隨著環境污染的日益加重, 急需新型可降解的環境友好材料替代塑料包裝材料, 蛋白質是目前公認的具有應用潛力的原材料之一, 已有很多的相關研究[1-4]. 玉米醇溶蛋白是從玉米淀粉生產的副產物中提取出來的一種蛋白質,可以溶解在 70%~80%的乙醇中,具有良好的成膜性[5-7],和其它蛋白膜一樣,蛋白膜在自然環境條件下放置一定時間, 其機械性有劣變的趨勢,限制了其應用。
目前多數的研究是將玉米醇溶蛋白膜放置在特定的環境中進行儲藏, 以抗拉強度和斷裂延伸率為指標考察膜的儲藏穩定性, 探討膜的機械性能受環境條件的影響[8-9].然而在實際應用中,作為食品包裝材料或者包裝物品后可能是暴露在自然環境中,因此, 有必要對玉米醇溶蛋白膜在自然環境中的穩定性進行研究。
本文是對在自然環境條件下的玉米醇溶蛋白膜的穩定性進行研究。 此處所指的室溫自然環境是在自然條件下的室內通風處, 環境溫度和濕度均為自然條件, 此時蛋白膜在儲藏過程中機械性能的變化與實際應用環境更為接近, 對玉米醇溶蛋白膜的應用研究更具價值。
1 材料與方法
1.1 原料與試劑
玉米醇溶蛋白:蛋白質含量 91.2%;無水乙醇、聚乙二醇-400、丙三醇,化學試劑均為分析純。
1.2 儀器與設備
TA.XT2i 物性測定儀, 螺旋測微器,AY-120 電子分析天平,81-2 型磁力攪拌器,HH-2 型電熱恒溫水浴鍋。
1.3 玉米醇溶蛋白膜的制備和儲藏
稱取一定量的玉米醇溶蛋白粉, 加入體積分數為 75%乙醇溶液(m(蛋白)∶m(乙醇溶液)=1:10)攪拌混合均勻,加入甘油(0.2 g/g zein)和聚乙二醇-400(PEG-400,0.4 g/g zein),繼 續攪拌 20 min,放 入80 ℃水浴加熱 15 min 后,取出再攪拌 15 min. 將蛋白質含量為 1.56 g 的蛋白成膜液注入成膜托盤(密胺材質,130 mm × 130 mm),70 ℃水浴加熱干燥成膜,2 h 后揭膜。
選取表面平整光滑、 厚度均勻的玉米醇溶蛋白膜存放在自然環境中,每隔 10d 取樣測其機械性能。
1.4 玉米醇溶蛋白膜機械性能的測定
將蛋白膜裁成 10 mm × 50 mm 的長條狀,對稱選取 8 個點測量厚度,取平均值。
物性測定儀測定膜的機械性能,A/TG 探頭,有效拉伸長度 30 mm, 測試速率 1.0 mm/s. 抗拉強度(TS, MPa )和斷裂延伸率(EB, %)的計算公式:TS=Fδ×W,式中:δ 為膜樣品的厚度,mm;W 為膜樣品的寬度,10 mm.
EB=L1L0×100% ,式中:L0為膜拉伸前的有效長度,30 mm;L1為膜斷裂時拉伸的長度,mm.
