CN103554536B

CN103554536B - 一种花生分离蛋白-阿拉伯胶复合膜的制备方法

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Publication number: CN103554536B
Application number: CN201310537520.1A
Authority: CN
Inventors: 王兴国; 李晨; 金青哲
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Jiangnan University
Priority date: 2013-11-01
Filing date: 2013-11-01
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2033-11-01
Also published as: CN103554536A

Abstract

本发明公开了一种花生分离蛋白-阿拉伯胶复合膜的制备方法，包括：将花生分离蛋白与阿拉伯胶溶于去离子水中，冷冻干燥得到花生分离蛋白-阿拉伯胶混合物；将所述花生分离蛋白-阿拉伯胶混合物在一定的温度和湿度条件下分别加热反应不同时间，得到不同交联程度的花生分离蛋白-阿拉伯胶交联物；将所述不同交联程度的花生分离蛋白-阿拉伯胶交联物制成复合膜。本发明研究糖基化反应对制备花生分离蛋白-阿拉伯胶复合膜性质的影响，筛选出机械性能和阻隔性能均较好的复合膜；并对糖基化后的膜进行结构鉴定，为糖基化改性制备花生分离蛋白-阿拉伯胶复合膜提供一定的理论基础。

Description

一种花生分离蛋白-阿拉伯胶复合膜的制备方法

技术领域

本发明属于复合膜的制备和开发研究领域，具体涉及一种利用糖基化反应制备花生分离蛋白-阿拉伯胶复合膜的方法。

背景技术

花生是我国最重要的油料作物之一，花生榨油后的副产物花生粕中含有40%以上的蛋白质，成为一种重要的油料蛋白来源。花生粕由于其较差的溶解性，较深的颜色以及不良气味而通常作为动物饲料或肥料使用，造成了蛋白质资源的浪费。对花生粕进行深加工，或将花生蛋白从花生粕中提取纯化可以提高花生蛋白的应用价值，扩大花生蛋白的应用范围。目前国际上花生蛋白产品根据蛋白质的含量，主要分为花生蛋白粉、花生浓缩蛋白和花生分离蛋白三种（矫丽媛，吕敬军，陆丰升，于丽娜，杨庆利，孙杰，毕洁，张初署．花生分离蛋白提取工艺优化研究．食品科学，2012，31(20)：196-201）。花生分离蛋白跟其他花生蛋白产品相比，具有较好的乳化性，凝胶性及起泡性等功能性质（ZhaoG,LiuY,ZhaoM,RenJ,YangB.Enzymatichydrolysisandtheireffectsonconformationalandfunctionalpropertiesofpeanutproteinisolate.FoodChemistry,2011,127:1438–1443）。然而，与其他植物蛋白相比，例如大豆蛋白，花生分离蛋白的功能性质仍然较差，极大的限制了其在食品工业中的应用。

采用不同的方法对花生分离蛋白进行改性可以提高花生分离蛋白的功能性质。常用的改性方法包括物理改性，化学改性和酶法改性（董新红，赵谋明，蒋跃明．花生蛋白改性的研究进展．中国粮油学报，2011，26(12)：109-117）。蛋白质与多糖的糖基化反应成为目前的研究热门。糖基化反应即美拉德反应，其原理是将蛋白质的ε氨基与多糖的还原羰基进行结合而得到蛋白质-多糖交联产物（KatoA.Industrialapplicationsofmaillard-typeprotein-polysaccharideconjugates.FoodScienceandTechnologyResearch,2002,8(3):193–199）。利用糖基化反应对蛋白质进行的改性属于化学改性，不同于酰基化与磷酸化改性的是，该方法不产生有害物质，并且经过糖基化改性后的蛋白质能具有很好的乳化性，热稳定性以及凝胶性等。因此，糖基化改性成为食品工业中最具前景的蛋白质改性方法（SongY,BabikerEE,UsuiM,SaitoA,KatoA.Emulsifyingpropertiesandbactericidalactionofchitosan–lysozymeconjugates.FoodResearchInternational,2002,35:459–466;SunY,HayakawaS,IzumoriK.ModificationofovalbuminwitharareketohexosethroughtheMaillardreaction:Effectonproteinstructureandgelproperties.JournalofAgriculturalandFoodChemistry,2004,52:1293-1299;LiuY,ZhaoG,ZhaoM,RenJ,YangB.ImprovementoffunctionalpropertiesofpeanutproteinisolatebyconjugationwithdextranthroughMaillardreaction.FoodChemistry,2012,131(3):901-906）。

