全 文 :现代食品科技 Modern Food Science and Technology 2016, Vol.32, No.5
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绿豆皮纳米纤维素对浓缩乳清蛋白可食膜性能的影响
马中苏 1,王亚静 1,陈珊珊 1,张宁 1,隋思瑶 1,张丽萍 2
(1.吉林大学食品科学与工程学院,吉林长春 130062)(2.黑龙江八一农垦大学食品学院,黑龙江大庆 163319)
摘要:以绿豆皮纤维素为原料,采用硫酸水解法制备绿豆皮纳米纤维素并将其应用到浓缩乳清蛋白可食膜中,研究了绿豆皮纳
米纤维素的微观形貌、结晶结构以及绿豆皮纳米纤维素添加量对浓缩乳清蛋白膜抗拉强度、断裂伸长率、氧气透过率、水蒸气透过
系数、透光率及微观结构的影响。结果表明:绿豆皮纳米纤维素为棒状结构,长度约为100~200 nm,直径约为10~20 nm,且保持典
型的纤维素Ⅰ型结构,结晶度较高;绿豆皮纳米纤维素与浓缩乳清蛋白有很好的相容性;当绿豆皮纳米纤维素添加量为1%时,膜的
水蒸气透过系数达到最小值,为 2.67×10-13 g/(cm·s·Pa);膜的透光率达到最大值,为 39.31%;此时膜表面较为平整均匀。当绿豆皮纳
米纤维素添加量为 2%时,膜的抗拉强度最大为 1.41 MPa,此时断裂伸长率为 139.8%;膜的氧气透过率达到最小值,为 1.8×10-5
cm3/(m2·d·Pa)。绿豆皮纳米纤维素的添加能够有效的提高浓缩乳清蛋白膜的性能。
关键词:绿豆皮纳米纤维素;浓缩乳清蛋白;可食膜;性能
文章篇号:1673-9078(2016)5-40-45 DOI: 10.13982/j.mfst.1673-9078.2016.5.07
Effects of Mung Bean Hull Nanocrystalline Cellulose on the Performance
of Whey Protein Concentrate Edible Film
MA Zhong-su1, WANG Ya-jing1, CHEN Shan-shan1, ZHANG Ning1, SUI Si-yao1, ZHANG Li-ping2
(1.College of Food Science & Engineering, Jilin University, Changchun 130062, China)
(2.College of Food Science, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China)
Abstract: Mung bean hull cellulose was used as the raw material to obtain nanocrystalline cellulose by sulfuric acid hydrolysis, which was
applied to prepare a whey protein concentrate film. The morphology and crystalline structure of mung bean hull nanocrystalline cellulose and the
effects of the amount of added mung bean hull nanocrystalline cellulose on the tensile strength, elongation at break, oxygen permeability, water
vapor permeability, transmittance, and microstructure properties of whey protein concentrate films were evaluated. The results showed that the
mung bean hull cellulose nanocrystals had a rod-shaped structure with the length ranging from 100 to 200 nm and the diameter ranging from 10
to 20 nm. In addition, the typical cellulose I structure was maintained, with relatively high crystallinity. Mung bean hull nanocrystalline cellulose
had good compatibility with the whey protein concentrate. When the content of mung bean hull nanocrystalline cellulose was 1%, the lowest
water vapor permeability [2.67 × 10-13 g/(cm·s·Pa)] and the highest transmittance of the films were reached, and the surface of the whey protein
concentrate film was smooth and homogeneous. When the content of mung bean hull nanocrystalline cellulose was 2%, the tensile strength was
highest (1.41 MPa), the elongation at break was 139.8%, and the lowest oxygen permeability [1.8 × 10-5cm3/(m2·d·Pa)] was obtained. The
addition of mung bean hull nanocrystalline cellulose can effectively improve the performance of whey protein concentrate films.
