陳 俊,魏配曉,陳書霖,翁武銀,3,*

(1.華僑大學化工學院，福建廈門 361021；2.集美大學食品與生物工程學院,福建廈門 361021;3.廈門市海洋功能食品重點實驗室,福建廈門 361021)

?

明膠α亞基和美拉德反應對明膠-海藻酸鈉復合膜性質的影響

陳 俊1,2,3,魏配曉2,陳書霖2,翁武銀2,3,*

(1.華僑大學化工學院，福建廈門 361021；2.集美大學食品與生物工程學院,福建廈門 361021;3.廈門市海洋功能食品重點實驗室,福建廈門 361021)

以羅非魚皮明膠α1、α2亞基和海藻酸鈉為原料制備復合膜,對膜的機械性能、顏色、熒光強度和傅里葉紅外光譜(FTIR)進行分析,考察了α亞基和美拉德反應對明膠-海藻酸鈉復合膜性質的影響。結果發(fā)現(xiàn),α亞基-海藻酸鈉膜的機械性能在60 ℃、相對濕度(RH)為75%下保存 72 h后均出現(xiàn)明顯的下降,而熒光強度均出現(xiàn)增強。α1-海藻酸鈉(α1-SA)復合膜在放置72 h后,b*值的增大幅度達到64.0%,明顯高于明膠-海藻酸鈉(G-SA)和α2-海藻酸鈉(α2-SA)復合膜。FTIR分析表明,保存過程中α亞基與海藻酸鈉發(fā)生了美拉德反應,并且α1亞基更容易參與反應。因此明膠α亞基-海藻酸鈉復合膜在60 ℃、75% RH下保存中顏色逐漸變黃。

明膠,α亞基,海藻酸鈉,復合膜,美拉德反應

明膠是膠原的變性產(chǎn)物,具有良好的凝膠特性和成膜特性,已被廣泛應用于食品和醫(yī)藥領域[1]。明膠肽鏈上的亞氨基酸(脯氨酸和羥脯氨酸)可通過自身的四氫吡咯烷環(huán)結構在構象上形成空間位阻效應,使分子鏈具有一定的剛性,因此亞氨基酸含量可以影響明膠膜的機械強度和柔韌性[2]。與哺乳動物明膠相比,低含量的亞氨基酸導致魚類明膠膜的機械強度較差[1]。除氨基酸組成外,蛋白組分也會影響明膠的性質,高分子組分含量多的明膠可以制備成機械強度良好的蛋白膜[3]。

無論是魚類明膠還是哺乳動物明膠,都具有較高含量的親水性氨基酸,導致明膠膜的性質易受環(huán)境濕度影響的缺陷[4]。共混改性近年來被廣泛應用于蛋白膜的性質改良[5-6]。Wang等[7]利用明膠與殼聚糖共混成膜,結果發(fā)現(xiàn)復合膜的熱穩(wěn)定性優(yōu)于純明膠膜。Xiao等[8]研究發(fā)現(xiàn),明膠與海藻酸鈉復合成膜時,可以提高膜的機械性能和熱穩(wěn)定性。而且,有研究報道明膠的α亞基和α1/α2比例不僅可以影響明膠的凝膠形成能,還能影響明膠的成膜性能[9-11]。

因此,本文利用羅非魚皮明膠α1、α2亞基與海藻酸鈉制備復合膜,考察α亞基和美拉德反應對明膠-海藻酸鈉復合膜性質的影響,可為明膠-海藻酸鈉復合膜的制備提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

羅非魚皮 寧德市夏威食品有限公司;再生纖維素(RC)膜 美國Millipore公司,截留分子量(MWCO)100 ku;聚醚砜(PES)膜 邁納德膜技術有限公司,MWCO 150 ku;海藻酸鈉 上海阿拉丁生化科技股份有限公司,分析純;DC蛋白試劑盒 美國Bio-Rad公司。

