王書展，陳復(fù)生，賴少娟，康莎莎，殷麗君

（河南工業(yè)大學(xué) 1.糧油食品學(xué)院；2.生物工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

0 前言

隨著人們生活水平的提高和環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，越來越多的人開始關(guān)注可食性包裝[1].研究表明，利用蛋白質(zhì)制備的可食性膜的機(jī)械性能和氣體透過性比其他材料制成的可食性膜好[2]，其中由魚類加工副產(chǎn)物魚皮制得的魚皮明膠，由于其資源豐富、價(jià)格低廉、安全環(huán)保、成膜性能良好等原因，越來越多地被作為制備蛋白膜的原料[3-4].但單一的魚皮明膠膜質(zhì)脆，機(jī)械性能較差，為了彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)，需要對其進(jìn)行改性[5].研究表明[6]，生物催化劑谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶可以催化蛋白質(zhì)分子中谷氨酰胺殘基和賴氨酸殘基，形成ε（r-谷氨酸）賴氨酸鍵，在分子內(nèi)或分子間產(chǎn)生交聯(lián)，從而改善了蛋白膜的抗拉強(qiáng)度和親水性能.

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對改性魚皮明膠膜的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性等研究較多，而對其水分吸附特性的研究相對較少.而水分吸附特性可以幫助人們了解可食性膜的傳質(zhì)機(jī)理以及溶質(zhì)和聚合物之間的相互作用.所以，隨著可食性包裝膜的廣泛應(yīng)用，研究其水分吸附特性也變得越來越重要.Bertuzzi 等[7]研究了甘油和厚度對淀粉制備的可食性膜水蒸氣透過性的影響，發(fā)現(xiàn)甘油可以提高膜的水蒸氣透過性.Su 等[8]在研究大豆分離蛋白膜水分吸附特性時(shí)，觀察到當(dāng)膜貯藏在50%以上的濕度條件下時(shí)，其水分含量顯著提高.而魚皮明膠膜的親水性與魚皮明膠本身的性質(zhì)和增塑劑（甘油）的添加量密切相關(guān).

作者以魚皮明膠為成膜材料，通過谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶（TGase）的改性，制備可食性魚皮明膠膜，研究了甘油添加量、相對濕度等條件對改性魚皮明膠膜水分吸附特性的影響，并從二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)方面對其吸附特性進(jìn)行了描述.

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

魚皮明膠（凍力160）：江西可生生物有限公司；甘油：分析純，天津市天力化學(xué)試劑有限公司；谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶：廣西南寧東恒華道生物科技有限責(zé)任公司；氯化鎂、硝酸鎂、氯化鈉、五氧化二磷：分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；硫酸鉀：分析純，洛陽市化學(xué)試劑廠.

1.2 儀器與設(shè)備

電子天平：賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；HH-6 數(shù)顯恒溫水浴鍋：常州普天儀器制造有限公司；101 型電熱鼓風(fēng)干燥箱：北京中興偉業(yè)儀器有限公司；涂層測厚儀：鄭州長城儀器有限公司.

1.3 方法

1.3.1 改性魚皮明膠膜的制備

稱取一定量的魚皮明膠配置成5%（W/V）的溶液4 份，在60 ℃下加熱30 min 使其全部溶解，取出冷卻至室溫.加入0.2%（占魚皮明膠質(zhì)量）的谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶，35 ℃下反應(yīng)1 h，80 ℃下滅酶5 min.分別加入20%、30%、40%、50%的甘油（占魚皮明膠質(zhì)量），攪拌均勻.將制備好的成膜液（8 g）倒入直徑為90 mm 的塑料培養(yǎng)皿內(nèi)，在25 ℃下干燥24 h 后揭膜.

1.3.2 各種飽和鹽溶液的配置

并發(fā)癥發(fā)生率：研究組（5.00%）顯著較對照組（25.00%）低，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），見表 2。

配置試驗(yàn)所需各種飽和鹽溶液MgCl2、Mg（NO3）2、NaCl、K2SO4，相 對 濕 度 分 別 為33%、50%、75%、97%.

