第26卷第1期 食品与生物技术学报 Vol_26 No.1 2007年1月 Journal of Food Science and Biotechnology Jan. 2006 文章编号:1673—1689I 2007)01—0025—04 转谷氨酰胺酶改性明胶高强度薄膜的制备 丁克毅 (1.西南民族大学化学与环保工程学院,四川I成 都610041;2.美国农业部东部地区研究中心油 脂及动物副产物研究室,Wyndmoor,PA 19038, USA) 摘要:在研究制备转谷氨酰胺酶(mTG)改性明胶可食性薄膜工作的基础上,通过在成型工艺中 进一步采用室温干燥和湿态二次定向处理的方法,获得了抗张强度达18.3 MPa,韧度达8.4 J/ cm。的可食性明胶薄膜。在配料中添加质量分数2 9/6的聚乙烯醇(PVA)并采用相同的成型工艺, 所制备明胶薄膜的机械性能得到进一步提高。生物降解性实验表明,在被质量分数0.5 的A1- calase碱性蛋白酶作用4 h后,不含PVA的可食性明胶薄膜的降解率可达99.2 ,含PVA明胶薄 膜的降解率也达到了97.5 。 关键词:转谷氨酰胺酶;明胶薄膜;机械性能;生物降解 中图分类号:Q 555 文献标识码:A Enhanced Films Prepared From Microbial Transglutaminase Modified Gelatin DING Ke-yi '。 (1.College of Chemistry&Environmental Protection Engineering,Southwest University For Nationalities,Cheng— du 610041,China;2.Fats,Oils and Animal Co-products Research Unit,Eastern Regional Research Center,ARS, USDA,Wyndmoor,PA 19038,USA) Abstract:Based on the previous work of preparation of microbial transglutaminase(mTG) modified edible gelatin films,lower drying temperature and wet orientation techniques were adopted to obtain edible gelatin films which possess better mechanical properties(tensile strength was 18.3 MPa and toughness was 8.3 J/cm。).PVA enhanced gelatin film with even better mechanical properties could be obtained when 2 poly(vinyl alcoho1)was added to the blends and optimal techniques were applied.The biodegradation experiments indicated that,treated by Alcalase alkaline protease(0.5 conc.,4 h),the biodegradability of edible gelatin films (containing no PVA)were more than 99 ,and the biodegradability of PVA enhanced gelatin films were more than 97 . Key words:microbial transglutaminase;gelatin film;mechanical properties;biodegradabnity 在前期研究中,作者以中等品级(Bloom强度 转谷氨酰胺酶(mTG)交联改性后,以丙三醇为增塑 为95 g)的B型食用明胶为原料,通过微生物型的 剂,制备了抗张强度达到4.92 MPa,韧度达到6.45 收稿日期:2006-04-13. 基金项目:国家公派留学基金项目(2003851019). 作者简介:丁克毅(1966一),男,湖北仙桃人,教授,工学博士,美国农业部东部地区研究中心(ERRC,ARS,USDA) 访问学者及博士后,主要从事天然产物化学与蛋白质化学研究.Email:Keyi—ding@hotmail.com 维普资讯 http://www.cqvip.com