许多传统的塑料包装材料由于不可回收和降解而造成严重的环境污染。食品和包装工业在近年来非常注重使用环境友好型的可降解材料来合成包装材料。可降解型包装材料主要由蛋白质、多糖、脂类等大分子物质组成。然而，蛋白质类食品包装膜具有机械性能差、热稳定性低、空气透过性和水蒸气透过性太强等缺陷，需要在制备过程中进行改性（郭佶慜，穆畅道，李德富．蛋白类食品包装膜的研究进展．中国皮革，2012，41(5)：52-59）。对于花生分离蛋白膜的改性主要集中于改善成膜条件，添加交联剂，以及对成膜溶液进行物理处理（如超声波，紫外辐照）等（刘媛媛，王强，王春艳．花生蛋白膜研究进展．食品科学，2011，32(1)：251-255）。目前，将蛋白质与多糖复合成膜成为可降解型包装膜的研究趋势。据报道，酪蛋白与麦芽糊精发生糖基化反应而制备的膜能够获得较好的延长性；大豆分离蛋白与羧甲基纤维素发生美拉德反应后，所制备膜的透明度随蛋白质和多糖交联程度的增加而有所增加，且热封性也有所增强（CardosoJC,AlbuquerqueJrRLC,PadilhaFF,BittencourtFO,deFreitasO,NunesPS,PereiraNL,FonsecaMJV,AraújoAAS.EffectoftheMaillardreactiononpropertiesofcaseinandcaseinfilms.JournalofThermalAnalysisandCalorimetry,2011,104(1):249-254;SuJF,YuanXY,HuangZ,WangXY,LuXZ,ZhangLD,WangSB,Physicochemicalpropertiesofsoyproteinisolate/carboxymethylcelluloseblendfilmscrosslinkedbyMaillardreactions:Color,transparencyandheat-sealingability.MaterialsScienceandEngineeringC,2012,32:40-46）。然而，目前并没有利用糖基化改性生产花生分离蛋白膜的研究，并且糖基化改性生产其他蛋白质膜的研究也只集中于理论研究阶段，可应用于实际生产中的较少。

总之，花生分离蛋白作为一种重要的植物蛋白资源，开发和研究花生分离蛋白膜具有广泛的应用前景。利用糖基化改性生产花生分离蛋白/多糖复合膜，可将花生分离蛋白与多糖的成膜性质相结合，不仅避免造成严重的环境污染，还有增加食品营养功能的健康效果。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有花生分离蛋白-阿拉伯胶复合膜的制备方法及应用中存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，研究糖基化反应对制备花生分离蛋白-阿拉伯胶复合膜性质的影响，筛选出机械性能和阻隔性能均较好的复合膜；并对糖基化后的膜进行结构鉴定，为糖基化改性制备花生分离蛋白-阿拉伯胶复合膜提供一定的理论基础。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种花生分离蛋白-阿拉伯胶复合膜的制备方法，包括：将花生分离蛋白与阿拉伯胶溶于去离子水中，冷冻干燥得到花生分离蛋白-阿拉伯胶混合物；将所述花生分离蛋白-阿拉伯胶混合物在一定的温度和湿度条件下分别加热反应不同时间，得到不同交联程度的花生分离蛋白-阿拉伯胶交联物；将所述不同交联程度的花生分离蛋白-阿拉伯胶交联物制成复合膜。

作为本发明所述制备方法的一种优选方案，其中：所述的将花生分离蛋白与阿拉伯胶溶于去离子水中，其中花生分离蛋白与阿拉伯胶的质量比为1:1～5:1。

作为本发明所述制备方法的一种优选方案，其中：所述制成复合膜是将不同交联程度的花生分离蛋白-阿拉伯胶交联物分别溶于去离子水中，每份溶液中均加入甘油，甘油质量占总固体物质含量的0～50%，将加好甘油的溶液真空脱气后，倒入聚苯乙烯培养皿，干燥成膜。

