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茶多酚對脫脂豆粕膜性能 及抗氧化性的影響

2018-03-02 18:45孫琳琳王一瀟管勇佳陳曉梅
食品工業科技 2018年2期
關鍵詞:脫脂成膜涂膜

孫琳琳,田 波,岳 瑩,王一瀟,管勇佳,陳曉梅,王 婷

(東北農業大學食品學院,黑龍江哈爾濱 150030)

近年來,合成薄膜帶來的全球性白色污染日益顯著,綠色環保、易于降解的包裝膜得到廣泛的關注與研究。生產可食性包裝膜的主要材料是天然的可食性生物大分子,按成膜材料種類的不同可以將可食性包裝膜分為蛋白類、碳水化合物類、脂類和復合類,其中,蛋白質類膜在食品領域應用較多。蛋白質是通過非共價鍵結合的,具有無定形三維結構的天然聚合物。玉米蛋白、小麥蛋白、大豆蛋白和花生蛋白等植物的蛋白都可用于生產可食性包裝膜[1]。其中,大豆蛋白中存在大量的氫鍵、疏水相互作用、離子鍵等,使其具有很好的成膜性,因此大豆蛋白膜在食品包裝及可降解生物材料領域具有很大的應用潛力[2]。

在中國,大豆是一種種植廣泛,產量高,價格低的農產品,主要用途是榨取油脂,榨油后的副產物為脫脂豆粕。脫脂豆粕加工成的大部分產品均可用作制備可食性膜的原料,常見的有以大豆分離蛋白為原料制備的可食性蛋白膜,還有一些是以大豆濃縮蛋白為原料制備的濃縮蛋白膜以及以豆渣為原料的豆渣膜等。本文選擇以脫脂豆粕為原料制備可食性豆粕膜省略了繁瑣的蛋白提取工藝過程,更重要的是降低了原材料的成本與能源消耗。石云嬌[3]通過對大豆蛋白基明膠復合膜穩定性的研究,得出戊二醛交聯更適合采用蒸汽而不是配制成戊二醛溶液。董增[4]以大豆分離蛋白為基本材料制備蛋白膜,對成膜配方進行優化。

大豆蛋白在世界范圍內食物消費中起著重要的作用,既具有高營養性,可以為人類提供優質的營養和健康,又具有優良的功能性。大豆分離蛋白具有成膜性好、阻氧性高、阻油性好等優點,但膜脆性大、柔韌性低、阻濕和機械性能較差[5]。因此,需要通過改性劑來提升性能。傳統的改性劑存在安全隱患,天然多酚類改性劑優勢更為明顯。茶多酚是從茶葉中提取的一種天然的抗菌、抗氧化劑,已于1991年被列入食品國家標準[6],其抗氧化作用主要由于兒茶素分子結構中的酚羥基,能中止脂肪酸自動氧化過程中的連鎖反應[7]。同時,茶多酚具有穩定氫鍵結構的能力,可以改變聚合物結構,使大豆蛋白穩定性提高[8]。于林[9]研究茶多酚改性后的膠原蛋白-殼聚糖復合膜對冷藏斜帶石斑魚的保鮮效果,結果證明茶多酚可有效延緩斜帶石斑魚的腐敗。添加抗氧化劑的可食性膜,可以更有效地抑制鮮切果蔬的軟化和霉變[10]。由于果蔬中維生素等微量營養素含量低,通過可食性膜滲入此類營養物,可以提高一些果蔬的營養價值[11]。茶多酚同色素的氧化可使食物的顏色發生改變,茶多酚具有強還原性,可防止天然色素(如胡蘿卜素、葉綠素、紅花黃、維生素B2和胭脂紅等)受光氧化作用而褪色,對色素的穩定有一定的功效[12]。

本文將天然抗氧化劑茶多酚加入脫脂豆粕制備可食性膜,研究茶多酚對脫脂豆粕膜阻隔性能和抗拉強度的影響,并將制得的成膜液涂抹于蘋果切片表面,對其護色效果進行對比實驗,為其在表面易被氧化的食品護色方面的應用提供理論和實踐依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