26 食品 与 生 物技术 学报 第26卷 J/cm (分别为对照样强度和韧度的2.7倍和3.1 倍),同时断裂伸长率、水溶性和吸水性也大大改善 的可食性明胶薄膜[1]。但是,与合成的食品包装薄 膜(如HDPE或LDPE)相比,差距仍然较大(用 HDPE制备的食品包装膜抗张强度可达到25 MPa)。因此,进一步提高明胶薄膜的机械性能很 有必要。 A.Bigi等人[2 在制备用化学方法改性的明胶 薄膜的过程中,采用定向(Orientation)处理技术, 大幅度提高了薄膜的机械性能。因为在定向过程 中,胶原的分子链发生了取向排列。进一步的研究 表明,如果对经过一次定向干燥的薄膜在水或其它 溶剂中回湿使其膨胀后,再在受拉伸的状态下进行 第二次定向干燥处理,其机械性能将有所提高。 聚乙烯醇(PVA)是为数不多的可水溶、可生物 降解的合成高分子材料之一,具有良好的成膜性。 PVA薄膜的机械性能和隔绝空气的性能优良。E. Chiellini[3]、E.R.Kenawy[ 等人的研究表明,PVA 添加到废明胶或者二醛改性淀粉中后,可以提高环 境友好复合材料(如粘接剂、薄膜等)的使用性能。 作者在以前研究制备转谷氨酰胺酶(mTG)改 性明胶可食性薄膜工作的基础上,拟通过在成型工 艺中进一步采用低温初步干燥和定向干燥处理的 方法,获得具有更好的机械性能的可食性明胶薄 膜;同时采用PVA改性的方法,以期使明胶薄膜的 机械性能得到进一步提高(添加PVA后的增强型 明胶薄膜不能作为可食性食品包装膜使用)。由于 食品包装材料的生物降解性受到广泛关注,因此作 者对所制备的明胶薄膜进行了生物降解实验。 1材料与方法 1.1主要仪器及试剂 机械性能测试仪:Model#1122 Instron Test Frame,MTS System公司产品;控温水浴振荡仪: SHAK—R—BATH,LA LINE公司产品;微生物型 转谷氨酰胺酶(mTG):美国Ajinomoto有限公司 (Teaneck,NJ)提供;B型牛皮食用明胶:Bloom强 度为95 g,Sigma公司产品;丙三醇:食品级,Sigma 公司产品;聚乙烯醇(PVA):相对分子质量为 30 000 ̄70 000,AP,Sigma公司产品;Alcalase碱 性蛋白酶:Novozymes公司提供。 1.2实验方法 1.2.1可食性mTG改性明胶薄膜的成型方法 在本实验中,如无特别说明,所采用的明胶溶液质 量分数均为10 ,pH约为6.5。在明胶溶液中加 入占溶液质量3 的丙三醇及16 U/g(g以干明胶 计)的mTG,搅拌均匀后取10 g倒进直径100 mm 的培养皿中,轻轻转动培养皿使溶液分布均匀,在 35℃下静置反应1 h后,于室温下初步干燥12 h成 膜;然后在95℃下放置10 min使酶失去活性。 I.2.2 PVA增强型明胶薄膜的制备将干明胶质 量2 9/6的PVA加入适量水中,加热到90℃并搅拌 使其溶解。待PVA溶液冷却到室温后,加入计量 好的干明胶,使其在PVA溶液中溶胀4 h,然后加 热到65℃并搅拌使明胶溶解,再加入干明胶质量 3.0 的丙三醇,调整混合溶液的pH至6.5,冷却 至室温后加入16 U/g(以干明胶计)的mTG,调整 明胶质量分数为10 ,搅拌均匀后取10 g倒进直 径100 mm的培养皿中,轻轻转动培养皿使溶液分 布均匀,在30 ̄31℃下静置反应1 h后,于室内(温 度约25℃,RH约30 )干燥12 h成膜;然后在95 ℃下放置10 min使酶失去活性。 1.2.3 明胶薄膜的定向处理 一次定向处理:将 在室温下经过12 h初步干燥的明胶薄膜切成50 mm×50 mm的正方形,用50 mm的夹具夹紧,在 Model#1 122 Instron Test Frame上以2mm/min 速率拉伸至伸长率为100 ,在此状态下继续室温 干燥48 h;二次定向处理:将经过一次定向处理的 薄膜,在25℃左右的水中浸泡2~3 S后取出,静置 30 min后,在Model#l122 Instron Test Frame上 以2 mm/min速率拉伸至伸长率为50%,在此状态 下继续室温干燥48 h。 1.2.4 明胶薄膜的物理机械性能测试方法 待测 试样在进行机械性能测试前,均在T:23℃,RH一 50 的恒温恒湿箱中平衡48 h。薄膜样品的拉伸 性能均按GB/T13735—1992测定。 