王大為，張 穎，秦宇婷，張 晶

（吉林農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院，吉林 長春 130118）

響應面試驗優(yōu)化微波輔助制備玉米蛋白膜工藝及其形態(tài)結(jié)構分析

王大為，張 穎，秦宇婷，張 晶

（吉林農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院，吉林 長春 130118）

利用微波輔助技術對玉米醇溶蛋白進行處理并制備玉米蛋白膜，以玉米蛋白膜的抗拉伸強度為考察指標，選擇微波時間、微波功率、攪拌轉(zhuǎn)速為優(yōu)化因素，在單因素試驗的基礎上，通過響應面分析對玉米蛋白膜制備工藝進行優(yōu)化。結(jié)果表明：當微波時間87 s、微波功率300 W、攪拌轉(zhuǎn)速40 r/min時，玉米蛋白膜的抗拉伸強度達到最大，抗拉伸強度由10.23 MPa提高到15.16 MPa。玉米蛋白膜微觀形態(tài)結(jié)構得到明顯改善，掃描電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)微波處理后玉米蛋白膜表面呈平整、光滑狀。紅外光譜研究結(jié)果表明微波處理對蛋白分子結(jié)構無明顯破壞作用。

微波；玉米蛋白膜；抗拉伸強度；工藝優(yōu)化；形態(tài)分析

玉米醇溶蛋白是濕法生產(chǎn)玉米淀粉所產(chǎn)生的副產(chǎn)物玉米黃粉的主要成分[1]，占玉米黃粉中蛋白總量的68%。玉米醇溶蛋白分子疏水基團含量較高[2]，巰基含量豐富，不溶于水，易溶于60%～95%乙醇溶液[3-4]。玉米醇溶蛋白分子間以結(jié)合力較強的疏水鍵、氫鍵和有限的二硫鍵相連，易于形成薄膜[5-6]。天然玉米醇溶蛋白薄膜，具有防潮、隔氧、透明度高等優(yōu)點，但機械性能較差，脆性大，易斷裂，不滿足現(xiàn)代食品包裝的需求，實際應用價值較低[7]。為了提高玉米蛋白膜的機械性能，采用微波技術輔助制備玉米蛋白膜，使其機械性能得到有效改善。

微波是指頻率為300 MHz～300 GHz的電磁波，能夠引起物料分子振動從而在分子水平上對物料產(chǎn)生

影響[8]。微波使物質(zhì)在高頻電磁場作用下瞬時極化，產(chǎn)生鍵的振動、粒子間的摩擦碰撞，此時微波場能轉(zhuǎn)化為介質(zhì)內(nèi)的熱能，改變反應速率[9-10]。同時微波所引起的非熱效應可引起一些化學反應動力學的改變及聚合物分子鏈斷裂等生化效應、磁效應[11]。微波在食品工業(yè)上的應用主要包括微波干燥[12]、微波殺菌[13]、微波焙烤[14]等方面，此外還有微波萃取、微波改性等。據(jù)報道，微波可對物料的性質(zhì)進行改善，如王若蘭等[15]采用微波處理大豆分離玉米蛋白膜，研究發(fā)現(xiàn)微波處理后玉米蛋白膜機械性能有顯著提高。本研究利用微波技術對玉米醇溶蛋白進行處理并制備玉米蛋白膜，所制得的玉米蛋白膜在機械性能和水蒸氣透過率方面均得到有效改善，提高了其商業(yè)利用價值。通過響應面試驗優(yōu)化微波處理條件，同時利用掃描電子顯微鏡和傅里葉紅外光譜對玉米蛋白膜在微觀結(jié)構進行觀察分析，為玉米蛋白膜微波輔助制備工藝的優(yōu)化提供理論依據(jù)，為玉米蛋白膜的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供理論支持，提高玉米蛋白的附加值，同時為微波技術在植物玉米蛋白膜制備方面的應用提供了有益的參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米醇溶蛋白粉 實驗室自制；山梨醇（食品級）上海寶曼生物科技有限公司；果糖（食品級） 上海藍季科技發(fā)展有限公司；無水乙醇 天津新通精細化工有限公司；油酸 天津市光復精細化工研究所；聚乙二醇國藥集團化學試劑有限公司；溴化鉀 北京化工廠。