脫脂豆粕 蛋白含量為48.9%,水分13%,粗纖維3.6%,脂肪0.9%,灰分5.8%,山東禹王食品有限公司;茶多酚(以兒茶素95%計) 鄭州中成食品添加劑有限公司;丙三醇、氫氧化鉀 天津基準化學試劑有限公司;亞硫酸鈉 天津市紅巖化學試劑廠;無水氯化鈣、溴化鉀 中國天津市巴斯夫化工有限公司;富士蘋果 市售。

PVC磨砂塑料板 規格16 cm×24 cm×1 cm,自制模具;TA-XTplus型質構儀 英國Stable Micro System公司;HPG-9245型電熱恒溫鼓風干燥箱 北京東聯哈爾儀器制造有限公司;HH-4型數顯恒溫攪拌水浴鍋 江蘇金壇區西城新瑞儀器廠;AL204電子天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;Sartorius PB-10酸度計 德國賽多利斯;Ⅱ型電子數顯卡尺(0~150 mm) 哈爾濱量具刃具集團有限責任公司;DC-P3型全自動測色色差計 北京市興光測色儀器公司。

1.2 含茶多酚脫脂豆粕可食性膜的制備

參照并改進郭叢珊[13]方法制備茶多酚脫脂豆粕膜。將脫脂豆粕粉碎過100目篩,稱取8 g脫脂豆粕粉加入100 mL蒸餾水中混合均勻,緩慢加入4 g甘油,0.1 g Na2SO3,磁力攪拌20 min,使其混合均勻。調節溶液的pH至8.0,在85 ℃水浴鍋中反應25 min,冷卻至室溫,分別向其中加入0、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%和0.35%茶多酚,磁力攪拌20 min,使其充分溶解并反應。排除氣泡,量取成膜液75 mL,均勻流延鋪滿整個PVC模板,在60 ℃鼓風干燥箱中烘6 h。取出模具,在室溫下回軟30 min,小心揭膜,室溫保存48 h后進行性能測試。

1.3 膜性能測定

1.3.1 膜厚度 用千分尺對膜厚度進行測量,隨機選擇膜上的八個點進行測量,結果取其平均值。

1.3.2 透光率 將成品膜裁剪成長50 mm,寬10 mm的長條,使其貼于紫外分光光度計的比色皿的一側表面。設定檢測波長為600 nm,測定其吸光度。每組樣品取3個平行試樣測定,最終取平均值。以空比色皿作為空白對照,其透光率為:

式中:A為膜在600 nm波長下的吸光度;FT為膜的厚度(mm)。

1.3.3 CO2透過率 根據肖志剛[14]的方法進行實驗,稱取5 mL蒸餾水于50 mL錐形瓶中,向錐形瓶中不斷加入氫氧化鉀攪拌溶解直至飽和。錐形瓶口用膜覆蓋,扎緊稱重后置于空氣中,每天稱重二次并記錄稱重時間,持續2 d,通過錐形瓶重量的增加量來計算二氧化碳的透過率,每組取三個膜樣品進行測定。

式中:PCO2為二氧化碳透過率(g/h);Δm為錐形瓶的增加量(g);S為膜的面積(m2);T為測定時間間隔(h)。

1.3.4 抗拉強度(Tensile Strength,TS) 利用質構儀對復合膜樣品的拉伸強度(TS)進行測定。將膜剪成100 mm×10 mm的長條狀,將膜固定在質構儀的探頭上,設置其最小感應力值為5 g,拉伸速度為50 mm/min。探頭將復合膜緩慢向上拉起,直至復合膜發生斷裂。根據ASTM[15],計算膜的拉伸強度,每組取三個平行樣品測定。

