1、丙三醇对大豆生物解离纤维素可食性膜特性的影响 江连洲 徐靓 齐宝坤 陈惠惠 陈思 朱颖 李杨 隋晓楠 东北农业大学食品学院 摘 要： 大豆生物解离纤维素是生物解离技术提取大豆油脂过程中产生的不溶性纤维素, 合理利用该纤维素有利于生物解离技术推广。试验以大豆生物解离纤维素为基材, 添加丙三醇后利用延流法制备可食性膜, 测定不同丙三醇添加量下可食性膜拉伸强度、断裂伸长率、水蒸气透过率、玻璃化转变温度、颜色及亮度、水溶性。结果表明, 丙三醇对可食性膜多种特性产生影响。丙三醇添加量增加, 可食性膜断裂伸长率、水蒸气通过率、亮度及水溶性升高, 拉伸强度及玻璃化转变温度降低。利用扫描电子显微镜观察可食性膜
2、表面微观结构发现, 添加丙三醇可提高可食性膜表面致密性与均一性;红外吸收光谱测定结果表明, 丙三醇与大豆生物解离纤维素间产生氢键作用, 在成膜过程中破坏纤维素分子间酯键, 削弱纤维素分子间作用力。研究为大豆生物解离纤维素可食性膜的生产提供理论依据。关键词： 丙三醇; 大豆; 生物解离; 纤维素; 可食性膜; 作者简介：江连洲 (1960-) , 教授, 博士, 博士生导师, 研究方向为粮食、油脂及植物蛋白加工。E-mail:收稿日期：2017-08-12基金：国家重点研发计划项目 (2016YFD0401402) Effect of glycerol on properties of edib
3、le films EAEP residue fiberJIANG Lianzhou XU Liang QI Baokun CHEN Huihui CHEN Si ZHU Ying LI Yang SUI Xiaonan School of Food Science, Northeast Agricultural University; Abstract： Soybean EAEP (Enzyme-assisted aqueous extraction processing) residue fiber is the insoluble fiber which producs in the pr
4、ocess of extracting soybean oil by EAEP technology. Exploitation of this part of residue fiber would bring economic benefits to EAEP. In this work, the edible films were prepared by EAEP residue and different contents of glycerol. The effects of glycerol addition on the tensile strength, elongation
5、at break, water vapor permeability, glass transition temperature, colors and water solubility of EAEP residue fiber based on edible films were investigated. The results showed that glycerol had an impact on the properties of edible films. The addition of glycerol exhibited an increase in the elongat
6、ion at break, water vapor permeability, lightness and water solubility of edible films of EAEP residue fiber, however, the tensile strength and the glass transition temperature decreased with increasing glycerol concentration. Using scanning electron microscopy to observe the microstructure of the s
7、urface of the edible film, it was found that the addition of glycerol could made the surface of the edible films became rough. The infrared spectrum analysis suggested that glycerol could produce hydrogen bonds with fibers and destroyed the ester bond among EAEP residue fiber molecules. The study pr