Key words: mung bean hull nanocrystalline cellulose; whey protein concentrate; edible films; performance
近年来,环境保护越来越受到人们的重视,可食
膜由于其无污染、无毒无害、可降解、同时具有良好
的包装性能和一定的营养价值引起了人们的广泛关
收稿日期:2015-07-23
基金项目:国家科技支撑计划项目(2015BAD16B00);国家星火计划项目
(2013GA670001)
作者简介:马中苏(1952-),男,博士,教授,博士生导师,主要从事食品
保藏与物流研究
通讯作者:张丽萍(1957-),女,博士,教授,博士生导师,主要从事杂
粮深加工研究
注[1]。可食膜按照其主要成制备材料可分为蛋白质基
可食膜、多糖基可食膜、脂质基可食膜和复合型可食
膜,由于可食膜绿色环保的特性及优良的包装性能使
其在果蔬保鲜、肉类和水产品加工与保鲜、方便和快
餐食品的制作、糖果和焙烤食品的保藏以及食品包装
等领域拥有广阔的应用前景[2]。
绿豆皮作为绿豆粉丝和绿豆芽等产品生产过程
的废弃物,其中含有 50%~60%的纤维素,是很好的纤
维素来源[3]。纳米纤维素(nanocrystalline cellulose, NCC)
是一种纳米尺寸的纤维素晶体,制备方法主要有水解
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法、机械法、生物法和静电纺丝法等[4]。纳米纤维素
不仅拥有纤维素的生物相容性、可降解及可再生等性
能,同时还具有高强度、高结晶度和较大的比表面积
[5]等优点,这些特性使其在食品、医药及复合材料等
领域应用广泛。浓缩乳清蛋白(whey protein concentrate,
WPC)是通过超滤等技术从乳清中分离浓缩的可溶性
蛋白质,具有良好的营养特性和成膜性,能形成透明、
柔软、有弹性、阻隔性能较好的可食膜[6~7]。目前国内
外已有一些将纳米纤维素应用于可食膜以及复合材料
中的研究,但对绿豆皮纳米纤维素制备及其对浓缩乳
清蛋白可食膜性能影响的研究还鲜有报道[8~9]。
本文采用硫酸水解法制备绿豆皮纳米纤维素,研
究了绿豆皮纳米纤维素形貌和结晶结构;以浓缩乳清
蛋白为成膜基材,将绿豆皮纳米纤维素添加到浓缩乳
清蛋白膜中,研究了绿豆皮纳米纤维素对浓缩乳清蛋
白膜机械性能、阻气性能、阻水性能、透光率及微观
结构的影响,以期能提高膜的各项理化性能,且为绿
豆皮纳米纤维素在可食膜中的实际应用提供新的参
考。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
浓缩乳清蛋白(蛋白质量分数 82%,脂肪质量分
数 6.5%,碳水化合物质量分数 5%,水分含量≤5%):
天津市光复精细化工研究所;绿豆皮纤维素:实验室
自制;甘油:分析纯,天津福晨化学试剂厂;氢氧化
钠、盐酸:分析纯,北京鼎国生物科技有限公司。
1.2 仪器与设备
TGL-16C 台式离心机:上海安亭科学仪器厂;
JEM-1011 型透射电镜:日本电子株式会社;
D/max2500pc 型 X 射线衍射仪:日本理学公司;
TSY-T1L 型透湿性测试仪、XLW(B)型智能电子拉力
试验机:济南兰光机电技术有限公司;GDP-C型气体
渗透性测试仪:德国 Brugger公司;Nexus-670型傅里
叶变换红外光谱仪:美国Nicolet仪器公司;TU-1810
紫外-可见分光光度计:北京普析通用仪器有限责任公
司;FD-1C-80型冷冻干燥机:北京博医康实验仪器有
限公司;自制成膜器:20 cm×20 cm有机玻璃板(聚
甲基丙烯酸甲酯)。
1.3 试验方法