本发明通过花生分离蛋白与阿拉伯胶的糖基化反应，制备花生分离蛋白-阿拉伯胶复合膜。采用安全无毒的甘油作为增塑剂，避免了使用常规交联剂的毒性。对制备的花生分离蛋白-阿拉伯胶复合膜进行结构分析以及阻隔性能和机械性能的检测，探讨糖基化反应时间对复合膜结构和功能性质的影响。结果表明，糖基化后复合膜的结构和功能性质与糖基化反应时间密切相关，可根据实际需要来选择糖基化反应的时间。并且糖基化后的复合膜在水蒸气透过率和拉伸强度上均优于未发生糖基化的花生分离蛋白膜，要想得到较好的延长率则需要延长糖基化反应时间。

附图说明

图1：花生分离蛋白膜，花生分离蛋白-阿拉伯胶混合物膜和复合膜的FT-IR光谱图；图中a：花生分离蛋白膜；b：花生分离蛋白-阿拉伯胶混合物膜；c：糖基化3天的花生分离蛋白-阿拉伯胶复合膜；d：糖基化6天的花生分离蛋白-阿拉伯胶复合膜；e：糖基化9天的花生分离蛋白-阿拉伯胶复合膜。

图2：花生分离蛋白膜，花生分离蛋白-阿拉伯胶混合物膜和复合膜的水蒸气透过率；图中a：花生分离蛋白膜；b：花生分离蛋白-阿拉伯胶混合物膜；c：糖基化3天的花生分离蛋白-阿拉伯胶复合膜；d：糖基化6天的花生分离蛋白-阿拉伯胶复合膜；e：糖基化9天的花生分离蛋白-阿拉伯胶复合膜。

图3：花生分离蛋白膜，花生分离蛋白-阿拉伯胶混合物膜和复合膜的SEM图；图中a：花生分离蛋白膜；b：花生分离蛋白-阿拉伯胶混合物膜；c：糖基化3天的花生分离蛋白-阿拉伯胶复合膜；d：糖基化6天的花生分离蛋白-阿拉伯胶复合膜；e：糖基化9天的花生分离蛋白-阿拉伯胶复合膜。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

实施例1

1、实验材料：花生粕由山东光大绿源食品科技有限公司提供，蛋白质含量为45%。阿拉伯胶购于国药集团化学试剂有限公司，分子量为240000-580000。甘油购于国药集团化学试剂有限公司，纯度为分析纯。

2、实验方法

采用碱溶酸沉法从花生粕中提取花生分离蛋白。花生粕与去离子水以1:20（w/v）的比例混合，调溶液pH值为8.0后室温下搅拌2h。在8000g，20℃的条件下离心20min取上清液。上清液调pH值至4.5后再在5000g，20℃下离心10min取沉淀。沉淀溶于去离子水中充分分散，并调pH至7.0后冷冻干燥，冷冻干燥后的粉末即为提取到的花生分离蛋白。最终得到花生分离蛋白的纯度为86.7%。

将花生分离蛋白与阿拉伯胶以1:1的质量比溶解于去离子水中并充分搅拌。调溶液pH值为7.0后冷冻干燥得到花生分离蛋白-阿拉伯胶混合物。将混合物于温度60℃，相对湿度79%（溴化钾饱和溶液）的干燥器中分别加热3，6，9天，得到不同交联程度的花生分离蛋白-阿拉伯胶交联物。将花生分离蛋白，混合物与交联物分别溶解于去离子水中（10%w/v）。每份溶液中均加入总固体物质含量25%的甘油。将溶液于室温下搅拌30min后调pH值为8.0。真空脱气后，将溶液倒入聚苯乙烯培养皿，50℃下加热12h后揭膜。即得到花生分离蛋白膜，花生分离蛋白-阿拉伯胶混合物膜以及分别糖基化3，6，9天的花生分离蛋白-阿拉伯胶复合膜。

实施例2

1、实验材料：实施例1中制备而成的五种可降解型膜。

2、实验方法

将实施例1中得到的五种膜进行FT-IR光谱（NicoletNexus470，赛默飞世尔科技）的分析。以4cm^-1的速度扫描，累计扫描64次。扫描范围为4000-400cm-1。

