高 121%， 并且 蛋白 膜的二级结构中 -折叠与 -螺旋占比增大，无9 规则卷曲占比减小。 此外，当 SRPI:HPMC=3:1 时，复合膜与 SRPI 膜相比 阻水性提高 24.1%，10 拉伸强度提高 101.3%， -螺旋与无规则卷曲的占比无明显变化，而 -转角占比提升，有利11 于蛋白膜的结构稳定，并且复合膜微观结构紧凑，均匀，这表明琥珀酰化改性菜籽蛋白与羟12 丙基甲基纤维素具有 良 好的相容性。本研究 为菜籽蛋白基复合膜 的开发 与利用提供了理论依13 据。 14 关键词 琥珀酰化 菜籽 蛋白 羟丙基甲基纤维素 复合 膜 15 中图分类号： TS206.4 文献标识
3、 码： A 文章编号： 16 Study on preparation and properties of succinylated rapeseed 17 protein based composite films 18 Li Yang Zhang Cheng Zou Yucheng Wang Bo Zhou Runsong Ju Xingrong 19 (School of Food Science and Engineering, Nanjing University of Finance and Economic s, 20 Collaborative Innovation Cente
4、r of Modern Grain Circulation and Security of Jiangsu 21 Provincial ,Jiangsu University Key Laboratory of Grain and Oil Quality and Safety Control and 22 Deep Processing, Nanjing, Jiangsu 210023, China) 23 ABSTRACT The composite films were prepared by succinylated rapeseed protein (SRPI) and 24 hydr
5、oxypropyl methyl cellulose (HPMC). The mechanical properties, water vapor permeability, 25 opacity, secondary structure and microstructure of composite films were characterized. Compared 26 with the RPI film, the tensile strength of SRPI film increased by 18.7%, elongation at break 27 increased by 3
6、8.7%, opacity increased by 121%, - helix content increased and unordered content 28 decreased in the secondary structure. In addition, when SRPI:HPMC=3:1, the water vapor 29 permeability of the composite film increased by 24.1%, tensile strength increased by 101.3%, - 30 helix content was not obviou
7、sly changed and the -turn content was promoted, which is beneficial 31 to the stability of the protein films. The microstructure of the composite membrane is compact and 32 uniform, which indicates the there is a good compatibility between succinylated rapeseed protein 33 and hydroxypropyl methyl ce
