鼠尾草酸米糠蛋白復合膜的制備及性能研究

齊藝惠，吳隆坤，董生忠，單秀峰，徐杰

鼠尾草酸米糠蛋白復合膜的制備及性能研究

齊藝惠，*吳隆坤，董生忠，單秀峰，徐杰

（沈陽師范大學糧食學院，實驗教學中心，遼寧沈陽110034）

開發具有生物活性的鼠尾草酸可食性米糠蛋白復合膜，并研究其物理性能、結構及抗氧化活性。以米糠分離蛋白為成膜基質，添加鼠尾草酸制成復合膜，通過檢測抗拉強度測試其機械性能，通過測定水蒸氣透過率、透光率，通過掃描電鏡等手段闡明其組織結構，并通過氧自由基清除能力判斷其抗氧化性，研究和探討鼠尾草酸米糠蛋白復合膜的理化性能。鼠尾草酸添加量在0~0.8%（W/V）時，隨著添加量的增加，復合膜的透明度升高，顏色逐漸加深變為墨綠色，抗拉強度和斷裂伸長距離均先升高后降低；0.5%鼠尾草酸添加量下米糠蛋白復合膜具有最大抗拉強度（984 g）和最長斷裂距離（5.89mm）。添加鼠尾草酸的米糠蛋白復合膜水蒸氣透過率比未添加對照組有所提高，可見該膜具有較好的組織結構。添加鼠尾草酸的米糠蛋白復合膜，隨著添加量的增大，該復合膜的自由基（DPPH·）清除活性提高，該復合膜的抗氧化活力（p<0.05）顯著提高。結果顯示，所制備的鼠尾草酸米糠蛋白復合膜具有抗氧化性能，可應用于包裝行業。

米糠蛋白；鼠尾草酸；膜；機械特性；抗氧化性

以多糖、蛋白質等天然可食性物質為原料，利用分子間相互作用而形成的薄膜，具有綠色環保、可降解、無污染等特點，可用于食品包裝和食品風味料、營養強化劑等領域[1]。目前，蛋白質來源的可降解和可食性膜的發展已引起了顯著的關注，已研究的可食性蛋白膜成膜材料主要包括大豆分離蛋白、小麥面筋蛋白、膠原蛋白、玉米醇溶蛋白、酪蛋白、明膠等[2]，以米糠蛋白研究較少。米糠蛋白的氨基酸種類齊全，所含人體必需氨基酸約占米糠蛋白氨基酸總量的41.9%，消化率高、過敏率極低[3]，其乳化性、溶解性和穩定性與大豆分離蛋白相似，具有較廣的用途。將稻米加工中副產物米糠蛋白用于可食用膜的研究，是米糠低值產品的高值利用，既能夠減輕環境負擔產生的生態環保效應，又能合理利用自然資源，因此具有一定的研究意義和生態價值。

鼠尾草酸（Carnosic acid，CA）是迷迭香和藥用鼠尾草的主要抗氧化活性成分，分子量為332.42，為酚型二萜類化合物（分子式C20H28O4），具有抗炎、抗菌、抗腫瘤等生理活性[4-6]，淡黃色粉末晶體易溶于油脂不溶于水，能夠延長油脂類食物的保質期，高效、安全，作為一種天然的抗氧化劑被廣泛應用于藥品、化妝品、保健食品和香料等領域[7]。試驗利用鼠尾草酸和米糠蛋白相互作用，制備鼠尾草酸米糠蛋白復合膜，研究不同添加量的鼠尾草酸對米糠蛋白復合膜理化性質和抗氧化活性的影響，為開發新型食品包裝膜提供理論依據。

1 試驗材料與方法

1.1 主要材料與儀器

米糠分離蛋白（蛋白質質量分數為85%），陜西帕尼爾生物科技有限公司提供；鼠尾草酸（98%），西安百川生物科技公司提供；鹽酸、氫氧化鈉、溴化鈉、氯化鈣、無水乙醇、丙三醇，沈陽市東興試劑廠提供；1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（1,1-Diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH），美國Sigma公司提供。以上所用試劑均為分析純。

HH-4型數顯攪拌水浴鍋，常州賽普實驗儀器廠產品；DF110型電子分析天平，中國輕工機械總公司常熟衡器工業公司產品；CT3型質構儀，美國博勒飛公司產品；GFL-125型烘干機，天津市萊玻特瑞儀器設備有限公司產品；S4800型掃描電子顯微鏡，日本日立公司產品。

