一种可食用的双网络交联膜，制备及其应用

1.本发明属于可食用蛋白膜制备技术领域，具体包含一种可食用的双网络交联膜，制备及其应用。


背景技术：

2.食品蛋白膜是以天然可食性蛋白质为原料，添加可食性的增塑剂、交联剂等，通过不同分子间相互作用，制备的可以覆盖于食品表面的薄层，其覆盖形式包括包裹、涂布、微胶囊等，得到的食品蛋白膜可用作保存和保护食品，起到阻气阻湿，使食品免受氧化和微生物腐蚀的作用，除此之外还可以开发为功能性可食用蛋白膜食品，以提高食品在造型、口味、营养价值方面的优势。
3.按蛋白来源的不同，可以将已研发的可食用蛋白膜分为动物蛋白膜、植物蛋白膜和复合蛋白膜。其中常用的植物蛋白膜有大豆分离蛋白膜等，对于该蛋白膜的应用研究越来越多，并取得了一系列的研究成果，但其较差的机械强度、热封性和易溶于水或透水率高等问题，仍然制约着其工业化生产和生活化应用。除此之外，在某些特定食品中如肠粉、春卷等，由于制作过程中会有液体的存在，可溶性食品蛋白膜会有一定程度的溶解，因此并不适用。由此可见，制备不溶性可食用蛋白膜对于食品包装和开发多样食品具有应用价值。
4.豌豆蛋白具有丰富的功能特性，如：溶解度、凝胶性、起泡性、乳化性、成膜性等。豌豆蛋白价格低廉、来源广泛，且具有低毒性和低致敏性，是近年来新兴的一种比较理想的低脂、低热量的植物蛋白，可以用于不溶性可食用蛋白膜的制备中。同时，豌豆蛋白的氨基酸比例较为均衡，除蛋氨酸以外的其它七种人体必需氨基酸的含量均接近fao/who推荐模式值，所以制备的蛋白膜营养价值也较为丰富。但豌豆蛋白也存在一定问题，这就是在制作蛋白膜方面，豌豆蛋白因表面疏水性较强且电荷量较低，导致其溶解性较低，成膜难度较大，通常情况下需要将豌豆蛋白中不溶性部分分离出去，留下的可溶性部分(白蛋白)用来制膜，这是因为不溶性部分因其分子间和分子内相互作用存在于聚合物链，表现出相对较低的机械强度、高脆性、低热变形温度和较差的水蒸气阻隔性能，所以难以成膜，而这种不溶性成分大致包括豆球蛋白(legumin)、豌豆球蛋白(vicilin)和豌豆伴球蛋白(convicilin)在内的三种豌豆球状蛋白，这三种豌豆球状蛋白占豌豆蛋白中总蛋白的70％以上，如果直接弃去，这些豌豆球状蛋白沦为废弃物或饲料，势必会造成了极大的资源浪费，同时也会使豌豆蛋白膜制品的原料来源单一，应用领域受限。因此，近年来研究人员通过调整豌豆球状蛋白溶解性或是对豌豆蛋白直接进行改性，以期直接采用豌豆蛋白为原料来制膜，但发现得到的蛋白膜在透明度、均匀度、柔韧性等方面仍存在着诸多问题，并且也没有很好地解决豌豆蛋白中不溶性成分难以成膜的问题。
5.基于此，开发一种以豌豆蛋白不溶物为原料制备的可食用膜的方法，对于可食用蛋白膜制备的发展是具有重要意义的。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的上述问题，本发明的第一个目的在于提供一种制备可食用的双网络交联膜的方法。该制备方法操作简便，反应条件温和，所述方法是以豌豆蛋白不溶物为原料，在酸脱酰胺化处理以及海藻酸钠、氯化钙的交联作用下，得到了一种透明度高、透气性好、机械强度大、耐水性好的可食用的双网络交联膜，克服了现有技术中存在的豌豆蛋白不溶物难以成膜的问题。
7.本发明的第二个目的在于提供一种可食用的双网络交联膜。
8.本发明的第三个目的在于提供一种利用如上所述的双网络交联膜在制备可食用蛋白膜食品中的应用。
9.为实现以上第一个目的，本发明所采用的技术方案包括：
10.本发明公开一种制备如上所述的双网络交联膜的方法，包括如下步骤：
11.向豌豆蛋白不溶物中加入盐酸进行脱酰胺化处理，得到脱酰胺产物；