1.2.5明胶薄膜的生物降解性测试将明胶薄膜 浸泡在0.2 mol/L的Na2HPO ・7H2O缓冲溶液 (pH约为9.0)中,分别加入溶液质量0.5 , 0.25 ,0.125 9/6的Alcalase碱性蛋白酶,在50℃ 的水浴中振荡反应10 min ̄4 h。将反应溶液过滤, 残余物干燥后称重,计算出降解率(因为经碱性蛋 白酶作用后溶于水中的明胶水解产物是可以完全 降解的,因此这里可以用溶解率代替降解率)。 2结果与讨论 2.1干燥温度的选择 按照1.2.1中所述的方法,分别对改性明胶薄 膜(mTG添加量为16 U/g)和未改性明胶薄膜采用 在35℃下交联反应并干燥24 h或先在35℃下交 维普资讯 http://www.cqvip.com
第1期 丁克毅等:转谷氨酰胺酶改性明胶高强度薄膜的制备 27 联反应1 h后再于室温下干燥48 h的方法处理。 (Bloom强度95 g,质量分数1O 和3 的丙三醇) 所得薄膜的机械性能列在表1中。 表1 干燥温度对明胶薄膜机械性能的影响 Tab.1 Effect of drying temperature on the mechanical prop。 erties ofgelatin films 表1的结果说明,干燥温度对明胶薄膜的机械 性能影响较大。无论是对改性明胶还是对未改性 的明胶,较低的干燥温度有利于薄膜机械性能的提 高。在后面的试验中均采用在室温下干燥的方法。 2.2定向处理对薄膜机械性能的影响 A.Bigi等人的研究已经表明,采用定向(Ori- entation)处理技术,可以大幅度提高薄膜的机械性 能。而在将用1.2.1中所述的方法获得的可食性 改性明胶薄膜拉伸至150 ,然后在室温下干燥48 h,测试结果表明其抗张强度反而从12.6 MPa下降 至7.2 MPa,这说明在定向处理过程中有一个最适 宜的拉伸率。经过一系列试验,发现当拉伸率为 100 左右时,定向处理后薄膜的机械性能最佳。 关于二次定向处理:作者对经过一次定向处理 的明胶薄膜,在水中的浸泡时间、浸泡后的静置时 间、二次定向处理时的拉伸率等因素进行了试验, 发现在水中浸泡2~3 S后取出,静置30 min后,再 拉伸至伸长率为5O ,在此状态下继续室温干燥48 h,这时所得薄膜机械性能相对最好(见图1)。 Bloom强度95 g,质量分数1O ,3 ,室温干燥。 从图1可以看出,对于未改性的明胶薄膜和经 过mTG改性的可食性明胶薄膜,一次定向处理后, 其抗张强度、杨氏模量都得到提高,最大伸长率下 降,韧性略有下降。在二次定向处理的过程中,未 经过mTG改性的明胶薄膜发生了断裂,故其机械 性能指标未能测出;mTG改性明胶薄膜的抗张强 度、杨氏模量都继续上升,最大伸长率继续下降,薄 膜的韧性虽略有下降,但对使用性能影响不大。 2.3 PVA增强明胶薄膜的制备条件筛选 E.Chiellini、E.R.Kenawy等人的研究表明, PVA添加到废明胶或者戊二醛改性淀粉中后,可以 20 曼15 -o 誊 s O 2 l4 冒12 10 8 6 鬟 4 O 2 (b) 200 l5o loo +< 孵 5O O 2 500 400 300 2o0 100 O l 2 3 (d) 1.未定向处理;2.一次定向处理;3.二次定向处理 图1定向处理对可食性明胶薄膜机械性能的影响 Fig.1 Effect of orientation on the mechanical properties of edible gelatin films 提高所制得的环境友好复合材料(粘接剂、薄膜等) 的使用性能。在制备可食性明胶薄膜的基础上,对 PVA增强明胶薄膜的制备条件进行了筛选,考察了 PVA的加入量、交联反应温度和干燥温度等因素对 薄膜机械性能的影响。结果表明,PVA的加入量以 干明胶质量的2.0 为宜;mTG交联反应的温度不 能超过33℃,因为加入2.0 Ao的PVA后,mTG质 量为16 U/g(以干明胶计)的混合溶液在33℃下反 应1 h后,即使是在常温下干燥48 h的薄膜都会发 生翘曲甚至开裂现象。最终得到的制备PVA增强 明胶薄膜的最适宜工艺条件如1.2.2所述。表2是 维普资讯 http://www.cqvip.com
