大豆分离蛋白纳米纤维素阿魏酸复合膜的制备及其包装性能

  现如今由石油基聚合物制成的包装材料是污染生态环境的重要的因素之一，与之相比，生物基聚合物制成的包装材料具备可再生、可生物降解的性质，因此近年来在全球范围内非常关注。生物基聚合物包装可分为两类：天然基聚合物（如多糖、蛋白质）和化学基聚合物（如聚乳酸、聚己内酯）。由于价格昂贵，化学基聚合物的使用受到了很大的限制。而天然基聚合物中以蛋白质为原料的包装材料得到了迅速发展，全球学者已针对多种蛋白质基的包装材料来了研究，如大豆蛋白、玉米醇溶蛋白和小麦蛋白。

  大豆蛋白膜由于其良好的生物相容性和生物降解性而具有很大的应用优势，但与传统食品包装相比，大豆蛋白膜的稳定性、阻隔性能和包装性能存在一定缺陷。纳米纤维素是一种纤维素衍生物，具有高弹性模量、高抗张强度和高结晶度，且由于其低成本、低密度、可再生性、生物降解性和生物相容性而被广泛用作填充材料。阿魏酸是一种存在于植物中具有多种生物活性的酚酸衍生物，可以与蛋白质发生交联，因为其具有抗氧化和抗菌性，在日本被列为食品添加剂，美国也允许一些含有阿魏酸的制剂应用于食品当中。

  目前鲜有将纳米纤维素和阿魏酸结合来提高大豆蛋白膜性能的相关研究，东北农业大学食品学院的李彤、张宏、张华江*和夏宁*等人将三者结合，探究纳米纤维素和阿魏酸的添加量对膜机械性能、阻隔性、抑菌性（大肠杆菌和金黄色葡萄球菌）的影响，并对其进行微观表征，以制备出一种性能好的大豆蛋白复合膜，为大豆蛋白膜的进一步研究提供技术参考。

  不同组分大豆蛋白复合膜的拉伸强度和断裂伸长率如图1所示，与空白组相比，A组和B组复合膜的拉伸强度明显地增加，断裂伸长率明显降低（P＜0.05），纳米纤维素与蛋白质之间发生了键合和交联作用，这种相互作用提高了复合膜的力学性能。与空白组相比，C组和D组复合膜的拉伸强度和断裂伸长率均显著下降（P＜0.05），实验表明添加0.2、0.4 g阿魏酸的复合膜成膜性较添加其他组分复合膜差。而添加了阿魏酸和纳米纤维素的E组复合膜拉伸强度与空白组相比提高了116.19%，这不仅要归因于晶须的几何形状和刚性，还要归因于通过氢键连接的纤维素纳米粒子连续网络的形成。而E组复合膜中添加的阿魏酸一部分与蛋白质发生交联，另一部分加强了纳米纤维素与蛋白质在复合膜中结合的相互作用，与此同时，这些相互作用的发生使分子间的距离缩小，形成了相对来说比较稳定的网络结构，使复合膜的柔韧性下降，以此来降低了断裂伸长率（与空白组相比下降了59.76%）。

  不同组分大豆蛋白复合膜的水蒸气透过率和氧气透过率的变动情况如图2所示。空白组因其亲水性而具有较高的水蒸气透过率，与之相比，添加纳米纤维素的A组和B组复合膜水蒸气透过率分别下降了10.36%和18.34%。添加阿魏酸的C组和D组复合膜的水蒸气透过率与空白组相比下降了49.55%和65.22%。E组复合膜的水蒸气透过率下降幅度更加显著（P＜0.05），与空白组相比下降了90.91%。而复合膜的氧气透过率变化规律与水蒸气透过率相同，E组复合膜的氧气透过率与空白组相比下降了77.55%，这同样也是分子间结构变化所导致的结果。

  不同组分大豆蛋白复合膜在不同水分活度下的等温吸湿曲线所示，随着水分活度的增加，各组复合膜的吸湿率均呈现上升趋势。在相同的水分活度条件下，添加了10、20 g纳米纤维素的复合膜（A组和B组）与空白组相比，吸湿率略微降低。添加了0.2 g阿魏酸的复合膜（C组）增长幅度与B组相近，当水分活度大于0.6时，才呈现出明显差异。