12.将海藻酸钠溶液与脱酰胺产物混合，得到的混合液中加入甘油进行水合反应，反应结束后制得成膜液；
13.将成膜液涂板、晾干后，用氯化钙溶液滴涂进行交联，干燥后即得；
14.其中，所述豌豆蛋白不溶物通过如下方法提取得到：
15.将豌豆蛋白分散在水中得到豌豆蛋白水溶液，离心，过滤，得到豌豆蛋白不溶物。
16.针对豌豆蛋白不溶物难以成膜而遭到废弃的问题，本发明提供了一种以豌豆蛋白不溶物为原料制备的双网络交联膜的制备方法。在该方法中，考虑到豌豆蛋白不溶物中含有占比较高的豌豆球蛋白，因此本发明通过改性和交联两种方式使豌豆球蛋白与豌豆球蛋白之间、豌豆球蛋白与海藻酸钠和氯化钙之间发生相互作用，从而形成综合性能优异的双网络交联膜，具体指：豌豆球蛋白与豌豆球蛋白通过二硫键彼此连接，在此基础上，豌豆球蛋白上的氨基酸残基又与海藻酸钠通过氢键和离子键进一步连接，后来又发现在ca
2+
的螯合作用下使海藻酸钠的分子链结合更加紧密，通过上述彼此之间的互相连接，有利于豌豆蛋白不溶物的成膜过程。
17.在本发明中，双网络交联膜指的是蛋白膜间存在着双网络结构，具体指：1)脱酰胺化后，豌豆蛋白不溶物中各种豌豆球蛋白间的网络结构；2)加入海藻酸钠和氯化钙后，海藻酸钠与豌豆蛋白不溶物的相互作用形成的网络结构。
18.所述制备方法中采用两步交联技术，首先利用盐酸在加热条件下对豌豆蛋白不溶物进行脱酰胺化处理，使本来不具备成膜性的豌豆蛋白不溶物暴露交联位点，具有一定成膜性，然后将脱酰胺产物通过海藻酸钠与氯化钙的交联反应，在ca
2+
的螯合作用下使海藻酸钠的分子链结合更加紧密，协同豌豆球蛋白成膜作用更强，链链间的相互作用最终导致三维网格结构，即凝胶状态的形成，改善了蛋白膜的拉伸强度、透明度和耐水性，从而极大地提高了蛋白膜的综合性能。
19.两步交联技术的原理在于，首先在第一阶段，通过盐酸脱酰胺法脱去豌豆球蛋白的谷氨酰胺和天冬酰胺残基侧链氨基，使其转化为谷氨酸和天冬氨酸。在酸性条件下，酰胺的羰基氧首先被酸质子化，共轭碱(a-或oh-)作为亲核试剂攻击或通过结合质子激活另一个亲核试剂去进攻，形成不稳定四面体中间体，经过质子转移后，氨基团从四面体中间体中离去，完成水解反应。另外，氨基末端的谷氨酰胺和羧基末端的天冬酰胺存在两种特殊的脱酰
胺方式。末端的谷氨酰胺易与自身末端氨基环化形成吡咯烷酮羧酸，释放出氨。末端的天冬酰胺可通过与自身末端羧基环化形成酸酐，释放氨，反应方程式如下：
[0020][0021]
其次，在第二阶段，加入海藻酸钠后，其中的羟基和羧基是以游离态存在的，与无水氯化钙接触后，ca
2+
和海藻酸钠生成一个完全相容稳定的交联网络结构，使得膜的阻隔性显著提高，其反应方程式如下：
[0022]
naalg+cacl2→
caalg+nacl
[0023]
该方法解决了豌豆蛋白不溶性部分沦为废弃物和饲料等应用受限的问题，为食品包装和可食用膜等领域提供技术指导。
[0024]
进一步，所述豌豆蛋白为市售产品，纯度为80％，配制所述豌豆蛋白水溶液的质量浓度为10％。
[0025]
进一步，所述离心的转速为4000-8000r/min，所述离心的时间为10-15min；优选地，所述离心的转速为4000r/min，所述离心的时间为10min。
[0026]
进一步，所述豌豆蛋白不溶物与盐酸溶液的体积比为1:1-1.5。
[0027]
进一步，所述盐酸溶液浓度为0.2-0.3mol/l；优选地，所述盐酸溶液浓度为0.3mol/l。
[0028]
进一步，所述脱酰胺化的反应温度为50-70℃，反应时间为60-90min。
[0029]
进一步，所述脱酰胺产物和海藻酸钠溶液的体积比为1:2-2.5；优选地，所述脱酰胺产物和海藻酸钠溶液的体积比为1:2。
