明胶α亚基和美拉德反应对明胶-海藻酸钠复合膜性质的影响

陈 俊,魏配晓,陈书霖,翁武银,3,*

(1.华侨大学化工学院，福建厦门 361021；2.集美大学食品与生物工程学院,福建厦门 361021;3.厦门市海洋功能食品重点实验室,福建厦门 361021)



明胶α亚基和美拉德反应对明胶-海藻酸钠复合膜性质的影响

陈 俊1,2,3,魏配晓2,陈书霖2,翁武银2,3,*

(1.华侨大学化工学院，福建厦门 361021；2.集美大学食品与生物工程学院,福建厦门 361021;3.厦门市海洋功能食品重点实验室,福建厦门 361021)

以罗非鱼皮明胶α1、α2亚基和海藻酸钠为原料制备复合膜,对膜的机械性能、颜色、荧光强度和傅里叶红外光谱(FTIR)进行分析,考察了α亚基和美拉德反应对明胶-海藻酸钠复合膜性质的影响。结果发现,α亚基-海藻酸钠膜的机械性能在60 ℃、相对湿度(RH)为75%下保存 72 h后均出现明显的下降,而荧光强度均出现增强。α1-海藻酸钠(α1-SA)复合膜在放置72 h后,b*值的增大幅度达到64.0%,明显高于明胶-海藻酸钠(G-SA)和α2-海藻酸钠(α2-SA)复合膜。FTIR分析表明,保存过程中α亚基与海藻酸钠发生了美拉德反应,并且α1亚基更容易参与反应。因此明胶α亚基-海藻酸钠复合膜在60 ℃、75% RH下保存中颜色逐渐变黄。

明胶,α亚基,海藻酸钠,复合膜,美拉德反应

明胶是胶原的变性产物,具有良好的凝胶特性和成膜特性,已被广泛应用于食品和医药领域[1]。明胶肽链上的亚氨基酸(脯氨酸和羟脯氨酸)可通过自身的四氢吡咯烷环结构在构象上形成空间位阻效应,使分子链具有一定的刚性,因此亚氨基酸含量可以影响明胶膜的机械强度和柔韧性[2]。与哺乳动物明胶相比,低含量的亚氨基酸导致鱼类明胶膜的机械强度较差[1]。除氨基酸组成外,蛋白组分也会影响明胶的性质,高分子组分含量多的明胶可以制备成机械强度良好的蛋白膜[3]。

无论是鱼类明胶还是哺乳动物明胶,都具有较高含量的亲水性氨基酸,导致明胶膜的性质易受环境湿度影响的缺陷[4]。共混改性近年来被广泛应用于蛋白膜的性质改良[5-6]。Wang等[7]利用明胶与壳聚糖共混成膜,结果发现复合膜的热稳定性优于纯明胶膜。Xiao等[8]研究发现,明胶与海藻酸钠复合成膜时,可以提高膜的机械性能和热稳定性。而且,有研究报道明胶的α亚基和α1/α2比例不仅可以影响明胶的凝胶形成能,还能影响明胶的成膜性能[9-11]。

因此,本文利用罗非鱼皮明胶α1、α2亚基与海藻酸钠制备复合膜,考察α亚基和美拉德反应对明胶-海藻酸钠复合膜性质的影响,可为明胶-海藻酸钠复合膜的制备提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

罗非鱼皮 宁德市夏威食品有限公司;再生纤维素(RC)膜 美国Millipore公司,截留分子量(MWCO)100 ku;聚醚砜(PES)膜 迈纳德膜技术有限公司,MWCO 150 ku;海藻酸钠 上海阿拉丁生化科技股份有限公司,分析纯;DC蛋白试剂盒 美国Bio-Rad公司。

高速冷冻离心机 Avanti J-25,美国Beckman公司;杯式超滤器 SCM-300,上海斯纳普膜分离科技有限公司;恒温恒湿箱 PSX智能型,宁波莱福科技有限公司;质构仪 TMS-PRO,美国Food Technology公司;测色色差计 WSC-S,上海精密科学仪器有限公司;荧光分光光度计 Cary Eclipse,美国Varian公司;傅里叶红外变换光谱仪 Nicolet iS50,美国Thermo Scientific公司。

1.2 实验方法

1.2.1 明胶的提取 罗非鱼皮经冰水漂洗,4 ℃下用0.05 mol/L NaOH浸泡16 h后,用冰水漂洗至中性,再于4 ℃下利用0.05 mol/L HCl浸泡30 min,冰水漂洗至中性后,在80 ℃水浴下浸提1 h,冷却至室温后通过离心(15000×g,20 ℃,15 min),获得的上清液通过冷冻干燥制备成明胶粉末备用。

