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糖基化改性对花生蛋白膜性能的影响及其作用机理研究

林伟静  
【摘要】:花生蛋白膜是一种绿色环保的新型材料,但是由于花生蛋白质基质间缺乏柔韧性,同时又含有大量亲水基团,导致蛋白膜具有脆而不耐水的缺点,限制了其在食品包装中的应用。针对以上问题,本研究对花生蛋白进行糖基化改性,并分析了改性对花生蛋白结构的影响,再以改性蛋白为原料制备具有良好性能的花生蛋白膜,同时分析糖基化改性过程中蛋白膜性能的变化规律,通过蛋白结构与蛋白膜性能之间的相关关系,明确糖基化改善花生蛋白膜性能的机理,最后将蛋白膜应用在方便面调料包装中,探讨其在食品包装应用中的可行性。确定了花生蛋白糖基化改性的最佳工艺条件。对比了木糖、甘露糖、乳糖、半乳糖、葡萄糖和蔗糖对花生蛋白膜各种性能的影响,木糖在提高蛋白膜机械性能的同时能改善花生蛋白膜的耐水性,因此筛选出木糖对花生蛋白进行糖基化改性。结合单因素和正交试验对改性条件进行优化,得到花生蛋白-木糖糖基化的最适改性条件为:木糖浓度10%、p H 9.5、温度91.5℃、时间95min。此条件下,利用改性蛋白制备的蛋白膜,其拉伸强度(TS)、断裂延伸率(E)和溶解性(TSM)分别为10.37 MPa、96.47%和35.94%,同时呈现致密、紧凑的网络结构,显著优于未改性花生蛋白膜。研究了花生蛋白结构在不同木糖浓度、p H、温度和时间的糖基化改性过程中的变化。SDS-PAGE结果表明,糖基化改性后,花生蛋白的条带组成并无变化,但在糖基化改性的作用下,花生蛋白内部发生交联,使花生球蛋白及伴花生球蛋白Ⅱ的条带变浅,同时生成分子量较大的(130 k Da)聚合物。接枝度方面,随着木糖浓度、p H、温度和时间的增加,花生蛋白接枝度呈上升趋势,在木糖浓度10%、p H 9、90℃反应90 min的条件下,接枝度为10.49%。红外光谱方面,改性蛋白光谱在1117 cm-l形成新的吸收峰,而糖基化使酰胺I和酰胺Ⅱ的吸收峰强度有所减弱。巯基含量方面,改性前花生蛋白中巯基含量为7.63μmol/g pro,随着蛋白和木糖之间交联程度的增加,蛋白结构得以伸展,内部巯基暴露使其含量增加,改性后巯基含量最高达9.72μmol/g pro。暴露在外的巯基在蛋白成膜过程中形成二硫键,从而使蛋白膜中巯基含量下降,最低降至1.65μmol/g pro。表面疏水指数方面,糖基化改性使蛋白表面疏水指数显著增加,增加木糖浓度、p H和温度,分别使表面疏水指数增加2.2-2.8倍、1.5-3.4倍和1.6-4.2倍。化学作用力方面,改性前花生蛋白中的化学作用力以氢键为主,糖基化使蛋白中离子键的作用消失,部分氢键被破坏,同时由于内部疏水基团暴露,使疏水相互作用得到加强。确定了利用木糖糖基化改性蛋白(PPI-X)制备蛋白膜的工艺。在上述最优改性条件下对花生蛋白进行改性,并通过喷雾干燥获得粉末状改性蛋白,通过分析改性蛋白的溶解温度及甘油添加量对蛋白膜性能的影响,最终确定蛋白膜制备工艺为PPI-X粉末溶解温度20℃、甘油添加量为25%,此条件下蛋白膜TS、E和TSM分别为10.37 MPa、90.11%和35.94%。研究了糖基化改性过程对花生蛋白膜性能的影响。溶解性方面,木糖浓度的增加使蛋白膜溶解性显著下降,木糖浓度达到10%时TSM比木糖含量为1%时下降17.4%;p H 9、温度90℃时,蛋白膜溶解性最低,仅为33.64%。膨胀性方面,不同改性条件对花生蛋白膜膨胀性均有影响,其中提高p H使膜的膨胀率显著增加,p H为11时蛋白膜膨胀率高达829.70,分别是p H 3、7和9时的7.7倍、3.5倍和2.0倍。表面疏水性方面,木糖浓度增加使花生蛋白膜的接触角(CA)呈现先上升后下降的趋势;改性p H和温度增加,蛋白膜表面疏水性逐渐增加,p H为11时或温度为90℃时,CA相对最高,分别为64.2°和68.91°;随着改性时间延长,蛋白膜表面疏水性整体呈上升趋势。微观结构形态方面,木糖浓度从1%增加至10%,蛋白膜从致密片状结构向网络结构转变;增加p H有利于网络结构的形成,p H为9时,蛋白膜网络结构清晰可见,但p H高达11时分子间产生的过度交联,使蛋白网络变得紧密;温度低于50℃时,蛋白变性程度低,蛋白膜呈现致密的片层结构,随着改性温度上升,蛋白分子结构伸展使蛋白膜呈现网络结构。其他性能方面,糖基化改性使蛋白膜颜色加深,同时能提高蛋白膜水蒸气阻隔性能,但对膜的氧气透过性和热稳定性影响不显著。初步探讨了糖基化改性改善花生蛋白膜性能的作用机理。对改性过程中花生蛋白结构变化与性能改变进行相关性分析,发现接枝度、蛋白巯基含量、表面疏水指数与蛋白膜的强度和延伸性均呈极显著的正相关,与TSM则呈极显著的负相关。上述结果表明,蛋白与木糖的接枝,使蛋白结构得以伸展,大量的疏水基团以及巯基暴露,在蛋白成膜过程中分别形成疏水相互作用和二硫键,使蛋白膜能承受更大程度的形变,故而强度和延伸性均有所增强。此外,疏水基团的暴露,使蛋白亲水性下降,疏水性增加,因此耐水性得到提高。研究了花生蛋白膜在方便面调料包装中应用的可行性。将花生蛋白膜包装植物油,植物油保质期可达180天以上,而无包装对照组和塑料包装的植物油保质期较短,均为40天左右。将花生蛋白膜包装调料粉,在贮藏60天后水分含量和菌落总数均符合标准要求。本研究通过糖基化改性显著改善了花生蛋白膜的机械性能和耐水性,同时明确了糖基化改性改善蛋白膜性能的机理,为花生蛋白膜的实际应用提供了理论依据,有利于实现花生蛋白膜在食品包装中的开发与利用。


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