1.2 儀器與設備

EX-224電子精密天平 奧豪斯（上海）儀器有限公司；HH-2數(shù)顯恒溫水浴鍋 常州澳華儀器有限公司；KDC-1042低速離心機 安徽中科中佳科學儀器有限公司；微波爐 上海松下微波爐有限公司；SHB-B95A循環(huán)水式多用真空泵 鄭州長城科工貿(mào)有限公司；UV2100紫外-可見分光光度計 北京普析通用儀器有限公司；IRprestige-21傅里葉紅外光譜儀、SSX-550掃描電子顯微鏡 日本島津公司。

1.3 方法

1.3.1 玉米蛋白膜的制備工藝

玉米醇溶蛋白粉→80%乙醇溶液溶解→調(diào)節(jié)pH值→水浴→微波→玉米蛋白膜液→攪拌→消泡→流延成膜

參照王大為等[16]方法制備玉米蛋白膜。準確稱取5.0 g玉米醇溶蛋白粉緩慢溶解于80%乙醇溶液中，調(diào)節(jié)膜液pH 7.8后，60 ℃恒溫1h后進行微波處理，在微波條件下用磁力攪拌棒進行攪拌，得到玉米蛋白膜液，分別加入1.2 g的山梨醇和果糖，混合均勻后抽真空脫氣（-0.85 MPa，30 min）。取一定量成膜液流延于聚乙烯盤內(nèi)，并在60 ℃條件下干燥揭膜，將玉米蛋白膜放置于盛有飽和Mg(NO3)2?6H2O溶液的干燥器中，48 h后測定玉米蛋白膜的各項性能指標。

1.3.2 微波處理條件單因素試驗

選擇微波時間、微波功率、攪拌轉(zhuǎn)速、料液比作為考察的4 個因素。微波時間設定為30、60、90、120、150 s，微波功率設定為200、250、300、350、400 W，攪拌轉(zhuǎn)速設定為20、30、40、50、60 r/min，料液比設定為1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1∶14。每個水平重復3 次取其平均值進行計算分析，試驗過程中的不變水平值為：微波時間90 s、微波功率300 W、攪拌轉(zhuǎn)速40 r/min、料液比1∶10，微波處理后流延成膜。

1.3.3 微波處理條件響應面法優(yōu)化

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，選取微波時間、微波功率、攪拌轉(zhuǎn)速進行響應面試驗設計。以抗拉伸強度為響應值，確定微波輔助玉米蛋白膜制備的最優(yōu)條件。按照表1進行試驗。

表1 響應面分析試驗設計因素和水平Table 1 Factors and levels used for response surface analysis

1.3.4 玉米蛋白膜性能指標的測定

1.3.4.1 機械性能的測定

抗拉伸強度與斷裂伸長率按式（1）、（2）計算[17]。

式（1）、（2）中：F為薄膜斷裂時所承受的最大張力/N；b為薄膜的寬度/mm；d為薄膜的厚度/mm；L0為薄膜斷裂時被拉伸的長度/mm；L為薄膜的初始長度/mm。

1.3.4.2 水蒸氣透過率的測定

參考修正的ASTM[18]方法測定并加以改進，測定玉米蛋白膜的水蒸氣透過率，具體如下：將玉米蛋白膜裁剪成圓片，并測量出薄膜厚度。在干燥器底部加入蒸餾水，25 ℃條件下，使干燥器內(nèi)相對濕度為100%。將圓片覆蓋在測試杯上，杯內(nèi)放置無水氯化鈣，每隔24 h，對杯子進行稱質(zhì)量。水蒸氣透過率按式（3）計算。

式中：m為杯子的增加質(zhì)量/g；d為膜的厚度/mm；t為測試時間/h；C為膜的測試面積/m2；ΔP為膜的內(nèi)外水蒸氣壓差/kPa。

1.3.4.3 溶解度的測定

參考Ghasemlou等[19]的方法并做改進，具體如下：將玉米蛋白膜置于105 ℃條件下干燥至質(zhì)量恒定，將樣品直接放入盛有50 mL沸水的燒杯中快速攪拌5 min，將未溶解的膜取出，濾紙吸干表面水分，在105 ℃條件下干燥至質(zhì)量恒定，溶解度按式（4）計算。

式中：m1為膜溶解前干燥后的質(zhì)量/g；m2為未溶解物干燥后的質(zhì)量/g。

1.3.4.4 透明度的測定

將玉米蛋白膜裁剪成10 mm×50 mm的矩形，貼于比色皿內(nèi)側(cè)，采用修正過的ASTM[20]的方法在500 nm波長處測定透光率，空比色皿作為對照，用透光率的大小間接表示透明度。