式中:TS為拉伸強度,MPa;F為膜樣品斷裂時承受的最大應力,N;FT為膜的厚度,mm;B為膜的寬度,mm。

1.3.5 水蒸氣透過系數(Water Vapour Permeability,WVP) 按葉保平[16]的方法并進行改良,稱取4 g無水氯化鈣(使用前磨成粉,105 ℃烘箱中干燥2 h)于稱量瓶中,將膜裁剪成略大于瓶口的膜形狀,扎緊瓶口對其進行嚴格密封并稱重,將其放到相對濕度為81%的干燥器中,濕度環境用飽和溴化鉀溶液控制,每12 h稱一次稱量瓶的質量,持續2 d。水蒸氣透過系數按下式計算:

式中:WVP為水蒸氣透過系數,g·mm/(m2d·kPa);Δm為T時間內稱量瓶質量變化量,g;FT為膜的厚度,mm;S為膜的有效面積,m2;ΔP為膜兩側的水蒸氣壓差,kPa。

純水25 ℃時的飽和水蒸汽壓為3.1671 kPa,KBr飽和溶液的水蒸汽壓為純水的81%。

1.4 涂膜液抗氧化能力測定

1.4.1 1,1-二苯基-2,3硝基苯肼(DPPH)自由基清除能力 采用Xue等的方法[17]測定,取0.1 mol/L的DPPH乙醇溶液2.9 mL,加入0.1 mL的成膜液,混勻后室溫下避光反應30 min,以無水乙醇為空白在波長為517 nm的紫外分光光度計中測定吸光值A0。同時做空白對照,相同條件下,測定0.1 mL蒸餾水和2.9 mL DPPH溶液的吸光值A1;測定0.1 mL的成膜液和2.9 mL乙醇溶液的吸光度A2,結果按下式計算:

式中:A0為樣品的吸光度;A1為樣品空白的吸光度;A2為試劑空白的吸光度。

1.4.2 鐵還原抗氧化能力(Ferric reducing antioxidant power,FRAP) 采用Oyaizu[18]方法進行鐵還原抗氧化能力實驗,量取0.1 mL成膜液與0.4 mL 0.2 mol/L磷酸緩沖液(pH6.6)和0.5 mL 0.1%(W/V)鐵氰化鉀溶液,混合均勻。將混合物在50 ℃下反應20 min,然后將0.5 mL 10%(W/V)三氯乙酸添加到混合物中,并以3000 r/min離心10 min。取上層溶液0.5 mL與0.5 mL的蒸餾水和0.1 mL 0.1%(W/V)氯化鐵混合,在700 nm處測定其吸光度。同時,以相同體積的蒸餾水代替成膜液做空白對照,吸光度越大表示還原能力越強。

1.5 茶多酚脫脂豆粕膜結構表征

1.5.1 紅外光譜分析 對茶多酚脫脂豆粕膜配方進行優化,對添加0.15%的茶多酚脫脂豆粕膜進行紅外光譜測定,膜經干燥后,與溴化鉀按(1∶100)研磨混勻,經壓片機上壓制成透明的薄膜后。采用紅外分光光譜儀,接收4000~400 cm-1波數范圍內膜的紅外吸收光譜圖。以不添加茶多酚的脫脂豆粕膜做對照。

1.5.2 掃描電鏡分析 制備最優配方的茶多酚脫脂豆粕膜,將待測的膜試樣制成1 cm×1 cm的正方形,并使用鋒利刀片切取膜的截面,將膜樣品按實驗觀察順序,粘貼到圓形樣品臺上,并對其表面和截面進行噴金鍍膜處理,利用掃描電鏡對膜樣品進行拍照觀察。樣品處理后,放入掃描電鏡觀察室,并抽真空,施加5.0 kV電壓,調整尺寸,將焦距調節清晰后,對試樣表面結構進行觀察。掃描電鏡的放大倍數選擇500倍和1500倍,拍攝膜表面和斷面圖像。以不添加茶多酚的脫脂豆粕膜做對照。