8、ovided a theoretical basis for the production of edible film made from soybean EAEP residue fiber.Keyword： glycerol; soybean; enzyme-assisted aqueous extraction processing (EAEP) ; fiber; edible film; Received： 2017-08-12大豆生物解离纤维素是生物解离技术提取大豆油脂过程中产生的大豆不溶性纤维素。大豆生物解离技术作为新兴的绿色油脂提取方法, 在预处理基础上酶解细胞壁和油脂体膜,
9、释放油脂1-2。生物解离技术提取大豆油脂过程中会产生大量大豆生物解离纤维素3, 合理利用大豆生物解离纤维素, 提高生物解离纤维素资源利用率, 对生物解离技术推广具有重要作用。塑料是食品工业中最常用薄膜包装材料, 但降解塑料耗时长, 易造成环境问题。近年利用天然可再生高分子材料制备环保、易降解可食性膜受到关注4-5。大豆生物解离纤维素易降解、来源广、成本低, 是制备可食性膜良好基材。丙三醇作为常用可食性膜增塑剂, 对可食性膜特性影响显著。陈珊珊等研究发现, 可食性膜大分子链间结构可能被小分子丙三醇破坏, 因此适量丙三醇可提高葵花籽壳纳米纤维素/壳聚糖/大豆分离蛋白可食性膜柔韧性, 有效提高可食性
10、膜水蒸气通过率6。刘鹏飞等研究丙三醇对甘薯淀粉膜特性影响, 表明丙三醇上羟基与淀粉分子结合, 削弱淀粉分子结晶结构, 提高甘薯淀粉膜透光率7。目前, 大豆生物解离纤维素可食性膜受丙三醇影响尚不明确。因此, 本文以大豆生物解离纤维素为基材, 丙三醇为增塑剂, 采用延流法制备可食性膜, 宏观上测定可食性膜拉伸强度、断裂伸长率、水蒸气透过率、玻璃化转变温度等性质, 微观上利用扫描电子显微镜及红外吸收光谱检测与分析可食性膜, 探究丙三醇添加量对大豆生物解离纤维素可食性膜特性影响, 以期提高可食性膜性能, 为大豆生物解离纤维素膜生产提供理论参考。1 材料与方法1.1 材料与试剂试验大豆购自黑龙江省家乐福
11、超市;Protex 6L (8 900 Um L) 碱性蛋白酶购自诺维信生物技术有限公司;柠檬酸 (分析纯) 购自山东嘉颖化工科技有限公司;丙三醇 (分析纯) 购自郑州市统麒化工产品有限公司;氢氧化钠、盐酸 (分析纯) 购自东莞市乔科化学有限公司。1.2 仪器与设备BT-457B1 型电子天平购自深圳博途电子科技有限公司;RET control-visc 型磁力搅拌器购自德国 IKA 公司;HH-S6 型数显恒温水浴锅购自常州金坛良友仪器有限公司;Sigma 3-16KL 型冷冻离心机购自德国西格玛公司;Nicolet i S10 型傅立叶变换红外光谱仪购自美国赛默飞世尔科技有限公司;SU80
12、20 型扫描电子显微镜, 购自日本 Hitachi 公司;UTM5305 型电子万能试验机购自深圳三思纵横科技股份有限公司;ZE-6000 色度仪购自日本电色工业株式会社。1.3 方法1.3.1 大豆生物解离纤维素制备大豆生物解离纤维素制备参见文献8, 操作流程如下:大豆粉碎过筛 (60 目) 后挤压膨化处理获得挤压膨化大豆粉, 将挤压膨化大豆粉与水以 15 体积比混合均匀后于烧杯中 55恒温水浴。用 2 molLNa OH 调混合物 p H 至 9.0, 加入膨化豆粉质量分数 2%Protex 6 L 碱性蛋白酶。混合物 p H 恒定为 9.0, 80 rmin 酶解 4 h, 获得大豆生物
13、解离酶解液。将酶解液以 4 500 rmin 离心20 min 后, 收集下方沉淀物, 用 4 倍体积去离子水洗涤 3 次, 去除其中水溶性成分后, 置于 40干燥箱干燥 24 h, 获得干燥状态大豆生物解离纤维素, 过80 目筛备用, 经测定其中含有约 93.6%纤维素。1.3.2 大豆生物解离纤维素可食性膜制备大豆生物解离纤维素可食性膜制备参见文献9。可食性膜利用大豆生物解离纤维素、丙三醇及去离子水混合制备。取 4 g 过 80 目筛干燥大豆生物解离纤维素, 加入 100 m L 去离子水, 分别加入大豆生物解离膳食纤维质量分数30%、40%、50%、60%、70%丙三醇, 搅拌均匀后真空
14、 10 min 获得成膜溶液。将成膜溶液倒入预先铺有聚酯薄膜玻璃板上均匀流延, 水平处室温干燥 24 h 成膜。将大豆生物解离纤维膜从玻璃板取下, 置于 25, 50%相对湿度环境下平衡 48 h 待测 (不添加丙三醇可食性膜脆性过大, 无法测定指标) 。1.3.3 大豆生物解离膳食纤维可食性膜性质测定。1.3.3. 1 机械强度机械强度测定参考文献5。将可食性膜剪成宽度 13 mm, 长度 170 mm 矩形, 置于温度 25, 相对湿度 50%环境中平衡 48 h。可食性膜拉伸强度 (Tensile strength, TS) 和断裂伸长率 (Elongation at break, EB
15、) 利用 SUNS 6102 万能试验机测定, 固定样品夹子初始距离为 100 mm, 上端夹子上升速度为 25 mmmin, 重复 3 次, 计算平均值。1.3.3. 2 水蒸气通过率水蒸气通过率测定参照 ASTM E96-95 方法稍作修改。将样品膜密封在丙烯酸样品池 (直径 4.4 cm, 高 2.1 cm) 上。向样品池中加入氯化钙以确保样品池内干燥, 加入量应使氯化钙平面比样品池边缘低 10 mm, 随后将其置于含有饱和 Na Cl 溶液 (75.02%RH) 干燥器中。分析天平测定每个样品池在干燥器中0、8、24、32 和 48 h 后质量。水蒸气通过率利用下式计算:式中:wt 时