1.3.4.5 掃描電鏡觀察

將制備好的薄膜在60 ℃恒溫干燥箱中干燥12 h，保證充分干燥，取2 mm×2 mm大小的膜進行掃描觀察。分別對薄膜的表面和截面進行觀察。

1.3.4.6 傅里葉紅外光譜分析

參考Ferreira等[21]的方法并改進。對微波處理前后玉米蛋白膜的結(jié)構進行紅外光譜表征。薄膜樣品在60 ℃條件下干燥。紅外光譜的掃描波數(shù)范圍為4 000～400 cm-1，掃描次數(shù)32，分辨率4 cm-1。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果

圖1 微波處理各單因素對玉米蛋白膜抗拉伸強度的影響Fig. 1 Effect of microwave conditions on tensile strength of zein fi lm

由圖1a可知，玉米蛋白膜的抗拉伸強度隨著微波時間的延長先增大后減小，在微波處理90 s時，玉米蛋白膜的抗拉伸強度最大，繼續(xù)延長微波時間，抗拉伸強度降低。隨著體系熱量增加，山梨醇、果糖等單糖分子溶解性增加，增加了分子重排和作用的幾率，同時蛋白質(zhì)分子重新排列組合，分子間不斷交聯(lián)強化玉米蛋白膜的空間網(wǎng)絡結(jié)構，使得玉米蛋白膜的抗拉伸強度增加[22-23]。當微波時間大于90 s時，溫度過高引起蛋白質(zhì)變性，構筑的網(wǎng)絡結(jié)構分子鏈斷裂，玉米蛋白膜的致密性、均勻性降低，抗拉伸強度也隨之降低[24]。

由圖1b可知，玉米蛋白膜的抗拉伸強度隨著微波功率的增大而先增加后減小，在微波功率300 W時，玉米蛋白膜的抗拉伸強度達到最大，繼續(xù)增大微波功率，抗拉伸強度逐漸減小。主要原因是微波作用可迅速使玉米蛋白膜內(nèi)部的大分子、取代基、官能團的運動方向發(fā)生改變，同時產(chǎn)生劇裂的摩擦和熱量，官能團之間發(fā)生縮合反應，使玉米醇溶蛋白與山梨醇之間發(fā)生了交聯(lián)作用。在適當?shù)奈⒉üβ蕳l件下，交聯(lián)程度越大，膜的網(wǎng)絡結(jié)構越致密，從而使玉米蛋白膜的抗拉伸強度增強[25]。但當微波功率進一步提高，由于微波的高頻振蕩作用，破壞玉米醇溶蛋白分子內(nèi)和分子間的二硫鍵，從而降低玉米蛋白膜的抗拉伸強度。

由圖1c可知，在攪拌轉(zhuǎn)速為40 r/min時，抗拉伸強度達到最大值。適當?shù)臄嚢钑褂衩状既艿鞍追肿泳鶆蚍稚⒃谌芤褐校兄谟衩椎鞍啄さ某赡ば?，因此隨著攪拌轉(zhuǎn)速的提高，抗拉伸強度呈上升的趨勢。當膜液在微波中繼續(xù)提高攪拌轉(zhuǎn)速，玉米蛋白膜的抗拉伸強度逐漸減小，因此玉米蛋白膜液的最適攪拌轉(zhuǎn)速為40 r/min。

由圖1d可知，料液比不同時，玉米蛋白膜的抗拉伸強度有輕微變化，但都趨于平穩(wěn)，乙醇溶液的添加量對

玉米蛋白膜的成膜效果無顯著影響，因此，不選擇料液比作為響應面的分析因素。

2.2 響應面試驗結(jié)果

2.2.1 Box-Behnken試驗設計與結(jié)果分析

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，選擇微波時間、微波功率、攪拌轉(zhuǎn)速為Box-Behnken設計的3個因素，優(yōu)化微波處理條件的響應面試驗設計及結(jié)果見表2。

