谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶改性大豆蛋白聚乙烯醇復(fù)合薄膜性能研究

1、谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶改性大豆蛋白/聚乙烯醇復(fù)合薄膜性能研究摘要：本論文以大豆蛋白和聚乙烯醇為基本成膜物質(zhì)，并利用谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶（谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶）對(duì)大豆蛋白進(jìn)行改性處理，通過(guò)單因素試驗(yàn)研究了谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶濃度、成膜溫度和膜液pH值對(duì)薄膜性能的影響，確定了最佳成膜工藝。試驗(yàn)表明：谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶濃度為1.5%、成膜溫度為40、膜液pH值為10時(shí)，所得的薄膜不僅外觀表現(xiàn)良好，且透光率好、機(jī)械強(qiáng)度高。關(guān)鍵詞：大豆蛋白；聚乙烯醇；谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶；薄膜性能；performance of Soybean protein/PVA Composite Thin Film ResearchAbstract：This pa

2、per focuses on soybean protein and polyvinyl alcohol is the basic film-forming substances and use TG-B enzymes as modification of soy protein, through single-factor test such as TG-B enzyme concentration, film-forming temperature and pH, to ensure the best technology parameters. Experiments show tha

3、t: with TG- enzyme concentration of 1.5 %, film forming temperature of 40 and polyvinyl alcohol adjust pH for about ten, the biodegradable film received was not only a good appearance of membrane, but also have good light transmittance and high mechanical strength.Key Words：Soy protein; polyving ako

4、hol; Transglutaminase; Film properties 1 引言高分子酚醛樹脂的出現(xiàn)，標(biāo)志著人類應(yīng)用合成高分子材料的開始?，F(xiàn)在，高分子材料已滲透到人們生活的各個(gè)領(lǐng)域，成為科學(xué)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的重要材料。塑料、橡膠和纖維制品是現(xiàn)代生產(chǎn)、生活中不可缺少的高分子材料，這些材料的蓬勃發(fā)展及其在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用推動(dòng)了社會(huì)的發(fā)展1。塑料制品因具有質(zhì)輕、防水、耐用、生產(chǎn)技術(shù)成熟、成本低的優(yōu)點(diǎn)，在全世界被廣泛應(yīng)用且呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)。石油基塑料包裝材料自問(wèn)世以來(lái)，給人們生活帶來(lái)了很多便利，但是其廢棄后不可降解，形成白色垃圾，嚴(yán)重污染了環(huán)境2。所謂白色污染是人們對(duì)難降解的塑料垃圾(多指塑料袋

5、)污染環(huán)境現(xiàn)象的一種形象稱謂。它是指用聚苯乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等高分子化合物制成的各類生活塑料制品使用后被棄置成為固體廢物，由于隨意亂丟亂扔，難于降解處理，以致造成城市環(huán)境嚴(yán)重污染的現(xiàn)象。丟棄在環(huán)境中的石油基塑料常常引起動(dòng)物誤食，并造成土壤環(huán)境惡化。塑料制品在食品行業(yè)中廣泛使用，高溫下塑料中的增塑劑、穩(wěn)定劑、抗氧化劑等助劑將滲入到食物中，會(huì)對(duì)人的肝臟、腎臟及中樞神經(jīng)系統(tǒng)造成損害。塑料的大量使用必然會(huì)帶來(lái)如何處理廢棄塑料的難題。傳統(tǒng)的塑料處理方法主要包括直接填埋、焚燒、高溫?zé)捰偷确椒ā＿@些處理方法不僅對(duì)環(huán)境造成破壞，同時(shí)也對(duì)人類健康構(gòu)成巨大威脅。另一方面，石油能源終究有限，不可能取之不盡，用之

6、不竭，以石油為原材料的塑料包裝材料的生產(chǎn)將會(huì)受到極大限制。為減少白色污染并緩解石油資源壓力，研究者把目光轉(zhuǎn)向了可食性和可生物降解包裝材料，如多糖膜3、蛋白膜4-5、脂質(zhì)膜、合成可降解高分子薄膜（如聚羥基丁酯膜、聚乳酸6、聚乙烯醇膜等）及復(fù)合薄膜。 大豆是一年生草本植物，蝶形花科，大豆屬，別名黃豆。大豆在我國(guó)已有4000 年左右的栽培歷史。大豆的主要組分是油脂、蛋白質(zhì)、碳水化合物、粗纖維和水分。大豆蛋白質(zhì)是大豆的主要組分，在大豆細(xì)胞內(nèi)，蛋白質(zhì)主要是以直徑為 5m20m 的球狀體存在7。大豆中蛋白質(zhì)的含量高達(dá)40，是一種十分豐富的蛋白質(zhì)資源。開發(fā)植物蛋白質(zhì)，特別是大豆蛋白的新用途成為一個(gè)最具吸引力

