江連洲，徐 靚，齊寶坤，陳惠惠，陳 思，朱 穎，李 楊，隋曉楠

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，哈爾濱 150030）

丙三醇對大豆生物解離纖維素可食性膜特性的影響

江連洲，徐 靚，齊寶坤，陳惠惠，陳 思，朱 穎，李 楊，隋曉楠

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，哈爾濱 150030）

大豆生物解離纖維素是生物解離技術(shù)提取大豆油脂過程中產(chǎn)生的不溶性纖維素，合理利用該纖維素有利于生物解離技術(shù)推廣。試驗(yàn)以大豆生物解離纖維素為基材，添加丙三醇后利用延流法制備可食性膜，測定不同丙三醇添加量下可食性膜拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、水蒸氣透過率、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、顏色及亮度、水溶性。結(jié)果表明，丙三醇對可食性膜多種特性產(chǎn)生影響。丙三醇添加量增加，可食性膜斷裂伸長率、水蒸氣通過率、亮度及水溶性升高，拉伸強(qiáng)度及玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低。利用掃描電子顯微鏡觀察可食性膜表面微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，添加丙三醇可提高可食性膜表面致密性與均一性；紅外吸收光譜測定結(jié)果表明，丙三醇與大豆生物解離纖維素間產(chǎn)生氫鍵作用，在成膜過程中破壞纖維素分子間酯鍵，削弱纖維素分子間作用力。研究為大豆生物解離纖維素可食性膜的生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

丙三醇；大豆；生物解離；纖維素；可食性膜

大豆生物解離纖維素是生物解離技術(shù)提取大豆油脂過程中產(chǎn)生的大豆不溶性纖維素。大豆生物解離技術(shù)作為新興的綠色油脂提取方法，在預(yù)處理基礎(chǔ)上酶解細(xì)胞壁和油脂體膜，釋放油脂[1-2]。生物解離技術(shù)提取大豆油脂過程中會產(chǎn)生大量大豆生物解離纖維素[3]，合理利用大豆生物解離纖維素，提高生物解離纖維素資源利用率，對生物解離技術(shù)推廣具有重要作用。

塑料是食品工業(yè)中最常用薄膜包裝材料，但降解塑料耗時(shí)長，易造成環(huán)境問題。近年利用天然可再生高分子材料制備環(huán)保、易降解可食性膜受到關(guān)注[4-5]。大豆生物解離纖維素易降解、來源廣、成本低，是制備可食性膜良好基材。丙三醇作為常用可食性膜增塑劑，對可食性膜特性影響顯著。陳珊珊等研究發(fā)現(xiàn)，可食性膜大分子鏈間結(jié)構(gòu)可能被小分子丙三醇破壞，因此適量丙三醇可提高葵花籽殼納米纖維素/殼聚糖/大豆分離蛋白可食性膜柔韌性，有效提高可食性膜水蒸氣通過率[6]。劉鵬飛等研究丙三醇對甘薯淀粉膜特性影響，表明丙三醇上羥基與淀粉分子結(jié)合，削弱淀粉分子結(jié)晶結(jié)構(gòu)，提高甘薯淀粉膜透光率[7]。目前，大豆生物解離纖維素可食性膜受丙三醇影響尚不明確。因此，本文以大豆生物解離纖維素為基材，丙三醇為增塑劑，采用延流法制備可食性膜，宏觀上測定可食性膜拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、水蒸氣透過率、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等性質(zhì)，微觀上利用掃描電子顯微鏡及紅外吸收光譜檢測與分析可食性膜，探究丙三醇添加量對大豆生物解離纖維素可食性膜特性影響，以期提高可食性膜性能，為大豆生物解離纖維素膜生產(chǎn)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

試驗(yàn)大豆購自黑龍江省家樂福超市；Protex 6L（8 900 U·mL-1）堿性蛋白酶購自諾維信生物技術(shù)有限公司；檸檬酸（分析純）購自山東嘉穎化工科技有限公司；丙三醇（分析純）購自鄭州市統(tǒng)麒化工產(chǎn)品有限公司；氫氧化鈉、鹽酸（分析純）購自東莞市喬科化學(xué)有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