高速冷凍離心機 Avanti J-25,美國Beckman公司;杯式超濾器 SCM-300,上海斯納普膜分離科技有限公司;恒溫恒濕箱 PSX智能型,寧波萊?？萍加邢薰?質構儀 TMS-PRO,美國Food Technology公司;測色色差計 WSC-S,上海精密科學儀器有限公司;熒光分光光度計 Cary Eclipse,美國Varian公司;傅里葉紅外變換光譜儀 Nicolet iS50,美國Thermo Scientific公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 明膠的提取 羅非魚皮經(jīng)冰水漂洗,4 ℃下用0.05 mol/L NaOH浸泡16 h后,用冰水漂洗至中性,再于4 ℃下利用0.05 mol/L HCl浸泡30 min,冰水漂洗至中性后,在80 ℃水浴下浸提1 h,冷卻至室溫后通過離心(15000×g,20 ℃,15 min),獲得的上清液通過冷凍干燥制備成明膠粉末備用。

1.2.2 明膠α亞基的制備 明膠α1和α2亞基的制備參考Chen等[12]報道的方法。魚皮明膠粉末于室溫下在蒸餾水中溶脹30 min后,經(jīng)60 ℃水浴加熱充分溶解,調制成1%(w/v)的溶液。溶液的pH調整至5后,以RC膜進行超濾分離,濾液為α1亞基組分;溶液的pH調整至7后,以PES膜進行超濾分離,濾液為α2亞基組分。超濾過程中溫度和壓力分別為40 ℃和0.5 bar。α1和α2亞基組分經(jīng)冷凍干燥后備用。

1.2.3α亞基-海藻酸鈉復合膜的制備 參考Chen等[11]報道的方法并做修改。明膠α亞基和海藻酸鈉分別利用蒸餾水溶解,調pH至7.0,配制成濃度為2%(w/v)的溶液后,按照1∶1混合均勻,并添加相對干物質質量20%的甘油,混合均勻、脫泡后,將制備的溶液(4 g)倒在5 cm×5 cm的有機硅樹脂框內,放置于溫度為25 ℃、相對濕度(RH)為50%的恒溫恒濕箱中干燥48 h制備成明膠-海藻酸鈉(G-SA)復合膜、α1-海藻酸鈉(α1-SA)復合膜和α2-海藻酸鈉(α2-SA)復合膜。

為了考察美拉德反應對復合膜性質的影響,將復合膜于60 ℃、75% RH下放置一定時間后,再轉移至25 ℃、50% RH的恒溫恒濕箱中平衡24 h,作為測試樣。

1.2.4 膜的性質分析

1.2.4.1 機械性能 膜的機械性能參考翁武銀等[13]報道的方法進行測定。將膜切成寬15 mm,長45 mm矩形長條,測定厚度后,利用TMS-PRO質構儀對膜進行拉伸實驗。力量感應元為100 N,初始間隔為30 mm,拉伸速率為60 mm/min。

1.2.4.2 顏色 利用色差計對膜的顏色進行測定,膜的顏色采用b*(藍-黃)值進行表示。其中標準白板的b*值為1.42。

1.2.5 熒光強度 熒光強度的測定參考Lertittik等[14]報道的方法。膜經(jīng)8 mol/L尿素-2% SDS- 0.02 mol/L Tris-HCl(pH8.8)溶解后,在激發(fā)波長347 nm,發(fā)射波長415 nm下測定熒光強度。

1.2.6 紅外光譜分析 參考王虹霞等[15]報道的方法進行分析。將干燥的粉末樣品置于紅外光譜儀進行分析。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用SPSS 17.0 軟件(SPSS Inc,Chicago,IL,USA)對所得數(shù)據(jù)進行方差分析(ANOVA),顯著性檢驗方法為Duncan多重檢驗,顯著水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 機械性能