7、的、新的研究領(lǐng)域。以大豆蛋白為原料制成的薄膜具有良好的阻氧性和較好的阻止二氧化碳遷移的能力，透氧率比玉米蛋白膜和面筋蛋白膜低72%85%，比多糖基質(zhì)膜低200倍左右，且具有良好的彈性、韌性和較高的抗拉強(qiáng)度。同時(shí)，它還有一定的防潮性和抗菌消毒能力，適于食品包裝 ,尤其對(duì)含油脂較高的食品，能保持其優(yōu)良風(fēng)味，并具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，可用于水果和肉制品的涂膜保鮮及可降解包裝等。研究表明，改性可以有效提高蛋白質(zhì)的功能性質(zhì)8,9，主要包括物理改性、化學(xué)改性和酶法改性10。谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶（谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶）又稱轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶，系統(tǒng)名稱為蛋白質(zhì)-谷氨酸-谷氨酰胺基轉(zhuǎn)移酶（EC2.3.2.13，谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨ase），

8、是一種催化酰基轉(zhuǎn)移反應(yīng)的轉(zhuǎn)移酶，能催化蛋白質(zhì)分子內(nèi)或分子間的交聯(lián)、蛋白質(zhì)和氨基酸之間的連接以及蛋白質(zhì)分子內(nèi)谷氨酰胺基的水解，從而改善蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能特性。谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶由331個(gè)氨基組成的具有活性中心的單體蛋白質(zhì)酰基轉(zhuǎn)移酶。谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶的作用原理是在蛋白質(zhì)之間架橋生成 -（- 谷氨?；┵嚢彼岙愲逆I，從而催化蛋白質(zhì)或多肽分子間形成共價(jià)交聯(lián)及蛋白質(zhì)分子內(nèi)谷氨酰胺基的水解，形成分子內(nèi)和分子間的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改善蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能特性甚至帶來(lái)新的功能11。 聚乙烯醇是一種水溶性高聚物，具有良好的成膜性。由它制備的薄膜具有優(yōu)異的阻氧性、阻油性、耐磨性、抗撕裂性、透明性、抗靜電性、印刷性、耐化學(xué)腐蝕

9、性和溶劑選擇性等，并在一定條件下具有水溶性和可生物降解性。且聚乙烯醇結(jié)構(gòu)與蛋白質(zhì)有一定的相似性，分子中含有多個(gè)游離的羥基。蛋白質(zhì)和聚乙烯醇本身都可以降解，聚乙烯醇易溶于熱水，與蛋白質(zhì)在溶液狀態(tài)下容易共混均勻。兩者共混是制備兼具良好使用性能與可生物降解的材料的有效途徑之一。但是，由于大豆分離蛋白含有較多的親水基團(tuán)，由其形成的薄膜親水性較高且薄膜遇水后機(jī)械性能降低，影響其使用。為改善大豆蛋白/聚乙烯醇復(fù)合薄膜的各項(xiàng)性能，本試驗(yàn)分別以谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶濃度、成膜溫度和膜液pH為單因素變量，通過(guò)對(duì)薄膜透光率、抗張強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、吸水率的測(cè)定來(lái)確定最佳成膜工藝。并為實(shí)際應(yīng)用來(lái)提供理論依據(jù)和試驗(yàn)依據(jù)。2 試驗(yàn)材

10、料與方法2.1 試驗(yàn)材料表1 試驗(yàn)材料和藥品名稱規(guī)格生產(chǎn)廠家大豆蛋白無(wú)水乙醇聚乙烯醇甘油玻璃板谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨-B酶70%分析純聚合度為1750±50分析純光滑無(wú)市售天津市標(biāo)準(zhǔn)科技有限公司天津市標(biāo)準(zhǔn)科技有限公司天津市天大化工試驗(yàn)廠 自制2.2 儀器與設(shè)備表2 試驗(yàn)器材名稱生產(chǎn)廠家HH-2數(shù)顯恒溫水浴鍋JJ-1精密增力電動(dòng)攪拌器SHD-循環(huán)水式多用真空泵WFJ2-2000型可見分光光度計(jì)ALC2104電子天平GZX9140MBE數(shù)字鼓風(fēng)干燥箱ZH-4紙與紙板厚度測(cè)定儀ZL-300A紙與紙板抗張強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)智能電子拉力機(jī)ph Meter pHS-2C微機(jī)型pH計(jì)微量滴定管常州國(guó)華電器有限公司常

