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摘要：介绍了大豆分离蛋白膜的制备方法以及性能测定方法。研究了不同微波功率、微波作用时间和成膜液pH值对膜的透水系数、透氧系数、抗拉强度和延伸率等膜特性的影响。通过正交试验，讨论了微波改性对大豆分离蛋白膜性能的影响，得出大豆分离蛋白膜的最佳改性方案：微波功率为480 W，微波作用时间为120 s，成膜液pH值为10。
关键词：膜生物化学；微波；大豆分离蛋白膜（SPI）；透水系数；透氧系数；抗拉强度；延伸率
中图分类号：TS2064文献标志码：Adoi： 10.7535/hbgykj.2016yx02008
大豆分离蛋白膜作为一种新型的绿色食品包装材料发展迅速，其原料丰富、齐全、可食用且无公害，受到了国内外包装行业与食品行业的广泛重视[1-2]。大豆分离蛋白膜的研究已经成为新的热点。但是直接制备出的大豆分离蛋白膜的机械性能、透水性能和透氧性能较差[3]，使得大豆分离蛋白膜在实际中的应用受到限制。目前，国内外专家学者尝试通过各种化学、物理、生物酶以及混合交互作用的方法来改善蛋白膜的性能[4-9]。微波在物性改变方面具有独特的作用，尤其是微波的热效应和生物效应在冶金、化工、食品等领域已被广泛应用[10-12]，本研究正是利用微波的热效应和生物效应对大豆分离蛋白进行改性，以期提高大豆分离蛋白膜的机械性能、透水性能及透氧性能。
1实验部分
1.1制备大豆分离蛋白膜
准确称取5.0 g大豆分离蛋白，加蒸馏水配制成质量分数为5.0%的大豆分离蛋白溶液，加入增塑剂和甘油（调节甘油的质量分数为3%），磁力搅拌5 min（3 000 r/min），制得成膜液。用0.3 mol/L 的HCl或0.3 mol/L的NaOH调节成膜液的pH值为9，90 ℃恒温磁力搅拌30 min（3 000 r/min），调整微波炉（顺德格兰仕微波炉 WD800D型）的微波功率和微波作用时间，将成膜液放置微波炉中加热后取出冷却至20 ℃。在009 MPa下脱气10 min，取15 mL成膜液在塑料盘上均匀涂膜，室温放置24 h后揭膜，于相对湿度（RH）为50%（硝酸镁饱和溶液，下同）的干燥器中保存48 h，测定膜性能。
第2期赵扬，等：微波改性对大豆分离蛋白膜特性的影响研究河北工业科技第33卷1.2机械性能的测定
质构仪探头采用AG/AT，拉伸速度为2.0 mm/s，将膜裁成30 mm×20 mm标准膜样，测量出样品蛋白膜的厚度，然后将膜置于质构仪上，读出膜断裂时的拉力和伸长量。每种膜做3个平行试验，记录数据并带入膜的抗拉强度（TS）和延伸率（E）的计算公式中，计算结果。TS=FS，（1）其中，TS为膜的抗拉强度，MPa；F为膜断裂时的拉力读数，N；S为膜的横截面积，m2。E=L1-L0L0 ， （2）其中，E为膜的延伸率，%；L0为膜的初始长度，mm；L1为膜断裂后的长度，mm。
1.3透水性能的测定
根据《塑料薄膜和片材透水蒸气性试验方法杯式法》（GB 1037—1988）[13]的原理和步骤，每一组做3个平行试验，结果以每组的算术平均值表示，每个试样测试值与结果的偏差不超过±10%，大豆分离蛋白膜的透水系数（CWVP）计算方法如式（3）所示。
CWVP=Δm×dA×t×ΔP，（3）
其中，CWVP为膜的透水系数，g/（m·s·Pa）；Δm为稳定的质量增量，g；d为膜的平均厚度，mm；A为有效测定面积，m2；t为测量时间间隔，s；ΔP为膜两侧的水蒸气压差，Pa。本研究中：A=8×10-4 m2，t=86 400 s，ΔP=2 640 Pa。
1.4透氧性能的测定
