一种分离蛋白在制备高成膜性食品包装的应用

技术领域

本发明属于高成膜性食品包装技术领域，具体涉及一种分离蛋白在制备高成膜性食品包装的应用。

背景技术

基于石油基合成薄膜的广泛应用所导致的资源严重短缺，以及市场对可持续来源需求的推动，天然植物基原料受到了业界的广泛关注。作为豆油加工过程的副产物，大豆分离蛋白有着远高于其他大豆蛋白产品的蛋白含量，因此具备更好的成膜能力并且因其原料充足、可再生降解和易加工成型等优点被认为是制备可食性生物降解薄膜的潜在选择。然而，大豆蛋白成膜过程比较复杂，易受加热温度，干燥条件等多种因素影响，形成的薄膜往往具有高亲水性和较弱的机械性能，限制了它们在食品包装中的应用。

因此，提供一种提高大豆蛋白薄膜的阻水性和机械性能是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供一种分离蛋白在制备高成膜性食品包装的应用，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种分离蛋白在制备高成膜性食品包装的应用，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、制备不同β-伴大豆球蛋白组成的大豆分离蛋白，选择颗粒饱满、色泽光鲜均匀的大豆，标记为C号，C号大豆经脱皮机去皮处理，然后用粉碎机将其粉碎成粉末后过60目筛；

步骤二、在室温条件下，称取适量脱皮大豆粉与正己烷按1:5比例混合(g/mL)，磁力搅拌0.5h后静置1h，将上清液吸出，重复上述步骤数次，至上清液无色，吸出上清液后放在通风橱晾干；

步骤三、将上述脱脂豆粉与去离子水以1:10(g/mL)的比例进行混合，用2M NaOH调节pH至8.5，连续搅拌2h后，放置离心机内，14000×g、4℃、离心30min，弃沉淀；用2M HCL调节上清液pH至4.5，充分搅拌2h后，再次置于离心机中，14000r/min、4℃、离心30min，弃去上清液，收集沉淀以1：5(g/mL)的比例分散在水中，并用2M NaOH调节pH至7.0；

步骤四、取上清液后4℃条件下透析48h(期间至少换水4次)，将完全透析后的蛋白溶液冷冻干燥后储存备用。

优选的，同时以A号、B号和D号大豆作为对照，以上述方法制备成大豆分离蛋白粉。

优选的，高成膜性产品为包装薄膜。

优选的，β-伴大豆球蛋白组成大豆分离蛋白来源于大豆。

优选的，对四种大豆分离蛋白粉(SPI)进行SDS-PAGE分析，研究对蛋白质分子量的变化。

优选的，较低的α′亚基缺失有助于形成高性能薄膜。

与现有技术相比，本发明提供了一种分离蛋白在制备高成膜性食品包装的应用，具备以下有益效果：本发明具有低含量的α'亚基可以降低薄膜的光学透射率，提升它的阻隔效果，并且不同亚基组成的薄膜都是呈现半透明状，因此在透明食品包装中的应用潜力巨大，通过实验表明，较低的α′亚基缺失有助于形成高性能薄膜，且较低的α′亚基为进一步实现专用高成膜性产品的工业化生产提供了理论指导。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制，在附图中：

图1为本发明实施例提供的大豆分离蛋白粉的SDS-PAGE结果之四种基因型大豆分离蛋白粉结果示意图；

图2为四种大豆分离蛋白薄膜机械性能的结果之薄膜强度结果示意图；

图3为四种大豆分离蛋白薄膜屏障特性的结果之水蒸气和氧气透过性结果示意图；

图4为四种大豆分离蛋白薄膜光学特性的结果之紫外线阻隔性结果示意图；

图5为SPI凝胶DSC图谱示意图；

图6为四种大豆分离蛋白薄膜微观结构的结果示意图；

图7为四种大豆分离蛋白薄膜宏观形貌的结果示意图；

图8为四种SPI亚基组成分析结果示意图；

图9为不同亚基组成的SPI薄膜的水分含量和水溶性示意图；

图10为不同亚基组成的SPI薄膜DSC图谱分析结果示意图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-10，本发明提供一种技术方案：一种分离蛋白在制备高成膜性食品包装的应用，包括以下步骤：