[0030]
进一步，所述海藻酸钠溶液的质量浓度为0.9-1.1％。
[0031]
进一步，混合液中甘油的质量浓度为23-27％。
[0032]
进一步，所述水合反应的温度为60-80℃，所述水合反应的时间为30-60min。
[0033]
进一步，涂板后干燥的时间为20-24h。
[0034]
进一步，所述成膜液和氯化钙溶液的体积比为1.5-2.5:1。
[0035]
进一步，所述氯化钙溶液的质量浓度为0.6-0.8％。
[0036]
进一步，所述交联的时间为10-20s。
[0037]
进一步，在脱酰胺化处理后还包括用碱性溶液终止脱酰胺反应；优选地，用碱性溶液调节ph至9-10以终止脱酰胺反应。
[0038]
为实现以上第二个目的，本发明所采用的技术方案包括：
[0039]
本发明公开一种可食用的双网络交联膜，所述双网络交联膜采用如上所述的制备方法制备得到。
[0040]
为实现以上第三个目的，本发明所采用的技术方案包括：
[0041]
本发明公开一种利用如上所述的双网络交联膜在制备可食用蛋白膜食品中的应用。
[0042]
进一步，所述可食用蛋白膜食品包括但不限于肠粉、米肠、春卷、春饼或水晶蔬菜卷。
[0043]
本发明有益效果：
[0044]
本发明提供一种可食用的双网络交联膜，制备及其应用。该制备方法操作简便，反应条件温和，所述方法是以豌豆蛋白不溶物为原料，在酸脱酰胺化处理以及海藻酸钠、氯化钙的交联作用下，得到了一种透明度高、机械强度大、耐水性好的可食用的双网络交联膜，克服了现有技术中存在的豌豆蛋白不溶物难以成膜的问题。
[0045]
本发明制备的双网络交联膜拉伸强度在8.54mpa以上，透明度在70.70％以上，蒸煮损失率在12.20％以下，水溶解分散性在26.87％以下，置于水中24h以上仍能保持较高的完整性和韧性，同时保留了原料中丰富的营养价值。
[0046]
本发明制备的双网络交联膜可用于制备多种可食用蛋白膜食品，例如肠粉、米肠、春卷、春饼和水晶蔬菜卷等等，可耐受蒸煮、水煮、台烤、油炸等多种后期食品制作环节。
附图说明
[0047]
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
[0048]
图1示出实施例1、对比例1、对比例2和对比例3制备的样品的机械性能对比图。
[0049]
图2示出对比例1(a)、对比例2(b)、对比例3(c)和实施例1(d)制备的样品在水中分散0h后的状态以及对比例1(a)、对比例2(b)、对比例3(c)和实施例1(d)制备的样品在水中分散24h后的状态。
具体实施方式
[0050]
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。应当明确，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0051]
实施例1
[0052]
本实施例提供了一种制备可食用的双网络交联膜的方法，具体如下：
[0053]
将豌豆蛋白加入水中，制备成浓度为10wt％的豌豆蛋白水溶液，将浓度为10wt％的豌豆蛋白水溶液磁力搅拌30min，使其充分分散，在4000r/min离心10min后收集沉淀，即得到豌豆蛋白不溶物；
[0054]
向30ml豌豆蛋白不溶物中加入30ml0.3mol/l的盐酸溶液，磁力搅拌10min后，在60℃，水浴加热为90min进行脱酰胺化处理，然后用3mol/l naoh溶液调ph至9-10使脱酰胺化反应终止，得到脱酰胺产物；
[0055]