表2 Box-Behnken試驗設計及結(jié)果Table 2 Box-Behnken design with experimental results

所得響應值回歸模型函數(shù)表達式如下：

Y=15.23-0.44X1-0.60X2-0.020X3-0.15X1X2-0.21XX-0.26XX-1.86X2-1.48X2-1.11X21323123

表3 回歸模型方差分析Table 3 Analysis of variance for regression model

由表3方差分析得出，模型極顯著，模型的失擬項不顯著，回歸決定系數(shù)R2=0.994 5，修正決定系數(shù)0.987 3，說明方程擬合性較好，可靠性高。根據(jù)結(jié)果進行分析：一次項X1、X2極顯著，二次項X1X3、X2X3顯著，極顯著。說明該模型擬合程度良好，用該模型對微波輔助制備玉米蛋白膜工藝進行優(yōu)化是可行的。微波處理條件各因素交互作用的響應面及等高線見圖2。

圖2 各因素交互作用對抗拉伸強度影響的響應面及等高線圖Fig. 2 3D-surface and corresponding contour plots for the effect of microwave processing conditions on tensile strength of zein fi lm

從圖2可以看出，微波時間和攪拌轉(zhuǎn)速、微波功率和攪拌轉(zhuǎn)速交互作用圖接近于橢圓形，說明二者的交互作用顯著；微波時間與微波功率的交互作用圖接近圓形，交互作用不顯著。

2.2.2 微波處理工藝條件的確定及驗證

從模型的方差分析顯示，回歸模型存在最大值，微波處理條件的最佳工藝條件為：微波時間86.65s、微波功率296.97 W、攪拌轉(zhuǎn)速40.25 r/min。在此條件下玉米蛋白膜的抗拉伸強度理論預測最大值為15.31 MPa，為方便操作，選擇微波時間87 s、微波功率300 W、攪拌轉(zhuǎn)速40 r/min進行驗證實驗，結(jié)果表明，此條件下的玉米蛋白膜的抗拉伸強度為15.16 MPa，達到了預測值的99.02%。

2.3 玉米蛋白膜的機械性能及透明度的比較

表4 微波處理前后玉米蛋白膜的機械性能及透明度Table 4 Tensile strength, elongation at break, water vapor permeability and transparency of zein fifi lms prepared with and without the use of microwave irradiation

由表4可知，在最佳微波處理條件下所制得玉米蛋白膜與微波處理前相比較，玉米蛋白膜的抗拉伸強度和斷裂伸長率有顯著性增加，水蒸氣透過率略有降低，透明度無顯著性改善，微波處理后玉米蛋白膜的抗拉伸強度、斷裂伸長率、水蒸氣透過率、透明度分別比微波處理前玉米蛋白膜變化了48.19%、45.78%、16.45%、2.72%。微波作用增加了玉米蛋白膜分子之間的交聯(lián)，減小了分子間的距離，使成膜物質(zhì)之間形成更加致密的網(wǎng)絡結(jié)構，因此抗拉伸強度和斷裂伸長率有顯著性的改善[26]。同時致密的網(wǎng)絡結(jié)構減少了水蒸氣的轉(zhuǎn)移，從而使膜表面更均勻光滑。

2.4 玉米蛋白膜掃描電鏡分析

膜的各種機械性能，很大程度上取決于大分子物質(zhì)在成膜過程中分子排列的規(guī)整性、分子之間作用力的大小、分子在成膜液中的溶解性等。利用微波輔助技術制備的玉米蛋白膜，較未進行微波處理的玉米蛋白膜具有顯著差異，膜的微觀結(jié)構與之有很大的關系。通過對玉米蛋白膜微觀結(jié)構的觀察，可以進一步解釋玉米蛋白膜在宏觀性質(zhì)上的差異變化。

圖3 玉米蛋白膜掃描電鏡圖（×4 0000）Fig. 3 SEM photographs of zein fi lms prepared with and without the use of microwave irradiation (× 4 000)

如圖3所示，不同處理方法制得的玉米蛋白膜微結(jié)構相差較大，由圖3a、3b看出，微波處理前膜斷面結(jié)構紋路紊亂、不規(guī)則、均勻性差，有明顯空洞，膜表面明顯凹凸不平，有褶皺，并有大小不一的孔洞，使其受力不均勻，導致其拉伸強度較差；由圖3c、3d可知，微波處理后，膜表面及斷面結(jié)構均得到了改善，膜橫截面結(jié)構致密、紋路規(guī)則、均勻，膜表面較平整、光滑、均勻致密，孔洞明顯減少。證明微波處理后玉米醇溶蛋白分子間結(jié)合更緊密，玉米蛋白膜具有致密的空間網(wǎng)絡結(jié)構[27]，使其抗拉伸強度明顯提高。

