大豆分离蛋白膜的水分吸附特性
※基础研究食品科学
2008, Vol. 29, No. 1051
大豆分离蛋白膜的水分吸附特性
姜 燕１，唐传核２，温其标２
（１．广东工业大学轻工化工学院，广东 广州 ５１０００６；２．华南理工大学轻工与食品学院，广东 广州 ５１０６４０）摘 要：本实验以大豆蛋白（ＳＰＩ）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。ＳＰＩ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。相对湿度和增塑剂含量越低，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。ＳＰＩ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；大豆分离蛋白
Water Adsorption Characteristics of Soy Protein Isolate Film
ＪＩＡＮＧ Ｙａｎ１，ＴＡＮＧ Ｃｈｕａｎ－ｈｅ２，ＷＥＮ Ｑｉ－ｂｉａｏ２
（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｌｉｇｈｔ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ， Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０００６， Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｌｉｇｈｔ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ ａｎｄ Ｆｏｏｄ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６４０， Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ ：Ｗａｔｅｒ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ， ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｋｉｎｅｔｉｃｓ ａｎｄ ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌ ｗａｔｅｒ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｓｏｙ ｐｒｏｔｅｉｎｉｓｏｌａｔｅ （ＳＰＩ） ｆｉｌｍ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｈｕｍｉｄｉｔｙ （ＲＨ） ａｎｄ ｐｌａｓｔｉｃｉｚｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｗｈｅｎ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｏｆ ＳＰＩ ｆｉｌｍ ｒｅａｃｈｅｓ ｂａｌａｎｃｅ． Ｔｈｅ ｌｏｗｅｒ ＲＨ ａｎｄ ｐｌａｓｔｉｃｉｚｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ， ｔｈｅ ｓｈｏｒｔｅｒ ｔｈｅｍｏｉｓｔｕｒｅ ｂａｌａｎｃｅ ｔｉｍｅ， ｐｅｒ ｃｏｎｔｒａ， ｔｈｅ ｌｏｎｇｅｒ． ＴＧａｓｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｒａｔｅ ａｎｄ ｂａｌａｎｃｅｍｏｉｓｔｕｒｅｓ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ＳＰＩ ｆｉｌｍ． Ｔｈｅ ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌ ｗａｔｅｒ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｄａｔａ ａｒｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｌｙ ｆｉｔｔｅｄ ｔｏ ＧＡＢ ｍｏｄｅｌ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗａｔｅｒ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ；ｐｒｏｔｅｉｎ ｆｉｌｍ；ｓｏｙ ｐｒｏｔｅｉｎ ｉｓｏｌａｔｅ
中图分类号：ＴＳ２０１．２１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－６６３０（２００８）１０－００５１－０４
在蛋白质膜开发和研究方面，国内外学者已经做了一定的研究。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。本实验以大豆蛋白膜为对象，从吸附动力学和水分吸附等温线来研究蛋白膜的水分吸附特性。１１．１
材料与方法
材料与试剂
谷氨酰胺转移酶（ＴＧ－Ｂ） 泰兴市一鸣精细化工有限
８５．２％） 山东万得福科技公司；甘油为分析纯。１．２１．２．１１．２．２
方法
ＴＧａｓｅ酶活性的测定