将脱酰胺产物与浓度为1wt％的海藻酸钠溶液按体积比1:2进行混合，得到的混合液中加入甘油，使混合液中甘油的浓度控制在27wt％，然后进行充分水合，其中，所述水合反应的温度为80℃，所述水合反应的时间为30min，水合反应结束后制得成膜液；
[0056]
将40ml成膜液倒入200
×
100
×
5mm3的亚克力容器中，室温下通风放置24h，然后在形成的膜上滴涂20ml浓度为0.7wt％的氯化钙溶液进行交联，交联时间为15s，将交联后的膜放置在室温下的阴凉处通风干燥12h，即得。
[0057]
对比例1
[0058]
将豌豆蛋白加入水中，制备成浓度为10wt％的豌豆蛋白水溶液，将浓度为10wt％的豌豆蛋白水溶液磁力搅拌30min，使其充分分散，在4000r/min离心10min后收集沉淀，即得到豌豆蛋白不溶物；
[0059]
将豌豆蛋白不溶物与水按体积比1:2进行混合，得到的混合液中再加入甘油，使混合液中甘油的浓度控制在27wt％，然后进行充分水合，其中，所述水合反应的温度为80℃，所述水合反应的时间为30min，水合反应结束后制得成膜液；
[0060]
将40ml成膜液倒入200
×
100
×
5mm3的亚克力容器中，室温下通风放置24h，即得。
[0061]
对比例2
[0062]
将豌豆蛋白加入水中，制备成浓度为10wt％的豌豆蛋白水溶液，将浓度为10wt％的豌豆蛋白水溶液磁力搅拌30min，使其充分分散，在4000r/min离心10min后收集沉淀，即得到豌豆蛋白不溶物；
[0063]
将豌豆蛋白不溶物与浓度为1wt％的海藻酸钠溶液按体积比1:2进行混合，得到的混合液中再加入甘油，使混合液中甘油的浓度控制在27wt％，然后进行充分水合，其中，所述水合反应的温度为80℃，所述水合反应的时间为30min，水合反应结束后制得成膜液；
[0064]
将40ml成膜液倒入200
×
100
×
5mm3的亚克力容器中，室温下通风放置24h，即得。
[0065]
对比例3
[0066]
将豌豆蛋白加入水中，制备成浓度为10wt％的豌豆蛋白水溶液，将浓度为10wt％的豌豆蛋白水溶液磁力搅拌30min，使其充分分散，在4000r/min离心10min后收集沉淀，即得到豌豆蛋白不溶物；
[0067]
向30ml的豌豆蛋白不溶物中加入30ml0.3mol/l的盐酸溶液，磁力搅拌10min后，在60℃，水浴加热为90min进行脱酰胺化处理，然后用3mol/l naoh溶液调ph至9-10使脱酰胺化反应终止，得到脱酰胺产物；
[0068]
将脱酰胺产物与浓度为1wt％的海藻酸钠溶液按体积比1:2进行混合，得到的混合液中再加入甘油，使混合液中甘油的浓度控制在27wt％，然后进行充分水合，其中，所述水合反应的温度为80℃，所述水合反应的时间为30min，水合反应结束后制得成膜液；
[0069]
将40ml成膜液倒入200
×
100
×
5mm3的亚克力容器中，室温下通风放置24h，即得。
[0070]
试验例1
[0071]
将实施例1、对比例1、对比例2和对比例3各组制备的样品进行性能测试，具体结果参见表1。
[0072]
测试方法汇总如下：
[0073]
透明度；将待测样品膜按照比色皿大小裁成横条，贴在比色皿表面，以空白比色皿为对照，于600nm波长条件下测定其透明度。
[0074]
水溶解性：将待测样品膜放在干燥器中一个星期后，记录初始质量w1，将样品置于50ml蒸馏水中，24h后取出，置于105℃的烘箱中干燥至恒重，称取质量为w2。通过以下方程计算膜的水溶解性：溶解性＝(w
1-w2)/w1×
100％。
[0075]
蒸煮损失率：将待测样品膜放在干燥器中一个星期后，记录初始质量w1，将样品膜在沸水中浸泡3min后取出，置于105℃的烘箱中干燥至恒重，称取质量为w2。通过以下方程计算膜的蒸煮损失率：蒸煮损失率＝(w