11、州國(guó)華電器有限公司保定高新區(qū)陽(yáng)光科教儀器廠上海優(yōu)尼科儀器有限公司上海鳳凰光學(xué)科儀有限公司上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠長(zhǎng)春市紙張?jiān)囼?yàn)機(jī)廠長(zhǎng)春市紙張?jiān)囼?yàn)機(jī)廠濟(jì)南蘭光項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)室上?？祪x儀器有限公司保定高新區(qū)陽(yáng)光科教儀器廠2.3 試驗(yàn)方法2.3.1 制備谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶改性大豆蛋白/聚乙烯醇復(fù)合薄膜的工藝流程 圖1 工藝流程圖2.3.2 薄膜性能的測(cè)試2.3.2.1 膜厚度的測(cè)定用ZH-4紙與紙板厚度測(cè)定儀在待測(cè)膜上隨機(jī)測(cè)8點(diǎn)，取平均值。膜厚度一般為0.05-0.10 。2.3.2.2 透光率的測(cè)定將待測(cè)樣品裁切成長(zhǎng)150mm、寬12mm的矩形長(zhǎng)條五條，貼于比色皿表面，在650nm下測(cè)定其透光率。以空

12、比色皿作對(duì)照，用透光率大小間接表示膜透明度。2.3.2.3 抗拉強(qiáng)度（TS）的測(cè)定將膜裁切成長(zhǎng)150mm、寬15mm的長(zhǎng)條橫豎各兩條，用抗拉強(qiáng)度測(cè)定儀測(cè)定，拉伸速度為300，記錄膜破裂時(shí)的抗拉力，再根據(jù)下式計(jì)算抗拉強(qiáng)度： (1) 抗張強(qiáng)度（Mpa）； 試樣斷裂時(shí)承受的最大張力（N）； 試樣的截面積（m2）2.3.2.4 膜伸長(zhǎng)率的測(cè)定將膜裁切成長(zhǎng)150mm、寬15mm的長(zhǎng)條橫豎各兩條，用抗拉強(qiáng)度測(cè)定儀測(cè)定，拉伸速度300，記錄膜破裂時(shí)的膜長(zhǎng)，再根據(jù)以下公式計(jì)算拉伸率： (2)伸長(zhǎng)率試樣斷裂時(shí)膜長(zhǎng)膜原長(zhǎng)2.3.2.5 吸水率的測(cè)定按國(guó)標(biāo)GB-1034-70標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。取10cm*10cm的方塊

13、薄膜兩個(gè)，于105下烘干至恒重（W0）,記錄數(shù)據(jù)，然后置于室溫下的蒸餾水中，定期取出，用濾紙吸干表面水分，稱重（W1）,計(jì)算吸水率，每個(gè)樣品取2塊膜為一組，取平均值。 吸水率（%）= * (3) 2.3.2.6 薄膜性能綜合評(píng)分原則在本試驗(yàn)中需要綜合考慮多個(gè)物理指標(biāo)來(lái)對(duì)大豆蛋白/聚乙烯醇薄膜的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，所以在此采用了模糊綜合評(píng)價(jià)法，即通過(guò)引入隸屬度函數(shù)：X(u)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin) (正效應(yīng))X(u)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)(負(fù)效應(yīng)) 式中 X(u)待分析點(diǎn)的隸屬度函數(shù)值；Xi待分析點(diǎn)的數(shù)據(jù)值；Xmax待分析點(diǎn)所在數(shù)據(jù)列的最大值；Xmin待分