1.2 試驗方法

1.2.1 米糠蛋白復合膜制備方法

參考Abayomip A等人[8]的方法，略有修改。配制質量分數為5%的米糠分離蛋白溶液，攪拌20 min使其充分溶解，然后加入質量分數為2.0%的甘油，加熱至80℃持續30 min后冷卻到室溫，再加入充分溶解于5 mL乙醇中質量分數分別為0，0.025%，0.050%，0.100%，0.200%，0.400%，0.800%（W/V）的鼠尾草酸[9]，量取混合液倒入一次性培養皿上，水平放置1 h。放入55℃鼓風干燥箱中干燥，揭膜即可得到添加鼠尾草酸米糠蛋白復合膜，揭膜后放置在相對濕度（RH）50%干燥器下平衡48 h后測定以下性能指標。

1.2.2 機械性能測定

根據ASTM標準方法（D882-01）并加以改進[10]，試驗選用抗拉強度和斷裂距離測定樣品的機械性能。用TA-DE型號夾將所測樣品具固定在質構儀上，選用TA26型探針，觸發點負載5 g，負載距離20 mm，測試速度0.5 mm/s。每組試驗做3個平行樣品，取算術平均數。

1.2.3 透光率的測定

參考Shiku Y等人[11]的方法，用紫外-可見分光光度計測定膜于波長600 nm處的透光率，每個樣品重復測定3次，取平均值。

1.2.4 水蒸氣透過系數的測定

根據GB 1037—88塑料薄膜和片材透水蒸氣性試驗方法，采用擬杯子法[12]，將完整均勻的膜密封在含有無水氯化鈣（烘干2 h）的三角燒瓶上，之后將燒瓶放入恒溫恒濕箱中（80%，25℃），膜外露面積為2.54 cm2，每隔24 h測定燒瓶杯的增質量。按下式計算水蒸氣透過系數（Watervapourpermeability，WVP）：

式中：W——燒瓶杯的增質量，g；

x——膜的厚度，mm；

A——膜外露面積（2.54 cm2）；

T——測量間隔時間（24 h）；

ΔP——膜兩側的水蒸氣壓差，kPa，由于膜兩側的相對濕度梯度為100%，測定溫度為25℃，故ΔP為2.535 kPa。

1.2.5 蛋白膜宏觀形態分析

將8種待測蛋白膜分別裁成5 cm×4 cm大小，置于光滑平坦的白色平面背景上，分別對其進行宏觀形態觀察并拍照。

1.2.6 蛋白膜掃描電子顯微鏡（SEM）分析

取待測樣品放置于60℃烘箱中烘干12 h，取出后將破碎后樣品的表面于5 kV加速電壓，5 000倍放大倍數下，用S4800型掃描電子顯微鏡對其表面形態進行觀察與拍照[10]。

1.2.7 膜的抗氧化能力評價

參照Mayachiew P和李鵬等人[13-14]的試驗方法進行適當調整，測鼠尾草酸米糠蛋白復合膜的抗氧化能力。在100 mL蒸餾水的燒杯中放置膜樣品（30 mm× 30mm），室溫下置于恒溫磁力攪拌器（轉速150 r/min）上，定時取1mL樣品溶液加入到DPPH甲醇（4mL，150μmol/L）溶液中混合均勻，以蒸餾水為空白對照，避光靜置30 min，使清除自由基反應充分發生，用紫外分光光度計測定波長516 nm處的吸光度并計算DPPH自由基清除活性。

式中：Asample——樣品的吸光度；

Acontrol——空白的吸光度。

1.2.8 數據處理方法

試驗數據用SPSS軟件進行處理，Microsoft Excel 2010繪制試驗中折線圖。

2 結果與分析

2.1 鼠尾草酸添加量對膜抗拉強度和斷裂距離的影響

鼠尾草酸添加量對米糠蛋白復合膜機械性能的影響見圖1。

圖1 鼠尾草酸添加量對米糠蛋白復合膜機械性能的影響

拉伸試驗中，抗拉強度為試樣直至斷裂時所受到的最大拉伸應力，材料被拉斷后所拉長距離為斷裂距離。由圖1可知，添加鼠尾草酸后，米糠蛋白膜的抗拉強度和斷裂距離均呈現先升高后降低的趨勢，隨著鼠尾草酸添加量的增加，當鼠尾草酸添加量為0.025%時，復合膜的抗拉強度和斷裂距離達到最大值；而當鼠尾草酸添加量超過0.200%時，復合膜的抗拉強度開始顯著降低（p<0.05）。研究表明，添加適量鼠尾草酸的米糠蛋白膜抗拉強度增加，主要是因為大分子聚合物與鼠尾草酸相互作用，減小了大分子之間的流動性，而鼠尾草酸添加過多又會導致形成不連續的異質膜結構，鼠尾草酸與復合膜蛋白質聚合體形成交互作用，取代了復合膜蛋白質之間較強的交聯作用，減弱了復合膜的網絡結構，因此降低了復合膜的抗拉強度。在試驗過程中發現，鼠尾草酸添加量在0.800%以上時，成膜溶液混合后產生顆粒沉淀，表明鼠尾草酸與米糠分離蛋白沒有全部參與反應，致使復合膜的抗拉強度和斷裂距離大幅度降低。