1.6 涂膜液對蘋果切片顏色的影響

選用易褐變的蘋果切片為研究對象,將富士蘋果,切成直徑為40 mm,高度為6 mm的圓片。按照1.2的方法制備含茶多酚的脫脂豆粕可食性涂膜液。將新鮮剛切片的蘋果隨機分組,放入涂膜液中浸泡1 min,撈出后室溫下平放在桌面上自然晾干。實驗分為三組,分別為涂膜空白組、茶多酚空白組以及含不同濃度的茶多酚涂膜組。

用色差計對蘋果切片進行顏色的測定,標準白板灰板對儀器背景值進行校準。每組樣品做兩次平行,測定膜的L*、a*和b*值[19]。蘋果褐變指數(BI)按下式計算:

1.7 數據處理

本實驗應用Excel、SPSS 17.0等軟件進行數據處理并進行方差分析,數據用X±SE表示,p<0.05表示顯著,p>0.05表示不顯著。

2 結果與討論

2.1 茶多酚濃度對膜厚度和透光率的影響

由表1可知,茶多酚添加量對膜厚度的影響不顯著,添加茶多酚對膜透光率的影響不顯著,茶多酚不是影響膜厚度和透光率的主要因素。

表1 茶多酚濃度對膜厚度和透光率的影響Table 1 Effects of tea polyphenols on the thickness and transmittance of composite films

注:同列中字母不同表示差異顯著(p<0.05)。

2.2 茶多酚對脫脂豆粕膜CO2透過率的影響

由圖1可知,隨著茶多酚濃度的增大,膜的CO2透過率先減小后增大。當茶多酚濃度為0.20%時,CO2透過率最小為0.33 g/h·m2,相比未添加茶多酚的脫脂豆粕膜降低了43.10%。這是因為茶多酚與蛋白質之間反應,通過疏水作用交聯形成更加致密的結構,減小了膜內分子的空隙,阻礙CO2的透過??苷20]認為,茶多酚與蛋白之間的作用是動態平衡。Siebert Karl Joseph[21]認為,只有當茶多酚和蛋白質兩者的濃度比適中,結合位點的總數大體相等時,形成的絡合物最多。此時形成的茶多酚脫脂豆粕膜的CO2透過率最小,當茶多酚濃度超過0.20%時,CO2透過率略增大。

圖1 茶多酚濃度對膜CO2透過率的影響Fig.1 Effect of tea polyphenol content on membrane CO2 permeation rate注:不同字母表示差異顯著(p<0.05)。圖2、圖3同。

2.3 茶多酚對豆粕膜抗拉強度的影響

由圖2可知,添加茶多酚可以使脫脂豆粕成膜液抗拉強度(TS)呈先增大后減小的趨勢,當茶多酚添加量為0.20%時,膜的TS由原來的5.61 MPa增加為6.49 MPa,抗拉強度增加了15.69%。Strauss等[22]推測,蛋白成膜過程中酚類物質及其氧化產物(醌類物質)可能與蛋白多肽鏈上的氨基和巰基側鏈交聯生成C-N或C-S非還原性共價鍵,形成高分子共價聚合物,從而使蛋白膜剛性增強,柔韌度減弱。T Sivarooban[23]認為,含葡萄籽提取物的大豆分離蛋白膜抗拉強度的增大,是由于葡萄籽提取物中的酚類物質,大豆蛋白分子與酚類物質通過氫鍵交聯。酚類物質可以增加成膜液分子間的交聯,促進蛋白鏈間相互作用,穩定膜結構和降低增塑劑的影響。當茶多酚濃度大于0.20%時,茶多酚與脫脂豆粕蛋白生成的氫鍵數目飽和,茶多酚濃度的繼續增大對抗拉強度的影響不大。

