【doc】酪蛋白酸钠膜的水分吸附特性

【doc】酪蛋白酸钠膜的水分吸附特性 酪蛋白酸钠膜的水分吸附特性 第28卷第5期 2009年9月 食品与生物技术 JournalofFoodScienceandBiotechnology Vo1.28No.5 Sept.2009 文章编号:1673—1689(2009)05—0607—04 酪蛋白酸钠膜的水分吸附特性 姜燕,唐 (1.广东工业大学轻工化工学院,广东广州 州510640) 传核.,温其标 510006,2.华南理工大学轻工与食品学院,广东广 摘要:作者以大豆蛋白酪蛋白酸钠(NaCas)膜为对象,从吸附动力学和水分吸附等温线研究了 蛋白膜的水分吸附特性.NaCas膜水分达到平衡所需要的时间受到所处相对湿度(RH)条件和增 塑剂含量的影响.RH和增塑剜含量越低,达到平衡的时间越短;反之,则越长.TGase改性明显 降低了蛋白膜的水分吸附速率及达到平衡的水分含量.NaCas膜水分吸附等温线数据能很好地 与GAB模型吻合. 关键词:水分吸附特性;蛋白膜;酪蛋白酸钠 中图分类号:Q51文献标识码:A SorptionCharacteristicsofSodiumCaseinateFilms JIANGYan,TANGChuan-he,WENQi—Biao. (1.FacultyofChemicalandLightIndustry,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510006,China;2 CollegeofLightIndustryandChemicalEngineeringFoodScience,SouthChinaUniversityofTechnology,Guang zhou510640,China) Abstract:Inthisstudy,sorptioncharacteristicsincludingadsorptionkineticsandsorption isothermofsodiumcaseinate(NaCas)filmswerecarefullyinvestigated..Relativehumidity (RH)andplasticizercontentsignificantlyaffectedthetimewhenmoistureofNaCasfilmsreached balance.ThelowerRHandplasticizercontent,theshorterthemoisturebalancetime.TGase treatmentsignificantlydecreasedmoistureadsorptionrateandthebalancemoisturecontentof NaCasfilms.ThesorptionisothermdataweremathematicallyfittedtoGABmode1. Keywords:sorptioncharacteristic,proteinfilm,sodiumcaseinate 在蛋白质膜开发和研究方面,国内外学者已进 行了一定的研究.这些研究主要集中在蛋白膜的 机械性能和溶解性能方面,而对于蛋白膜的水分吸 附特性方面的研究则相对较少.亲水蛋白膜的机 械性能和阻障性能很大程度上受到膜中水分含量 的影响.蛋白膜最终的平衡水分含量又受到蛋白 质(本身固有特性)增塑剂(外部因素)种类及用量 的影响.研究水分吸附速率有助于理解蛋白膜在 变化的RH条件下的性能.水分吸附特性主要在 于水分吸附速率(吸附动力学)和平衡水分含量(水 分吸附等温线)这两个参数.作者以酪蛋白酸钠膜 为对象,从吸附动力学和水分吸附等温线来研究蛋 收稿日期:2008—12—08 基金项目:国家自然科学基金项目(20306008). 作者简介:姜燕(1973一),女,四川南充人,工学博士,讲师,主要从事食品科学方面的 研究.Email:cljy@163.com 608食品与生物技术第28卷 白膜的水分吸附特性. 1材料与方法 1.1材料 谷氨酰胺转移酶(TG—B):泰兴市一鸣精细化工 有限公司产品;CBZ—l—glutaminylglycine和L— Ghuamicacidr—monohydoxamate:Sigma公司产 品;酪蛋白酸钠NaCas(蛋白质质量分数88.3): 新西兰乳业集团产品. 1.2实验方法 1.2.1TGase酶活性的测定见参考文献[1]. 1.2.2膜的制备将酪蛋白酸钠NaCas(质量分 数5)和甘油(质量分数2)溶于Tris—HCI (pH8.O)缓冲溶液中,于水浴锅中8O?加热3O min.待成膜溶液冷却至室温后,加入TGase(8U/ g),搅拌均匀.脱气后迅速薄摊在内衬有聚乙烯薄 膜的玻璃器皿(37cm×21cm)中,然后放在室温 (25?)下干燥24h,揭膜.以不加TGase的膜作 为对照. 1.2.3各种饱和盐溶液的配置按表1所示,配 置实验所需各种饱和盐溶液. 表1各种水分活度下的饱和盐溶液 Tab.1Standardsaturatedsaltsolutionsofdifferenta ,套,耄, aan K0H0.O8Mg(NO3)2O.5OKClO.85 CH3C0OK0.23NHN03O.62KNO0.92 MgC120.33NaCl0.75K2SO40.97 K2C030.43(NH)2SO40.80 1.2.4水分吸附特性膜制好后裁切成所需样品 形状(25mm×25ram),立即放在相对湿度为11 的环境(25?1?)