附图1为五种膜的FT-IR光谱图。图中，3600-3000cm^-1处较宽的吸收峰为多糖中-OH的吸收峰；1632cm^-1和1537cm^-1为的吸收峰分别为酰胺I区和酰胺II区的特征吸收峰，此吸收峰与蛋白质结构中的氨基酸残基有关；1241-1472cm^-1范围的吸收峰为酰胺Ⅲ区的特征吸收峰（SuJF,HuangZ,YuanXY,WangXY,LiM.Structureandpropertiesofcarboxymethylcellulose/soyproteinisolateblendediblefilmscrosslinkedbyMaillardreactions.CarbohydratePolymers,2010,79(1),145-153）。从图中可以看出，与花生分离蛋白相比，花生分离蛋白-阿拉伯胶混合物和交联物在3600-3000cm^-1，1632cm^-1，1537cm^-1以及1241-1472cm^-1处的特征吸收峰强度较弱，并且随着糖基化反应程度的加深，这些特征吸收峰的强度越来越弱。说明加入阿拉伯胶后，复合膜中的花生分离蛋白中的氨基酸与阿拉伯胶中的-OH发生了反应，并且随着加热时间的增加，这种反应程度越来越深。

实施例3

1、实验材料：同实施例2。

2、实验方法

用水蒸气透过率（WVP）来表征膜的阻隔性能。其检测根据ASTME96-95重量法（McHughTH,Avena‐BustillosR,KrochtaJ.Hydrophilicediblefilms:modifiedprocedureforwatervaporpermeabilityandexplanationofthicknesseffects.JournalofFoodScience,1993,58(4),899-903）。将膜固定在含有P2O5的玻璃杯上，并将玻璃杯置于相对湿度为75%（饱和氯化钠溶液）的干燥器中。称量玻璃杯前后的质量变化直到达到恒重为止。采用以下公式计算膜的WVP：

WVP=Δm×x/(Δt×A×Δp)

Δm(g)为玻璃杯随时间变化Δt(s)的增重，x为膜的厚度(m)，A为膜暴露的面积(1.49×10^-4m²)，Δp为膜内外的水蒸气压差(Pa)。

对膜的微观结构采用SEM扫描（modelSCD050,BAL-TEC公司）分析。样品置于密封的容器中，用1%四氧化锇气体固定4小时或更长时间，然后将样品固定在扫描电镜样品座上，离子溅射（SCD-005，BAL-TEC公司）后用电镜（QUANTA-200，FEI公司）观察。

如附图2所示，与花生分离蛋白膜相比，加入阿拉伯胶后，花生分离蛋白-阿拉伯胶膜的水蒸气透过率显著的降低，并且在糖基化反应3天后，利用交联产物制备的复合膜的水蒸气透过率约降低60%。随着糖基化反应的进行，花生分离蛋白-阿拉伯胶复合膜的水蒸气透过率又逐渐增加，然而与花生分离蛋白膜相比，其水蒸气透过率仍然较低。

附图3为五种膜的SEM图。由图中可以看出，花生分离蛋白-阿拉伯胶膜的表观形态与花生分离蛋白膜相比有明显的差异。加入阿拉伯胶后，花生分离蛋白-阿拉伯胶膜的结构较为致密，并且孔隙很少，造成了水蒸气透过率的降低。糖基化反应后，复合膜的表面结构变得变得较为粗糙，并且可以观察到单个的晶体结构，正是因为这种晶体的存在，使得复合膜的水蒸气透过率降低。然而当糖基化反应继续进行时，复合膜的表面结构变得较为平滑，单个的晶体结构也逐渐减少，表明复合膜的结构随着糖基化的进行逐渐趋向于无定形结构。这种无定形结构导致了膜分子的流动性增加，从而使膜的水蒸气透过率增加（XiaY,WangY,ChenL.Molecularstructure,physicochemicalcharacterization,andinvitrodegradationofbarleyproteinfilms.JournalofAgriculturalandFoodChemistry,2011,59(24):13221-13229）。由图可知，糖基化反应3天和6天的交联物制成的复合膜水蒸气透过率相差不大，而糖基化反应9天后，复合膜的阻隔性能明显降低。因此，糖基化反应3天和6天均可作为该复合膜的制备周期。

