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乳清分离蛋白—酪蛋白酸钠复合薄膜的包装特性调控及其传质行为研究

雷桥  
【摘要】:功能性乳清分离蛋白-酪蛋白酸钠(WPI-NaCas:Whey protein isolate-Sodium caseinate)复合薄膜是本课题研发制备的一种新型的可食性薄膜包装材料,具有亲水性、可溶性、可生物降解性和抗菌性,在食品活性包装及生物制药领域替代部分塑料,极富潜力。作者旨在从包装工程的角度,研究WPI-NaCas薄膜的包装特性、抗菌性能的调控变性机制及归类方法,并对其等温吸湿动力学特性和抗菌介质的迁移行为进行模拟。主要研究内容及成果如下: 1.乳清分离蛋白-酪蛋白酸钠复合薄膜制备工艺的优化、酶致改性及其包装性能的调控 采用均匀实验设计法,研究了各成膜因素对WPI-NaCas薄膜包装特性的影响,并构建了相互间的函数关系,找出了各性能参数的主要或显著性影响因素,以实现对薄膜包装特性的定向、定量调控。通过优化工艺配方,筛选出了对部分塑料材料替代性最好的一组WPI-NaCas复合薄膜。研究发现:各组实验样品中,甘油是影响薄膜性能指标的重要参数,随着甘油和酪蛋白酸钠含量的提高,薄膜对气体及水蒸气的阻隔性能下降,乳清分离蛋白的作用则反之。其中,D组样品(5%WPI/2%NaCas/50%glycerol,50℃)的阻气阻湿性能最高,并显示出了适度而良好的机械性能、光学性能和水溶性。 通过正交实验设计方法,研究了谷氨酰胺转氨酶TGase的浓度、反应时间及反应温度等工艺参数对WPI-NaCas复合蛋白成膜溶液性质、薄膜性能参数及微观结构的协同影响作用。研究发现:谷氨酰胺转氨酶降低了成膜溶液的D50和D90粒度值,并显著地降低了薄膜的水溶性和水蒸气透过率,并在一定条件下提高了其抗张强度。电镜扫描分析显示,酶法改性薄膜的微观结构更为光滑、致密、有序。但TGase酶作用对成膜溶液的表观黏度、薄膜样品的热重变化等影响不显著。正交实验结果表明酶的反应时间为薄膜抗张强度TS和水蒸气透过率WVP等性能参数的主要影响因素,其次分别为反应温度、酶的添加量。酶法变性的优化工艺条件为:0.1mg/mL TGase浓度、50℃C反应温度、30min反应时间。WPI-NaCas复合薄膜酶法改性之后,其疏水性、刚性及阻透性得以提高,使其作为替代性的生物可降解聚合物投入实际应用成为可能。 2.活性抗菌复合蛋白膜的物理性能、抑菌性能研究及其吸湿行为的分析及模拟 研究了添加不同浓度的大蒜精油(GO)、山梨酸钾(PS)、乳酸链球菌素(N)和纳米二氧化钛(Nano-TiO2)的功能活性蛋白薄膜对食品致病菌大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抑菌性及其机械性能和物理性能。研究发现:适量的抗菌剂与WPI-NaCas薄膜的相容性较好,抗菌剂的添加改变了薄膜的抗张强度和断裂伸长率,降低了薄膜的水蒸气透过率,提高了薄膜的疏水性和耐热性。更为重要的是,WPI-NaCas薄膜是各类抗菌剂的良好载体,添加了Nisin及载入了Nano-TiO2的抗菌复合蛋白膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均有明显的抑制作用。PS的添加能有效地抑制金黄色葡萄球菌的生长,但对大肠杆菌无效。添加了GO的复合蛋白膜对大肠杆菌无抑制作用,当其添加量高于300μl·(200mL)-1时,方能对金黄色葡萄球菌产生抑制作用。 关于对不同相对湿度条件下,作为活性抗菌介质载体的抗菌薄膜的吸湿动力学机制研究,发现:采用Peleg经典模型来描述WPI-NaCas抗菌薄膜的吸湿特性及其发展进程,具有较高的置信度及吻合度。无需考虑其物理意义,能够根据实验数据准确地模拟出常数k1、k,回归系数a、b、c、d并进一步预测:薄膜在吸湿过程中任意时刻t的水分含量Mt、达到给定吸湿水平R所需的时间tR、任意相对湿度RH条件下的平衡水分含量Me及等温吸湿曲线的变化趋势。WPI-NaCas抗菌薄膜的水蒸气透过率WVP因其亲水性及高浓度甘油的存在,随着环境中相对湿度RH的提高,呈现出指数函数增长的趋势。固定非线性重回归分析表明,在薄膜的Me值模拟函数关系中,相比于温度影响因子,水分活度值aw起主导贡献作用。活性抗菌WPI-NaCas薄膜无论在包装性能方面,还是在抑菌性能方面均有其独特的优势,在食品的活性包装系统及生物制药领域具有巨大的发展潜力。 3.抗菌剂在二元体系中的迁移性分析及模拟 研究了不同初始含量的山梨酸钾抗菌防腐剂,从两种复合蛋白薄膜向食品模拟体系中的扩散迁移机制,确定了山梨酸钾的扩散系数及迁移类型,并建立了高度非线性的亲水性复合蛋白膜的迁移模型。研究发现:山梨酸钾在抗菌薄膜-食品模拟体系中的扩散过程为非-费克(Non-Fick)型扩散过程或第二类输送(Type-Ⅱ)过程,其溶解扩散过程取决于松弛动力学。自拟的负指数增长回归模型不仅能够精确可靠地模拟溶质山梨酸钾的扩散行为,也能有效地模拟溶剂的吸附溶胀现象,相对于幂律模型,在扩散范围及缓释薄膜扩散模拟方面更具优势。改良的布朗扩散-溶胀松弛线性叠加模型,融合了费克第二定律和一级动力学方程,能够可靠地量化亲水性薄膜在扩散过程中不同程度的松弛行为。WPI-NaCas、Gelatin-NaCas两种复合蛋白薄膜均为抑菌剂山梨酸钾的良好载体。 4.复合蛋白薄膜种类及其包装性能参数的聚类分析 对30种不同配方、不同加工工艺制备的WPI-NaCas蛋白薄膜的样品及包装性能指标分别进行了Q型、R型及双向聚类分析,分析结果表明:30个实验组样品,或其7个包装性能指标之间,存在相关性,可以分别进行科学归类。样品(Q型)聚类分析显示,当欧氏距离为40时,可将样品分为5大类,其中,实验组28和30最为相似;而包装性能指标(R型)聚类分析显示,薄膜的透气性和雾度指标最为相似;双向聚类分析归类结果与薄膜制备实验已知条件a、c、b分组完全吻合,并按其相似度条件依次排序。聚类分析方法在可食性、功能性复合蛋白膜的分类、比较、鉴别方面具有可行性和有效性,为进一步研究及比较新型包装材料的性能特点提供了理论依据。


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