参照文献［１］方法进行测定。膜的制备
将大豆分离蛋白ＳＰＩ（５％）和增塑剂甘油（２％）溶于Ｔｒｉｓ－ＨＣｌ （ｐＨ８．０） 缓冲溶液中，于水浴锅中７０℃加热３０ｍｉｎ。待成膜溶液冷却至室温后，加入ＴＧａｓｅ（８Ｕ／ｇ蛋白），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（３７×２１ｃｍ）中，然后放在室温（２５℃）下干燥２４ｈ，揭膜。以不加ＴＧａｓｅ的膜作为对照。１．２．３１．２．４
各种饱和盐溶液的配置
按照表１所示，配置实验所需各种饱和盐溶液。水分吸附特性
膜制好后裁切成所需样品形状（２５ ｍｍ×２５ ｍｍ），立
公司；ＣＢＺ－ｌ－ｇｌｕｔａｍｉｎｙｌｇｌｙｃｉｎｅ、Ｌ－Ｇｈｕａｍｉｃ ａｃｉｄ ｒ－ｍｏｎｏｈｙｄｏｘａｍａｔｅ Ｓｉｇｍａ公司；大豆分离蛋白（蛋白含量
收稿日期：２００７－０９－２０
基金项目：国家自然科学基金项目（２０３０６００８）
即放在相对湿度为１１％的环境（２５±１℃）中平衡１ｗ，以
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表１ 各种水分活度下的饱和盐溶液
食品科学※基础研究
达到平稳了；而ＲＨ为９２％时，既使４８ｈ后仍未平衡（见
Ａ
ｗ
Table 1 Water activities of various saturated salt solutions饱和盐溶液ＫＯＨＣＨ３ＣＯＯＫＭｇＣｌ２Ｋ２ＣＯ３注：Ａ
ｗ
Ａ
ｗ
饱和盐溶液Ｍｇ（ＮＯ３）２ＮＨ３ＮＯ３ＮａＣｌ（ＮＨ３）ＳＯ４
Ａ
ｗ
饱和盐溶液
ＫＣｌＫＮＯ３Ｋ２ＳＯ４
图１ａ）。同样，膜中增塑剂的浓度越低，达到平衡的时间越短；反之，则越长。例如，ＲＨ为５０％，增塑剂的浓度为２０％时，ＳＰＩ膜２ｈ前水分含量就达到平稳了；而增塑剂的浓度为６０％时，则需１２ｈ。增塑剂的使用在制备蛋白质可食膜时是必须的。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，增加膜基质间的空隙，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［５－６］。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［７－１０］。
１．００．８水分含量（ｇ／ｇ）
０．６０．４０．２０．０
０
１０
２０
３０
４０
５０
时间（ｈ）
ａ
ＲＨ３３％ＲＨ３３％＋ＲＨ５０％ＲＨ５０％＋ＲＨ７５％ＲＨ７５％＋ＲＨ９２％ＲＨ９２％＋
酶酶酶酶
０．０８０．２３０．３３０．４３
表示水分温度。
０．５０．６２０．７５０．８
０．８５０．９２０．９７
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］。测定样品重量随时间的变化，样品水分含量根据常压干燥法测定［３］。１．２．５
吸附等温线
膜制好后裁切成所需样品形状（２５ ｍｍ×２５ ｍｍ），立
即放在装有Ｐ２Ｏ５的干燥器中（２５±１℃）中平衡１ｗ，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％、５０％、６２％、７５％、８０％和８５％）的干燥器中［２］中。每隔６ｈ测定样品重量，前后两次测量重量相同时，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［３］。
用ＧＡＢ（ｇｕｇｇｅｎｈｅｉｍ－ａｍｄｅｒｓｏｎ－ｄｅ ｂｏｅｒ）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
１．２１．０水分含量（ｇ／ｇ）
０．８０．６０．４０．２０．０
０
ｂ
ＲＨ３３％ＲＨ３３％＋ＲＨ５０％ＲＨ５０％＋ＲＨ７５％ＲＨ７５％＋ＲＨ９２％ＲＨ９２％＋
酶酶酶酶
Ｂｉｚｏｔ方程［４］计算。ＧＡＢ等温线模型如下式所示：
ｍ０ＣｋＡｗ
Ｍ＝ ———————————
（１－ｋＡｗ）（１－ｋＡｗ＋ＣｋＡｗ）
式中，Ｍ为指定Ａｗ下的平衡水分含量；ｍ０为单层值；Ｃ和ｋ为常数。２２．１
结果与分析
ＳＰＩ膜的水分吸附动态分析
１０２０３０４０５０
时间（ｈ）
１．４１．２１．０水分含量（ｇ／ｇ）
０．８０．６０．４０．２０．０
０
１０
２０
３０
４０
５０
时间（ｈ）
ａ．甘油含量２０％；ｂ．甘油含量４０％；ｃ．甘油含量６０％。
图１ 在不同相对湿度条件下ＴＧａｓｅ处理对ＳＰＩ膜水分吸附曲线的影响Fig.1 Effects of TGase treatment on moisture content of soy
protein film at various relative humidities
ｃ
ＲＨ３３％ＲＨ３３％＋ＲＨ５０％ＲＨ５０％＋ＲＨ７５％ＲＨ７５％＋ＲＨ９２％ＲＨ９２％＋
酶酶酶酶
对于蛋白质膜，相对湿度（ＲＨ）和增塑剂是影响膜水分吸附的两大重要因素，因此，在本实验中研究了不同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ＳＰＩ膜（ＴＧａｓｅ处理膜及对照膜）水分吸附量随着时间的变化曲线，ａ、ｂ和ｃ代表膜中甘油的含量（以蛋白质量为基准）分别是２０％、４０％和６０％。由图１可以清晰地看到在曲线的初始阶段，ＳＰＩ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。