1.3.1 绿豆皮纳米纤维素的制备
准确称取 10.00 g绿豆皮纤维素,分散于 100 mL
质量分数为 64%的硫酸水溶液中,于 50 ℃条件下恒
温加热并不断搅拌 1.5 h,加入去离子水稀释 10倍终
止反应,以 10000 r/min的速度经过多次离心以得到乳
白色绿豆皮纳米纤维素悬浮液,将此悬浮液装入透析
袋(截留分子量 8000~14000)中,用去离子水透析数
天至 pH值恒定,之后超声振荡 20 min,真空冷冻干
燥后即得绿豆皮纳米纤维素粉末。
1.3.2 绿豆皮纳米纤维素的微观形态
用移液枪吸取少量质量分数 1%的绿豆皮纳米纤
维素悬浮液滴在铜网上,室温下干燥,加速电压为 200
kV 条件下用透射电镜观察其微观形态和粒径分布情
况。
1.3.3 绿豆皮纳米纤维素X-射线衍射
采用D/max2500pc型X射线衍射仪对绿豆皮纤维
素和绿豆皮纳米纤维素进行分析,Cu靶,Kα射线,
管压 40 kV,电流 250 mA,步进扫描范围为 5-40º,
步长 0.02º,扫描速度 2 º/min,采用 Jade 5.0软件进行
分峰拟合,根据各峰的峰面积计算结晶度Xc[10]。
1.3.4 可食膜的制备
取100 mL质量分数10%的WPC溶液用1 mol/L
NaOH溶液调节pH值至8;80 ℃水浴加热20 min,加
热过程中一直搅拌并且保持方向不变;取出冷却后加
入6 mL增塑剂甘油和不同量(与WPC质量比)的绿豆
皮纳米纤维素;-0.8 MPa下真空脱气3 h;在40 ℃下干
燥成膜。
1.3.5 可食膜的性能测定
1.3.5.1 红外光谱(FT-IR)
将膜干燥剪碎研磨后采用KBr压片,利用傅里叶
变换红外光谱仪进行红外分析,扫描范围为 4000~400
cm-1。
1.3.5.2 扫描电镜(SEM)
采用扫描电子显微镜观察膜表面微观结构形态,
取 2 mm×2 mm膜样品固定,喷金处理,加速电压 15
kV。
1.3.5.3 膜的厚度(FT)
在膜表面四角各取一点,中央取一点,用螺旋测
微器测定五个点的膜厚并取平均值,用于计算膜的其
他性能。
1.3.5.4 机械性能
按照国标《塑料薄膜拉伸性能试验方法》
(GB/13022-1991),将膜裁成 15 mm×120 mm矩形
样品,置于温度 23 ℃、相对湿度 50%的恒温恒湿箱
内平衡 12 h,以智能电子拉力试验机测定抗拉强度
(TS)和断裂伸长率(E),实际试验长度为 80 mm,
试验速度为 200 mm/min,每个样品重复测量 3次取平
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均值。
1.3.5.5 氧气透过率(OP)
按照国标《塑料薄膜和薄片气体透过性试验方法-
压差法》(GB/T1038-2000),采用气体透过性测试
仪测定,测试面积为 108 mm2,试验气体为 99%的氧
气,每个样品重复测量 3次取平均值。
1.3.5.6 水蒸气透过系数(WVP)
按照国标《包装材料试验方法 -透湿率》
(GB/T16928-1997),采用 TSY-T1L型透湿性测试仪
测定,测试面积为 100 mm2,每个样品重复测量 3次
取平均值。
1.3.5.7 透光率(T)
将膜裁成矩形试样(9 mm×45 mm),贴于比色皿内
侧,在 560 nm波长下以空比色皿作对照用紫外-可见
分光光度计测定透光率[15],每个样品重复测量 3次取
平均值。
1.3.5.8 数据处理
采用Origin软件作图,SPSS17.0软件作为数据处
理工具分析试验结果,并采用 Duncan 多重比较检验
法进行显著性分析(p≤0.05)。
2 结果与讨论
2.1 绿豆皮纳米纤维素的微观形态