8、llulose. This study provides a theoretical basis for the development 34 and utilization of rapeseed protein based composite films. 35 基金项目： 国家自然科学基金 (31501522, 31571767), 南京农业科学与技术研究项目（ 201505056） 收稿日期： 2018-04-17 作者简介：李扬，女， 1991 年出生， 硕士，食品质量与安全 通信作者： 鞠兴荣，男， 1957 年出生， 教授，食品营养、功能食品及农产品深加工 Keywords su
9、ccinylation, rapeseed protein, hydroxyl propyl methyl cellulose, composite film 36 37 可 食 性复合 膜 可适用于 食品的内 外包装 ,且 在 自然 环境中 可以 被降解 。该 复合 膜通过降38 低食品在储存过程中可能发生 的品质变化 ， 延缓一些 氧化 反应的发生 ，抑制 微生物 生长 来达39 到防腐保鲜，延长货架期的目的 1。 目前， 可食性复合膜 多 由 蛋白 、 多糖 与 脂质 组成， 这种40 复合 膜 以脂质作为阻水组分，蛋白质或多糖 作为脂质的支持介质以 保持膜的完整性 2。 可食41 性复
10、合膜 的 原料 主要 有 淀粉 3，果胶 4， 壳聚 糖 5， 魔芋葡甘聚糖 6， 明胶 7，海藻酸钠 8，42 羟丙基甲基纤维素 9， 大豆 蛋白 10等等。 这些 原料 不仅 来源广泛，可降解， 对环境友好 ，还43 可以作为食品风味料和营养强 化剂的载体， 是 近年来科学研究的热点。 蛋白类可 食 性膜，营44 养价值优越，透明度高， 分子间 交联作用强 11，机械性能 较 好 。 45 菜籽蛋白作为 可食性 膜 基料有很多的优点。 首先 菜籽蛋白营养可食，氨基酸组成 平衡 ，46 并且 蛋白消化率达 95%100%， 是 一 种 优质蛋白 12。我国以及加拿大等地区大面积种植菜47 籽
11、， 菜籽主要 作为油料作物，其副产品菜籽粕中蛋白含量 约 35%40%（干基） 13，而菜籽48 粕 主要 被用作动物饲料或者植物堆肥，造成蛋白资源的 极 大浪费。 开发利用菜籽粕中的蛋白49 资源，有 极大的经济价值和社会意义。此外，菜籽 蛋白还具有良好的成膜性 14，特别是改50 性后的菜籽蛋白，其机械性能等功能特性得到明显改善。 Wang 等 15的研究表明，利用酰51 化改性菜籽蛋白溶液喷雾干燥形成的微载体壁材的机械强度（ 450 MPa）显著高于未改性菜52 籽蛋白微载体（ 390 MPa）。 53 HPMC 是一种水溶性的纤维素衍生物，具有良好的成膜性 16。 HPMC 中含有大量
12、的易54 形成氢键的羟基 17，可以与蛋白质分子形成分子间氢键，提高共混膜的机械性能。 而 其官55 能团的取代程度，取代类型以及聚合物链的长短都会影响它的溶解性，透水性和机械性能56 18。 57 本实验 将 SRPI 与 HPMC 复合制 可食性 薄膜 ， 通过探讨 其最佳制备条件，并对58 SRPI/HPMC 复合膜的 机械性能、水蒸气透过性 、 透明度 、二级结构以及微观结构 进行研究 ，59 为开发食品的内层包装提供数据支撑。 60 1 材料与方法 61 1.1 实验材料 62 双低油菜籽 、 HPMC（ 平均 摩尔质量 为 16 000 g/mol，甲氧基取代度为 1.9,羟丙基取
13、代63 度为 8.5， 黏 度 为 19 mPas）、 石油醚 （沸程 3060 ） 、 甘油 、吐温 20、 琥珀酸酐 等化64 学试剂 均购自 上海阿拉丁生物化学技术有限公司 ， 分析纯。 65 1.2 实验方法 66 1.2.1 菜籽蛋白（ RPI） 制备 67 双低菜籽 脱壳，粉碎，过 筛 （ 60 目） ， 石油醚脱脂 8 h， 并 干燥过筛 （ 40 目） ，得到脱脂68 菜籽粕 。用蒸馏水 按 料液比 1 10 溶解 脱脂菜籽粕 ，用 1 mol/L NaOH 调节 pH 至 8.0， 离心69 （ 4 ， 8 000 g， 20 min） ， 取 上 清液用 1mol/L HC
14、l 调节 pH至 4.5，静置 1 h， 离心（ 4 ，70 8 000 g， 20 min） ，得 沉淀 。取沉淀 进行透析 （ 100 ku） ，冷冻干燥，得 到 菜籽蛋白 。 71 1.2.2 琥珀酰化改性菜籽蛋白（ SRPI） 72 取适量菜籽蛋白配置 10%（ w/v） 的菜籽蛋白溶液 ，用 1 mol/L NaOH 调节 pH 至 8.0，73 分次加入 10%琥珀酸酐 （以蛋白质量计） ，用 1 mol/L NaOH 维持 pH=8.0，恒温磁力搅拌74 （ 45 ） ，当 pH 基本稳定不变，反应完成，经 过滤，透析，冷冻干燥， 得 琥珀酰化改性菜75 籽蛋白 。 76 1.2