圖2 茶多酚濃度對抗拉強度的影響Fig.2 Effect of tea polyphenol content on tensile strength

2.4 茶多酚對水蒸氣透過系數(WVP)的影響

由圖3可知,茶多酚可以使脫脂豆粕膜的水蒸氣透過系數降低。結果表明茶多酚的濃度為0.20%時,水蒸氣透過系數最小。比未添加茶多酚的脫脂豆粕膜水蒸氣透過系數降低了18.49%。膜的水蒸氣透過系數隨茶多酚添加量的增大逐漸減小。這可能是由于茶多酚中的大分子酚羥基與脫脂豆粕蛋白質分子中的氨基或羧基通過氫鍵結合,從而加強成膜液中分子之間的交聯作用,使阻水性增強[24]。Bodini[25]等人認為,如果茶多酚與蛋白側鏈的極性集團結合,蛋白中的極性集團就不會和水分子結合,既減少了膜的水分含量,也減小了水分穿過基質的轉移速率。

圖3 茶多酚濃度對水蒸氣透過系數的影響Fig.3 Effect of tea polyphenol content on membrane water vapor permeability

2.5 茶多酚對脫脂豆粕成膜液抗氧化性質的影響

DPPH自由基清除能力是評價物質抗氧化能力的標準方法之一。由圖4可知,茶多酚的加入使成膜液的DPPH自由基清除能力和三價鐵還原能力得到了顯著提高。成膜液DPPH自由基清除能力由5.00%提高到33.29%。當茶多酚添加量增加至0.15%后,成膜液DPPH自由基清除能力趨于平緩,上升速度變慢,當茶多酚濃度達到0.35%時,DPPH清除能力再次升高,最高可達到33.29%。成膜液中不添加茶多酚時,同樣具有DPPH自由基清除能力和三價鐵還原能力。這可能是由于脫脂豆粕中富含高濃度的異黃酮,而異黃酮具有抗氧化性。此外其他研究者的報道也有相同的結果。胡湘蜀[26]研究發現,疏水鍵是多酚-蛋白質結合的主要形式,疏水結合廣泛發生在多酚分子的苯環及蛋白質分子的疏水部分之間。茶多酚與蛋白質分子疏水部分結合后,茶多酚添加量的增多使成膜液中酚羥基的數目逐漸增多,DPPH自由基清除率不斷增加。Kang[27]等提出,大豆蛋白中某些氨基酸,如半胱氨酸、酪氨酸、色氨酸和組氨酸是強力的自由基清除劑,表現出抗氧化性。

隨著茶多酚濃度增大,吸光度增大,說明成膜液還原力增大。當茶多酚濃度為0.15%時,隨茶多酚濃度增加,吸光度保持平緩,可能是由于茶多酚中活性抗氧化基團與蛋白結合。Giménez[28]認為,如果茶多酚的活性基團與蛋白質結合,形成的多酚-蛋白復合物會抑制抗氧化活性。

圖4 茶多酚濃度對成膜液抗氧化性質的影響Fig.4 Effects of tea polyphenols on the antioxidant properties of film forming solution

2.6 茶多酚脫脂豆粕膜結構表征

2.6.1 紅外光譜測定 紅外光譜中蛋白質典型酰胺條帶在3400 cm-1處,主要是O-H伸縮振動引起的吸收峰;在1700~1600 cm-1范圍內,該特征峰的產生主要是由于C=O伸縮振動,該峰對蛋白的二級結構相當敏感;在1600~1500 cm-1范圍內,吸收峰主要是C-N伸縮振動和N-H彎曲振動引起的[29]。由圖5可以看出,紅外圖譜在1386、1530.89、1641.46、3308 cm-1處有明顯的典型蛋白酰胺峰吸收。但添加茶多酚的膜與未添加茶多酚的脫脂豆粕膜在波長為4000~500 cm-1范圍內吸收峰位置沒有發生明顯的位移,說明沒有生成新的官能團,但峰強卻有大幅度增加,說明茶多酚的加入增加了肽鏈中羥基的數量,同時引入多個C=O鍵,造成吸收峰強度的增加。特征條帶峰強的增加表明茶多酚的加入使分子間的作用力增強,沒有峰移現象說明蛋白質的二級結構沒有發生改變。