中平衡一周,以除去样品中原先 带有的水分含量.然后将样品取出后置于装有不 同饱和盐溶液(相对湿度分别是32,50,75和 97)的干燥器中[2].测定样品质量随时间的变 化,样品水分含量根据常压干燥法测定[3].每个数 据取两个平行样. 1.2.5吸附等温线膜制好后裁切成所需样品形 状(25mm×25ram),立即放在装有PO的干燥器 中(25?1?)中平衡一周,以除去样品中原先带有 的水分含量.然后将样品取出后置于装有不同饱 和盐溶液(相对湿度分别是8,22,33,43, 5O,62,75,80和85)的干燥器中l_2中. 每隔6h测定样品质量,前后两次测量质量相同时, 认为达到平衡.平衡后水分含量的测定根据常压 干燥法测定l_2.每个数据取两个平行样. 用GAB(Guggenheim—Amderson—deBoer)模型 来分析蛋白质膜的吸附等温线数据,膜的单分子层 水分值根据Bizot方程(1984)[4计算.GAB等温 线模型如下式所示: M一… (1一ka)(1一+Cka) 式中,M为指定a下的平衡水分质量分数;m.为单 层值;C和志为常数. 2结果与讨论 2.1NaCas膜的水分吸附动态分析 (RH)和增塑剂是影 对于蛋白质膜,相对湿度 响膜水分吸附的两大重要因素,因此,作者研究了 不同RH条件和不同增塑剂水平下蛋白膜的水分 吸附特性.图1显示了NaCas膜(TGase改性膜及 对照膜)水分吸附量随着时间的变化曲线,(a),(b) 和(c)代表膜中甘油的质量分数(以蛋白质量为基 准)分别是2O,4O和6O.由图1可以清晰地 看到在曲线的初始阶段,NaCas膜水分增长速率较 快,然后增长趋势减慢,最后膜的水分含量趋于平 稳.这是因为蛋白膜中的水分含量越低,吸附速率 就越快. NaCas膜水分达到平衡所需要的时间主要是 受到所处RH条件和增塑剂含量的影响.相对湿 度越低,达到平衡的时间越短;反之,则越长.例 如,增塑剂的质量分数固定在20,RH为339/6时, NaCas膜4h左右水分含量就达到平稳了;而RH 为929/6时,既使48h后仍未平衡,见图1(a).同 样,膜中增塑剂的质量分数越低,达到平衡的时间 越短;反之,则越长.增塑剂是制备蛋白质可食膜 时必须的,它可以通过打断蛋白质多肽链间的氢键 减少聚合物相邻链间的分子内相互作用而降低膜 的脆性及易碎性,增加膜基质问的空隙,赋予膜一 定的柔韧性,同时也增加了蛋白质体系吸附水分的 能力].其他学者在研究大豆蛋白,花生蛋白及 谷物蛋白的水分吸附特性时也有相类似的报 道…. ,TGase改性明显降低了NaCas膜 由图1可见 的水分吸附速率及达到平衡的水分含量.这个结 果与TGase改性使蛋白质膜的水分含量降低及表 面疏水性增高相一致口,这可能是因为TGase诱 导的交联使蛋白质的某些氨基酸残基,特别使赖氨 酸残基和谷氨酰胺残基不能够通过氢键来吸附水 第5期姜燕等:酪蛋白酸钠膜的水分吸附特性6O9 分,同时更多的疏水核心或基团暴露出来的缘故. 皿唧 惶 咖1 喀 -- H75% I1--RH33%—?一R -- 0--RH33%+酶-_.一RH75%+酶 0l02O3O405O 时间/h (a)甘油质量分数2O O.6 0.5 0.1 O 一 ?一RH33%—?一RH75% — ?一RH33%+酶—?一RH75%+酶 0 时间/h (b)甘油质量分数4O -- II--RH33%+RH75% 一 ?一RH33%+酶—..一RH75%+酶 时间/h (c)甘油质量分数6O 图1不同相对湿度条件下TGase处理对NaCas膜水 分吸附曲线的影响 Fig.1EffectsofTGasetreatmentonmoisturesorption curvesofNaCasfiImsatvariousrelativehumidity NaCas膜的水分吸附速率受到RH和增塑剂 质量分数的很大影响,RH高,甘油质量分数大时, 膜具有较高的水分吸附速率.同时,与对照膜(未 经TGase作用)相比,TGase的改性也明显降低了 NaCas膜的水分吸附速率(见图1). 2.2NaCas膜的水分吸附等温线 NaCas膜的水分吸附数据与GAB模型匹配, 得到水分吸附等温线(图2).由图2可见,NaCas 膜的水分吸附等温线呈s型.随着水分活度(n) 由0增至0.33,NaCas膜的水分含量增加缓慢,n >0.33后,曲线的斜率明显增加.例如,未经 TGase改性甘油质量分数为2O的NaCas膜随着 n由0增至0.33,水分含量由0缓慢增至0.08g/ g;而当?继续增至0.85时,水分含量则由0.08g/ g迅速增加至00.61g/g. 增塑剂的含量对水分吸附等温线有很大影响, 随着甘油质量分数的增加,NaCas膜的水分吸附等 温线逐渐上移.甘油具有较强的亲水作用,甘油质 量分数高的膜与质量分数低的膜相比,其在任一0 值的水分含量都比较高.例如,在n为0.08和 0.85时,未经TGase改性甘油质量分数为2O%的 NaCas膜的水分含量分别是0.04g/g和0.61g/g, 而甘油质量分数为6O的NaCas膜则是0.12g/g 和0.84g/g.其他学者的研究也得到类似的结 果]. 0.9 O.8 桑 求 咖j 蜷 O.2 0.1 0 -- II--甘油(质量分数20%) +甘油(质量分数2O%)+酶 _?