2.2 復合膜透光率和水蒸氣透過率的影響

鼠尾草酸添加量對米糠蛋白復合膜透光率和水蒸氣透過率的影響見圖2。

由圖2可知，在600 nm可見光下，添加鼠尾草酸米糠蛋白復合膜的透光率隨著鼠尾草酸添加量的增加而降低，對照組未添加鼠尾草酸的米糠蛋白復合膜透光率為27.6%，鼠尾草酸添加量為0.800%的米糠蛋白復合膜透光率為5.8%，這可能是在膜蛋白網絡中的鼠尾草酸對光具有一定的散射作用。與未添加鼠尾草酸的對照膜相比，添加鼠尾草酸的米糠蛋白復合膜具有更低的透光率（p<0.05），導致最主要原因是鼠尾草酸中自身含有顏色成分，以及在其成膜過程中參與膜蛋白網絡結構形成，因此鼠尾草酸的添加可影響米糠蛋白復合膜的外觀顏色和對光具有阻隔作用。

由圖2可知，0.025%添加組的鼠尾草酸米糠蛋白復合膜水蒸氣透過率高于對照組，其余組隨著添加量的增加水蒸氣透過率逐漸降低，其原因可能是添加0.025%鼠尾草酸的米糠蛋白復合膜結構較為疏松，酚類物質尚未形成分子層覆蓋蛋白質表面，能夠讓水蒸氣在薄膜內部較快擴散，增加了水蒸氣的透過性（p<0.05），這與張慧蕓等人研究相似。而隨著鼠尾草酸添加量的增加，如5組薄膜的WVP值明顯低于0.025%組（p<0.05），說明這幾種組分鼠尾草酸米糠蛋白復合膜的阻隔性較強，能降低WVP值。

2.3 鼠尾草酸的米糠蛋白復合膜宏觀形態分析

鼠尾草酸的米糠蛋白復合膜宏觀形態見圖3。

圖3 鼠尾草酸的米糠蛋白復合膜宏觀形態

由圖3可知，鼠尾草酸不同添加量的米糠蛋白復合膜均具有較為光滑平整的外觀，添加量越大復合膜表面越粗糙、脆性增加、柔韌度降低，0.400%和0.800%的復合膜出現邊緣斷裂現象，0.800%的復合膜表面不均勻，機械性能出現降低現象。隨著鼠尾草酸添加量的增加，該復合膜的顏色逐漸加深，透光率越來越低，也與前面復合膜的顏色及透光度描述信息相一致。

2.4 鼠尾草酸米糠蛋白復合膜微觀結構分析

鼠尾草酸米糠蛋白復合膜掃描電鏡見圖4。

圖2 鼠尾草酸添加量對米糠蛋白復合膜透光率和水蒸氣透過率的影響

圖4 鼠尾草酸米糠蛋白復合膜掃描電鏡

由圖4可知，不同鼠尾草酸添加量的米糠蛋白復合膜微觀結構的不同表現在其表面光滑程度及孔洞的數量。對照組的米糠蛋白復合膜表面比較致密；低添加量（0.025%和0.050%）米糠蛋白復合膜表面未見孔洞，與對照組相比表面粗糙度有增加；中度添加量（0.100%和0.200%）出現了一些孔洞和凸起；在較高添加量（0.400%和0.800%）的米糠蛋白復合膜中出現多、大且深的孔洞，并且存在很深的裂痕。分析其原因可能是成膜液在加熱過程中與丙三醇和鼠尾草酸混合后，由于分子內非共價鍵的相互作用，米糠蛋白分子結構發生較大的改變，構象發生變化，蛋白分子間氫鍵和氫氧根形成新的結構，相互作用力變低，形成孔洞和凹陷的情況。而孔洞數量、凹陷造成的結構致密程度將直接影響到蛋白膜的抗拉強度和斷裂距離，這與王娜等人[10]研究結果相似，一般而言表面平滑、結構均勻的膜通常作為包裝首選。