步骤一、制备不同β-伴大豆球蛋白组成的大豆分离蛋白，选择颗粒饱满、色泽光鲜均匀的大豆，标记为C号，C号大豆经脱皮机去皮处理，然后用粉碎机将其粉碎成粉末后过60目筛；

步骤二、在室温条件下，称取适量脱皮大豆粉与正己烷按1:5比例混合(g/mL)，磁力搅拌0.5h后静置1h，将上清液吸出，重复上述步骤数次，至上清液无色，吸出上清液后放在通风橱晾干；

步骤三、将上述脱脂豆粉与去离子水以1:10(g/mL)的比例进行混合，用2M NaOH调节pH至8.5，连续搅拌2h后，放置离心机内，14000×g、4℃、离心30min，弃沉淀；用2M HCL调节上清液pH至4.5，充分搅拌2h后，再次置于离心机中，14000r/min、4℃、离心30min，弃去上清液，收集沉淀以1：5(g/mL)的比例分散在水中，并用2M NaOH调节pH至7.0；

步骤四、取上清液后4℃条件下透析48h(期间至少换水4次)，将完全透析后的蛋白溶液冷冻干燥后储存备用。

本发明中，优选的，同时以A号、B号和D号大豆作为对照，以上述方法制备成大豆分离蛋白粉。

本发明中，优选的，高成膜性产品为包装薄膜。

本发明中，优选的，β-伴大豆球蛋白组成大豆分离蛋白来源于大豆。

本发明中，优选的，对四种大豆分离蛋白粉(SPI)进行SDS-PAGE分析，研究对蛋白质分子量的变化。

本发明中，优选的，较低的α′亚基缺失有助于形成高性能薄膜。

实施例1

制备不同β-伴大豆球蛋白组成的大豆分离蛋白；

选择颗粒饱满、色泽光鲜均匀的大豆(标记：C号)；

1、C号大豆经脱皮机去皮处理，然后用粉碎机将其粉碎成粉末后过60目筛；

2、在室温条件下，称取适量脱皮大豆粉与正己烷按1:5比例混合(g/mL)，磁力搅拌0.5h后静置1h，将上清液吸出，重复上述步骤数次，至上清液无色，吸出上清液后放在通风橱晾干；

3、将上述脱脂豆粉与去离子水以1:10(g/mL)的比例进行混合，用2MNaOH调节pH至8.5，连续搅拌2h后，放置离心机内，14000×g、4℃、离心30min，弃沉淀；用2M HCL调节上清液pH至4.5，充分搅拌2h后，再次置于离心机中，14 000r/min、4℃、离心30min，弃去上清液，收集沉淀以1：5(g/mL)的比例分散在水中，并用2M NaOH调节pH至7.0；

4、取上清液后4℃条件下透析48h(期间至少换水4次)，将完全透析后的蛋白溶液冷冻干燥后储存备用；

同时以A号、B号和D号大豆作为对照，以上述方法制备成大豆分离蛋白粉。

实施例2

1、对四种大豆分离蛋白粉(SPI)进行SDS-PAGE分析，研究对蛋白质分子量的变化；处理后的样品上样量为10μL，在由分离胶(12％)和浓缩胶(5％)组成的恒流模式下电泳系统运行，保持电流17mA，20min后，调节电流37mA直到结束；通过考马斯亮蓝G-250染液染色40min，脱色后用凝胶成像仪观察凝胶片，使用Image Lab 5.2.1软件定性定量分析样品的蛋白亚基含量(结果参见附图1)；

通过Image Lab 5.2.1分析四种SPI的SDS-PAGE图谱，获得SPI的蛋白质组成及比例；如附图1所示，在不同种类的SPI对应的蛋白质条带组成中发现，4种SPI的特征频带与前人的研究结论一致；通过软件进一步分析得到4种SPI的各亚基含量，表1结果表明SPI由7S球蛋白和11S球蛋白组成，并确定了SPI的各个亚基的含量，由蛋白亚基的含量计算得到11S球蛋白和7S球蛋白的含量以及11S/7S的比值；综上表明SPI具有稳定的遗传特性，SPI的组成满足实验设计的要求；