  添加了纳米纤维素和阿魏酸的复合膜（E组）吸湿率最低，阿魏酸与蛋白质分子发生交联，使亲水基团暴露减少，纳米纤维素分子与蛋白质分子之间相互作用也得到增强，分子间距离减小，故而吸湿率较其他组复合膜相比有所降低。结果显示，复合膜吸湿曲线%，证实各组复合膜的吸湿数据与GAB模型拥有非常良好的拟合程度。由单层水分子的饱和吸收率（Wm）可知，纳米纤维素和阿魏酸共同添加到复合膜中时，由于分子间的相互作用，蛋白质的亲水基团分别与纳米纤维素分子、阿魏酸结合，减少了水分子与亲水基团结合的位点，因此导致了复合膜的单分子吸附能力大大降低。

  透光率是评估复合膜包装性的重要指标。由表4中A组和B组复合膜结果可知，随着纳米纤维素含量的增加，复合膜的透光率明显地增加（P＜0.05），说明了纳米纤维素对透光率具有非常明显影响，纳米纤维素和SPI具有非常好的相容性。而由C组和D组复合膜结果可知，阿魏酸的添加会导致复合膜透光率明显降低（P＜0.05），这与阿魏酸与蛋白质发生的交联作用有关。E组复合膜的透光率低于空白组，但高于C组和D组，这与阿魏酸对纳米纤维素与蛋白质之间结合有加强作用相关。

  由表4可知，纳米纤维素的添加对复合膜的疏水性能影响很小，而阿魏酸对复合膜的疏水性能有明显的增强作用，C组和D组复合膜的接触角较空白组相比分别增长了93.58%和99.34%，阿魏酸与蛋白质分子交联，使蛋白质分子亲水基团的暴露减少，从而增强了疏水性。E组复合膜的接触角较空白组增长了127.21%，其原因与吸湿率降低的原因相同。

  图4为6 组不同大豆蛋白复合膜对大肠杆菌（G-）和金黄色葡萄球菌（G+）的抑菌效果，用抑菌圈直径（复合膜直径为20.0 mm）反映。空白组、A组和B组复合膜对两种菌株的抑菌圈直径均为20.0 mm，说明SPI和纳米纤维素对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌没有抑制作用，而添加了阿魏酸的C组、D组复合膜对大肠杆菌的抑菌圈直径平均值分别为25.4 mm和33.5 mm，对金黄色葡萄球菌的抑菌圈直径平均值分别为28.3 mm和38.1 mm，说明随着阿魏酸含量的增加，复合膜对两种菌株的抑菌圈直径均明显地增加（P＜0.05），这不仅证实了阿魏酸的抑菌作用，同时也说明了阿魏酸的添加量对复合膜的抑菌性有显著影响。阿魏酸对两种菌株的压制效果存在非常明显差异（P＜0.05），添加阿魏酸后的复合膜在金黄色葡萄球菌中的抑菌圈直径显著大于在大肠杆菌中的抑菌圈直径（P＜0.05），说明阿魏酸对金黄色葡萄球菌的抑制作用大于对大肠杆菌的抑制作用。E组与D组复合膜对两种菌株的抑制作用差异不显著（P＞0.05），也证实了纳米纤维素对两种菌株没有抑制作用。

  结果显示，空白组的横截面存在许多不均匀的孔隙，而A组和B组复合膜的孔隙则在添加纳米纤维素之后有所减少，此现状是由于纳米尺寸的纳米纤维素较好地分散在SPI分子中，并且SPI和纳米纤维素之间拥有非常良好的相容性。当添加阿魏酸时（C组和D组），复合膜表面出现不同程度的褶皱，横截面没再次出现孔隙，这与阿魏酸的含量有关，阿魏酸含量偏高不仅会使复合膜内存在游离的阿魏酸，还会使蛋白质发生自聚集。E组的表面较光滑，无聚集现象的产生，横截面无孔隙，较为平整，这印证了E组复合膜的机械性能最优的原因。