14、析點(diǎn)所在數(shù)據(jù)列的最小值。將膜的多個(gè)性能指標(biāo)經(jīng)過(guò)模糊變換成綜合評(píng)價(jià)的累加加權(quán)隸屬度值X(u)·Y。本試驗(yàn)中需要考慮的物理性能指標(biāo)有拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、透光率和吸水率，考慮各指標(biāo)的重要程度，確定綜合評(píng)價(jià)的權(quán)重子集Y 為0.4，0.3，0.1，0.2。3 試驗(yàn)分析與結(jié)果3.1 谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶濃度對(duì)大豆蛋白/聚乙烯醇復(fù)合薄膜性能的影響 本試驗(yàn)分別將谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶濃度設(shè)定為0、0.5%、1%、1.5%、2%，按照?qǐng)D1的工藝流程進(jìn)行。3.1.1 谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶濃度對(duì)薄膜透光率的影響圖2 谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶濃度對(duì)大豆蛋白/聚乙烯醇復(fù)合薄膜透光率的影響由圖2可以看出，隨著酶濃度的增加，曲線先上升，到達(dá)

15、峰值后又呈下降的趨勢(shì)，而峰值點(diǎn)在谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨濃度為1.5%左右。此時(shí)，薄膜的透光率達(dá)到最大值，透光效果最好。研究表明，用不同濃度的谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶對(duì)大豆蛋白進(jìn)行改性，大豆蛋白膜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可能明顯不同，在等電點(diǎn)附近蛋白質(zhì)會(huì)發(fā)生聚沉。曲線一開始呈上升趨勢(shì)是因?yàn)榈兔笣舛鹊臈l件下，谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶誘導(dǎo)大豆蛋白膜共價(jià)交聯(lián)產(chǎn)生比未加谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶薄膜致密的結(jié)構(gòu)。而后曲線又呈下降趨勢(shì)是因?yàn)楦呙笣舛葎t使蛋白質(zhì)聚沉，從而形成不緊密和不均一的結(jié)構(gòu)，因此可溶性物質(zhì)會(huì)在高酶濃度改性的蛋白膜中露出，所以當(dāng)酶濃度高于0.15%時(shí)，透光率曲線反而下降。3.1.2 谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶濃度對(duì)薄膜抗張強(qiáng)度的影響圖3 谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶濃度對(duì)

16、大豆蛋白/聚乙烯醇復(fù)合薄膜抗張強(qiáng)度的影響由圖3可以看出，曲線先下降，到達(dá)最低點(diǎn)后上升，而后達(dá)到峰值，之后又呈下降趨勢(shì)。最低點(diǎn)在谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶濃度為0.5%左右,峰值在谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶濃度為1.5%左右。谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶改性的大豆蛋白膜抗拉強(qiáng)度很大程度上依賴于所使用的酶濃度。與未加入谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶的薄膜對(duì)比，低濃度谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶改性顯著增加了大豆蛋白膜的機(jī)械性能，而高濃度的谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶又會(huì)降低薄膜的機(jī)械性能。這個(gè)結(jié)果表明將谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶濃度保持在一定范圍內(nèi)時(shí)酶誘導(dǎo)產(chǎn)生的交聯(lián)能提高大豆蛋白膜的機(jī)械特性。3.1.3 谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶濃度對(duì)薄膜伸長(zhǎng)率的影響圖4 谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶濃度對(duì)大豆蛋白/聚乙烯醇復(fù)合薄

17、膜伸長(zhǎng)率的影響由圖4可以看出，曲線的走勢(shì)和酶濃度對(duì)抗張強(qiáng)度的影響相似。要使薄膜得到最佳伸長(zhǎng)率，谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶濃度要控制在1.5%左右。3.1.4 谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶濃度對(duì)薄膜吸水率的影響圖5 谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶濃度對(duì)大豆蛋白/聚乙烯醇復(fù)合薄膜吸水率的影響由圖5可以看出，曲線呈向下降后上升然后再下降的趨勢(shì)。在谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶濃度為0.5%時(shí)，吸水率達(dá)到一個(gè)極小值，在谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶濃度為1%時(shí)達(dá)到峰值。而后隨著谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶濃度的增加，吸水率逐漸降低。這是因?yàn)楦邼舛让甘勾蠖沟鞍状蠓肿咏饩蹫樾》肿?，?shí)驗(yàn)過(guò)程中可以清晰的看到，隨著酶濃度的逐漸增大，膜液逐漸變稀，并出現(xiàn)大量白色聚沉顆粒，所成薄膜并不均勻。此時(shí)，大