1.3.3 水分吸附特性的測定

首先，測定改性魚皮明膠膜的厚度，選取厚度為0.08 cm 左右的膜.將選取的膜裁成2 cm×2 cm大小的試樣若干，放入底部置有五氧化二磷的干燥器中，干燥7 d 以上，至質(zhì)量基本不變.然后將這些試樣置于25 ℃、相對濕度[8-9]不同的干燥器內(nèi).最后，每隔一定時(shí)間快速稱量一次試樣，記錄其質(zhì)量隨時(shí)間的變化.最初質(zhì)量變化比較顯著，1 h 稱量一次，12 h 后質(zhì)量變化放緩慢，改為12 h 稱量一次.本試驗(yàn)中得到的水分吸附量指的是平均水分吸附量，即同一張模上裁取的3 個(gè)試樣進(jìn)行單獨(dú)測量得到的平均值.

水分吸附量的計(jì)算公式如下：

式中：Mb為試樣處于一定濕度條件t 小時(shí)后的質(zhì)量；M0為試樣在五氧化二磷干燥器中干燥平衡時(shí)的質(zhì)量.

1.3.4 二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)模型

二級(jí)速率模型通常被用來描述有共價(jià)鍵參與的化學(xué)吸附，二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程整理后可表述為：

式中：Mt為試樣處于一定濕度條件t 小時(shí)后的質(zhì)量；a，b 為模型參數(shù)，

1.3.5 數(shù)據(jù)處理分析

試驗(yàn)重復(fù)3 次，試驗(yàn)結(jié)果采用Original 8.5 作圖和進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 魚皮明膠膜水分吸附特性的動(dòng)態(tài)研究

2.1.1 相對濕度和甘油含量對魚皮明膠膜水分吸附特性的影響

在沒有增塑劑的條件下，魚皮明膠膜質(zhì)脆、易斷裂、易吸附水分.魚皮明膠膜質(zhì)脆是由分子之間的外延作用力引起的.而增塑劑能有效地延伸、稀釋和軟化結(jié)構(gòu)，從而提高氣體或水分在膜上的遷移率和擴(kuò)散系數(shù).大量研究表明，在水溶性聚合物中，甘油是最好的增塑劑[7].

研究表明，相對濕度和增塑劑是影響魚皮明膠膜水分吸附特性的兩大主要因素[10].親水性增塑劑如甘油通常被用來改善蛋白膜的機(jī)械特性[11].相對濕度和甘油含量對魚皮明膠膜水分吸附特性的影響如圖1 所示.

圖1 不同濕度條件下改性魚皮明膠膜的水分吸附曲線Fig.1 Moisture absorption of modified fish gelatin film under different relative humidities

從圖1 可以看出，隨著環(huán)境濕度的增加，水分吸附速率逐漸增大.在初始階段水分吸附速率較快，隨后增長趨勢變慢.當(dāng)濕度為33%和50%時(shí)，魚皮明膠膜4 h 即達(dá)到水分吸附平衡狀態(tài)，濕度為75%時(shí)，魚皮明膠膜42 h 才達(dá)到水分吸附平衡，同時(shí)水分吸附量也從0.03 g/g 升至0.7 g/g.而隨著甘油添加量的增大，水分吸附量也逐漸增大.

圖1 表明魚皮明膠膜的水分吸附達(dá)到平衡的時(shí)間主要受相對濕度和甘油含量的影響.在初始階段水分吸附速率較快是因?yàn)榈鞍啄さ乃趾吭降?，吸收水分的能力就越?qiáng)[11].甘油是親水性物質(zhì)，甘油分子容易進(jìn)入到明膠蛋白分子鏈之間，增加蛋白分子之間的間隙；另一方面，甘油可以使蛋白基團(tuán)的羥基露出，形成氫鍵，從而使得明膠蛋白分子間的相互作用力減弱，明膠蛋白膜的吸濕性增強(qiáng)[12].