图8中同列不同小写字母之间表示差异显著(p<0.05)。

实施例3

SPI薄膜特性试验；

1.SPI成膜液制备；

首先用去离子水将SPI水化，用磁力搅拌器充分搅拌以获得质量分数为3％的SPI溶液，再加入1.5％甘油，用2M NaOH调节膜液pH至10.0，磁力搅拌30min，之后将获得的膜液在90℃下水浴加热30min(期间不停搅拌，使溶液均匀受热)，之后冷却至室温消泡，放在4℃条件下保存；

2.SPI薄膜制备；

采用溶液流延法，取一定量成膜液倒入有机玻璃槽(120mm×80mm×20mm)中，在70℃鼓风干燥箱内干燥6h，揭膜，放于相对湿度±50％室温环境下保存48h后方可鉴定；

3.机械性能的测定

4.使用数显式电子拉力试验机参照《GB/T 1040.3-2006》测量薄膜的抗拉强度(TS)、断裂伸长率(EB)；薄膜样品裁成均匀尺寸(12×50mm)的长条，初始夹距设为30mm，拉伸速度10mm/s；使用数字千分尺从十个不同位置测量薄膜厚度；(结果如附图2所示)；

抗拉伸强度按式(1)计算，断裂伸长率按式(2)计算；

式中：TS为抗拉伸强度，MPa；F为薄膜断裂时的最大承受力，N；D为膜的宽度，mm；S为薄膜的厚度，mm；

式中：EB为断裂伸长率，％；L

食品包装材料需要具备足够优秀的机械强度才能在运输或贮藏过程中保证食品的完整性，因此薄膜材料的机械性能是决定其是否具有潜在工业生产应用价值的主要因素，蛋白薄膜的机械性能包括抗拉伸强度和断裂伸长率，蛋白组成成分和内部结构对薄膜的机械强度具有显著性影响；其中，C号蛋白薄膜具有较高的抗拉伸强度(2.31MPa)和较低断裂伸长率(78.1％)，而D号蛋白薄膜的抗拉伸强度(1.61MPa)最低，与A号相比，均有显著性差异(p<0.05)；可以发现蛋白自身亚基的变化增强了SPI膜内部的化学交联程度，影响了力学性能；综上所述，较低的α′亚基含量有利于大豆蛋白薄膜具有良好的机械性能，而较低的α亚基时，力学强度会显著降低；

4耐水性测定；

4.1水分含量(MC)；

准确称取适量薄膜样品(M

4.2水溶性(Total soluble matter，TSM)；

接上，将干燥的薄膜放入装有50mL蒸馏水的烧杯中，在25℃下浸泡24h；然后在3000r/min离心5min，将不溶性的薄膜分离出来，105℃下干燥至恒重并再次称重(M

如图9中表2所示，A号薄膜由于其高含量的非极性氨基酸表现出高水溶性(36.53％)，而C号薄膜的水溶性为30.81％，与前者相比耐水性明显提高了(P<0.05)，表明具有低含量α′亚基的蛋白可以增强薄膜中分子间相互作用和内聚性结构，新形成的共价网络结构可以抵抗在水中的溶解；水分含量结果显示，与A号薄膜相比，C号薄膜持有较少的含水量，说明肽链间的交联程度高，网络结构紧凑，这也是它抗拉伸强度大的原因；以前的研究也表明了，水溶性受成膜材料亲水性的影响，与蛋白质网络结构的密度有关；水分子可被认为是薄膜的增塑剂，膜中水分含量的高低将直接影响膜的机械性能和阻水性；

图9中：数值＝均值±标准差(n＝3)，表中同列中标有不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

5屏障特性测定；

5.1水蒸气透过率；

参照国标《GB/T 1077-1988》测定薄膜的水蒸气透过系数，将无水CaCl

式中：WVP为水蒸气透过率，(g·mm/m

5.2氧气透过率(Oxygen permeability，OP)；

参考中国国家标准《GB/T 19789-2005》，采用薄膜透氧测试仪进行薄膜氧气透过率的测定；

水蒸气和氧气的渗透性通常是衡量包装薄膜质量的重要指标，薄膜低渗透性可以延缓新鲜产品的脱水率，以延长食品的保质期；不同亚基SPI薄膜的屏障性能结果如附图3所示，相比于Wild薄膜，不同亚基组成的薄膜均表现出显著下降趋势的水蒸气透过性(P<0.05)，B号薄膜的水蒸气透过系数为31.30g·mm/(d m