绿豆皮纳米纤维素透射电镜图如图 1所示,绿豆
皮纳米纤维素呈棒状结构,长度约为 100~300 nm,直
径约为 10~20 nm,粒径较小且分布均匀。这说明绿豆
皮纳米纤维素尺寸较小,分散性较好;硫酸能够有效
的水解绿豆皮纤维素,使其尺寸降低到纳米级别。
图1 绿豆皮纳米纤维素透射电镜图
Fig.1 TEM images of mung bean hull nanocrystalline cellulose
2.2 绿豆皮纳米纤维素X-射线衍射分析
绿豆皮纤维素和绿豆皮纳米纤维素 X-射线衍射
图如图 2所示。绿豆皮纤维素和绿豆皮纳米纤维素衍
射峰的位置基本没有发生变化,分别在 2θ=16.53°、
22.28°和 34.65°处出现较强的衍射峰,根据特征峰的
位置及 22.28°强衍射峰处没有出现双峰可以判断绿豆
皮纳米纤维素与绿豆皮纤维素均属于典型的纤维素Ⅰ
型结晶结构,且晶体类型没有改变,纳米纤维素制备
过程中纤维素晶型没有被破坏[11]。经过 Jade 5.0软件
结合 X-射线衍射图计算出绿豆皮纤维素和绿豆皮纳
米纤维素的结晶度分别为 50.88%和 75.79%,这是因
为在硫酸水解过程中,氢离子进入到了纤维素的无定
形区,促进糖苷键的断裂,使得无定形区水解破裂,
有效提高了绿豆皮纳米纤维素的结晶度[12]。
图2 绿豆皮纤维素和绿豆皮纳米纤维素X-射线衍射图
Fig.2 X-ray diffraction patterns of mung bean hull cellulose
and mung bean hull nanocrystalline cellulose
2.3 浓缩乳清蛋白膜红外光谱分析
图3 添加绿豆皮纳米纤维素前后浓缩乳清蛋白膜红外光谱图
Fig.3 FT-IR spectra of whey protein concentrate films with and
without mung bean hull nanocrystalline cellulose
添加绿豆皮纳米纤维素前后浓缩乳清蛋白膜的红
外光谱图见图 3。a为未添加绿豆皮纳米纤维素的浓缩
乳清蛋白膜,b 为添加绿豆皮纳米纤维素后的浓缩乳
清蛋白膜。3410 cm-1处的吸收峰是由O-H的伸缩振动
引起的,2 930 cm-1处的吸收峰是属于甲基和亚甲基中
C-H键的不对称伸缩振动,1650 cm-1处的吸收峰是由
于酰胺Ⅰ带的 C-O伸缩振动引起的,1545 cm-1处的吸
收峰属于酰胺Ⅱ带的N-H弯曲振动峰,1400 cm-1处的
吸收峰显示的是酰胺Ⅲ带 C-N的伸缩振动,1045 cm-1
是 C-O键的反对称伸缩振动峰,855 cm-1处的吸收峰
是由 C-H键弯曲振动引起的。添加绿豆皮纳米纤维素
后,膜 C-H振动峰由 2930 cm-1处向 2920 cm-1处发生
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了偏移,这表明绿豆皮纳米纤维素与浓缩乳清蛋白分
子间形成了氢键或共价键,分子间的氢键作用增强,
同时也影响了大分子共价键的振动强度,使得吸收峰
的峰值向低波数方向移动[9],但并未产生新的吸收峰,
说明绿豆皮纳米纤维素与浓缩乳清蛋白具有很好的相
容性。
2.4 浓缩乳清蛋白膜扫描电镜分析
不同绿豆皮纳米纤维素添加量对膜表面微观结
构的影响如图 4所示。与未添加绿豆皮纳米纤维素的
浓缩乳清蛋白膜相比,当绿豆皮纳米纤维素添加量为
1%时,膜表面较为光滑平整,突起较少,说明绿豆皮
纳米纤维素在膜中分布均匀,并与浓缩乳清蛋白通过
氢键连接形成了较为致密均一的网状结构[13],提高了
二者的相容性。当绿豆皮纳米纤维素添加量继续增加