圖5 紅外光譜圖Fig.5 Infrared spectrogram

2.6.2 掃描電鏡觀察結果 由圖6A、圖6B可以觀察出,添加茶多酚的膜表面比脫脂豆粕膜表面更加光滑。圖6C、圖6D顯示,茶多酚脫脂豆粕膜的結構更為緊密有序。從截面圖中能夠直觀清晰的觀察膜內部的結合情況。由圖6E和圖6F能夠看出,脫脂豆粕膜截面存在大的孔隙,空隙直徑全部在100 μm以上,最大可達180 μm,蛋白質分子間的排列無規律;而添加茶多酚的膜,在放大同樣倍數后,膜中仍存在一些孔隙,但孔隙分布均勻,空隙直徑小于30 μm,空隙明顯小于未添加茶多酚的脫脂豆粕膜,且膜分子內部結合的很緊密。通過對脫脂豆粕膜和添加了茶多酚的脫脂豆粕膜掃描電鏡的觀察,能夠將膜內部分子交聯的情況更加直觀的展示,為茶多酚脫脂豆粕膜在分子阻隔性能方面優于脫脂豆粕膜提供依據。

圖6 不同倍數下脫脂豆粕膜掃描電鏡圖Fig.6 Scanning electron microscope picture contain注:A:脫脂豆粕膜表面圖×500倍;B:茶多酚脫脂豆粕膜表面圖×500倍;C:脫脂豆粕膜表面圖×1500倍;D:茶多酚脫脂豆粕膜表面圖×1500倍;E:脫脂豆粕膜截面圖×1500倍;F:茶多酚脫脂豆粕膜截面圖×1500倍。

2.7 蘋果切片的涂膜保鮮效果

圖7 蘋果切片褐變指數與反應時間的關系Fig.7 Relationship between browning index and reaction time

各組蘋果切片貯藏不同時間,褐變度的變化如圖7。隨著貯藏時間的延長,所有蘋果切片顏色均逐漸加深。涂膜處理后的蘋果切片褐變度上升速度明顯緩于涂膜空白組,對蘋果切片進行涂膜處理可以有效抑制褐變,其中添加茶多酚的涂膜處理組效果尤其明顯。當茶多酚濃度在0.15%時,效果最好,此時的褐變指數最小,蘋果切片的顏色變化相對較小。涂膜劑中添加茶多酚可增強涂膜保鮮效果,脫脂豆粕中添加茶多酚能使蘋果切片保持較低褐變度,達到抗氧化護色的目的。由掃描電鏡結果可以看出,茶多酚可以明顯減小膜的孔徑,使其對空氣阻隔能力得到提高。劉開華[30]研究了含茶多酚的大豆分離蛋白涂膜對紅富士蘋果的影響,認為茶多酚具有良好的抗氧化作用,可降低蘋果環境的氧濃度,并能在一定程度上防止細胞膜的氧化損傷,更好地保護細胞完整性。

3 結論

向脫脂豆粕膜中加入具有天然抗氧化性的茶多酚,可以通過蛋白質與多酚形成致密的結構從而減小膜的孔隙,提高脫脂豆粕膜的機械性能和阻隔性能。同時增加涂膜液的抗氧化性和還原力,拓寬其應用范圍。在蘋果表面涂抹茶多酚-脫脂豆粕涂膜液,可以有效抑制褐變。添加了0.20%茶多酚所制得的膜拉伸強度提高15.69%,CO2透過率降低43.10%,水蒸氣透過系數減小了18.49%。和脫脂豆粕涂膜相比,加入茶多酚使脫脂豆粕可食性膜抗氧化能力得到提高。含茶多酚的脫脂豆粕膜無論從阻隔性還是抗氧化性上都更有益于應用在易發生褐變的水果的涂膜保鮮中。

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