BT-457B1型電子天平購自深圳博途電子科技有限公司；RET control-visc型磁力攪拌器購自德國IKA公司；HH-S6型數(shù)顯恒溫水浴鍋購自常州金壇良友儀器有限公司；Sigma 3-16KL型冷凍離心機(jī)購自德國西格瑪公司；Nicolet iS10型傅立葉變換紅外光譜儀購自美國賽默飛世爾科技有限公司；SU8020型掃描電子顯微鏡，購自日本Hitachi公司；UTM5305型電子萬能試驗(yàn)機(jī)購自深圳三思縱橫科技股份有限公司；ZE-6000色度儀購自日本電色工業(yè)株式會社。

1.3 方法

1.3.1 大豆生物解離纖維素制備

大豆生物解離纖維素制備參見文獻(xiàn)[8]，操作流程如下：大豆粉碎過篩（60目）后擠壓膨化處理獲得擠壓膨化大豆粉，將擠壓膨化大豆粉與水以1：5體積比混合均勻后于燒杯中55℃恒溫水浴。用2 mol·L-1NaOH調(diào)混合物pH至9.0，加入膨化豆粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%Protex 6 L堿性蛋白酶?；旌衔飌H恒定為9.0， 80 r·min-1酶解4 h，獲得大豆生物解離酶解液。將酶解液以4 500 r·min-1離心20 min后，收集下方沉淀物，用4倍體積去離子水洗滌3次，去除其中水溶性成分后，置于40℃干燥箱干燥 24 h，獲得干燥狀態(tài)大豆生物解離纖維素，過80目篩備用，經(jīng)測定其中含有約93.6%纖維素。

1.3.2 大豆生物解離纖維素可食性膜制備

大豆生物解離纖維素可食性膜制備參見文獻(xiàn)[9]?？墒承阅だ么蠖股锝怆x纖維素、丙三醇及去離子水混合制備。取4 g過80目篩干燥大豆生物解離纖維素，加入100 mL去離子水，分別加入大豆生物解離膳食纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%、40%、50%、60%、70%丙三醇，攪拌均勻后真空10 min獲得成膜溶液。將成膜溶液倒入預(yù)先鋪有聚酯薄膜玻璃板上均勻流延，水平處室溫干燥24 h成膜。將大豆生物解離纖維膜從玻璃板取下，置于25℃，50%相對濕度環(huán)境下平衡48 h待測（不添加丙三醇可食性膜脆性過大，無法測定指標(biāo)）。

1.3.3 大豆生物解離膳食纖維可食性膜性質(zhì)測定。

1.3.3.1 機(jī)械強(qiáng)度

機(jī)械強(qiáng)度測定參考文獻(xiàn)[5]。將可食性膜剪成寬度13 mm，長度170 mm矩形，置于溫度25℃，相對濕度50%環(huán)境中平衡48 h?？墒承阅だ鞆?qiáng)度（Tensile strength,TS）和斷裂伸長率（Elongation at break,EB）利用SUNS 6102萬能試驗(yàn)機(jī)測定，固定樣品夾子初始距離為100 mm，上端夾子上升速度為25 mm·min-1，重復(fù)3次，計(jì)算平均值。

1.3.3.2 水蒸氣通過率

水蒸氣通過率測定參照ASTM E96-95方法稍作修改。將樣品膜密封在丙烯酸樣品池（直徑4.4 cm，高2.1 cm）上。 向樣品池中加入氯化鈣以確保樣品池內(nèi)干燥，加入量應(yīng)使氯化鈣平面比樣品池邊緣低10 mm，隨后將其置于含有飽和NaCl溶液（75.0±2%RH）干燥器中。分析天平測定每個(gè)樣品池在干燥器中0、8、24、32和48 h后質(zhì)量。

水蒸氣通過率利用下式計(jì)算：

WVP=（w/t）（x/Δp ·A）

式中：w—t時(shí)間內(nèi)質(zhì)量增量（g）；

x—試樣厚度（m）；

A—試樣透水蒸氣面積（m2）；

t—質(zhì)量增量穩(wěn)定后兩次間隔時(shí)間（h）；

Δp—試樣兩側(cè)水蒸氣壓差（Pa）

1.3.3.3 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度

可食性膜玻璃化轉(zhuǎn)變溫度測定參考文獻(xiàn)[10]，采用差式掃描量熱儀測定。取約10 mg預(yù)先平衡后可食性膜樣品置于鋁盤內(nèi)，并取空鋁盤作為空白，使用液氮先冷卻至80℃，然后在氮?dú)猸h(huán)境下，以10℃·min-1的升溫速度加熱至270℃。

