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蛋白基控释抗菌薄膜的性能优化及其传质迁移研究

张玉亭  
【摘要】:以蛋白为基材制备的可食性包装薄膜具有安全无毒、可完全降解、生物相容性良好等特点,可以部分替代塑料包装,减少环境污染。将抗菌剂添加到蛋白薄膜材料中制成抗菌活性包装,改善了可食性薄膜的性能,且作为抗菌剂良好载体的薄膜对抗菌剂的释放具有缓释作用,可延长包装食品的保质期。根据蛋白基控释抗菌薄膜的特点,其在速溶咖啡、方便面调料包等中低水分活度的食品中具有广阔的市场价值。本论文以乳清分离蛋白(WPI)和酪蛋白酸钠(NaCas)为成膜基材,以甘油(Gly)为增塑剂,以山梨酸钾(PS)为抗菌剂制备蛋白基控释抗菌薄膜,并对抗菌剂的传质迁移行为进行了研究,主要研究内容及结果如下:1.采用响应面软件中Box-Behnken四因素三水平设计方法,研究了乳清分离蛋白、酪蛋白酸钠、甘油和山梨酸钾各组分的含量对蛋白基控释抗菌薄膜的包装性能(抗拉强度、伸长率、透光率、雾度、水溶性和水蒸气透过性能等)的影响作用,构建了各成膜组分含量与各包装性能指标之间的函数关系,确定了成膜优化工艺配方。响应面分析结果表明:薄膜抗拉强度、透光率、雾度、水溶性性能参数与成膜组分含量之间的关系模型可用二次多项式模型来预测,而水蒸气透过系数、伸长率可分别用交互式模型(2F1)和线性模型来拟合;乳清分离蛋白的加入,明显降低了薄膜的透光率和水溶性;薄膜抗拉强度和伸长率数值随酪蛋白酸钠含量的增加而显著提高;甘油含量增加,会明显降低薄膜的抗拉强度,并提高透光率、水蒸气透过系数和伸长率;各成分之间的交互作用对薄膜性能的影响作用同样显著。经回归方程模拟,预测成膜组分在乳清分离蛋白含量为6.84g/100ml,酪蛋白酸钠含量5.11g/100ml,甘油占干物质比35.00%,山梨酸钾含量为0.50g/200ml时,薄膜各包装性能可得以优化。2.研究了食品模拟体系对蛋白基控释抗菌薄膜中抗菌剂的传质迁移的影响。将0.150%、0.375%、0.750%(w/v)山梨酸钾比例的蛋白成膜溶液制成抗菌包装薄膜,在不同温度(15,25,35℃)、不同pH(3.8,5.2,7.0)模拟体系条件下进行了山梨酸钾在蛋白基薄膜中的扩散性能研究,在菲克扩散行为的理论基础上,根据幂律模型中的扩散特征指数,发现pH 3.8时山梨酸钾的初期释放动力学属于非菲克扩散,而在其它条件下基本遵循菲克第一扩散定律。扩散行为研究表明:山梨酸钾浓度增加,食品模拟体系温度升高或pH降低,扩散系数呈非线性提高;模拟体系pH为3.8时,由于薄膜溶胀性较大,山梨酸钾的扩散系数在35℃条件下高达5.722×10-12m2/s;采用阿伦尼乌斯公式(Arrhenius equation)进行活化能比较,发现山梨酸钾的扩散系数在pH值为3.8的模拟液中极易受温度影响。蛋白基控释抗菌薄膜在不同的环境温度和pH条件下表现出不同的缓释特征。3.研究了不同乳清分离蛋白/酪蛋白酸钠比例(3:4、5:4、7:4)、不同甘油含量(3.15g、4.05g、4.95g/200ml成膜液)、不同山梨酸钾初始含量(0.25g、0.50g、0.75g、1.00g/200ml成膜液)的成膜配方对山梨酸钾抗菌剂从薄膜向食品模拟液中传质迁移的影响作用,建立了相应的迁移模型,确定了山梨酸钾的扩散系数。研究表明:当Mt/M∞2/3时,采用幂律模型(Mt/M∞=kt n)描述传质迁移初期过程,山梨酸钾在抗菌薄膜-食品模拟液体系中的扩散过程表现为非菲克扩散或超菲克第二扩散,其复杂的扩散过程与薄膜的溶胀性密切相关;而自拟的负指数增长函数模型(Mt/M∞=yo-a?e-b?t)则可描述山梨酸钾迁移扩散全过程,且拟合度较高,在蛋白基控释抗菌薄膜的扩散模拟中比幂律模型更具优势。从整体传质过程来看,成膜配方中乳清分离蛋白/酪蛋白酸钠比例越高,甘油含量越低,初始山梨酸钾含量越低,薄膜对抗菌剂山梨酸钾的缓释作用越强,山梨酸钾的扩散速率越低。通过改变成膜配方,在一定程度上可实现蛋白基抗菌薄膜中抗菌剂的控释。


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