18、豆蛋白含量很低，主要成膜物質(zhì)為聚乙烯醇，故其吸水率很低。蛋白質(zhì)的濃度對(duì)大豆蛋白薄膜的吸水率有較大的影響，成膜材料本身的性質(zhì)決定了膜的阻水性能。蛋白質(zhì)本身為親水性大分子，含有較多的羥基等沁水性基團(tuán)，水分較容易與大豆蛋白分子結(jié)合。提高蛋白質(zhì)濃度，大豆蛋白膜中的親水基團(tuán)含量增加，水分吸附及在膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)中遷移的速率加快。谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶改性促交聯(lián)顯著提高了大豆蛋白膜的表面疏水性，且增加的程度直接與谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶的交聯(lián)反應(yīng)有關(guān)，這可能是由于谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶改性使蛋白質(zhì)中更多的疏水核心或基團(tuán)暴露出來(lái)的緣故。當(dāng)谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶濃度為0.5%時(shí)達(dá)到最低，極可能是因?yàn)楣劝滨０忿D(zhuǎn)氨酶誘導(dǎo)的聚集或聚沉現(xiàn)象的出現(xiàn)造成的。隨

19、著酶濃度的增加，吸水率曲線逐漸下降，也與谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶改性的大豆蛋白膜的表面疏水性隨著酶濃度的增加而逐漸上升相一致，這可能是由于谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶誘導(dǎo)大豆蛋白聚沉導(dǎo)致原先埋藏在大豆蛋白質(zhì)內(nèi)部的疏水基團(tuán)暴露出來(lái)所致。因此，適當(dāng)提高谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶濃度可以降低薄膜的吸水率，但是谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶濃度太高，成膜物質(zhì)中只剩聚乙烯醇，就失去了研究的意義。3.1.5 TG酶濃度對(duì)薄膜性能影響的綜合評(píng)分圖6 谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶濃度對(duì)大豆蛋白/聚乙烯醇復(fù)合薄膜性能綜合評(píng)分的影響由圖6可以看出，谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶濃度為0.15%時(shí)薄膜綜合性能最佳。雖然此時(shí)薄膜阻水性能稍差，但綜合考慮各方面因素，薄膜最佳酶濃度依舊為0.15%。谷

20、氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶用量的變化直接影響氧化大豆蛋白薄膜的力學(xué)性能，因?yàn)殡S著谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶用量的增大，促進(jìn)了大豆蛋白質(zhì)分子基的交聯(lián)，引起“稀釋”作用。另一方面谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶誘導(dǎo)的交聯(lián)使大豆蛋白中各種蛋白組分解聚，球蛋白中的大部分堿性亞基自我聚合或沉淀12。綜合各方面性能因素分析可知，當(dāng)谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶濃度為0.15%時(shí)復(fù)合薄膜綜合性能最佳。即復(fù)合薄膜最佳酶濃度為0.15%。3.2 成膜溫度對(duì)谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶改性大豆蛋白/聚乙烯醇復(fù)合薄膜性能的影響本次試驗(yàn)將成膜溫度設(shè)定為20、30、40、50、60、70，并按照?qǐng)D1的工藝流程進(jìn)行。3.2.1 成膜溫度對(duì)薄膜透光率的影響圖7 成膜溫度對(duì)大豆蛋白/聚乙烯醇復(fù)合薄

21、膜透光率的影響由圖7可以看出，隨著成膜溫度的增加，薄膜透光率曲線在開始時(shí)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，達(dá)到峰值后，又呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。峰值出現(xiàn)在40左右。 需要指出的是，在薄膜成型的過(guò)程中，由于原料樹脂熔體流動(dòng)性的差異，成膜溫度對(duì)薄膜的透光率產(chǎn)生重要影響。溫度過(guò)低，樹脂不能充分塑化，成型的薄膜表面出現(xiàn)白霧狀的條紋，造成霧度增加，透光率下降；溫度過(guò)高，膜液流動(dòng)不穩(wěn)定，刮膜過(guò)程中出現(xiàn)廢品較多。3.2.2 成膜溫度對(duì)薄膜抗張強(qiáng)度的影響圖8 成膜溫度對(duì)大豆蛋白/聚乙烯醇復(fù)合薄膜抗張強(qiáng)度的影響由圖8可以看出，曲線呈先上升后下降的趨勢(shì)，在40左右出現(xiàn)峰值。此時(shí)，薄膜的抗張強(qiáng)度最大。薄膜在制備過(guò)程中，成膜溫度對(duì)薄膜的機(jī)械性能和