Enrione 等[13]研究發(fā)現(xiàn)，在常溫貯存過程中，明膠發(fā)生的自發(fā)的動(dòng)力學(xué)控制松弛現(xiàn)象，導(dǎo)致還原分子的流動(dòng)性，可以影響明膠分子的物理性質(zhì)如氧氣和水分的滲透性.這從另一角度解釋了魚皮明膠膜水分吸附特性曲線的變化.

另外，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，濕度對達(dá)到平衡所需時(shí)間和水分吸附量的影響明顯高于甘油添加量.這是因?yàn)轸~皮明膠改性后親水能力雖然有一定的改善，但整體來說親水性還相對較高，而親水能力強(qiáng)就容易吸水溶脹.另外，魚皮明膠膜吸收大量水分后，被吸收的水分還可以起到增塑劑的作用.

2.1.2 酶添加量對魚皮明膠膜水分吸附特性的影響

谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶（TGase）能夠催化?；D(zhuǎn)移反應(yīng)，催化蛋白質(zhì)分子內(nèi)、分子間連接交聯(lián)，蛋白質(zhì)和氨基酸之間的連接以及蛋白質(zhì)分子內(nèi)谷氨酰胺基的水解，同時(shí)改善蛋白質(zhì)的功能和性質(zhì)[14]，是一種非常優(yōu)良的蛋白質(zhì)改良劑.

酶的添加量對魚皮明膠膜水分吸附特性的影響如圖2 所示.由圖2（A）和（B）可以看出，隨著酶添加量的增加，魚皮明膠膜的水分吸附量逐漸降低，而達(dá)到水分吸附平衡所需要的時(shí)間不變.酶的添加量為0.1%和0.2%時(shí)，水分吸附規(guī)律相同，當(dāng)酶的添加量增加到0.3%時(shí)，水分吸附量急劇下降.但當(dāng)濕度為75%和97%時(shí)，魚皮明膠膜的水分吸附特性基本一樣，與酶添加量的多少?zèng)]有關(guān)系.

當(dāng)谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶加入到魚皮明膠溶液后，魚皮明膠分子內(nèi)或分子間形成了ε-賴氨酸異肽鍵，使蛋白交聯(lián)，降低了其吸水性能.所以，隨著谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶添加量的增多，魚皮明膠膜的水分吸附量逐漸下降[15].該現(xiàn)象與TGase 改性使蛋白質(zhì)膜的水分含量降低及表面疏水性增高相一致[10].

圖2 不同酶添加量時(shí)魚皮明膠膜的水分吸附曲線Fig.2 Moisture absorption of modified fish gelatin film with different amounts of trans-glutaminase

2.2 水分吸附特性的動(dòng)力學(xué)研究

圖3 顯示改性魚皮明膠膜的水分吸附特性可以用二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)描述，表1 表明當(dāng)濕度一定時(shí)，隨著甘油含量的增加，膜的水分吸附曲線與二級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合效果越來越好.當(dāng)相對濕度在97%時(shí)，擬合效果不是太好，尤其是甘油含量為20%時(shí)，R2＜0.950 0，擬合效果較差，說明在該條件下膜的水分吸附特性不符合二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)規(guī)律.而在其他條件下，擬合效果良好.

圖3 不同濕度條件下改性魚皮明膠膜水分吸附的二級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合Fig.3 The fitting of moisture adsorption of modified fish gelatin films by secondary-order kinetics in different humidity conditions

表1 不同條件下改性魚皮明膠膜二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)擬合參數(shù)R2Table 1 The fitting parameters R2of secondary adsorption kinetics for modified fish gelatin film in different conditions

3 結(jié)論

（1）改性魚皮明膠膜的水分吸附特性主要受甘油含量和濕度的影響，而濕度的影響效果更加顯著.隨著甘油添加量和相對濕度的增加，膜的水分吸附量逐漸增大，達(dá)到吸附平衡所需的時(shí)間逐漸增加.

（2）改性魚皮明膠膜的水分吸附曲線與二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)方程擬合良好，而當(dāng)相對濕度較高，甘油含量較低時(shí)，不能用二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)方程來描述其水分吸附特性.

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