15、.3 琥珀酰化改性菜籽蛋白基复合膜制备 77 按照表 1， 取 相应质量的 RPI， SRPI 溶 于 100 mL 馏水中， 恒温 磁力搅拌 （ 50 ， 500 r/min，78 1 h） 。 HPMC 溶液 恒温磁力搅拌 （ 90 ， 500 r/min， 1.5 h）。 按照 表 1 各成分的 配比 等体积79 混合 蛋白与 HPMC 的成 膜液 并磁力搅拌（ 90 ， 500 r/min， 0.5 h），并 添加 2.0% (w/v)的甘80 油作为增塑剂 ， 1.5%（ w/v）的吐温 20 作为乳化剂 ， 使各组分混合均匀。 量取制得的各种81 成膜液 25 mL 倾倒于聚四氟乙
16、烯平板 (PTFE) (10 cm 10 cm 1 mm)。 在恒温恒湿箱中干燥82 24 h，成膜（ 50 ， RH=50%）。 SRPI HPMC=1 1， SRPI HPMC=2 1， SRPI HPMC=383 1， 保存以待测量。 84 表 1 不同配比的各成分的成膜液 /100 mL 85 86 RPI /g SRPI /g HPMC /g 甘油 /g 吐温 20 /g RPI 4.0 0 0 2.0 1.5 SRPI 0 4.0 0 2.0 1.5 SRPI HPMC=1 1 0 2.0 2.0 2.0 1.5 SRPI HPMC=2 1 0 2.7 1.3 2.0 1.5 SR
17、PI HPMC=3 1 0 3.0 1.0 2.0 1.5 1.2.4 Zeta 电位的测定 87 将样品稀释至 0.01%，取少量注入电位池（缓缓注入，防止气泡产生），放入电位仪中，88 测试温度为 25 ，即可测得 Zeta 电位值。均进样三次，每次重复记录 三次，取其平均值。 89 1.2.5 厚度测定 90 在 SRPI/HPMC 复合膜 表面随机选取 7 个点 ,用电子数显卡尺测量其厚度 ,取其平均值 ,用91 于 复合膜 机械性能、 水蒸气透过性 等参数的计算。 92 1.2.6 透明度 测定 93 将 SRPI/HPMC 复合膜 剪成 5 cm1 cm 的矩形长条 ,贴在玻璃比色
18、皿的一侧，在 =600 nm94 下测 定 吸光度 ，空白 比色皿 作对照，重复 测 定 5 次 。计算公式如下： 95 （ 1） 96 式中： Opacity 为 膜的透明度 ； A 为在波长 600 nm 下测得的 吸光度 。 97 1.2.7 傅 立 叶变换红外测定 98 取 SRPI/HPMC 复合 膜 60 下干燥 3 h，在 Bruker Tensor 27 傅立叶变换红外光谱仪中对99 其进行检测分析，测试参数为 :扫描波长范围 800 4 000 cm-1，分变率 4 cm-1，扫描次数 32 次100 20。曲线去卷积拟合和峰值分布用软件 PeakFit（ v 4.12 Sy
19、stat 软件有限公司，加利福尼亚）。101 定量分析蛋白质的二级结构 如表 2 所示： 102 表 2 酰胺 I 带各峰的指认标准 19 103 二级结构 酰胺 I 带波数 / cm-1 -螺旋 165 0 165 8 -折叠 161 0 164 0 -转角 166 0 169 5 无规卷曲 164 0 165 0 1.2.8 机械性能测试 104 根据美国材料试验协会制定的薄型塑料片材拉伸性能的标准测试方法 ASTM- D882-02，105 将薄膜剪切为 6 cm2 cm 的长条状 ,采用 TA-XT2i 型 物性仪测试其抗拉 强度 TS 和伸长率 E。106 初始 夹距 50 mm,拉
20、伸速度 1 mm/s,测试前将样品置于 23 ， RH = 53%恒温恒湿箱内平衡 72 107 h,重复测试 5 次， 取其平均 值。抗拉 强度 和断裂伸长率 计算见公式 : 108 109 110 式中 : TS 为复合膜 的 抗拉强度 ( MPa ); F 为拉伸最大应力 ( N ); S 为拉伸前截面积111 ( mm2 ); E 为复合膜断裂伸长率 ; L0 的原始长度 ( mm ); L 膜条断裂时伸长 长度 ( mm )。 112 1.2.9 水蒸气透过 性 (WVP) 113 根据 GB1037，采用 “杯法 ”测定。 用双面胶和石蜡将膜样品密封于 内装有 8 g 无水硫酸11