1.3.3.4 顏色和亮度

可食性膜顏色和亮度測定參考文獻(xiàn)[11]。測定結(jié)果表示為亮度和色度參數(shù)（紅綠參數(shù)、黃藍(lán)參數(shù)）。每個(gè)樣品取不同點(diǎn)測定3次，計(jì)算平均值。

1.3.3.5 水溶性的測定

水溶性測定參考文獻(xiàn)[12]，將可食性膜裁剪成2 cm×2 cm樣品，放置于裝有100 mL 90℃水燒杯中，陽光下觀察水中片狀可食性膜分散完全即為計(jì)時(shí)終點(diǎn)，記錄樣品溶解時(shí)間。

1.3.3.6 表面微觀形態(tài)

通過掃描電子顯微鏡觀察可食性膜表面微觀形態(tài)。觀察前，用導(dǎo)電膠將樣品固定至樣品臺上，真空狀態(tài)下鍍金。觀察時(shí)電壓1.0 kV，放大倍數(shù)400倍。

1.3.3.7 傅里葉紅外光譜

可食性膜紅外吸收光譜測定參考文獻(xiàn)[13]，利用傅里葉紅外光譜儀測定。采集條件為環(huán)境溫度25℃，分辨率為4 cm-1，波數(shù)范圍500～4 000 cm-1，掃描32次。

1.3.4 數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計(jì)

利用SPSS 22.0軟件對數(shù)據(jù)作統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，每組試驗(yàn)3次重復(fù)，取平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

2 結(jié)果與分析

2.1 丙三醇添加量對可食性膜機(jī)械性能影響

丙三醇對可食性膜機(jī)械性能具有顯著影響。由圖1可知，可食性膜拉伸強(qiáng)度隨丙三醇添加量增加逐漸降低，斷裂伸長率則隨添加量增加而增加。當(dāng)丙三醇添加量為30%時(shí)，可食性膜拉伸強(qiáng)度達(dá)最大值14.31 Mpa，但此時(shí)斷裂伸長率較低，可食性膜脆性較大。

2.2 丙三醇添加量對可食性膜水蒸氣通過率影響

水蒸氣通過率是評價(jià)可食性膜重要指標(biāo)。由圖2可知，可食性膜水蒸氣透過率在丙三醇添加量30%達(dá)到最低值，隨丙三醇添加量由30%增加至70%，可食性膜水蒸氣透過率由5.47 g·m·h-1·Pa-1·m-2逐漸增至6.01 g·m · h-1· Pa-1· m-2，當(dāng)丙三醇添加量達(dá)到50%后，隨著丙三醇添加量持續(xù)增加，可食性膜水蒸氣通過率增加趨勢較平緩。

2.3 丙三醇添加量對可食性膜玻璃化轉(zhuǎn)變溫度影響

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是可食性膜特征溫度之一，直接影響材料應(yīng)用性能。由圖3可知，丙三醇添加量對可食性膜玻璃化轉(zhuǎn)變溫度影響較小，可食性膜玻璃化轉(zhuǎn)變溫度隨丙三醇添加量增加略微降低，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度由丙三醇添加量30%時(shí)107.9℃降至丙三醇添加量70%時(shí)102.7℃。大豆生物解離纖維素可食性膜玻璃化轉(zhuǎn)變溫度在100℃以上，因此常溫狀態(tài)下（約25℃）仍為玻璃態(tài)，不影響其他指標(biāo)測定。

圖1 丙三醇添加量對可食性膜拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長率影響Fig.1 Influence of glycerol concentration on tensile strength and elongation at break of edible films

圖2 丙三醇添加量對可食性膜水蒸氣透過率影響Fig.2 Influence of glycerol concentration on water vapor permeability of edible films

圖3 丙三醇添加量對可食性膜玻璃化轉(zhuǎn)變溫度影響Fig.3 Influence of glycerol concentration on glass transition temperature of edible films

2.4 丙三醇添加量對可食性膜顏色和亮度影響

可食性膜色澤及亮度是食品包裝生產(chǎn)應(yīng)用重要指標(biāo)。由表1可知，丙三醇對可食性膜顏色及亮度有一定影響，隨丙三醇添加量增加，可食性膜亮度逐漸增加，亮度由50.12±0.14增至53.03±0.16，但可食性膜紅綠參數(shù)和黃藍(lán)參數(shù)值隨丙三醇添加量增加無明顯變化。