1-w2)/w1×
100％。
[0076]
水蒸气透过率：根据gb 1037-1988法，采用拟杯子法，将待测样品膜裁成直径25mm的圆片，测量膜厚度，然后用封口膜密封在锥形瓶瓶口处，锥形瓶中放入4g无水氯化钙，置于相对湿度为80％的干燥器中，温度为25℃，每隔24h测试杯子中的质量。
[0077]
计算公式如下：wvp＝
△m×
l
×
t
×△
p/a。
[0078]
式中：wvp-水蒸气透过系数(g
·
mm)/(m2·d·
kpa)；
△
m-水蒸气迁移量(g)；a-膜的面积(mm2)；t-测定时间(h)；l-膜厚(mm)；
△
p-膜两侧的水蒸气压差(kpa)。
[0079]
注：纯水在25℃时的饱和蒸气压为3.1671kpa。
[0080]
拉伸强度：将待测样品膜裁成10
×
50mm的标准试样，在仪器上做抗拉试验，每个试验做3个平行样品，取算术平均值。测定前先将试样在室温25℃、相对湿度50％的环境下平衡48h。拉伸强度以ts表示，计算公式如下：ts＝p/(b
×
d)，式中：ts-拉伸强度(mpa)；p-最大负荷(mm)；b-试样宽度(mm)；d-试样厚度(mm)。
[0081]
表1
[0082][0083]
如上表所示，水溶解性由56.82％下降到26.87％；透明度由59.90％提高到70.70％；蒸煮损失率由22.60％降低到12.20％；拉伸强度由5.37mpa提高到8.54mpa。可以发现采用本发明方法制备的双网络交联膜在透明度、水溶解性、蒸煮损失率、水蒸气透过率和拉伸强度方面均有明显改善，说明在ca
2+
的螯合作用下，海藻酸钠的分子链结合更加紧密，协同豌豆球蛋白成膜作用更强，链链间的相互作用最终导致三维网格结构，即凝胶状态的形成，从而极大地提高了蛋白膜的综合性能。
[0084]
试验例2
[0085]
将实施例1、对比例1、对比例2和对比例3各组制备的样品置于清水中24h，参见图2，发现只有实施例1能始终保持较好的透明度和完整性，说明本发明制备的双网络交联膜可以在水中稳定保持24h以上，对比例1和对比例2制备的样品存在不同程度的破碎分解，完整性下降明显，而对比例3的样品无法透明度低，因此对比例1-3的样品均无法满足作为可食用膜的使用要求。
[0086]
试验例3
[0087]
将实施例1的豌豆蛋白不溶物和脱酰胺产物进行氨基酸含量分析，结果如表2所示，不难发现，脱酰胺处理后保持了原有豌豆蛋白不溶物中所含的15种氨基酸，在天冬氨酸、苏氨酸、甲硫氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、组氨酸、亮氨酸、甘氨酸这8种氨基酸含量上具有不同程度的提升，尤其在甘氨酸方面提升85.4％，并且在必需氨基酸与总氨基酸的比例上略有提升，说明脱酰胺产物后制备的产品在营养价值方面有所提高。
[0088]
表2
[0089]
氨基酸豌豆蛋白不溶物(％)脱酰胺产物(％)天冬氨酸(asp)9.9110.32苏氨酸*(thr)3.423.67丝氨酸(ser)4.924.91谷氨酸(glu)14.5814.20缬氨酸*(val)6.636.01甲硫氨酸*(met)3.033.27异亮氨酸*(ile)6.376.76酪氨酸(tyr)7.687.49苯丙氨酸*(phe)5.345.45组氨酸*(his)2.182.43赖氨酸*(lys)7.587.46亮氨酸*(leu)9.7910.02半胱氨酸(cys)0.370.28甘氨酸(gly)3.787.01精氨酸(arg)7.456.88必需氨基酸/总氨基酸44.5945.08
[0090]