时,膜表面变得粗糙,绿豆皮纳米纤维素明显团聚形
成了较多的突起,当绿豆皮纳米纤维素添加量为 5%
时,过多的绿豆皮纳米纤维素自身团聚已无法与浓缩
乳清蛋白发生交联作用,只能镶嵌在膜表面,使得膜
表面粗糙且呈现凹凸不平的现象。
a b
c d
图4 不同绿豆皮纳米纤维素添加量所成膜扫描电镜图
Fig.4 SEM images of the films with different amounts of added
mung bean hull nanocrystalline cellulose
注:a.绿豆皮纳米纤维素添加量 0,b.绿豆皮纳米纤维素
添加量 1%,c.绿豆皮纳米纤维素添加量 2%,d.绿豆皮纳米纤
维素添加量 5%。
2.5 绿豆皮纳米纤维素添加量对膜机械性能
的影响
绿豆皮纳米纤维素添加量对膜断裂伸长率和抗拉
强度的影响如图 5所示。浓缩乳清蛋白膜的断裂伸长
率最大为 149.05%,随着绿豆皮纳米纤维素添加量的
增加,断裂伸长率逐渐减小。这是由于绿豆皮纳米纤
维素与浓缩乳清蛋白通过氢键作用和分子间范德华力
等形成致密的网状结构,破坏了乳清蛋白膜本身的柔
韧性和连续性,提高了膜的硬度和脆度,因此膜的断
裂伸长率呈现降低的趋势[14]。随着绿豆皮纳米纤维素
添加量的不断增加,浓缩乳清蛋白膜的抗拉强度呈现
先增大后减小的趋势,当绿豆皮纳米纤维素添加量为
2%时,抗拉强度达到最大值 1.41 MPa,此时断裂伸长
率为 139.8%。这是因为绿豆皮纳米纤维素作为增强剂
添加到浓缩乳清蛋白膜中,纳米纤维素表面的羟基与
乳清蛋白表面的极性基团通过氢键相连接,形成了增
强的网络结构,从而提高了膜的抗拉强度;当绿豆皮
纳米纤维素添加量大于 2%时,过多的绿豆皮纳米纤
维素发生团聚现象,分散性较差,使得膜表面凹凸不
平,受力不均匀,容易产生应力集中,从而导致膜的
抗拉强度逐渐降低。
图5 绿豆皮纳米纤维素对浓缩乳清蛋白膜断裂伸长率和抗拉
强度的影响
Fig.5 Effect of mung bean hull nanocrystalline cellulose on the
elongation and tensile strength of whey protein concentrate film
2.6 绿豆皮纳米纤维素添加量对膜氧气透过
率的影响
绿豆皮纳米纤维素添加量对膜氧气透过率的影响
如图 6所示。由图 6可知,随着绿豆皮纳米纤维素添
加量的不断增加,浓缩乳清蛋白膜的氧气透过率呈现
先减小后增大的趋势,当绿豆皮纳米纤维素添加量为
2%时,氧气透过率达到最小值 1.8×10-5 cm3/(m2·d·Pa),
膜阻气性能最好。这是因为适量的添加绿豆皮纳米纤
维素,乳清蛋白与绿豆皮纳米纤维素通过氢键连接形
成交联网状的稳定结构,起到了阻碍氧气通过的作用,
延长了氧气通过膜内部的时间,使膜的氧气透过率降
低,阻气性能提高。但是过量的添加绿豆皮纳米纤维
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素,由于其本身的自身团聚会破坏乳清蛋白大分子的
网状结构,并且低溶解性的纤维素扩大了网状结构的
自由空间[14],使得膜氧气透过率增大,阻气性能降低。
图6 绿豆皮纳米纤维素对浓缩乳清蛋白膜氧气透过率的影响
Fig.6 Effect of mung bean hull nanocrystalline cellulose on
oxygen permeability of whey protein concentrate film
2.7 绿豆皮纳米纤维素添加量对膜水蒸气透
过系数的影响
图7 绿豆皮纳米纤维素对浓缩乳清蛋白膜水蒸气透过系数的
影响