2.5 丙三醇添加量對可食性膜水溶性影響

圖4為大豆生物解離纖維素可食性膜水溶性隨丙三醇添加量變化。由圖4可知，隨丙三醇添加量增加，可食性膜的水溶性提高，溶解時(shí)間顯著降低，由20.03 s縮短至15.93s，當(dāng)丙三醇添加量在30%～60%時(shí)，可食性膜水溶時(shí)間下降趨勢較顯著，當(dāng)丙三醇添加量超過60%時(shí)，溶解時(shí)間下降較緩慢。

表1 丙三醇添加量對大豆生物解離纖維素可食性膜顏色影響Table 1 Influence of glycerol concentration on colors of edible films

圖4 丙三醇添加量對可食性膜溶水時(shí)間影響Fig.4 Influence of glycerol concentration on soluble time of edible films

2.6 丙三醇添加量對可食性膜表面微觀形態(tài)影響

通過掃描電子顯微鏡觀察可食性膜表面微觀形態(tài)，分析其均一性及致密性。

圖5a～5e表示丙三醇添加量分別為30%、40%、50%、60%、70%時(shí)生物解離纖維素可食性膜掃描電鏡圖。

由圖5a～5e可知，可食性膜表面微觀形態(tài)隨丙三醇添加量增加，表面均一性及致密性越好，在丙三醇添加量為70%時(shí)（見圖5e），可食性膜表面均一性最好，且表面孔洞最少，孔洞直徑最小。

2.7 大豆生物解離纖維素可食性膜紅外光譜分析

通過大豆生物解離纖維素可食性膜紅外吸收光譜測定，推測成膜過程分子間結(jié)構(gòu)變化。由圖6可知，可食性膜及大豆生物解離纖維素在多處具有較明顯吸收峰。在3 305 cm-1附近出現(xiàn)較顯著吸收峰，由-OH鍵伸縮振動產(chǎn)生[5,14]，1 740 cm-1附近出現(xiàn)吸收峰為酯鍵羰基伸縮振動產(chǎn)生峰[15]，1 023 cm-1附近吸收峰對應(yīng)C-O-C中C-O鍵振動。

圖5 不同丙三醇添加量生物解離纖維素可食性膜掃描電鏡Fig.5 SEM of EAEP residue edible films with different glycerol concentration

圖6 大豆生物解離纖維素及可食性膜紅外光譜Fig.6 FTIR of EAEP residue and edible film

3 討論與結(jié)論

3.1 丙三醇添加量對可食性膜機(jī)械性能影響

可食性膜機(jī)械特性可通過拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率表征。丙三醇對可食性膜機(jī)械性影響結(jié)果與劉鵬飛等向甘薯淀粉膜中添加不同含量丙三醇結(jié)果一致[7]。丙三醇分子質(zhì)量較低，可進(jìn)入可食性膜大分子間空隙，與纖維素分子鏈上羥基形成新氫鍵，削弱大分子之間相互作用力，增加大分子移動性，可食性膜拉伸強(qiáng)度降低，斷裂伸長率增加，但可食性膜斷裂伸長率不會隨丙三醇添加量增大而無限增加，因?yàn)檫^量丙三醇促進(jìn)可食性膜吸濕過程，降低斷裂伸長率[16]。因此，添加適量丙三醇可在保持拉伸強(qiáng)度良好狀態(tài)下，改善大豆生物解離膳食纖維可食性膜柔韌性。

3.2 丙三醇添加量對可食性膜水蒸氣通過率影響

向大豆生物解離纖維素可食性膜添加丙三醇可提高可食性膜水蒸氣透過率，與Sanyang等向糖棕櫚淀粉膜中添加不同含量丙三醇結(jié)果一致[17]。由于丙三醇具有親水特性，有利于可食性膜對水分子吸收和解吸過程[18]。此外，小分子丙三醇可進(jìn)入大分子成膜分子間區(qū)域[19]。在實(shí)際應(yīng)用中，食品包裝膜水蒸氣透過率較低，在生產(chǎn)大豆生物解離膳食纖維可食性膜工藝中，應(yīng)同時(shí)考慮丙三醇改善可食性膜柔韌性和水蒸氣透過率，避免添加大量丙三醇。