-甘油(质量分数40%) — 卜甘油(质量分数4O%)+酶 +甘油(质量分数6O%) — ?一甘油(质量分数6O%)+酶 O0.20.40_8 图2TGase改性对NaCas膜水分吸附等温线的影响 Fig.2EffectofTGasetreatmentonsorptionisothemof NaCasfilmsatvariousglycerolcontent TGase改性对NaCas膜的水分吸附等温线也 有很大影响.TGase改性后,NaCas膜的水分吸附 等温线略有下移(见图2),与甘油的效果相反.' TGase改性使蛋白质的某些氨基酸残基,特别使赖氨酸残基和谷氨酰胺残基不能够通过氢键来吸附 水分,同时更多的疏水核心或基团暴露出来,因而 膜的水分含量降低.与对照膜相比,TGase改性膜 OOOOOO 一暑/暑)/);il删蟮 61O食品与生物技术第28卷 在任一a值的水分含量都比较低.例如,当a为 0.85时,甘油质量分数为20,40和60的未经 TGase改性的NaCas膜的水分质量分数分别是 0.61,0.72,0.84g/g;而经TGase改性的NaCas膜 的水分质量分数则分别是0.57,0.66,0.77g/g. 表2显示了将NaCas膜的水分吸附数据与 GAB模型匹配后,得到的GAB模型的各项常数 (m.,C和k)和决定系数(r).较高的r说明GAB 模型能够与实验数据拟合程度很高. 表2NaCas膜的水分吸附等温线模型(GAB)的各项常数 (m.,C和k)和决定系数(,) Tab.2Sorptionisothermmodel【GAB)constantsandcoeffi- cientofdetermination(,)valuesforNaCasfilms 参考文献(References): 由表2可见,单分子层水分吸附值.受到甘油 含量的影响,甘油含量低,.值低;TGase作用使 m.值有所降低. 3结语 NaCas膜水分达到平衡所需要的时间主要是 受到所处RH条件和增塑剂含量的影响.相对湿 度越低,达到平衡的时问越短;反之,则越长同样, 膜中增塑剂的质量浓度越低,达到平衡的时间越 短;反之,则越长.与对照膜(未经TGase作用)相 比,TGase改性也明显降低了NaCas膜的水分吸附 速率. NaCas膜的水分吸附等温线呈S型.随着水 分活度(n)由0增至0.33g/g,NaCas膜的水分含 量增加缓慢,a>0.33后,曲线的斜率明显增加. 增塑剂的含量对水分吸附等温线有很大影响,随着 甘油含量的增加,NaCas膜的水分吸附等温线逐渐 上移.TGase改性后,NaCas膜的水分吸附等温线 略有下移.NaCas膜的水分吸附数据与GAB模型 能够很好地吻合. [1]姜燕,温其标,唐传核,等.谷氨酰胺转移酶对大豆分离蛋白成膜性能的影响EJ2. 食品与生物技术,2006,32:24— 28. JIANGYan,WENQi— biao,TANGChuan-he,eta1.EffectsofTransglutaminaseonpropertiesofcastfilmsofsoypro tein Isolates[J].JournalofFoodScienceandBiotechnology,2006,32:24—28.(inChinese) [2]RocklandIB.Saturatedsaltsolutionsforstaticcontrolofrelativehumiditybetween5and4 ?EJ].AnalyticalChemistry, 1960,32:1375—1376. [3]WaburtonS,PixtonSW.Theeffectoftheadditionofglycerolonthemoisturecontent/equil ibriumrelativehumidityre— lationshipofwheatfeed[J~.JournalofStoredProductsResearch,1975,11:107—109. [4]BizotH.PhysicalPropertiesofFoods[M].London:AppliedSciencePublishers,1984,27 —41. [5]CuqB,Aymardc,CuqJI,eta1.Ediblepackagingfilmsbasedonfishmyofibrillarproteins: Formulationandfunctional propertiesEJ].JFoodSci,1995,60:1369—1374. [6]LiebermanER,GilbertSG.Gaspermeationofcollagenfilmsasaffectedbycross— linkage,moisture,andplasticizercon— tent[J].JPolymerSci,1973,41:33—43. [7]SeungYC,ChulR.Sorptioncharacteristicsofsoyproteinfilmsandtheirrelationtomechanicalproperties[J].Lebensm WissTechnol,2002,35:151—157. 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