28 食品 与 生物技术 学报 第26卷 按1.2.2所述制备的明胶薄膜不经过定向处理和 经过定向处理后的机械性能。[3. 表2 PVA增强明胶薄膜的机械性能 Tab.2 The mechanical properties of PVA enhanced gelatin films 表3不同明胶薄膜的生物降解性 Tab.3 The biodegradability of different gelatin fils m. 将表2中经过二次定向处理后薄膜机械性能 的数据与图1中相对应的数据进行比较,可以看 出:添加了明胶质量2 的PVA后的改性明胶薄 表3的数据说明,经过mTG改性的可食性明 胶薄膜的生物降解性能略有提高;经过定向处理后 的薄膜,生物降解性略有下降;PVA增强的明胶薄 膜降解率略有下降,但是经过明胶质量0.5 的A卜 calase碱性蛋白酶作用4 h后,降解率仍然可以达 到97 以E。 膜,杨氏模量下降了64 MPa,但其抗张强度达到 23.5 MPa(提高了5.2 MPa),韧度达到10.8 J/cm (提高了2.5 J/cm ),最大伸长率只有38 (降低了 10 )。这种高机械性能的明胶薄膜完全可以替代 合成包装材料。 3 结 论 作者在研究制备转谷氨酰胺酶(mTG)改性明 2.4改性明胶薄膜的生物降解性 R.D.Patil等人的实验表明,改性明胶薄膜的 生物降解性可以通过用碱性蛋白酶处理的方法来 胶可食性薄膜工作的基础上,通过在成型工艺中进 一步采用室温干燥和湿态二次定向处理等方法,获 评价。A.Corti等人的实验表明,掩埋在土壤中的 PVA的生物降解率是有一定限度的;但在与明胶形 成的混合物中,PVA比单独存在时更容易降解。作 者采用Alcalase碱性蛋白酶按照1.2.5中所述的 方法,初步用不同质量分数的酶来处理改性的或未 改性的薄膜试样。结果表明,在添加明胶质量 0.5 的酶作用下,未改性的明胶薄膜在10 min内 得了抗张强度达18.3 MPa,韧度达8.4 J/era ,杨 氏模量达406 MPa的可食性明胶薄膜。 在改性明胶薄膜的成型过程中,交联反应的温度 及干燥温度对薄膜的机械性能影响很大,在较低的温 度下交联和干燥都有利于提高产品的机械性能。 添加明胶质量2 的聚乙烯醇(PVA)所制备明 胶薄膜的机械性能得到进一步提高。 定向处理对明胶薄膜的生物降解性能影响极 微。在被明胶质量0.5 的Alcalase碱性蛋白酶 几乎100 降解;当酶的质量分数较低时,所需的时 间要长一些。比如在添加明胶质量0.125 的酶条 件下,经过4 h只有95 的降解率。在获得初步的 作用4 h后,不含PVA的可食性明胶薄膜的降解率 可达99.2 以上,含PVA明胶薄膜的降解率也达 到了97 以上。 实验结果后.作者采用0.5 //的酶,对各种明胶薄膜 0试样作用 h,其降解率见表3。 参考文献(References): [1]丁克毅,刘军,Brown E M,et a1.转谷氨酰胺酶(mTG)改性明胶可食性薄膜的制备[J].食品与生物技术学报,2006,25 (4):1—4. DING Ke-yi,LIU Jun,Eleanor M.BROWN.Edible Films preared from microbial transglutaminase modified gelatinsEJ,1. Jounral of Food Science and Biotechn0logy,2006,25(4):1—4.(in Chinese) [2]Bigi A,Borghi M,Cojazzi G,et a1.Structure and mechanical properties of crosslinked drawn gelatin films[J].J herTm A— nal Calorimetry,2000,61:457--459. [3]Chiellini E,Cinelli P,Corti A,et a1.Environmentally sound blends and composites based on water-soluble polymer matri— ces[J-I.Macromol Syrup,2000,152:83—94. [4]Kenawy E R,Cinelli P,Corti A,et a1.Biodegradable composite films based on waste gelatin[J,1.Macromol Syrup,1999, 144:351--364. (责任编辑:朱明)
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