3.3 丙三醇添加量對可食性膜表觀形態(tài)影響

可食性膜亮度隨丙三醇增加而增加，可能因丙三醇添加至可食性膜中，丙三醇夾在大分子之間，結(jié)構(gòu)松散，結(jié)晶程度降低，亮度增加。此外，丙三醇透明度高于大豆生物解離纖維素，當(dāng)丙三醇添加量較大時(shí)，大豆生物解離纖維素濃度降低，可食性膜亮度提高。丙三醇添加對可食性膜紅綠參數(shù)和黃藍(lán)參數(shù)值無顯著影響，可能因丙三醇本身無色，通過觀察可食性膜微觀形態(tài)發(fā)現(xiàn)添加后丙三醇可食性膜表現(xiàn)趨于平整，說明丙三醇在該添加量范圍內(nèi)對大豆生物解離纖維素可食性膜塑化作用較好，填補(bǔ)纖維素分子間空隙，宏觀表現(xiàn)為表面平整、光滑，孔洞較少。

3.4 大豆生物解離纖維素可食性膜紅外光譜分析

大豆生物解離纖維素及可食性膜在3 305、1 740、1 023 cm-1等均出現(xiàn)吸收峰。在3 305 cm-1附近-OH鍵伸縮振動產(chǎn)生峰[5，14]，與大豆生物解離纖維素相比，添加丙三醇制備可食性膜紅外吸收光譜在該處峰強(qiáng)度顯著增加，表明丙三醇與大豆生物解離纖維素之間產(chǎn)生氫鍵作用。1 740 cm-1附近酯鍵羰基伸縮振動產(chǎn)生峰[15]，與可食性膜紅外吸收光譜相比，水酶法生物解離纖維素在該處吸收峰強(qiáng)度較強(qiáng)，而在可食性膜樣品中該峰被削弱，說明添加丙三醇可能破壞纖維素分子間酯鍵，削弱大豆生物解離纖維素分子間作用力，薄膜結(jié)構(gòu)松散，降低可食性膜玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，縮短可食性膜擴(kuò)散時(shí)間。

添加丙三醇可提高大豆生物解離纖維素可食性膜斷裂伸長率、亮度及水溶性，降低可食性膜水蒸氣通過率及玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，增加膜表面均一性及致密性，大豆生物解離纖維素中添加丙三醇可制備特性良好可食性膜。

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Effect of glycerol on properties of edible films EAEP residue fiber/

JIANG
Lianzhou,XU Liang,QI Baokun,CHEN Huihui,CHEN Si,ZHU Ying,LI Yang,SUI Xiaonan
(School of Food Science,NortheastAgricultural University,Harbin 150030,China)

Soybean EAEP(Enzyme-assisted aqueous extraction processing)residue fiber is the insoluble fiber which producs in the process of extracting soybean oil by EAEP technology.Exploitation of this part of residue fiber would bring economic benefits to EAEP.In this work,the edible films were prepared by EAEP residue and different contents of glycerol.The effects of glycerol addition on the tensile strength,elongation at break,water vapor permeability,glass transition temperature,colors and water solubility of EAEP residue fiber based on edible films were investigated.The results showed that glycerol had an impact on the properties of edible films.The addition of glycerol exhibited an increase in the elongation at break,water vapor permeability,lightness and water solubility of edible films of EAEP residue fiber,however,the tensile strength and the glass transition temperature decreased with increasing glycerol concentration.Using scanning electron microscopy to observe the microstructure of the surface of the edible film,it was found that the addition of glycerol could made the surface of the edible films became rough.The infrared spectrumanalysis suggested that glycerol could produce hydrogen bonds with fibers and destroyed the ester bond among EAEP residue fiber molecules.The study provided a theoretical basis for the production of edible film made from soybean EAEP residue fiber.

glycerol;soybean;enzyme-assisted aqueous extraction processing(EAEP);fiber;edible film

TS214.2

A

1005-9369（2017）10-0057-08

江連洲,徐靚,齊寶坤,等.丙三醇對大豆生物解離纖維素可食性膜特性的影響[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2017,48(10)：57-64.

Jiang Lianzhou,Xu Liang,Qi Baokun,et al.Effect of glycerol on properties of edible films EAEP residue fiber[J].Journal of Northeast Agricultural University,2017,48(10)：57-64.(in Chinese with English abstract)

2017-08-12

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0401402）；國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（31430067）；國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（31671807）

江連洲（1960-），教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榧Z食、油脂及植物蛋白加工。E-mail：jlzname@163.com