Fig.7 Effect of mung bean hull nanocrystalline cellulose on the
water vapor permeability of whey protein concentrate film
绿豆皮纳米纤维素添加量对膜水蒸气透过系数的
影响如图 7所示。随着绿豆皮纳米纤维素添加量的不
断增加,浓缩乳清蛋白膜的水蒸气透过系数呈现先减
小后增大的趋势,当绿豆皮纳米纤维素添加量为 1%
时,水蒸气透过系数达到最小值 2.67×10-13
g/(cm·s·Pa),阻水性能最好。这是因为绿豆皮纳米纤
维素与乳清蛋白通过氢键作用形成了更加致密的网状
结构,使得水分子在膜内的扩散路径更加曲折[15],延
缓了水分子的扩散速度,阻碍了水分的通过,降低了
膜的水蒸气透过系数,从而提高了膜的阻水性能。当
绿豆皮纳米纤维素添加量大于 1%时,随着添加量的
继续增大,绿豆皮纳米纤维素自身开始团聚,破坏了
乳清蛋白大分子的网状结构[16],使得水分子易于通过
膜,因此提高了膜的水蒸气透过系数,使得膜的阻水
性能变差。
2.8 绿豆皮纳米纤维素添加量对膜透光率的
影响
绿豆皮纳米纤维素添加量对膜透光率的影响如图
8 所示。随着绿豆皮纳米纤维素添加量的不断增加,
浓缩乳清蛋白膜的透光率呈现先增大后减小的趋势,
当绿豆皮纳米纤维素添加量为 1%时,膜透光率达到
最大值 39.31%。这是由于绿豆皮纳米纤维素添加到浓
缩乳清蛋白膜中之后形成的致密网状结构阻止了光的
散射,从而提高了膜的透光率。当绿豆皮纳米纤维素
添加量大于 1%时,由于过多绿豆皮纳米纤维素的自
身团聚现象,使得膜表面不再均匀光滑,导致膜的透
光率开始下降。
图8 绿豆皮纳米纤维素对浓缩乳清蛋白膜透光率影响
Fig.8 Effect of mung bean hull nanocrystalline cellulose on the
transmittance of whey protein concentrate film
3 结论
3.1 绿豆皮纳米纤维素为棒状结构,长度约为
100~300 nm,直径约为 10~20 nm;X-射线衍射结果表
明其仍具有典型纤维素Ⅰ型结晶结构,且结晶度明显
提高。
3.2 由红外光谱分析结果可知,添加绿豆皮纳米纤维
素的膜 C-H振动峰向低波数方向发生了偏移,但并未
产生新的峰,这表明绿豆皮纳米纤维素与浓缩乳清蛋
白分子间氢键作用增强,相容性很好;由扫描电镜结
果可知,绿豆皮纳米纤维素添加量为 1%时,膜表面
较为光滑平整,随着添加量的增大,膜表面越来越粗
糙,并呈现出凹凸不平的现象。
3.3 随着绿豆皮纳米纤维素添加量的增大,浓缩乳清
蛋白膜抗拉强度和透光率呈现先增大后减小的趋势,
膜的氧气透过率和水蒸气透过系数呈现先减小后增大
的趋势。当绿豆皮纳米纤维素添加量为 1%时,膜的
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水蒸气透过系数达到最小值,为 2.67×10-13
g/(cm·s·Pa);膜的透光率达到最大值,为 39.31%;当
绿豆皮纳米纤维素添加量为 2%时,膜的抗拉强度最
大为 1.41 MPa,此时断裂伸长率为 139.8%;膜的氧气
透过率达到最小值,为 1.8×10-5 cm3/(m2·d·Pa)。
3.4 通过将绿豆皮纳米纤维素添加到浓缩乳清蛋白
可食膜中,能够有效的提高浓缩乳清蛋白膜的机械性
能和物理性能,使得浓缩乳清蛋白膜在食品包装等领
域具有更好的应用前景,同时也为绿豆皮纳米纤维素-
浓缩乳清蛋白复合膜的制备提供了参考。
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