2.5 鼠尾草酸添加量對米糠蛋白復合膜抗氧化活性的影響

鼠尾草酸添加量對米糠蛋白復合膜DPPH自由基清除能力的影響見圖5。

圖5 鼠尾草酸添加量對米糠蛋白復合膜DPPH自由基清除能力的影響

由圖5可知，與未添加鼠尾草酸的米糠蛋白復合膜相比，添加鼠尾草酸顯著提高了米糠蛋白復合膜的DPPH自由基清除能力（p<0.05）。對照復合膜的DPPH自由基清除活力為8.90%，當鼠尾草酸添加量為0.025%，0.050%，0.100%時，復合膜的DPPH自由基清除能力分別為48.60%，52.30%，53.25%；當鼠尾草酸的添加量為0.800%時，復合膜的抗氧化性最高達到71.83%。添加鼠尾草酸后米糠蛋白復合膜的抗氧化活性顯著提高，表明添加到復合膜中的鼠尾草酸與蛋白質基質形成強交互作用的同時，依據保留了其抗氧化特性。鼠尾草酸具有二酚雙萜結構，苯環上有2個羥基，在苯環電子的離域作用下，酚羥基容易發生離子化，是良好的供氫體，這也是鼠尾草酸發揮抗氧化等活性功能的結構基礎。

3 結論

添加鼠尾草酸，一定程度上影響了米糠蛋白復合膜的理化性能和抗氧化活性。當鼠尾草酸添加量為0.025%，0.050%，0.100%時，復合膜的抗拉強度有所提高，而且前二組復合膜的斷裂伸長率比對照組也有所提高。對添加鼠尾草酸的米糠蛋白復合膜在600 nm可見光下，復合膜的透光率隨著鼠尾草酸添加量的增加而升高。0.025%添加組的鼠尾草酸米糠蛋白復合膜水蒸氣透過率高于對照組，其余組隨著添加量的增加水蒸氣透過率逐漸降低。不同添加量鼠尾草酸的米糠蛋白復合膜均具有較為光滑平整的外觀，添加量越大膜表面越粗糙、脆性增加、柔韌度降低。在加熱變性及成膜過程中，米糠蛋白復合膜在蛋白質二級結構上發生改變，蛋白質的特征結構表現不明顯，但是從紅外光譜中可看出不同鼠尾草酸米糠蛋白復合膜在2 400-1~1 800-1范圍內，隨著添加量增加吸收峰有逐漸增加的趨勢。根據以上研究結果，鼠尾草酸米糠蛋白復合膜可能被作為食品包裝材料，尤其是包裝具有高氧化性的食品，進一步將以檢測該復合膜對不同食品的應用效果進行研究。

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Preparation and Properties of Rice Bran Protein Film Incorporated with Carnosic Acid

QIYihui，*WU Longkun，DONG Shengzhong，SHAN Xiufeng，XU Jie
（Grain Science and Technology College，Shenyang Normal University Experimental Teaching Center Shenyang，Liaoning 110034，China）

In this study，objective to develop a novel bioactive edible rice bran protein film,and study its physical properties，structure and antioxidant activity.Protein from rice bran as membrane separation matrix，made of composite film added carnosic acid of different concentration，by testing the tensile strength test of itsmechanical properties，through the determination ofwater vapour transmission rate，transmittance and by scanning electronmicroscopy to elucidate the theme structure，and through the oxygen free radical scavenging ability to determine its antioxidant properties，physicochemical properties research and discussion of carnosic acid of rice bran protein film.Carnosic acid（CA）concentrations ranging from 0 to 0.8%（W/V），incorporated in a rice bran protein（RBP）films are used.Physical，mechanical，barrier，and antioxidant properties of RBP films are evaluated.Film with 0.5%CA has themaximal breaking strength（984 g）and the highest fracturing distance（5.89 mm）.Additionally，CA incorporated films became darker and showed a higherΔE value.The RBP film has the better microstructure.The CA of rice bran protein films，with the increase of concentration ofmembrane free radical（DPPH·）scavenging activity increased，the antioxidant activity of rice bran protein membrane（p<0.05）significantly improved.Research shows that the rice bran protein film prepared with antioxidant properties，with applications in packaging potential.

rice bran protein；arnosic acid；films；physical characteristics；antioxidant activity

TS201.2

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.04.001

1671-9646（2017）04a-0001-04

2017-03-01

國家級大學生創新創業訓練計劃（201610166028）；沈陽師范大學科研項目“米糠蛋白成膜機理研究”（L201520）。

齊藝惠（1997—），女，在讀本科，研究方向為糧食蛋白研究。

*通訊作者：吳隆坤（1980—），女，在讀博士，講師，研究方向為糧食、油脂及植物蛋白。