2.5 玉米蛋白膜傅里葉紅外光譜分析

圖4 玉米蛋白膜的紅外光譜圖Fig. 4 FI-TR spectra of zein fi lms prepared with and without the use of microwave irradiation

由圖4b可知，在1 653 cm－1處有C=O伸縮振動（酰胺Ⅰ），此振動可形成β-轉(zhuǎn)角；在1 539 cm－1處有N—H變角振動（酰胺Ⅱ），屬于β-折疊，是由伸展的多肽鏈組成；在1 170 cm-1處有C—O伸縮振動[28]。在2 956 cm-1和2 929 cm-1處通常為—CH2和—CH3的飽和C—H反射峰；在3 305 cm-1處存在由O—H和N—H形成的寬峰，該基團可以與蛋白質(zhì)肽鍵上的羰基基團形成氫鍵鍵合[29]。與微波處理前（圖4a）相比，薄膜的紅外圖譜有極微小的變化，在3 288 cm-1處的峰向低頻方向移至3 305 cm-1，而在1 651 cm-1處的峰向低頻方向移至1 653 cm-1處，其他峰均無明顯變化。由此可知，在玉米醇溶蛋白成膜過程中，蛋白的二級結(jié)構沒有因微波振蕩而被完全破壞，仍具有蛋白質(zhì)的典型特征。

3 結(jié) 論

采用微波輔助制備玉米蛋白膜，提高了玉米蛋白膜的機械性能。通過響應面試驗優(yōu)化，篩選最佳工藝條件為微波時間87 s、微波功率300 W、攪拌轉(zhuǎn)速40 r/min，在此條件下玉米蛋白膜的抗拉伸強度由10.23 MPa提高到15.16 MPa。

對玉米蛋白膜微觀結(jié)構進行觀察，未經(jīng)微波處理的玉米醇溶蛋白所制得的玉米蛋白膜橫截面結(jié)構紋路紊亂、有明顯空洞、褶皺，并有大小不一的孔洞；而經(jīng)微波處理制備的玉米蛋白膜表面孔洞明顯減少，結(jié)構均勻致密，有效地改善了玉米蛋白膜機械耐性，提高玉米蛋白膜的抗拉伸強度，降低了水蒸氣透過率。紅外光譜結(jié)果顯示，玉米蛋白膜的二級結(jié)構沒有因微波振蕩被完全破壞，仍具有蛋白質(zhì)的典型特征。

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Optimization of Microwave-Assisted Preparation of Zein Film Using Response Surface Methodology and Its Morphological Structure

WANG Dawei, ZHANG Ying, QIN Yuting, ZHANG Jing
(College of Food Science and Engineering, Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China)

The aim of this research was to optimize the microwave-assisted preparation of zein film using combination of one-factor-at-a-time method and response surface methodology. The independent variables were microwave power, irradiation time and stirrer speed. The tensile strength of zein fi lm was selected as the response. Results indicated that the maximum tensile strength of 15.16 MPa was obtained when zein solution was microwaved at 300 W and then stirred at 40 r/min, whereas the tensile strength of zein fi lm prepared without using microwave irradiation was 10.23 MPa. Scanning electron microscopy revealed that microwave treatment could improve obviously the microstructure of zein fi lm as indicated by smoother film surface. Infrared spectroscopic results indicated that the original molecular structure of zein was not signifi cantly damaged.

microwave; zein fi lm; tensile strength; optimal conditions; morphological analysis

10.7506/spkx1002-6630-201610006

TS206.1

A

1002-6630（2016）10-0028-06

王大為, 張穎, 秦宇婷, 等. 響應面試驗優(yōu)化微波輔助制備玉米蛋白膜工藝及其形態(tài)結(jié)構分析[J]. 食品科學, 2016, 37(10): 28-33. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201610006. http://www.spkx.net.cn

WANG Dawei, ZHANG Ying, QIN Yuting, et al. Optimization of microwave-assisted preparation of zein film using response surface methodology and its morphological structure[J]. Food Science, 2016, 37(10): 28-33. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201610006. http://www.spkx.net.cn

2015-12-14

國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）項目（2011AA100805）

王大為（1960—），男，教授，博士，研究方向為糧油植物蛋白工程及功能食品。E-mail：xcpyfzx@163.com