实施例4

1、实验材料：同实施例2。

2、实验方法

用拉伸强度（TS）和延长率（E）来表征膜的机械性能。采用质构仪（TA-XT2i，StableMicroSystems）对膜的TS和E进行测定。初始距离和速度分别为50mm和1mm/s。TS为拉断瞬间达到的力与膜初始截面面积的比值；E为膜拉断时伸长与原长的百分比。

膜的拉伸强度和延长率见表2。由表可知，与花生分离蛋白膜相比，加入阿拉伯胶后，花生分离蛋白-阿拉伯胶膜的拉伸强度至少增加50%。糖基化反应初期，复合膜的拉伸强度继续增加，而当糖基化反应6天后，复合膜的拉伸强度逐渐降低。与花生分离蛋白膜相比，加入阿拉伯胶后，花生分离蛋白-阿拉伯胶膜的延长率降低约20%，虽然糖基化反应3天后，复合膜的延长率有所增加，然而仍然比花生分离蛋白膜要差。随着糖基化反应的进行，复合膜的延长率逐渐增加，在糖基化反应9天后达到最大。由表可知，糖基化反应时间是影响花生分离蛋白-阿拉伯胶复合膜机械性能的重要因素。糖基化反应3天的复合膜拉伸强度最好，延长率最差；反应9天的延长率最好，拉伸强度最差；而糖基化反应6天的复合膜机械性能介于两者之间，综合性能较好。因此，可根据实际需要来选择糖基化反应的时间。

表1花生分离蛋白-阿拉伯胶糖基化复合膜的机械性能

注：PF：花生分离蛋白；PGF：花生分离蛋白-阿拉伯胶混合物膜；PGF3：糖基化3天的花生分离蛋白-阿拉伯胶复合膜；PGF6：糖基化6天的花生分离蛋白-阿拉伯胶复合膜；PGF9：糖基化9天的花生分离蛋白-阿拉伯胶复合膜。

本发明筛选出采用糖基化法制备花生分离蛋白-阿拉伯胶复合膜的反应时间。结果表明，随着糖基化反应时间的进行，复合膜中蛋白质与阿拉伯胶之间的反应越来越剧烈，并且形成的复合膜的结构趋向于无定形。对复合膜的阻隔性能和机械性能进行表征，结果发现，糖基化反应低于3天的复合膜阻隔性能和拉伸强度较好，但延长率较差；糖基化反应大于9天的复合膜延长率最好，但阻隔性能和拉伸强度最差；糖基化反应6天的复合膜的阻隔性能和机械性能介于两者之间，综合性能较好。这将有利于我们制备花生分离蛋白-阿拉伯胶复合膜时对于糖基化反应时间的确定，也为研究利用糖基化反应制备蛋白质/多糖复合膜提供理论基础。

综上所述，本发明采用糖基化法将花生分离蛋白与阿拉伯胶进行不同程度的交联，并利用不同交联程度的交联产物制备花生分离蛋白-阿拉伯胶复合膜。结果表明，糖基化后复合膜的结构和功能性质与糖基化反应时间密切相关，可根据实际需要来选择糖基化反应的时间。并且糖基化后的复合膜在水蒸气透过率和拉伸强度上均优于花生分离蛋白膜，要想得到较好的延长率则需要延长糖基化反应时间。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种花生分离蛋白-阿拉伯胶复合膜的制备方法，其特征在于，包括：

将花生分离蛋白与阿拉伯胶溶于去离子水中，冷冻干燥得到花生分离蛋白-阿拉伯胶混合物，其中，花生分离蛋白与阿拉伯胶的质量比为1:1～5:1；

将所述花生分离蛋白-阿拉伯胶混合物在一定的温度和湿度条件下分别加热反应不同时间，得到不同交联程度的花生分离蛋白-阿拉伯胶交联物；

将所述不同交联程度的花生分离蛋白-阿拉伯胶交联物制成复合膜，所述制成复合膜是将不同交联程度的花生分离蛋白-阿拉伯胶交联物分别溶于去离子水中，每份溶液中均加入甘油，甘油质量占总固体物质含量的0～50％，将加好甘油的溶液真空脱气后，倒入聚苯乙烯培养皿，干燥成膜。