16、间内质量增量 (g) ;x试样厚度 (m) ;A试样透水蒸气面积 (m) ;t质量增量稳定后两次间隔时间 (h) ;p试样两侧水蒸气压差 (Pa) 1.3.3. 3 玻璃化转变温度可食性膜玻璃化转变温度测定参考文献10, 采用差式扫描量热仪测定。取约10 mg 预先平衡后可食性膜样品置于铝盘内, 并取空铝盘作为空白, 使用液氮先冷却至 80, 然后在氮气环境下, 以 10min 的升温速度加热至 270。1.3.3. 4 颜色和亮度可食性膜颜色和亮度测定参考文献11。测定结果表示为亮度和色度参数 (红绿参数、黄蓝参数) 。每个样品取不同点测定 3 次, 计算平均值。1.3.3. 5 水溶性的测
17、定水溶性测定参考文献12, 将可食性膜裁剪成 2 cm2 cm 样品, 放置于装有100 m L 90水烧杯中, 阳光下观察水中片状可食性膜分散完全即为计时终点, 记录样品溶解时间。1.3.3. 6 表面微观形态通过扫描电子显微镜观察可食性膜表面微观形态。观察前, 用导电胶将样品固定至样品台上, 真空状态下镀金。观察时电压 1.0 k V, 放大倍数 400 倍。1.3.3. 7 傅里叶红外光谱可食性膜红外吸收光谱测定参考文献13, 利用傅里叶红外光谱仪测定。采集条件为环境温度 25, 分辨率为 4 cm, 波数范围 5004 000 cm, 扫描 32 次。1.3.4 数据分析与统计利用 S
18、PSS 22.0 软件对数据作统计学分析, 每组试验 3 次重复, 取平均值标准误。2 结果与分析2.1 丙三醇添加量对可食性膜机械性能影响丙三醇对可食性膜机械性能具有显著影响。由图 1 可知, 可食性膜拉伸强度随丙三醇添加量增加逐渐降低, 断裂伸长率则随添加量增加而增加。当丙三醇添加量为 30%时, 可食性膜拉伸强度达最大值 14.31 Mpa, 但此时断裂伸长率较低, 可食性膜脆性较大。2.2 丙三醇添加量对可食性膜水蒸气通过率影响水蒸气通过率是评价可食性膜重要指标。由图 2 可知, 可食性膜水蒸气透过率在丙三醇添加量 30%达到最低值, 随丙三醇添加量由 30%增加至 70%, 可食性膜
19、水蒸气透过率由 5.47 gmhPam 逐渐增至 6.01 gmhPam, 当丙三醇添加量达到 50%后, 随着丙三醇添加量持续增加, 可食性膜水蒸气通过率增加趋势较平缓。2.3 丙三醇添加量对可食性膜玻璃化转变温度影响玻璃化转变温度是可食性膜特征温度之一, 直接影响材料应用性能。由图 3 可知, 丙三醇添加量对可食性膜玻璃化转变温度影响较小, 可食性膜玻璃化转变温度随丙三醇添加量增加略微降低, 玻璃化转变温度由丙三醇添加量 30%时107.9降至丙三醇添加量 70%时 102.7。大豆生物解离纤维素可食性膜玻璃化转变温度在 100以上, 因此常温状态下 (约 25) 仍为玻璃态, 不影响其他
20、指标测定。图 1 丙三醇添加量对可食性膜拉伸强度及断裂伸长率影响 Fig.1 Influence of glycerol concentration on tensile strength and elongation at break of edible films 下载原图图 2 丙三醇添加量对可食性膜水蒸气透过率影响 Fig.2 Influence of glycerol concentration on water vapor permeability of edible films 下载原图图 3 丙三醇添加量对可食性膜玻璃化转变温度影响 Fig.3 Influence of gly
21、cerol concentration on glass transition temperature of edible films 下载原图2.4 丙三醇添加量对可食性膜颜色和亮度影响可食性膜色泽及亮度是食品包装生产应用重要指标。由表 1 可知, 丙三醇对可食性膜颜色及亮度有一定影响, 随丙三醇添加量增加, 可食性膜亮度逐渐增加, 亮度由 50.120.14 增至 53.030.16, 但可食性膜红绿参数和黄蓝参数值随丙三醇添加量增加无明显变化。2.5 丙三醇添加量对可食性膜水溶性影响图 4 为大豆生物解离纤维素可食性膜水溶性随丙三醇添加量变化。由图 4 可知, 随丙三醇添加量增加, 可食
22、性膜的水溶性提高, 溶解时间显著降低, 由 20.03 s 缩短至 15.93s, 当丙三醇添加量在 30%60%时, 可食性膜水溶时间下降趋势较显著, 当丙三醇添加量超过 60%时, 溶解时间下降较缓慢。表 1 丙三醇添加量对大豆生物解离纤维素可食性膜颜色影响 Table 1 Influence of glycerol concentration on colors of edible films 下载原表 图 4 丙三醇添加量对可食性膜溶水时间影响 Fig.4 Influence of glycerol concentration on soluble time of edible fil