21、4 铜 的小玻璃烧杯杯口，置于装有 20 mL 的饱和氯化镁溶液的干燥器内 168 h,每隔 24 h 测量 1115 次烧杯的重量， 按 如下 公式计算水蒸气透过率 WVP： 116 117 式中： W 为增加的烧杯重量（ g） ; L 为膜的平均厚度（ mm） ; t 为测量的时间长（ 168 h） ; 118 S 为杯口的面积（ m2） ; p 为式样两侧的水蒸气压差 （ KPa）， 25 下为 3.1671KPa。 119 1.2.10 SRPI/HPMC 复合膜表面及横截面形态 120 SRPI/HPMC 复合膜 表面及横截面形态结构在 TM3000 型扫描电镜（ SEM）下进行观察
22、，121 膜样品用双面胶固定在铝盘上，表面进行喷金处理，加速电压为 15.0 KV，放大倍数为 100 0。 122 2 结果与分析 123 2.1 成膜液的 Zeta 电位 124 Zeta 电位的数值与分散系的稳定性有关，反映分散系中颗粒相互排斥与吸引力的大小。125 Zeta 电位绝对值越高， 体系越稳定。从表 3 中可以看出，所有的溶液的 Zeta 电位绝对值均126 大于 30，说明溶液都有较好的稳定性。 127 表 3 不同配比的 SRPI/HPMC 复合膜的厚度和 Zeta 电位绝对值 128 厚度 /mm Zeta /mV RPI 0.1600.005 52.10.1a SRP
23、I 0.1580.005 38.80.3b 1:1 0.1700.125 35.40.2c 2:1 3:1 0.1700.130 0.1600.008 32.30.2d 36.70.1e 小写字母不同，表示差异显著性 （ p 134 0.05）。从图 1可以看出不同配比的 SRPI/HPMC复合 膜都有良好光学性能。这就满足食品包装135 透明可见的要求 。 136 137 138 小写字母不同，表示差异显著性 （ p 0.05） 139 图 1 RPI和不同配比的 SRPI/HPMC复合 膜的透明度 140 2.3 傅 立 叶变换红外光谱 分析 141 图 2 为 RPI,SRPI,HPMC
24、,SRPI/HPMC 膜 在 800 4 000 cm-1 范围的 FT-IR 光谱。 实验结142 果表明，（与对照组比较）； 不同配比的 SRPI/HPMC 复合 膜 3 300 cm-1 附近有一个强而宽的143 吸收峰， 是由羟基 O-H 伸缩振动引起的 20。 在 SRPI/HPMC 复合 膜 3 287 cm-1 处的吸收峰由144 分子间氢键 O-H 和酰胺 N-H 伸缩振动引起的， 1 550 cm-1 处是酰胺 II 带（ -NH 弯曲振动）145 的吸收峰 21， 1 247 cm-1 的吸收是 C-N 伸缩振动造成的， 1 403 cm-1是 C-OH 振动， 2 923
25、， 2 146 867 cm-1 处是烷烃 C-H 伸缩振动引起的较弱的吸收 ， 1 037， 945 cm-1 是 由 C-O-C 伸缩振动147 引起的。 SRPI/HPMC 复合 膜的 3 460 3 160 cm-1 处出现一个较宽的吸收，随着蛋白比例增148 大，峰值变宽，角度变钝， 推测其原因可能是由于蛋白中发生氢键间的缔合作用增多。从红149 外光谱分析中可以看出 ,随着菜籽蛋白比例的提高， SRPI/HPMC 复合 膜 特征峰强度明显增强 ,150 共混主要表现成膜分子之间的共价键的变化。当两种组分之间的相互 作用加强时，表明这两151 组分相 容 性较好， 为 SRPI/HP
26、MC 复合 膜 的制备提供理论基础。 从图 2 中可以看出，与 RPI152 相比， SRPI 膜的二级结构中 -折叠与 -螺旋占比增大，无规则卷曲占比减小 ， -螺旋是一153 种相对规则的构象，主要位于蛋白质内部 ,其中包含大量的容易与其他极性集团发生作用的154 氢键 22。 -转角所占面积减小， -折叠面积增大，发生 -转角向 -折叠的转变，这是由氨基155 酸残基跟琥珀酸酐反应造成的 23。不同配比的 SRPI/HPMC 复合膜 -螺旋占比无明显变化，156 无规则卷曲占比减小，而 -转角占比提升，这可能与复合膜的 机械性能和阻水性有关。 157 158 图 2 不同配比的 SRPI
27、/HPMC 复合膜的红外光谱图 159 160 图 3 酰胺 I 带各峰在高斯曲线拟合后峰值所占的面积 161 2.4 机械性能测试 162 拉伸强度（ TS）和断裂伸长率 (E)是反映膜机械性能的两个主要指标。 各实验组机械性163 能测试结果见图 4，实验结果显示， RPI膜 拉伸强度值太小（ 4.0 MPa），不能满足 食品 包装164 材料的使用 要求 。 SRPI膜与 RPI膜相比，拉伸强度提高 18.7%，断裂伸长率提高 38.7%， 165 SPRPI/HPMC复合 膜 拉伸强度和断裂伸长率 较 SRPI都有显著地 提升 （ P 0.05）， 当 SRPI166 HPMC=3 1