1.5 統計分析
所有實驗至少重復 5 次,實驗結果表示為:平均值±標準偏差。數據采用 Excel、SPSS Statistic 19.0 軟件進行分析和異常數據篩選。
2 結果討論
不同季節的室溫自然環境條件儲存的玉米醇溶蛋白膜機械性能的變化如圖 1、圖 2 所示。
從圖 1 可見, 不同季節儲藏的玉米醇溶蛋白膜抗拉強度的變化趨勢總體相同, 而穩定性有較大的差別。春、夏、秋、冬四季儲藏的膜的抗拉強度分別在儲藏 21 d、40 d、50 d、40 d 時取得最大值;儲藏過程中膜的穩定性春>冬>秋>夏, 蛋白膜斷裂延伸率的變化趨勢相同。 這種儲藏穩定性的變化與不同季節的氣溫和濕度都密切相關。 鄭州屬暖溫帶亞濕潤季風性氣候。 具有四季分明,春季干旱少雨,夏季炎熱多雨,秋季晴朗濕潤,冬季寒冷干燥的氣候特征。 氣象監測數據顯示,鄭州地區的四季相對濕度春<冬<秋<夏[10].【1】
在春季室溫條件下,室內的溫度較低,存放時不利于蛋白膜內部大分子的聚合, 因此膜的機械性能變化較小,穩定性較高。夏季室溫較高,環境潮濕,一方面有利于蛋白質分子之間及其與小分子增塑劑之間的重排和交聯,另一方面也加劇了甘油的析出,促進膜的老化, 因此膜的抗拉強度在儲藏期增加的幅度很大。 與春、冬兩季相比,夏季儲藏的蛋白膜在儲藏的前 20 d 膜的抗拉強度變化較慢,這主要是由于蛋白膜在儲藏初期吸收環境中的水分, 軟化了蛋白膜的剛性結構,一定程度上抑制膜的老化;儲藏 20d后蛋白膜的抗拉強度急劇上升, 可能是因為膜中大分子交聯和膜的老化。鄭州的夏、秋兩季的相對濕度沒有顯著差異,都保持較高的水平,可見空氣濕潤也是秋季的氣候特點。 秋季儲藏的蛋白膜由于較低的環境氣溫和較高的濕度,抑制其內部大分子聚合,而吸收的環境水分對蛋白膜起到增塑作用, 和夏季儲藏的蛋白膜相比抗拉強度變化較緩慢,增加值較小,在儲藏 40 d 后方達到最大值,所以秋季的氣候條件可在一定程度上延緩蛋白膜的老化。冬季少雨雪,環境濕度和溫度都較低, 所以冬季儲藏的蛋白膜抗拉強度變化較夏季緩慢,較秋季要快,秋冬兩種氣候條件下儲藏的膜的抗拉強度的增加值基本相同??傊?,在儲藏后期蛋白膜的抗拉伸強度均會降低, 但儲藏實驗結束時,膜的抗拉強度都高于新制備的膜。
由圖 2 可以看出, 秋季儲藏的蛋白膜的斷裂延伸率的變化趨勢和其它三季有很大的差別, 呈現出先增大、后降低的趨勢,而其它三季在儲藏過程中蛋白膜的斷裂延伸率則出現先降低、后增加的趨勢?!?】
總體來看, 玉米醇溶蛋白膜的機械性能在不同季節條件下都會隨著儲藏時間的延長而發生變化,玉米醇溶蛋白膜所處的環境對其機械性能具有明顯的影響。
3 結論
春季儲藏的蛋白膜的抗拉強度的變化趨勢和其它三季有較大的區別,最大抗拉強度較低,出現的時間較早; 秋季儲藏過程中蛋白膜的斷裂延伸率的變化趨勢和其它三季有很大的差別,呈現出先增大、后降低的趨勢, 而其它三季在儲藏過程中蛋白膜的斷裂延伸率則出現先降低、后增加的趨勢。 因此,蛋白膜所處的環境對其機械性能具有明顯的影響, 特別是環境的溫度和濕度。
參考文獻:
[1] González A, Strumia C M, Igarzabal A I C. Cross-linked soyprotein as material for biodegradable films: Synthesis, char-acterization and biodegradation [J]. Journal of Food Engi-neering, 2011, 106: 331-338.
[2] Wang, L., Auty, M.A.E., Kerry, J.P. Physical assessment ofcomposite biodegradable films manufactured using wheyprotein isolate, gelatin and sodium alginate[J]. J. Food Eng.2010, 96:199-207.
[3] Chen L, Reddy N, Yang Y. Soy proteins as environmentallyfriendly sizing agents to replace poly (vinylalcohol) [J]. Envi-ron Sci Pollut Res, 2013(3): 1-11.