ＳＰＩ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，增塑剂的浓度固定在２０％，ＲＨ为３３％时，ＳＰＩ膜２ｈ前水分含量就
由图１可见，ＴＧａｓｅ改性明显降低了ＳＰＩ膜的水分
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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［１１］，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分，同时更多的疏水核心或基团暴露出来的缘故。
ＳＰＩ膜的水分吸附速率受到ＲＨ和增塑剂含量的很大影响，ＲＨ高，甘油含量大时，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改性也明显降低了ＳＰＩ膜的水分吸附速率（图１）。２．２
ＳＰＩ膜的水分吸附等温线
甘油２０％甘油２０％＋酶甘油４０％甘油４０％＋酶甘油６０％甘油６０％＋酶
当Ａｗ为０．８５时，甘油浓度为２０％、４０％和６０％的未经ＴＧａｓｅ改性的ＳＰＩ膜的水分含量分别是０．４５、０．５４和０．６７；而经ＴＧａｓｅ改性的ＳＰＩ膜的水分含量则分别是０．４４、０．５１和０．６４。
表２显示了将ＳＰＩ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（ｍ０、Ｃ和ｋ）和决定系数（ｒ２）。较高的ｒ２说明ＧＡＢ模型能够与实验数据拟合程度很高。由表２可见，单分子层水分吸附值ｍ０受到甘油含量的影响，甘油含量低，ｍ０值低；ＴＧａｓｅ作用使ｍ０值有所降低。例如ＲＨ为６０％时，对照膜的ｍ０值是０．１２２，而ＴＧａｓｅ改性膜的ｍ０值是０．１１７。
０．７０．６水分含量（ｇ／ｇ）
０．５０．４０．３０．２０．１０．０
０．０
表２ ＳＰＩ膜的水分吸附等温线模型(GAB)的各项常数（ｍ０、Ｃ和ｋ）和
决定系数(r2)
Table 2 Contants of thermal water adsorption curve model (GAB) constants and coefficients of determination (r2) for SPI films 甘油含量（％）
２０４０
膜对照膜酶改性膜对照膜酶改性膜对照膜酶改性膜
ｍ
０
Ｃ７．４８９４．２３０１３．９５８９．４６８５３．２０７４７．３６２
ｋ１．００５１．００２０．９９４０．９９５０．９７１０．９７２
ｒ２０．９４１０．９５４０．９７２０．９５８０．９８４０．９８７
０．０６９９０．０６７００．０８７０．０８３０．１２２０．１１７
０．２０．４０．６０．８１．０
６０
水分活度（Ａｗ）
图２ ＴＧａｓｅ 处理对ＳＰＩ膜水分吸附等温线的影响Fig.2 Effects of TGase treatment on relationship between moisture content of soy protein film and water activity at various
glycerol concents
３结 论
ＳＰＩ膜水分达到平衡所需要的时间主要是受到所处
ＳＰＩ膜的水分吸附数据与ＧＡＢ模型拟合，得到水分吸附等温线（图２）。由图２可见，ＳＰＩ膜的水分吸附等温线呈Ｓ型。随着水分活度（Ａｗ）由０增至０．３３，ＳＰＩ膜的水分含量增加缓慢，Ａｗ＞０．３３后，曲线的斜率明显增加。例如，未经ＴＧａｓｅ改性甘油含量为２０％的ＳＰＩ膜随着Ａｗ由０增至０．３３，水分含量由０缓慢增至０．０７；而当Ａｗ继续增至０．８５时，水分含量则由０．０７迅速增加到０．４５。
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，ＳＰＩ膜的水分吸附等温线逐渐上移（见图２）。甘油具有较强的亲水作用，甘油含量高的膜与含量低的膜相比，其在任一Ａｗ值的水分含量都比较高。例如，在Ａｗ为０．０８和０．８５时，未经ＴＧａｓｅ改性甘油含量为２０％的ＳＰＩ膜的水分含量分别是０．０４ｇ／ｇ和０．４５ｇ／ｇ，而甘油含量为６０％的ＳＰＩ膜则是０．１１ｇ／ｇ和０．６７ｇ／ｇ。其他学者的研究与取得了类似的结果［７－１０］。
ＴＧａｓｅ改性对ＳＰＩ膜的水分吸附等温线也有很大影响。ＴＧａｓｅ改性后，ＳＰＩ膜的水分吸附等温线略有下移（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改性膜在任一Ａｗ值的水分含量都比较低。例如，
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。同样，膜中增塑剂的浓度越低，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ＳＰＩ膜的水分吸附速率。
ＳＰＩ膜的水分吸附等温线呈Ｓ型。随着水分活度（Ａｗ）由０增至０．３３，ＳＰＩ膜的水分含量增加缓慢，Ａｗ＞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，ＳＰＩ膜的水分吸附等温线逐渐上移。ＴＧａｓｅ改性后，ＳＰＩ膜的水分吸附等温线略有下移。ＳＰＩ膜的水分吸附数据与ＧＡＢ模型能够很好地吻合。
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