23、ms 下载原图2.6 丙三醇添加量对可食性膜表面微观形态影响通过扫描电子显微镜观察可食性膜表面微观形态, 分析其均一性及致密性。图 5a5e 表示丙三醇添加量分别为 30%、40%、50%、60%、70%时生物解离纤维素可食性膜扫描电镜图。由图 5a5e 可知, 可食性膜表面微观形态随丙三醇添加量增加, 表面均一性及致密性越好, 在丙三醇添加量为 70%时 (见图 5e) , 可食性膜表面均一性最好, 且表面孔洞最少, 孔洞直径最小。2.7 大豆生物解离纤维素可食性膜红外光谱分析通过大豆生物解离纤维素可食性膜红外吸收光谱测定, 推测成膜过程分子间结构变化。由图 6 可知, 可食性膜及大豆生物解
24、离纤维素在多处具有较明显吸收峰。在 3 305 cm 附近出现较显著吸收峰, 由-OH 键伸缩振动产生5,14, 1 740 cm 附近出现吸收峰为酯键羰基伸缩振动产生峰15, 1 023 cm 附近吸收峰对应 C-O-C 中 C-O 键振动。图 5 不同丙三醇添加量生物解离纤维素可食性膜扫描电镜 Fig.5 SEM of EAEP residue edible films with different glycerol concentration 下载原图图 6 大豆生物解离纤维素及可食性膜红外光谱 Fig.6 FTIR of EAEP residue and edible film 下载原
25、图3 讨论与结论3.1 丙三醇添加量对可食性膜机械性能影响可食性膜机械特性可通过拉伸强度和断裂伸长率表征。丙三醇对可食性膜机械性影响结果与刘鹏飞等向甘薯淀粉膜中添加不同含量丙三醇结果一致7。丙三醇分子质量较低, 可进入可食性膜大分子间空隙, 与纤维素分子链上羟基形成新氢键, 削弱大分子之间相互作用力, 增加大分子移动性, 可食性膜拉伸强度降低, 断裂伸长率增加, 但可食性膜断裂伸长率不会随丙三醇添加量增大而无限增加, 因为过量丙三醇促进可食性膜吸湿过程, 降低断裂伸长率16。因此, 添加适量丙三醇可在保持拉伸强度良好状态下, 改善大豆生物解离膳食纤维可食性膜柔韧性。3.2 丙三醇添加量对可食性
26、膜水蒸气通过率影响向大豆生物解离纤维素可食性膜添加丙三醇可提高可食性膜水蒸气透过率, 与Sanyang 等向糖棕榈淀粉膜中添加不同含量丙三醇结果一致17。由于丙三醇具有亲水特性, 有利于可食性膜对水分子吸收和解吸过程18。此外, 小分子丙三醇可进入大分子成膜分子间区域19。在实际应用中, 食品包装膜水蒸气透过率较低, 在生产大豆生物解离膳食纤维可食性膜工艺中, 应同时考虑丙三醇改善可食性膜柔韧性和水蒸气透过率, 避免添加大量丙三醇。3.3 丙三醇添加量对可食性膜表观形态影响可食性膜亮度随丙三醇增加而增加, 可能因丙三醇添加至可食性膜中, 丙三醇夹在大分子之间, 结构松散, 结晶程度降低, 亮度
27、增加。此外, 丙三醇透明度高于大豆生物解离纤维素, 当丙三醇添加量较大时, 大豆生物解离纤维素浓度降低, 可食性膜亮度提高。丙三醇添加对可食性膜红绿参数和黄蓝参数值无显著影响, 可能因丙三醇本身无色, 通过观察可食性膜微观形态发现添加后丙三醇可食性膜表现趋于平整, 说明丙三醇在该添加量范围内对大豆生物解离纤维素可食性膜塑化作用较好, 填补纤维素分子间空隙, 宏观表现为表面平整、光滑, 孔洞较少。3.4 大豆生物解离纤维素可食性膜红外光谱分析大豆生物解离纤维素及可食性膜在 3 305、1740、1 023 cm 等均出现吸收峰。在 3 305 cm 附近-OH 键伸缩振动产生峰5,14, 与大豆
28、生物解离纤维素相比, 添加丙三醇制备可食性膜红外吸收光谱在该处峰强度显著增加, 表明丙三醇与大豆生物解离纤维素之间产生氢键作用。1 740 cm 附近酯键羰基伸缩振动产生峰15, 与可食性膜红外吸收光谱相比, 水酶法生物解离纤维素在该处吸收峰强度较强, 而在可食性膜样品中该峰被削弱, 说明添加丙三醇可能破坏纤维素分子间酯键, 削弱大豆生物解离纤维素分子间作用力, 薄膜结构松散, 降低可食性膜玻璃化转变温度, 缩短可食性膜扩散时间。添加丙三醇可提高大豆生物解离纤维素可食性膜断裂伸长率、亮度及水溶性, 降低可食性膜水蒸气通过率及玻璃化转变温度, 增加膜表面均一性及致密性, 大豆生物解离纤维素中添加
29、丙三醇可制备特性良好可食性膜。参考文献 2王喜波, 王海晴, 李秋慧, 等.不同方法提取牡丹籽油品质差异J.东北农业大学学报, 2016, 47 (9) :46-51. 3Sekhon J K, Jung S, Wang T, et al.Effect of co-products of enzyme-assisted aqueous extraction of soybeans on ethanol production in dry-grind corn fermentationJ.Bioresource Technology, 2015, 192 (2) :451-460. 5Daudt