α亞基對明膠-海藻酸鈉復合膜機械性能的影響如表1所示。明膠或α亞基組分與海藻酸鈉混合制備G-SA膜、α1-SA膜和α2-SA膜的抗拉伸強度(TS)分別為14.49、14.77、11.21 MPa,沒有明顯的差別(p>0.05)。膜在60 ℃、75% RH下放置72 h后,三種復合膜的TS都出現(xiàn)明顯的下降。另一方面,在60 ℃、75% RH下,G-SA膜只需放置12 h膜的EAB就出現(xiàn)顯著下降(p<0.05),而α1-SA膜和α2-SA膜的EAB分別要經(jīng)過72 h后才發(fā)生明顯的下降(p<0.05)。通常,蛋白與多糖在60 ℃、79% RH的條件下會發(fā)生美拉德反應,生成高分子聚合物[16]。然而,由于明膠膜容易吸水,而且明膠在40～60 ℃下容易發(fā)生降解[17-19],因此60 ℃、75% RH條件可能會促使明膠發(fā)生降解,導致膜的機械性能在保存中發(fā)生下降。

2.2 顏色

α亞基-海藻酸鈉復合膜顏色(b*值)的測定結果如表2所示。G-SA膜和α1-SA膜的b*值明顯低于α2-SA膜(p<0.05),表明α2組分可以顯著影響明膠-海藻酸鈉復合膜的顏色。這與Chen等[11]在研究α亞基對明膠膜顏色影響時的結果類似。當膜在60 ℃、75% RH下保存6 h后,三種復合膜的b*值都逐漸增加,顏色逐漸變黃,表明復合膜中的明膠與海藻酸鈉發(fā)生了美拉德反應。當放置時間達到72 h時,G-SA復合膜、α1-SA復合膜和α2-SA復合膜的b*值分別增加了53.5%、64.0%和36.3%,表明了α1亞基比α2亞基更容易與海藻酸鈉發(fā)生美拉德反應。

表1 明膠α亞基和美拉德反應時間對明膠-海藻酸鈉復合膜機械性能的影響Table 1 Effects of gelatin α subunits and maillard reaction time on the mechanical properties of gelatin-sodium alginate blend films

注:同一列中相同小寫字母表示差異不顯著(p>0.05),表2、表3同。

表3 明膠α亞基-海藻酸鈉復合膜的熒光強度Table 3 Fluorescence intensity of gelatin α subunits-sodium alginate blend films

表2 明膠α亞基和美拉德反應時間對明膠-海藻酸鈉復合膜顏色(b*值)的影響Table 2 Effects of gelatin α subunits and maillard reaction time on the color(b* value)of gelatin-sodium alginate blend films

2.3 熒光強度

據(jù)報道,蛋白與糖發(fā)生美拉德反應時,能夠形成熒光物質[20-21]。因此,對α亞基-海藻酸鈉復合膜的熒光物質進行測定,結果如表3所示。不管哪一種復合膜,在60 ℃、75% RH下,伴隨保存時間的延長熒光強度都出現(xiàn)明顯增加(p<0.05),再次表明復合膜中的α亞基和海藻酸鈉發(fā)生了美拉德反應。

2.4 FTIR

復合膜的性質與成膜分子之間的相互作用密切相關,測定了保存過程中α亞基-海藻酸鈉復合膜的紅外光譜,結果如圖1所示。復合膜的主要特征吸收峰出現(xiàn)在3300、1630、1545 cm-1附近,類似于Xiao[8]等報道的明膠-海藻酸鈉復合膜的特征吸收。G-SA復合膜在60 ℃、75% RH保存中,代表N-H和O-H的伸縮振動酰胺A先向高波數(shù)方向移動又轉向低波數(shù)方向;α1-SA復合膜的酰胺A在保存6 h時向低波數(shù)方向移動,隨后延長保存時間沒有再出現(xiàn)明顯變化;而α2-SA復合膜的酰胺A經(jīng)過48 h保存后也向低波數(shù)方向移動。據(jù)報道,蛋白膜酰胺A特征吸收峰向低波數(shù)方向移動表示膜中的氫鍵作用相對增強[22]。因此,圖1的結果表明了膜在60 ℃、75% RH保存中蛋白的結構遭到熱破壞,導致親水性自由基增多[23],氫鍵作用相對增強。有研究報道,乳清分離蛋白與葡聚糖發(fā)生美拉德反應后,復合物中代表C=O伸縮振動的酰胺I和代表C-N伸縮振動的酰胺Ⅱ峰強度出現(xiàn)增強,對應的吸收峰位置發(fā)生紅移[24]。本研究也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象(圖1),尤其α1-SA復合膜保存72 h后酰胺-I位置紅移了23.1 cm-1,并且峰的強度出現(xiàn)明顯的增大。這些結果再次表明了復合膜在60 ℃、75% RH下保存中α亞基與海藻酸鈉發(fā)生了美拉德反應,而且α1亞基更容易參與反應。