22、阻隔性會(huì)產(chǎn)生直接的影響。因?yàn)?，熱處理?huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性，不同的成膜溫度和時(shí)間會(huì)影響蛋白質(zhì)展開的程度，進(jìn)而影響蛋白質(zhì)交聯(lián)的強(qiáng)度和程度，使薄膜在宏觀上表現(xiàn)出功能性不同13-15。二硫鍵由兩個(gè)巰基形成，可以把肽鏈的不同區(qū)段牢固地連接在一起，形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而加強(qiáng)膜性能。隨加熱溫度升高，巰基數(shù)量逐漸增加，二硫鍵數(shù)量降低。這是由于加熱使蛋白質(zhì)發(fā)生變性，蛋白中原有的二硫鍵受熱分解形成巰基，因而在加熱后的成膜液中測(cè)得巰基的數(shù)量顯著升高，二硫鍵的形成主要是在干燥成膜的過(guò)程中進(jìn)行的。伴隨著水分的蒸發(fā)，成膜液中展開的蛋白質(zhì)分子首先通過(guò)疏水相互作用發(fā)生聚集，二硫鍵是隨著聚集過(guò)程中局部蛋白質(zhì)含量的增加而開始形成的

23、。因此，成膜液中含有的巰基數(shù)量越多，亦即熱處理過(guò)程中受熱分解的二硫鍵越多，在成膜過(guò)程中能夠重新形成更多分子間二硫鍵，形成更為致密緊湊的網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)，提高薄膜的機(jī)械強(qiáng)度。同時(shí)谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶的反應(yīng)活性受溫度的硬性很大，適當(dāng)提高反應(yīng)溫度可以增加酶的活性。但是，酶的化學(xué)本質(zhì)為蛋白質(zhì)，溫度過(guò)高可引起蛋白質(zhì)變性，導(dǎo)致酶失活。3.2.3 成膜溫度對(duì)薄膜伸長(zhǎng)率的影響圖9 成膜溫度對(duì)大豆蛋白/聚乙烯醇復(fù)合薄膜伸長(zhǎng)率的影響由圖9可以看出，成膜溫度對(duì)薄膜伸長(zhǎng)率的影響曲線與對(duì)抗張強(qiáng)度的影響曲線相近。薄膜的最佳伸長(zhǎng)率出現(xiàn)在成膜溫度為40附近。3.2.4 成膜溫度對(duì)薄膜吸水率的影響圖10 成膜溫度對(duì)大豆蛋白/聚乙烯醇復(fù)合

24、薄膜吸水率的影響由圖10可以看出，曲線先上升，在成膜溫度為50附近時(shí)達(dá)到峰值，然后隨著成膜溫度增加，吸水率又開始下降。 薄膜的吸水率隨著成膜溫度升高而略微降低，這表明適當(dāng)?shù)臒崽幚砟艽龠M(jìn)蛋白質(zhì)分子中的氫鍵和二硫鍵斷裂，結(jié)構(gòu)展開，疏水性基團(tuán)暴露出來(lái)，提高大豆蛋白疏水性，加強(qiáng)了分子間相互作用和二硫鍵重新分布，形成堅(jiān)固的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高其阻水性能。3.2.5 成膜溫度對(duì)薄膜性能影響的綜合評(píng)分圖11 成膜溫度對(duì)大豆蛋白/聚乙烯醇復(fù)合薄膜性能綜合評(píng)分的影響由圖11可以看出，成膜溫度在40時(shí)，薄膜的綜合性能最佳。雖然此時(shí)薄膜的吸水率仍然較高，但綜合考慮各方面因素，仍40作為最佳成膜溫度。3.3 膜液pH對(duì)谷氨

25、酰胺轉(zhuǎn)氨酶改性大豆蛋白/聚乙烯醇復(fù)合薄膜性能的影響本試驗(yàn)分別將pH值設(shè)定為4、5、6、7、8、9、10、11，按照?qǐng)D1的工藝流程進(jìn)行。3.3.1 膜液pH對(duì)薄膜透光率的影響圖12 膜液pH對(duì)大豆蛋白/聚乙烯醇復(fù)合薄膜吸水率的影響由圖12可以看出，曲線呈先上升后下降的趨勢(shì)，在組七pH=10處，透光率最大，透光效果最佳。膜液pH值對(duì)大豆蛋白的溶解和膜的形成具有重要作用。大豆蛋白中的氨基酸殘基含有帶正電荷的氨基正離子和帶負(fù)電荷的羧基負(fù)離子，在不同的pH條件下會(huì)顯示出不同極性的表面電荷，而蛋白質(zhì)的表面電荷對(duì)其溶解性影響很大。堿性條件下，隨著pH的升高大豆蛋白的溶解性逐漸增大，外觀上表現(xiàn)為膜的透光率增加