30、 R M, Avena-Bustillos R J, Williams T, et al.Comparative study on properties of edible films based on pinho (Araucaria angustifolia) starch and flourJ.Food Hydrocolloids, 2016, 60:279-287. 6陈珊珊, 陶宏江, 王亚静, 等.葵花籽壳纳米纤维素/壳聚糖/大豆分离蛋白可食膜制备工艺优化J.农业工程学报, 2016, 32 (8) :306-314. 7刘鹏飞, 孙圣麟, 王文涛, 等.增塑剂丙三醇对甘薯淀粉膜性
31、能的影响研究J.中国粮油学报, 2015, 30 (10) :15-20. 8Li Y, Zhang Y, Wang M, et al.Simplex-centroid mixture design applied to the aqueous enzymatic extraction of fatty acid-balanced oil from mixed seedsJ.Journal of the American Oil Chemists Society, 2013, 90 (3) :349-357. 9Azeredo H M C, Kontou-Vrettou C, Moates G
32、 K, et al.Wheat straw hemicellulose films as affected by citric acidJ.Food Hydrocolloids, 2015, 50:1-6. 10Chang Y P, Cheah P B, Seow C C.Plasticizingantiplasticizing effects of water on physical properties of tapioca starch films in the glassy stateJ.Journal of Food Science, 2000, 65 (3) :445-451. 1
33、1孙宇, 郑先哲, 李强, 等.微波辅助泡沫干燥蓝靛果果粉工艺的研究J.东北农业大学学报, 2012, 43 (5) :17-23. 12高丹丹, 张超, 马越, 等.丙三醇对明胶-普鲁兰多糖复合材料性能的影响J.食品研究与开发, 2013, 34 (10) :108-111. 13高丹丹.普鲁兰多糖明胶可食性膜的制备、成膜机理及应用研究D.哈尔滨:东北农业大学, 2012. 14Pranoto Y, Rakshit S K, Salokhe V M.Enhancing antimicrobial activity of chitosan films by incorporating garl
34、ic oil, potassium sorbate and nisinJ.LWT-Food Science and Technology, 2005, 38 (8) :859-865. 15Bagheri L, Yarmand M, Madadlou A, et al.Transglutaminase-induced or citric acid-mediated cross-linking of whey proteins to tune the characteristics of subsequently desolvated sub-micron and nano-scaled par
35、ticlesJ.Journal of microencapsulation, 2014, 31 (7) :636-643. 16王建清, 张莉.NMMO 法纤维素膜的制备及力学性能J.天津科技大学学报, 2008, 23 (4) :9-13. 17Sanyang M L, Sapuan S M, Jawaid M, et al.Effect of plasticizer type and concentration on tensile, thermal and barrier properties of biodegradable films based on sugar palm (Are
36、nga pinnata) starchJ.Polymers, 2015, 7 (6) :1106-1124. 18Mali S, Grossmann M V E, Garc-a M A, et al.Barrier, mechanical and optical properties of plasticized yam starch filmsJ.Carbohydrate Polymers, 2004, 56 (2) :129-135. 19Vieira M G A, da Silva M A, dos Santos L O, et al.Natural-based plasticizers and biopolymer films:A reviewJ.European Polymer Journal, 2011, 47 (3) :254-263.