1.2.2 明胶α亚基的制备 明胶α1和α2亚基的制备参考Chen等[12]报道的方法。鱼皮明胶粉末于室温下在蒸馏水中溶胀30 min后,经60 ℃水浴加热充分溶解,调制成1%(w/v)的溶液。溶液的pH调整至5后,以RC膜进行超滤分离,滤液为α1亚基组分;溶液的pH调整至7后,以PES膜进行超滤分离,滤液为α2亚基组分。超滤过程中温度和压力分别为40 ℃和0.5 bar。α1和α2亚基组分经冷冻干燥后备用。

1.2.3α亚基-海藻酸钠复合膜的制备 参考Chen等[11]报道的方法并做修改。明胶α亚基和海藻酸钠分别利用蒸馏水溶解,调pH至7.0,配制成浓度为2%(w/v)的溶液后,按照1∶1混合均匀,并添加相对干物质质量20%的甘油,混合均匀、脱泡后,将制备的溶液(4 g)倒在5 cm×5 cm的有机硅树脂框内,放置于温度为25 ℃、相对湿度(RH)为50%的恒温恒湿箱中干燥48 h制备成明胶-海藻酸钠(G-SA)复合膜、α1-海藻酸钠(α1-SA)复合膜和α2-海藻酸钠(α2-SA)复合膜。

为了考察美拉德反应对复合膜性质的影响,将复合膜于60 ℃、75% RH下放置一定时间后,再转移至25 ℃、50% RH的恒温恒湿箱中平衡24 h,作为测试样。

1.2.4 膜的性质分析

1.2.4.1 机械性能 膜的机械性能参考翁武银等[13]报道的方法进行测定。将膜切成宽15 mm,长45 mm矩形长条,测定厚度后,利用TMS-PRO质构仪对膜进行拉伸实验。力量感应元为100 N,初始间隔为30 mm,拉伸速率为60 mm/min。

1.2.4.2 颜色 利用色差计对膜的颜色进行测定,膜的颜色采用b*(蓝-黄)值进行表示。其中标准白板的b*值为1.42。

1.2.5 荧光强度 荧光强度的测定参考Lertittik等[14]报道的方法。膜经8 mol/L尿素-2% SDS- 0.02 mol/L Tris-HCl(pH8.8)溶解后,在激发波长347 nm,发射波长415 nm下测定荧光强度。

1.2.6 红外光谱分析 参考王虹霞等[15]报道的方法进行分析。将干燥的粉末样品置于红外光谱仪进行分析。

1.3 数据统计与分析

采用SPSS 17.0 软件(SPSS Inc,Chicago,IL,USA)对所得数据进行方差分析(ANOVA),显著性检验方法为Duncan多重检验,显著水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 机械性能

α亚基对明胶-海藻酸钠复合膜机械性能的影响如表1所示。明胶或α亚基组分与海藻酸钠混合制备G-SA膜、α1-SA膜和α2-SA膜的抗拉伸强度(TS)分别为14.49、14.77、11.21 MPa,没有明显的差别(p>0.05)。膜在60 ℃、75% RH下放置72 h后,三种复合膜的TS都出现明显的下降。另一方面,在60 ℃、75% RH下,G-SA膜只需放置12 h膜的EAB就出现显著下降(p<0.05),而α1-SA膜和α2-SA膜的EAB分别要经过72 h后才发生明显的下降(p<0.05)。通常,蛋白与多糖在60 ℃、79% RH的条件下会发生美拉德反应,生成高分子聚合物[16]。然而,由于明胶膜容易吸水,而且明胶在40～60 ℃下容易发生降解[17-19],因此60 ℃、75% RH条件可能会促使明胶发生降解,导致膜的机械性能在保存中发生下降。

2.2 颜色

α亚基-海藻酸钠复合膜颜色(b*值)的测定结果如表2所示。G-SA膜和α1-SA膜的b*值明显低于α2-SA膜(p<0.05),表明α2组分可以显著影响明胶-海藻酸钠复合膜的颜色。这与Chen等[11]在研究α亚基对明胶膜颜色影响时的结果类似。当膜在60 ℃、75% RH下保存6 h后,三种复合膜的b*值都逐渐增加,颜色逐渐变黄,表明复合膜中的明胶与海藻酸钠发生了美拉德反应。当放置时间达到72 h时,G-SA复合膜、α1-SA复合膜和α2-SA复合膜的b*值分别增加了53.5%、64.0%和36.3%,表明了α1亚基比α2亚基更容易与海藻酸钠发生美拉德反应。

表1 明胶α亚基和美拉德反应时间对明胶-海藻酸钠复合膜机械性能的影响Table 1 Effects of gelatin α subunits and maillard reaction time on the mechanical properties of gelatin-sodium alginate blend films

注:同一列中相同小写字母表示差异不显著(p>0.05),表2、表3同。

表3 明胶α亚基-海藻酸钠复合膜的荧光强度Table 3 Fluorescence intensity of gelatin α subunits-sodium alginate blend films