注：带*的为必需氨基酸
[0091]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

技术特征：
1.一种可食用的双网络交联膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：向豌豆蛋白不溶物中加入盐酸进行脱酰胺化处理，得到脱酰胺产物；将海藻酸钠溶液与脱酰胺产物混合，得到的混合液中加入甘油进行水合反应，反应结束后制得成膜液；将成膜液涂板、晾干后，用氯化钙溶液滴涂进行交联，干燥后即得；其中，所述豌豆蛋白不溶物通过如下方法提取得到：将豌豆蛋白分散在水中得到豌豆蛋白水溶液，离心，过滤，得到豌豆蛋白不溶物。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述离心的转速为4000-8000r/min，所述离心的时间为10-15min。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述豌豆蛋白不溶物与盐酸的体积比为1:1-1.5；优选地，所述盐酸的浓度为0.2-0.3mol/l；优选地，所述脱酰胺化的反应温度为50-70℃，反应时间为60-90min。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述脱酰胺产物和海藻酸钠溶液的体积比为1:2-2.5；优选地，所述海藻酸钠溶液的质量浓度为0.9-1.1％；优选地，混合液中甘油的质量浓度为23-27％；优选地，所述水合反应的温度为60-80℃，所述水合反应的时间为30-60min。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，涂板后干燥的时间为20-24h。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述成膜液和氯化钙溶液的体积比为1.5-2.5:1；优选地，所述氯化钙溶液的质量浓度为0.6-0.8％；优选地，所述交联的时间为10-20s。7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在脱酰胺化处理后还包括用碱液终止脱酰胺反应；优选地，用碱液调节体系ph至9-10以终止脱酰胺反应。8.一种可食用的双网络交联膜，其特征在于，所述双网络交联膜采用如权利要求1-7任一项所述的制备方法制备得到。9.如权利要求8所述的双网络交联膜在制备可食用蛋白膜食品中的应用。10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述可食用蛋白膜食品包括肠粉、米肠、春卷、春饼或水晶蔬菜卷。

技术总结
本发明提供一种可食用的双网络交联膜，制备及其应用。所述双网络交联膜的制备方法包括：向豌豆蛋白不溶物中加入盐酸进行脱酰胺化处理，得到脱酰胺产物；将海藻酸钠溶液与脱酰胺产物混合，得到的混合液中加入甘油进行水合反应，反应结束后制得成膜液；将成膜液涂板、晾干后，用氯化钙溶液滴涂进行交联，干燥后即得；其中，所述豌豆蛋白不溶物通过如下方法提取得到：将豌豆蛋白分散在水中得到豌豆蛋白水溶液，离心，过滤，得到豌豆蛋白不溶物。该制备方法操作简便，反应条件温和，得到的双网络交联膜具有较好的拉伸强度、透明度和耐水性，有效提高了传统豌豆蛋白膜的综合性能。提高了传统豌豆蛋白膜的综合性能。提高了传统豌豆蛋白膜的综合性能。


技术研发人员：陈桂芸 曲子涵 许舜滢 陈野
受保护的技术使用者：天津科技大学
技术研发日：2023.06.09
技术公布日：2023/9/14