26、。 pH值過(guò)高時(shí)，谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶的穩(wěn)定性下降，大豆蛋白的溶解度降低，透光率隨之降低，因此曲線呈下降趨勢(shì)。3.3.2 膜液pH對(duì)薄膜抗張強(qiáng)度的影響 圖13 膜液pH對(duì)大豆蛋白/聚乙烯醇復(fù)合薄膜抗張強(qiáng)度的影響由圖13可以看出，曲線先下降，達(dá)到最低值后呈上升趨勢(shì)，隨著pH值得增加，薄膜抗張強(qiáng)度增加。最低值出現(xiàn)在pH=5處。膜液pH直接與蛋白溶解性、分子間構(gòu)象以及分子間相互作用有關(guān) ,因此成膜時(shí)的pH值對(duì)蛋白膜極其重要。大豆蛋白膜的成膜溶液呈酸性(pH在3 左右)時(shí) ,蛋白質(zhì)交聯(lián)適度 ,既能提高溶液中的分子量 ,增大分子間結(jié)合力 ,又不至于使膜微孔尺寸加大 ,水汽透性上升。Gennadios 和 Br

27、andenburg 等曾經(jīng)研究了pH值對(duì)大豆蛋白膜性能的影響 ,結(jié)果表明:pH值在 13 和 512 之間能成膜 ,在等電點(diǎn)附近 ,因蛋白質(zhì)溶解性差 ,難成膜;而pH值在512間形成的膜無(wú)論機(jī)械性能還是阻隔性能均優(yōu)于pH值在 13間形成的膜。不同的膜液pH，谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶的活力不同，谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶穩(wěn)定pH范圍是5.0-7.0，隨著pH的逐漸增加，谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶的活力逐漸增強(qiáng)，使蛋白質(zhì)大分子鏈在酶的作用下解聚成為小分子并形成小分子交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，故而膜的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率隨著pH的逐漸增大而逐漸下降。由于谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶在低于4.0或高于9.0時(shí)極不穩(wěn)定，故當(dāng)pH升至10.0時(shí)，酶活性急劇降低，使膜液

28、蛋白質(zhì)大分子間形成交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率曲線此時(shí)均呈現(xiàn)上升走勢(shì)。 3.3.3 膜液pH對(duì)薄膜伸長(zhǎng)率的影響圖14 膜液pH對(duì)大豆蛋白/聚乙烯醇復(fù)合薄膜伸長(zhǎng)率的影響由圖14可以看出，膜液pH值對(duì)薄膜伸長(zhǎng)率的影響和對(duì)抗張強(qiáng)度的影響相似。因此，pH值應(yīng)適當(dāng)高一些。 3.3.4 膜液pH對(duì)薄膜吸水率的影響圖15 膜液pH對(duì)大豆蛋白/聚乙烯醇復(fù)合薄膜吸水率的影響由圖15可以看出，隨著pH的增大，pH值4-5范圍內(nèi)吸水率曲線逐漸上升；pH值5-10范圍內(nèi)，曲線仍在上升但幅度有所減少；pH值大于11以后，曲線又開始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。蛋白質(zhì)的濃度對(duì)大豆蛋白薄膜的吸水率有較大的影響，成膜材料本身的性質(zhì)決定

29、了膜的阻水性能。蛋白質(zhì)本身為親水性大分子，含有較多的羥基等沁水性基團(tuán)，水分較容易與大豆蛋白分子結(jié)合。提高蛋白質(zhì)濃度，大豆蛋白膜中的親水基團(tuán)含量增加，水分吸附及在膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)中遷移的速率加快，不同的膜液pH，谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶的活力不同，谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶穩(wěn)定pH范圍是5.0-7.0，隨著pH的逐漸增加，谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶的活力較為穩(wěn)定，使蛋白質(zhì)大分子鏈在酶的作用下解聚成小分子鏈的程度較小，故而大豆蛋白膜的親水基團(tuán)含量隨著pH的逐漸增大而逐漸增加，故而曲線呈上升趨勢(shì)，堿性pH條件下大豆蛋白成膜過(guò)程中有更多的疏水性基團(tuán)暴露出來(lái)，pH值大于11以后谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶改性的大豆蛋白膜表面疏水性逐漸下降，即吸水率下降。實(shí)