表2 明胶α亚基和美拉德反应时间对明胶-海藻酸钠复合膜颜色(b*值)的影响Table 2 Effects of gelatin α subunits and maillard reaction time on the color(b* value)of gelatin-sodium alginate blend films

2.3 荧光强度

据报道,蛋白与糖发生美拉德反应时,能够形成荧光物质[20-21]。因此,对α亚基-海藻酸钠复合膜的荧光物质进行测定,结果如表3所示。不管哪一种复合膜,在60 ℃、75% RH下,伴随保存时间的延长荧光强度都出现明显增加(p<0.05),再次表明复合膜中的α亚基和海藻酸钠发生了美拉德反应。

2.4 FTIR

复合膜的性质与成膜分子之间的相互作用密切相关,测定了保存过程中α亚基-海藻酸钠复合膜的红外光谱,结果如图1所示。复合膜的主要特征吸收峰出现在3300、1630、1545 cm-1附近,类似于Xiao[8]等报道的明胶-海藻酸钠复合膜的特征吸收。G-SA复合膜在60 ℃、75% RH保存中,代表N-H和O-H的伸缩振动酰胺A先向高波数方向移动又转向低波数方向;α1-SA复合膜的酰胺A在保存6 h时向低波数方向移动,随后延长保存时间没有再出现明显变化;而α2-SA复合膜的酰胺A经过48 h保存后也向低波数方向移动。据报道,蛋白膜酰胺A特征吸收峰向低波数方向移动表示膜中的氢键作用相对增强[22]。因此,图1的结果表明了膜在60 ℃、75% RH保存中蛋白的结构遭到热破坏,导致亲水性自由基增多[23],氢键作用相对增强。有研究报道,乳清分离蛋白与葡聚糖发生美拉德反应后,复合物中代表C=O伸缩振动的酰胺I和代表C-N伸缩振动的酰胺Ⅱ峰强度出现增强,对应的吸收峰位置发生红移[24]。本研究也发现了类似的现象(图1),尤其α1-SA复合膜保存72 h后酰胺-I位置红移了23.1 cm-1,并且峰的强度出现明显的增大。这些结果再次表明了复合膜在60 ℃、75% RH下保存中α亚基与海藻酸钠发生了美拉德反应,而且α1亚基更容易参与反应。

3 结论

明胶α亚基-海藻酸钠复合膜在60 ℃、75% RH下保存中会发生美拉德反应,膜中氢键作用增强,结果导致膜的机械性能发生下降,颜色变黄,其中α1亚基比α2亚基更容易参与美拉德反应。

[1]Gómez-Guillén MC,Turnay J,Fernández-Diaz MD,et al. Structural and physical properties of gelatin extracted from different marine species:a comparative study[J]. Food Hydrocolloids,2002,16(1):25-34.

[2]Gómez-Guillén MC,Pérez-Mateos M,Gómez-Estaca J,et al. Fish gelatin:a renewable material for developing active biodegradable films[J]. Trends in Food Science and Technology,2009,20(1):3-16.

[3]Gómez-Guillén MC,Giménez B,López-Caballero ME,et al. Functional and bioactive properties of collagen and gelatin from alternative sources:a review[J]. Food Hydrocolloids,2003,17(3):281-286.

[4]刘俊豪,黄珊,杨文鸽. 基于鱼皮明胶的可食膜改性及其应用[J].食品工业科技,2014,35(6):373-376.

[5]Al-Hassan AA,Norziah MH. Starch-gelatin edible films:water vapor permeability and mechanical properties as affected by plasticizers[J]. Food Hydrocolloids,2012,26(1):108-117.

[6]Pranoto Y,Lee CM,Park HJ. Characterizations of fish gelatin films added with gellan and κ-carrageenan[J]. LWT-Food Science and Technology,2007,40(5):766-774.

[7]Wang AN,Wu LG,Li XL,et al. Study on the blend film prepared by chitosan and gelatin[J]. Advanced Materials Research,2011,(201):2866-2869.

[8]Xiao C,Liu H,Lu Y,et al. Blend films from sodium alginate and gelatin solutions[J]. Journal of Macromolecular Science,Part A:Pure and Applied Chemistry,2001,38(3):317-328.

[9]Liu H,Li D,Guo S. Rheological properties of channel catfish(Ictaluruspunctaus)gelatine from fish skins preserved by different methods[J]. LWT-Food Science and Technology,2008,41(8):1425-1430.

[10]Gómez-Guillén MC,Turnay J,Fernández-Daz MD,et al. Structural and physical properties of gelatin extracted from different marine species:A comparative study[J]. Food Hydrocolloids,2002,16(1):25-34.