6差示扫描量热测定(DSC)；

将约5mg蛋白样品放入铝盘中，密封，然后在差示扫描量热仪中，以氮气为载体，流速10mL/min，加热速率为10℃/min的速率从30℃加热至250℃；速度为50mL/min，以空坩埚作为对照；

对膜材料的热学性能进行表征，不仅可以检测膜结构发生的变化，还能获取膜结构中的水合作用、结晶度以及稳定性等相关信息；表2和附图5总结了薄膜样品的DSC结果，不同亚基SPI薄膜DSC曲线如附图5所示，在120～150℃范围内四种薄膜样品普遍表现出相似的吸热峰，可能对应于薄膜结构的热分解以及蛋白质的内部脱水和变性；根据表2得知，C号薄膜的峰值温度比A号薄膜高约2.45℃，并且继续向较高处移动，具有较高热稳定性；这是因为薄膜内部包括氢键和静电的相互作用，导致了更大的空间位阻，进而限制了大分子的运动；另一方面，还表明较低的α′亚基明显提高了热变性温度，意味着它增加了SPI薄膜的有序结构和构象；

图10中：数值＝均值±标准差(n＝3)，表中同列标有不同小写字母表示差异显著(p<0.05)，相同字母表示差异不显著(p>0.05)；

7光学阻隔性能的测定；

使用紫外-可见分光光度计在200-800nm波长下使用空气作为参考测量薄膜样品(10×40mm)的透射率；

紫外线阻隔性能是评估食品包装材料优良的一种重要指标，因为紫外线照射可能会造成感光性食品出现氧化、营养损失和脱味等质量问题；具有不同亚基组成薄膜的UV-Vis透射光谱如附图4所示，可以看出所有薄膜在200-300nm范围内透射率接近于零，表现出优异的阻隔性能，SPI的这种特性归因于蛋白质的芳香族化合物氨基酸对紫外线辐射的吸收；而在300-800nm的可见光区域，B号薄膜透射率与A号薄膜相比无明显差异，可见具有低含量的α亚基的SPI不会提升薄膜的光学性能，而C号和D号薄膜的光学阻隔性能都显著优于A号薄膜，说明具有低含量的α'亚基可以降低薄膜的光学透射率，提升它的阻隔效果；不同亚基组成的薄膜都是呈现半透明状，这表明它们在透明食品包装中的应用潜力巨大；

8微观结构的测定；

将蛋白薄膜样品冷冻干燥后放置在涂有薄金层的铝柱上，喷金处理后，使用扫描电子显微镜观察薄膜的表面形态，照片放大5000倍，加速电压在3-10kV下操作；(微观结构如附图6所示，宏观结构如附图7所示)；

根据扫描电镜图可以反映薄膜干燥过程中内部组分的相互作用以及表面结构特征，A号薄膜是成片型的基质状态，且不均匀无序的网络结构，而B号和D号薄膜稍有微孔气泡出现，表面粗糙且出现较明显的孔洞，而C号薄膜表面平整且致密、裂隙少、无明显孔洞呈有序波浪纹结构，说明低含量的α'亚基会使SPI薄膜内部氢键相互作用力加强，进而网状交联程度增加，提高了薄膜的均匀性和致密性；因此，C号薄膜具有更高的力学强度和屏障特性，这与薄膜性能测定的结果是一致的；薄膜表现出优异的均匀致密的微观结构可以提高消费者的接受能力，有利于后期在食品包装中近一步的应用；该结果表明，α或α′亚基对SPI薄膜的内部结构或基团之间的相互作用具有非常重要的调节作用，并且亚基的组成改变了大豆蛋白薄膜的表面形态；

通过本实施例表明，较低的α′亚基缺失有助于形成高性能薄膜，且较低的α′亚基为进一步实现专用高成膜性产品的工业化生产提供了理论指导。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。