  图6 显示了不同组分大豆蛋白复合膜在4 000～400 cm-1范围内的FTIR图。空白组分别在1 629、1 536 cm-1和1 235 cm-1处显示其酰胺I带（C＝O伸缩振动）、酰胺II带（N-H弯曲振动）以及酰胺III带（N-H和C-N伸展弯曲）。而位于3 274 cm-1处的峰归因于O-H和N-H的弯曲振动，2 925cm-1处的峰归因于-CH2的伸缩振动。随着纳米纤维素的加入，空白组光谱中3 274 cm-1处的吸收峰移动到B、C组复合膜的3 270 cm-1处，这表明SPI的氨基和纳米纤维素的羟基之间发生了少量的分子键合。添加阿魏酸后的C组和D组复合膜分别在1 523 cm-1和1 522 cm-1处出现新的肩峰，表明复合膜中的氢键数量增加，这同时证实了阿魏酸与蛋白质的交联作用。添加了纳米纤维素和阿魏酸的E组复合膜在1 521 cm-1处出现新肩峰，且峰高比C组和D组出现的肩峰高，表明氢键数量的大幅度增加，证实了阿魏酸对纳米纤维素与蛋白质之间的作用力有增强作用，该结果也解释了D组复合膜阻隔性能较好的原因。

  通过对XRD图（图7）分析可以观察到不同组分大豆蛋白复合膜的晶体结构和相容性，复合膜在2θ＝10.2°、19.5°处的两个宽衍峰分别对应复合膜的二级结构α-螺旋和β-折叠。由于7S和11S无定形球蛋白，空白组在19.5°处出现一个无定型峰，A、B、C和D组复合膜在19.5°处的峰值强度明显低于空白组，这说明纳米纤维素和阿魏酸分别添加到复合膜中后，均使复合膜的结晶度降低。A组和B组复合膜结晶度的降低是由于纳米纤维素增加了分子结构的无序性，而C组和D组复合膜结晶度的降低是由于阿魏酸的交联破坏了蛋白质分子的规则排列，从而改变了其结晶结构。E组复合膜在19.5°处的峰值强度高于空白组，这说明纳米纤维素和阿魏酸同时添加到复合膜中，可使复合膜的结晶度升高，这在某种程度上预示着分子链的排列变得紧密。

  本实验制备了不同组分的大豆蛋白复合膜，研究了纳米纤维素和阿魏酸的添加对其机械性、阻隔性和抑菌性的影响，并通过SEM、FTIR和XRD图对其进行微观结构表征，探究其性能变化的原因。根据结果得出：与纯SPI膜相比，添加纳米纤维素20.0 g、阿魏酸0.4 g后的复合膜，其拉伸强度、接触角均明显提高，吸湿性也得到提高，而断裂伸长率、水蒸气透过率、氧气透过率和透光率均显著下降。阿魏酸的添加使复合膜分子结构中的氢键数量增加，这是由于阿魏酸与纳米纤维素和蛋白质之间发生了共价交联，减少了蛋白质的亲水基团暴露，使之形成了相对来说比较稳定的网络结构。这样制备的大豆蛋白复合膜的机械性、阻隔性极大的提升，且表面十分光滑、截面平整，并对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有一定的抑菌性。

  本文《大豆分离蛋白/纳米纤维素/阿魏酸复合膜的制备及其包装性能》来源于《食品科学》2020年41卷17期253-260页，作者：李彤，张宏，赵晓彤，张英龙，张华江，夏宁，刘纯哲，孙多文。DOI:10.7506/spkx0820-205。

  为进一步促进动物源食品科学的发展，带动产业的技术创新，更好的保障人类身体健康和提高生活质量，北京食品科学研究院和中国食品杂志社在成功召开“2019年动物源食品科学与人类健康国际研讨会（宁波）”的基础上，将与青海大学农牧学院于2020年10月22-23日在西宁共同举办“2020年动物源食品科学与人类健康国际研讨会”。研讨会将就肉、水产、禽蛋、乳制品等动物源食品科学基础研究、现代化加工技术，贮藏、保鲜及运输，质量安全与检测技术，营养及风味成分分析，副产物综合利用，法律、法规及发展政策等方面的重大理论研究展开深入探讨，交流和借鉴国外经验，为广大食品科研工作者和生产者提供新的思路，指明发展方向。

  在此，我们诚挚的邀请您出席本次国际研讨会，共聚人脉、共享资源、共谋发展！