3 結論

明膠α亞基-海藻酸鈉復合膜在60 ℃、75% RH下保存中會發(fā)生美拉德反應,膜中氫鍵作用增強,結果導致膜的機械性能發(fā)生下降,顏色變黃,其中α1亞基比α2亞基更容易參與美拉德反應。

[1]Gómez-Guillén MC,Turnay J,Fernández-Diaz MD,et al. Structural and physical properties of gelatin extracted from different marine species:a comparative study[J]. Food Hydrocolloids,2002,16(1):25-34.

[2]Gómez-Guillén MC,Pérez-Mateos M,Gómez-Estaca J,et al. Fish gelatin:a renewable material for developing active biodegradable films[J]. Trends in Food Science and Technology,2009,20(1):3-16.

[3]Gómez-Guillén MC,Giménez B,López-Caballero ME,et al. Functional and bioactive properties of collagen and gelatin from alternative sources:a review[J]. Food Hydrocolloids,2003,17(3):281-286.

[4]劉俊豪,黃珊,楊文鴿. 基于魚皮明膠的可食膜改性及其應用[J].食品工業(yè)科技,2014,35(6):373-376.

[5]Al-Hassan AA,Norziah MH. Starch-gelatin edible films:water vapor permeability and mechanical properties as affected by plasticizers[J]. Food Hydrocolloids,2012,26(1):108-117.

[6]Pranoto Y,Lee CM,Park HJ. Characterizations of fish gelatin films added with gellan and κ-carrageenan[J]. LWT-Food Science and Technology,2007,40(5):766-774.

[7]Wang AN,Wu LG,Li XL,et al. Study on the blend film prepared by chitosan and gelatin[J]. Advanced Materials Research,2011,(201):2866-2869.

[8]Xiao C,Liu H,Lu Y,et al. Blend films from sodium alginate and gelatin solutions[J]. Journal of Macromolecular Science,Part A:Pure and Applied Chemistry,2001,38(3):317-328.

[9]Liu H,Li D,Guo S. Rheological properties of channel catfish(Ictaluruspunctaus)gelatine from fish skins preserved by different methods[J]. LWT-Food Science and Technology,2008,41(8):1425-1430.

[10]Gómez-Guillén MC,Turnay J,Fernández-Daz MD,et al. Structural and physical properties of gelatin extracted from different marine species:A comparative study[J]. Food Hydrocolloids,2002,16(1):25-34.

[11]Chen S,Tang L,Hao G,et al. Effects ofα1/α2ratios and drying temperatures on the properties of gelatin films prepared from tilapia(Tilapiazillii)skins[J]. Food Hydrocolloids,2016,52,573-580.

[12]Chen S,Tang L,Su W,et al. Separation and characterization

of alpha-chain subunits from tilapia(Tilapiazillii)skin gelatin using ultrafiltration[J]. Food Chemistry,2015,188:350-356.

[13]翁武銀,劉光明,蘇文金,等. 魚皮明膠蛋白膜的制備及其熱穩(wěn)定性[J]. 水產(chǎn)學報,2011,35(12):1890-1896.

[14]Lertittikul W,Benjakul S,Tanaka M. Characteristics and antioxidative activity of Maillard reaction products from a porcine plasma protein-glucose model system as influenced by pH[J]. Food Chemistry,2007,100(2):669-677.

[15]王虹霞,丁克毅,劉軍. 果膠/殼聚糖/魔芋膠三元復合膜的結構及應用性能分析[J]. 食品與生物技術學報,2015,34(4):407-412.