[11]Chen S,Tang L,Hao G,et al. Effects ofα1/α2ratios and drying temperatures on the properties of gelatin films prepared from tilapia(Tilapiazillii)skins[J]. Food Hydrocolloids,2016,52,573-580.

[12]Chen S,Tang L,Su W,et al. Separation and characterization

of alpha-chain subunits from tilapia(Tilapiazillii)skin gelatin using ultrafiltration[J]. Food Chemistry,2015,188:350-356.

[13]翁武银,刘光明,苏文金,等. 鱼皮明胶蛋白膜的制备及其热稳定性[J]. 水产学报,2011,35(12):1890-1896.

[14]Lertittikul W,Benjakul S,Tanaka M. Characteristics and antioxidative activity of Maillard reaction products from a porcine plasma protein-glucose model system as influenced by pH[J]. Food Chemistry,2007,100(2):669-677.

[15]王虹霞,丁克毅,刘军. 果胶/壳聚糖/魔芋胶三元复合膜的结构及应用性能分析[J]. 食品与生物技术学报,2015,34(4):407-412.

[16]布冠好,朱婷伟,陈复生,等. 大豆蛋白-乳糖复合物的结构及功能特性研究[J]. 中国粮油学报,2014,29(7):40-44.

[17]Bergo P,Sobral PJA. Effects of plasticizer on physical properties of pigskin gelatin films[J]. Food Hydrocolloids,2007,21(8):1285-1289.

[18]刘丹维,王亚娟,邵双喜. 氧化甲壳素对明胶热稳定性及吸水性的影响[J]. 皮革科学与工程,2013,23(1):11-15.

[19]郑惠彬,翁武银,苏文金,等. 提取pH和温度对罗非鱼(Tilapiazillii)[J]. 海洋与湖沼,2013,44(5):1403-1408.

[20]Yeboah FK,Alli I,Yaylayan VA. Reactivities of D-glucose and D-fructose during glycation of bovine serum albumin[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry,1999,47(8):3164-3172.

[21]Morales FJ,Romero C,Jiménez-Pérez S. Fluorescence associated with Maillard reaction in milk and milk-resembling systems[J]. Food Chemistry,1996,57(3):423-428.

[22]Hoque MS,Benjakul S,Prodpran T. Effect of heat treatment of film-forming solution on the properties of film from cuttlefish(Sepiapharaonis)skin gelatin[J]. Journal Food Engineer,2010,96(1):66-73.

[23]Chen X,Li WJ,Shao ZZ,et al. Separation of alcohol-water mixture by pervaporation through a novel natural polymer blend membrane-chitosan/silk fibroin blend membrane[J]. Journal of Applied Polymer Science,1999,73:975-980.

[24]卢静静,孙炜炜. FT-IR分析乳清分离蛋白-葡聚糖接枝物的结构变化[J]. 现代食品科技,2014,30(8):89-93.

Effects of gelatinαsubunits and maillard reaction on the properties of gelatin-sodium alginate blend films

CHEN Jun1,2,3,WEI Pei-xiao2,CHEN Shu-lin2,WENG Wu-yin2,3,*

(1.College of Chemical Engineering Huaqiao University,Xiamen 361021,China;2.College of Food and Biological Engineering,Jimei University,Xiamen 361021,China；3.Xiamen Key Laboratory of Marine Functional Food,Xiamen 361021,China)

The effects of gelatinαsubunits and maillard reaction on the properties of gelatin-sodium alginate(SA)blend films were investigated by measuring the mechanical properties,color,fluorescence intensity and fourier transform infrared spectroscopy(FTIR). The mechanical properties of gelatinαsubunits-SA blend films were decreased after storage at 0 ℃,75% relative humidity(RH)for 72 h,while the fluorescence intensity was increased. Whenα1-SA blend films were stored for 72 h,the increasing extent ofb*value was 64.0%,which was higher than that of G-SA blend films andα2-SA blend films. It was revealed that the maillard reaction could occur betweenαsubunits and sodium alginate,andα1-subunit was easier to be reacted than others through FTIR analysis. It was concluded from the results of this study that the color of gelatinαsubunits-SA blend films became yellow during the storage at 0 ℃ and 75% RH.

gelatin;α-subunits;sodium alginate;blend film;maillard reaction

2016-11-11

陈俊(1977-)，男，博士研究生，副教授，主要从事天然产物开发利用研究，E-mail：chenjun@jmu.edu.cn。

*通讯作者:翁武银(1974-)，男，博士，教授，主要从事蛋白质化学和水产加工研究，E-mail：wwymail@jmu.edu.cn。

国家自然科学基金(31271984)；厦门市海洋经济发展专项资金项目(14CZP031HJ05)；福建省海洋经济创新发展区域示范项目(2014FJ05)；福建省科技重点项目(2014Y0081)。

TS201.1

A

1002-0306(2017)11-0061-04

10.13386/j.issn1002-0306.2017.11.003