30、際上，不同pH條件下，谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶改性對(duì)于大豆蛋白膜表面疏水性改善程度的不同可能是因?yàn)椴煌琾H條件下，谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶誘導(dǎo)的交聯(lián)反應(yīng)有所不同。3.3.5 膜液pH值對(duì)薄膜性能影響的綜合評(píng)分圖16 膜液pH對(duì)大豆蛋白/聚乙烯醇復(fù)合薄膜性能綜合評(píng)分的影響由圖16可以看出，pH值在10左右時(shí)薄膜綜合性能最佳。雖然此時(shí)薄膜的吸水率較高，但綜合考慮各方面因素，仍將pH=10作為最佳膜液pH值。4 結(jié)論 本論文分別以谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶濃度、成膜溫度和膜液pH值為單因素變量進(jìn)行三組試驗(yàn)。利用大豆蛋白和聚乙烯醇為主要成膜物質(zhì)，谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶對(duì)大豆蛋白改性來(lái)制作薄膜。并通過(guò)測(cè)定薄膜的透光率、抗張強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、吸水率

31、來(lái)進(jìn)行綜合評(píng)分。通過(guò)試驗(yàn)，得出一下結(jié)論：1、隨著谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶濃度的逐漸增大，薄膜透光率隨著酶濃度的逐漸增大，呈現(xiàn)上升下降的趨勢(shì)，當(dāng)谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶濃度為0.15%時(shí)透光率最高。薄膜的抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)由下降到上升再到下降的趨勢(shì)，當(dāng)酶濃度為0.15%時(shí)薄膜的抗拉強(qiáng)度最大，而伸長(zhǎng)率與抗拉強(qiáng)度曲線走勢(shì)基本一致，同樣在0.15%酶濃度條件下伸長(zhǎng)率達(dá)到最大值。對(duì)于復(fù)合薄膜吸水率影響曲線，當(dāng)酶濃度由0.0%增加到0.5%時(shí)，曲線一直呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，酶濃度為0.5%時(shí)，吸水率最低，酶濃度有0.5%增加到1%時(shí)。曲線上升，之后隨著酶濃度增加，曲線又呈下降的趨勢(shì)。參照復(fù)合薄膜綜合性能評(píng)分折線圖，綜合考慮多方面性能因素，

32、薄膜最佳酶濃度確定為0.15%。2、隨著成膜溫度的增加，薄膜透光率先增加隨后又開始降低，在40時(shí)，透光率最高。薄膜抗張強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率也為先上升后下降的趨勢(shì)，在40時(shí)抗張強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均較高，即薄膜的機(jī)械強(qiáng)度較高。對(duì)于薄膜的吸水率影響曲線，當(dāng)成膜溫度從20-40時(shí)，曲線緩慢上升，40-50時(shí)，曲線急劇上升，并在50時(shí)，吸水率達(dá)到最大值，之后又呈下降趨勢(shì)。參照薄膜綜合性能評(píng)分折線圖，綜合考慮多方面因素，薄膜最佳成膜溫度確定為40。3、隨著pH值的增加，薄膜的透光率呈上升再下降的趨勢(shì)，pH為10時(shí)透光性最好。薄膜的抗拉強(qiáng)度在pH值4-5時(shí)緩慢下降，在pH=5時(shí)最低，之后逐漸增大。而伸長(zhǎng)率大致呈上升再下降

33、的趨勢(shì)，在pH=10達(dá)到最大。吸水率曲線為先上升再下降的趨勢(shì)，在pH=11時(shí)吸水率最大。參照薄膜綜合性能評(píng)分折線圖，綜合考慮多方面因素，薄膜的最佳膜液pH值確定為10。參考文獻(xiàn)1 馬海, 邱謹(jǐn)楠.生物降解高分子材料的研究進(jìn)展J. 安徽化工, 2008, 34(4): 14.2 賈云芝,陳志周.還原劑對(duì)大豆蛋白/聚乙烯醇復(fù)合薄膜性能的影響J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012,28(增刊 1):312316. 3 張衛(wèi)英,夏生平，王燦耀,等. 淀粉基完全生物降解材料的研究J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004,20(3):184187.4 馬丹,趙曉燕,馬越,等. 不同工藝生產(chǎn)大豆分離蛋白的成膜性能J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2008,24(10):239242.5 曹丹,吳林波,李伯耿,等. 聚乳酸納米