[16]布冠好,朱婷偉,陳復生,等. 大豆蛋白-乳糖復合物的結構及功能特性研究[J]. 中國糧油學報,2014,29(7):40-44.

[17]Bergo P,Sobral PJA. Effects of plasticizer on physical properties of pigskin gelatin films[J]. Food Hydrocolloids,2007,21(8):1285-1289.

[18]劉丹維,王亞娟,邵雙喜. 氧化甲殼素對明膠熱穩(wěn)定性及吸水性的影響[J]. 皮革科學與工程,2013,23(1):11-15.

[19]鄭惠彬,翁武銀,蘇文金,等. 提取pH和溫度對羅非魚(Tilapiazillii)[J]. 海洋與湖沼,2013,44(5):1403-1408.

[20]Yeboah FK,Alli I,Yaylayan VA. Reactivities of D-glucose and D-fructose during glycation of bovine serum albumin[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry,1999,47(8):3164-3172.

[21]Morales FJ,Romero C,Jiménez-Pérez S. Fluorescence associated with Maillard reaction in milk and milk-resembling systems[J]. Food Chemistry,1996,57(3):423-428.

[22]Hoque MS,Benjakul S,Prodpran T. Effect of heat treatment of film-forming solution on the properties of film from cuttlefish(Sepiapharaonis)skin gelatin[J]. Journal Food Engineer,2010,96(1):66-73.

[23]Chen X,Li WJ,Shao ZZ,et al. Separation of alcohol-water mixture by pervaporation through a novel natural polymer blend membrane-chitosan/silk fibroin blend membrane[J]. Journal of Applied Polymer Science,1999,73:975-980.

[24]盧靜靜,孫煒煒. FT-IR分析乳清分離蛋白-葡聚糖接枝物的結構變化[J]. 現(xiàn)代食品科技,2014,30(8):89-93.

Effects of gelatinαsubunits and maillard reaction on the properties of gelatin-sodium alginate blend films

CHEN Jun1,2,3,WEI Pei-xiao2,CHEN Shu-lin2,WENG Wu-yin2,3,*

(1.College of Chemical Engineering Huaqiao University,Xiamen 361021,China;2.College of Food and Biological Engineering,Jimei University,Xiamen 361021,China；3.Xiamen Key Laboratory of Marine Functional Food,Xiamen 361021,China)

The effects of gelatinαsubunits and maillard reaction on the properties of gelatin-sodium alginate(SA)blend films were investigated by measuring the mechanical properties,color,fluorescence intensity and fourier transform infrared spectroscopy(FTIR). The mechanical properties of gelatinαsubunits-SA blend films were decreased after storage at 0 ℃,75% relative humidity(RH)for 72 h,while the fluorescence intensity was increased. Whenα1-SA blend films were stored for 72 h,the increasing extent ofb*value was 64.0%,which was higher than that of G-SA blend films andα2-SA blend films. It was revealed that the maillard reaction could occur betweenαsubunits and sodium alginate,andα1-subunit was easier to be reacted than others through FTIR analysis. It was concluded from the results of this study that the color of gelatinαsubunits-SA blend films became yellow during the storage at 0 ℃ and 75% RH.

gelatin;α-subunits;sodium alginate;blend film;maillard reaction

2016-11-11

陳俊(1977-)，男，博士研究生，副教授，主要從事天然產(chǎn)物開發(fā)利用研究，E-mail：chenjun@jmu.edu.cn。

*通訊作者:翁武銀(1974-)，男，博士，教授，主要從事蛋白質化學和水產(chǎn)加工研究，E-mail：wwymail@jmu.edu.cn。

國家自然科學基金(31271984)；廈門市海洋經(jīng)濟發(fā)展專項資金項目(14CZP031HJ05)；福建省海洋經(jīng)濟創(chuàng)新發(fā)展區(qū)域示范項目(2014FJ05)；福建省科技重點項目(2014Y0081)。

TS201.1

A

1002-0306(2017)11-0061-04

10.13386/j.issn1002-0306.2017.11.003