28、时，拉伸强度提高 101.3%， 说明 RPI经 琥珀酰化 改性 后， 溶液均一稳定， 是 形成167 SRPI/HPMC共混膜良好机械性能的 重要 基础 。此外，不同配比的 SRPI/HPMC复合 膜机械性168 能测试结果表明， SRPI比例的增加，制备的 SRPI/PMC共混膜 拉伸强度显著降低（ P 0.05） ，169 膜的断裂伸长率显著增大（ P 0.05） 。 这可能因为单位 体积 中 SRPI聚集的越多，形成的蛋白170 质分子网络结构将加强分子链间的相互作用，宏观上表现为膜的断裂伸长性能增加。 HPMC171 的结构单元 D-吡喃式葡萄糖残基上含有 -OCH3(- OCH2C
29、H-(CH3) nOH)与未反应的 -OH，属172 活性基 团，且支链较长，与 SRPI分子上的氨基或酰氨基之间产生了分子间氢键作用，使得173 膜的内部网络结构增强，从而表现出 TS值的增大 24,25。 174 175 字母不同，表示差异显著性 （ p 0.05） 176 图 4 RPI 和 不同配比的 SRPI/HPMC共混膜机械性能 177 2.5 水蒸气透过性 178 水蒸气透过性 （ WVP） 是一个表征膜重要的性质 ,其 直接反映膜控制水分在食品与外界179 环境中迁移的能力 26,27。 不同配比的 SRPI/HPMC复合 膜 WVP详见 图 5，测定结果显示， RPI180
30、 膜 WVP为 0.4 317 (ng/m2spa)，与之对比，不同配比的 SRPI/HPMC复合 膜 WVP均显著降低 （ P 181 0.05） ，主要原因是 HPMC的结构单元 D吡喃式葡萄糖残基上含有甲氧基 ( OCH3)，182 OCH3是疏水性基团， HPMC大分子上的羟丙基与蛋白质分子的 NH2和 COO 基团之间183 形成氢键，形成较为稳定的网络结构，使大量的疏水集团暴露在体系中，从而提高膜的疏水184 性。 当 SRPI HPMC=3 1时 ， 复合膜与 SRPI膜相比阻水性提高 24.1%。 可见 ， SRPI/HPMC185 复合 膜具有 更好的阻 水 性能。 186
31、187 188 189 字母不同，表示差异显著性 （ p 0.05） 190 图 5 RPI和 不同配比的 SRPI/HPMC复合 膜的 透水性 191 2.6 蛋白基膜的的表面和横截面的微观结构 的扫描电镜图 192 图 6 反映了 不同配比的蛋白基 膜的的表面 和横截面 的 微观结构 。 RPI 和 HPMC 能够形193 成相对比较光滑的薄膜，无明显不均匀空洞。 纯的菜籽蛋白膜（ RPI）和琥珀酰化改性的菜194 籽蛋白（ SRPI）表面较为平整，出现细小裂痕，并且有蛋白质结晶， 这可能 会 导致膜的机195 械性能和阻水性能较差。 SRPI HPMC=1 1 时 ， SRPI/HPMC
32、 复合膜 结构 不均匀，出现团196 块小颗粒（ 图 6 C），当 SRPI HPMC=3 1 时 （如图 6 E）， 膜表面结构变得紧凑， 均匀，197 表明 当复合膜中 菜籽蛋白 含量较高时，与 HPMC 容易形成结构致密的复合膜 。 198 199 图 6 不同配比的 SRPI/HPMC复合 膜 表面 和横截面 的扫描电镜图 ： A: RPI; B: SRPI; C: 1 1; D: 2 1; 200 E:3 1; 201 F: RPI横截面 ; G:SRPI横截面； H: 1 1横截面 ; I： 2 1横截面 ; J: 3 1横截面 202 3 结论 203 本实验通过琥珀酰化改性的菜
33、籽蛋白与羟丙基甲基纤维素 复 合 制 得 可食性 薄 膜条件的研究，204 结果 表明 ， SRPI膜与 RPI膜相比，拉伸强度、断裂伸长率和透明度都有显著提高，并且蛋205 白膜的二级结构中无规则卷曲占比减小，微观结构较为紧密 。 HPMC作为菜籽蛋白的良好的206 复合 材料， 在 SRPI HPMC=3 1时， 能显著地改善 SRPI膜的机械性能 ，光学性能 以及阻水207 性能，通过共混的方式，实现了菜籽蛋白膜性能的改进，提升了菜籽蛋白基膜的实际应用价208 值，为 可 食性 膜 的应用提供理论参考。 209 参考文献 210 1 BERTUZZI M A, GOTTIFREDI J
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