参考《塑料薄膜和薄片气体透过性试验方法压差法》（GB/T 1038—2000）[14]中塑料薄膜透气性试验方法，根据“浓度增加法”测定原理，本试验使用自行设计的测定装置来测定膜的透氧性。透氧性测定装置包括测氧室、透氧室、流量控制器，O2/CO2气体分析器及高压氧钢瓶。透氧室的容积为400 mL，有效透氧面积为19.625 cm2，气体流量控制采用浮子流量计，最大流量为3 000 mL/min，氧气纯度为999%[15]。每种膜做3个平行试验。
按式（4）计算膜的透氧系数（COP）：
COP=V×dA2×ΔP，（4）
其中，COP为膜的透氧系数，（mL·mm）/（m2·d·Pa）；V为24 h的稳定透氧体积，mL；d为膜的平均厚度，mm；A2为膜的有效透氧面积，m2；ΔP为膜两侧的氧分压差，Pa。
1.5大豆分离蛋白膜的外观评定
从颜色和返潮性2个指标初步评定蛋白膜的外观效果。其中，大豆分离蛋白膜的颜色由浅至深可分为浅黄色、黄色、深黄色和焦黄色。
将大豆分离蛋白膜称重后于RH为50%的干燥器中保存48 h后，若膜质量增加则表示该膜具有返潮性。
2结果与讨论
2.1微波功率对成膜特性的影响
微波是1 mm～1 m之间的超高频振荡波，能够整体穿透有机物碳链结构，使得能量可以迅速达到反应物的各官能团上。微波作用于大豆分离蛋白成膜液，微波的“内加热”作用能够使蛋白分子内的二硫键、氢键等主反应官能团都迅速达到活化能量而进行反应，使得副反应进行程度降低，从而提高产率。本试验微波功率选定为160，320，480，640，800 W，微波作用时间为90 s，按照大豆分离蛋白膜的性能测定方法测定膜性能，结果见图1—图4。
从图1—图4可看出，其他条件不变，增加微波功率，膜的透水性能和透氧性能先减小后增加；微波功率从160 W增加到320 W，膜的抗拉强度显著提高，从3.76 MPa提高到6.35 MPa，增加了689%，再继续增加微波功率，膜的抗拉强度降低，延伸率增加。微波功率的改变对抗拉强度影响较大，这可能是由于微波作用可造成蛋白质分子的部分变性，从
而降低膜的通透性，增加其机械强度；但是微波的功率过大，会引起蛋白质分子过度变性，而造成分子链断裂，反而不利于分子网络结构的形成，不能有效阻挡水分子和氧分子透过，抗拉强度和延伸率也会减小。微波功率的改变对蛋白膜外观的影响不大，如表1所示，随着微波功率的增加，膜颜色有所加深。综合考虑各方面的因素，选用微波功率480 W。
2.2微波作用时间对成膜特性的影响
微波加热过程中，微波作用于溶液中的极性分子，使其随电场的变化发生取向和极化。吸收了能量的极性分子在与周围其他分子碰撞的过程中将能量传递给其他分子，每一个极性分子同时吸收和传递微波能量，所以升温均匀且迅速[16]。本试验选定微波功率为480 W，微波作用时间选定为30，60，90，120，150 s，按照大豆分离蛋白膜的性能测定方法测定膜性能，结果见图5—图8。
从图5—图8可以看出，微波功率为480 W，其他条件不变，随着微波作用时间的增加，蛋白膜透水性能变化不大，但整体呈下降趋势；蛋白膜透氧系数先增大后减小，微波作用60 s时蛋白膜透氧系数达到最大，在微波作用60～90 s时，蛋白膜透氧系数下降趋势明显，微波作用120 s后，蛋白膜透氧系数趋于稳定；蛋白膜抗拉强度先增大后减小，在微波作用90 s时达到最大值。蛋白膜延伸率随微波作用时间的增加呈现出先减小后增加的趋势，但整体变化不大。蛋白膜外观质地柔软，随微波作用时间的增加，其颜色逐渐加深，如表2所示。其原因可能为
微波功率不变，随着时间增加体系热量相应增加，蛋白质大分子重新排列组合，分子间交联强化膜空间网络结构，膜的抗拉强度增加和透氧系数减小。当作用时间超过120 s，体系内温度过高引起蛋白质变性，构筑的网络结构分子链断裂，膜的致密性、强度和通透性降低，延伸性增强。综合考虑各方面的因素，选用微波作用时间90 s。
2.3成膜液pH值对成膜特性的影响
固定微波功率为480 W，微波作用时间为90 s，成膜液pH值分别为7，8，9，10，11，大豆分离蛋白膜的性能指标变化如图9—图12所示。其中对照膜是指未经微波作用的蛋白膜。
从图9—图12可以看出，在微波作用下，仅调节成膜液的pH值，蛋白膜透水系数先增加后减小；蛋白膜透氧系数先减小后增加，成膜液pH值为10时达到最小值；随着成膜液pH值的增加，蛋白膜抗拉强度增加趋势明显，成膜液pH值为10时达到最大值；成膜液延伸率变化不大，但整体呈下降趋势。随着成膜液pH值的增加，蛋白膜的外观颜色加深，具体如表3所示。在相同的pH值下，微波作用膜与对照膜相比，性能指标均发生了显著变化。总体上讲，微波作用可以降低膜的通透性，增加膜的机械强度，使膜的透水系数、透氧系数减小，抗拉强度和延伸率提高。这可能是由于微波的高频作用，能破坏蛋白质分子内和分子间的二硫键，从而提高蛋白质分子的溶解性；同时微波作用又可以使蛋白质分子在溶液中运动加速，使其从原来有序的紧密结构变为无序的松散结构，使分子内部的巯基和疏水性氨基酸侧链残基等暴露在分子表面，故所形成的蛋白膜透水性能和透氧性能较低；而分子运动的加剧，又可促进蛋白质氨基、羧基和交联剂分子间交联程度增加，形成坚固的网络结构，故所形成的蛋白膜抗拉强度、延伸率增加。但是，微波对蛋白质分子和溶剂分子的作用非常复杂，其对膜性能的影响也非常复杂。综合考虑各方面的因素，选用pH值10。
2.4微波改性影响因素正交试验
通过以上单因素试验，根据微波功率、微波作用时间、成膜液pH值对成膜特性的影响，分别以蛋白膜的透水系数、透氧系数、抗拉强度、延伸率为指标，选择正交表L9（34）进行正交试验，确定成膜最优方案。因素与水平的确定如表4所示。
水平因素A因素B因素C微波功率/W时间/spH值132090824801209364015010
通过表5—表8的分析结果可知，微波功率、微波作用时间及成膜液pH值对蛋白膜成膜特性的影响结果如下。
1） 对蛋白膜透水性能的影响程度：成膜液pH值>微波作用时间>微波功率；
2） 对蛋白膜透氧性能的影响程度：微波作用时间>微波功率>成膜液pH值；
3） 对蛋白膜抗拉强度的影响程度：微波功率>成膜液pH值>微波作用时间；
4）对蛋白膜延伸率的影响程度：成膜液pH值>微波作用时间>微波功率。
正交试验确定优化方案具体如下。
1）透水性能优化方案为A2B1C3，其中：微波功率为480 W，微波作用时间为90 s，pH值为10；
2）透氧性能优化方案为A2B1C3，其中：微波功率为480 W，微波作用时间为90 s，pH值为10；
3）抗拉强度优化方案为A2B2C2，其中微波功率为480 W，微波作用时间为120 s，pH值为9；
4）延伸率优化方案为A2B2C3，其中：微波功率为480 W，微波作用时间为120 s，pH值为10。
3结论
根据蛋白膜的最佳成膜条件制备出大豆分离蛋白膜，研究不同的微波功率、微波作用时间以及成膜液pH值的条件下对成膜特性的影响，根据大豆分离蛋白膜的性能测定方法分别以大豆分离蛋白膜的透水系数、透氧系数、抗拉强度、延伸率为指标，并通过微波改性影响因素正交试验，综合考虑经济效益及蛋白膜外观等多方面因素，最终确定微波功率480 W、微波时间120 s和pH值10为最优方案。
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